计算机基础知识

计算机基础知识

♦1.1计算机基础知识

/1.1.1计算机的诞生与发展

一、计算机诞生的“史前”时代

・东汉时期算盘是最早的计算工具。

・1642年法国物理学家帕斯卡发明了机械的齿轮式加减法器。

・1673年德国数学家莱布尼兹发明了乘除器，诞生了能进行四则运算的机械式计算器，

商品的机械计算机在1820真正出现了。

・在十九世纪三四十年代英国发明家查里斯•巴贝齐设计了差分机和分析机。他设计的

分析机虽有了今天计算机的基本框架，但由于技术限制，用机械方式实现如此复杂的过程

几乎是不可能的，巴贝齐的计算机器都没有完成。

・在计算机的奠基方面，其中最重要的代表人物是英国数学家阿兰•图灵

（AlanM.Turing）和美籍匈牙利数学家冯•诺依曼（JohnVonNeumann）

・图灵对计算机的贡献主要有两个：

・①建立了图灵机的理论模型，发展了可计算性理论，对数字计算机的一般结构，

可实现性和局限性都产生了意义深远的影响。

・②提出了定义机器智能的图灵测试，奠定了人工智能的基础。

・冯•诺依曼理论的要点主要有二个：

・①数字计算机的数制采用二进制。

・②计算机应该按照程序顺序执行。

・冯•诺依曼理论确立了计算机的基本结构，直到今天，通用计算机仍采用冯•诺依曼理论

的存储程序和程序控制的设计思想，被称为冯•诺依曼结构计算机。

二、第一台电子数字计算机的诞生

・第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕

法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。

・1946年2月14日，世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC

三、计算机的发展

・人们根据计算机所用的逻辑元器件的种类不同对计算机进行了分类，大致上分成4

个发展阶段。

・1、采用电子管的第一代计算机（1946〜1957年）

・第一代计算机的逻辑元件采用电子管（如图1.4所示），通常称为电子管计算机。主

要用于数值计算。主要特点是：

・（1）采用电子管作为基本逻辑部件，体积大，耗电量大，寿命短，可靠性大，成本高。

・（2）容量很小，后来外存储器使用了磁鼓存储信息，扩充了容量。

・（3）输入输出装置落后，主要使用穿孔卡片，速度慢，使用十分不便。

・（4）没有系统软件，只能用机器语言和汇编语言编程

•2、采用晶体管的第二代计算机计算机（1958〜1964年）

・第二代计算机的逻辑元件采用晶体管（如图1.5所示），即晶体管计算机。应用范围

由数值计算扩大到数据处理和工业控制。主要特点是：

・（1）采用晶体管制作基本逻辑部件，体积减小，重量减轻，能耗降低，成本下降，计

算机的可靠性和运算速度均得到提高。

・（2）普遍采用磁芯作为贮存器，采用磁盘/磁鼓作为外存储器。

・（3）开始有了系统软件（监控程序），提出了操作系统概念，出现了高级语言。

•3、采用集成电路的第三代计算机（1965~1970年）

・第三代计算机采用集成电路（如图1.6所示）制作逻辑开关部件。主要特点是：

・（1）采用中，小规模集成电路制作各种逻辑部件，体积小，重量更轻，耗电更省，寿

命更长，成本更低，运算速度有了更大的提高。

・（2）采用半导体存储器作为主存，取代了原来的磁芯存储器，使存储器容量和存取速

度有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力。

・（3）系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统，多用户可以共享计算机软硬件资

源。

・（4）在程序设计方面上采用了结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上

的保证。

・4、使用超大规模集成电路的第四代计算机（1971年至今）

・第四代计算机的逻辑元件采用大规模集成电路（LSI）。计算机的发展进入了以计算机

网络为特征的时代。目前使用的计算机都属于第四代计算机。主要特点是：

・（1）基本逻辑部件采用大规模、超大规模集成电路，使计算机体积，重量，成本均大

幅度降低，出现了微型机。

・（2）作为主存的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除广泛

使用软，硬磁盘外，还引进了光盘、大容量的移动存储器。

・（3）各种使用方便的输入输出设备相继出现。

・（4）软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了用户。

・（5）计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起。

・（6）多媒体技术崛起，计算机集图像，图形，声音，文字，处理于一体，在信息处理

领域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。

・从上世纪80年代开始，发达国家开始研制第五代计算机，研究的目标是能够打破以

往计算机固有的体系结构，使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智

能化发展，实现接近人的思考方式

五、计算机发展趋势

・计算机发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化等多极方向发展。

1.1.2计算机的特点与分类

一、计算机的特点

・1、运算速度快

・2、计算精度高

・3、“记忆”能力强大

・4、具有逻辑判断能力

・5、具有自动控制能力

・6、通用性强

•7、人机交互轻松自如

二、计算机的分类

・1、从处理的信号类型来分，可分为数字电子计算机和模拟电子计算机。

・2、按用途来分，可分为通用计算机和专用计算机。

・3、按性能、规模大小来分，可分为巨型计算机、大中型计算机、小型计算机、微

型计算机等。

1.1.3计算机在信息社会中的应用

一、科学计算

二、数据处理

三、过程控制

四、辅助技术

•计算机辅助技术包括：计算机辅助教学(computeraidedinstruction,CAI)、计算机

辅助设计(computeraideddesign,CAD)、计算机辅助制造(computeraided

manufacturing,CAM)、计算机辅助测试(computeraidedtesting,CAT)、计算机集成

制造系统(computerintegratedmanufacturingsystems,CIMS)等。

五、人工智能

•人工智能(ArtificialIntelligence,简称AI)也称为“智能模拟”，是计算机模拟人类的智能

活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。近20余年来，围绕AI

的应用主要表现在以下几个方面：

・1、机器人(Robots)：机器人诞生于美国，但发展最快的是日本。一类叫“工业

机器人”，它由事先编制好的程序控制，通常用于完成重复性的规定操作：另一类是“智

能机器人”，具有感知和识别能力，能说话和回答问题。

•2、专家系统(ExpertSystem)：专家系统是用于模拟专家智能的一类软件。需要时

只须由用户输人要查询的问题和有关数据，专家系统通过推理判断向用户作出解答。该

软件既能保存专家的知识经验，又能模仿专家的思想与行为，所以称为专家系统。著名

的“关幼波肝病诊疗程序”，就是根据我国著名中医幼波的经验制成的一个医疗专家系

统。

•3、模式识别(PatternRecognition)：这是AI最早的应用领域之一，重点是研究图

形(包括符号和图像)识别和语言识别。它的实质是抽取被识别对象的特征，即所谓模

式，与事先存在于计算机中的已知对象的特征进行比较与判别。例如，机器人的社视觉

器官和听觉器官、公安机关的指纹分辨，乃至能够识别手写邮政编码的自动分信机，都

是模式识别的应用实例。

・4、智能检索(IntelligentSearch)：它除存储经典数据库中代表已知“事实”外，智能

数据库和知识库中还存储供推理和联想使用的“规则”，因而智能检索具有一定的推理能

力，能根据规则去推知比已知事实更多的内容。例如机器人虽然有一个“大脑”，但它的数

据库容量有限，如果让它具有智能检索功能，必能使机器人更聪明。

六、网络与数据通信

・计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解

决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源

的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。先

进的网络技术的应用，将会引发信息革命。

1.2计算机系统

1.2.1计算机的基本组成

•一个完整的计算机系统是由计算机硬件系统和软件系统组成，如图1.10所示。

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