第一章 计算机的基础知识

第一章计算机的基础知识第一页，共五十页，2022年，8月28日计算机专业基础课、专业课之间的关系计算机导论高级语言程序设计数据结构离散数学电子技术基础数字系统设计基础计算机组成原理微机系统及其应用数字信号处理计算机控制计算机系统结构操作系统算法设计与分析编译原理数据库系统软件工程面向对象技术计算机通信原理计算机网络多媒体信息处理技术网络计算信息安全人机界面设计人工智能并行处理技术嵌入式系统计算机图形学英语、高等数学、线性代数、概率论……第二页，共五十页，2022年，8月28日导论：计算机科学与技术学科的知识体系计算机科学技术是研究计算机的设计与制造，利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科，包括科学与技术两方面。科学侧重于研究现象、揭示规律。技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。计算机科学与技术学科的根本问题是什么能被有效地自动化。研究范畴包括计算机理论、硬件、软件、网络及应用等。第三页，共五十页，2022年，8月28日计算机的基础知识一、常见的计算机设备二、计算机的产生与发展历程三、计算机的应用领域和发展趋势四、计算机系统的组成第四页，共五十页，2022年，8月28日计算机的基础知识一、常见的计算机设备二、计算机的产生与发展历程三、计算机的应用领域和发展趋势四、计算机系统的组成第五页，共五十页，2022年，8月28日一、常见的计算机设备第六页，共五十页，2022年，8月28日一、常见的计算机设备第七页，共五十页，2022年，8月28日计算机是什么？

Computersareeverywhere！第八页，共五十页，2022年，8月28日计算机成了社会的必需品计算机是一种相对其能力而言比较便宜的工具，同一台机器能够做许多种不同的事：算题（科学计算）制作图案处理文字记录事实控制其他机器游戏发送消息识别语音问题：大多数机器只能做一类事，为什么计算机能够做

许多种不同的事？是不是计算机什么事都能做？第九页，共五十页，2022年，8月28日计算机是一台快速但笨拙的机器只有有限的能力。只能进行基本的数学运算与逻辑比较。必须由程序来指示它做什么事。

——GeorgeBeekman计算机是一台笨拙的机器，具有从事令人难以置信的聪明工作的能力，...计算机程序员则是一些聪明的人，具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力。简而言之，计算机与程序员实现了完美的配合。

——JamieShiers第十页，共五十页，2022年，8月28日计算机的基础知识一、常见的计算机设备二、计算机的产生与发展历程三、计算机的应用领域和发展趋势四、计算机系统的组成第十一页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前1.算筹

算筹又称为筹、策、算子等中国科学家祖冲之(429—500年)借助算筹作为计算工具计算出圆周率

祖冲之(429—500年)第十二页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前2.算盘

算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具由古代“算筹”演变而来素有“中国计算机”之称第十三页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前3.机械式计算机法国科学家布莱斯•帕斯卡(BlaisePascal：1623—1662年)发明了机械的齿轮式加减法器，这是现存最早的机械式计算器。用一种纯粹的机械装置可以代替人的思考和记忆。第十四页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前3.机械式计算机德国著名数学家戈特弗里德•威廉•莱布尼茨(GottfriedWilhelmLeibniz：1646—1716年)将帕斯卡的“加法器”扩大为乘除运算。第十五页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前4.提花机法国机械师约瑟夫•杰卡德(JosephJacquard)，大约在1801年完成了“自动提花编织机”的设计制作。采用穿孔卡片操纵编织针。第十六页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前5.差分机和分析机1821年，英国数学家巴贝奇C.Babbage（1791-1871）设计了差分机，这是第一台可自动进行数学变换的机器，因此他被称为“计算之父”。此后，他又设计了能够处理数学公式的分析机。然而，这两种机器都没有真正实现。第十七页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前5.差分机和分析机AdaLovelace（1815-1852）（英国诗人拜伦的女儿）为Babbage的分析机设计了程序，被称为“第一位程序员”。第十八页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机19世纪末，赫尔曼•霍列瑞斯(HermanHollerith：1860—1929)用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理第十九页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机1873年，美国人鲍德温(F.Baldwin)，利用齿数可变齿轮，设法制造出一种小型计算机样机布什(V.Bush)为了求解与电路有关的微分方程，制作了一台模拟计算装置助其求解。第二十页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机英国数学家布尔(G.Boole：1815—1864年)建立了一门新的数学学科——布尔代数，为今后数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机1938年，美国数学家香农(C.Shannon)第一次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁，以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了数字电路的设计。1956年，率先把人工智能运用于计算机下棋方面，验证了计算机可以通过学习提高智能。第二十二页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机1938年，28岁的楚泽(K.Zuse)设计了一台可编程数字计算机Z-1。1939年，楚泽继电器组装了Z-2。1941年，楚泽的电磁式计算机Z-3完成。1945年建造了Z-4计算机。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日

Z－3重建Z－1Z－4

老年楚泽（中）数字计算机之父第二十四页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机产生之前6.模拟计算机美国哈佛大学艾肯(H.Aiken)博士发明了电磁式计算机MarkⅠ，也叫“自动序列受控计算机”，是计算机“史前史”里最后一台著名的计算机。第二十五页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的产生1.图灵机AlanTuring（1912~1954）1936年读研究生时发表的一篇论文中提出了图灵机（TuringMachine），奠定了计算机的理论基础。图灵原理：一切可能的机械式计算过程都能由图灵机实现。还指出，存在“通用”图灵机，它可实现所有图灵机的功能。不必造加法机、乘法机、最大公约数机，只要造出“通用图灵机”功能等价的机器，就能解决所有计算问题。Turing与Church合作给出了数学证明，断言未来计算机能够象人那样具有思维能力（因而汉语中有了“电脑”）。计算机学科的最高荣誉是ACM（美国计算机学会）图灵奖。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日第二十七页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的产生2.ENIAC和冯·诺依曼1946年，在宾夕法尼亚大学Moore学院，J.Eckert和J.Mauchly为实现弹道计算研制成功了ENIAC（“电子数字积分计算机”，ElectronicNumericalIntegratorandComputer），它用了19000个电子管，重30吨，耗电200千瓦。第二十八页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的产生2.ENIAC和冯·诺依曼1946年，冯·诺依曼JohnvonNeumann（1903~1957）发表了第一篇关于电子计算机程序存储的论文，描述了如何用（可被存储、读出和执行的）数字来表示逻辑操作（程序）。至今，大多数计算机采用的都是冯·诺依曼体系结构(vonNeumannarchitecture)第二十九页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的产生3.GraceHopperHopper，女，软件程序设计人员，是第一位发现并排除了程序错误（bugs）的人。此后，人们把发现和排除程序错误的过程称为debugging，把这样的软件工具称为debuger.第三十页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的发展历程1.第一代（1945~1957）：电子管计算机其主要特征是逻辑器件使用电子管第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置，主要用于科学计算。第三十一页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的发展历程2.第二代（1958~1964）：晶体管计算机其主要特征是使用晶体管代替了电子管体积缩小，增加了机器的稳定性并提高了运算速度，功耗减小，价格降低。第三十二页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的发展历程3.第三代（1965~1972）：小规模集成电路计算机其主要特征是用半导体、小规模集成电路(IntegratedCircuit——IC)作为元器件代替晶体管等分立元件体积和耗电量显著减小，而计算速度和存储存量却有较大提高，可靠性也大大加强。第三十三页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的发展历程4.第四代（1972至今）：大规模和超大规模集成电路其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路微型机、笔记本和掌上型等超微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。第三十四页，共五十页，2022年，8月28日二、计算机的产生与发展历程计算机的发展历程5.新一代计算机：将微电子技术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。量子计算机、生物计算机、光计算机、纳米计算机、DNA计算机等。第三十五页，共五十页，2022年，8月28日计算机的基础知识一、常见的计算机设备二、计算机的产生与发展历程三、计算机的应用领域和发展趋势四、计算机系统的组成第三十六页，共五十页，2022年，8月28日三、计算机的应用领域与发展趋势计算机的应用领域1．科学研究和科学计算2．信息传输和信息处理3．生产过程的自动化控制和管理自动化4．计算机辅助设计/辅助制造/辅助教学5．娱乐第三十七页，共五十页，2022年，8月28日三、计算机的应用领域与发展趋势计算机的发展趋势1.微型化（microcomputer）2.巨型化（supercompter）3.网络化（netcomputer）4.智能化5.新型计算机第三十八页，共五十页，2022年，8月28日三、计算机的应用领域与发展趋势计算机的分类：从技术、功能、体积、价格和性能等综合指标考虑，可分:1.巨型计算机2.大型计算机3.小型计算机4.微型计算机5..……第三十九页，共五十页，2022年，8月28日拥有最强的并行计算能力，主要用于科学计算。在气象、军事、能源等领域承担大规模、高速度的计算任务。趋势是用许多台计算机构成一台超级计算机。巨型计算机83年银河-I亿次机92年银河-II10亿次机97年银河-III百亿次机第四十页，共五十页，2022年，8月28日具有比小型机更强的数据处理能力。价格比小型机高。在银行等最早使用计算机的行业中广泛使用。中科院计算技术研究所国家智能机中心研制的每秒200亿次的曙光2000型超级服务器大中型计算机第四十一页，共五十页，2022年，8月28日具有比微机更强的数据处理能力和数据存储能力。多个用户可以同时使用（多用户，Multi-user）。目前主要用作服务器。小型计算机IBMz系列z900服务器IBMz系列z990服务器第四十二页，共五十页，2022年，8月28日台式机、工作站是通用计算机。通常是由一个用户来使用（单用户，Single-user）。配有文字、声音、图像等输入输出设备。可通过网络与其他计算机相连。高档台式机可充当服务器。微型计算机第四十三页，共五十页，2022年，8月28日网络计算机一种在网络环境下使用的终端设备，其特点是内存容量大、显示器的性能高、通信功能强，但本机中不一定配置外存，所需要的程序和数据存储在网络的服务器中。微型计算机第四十四页，共五十页，2022年，8月28日膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）功能与