第1章 计算机基础概论

第1章计算机基础概论2

1.1信息社会2

1.1.1信息社会与信息技术2

1.1.2信息社会与计算思维5

1.1.3信息社会与计算机文化7

1.2计算机概述8

1.2.1计算机的产生及发展历程8

1.2.2计算机的发展趋势12

1.2.3计算机的特点13

1.2.4计算机的分类13

1.2.5计算机的应用16

1.3计算机系统17

1.3.1计算机系统的组成17

1.3.2计算机硬件系统（机器系统）18

1.3.3计算机软件系统20

1.3.4计算机软、硬件系统及用户的关系31

1.4微型计算机硬件构成31

1.4.1微型计算机的主机构成31

1.4.2微型计算机的输入设备37

1.4.3微型计算机的外存储器39

1.4.4微型计算机的输出设备42

1.4.5微型计算机的主要性能指标44

1.4.6选购配置微型计算机45

1.5计算机中数据的表示及其编码46

1.5.1数的进位制及其转换46

1.5.2字符编码：ASCII码49

1.5.3汉字编码50

1.5.4声音图像数字化52

1.6多媒体技术和多媒体计算机53

1.6.1多媒体技术及其特征53

1.6.2多媒体计算机系统的组成54

1.6.3多媒体信息处理的关键技术56

1.6.4多媒体技术的应用58

知识链接计算机界的诺贝尔奖一一ACM图灵奖59

本章练习61

第I章计算机基础概论

第1章计算机基础概论

在漫长的社会实践和社会发展历史长河中，人类根据自身需要，利用自己的聪明才智，

创造出了许许多多灿烂的人类文明和科技成果，电子计算机这一伟大的发明就是其中之一。

电子计算机的出现，给人类的生产、生活带来了巨大的变化和深远的影响，极大地推动了社

会的进步和人类文明，计算机的出现，使人类的智能与体能得到了极大的延伸。今天，以计

算机技术为基础的网上工作、网上学习、网上购物等网络工作、学习、生活方式再已不是一

种时尚，已经成了一种生活状态和习惯。电子政务、电子商务的展开，极大地提高行政、商

务效率，规范和促进了政务、商务工作的透明度，深化发展了社会管理的各种职能，大大地

减轻了人们的工作强度和工作压力。现代人必须熟悉和掌握现代化工具，“计算机盲”在信

息时代的今天已是寸步难行，以计算机为核心和动力的计算机文化已和我们的生活广泛而紧

密地联系在了•起，必须了解学习计算机知识、掌握计算机技能和我们了解和学习传统文化

一样，已是全社会的共识，学习和掌握计算机技术不仅是现代社会对我们的素质要求，更是

生活、工作、学习的需要，

1.1信息社会

1.1.1信息社会与信息技术

1.信息

“信息”一词可谓历史悠久，在我国2000多年前的西汉时期就有“信”字，主要指信

息或消息。生活中，“信息”一词表示音信、消息。作为科学概念的“信息”，是指对未预见

的事物或事件的报到和对邪物观察所得的知识、印象。

著名信息学家RafaelCapurro曾经在他的著作中给出过一个关于信息的定义，他认为信

息不仅仅是交流的过程，也不是从一个主体转移到另一个主体的物质，信息是一种状态，人

类的生产生活以及其他一切活动都是在这种状态中进行的。的确如此，任何一个物种的存在,

都依托一个流通的信息环境。

迄今为止学术界尚没有对信息下一个准确完整的定义，对信息解释也众说纷纭，但对信

息的含义和特征有着普遍的共识：信息是用数据作为载体来描述和表示客观现象；信息可以

用数值、文字、声音、图形、图像等多种形式表示；信息是对数据加工提炼的结果，是对人

类有用的知识；信息是具有含义的符号和消息，而数据是计算机内信息的载体。显而易见，

若想得到信息，必须要对客观世界中的现象和问题通过数据这种媒体记录下来，通常把对各

种数据加工转换得到信息的过程称为信息处理或数据处理。需要指出的是，信息和数据是有

区别的，数据是原始的、广义的、可鉴别的抽象符号，它可以用来描述事物的属性、状态、

程度、方式等；数据单独表示时没有任何意义，只有把它们放入特定的场合进行解释和加工,

才能使其具有意义并升华为信息。

2.信息社会

信息就像空气一样，虽然摸不到，但却不停地在我们身边流动，为人类服务。人仅需要

信息，研究信息，一时一刻也离不开信息。人类通过各种信息认识各种事物，借助信息的交

流来沟通人与人之间的思想。当人类这个生灵在地球上出现的时候，信息就注定要以比其他

物种更高的智能形态伴随着人类在艰难恶劣的环境中，从茹毛饮血的日子里一点一点直到今

2

天。人类对信息的把握，成了认识世界和改造世界的有力武器。语言的产生，文字的出现，

各种各样信息载体和媒介的不断拓展，使人们生活的信息世界越来越丰富和充盈。科学技术

的发展，给人类插上了遨游信息海洋的翅膀，创造了一个又一个把想象变为现实的令人激动

的时刻。语言的形成，文字的创造，造纸术和印刷术的发明，电报电话和广播电视的普及应

用，电子计算机的出现，五次信息技术革命的飞跃，使人类和信息融为了i体，人们惊异地

发现，无处不在的信息不仅是我们离不开的生存环境，更是一种具有深厚挖掘潜力的资源。

在古代，人类就已经有了各种处理和记录传递信息的手段，如算盘、结绳计数、纸张记事、

烽火台、邮传驿站传递信息等；到了近代，人类处理信息的手段又得到发展，电报、电话、

录音、录像等：现代信息处理则更加丰富多样，计算机网络、卫星定位通讯、C”RS系统、

3G、4G通讯等等。人类在不断地改进信息处理的技术和工具，以适应人们不断提高的信息

处理要求。所有这些使得信息社会悄然来到我们身边。

为什么信息化社会能够来到我们身边呢？其主要原因是：信息领域科学技术发展到今

天，已经具备了为社会提供“信息系统”这样一种崭新的社会生产工具的足够能力。从技术

方面看，1946年第一台电子计算机问世，1947年第一只晶体管诞生，1965年第一颗商用卫

星投入使用，随后光纤通信的应用及因特网的持续发展等等，信息技术不断渗透到社会各个

领域，信息社会不知不觉已跃然眼前。信息已经同物质、能量一样，成为了人类文明的三大

支柱之一。

如果说农业社会足以物质活动为社会发展的基本活动，工业社会足以资本活动为社会发

展的基本活动，那么信息社会无疑就是以信息活动为社会发展的基本活动。它是一种以信息

技术为技术基础，以信息经济（或称知识经济）为主导经济，以信息产业为主导产业，以信

息文化改变人类教育、生活和工作方式及价值观念的新型社会形态。不难看出，在信息社会

中，信息已成为社会重要的战略资源，信息网络已成为社会的基础设施。

今天我们所处的社会对信息的要求和依赖前所未有，对信息的加工和处理日新月异，对

信息的使用和安全倍加重视，正因如此，信息社会是赋予了以上全新意义和深刻内含的社会。

在这样的社会，我们会因停电、断网、死机，捶胸顿足、手足无措、寸步难行，并直接波及

社会的生产、生活、工作等方方面面。

如果说以蒸汽机为中心的动力革命，使人类的体力劳动得到了大大的解放，那么以电子

技术为先导、以计算机和现代通信为代表的信息革命使人类的脑力劳动得到了解放。

信息的应用非常广阔a认知、科学探索、知识传播、生产流程控制、管理（宏观管理和

微观管理）、娱乐（多媒体）以及人们之间的交流等无处不在。

3.信息技术

美国未来学家托夫勒曾说过“谁掌握了信息，控制了网络，谁就将拥有整个世界”。基

于此，人们对信息技术的依赖和想象被牵引到了无穷无尽的空间。

信息技术发展为当今社会提供“信息系统”这样一代崭新的社会生产工具。在科学理论

方面，自1948年,信息论的创始人美国科学家香农（ClaudeShannon）发表“通信的数学

理论”一文，阐述了在通信意义下的信息的概念和数学度量方法。建立了通信信道容量的定

义和度量公式，提出并证明了关于通信的有效性和可靠性的一组编码定理，从而开创了信息

理论研究。控制论创始人美国科学家维纳（N.Wiener）在“控制论：机器和动物中的通信与

控制问题”专著中，指出信息是物质和质量同样重要的研究对象，论述了在统计背景下通过

信息的反馈控制实现机器系统的自适应，自学习和自组织的可能机制。随后麦卡锡的“人工

智能”以及查德的“模糊集合理论”为智能研究提供了新的理论和方法。在技术方面，自第

一台计算机问世，以及晶体管的诞生，商用卫星，光纤通信的应用。信息技术的快速发展推

动了信息的生产，流通和消费规模不断扩大。所有这些，都展示了信息技术发展的美好前景。

一般来说，信息技术是指对信息的搜集、存储、传递、分析、使用等的处理技术和智能

第I章计算机基础概论

技术。具体地讲，包括软件开发技术、通信网络技术、微电子技术、信息处理技术和多媒体

技术，而传感、自控和新材料技术等是信息技术的相关技术。信息技术是目前各领域高新技

术的关键和核心，更是信息产业、信息社会的基础。

现代信息技术包括四大类：电子信息技术。包括电子感测技术、电子通信技术、电子计

算机、电子控制技术；量子信息技术。主要表现为量子计算机；激光信息技术。包括激光遥

感、光纤维通讯、激光全息存储、激光控制技术、激光计算机；生物信息技术。生物开关器

件、生物存储器件、生物逻辑器件、生物计算机等。

信息产业的主要技术和产品范围包括：一是多媒体技术。其中包括多媒体计算机技术、

PC技术、液晶等高清晰度显示技术等：二是存储和处理技术。其中包括超巨型和超微型计

算机技术、语言识别和神经网络等智能计算机技术、分子电子技术、计算机免疫系统技术等；

三是传输技术。包括光纤和卫星等通讯技术、数字声像技术、各种调制和解调技术、各种传

感技术、交互式网络技术等。

4.信息化建设

社会发展到每一阶段，都需要有相应的基础设施作支持。在农业社会，出地是社会的基

础设施；在工业社会，机械设备、道路交通等是社会的基础设施；在信息社会，”信息高速

公路”无疑成了社会最重要的基础设施。

各国以“信息高速公路”的方式推进本国的信息化建设和进程。我国是以“金”字工程

推进信息化建设，其中，“金桥”、“金美”、“金卡”、“金税”、“金农”、“金盾”……工程在

国民经济建设和社会发展中发挥着越来越重要的作用。

“信息高速公路”是国家信息基础设施（NID的形象比喻，国家信息基础设施是美国

政府于1993年9月正式提出来的。“信息高速公路”是一个交互式的多媒体通信网络，它以

光纤为“路”，以电话、电脑、电视、传真等多媒体终端为“车”，既能传输语言文字，又能

传输数据和图象，使信息的高速传递、共享和增值成为可能，并且提供了教育、卫生、商务、

金融、文化、娱乐等广泛的信息服务。

信息高速公路向亿万普通人展示了诱人画卷：可视电话、网络购物、无纸贸易、电视会

议、居家办公、远程教育、远程医疗、网络游戏、视频点播等，“千里眼”、“顺风耳”这些

梦想大多已经变为现实。信息高速公路的建成，大大改变了人类的工作、学习和生活方式，

其影响远超过铁路与高速公路，对各国政治、经济、文化和社会生活产生越来越深入、广泛、

持久的影响，促进了科学教育的速度和知识更新的步伐，导致了思维方式的更新，改变了人

们的生活方式。

5.信息化问题与困惑

信息化在推动社会发展变革的同时，也给人类带来了诸多问题和困惑。“信息高速公路”

的建立加速了不同文化间的渗透，整个世界趋于共性有余而个性不足：发达国家对科技与信

息资源的进一步垄断，凸显其比较优势与竞争优势，从而加大了发展中国家与发达国家的数

字鸿沟和贫富差距；人与人之间直接、面对面的接触逐渐减少，群体生活与情感交流渐失；

计算机犯罪及计算机病毒也给人们带来无尽的烦恼，影响到正常的生活工作；另外，信息安

全作为一种新兴非传统安全领域，正受到越来越严重的安全威胁。如此种种，人们始料未及。

然而，同自然界一样，适者生存依然是信息社会遵循的法则。我们惟有不断解决问题迎接挑

战，别无它途。在这一过程中，技术固然重要，但更重要的应该是观念的更新和信息意识的

培养。在社会变革及信息化进程中，观念的转变是最根本的转变！社会的现代化需要人的现

代化，而人的现代化需要现代的文化和观念。

4

1.1.2信息社会与计算思维

信息社会大量的生产、工作、生活实景都依托信息技术支撑和实现。无论是过程控制、

科学实验、生产调度、学习娱乐、社会管理、国防军事、预测预报等等都需要通过计算机这

一核心工具来解决与完成，计算机这一特殊的程序化了机器，有其独特的解题（解决问题）

模型与方式，即所谓算法。这就要求我们在用计算机来解决实际问题时要有计算机思维，尽

量使我们的求解过程和计算机契合，把解决现实问题的需要和计算机求解问题的方式（习惯）

联系起来。其基本路径是：明确问题、建立模型、确定算法、编制程序、联机实现等。例如,

用随机函数来处理（模拟）自然界中的随机事件（投掷硬币、彩票摇号），用条件函数来模

拟人们的选择判断（棋类对弈），用栈原理来实现生活中的先进先出原则（出租车机场侯客）

等等。

1.计算思维的定义

2006年3月，美国卡内基•梅隆大学计算机科学系主任周以真（JeannelteM.Wing）教授

在美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》杂志上给出，并定义了计算思维

（ComputationalThinking）.周教授认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题

求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

以上是关于计算思维的一个总定义，周教授为了让人们更易于理解，又将它更进一步地

解释为：通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们

知道问题怎样解决的方法；是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能

把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；是一种采用抽象和分解来控制庞杂

的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法（SOC方法）；是一种选择

合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；是按

照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的•种思维方法:

是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；是利用

海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。

2.计算思维的内涵及特点

（1）计算思维的内涵

计算思维吸取了问题解决所采用的一般数学思维方法，现实世界中巨大复杂系统的设计

与评估的一般工程思维方法，以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维

方法。计算思维建立在计算过程的能力和限制之匕由大由机器执行。计算方法和模型使我

们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。

计算思维最根本的内容，即其本质（Essence）是抽象（Abstraction）和自动化

（Automation）（＞主要表现为问题求解能力、系统设计能力和人类行为理解能力。计算思维

中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是一类特例。与

数学和物理科学相比，计算思维中的抽象显得更为丰富，也更为更杂。数学抽象的最人特点

是抛开现实事物的物埋、化学和生物学等特性，而仅保留其量的关系和空间的形式，而计算

思维中的抽象却不仅仅如此。

计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人日机器执行。计算方法和模型使我们

敢于去处理那些原本无法由任何个人独自完成的问题求解和系统设计。计算思维直面机器智

能的不解之谜：什么人类比计算机做得好？什么计算机比人类做得好？最基本的问题是：什

么是可计算的？迄今为止我们对这些问题仍是一知半解。

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题,设计系统和理解人类的行为。它包

括了涵盖计算机科学之广域的一系列思维活动。

第I章计算机基础概论

当我们必须求解一个特定的问题时，首先会问：解决这个问题有多么困难？怎样才是最

佳的解决方法？计算机科学根据坚实的理论基础来准确地问答这些问题。表述问题的难度就

是工具的基本能力，必须考虑的因素包括机器的指令系统、资源约束和操作环境。

为了有效地求解一个问题，我们可能要进一步问：一个近似解是否就够了，是否可以利

用一下随机化，以及是否允许误报（falsepositive）和漏报（falsenegative）。计算思维就是

通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样

解决的问题。

（2）计算思维的特点

计算思维是一种递归思维。采用并行处理。它是把代码译成数据又把数据译成代码。它

是由广义量纲分析进行的类型检查。咐于别名或赋予人与物多个名字的做法，它既知道其益

处又了解其害处。对于间接寻址和程序调用的方法，它既知道其威力又了解其代价。它评价

一个程序时，不仅仅根据其准确性和效率，还有美学的考量，而对于系统的设计，还考虑简

洁和优雅。

计算思维是对问题的抽象和分解。通过这种手段迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系

统。它是关注的分离（SOC方法）。它是选择合适的方式去陈述一个问题，或者是选择合适

的方式对一个问题的相关方面建模使其易于处理。它是利用不变量简明扼要且表述性地刻画

系统的行为。它使我们在不必理解每一个细节的情况下就能够安全地使用、调整和影响一个

大型复杂系统的信息。它就是为预期的未来应用而进行的预取和缓存。

计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形恢复的•种思维。

它称堵塞为“死锁”，称约定为“界面”。计算思维就是学习在同步相互会合时如何避％“竞

争条件”（亦称“竞态条件”）的情形。

计算思维利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况下的规划、学习和调度。它就

是搜索、搜索、再搜索，结果是一系列的网页，一个赢得游戏的策略，或者一个反例。计算

思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行权衡。

先来看看日常生活中的事例：当你来学校时，把当天需要的东西放进书包，这就是预置

和缓存；当我的水杯不在时，我沿走过的教室寻找，这就是回推：在什么时候停止租用自行

车而为自已买一辆呢？这就是在线算法；在超市付帐时，你应去哪个收银台排队呢？这就是

多服务器系统的性能模型；为什么停电时你的电话仍然可用？这就是失败的无关性和设计的

冗余性；完全自动的大众图灵测试如何区分计算机和人类，即CAPTCHA（Completely

AutomatedPublicTuringTesttoTellComputersandHumansApart,全自动区分计算机和人类

的图灵测试的简称）程序是怎样鉴别人类的？这就是充分利用求解人工智能难题之艰难来挫

败计算代理程序。

再说一说理解计算思维的几个误区，即计算思维是什么？不是什么？

概念化，不是程序化.计算思维不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远

不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。

根本的，不是刻板的技能。根本技能是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握

的。刻板技能意味着机械的重复。具有讽刺意味的是，当计算机像人类一样思考之后，思维

可就真的变成机械的了。

是人的，不是计算机的思维方式。计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人

类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激

情。配置了计算设备，我们就能用自己的智慧去解决那些在计算时代之前不敢尝试的问题，

实现“只有想不到，没有做不到”的境界。

数学和工程思维的互补与融合。计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所有的科学

一样，其形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我便建造

6

的是能够与实际世界互动的系统，基本计算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地思

考，不能只是数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我们能够设计超越物理世界的各种系统。

是思想，不是人造物。不只是我们生产的软件硬件等人造物将以物理形式到处呈现并时

时刻刻触及我们的生活，更重要的是还将有我们用以接近和求解问题、管理日常生活、与他

人交流和互动的计算概念；而且，面向所有的人，所有地方。当计算思维真正融入人类活动

的整体以致不再表现为一种显式之哲学的时候，它就将成为一种现实。

3.计算思维的意义

计算思维将渗透到我们每个人的生活之中，不久的将来诸如“算法”和“前提条件”这

些词汇将成为每个人日常语言的一部分，对“非确定论”和“垃圾收集”这些词的理解会和

计算机科学里的含义驱近，而树己常常被倒过来画了。

我们已见证了计算思维在其他学科中的影响。例如，机器学习已经改变了统计学。其它

学科也正大胆、主动地与计算机学科联姻。

计算机科学家们对生物科学越来越感兴趣，因为他们坚信生物学家能够从计算思维中获

益。计算机科学对生物学的贡献决不限于其能够在海量序列数据中搜索寻找模式规律的本

领。最终希望是数据结构和算法(我们自身的计算抽象和方法)能够以其体现自身功能的方

式来表示蛋白质的结构。计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。类似地，计算博弈理

论正改变着经济学家的思考方式，纳米计算改变着化学家的思考方式，量子计算改变着物理

学家的思考方式。这种思维将成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科学家。普适计

算之于今天就如计算思维之于明天。普适计算是已成为今日现实的昨日之梦，而计算思维就

是明日现实。

计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家，更应当成为每个现代人特别

是当代大学生的一种思维习惯。正如印刷出版促进了3R的普及，打印技术的发展催生3D

打印一样，计算和计算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。

计算思维已成为一个引导着计算机教育者、研究者和实践者的灯塔。今天大学计算机思

维的培养之所以甚嚣尘上，令人关注，是因为，一方面引人入胜的科学问题依旧亟待理解和

解决，另•方面基于现实社会的要求也必须致力于使计算思维成为人们的常识和习惯。

1.1.3信息社会与计算机文化

人类文化的发展与传播文化的媒体技术关系极大。信息技术的发展为人类文化的又一次

腾飞插上翱翔的翅膀，信息社会蕴育了计算机文化。早在1968年，美国一位计算机科学家

就设想过将来的电脑将成为“超级媒体”或“超级纸张二并希望它能像活字印刷术那样对

人类社会产生革命性的冲击。今天的现实证实了他的预言。在计算机技术的支持卜，无纸贸

易、无纸办公、无纸新闻、无纸出版、自媒体正在成为我们社会生活中的现实。

1.独特的计算机文化

计算机文化的提法是198I年在瑞士洛桑召开的第三次世界计算机教育大会上，科学家

提出了计算机教育是文化教育的概念，呼吁人们重视计算机教育，此后，“计算机文化”

(ComputerLiteracy)被各国计算机教育界所接受。

所谓计算机文化，就是以计算机为核心，集网络文化、信息文化、多媒体文化为一体，

并对社会生活和人类行为所产生广泛、深远影响的新型文化。

计算机文化之所以在“文化”之上冠以计算机的限定词，旨在表明这种文化与计算机牢

不可破的内在关联一一它是因计算机而产生，以计算机为核心和动力的文化。计算机的问世,

不仅是一次伟大的技术革命，更是一次生产方式、思维方式、生活方式和各种行为方式的革

命，导致了一场伟人而深刻的文化变迁，我们可以用“计算机文化”概括这种变迁。”计算

第I章计算机基础概论

机文化”之所以称为文化，说明计算机已紧密地与社会生活，人们的口常生活息息相关了，

它正深刻地改变着社会，影响着人们的观念和行为，围绕计算机构成了一种全新的文化形态,

这种文化正迅速深入到社会生活的各个角落，对整个人类社会产生深远的影响。

目前'最能体现"计算机文化”的知识结构和能力素质的应当是“信息获取、信息分析

与信息加工”有关的基础知识和实际能力，其中包括信息发现、信息采集与信息优选等“信

息能力”。这些知识与能力既是“计算机文化”水平高低和素质优劣的具体体现，又是信息

社会对新型人才培养所提出的要求。

2.全新的计算机文化形态

计算机文化形态主要表现为：（1）计算机理论及其技术对自然科学、社会科学的广泛渗

透表现出了丰富的文化内涵；（2）计算机的软、硬件，作为人类所创造的新的物质形式大

大地丰富了人类文化的物质种类；（3）计算机应用介入人类社会的方方面面，从而创造和形

成的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等成为一种崭新的文化观念。

计算机文化作为当今最具活力的一种崭新文化形态，加快了人类社会前进的步伐，其所

产生的思想观念、所带来的物质基础条件以及计算机文化教育的普及有利于人类社会的进

步、发展。同时，计算机文化也带来了人类崭新的学习观念：面对浩瀚的知识海洋，人脑所

能接受的知识是有限的，我们根本无法“背”完，电脑这种工具可以解放我们“背”的繁重

的记忆性劳动，人脑应该更多地用来完成“创造”性劳动。

计算机文化代表一种新的时代文化，它已经将一个人经过文化教育后所具有的能力由传

统的读、写、算上升到了•个新高度：即除了能读、写、算以外还要具有计算机运用能力（信

息能力）。而这种能力可通过计算机文化的普及得到实现。

计算机文化来源于计算机技术，正是后者的发展，孕育并推动了计算机文化的产生和成

长；而计算机文化的普及，又反过来促进了计算机技术的进步与计算机应用的扩展。

当人类跨入二十一世纪后，又迎来了以网络为中心的信息时代。作为计算机文化的重要

组成部分，网络文化已成为人们生活的一部分，深刻地影响着人们的生活，同样，也给我们

带来了前所未有的挑战。信息时代是互联网、物联网的时代，娴熟地驾驭网络将成为人们工

作生活的重要手段。围绕互联网、物联网的广泛应用，极大地丰富了计算机文化的内涵，让

每一个人都能领略计算机文化的无穷魅力，体味着计算机文化的浩瀚。

今天，计算机文化已成为人类现代文化的一个重要组成部分，当代大学生为了能更好地

适应信息社会的发展要求，提升计算机文化素养，普及计算机文化，促进计算机技术的进步

与计算机应用的扩展，完整准确地理解计算科学与工程及其社会影响，已成为当代大学生的

一项重要任务。

1.2计算机概述

1.2.1计算机的产生及发展历程

1.计算机的产生

在漫长的人类进化和文明发展过程中，人类的大脑逐渐具备了一种特殊的本领，这就是

把直观的形象变成抽象的数字，进行抽象思维活动，在这一过程中，人类才逐步创造和发展

了计算工具。

人类最初的计算工具就是人的双手，掰指头算数是最早的计算方法。一个人有10个手

指，因此十进制数也就自然成了人类最熟悉的进制计数法。严格意义上讲，人类社会早期，

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没有真正的计算工具，也没有复杂的计算需要，人们仅仅停留在“计数”阶段。由于双手的

局限性，人们开始利用“可数”的东西进行计数，例如‘‘小石子"、“结绳”计数等。

唐末宋初，出现了人类历史上第i种计算工具一一算盘，它通过“算珠”的多少进行“计

数”，通过“算珠”及其位置的变化实现计算。许多人也将其称为“手动计算机”，珠算口诀

也被视为最早的体系化算法。算盘结合了十进制计数法和一整套计算口诀，其设计简单，操

作易行，极具智慧，出现后出现许多变种，并以极强的生命力沿续下来，直至今日仍在加减

运算和教育启智领域发挥着重要作用，其设计理念体现出了现代计算机的一些雏型思想。

1642年，机械计算机出现：1654年，计算尺产生；1887年，电动计算机产生，计算工

具使用了电能，已和现代电子计算机有了一定“血獴”美系，使用了电能.然而这些计算工

具都有其设计和使用上的致命缺点：一是不能自动运算；二是不能存贮。现已基本被淘汰。

研制和开发新的计算工具的工作在不断地进行着。二次世界大战期间，交战各国为加强

军备竞赛，在开发和研制新武器的过程中，涉及到弹道轨迹和角度的大量、复杂的计算，这

时研制人员比任何时候都更迫切需要一种新的计算工具来辅助研究工作，并使他们从大量的

计算中解脱出来。于是，一些较为发达的资本主义国家为其投入了大量的人力、物力来研制、

开发新的计算机工具并不断取得进展。

1946年，人类第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd

Calculator,埃尼阿克“电子数字积分计算机”）计算机在美国的宾夕法尼亚大学诞生，它

的出现，掀开了人类历史、特别是科技发展史的新的一页，人们甚至把它誉为第二次工业革

命的标志。它的出现是计算工具不断发展的结果。

第一台计算机可谓是个庞然大物。如图17所示。它用了18000个电子管（早期使用的

一种被封闭在玻璃容器中为电信号放大器件），1500个继电器（用较小电流去控制较大电流

的一种“电子开关”），占地约170平方米,重约30吨，耗电150度/小时,运算速度5000

次/秒（每秒做加法的次数），造价48万美元（相当于现在的1000多万美元），仅运行J'10

年就被送入了博物馆。很显然，如果计算机没有飞速发展，今天的普及使用是不可能的。

图1-1ENIAC计算机图片

我国于1958年成功研制出了第一台电子计算机：1964年生产出第一台晶体管计算机；

1971年研制成功集成电路计算机,1983年、1992年、1997年分别研制出了银河I型、银河

II型、银河川型每秒上亿次、上十亿次、上百亿次计算机。进入本世纪以来，2001年成功

研制“曙光3000M巨型计算机，运算速度4000亿次；2004年“曙光4000A"运算速度10.2

万亿次；2008年“曙光5000A”运算速度230万亿次,如图1-2所示。

第I章计算机基础概论

图1-2曙光5000A及所采用4核心处理器主板

2009年研制成功的超级计算机，运算速度达上千万亿次，2010年11月“天河一

号”以每秒4.7千万亿次的峰值速度，首次登上超级计算领域的世界之巅。“天河一号”

的诞生，是我国高性能计算机发展史上新的里程碑，是我国战略高技术和大型基础科

技装备研制领域取得的又一重大创新成果，实现了我国自主研制超级计算机能力从百万亿

次到千万亿次的跨越，使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机系

统的国家。2013年11月18口，国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜

榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机系统，以峰值计算速度每秒

5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全

球最快超级计算机。目前，我国在高性能计算机的研制领域仍保持着较高水平。

2.计算机的发展阶段

自第一台计算机出现后，计算机得到了飞速发展，在今天的计算机身上已很难找到第一

台计算机的踪影，这足已看出计算机发展速度之快。然而由于元器件的制约，其发展过程也

是渐进的。人们根据计算机所采用的逻辑元器件的演变，将电子计算机的发展大致分为了四

个发展阶段，如表17所示。

表1-1计算机的4个发展阶段

第一代第二代第三代第四代

(1946〜1955)(1956~1963)(1964〜1970)（1971〜现在）

中小规模集成大规模、超大规模集成

主要电子元件电子管晶体管

电路电路

内存汞延迟线磁爱存储器半导体存储器半导体存储器

磁带、磁盘、光盘、阵

外存储器穿孔卡片、纸带磁带磁带、磁盘

列等大容量存储器

处理速度

几千条几百万条几千万条数亿条以上

（每秒指令数）

第一阶段：第一代电子管时代计算机（1946年〜1955年）。这一代计算机使用了大量的

电子管元件，使得计算机成本高，体积庞大，耗电量高，性能不够稳定，维护普及极为困难。

第二阶段：第二代晶体管时代计算机（1956年〜1963年）。由于晶体管这种电子元件的

出现，这个时代的计算机普遍采用了晶体管元件，使得计算机成本、体积、耗电量都有了进

一步降低，性能更为稳定，运算速度大大得到提高。这一时期出现高级程序设计语言，如

FORTRAN.ALGOL.COBOL等语言，计算机应用也扩大到数据处理领域中。

第三阶段：第三代中小规模集成电路时代计算机（1964年〜1970年）。1964年4月，

IBM公司推出了采用新概念设计的计算机IBM360,宣布了第三代计算机的诞生。正像它名

字中的数字所表示的那样，IBM360有360全方位的应用范围。

这一时期，由于半导体芯片及集成技术的出现，使集成电路得到了广泛的运用，大量

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的分离元件都做到集成电珞中，计算机元器件趋于稳定与成熟，计算机性能得到了强有力的

提升。计算机开始广泛应用于各个领域。

第四阶段：第四代大规模、超大规模集成电路时代计算机(1971年〜现在)。1971年

11月5日，Intel公司的霍夫(MarcianE.Hoff)研制成功世界上第一块4位微处理器芯片

MPU(microprocessingunit)Intel4004,并由它组装成第一台微型计算机MCS-4,由此揭

开了微型计算机普及的序幕。计算性能远远超过当年的ENIAC,每秒执行6万条指令。1974

年4月1日，Intel公司发布了8位微处理器芯片8080。12月，计算机爱好者埃德・罗伯

茨利用8080微处理器设计出一款体积很小的计算机“Altair8800”，这也是世界上第一台

商用个人计算机，内存只有256字节。与此同时，罗伯茨首次创造性地提出了PC(Personal

Computer)这个崭新的概念，这预示了微机时代的到来。同年，当时还在哈佛大学实验室里

的比尔•盖茨(BillGates)和保罗•艾伦(PaulAllen)开始用BASIC语言第一个为Altair

计算机撰写各种程序。1975年，两人创办了今天大名鼎鼎的Microsoft微软公司。

可以说，半导体技术的迅速发展造就了计算机产业。著名的摩尔定律一一半导体上的集

成度每18个月提高一倍一一从1965年诞生至今的50年内都是非常准确的。表1-2反映出

了集成电路的飞速发展。作为一个经验公式，能在半导体领域飞速发展、变化莫测的几十年

内一直保持准确，这不能不说是一个奇迹。透过奇迹，应该得出这样的结论：与其说是摩尔

定律几十年来一直统治着半导体市场，不如说摩尔定律只是客观真实地反映了半导体产业的

发展规律。用户对芯片性能和功能的需求，促使半导体厂商采用更精密的制造工艺并将更多

的晶体管放到芯片中；同时，半导体厂商为了降低成本，采用直径越来越大的晶体片来提高

产出率。

表1-2数字集成电路的发展

分类门的个数(集成度)典型的集成电路

小规模最多12个逻辑门、触发器

中规模12-99计数器、加法器

大规模100-9999小型存储器、门阵列

超大规模10000-99999大型存储器、微处理器

甚大规模100000以上可编程逻辑器件、多功能专用集成电路

半导体技术发展至今，足以能在一个芯片上装下数千万只晶体管，有趣的是这是一个

喜忧参半的结局。如此之多的晶体管，加上如此之高的主频，使得芯片工作起来像是一个“小

电炉”，从而“拖累”了主频提升的步伐；但另一方面，如此之高的集成技术，使得多内核

和超线程等并行计算技术成为可能。以此为契机，未来并行技术对芯片性能的贡献将会越来

越大。今后，当半导体工艺遭遇物理极限、频率无法继续提高时，惟有并行技术能够担当继

续推动硅计算的重任。如果说摩尔在1965年能够突破集成电路发展初期的局限而提炼出摩

尔定律，那今天探讨摩尔定律时，更要用发展的眼光，看它给产业带来的启迪，而不是就事

论事地谈论摩尔定律是否依然准确。

在半导体技术发展的司时，在系统结构方面，并行处理技术、分布式计算机系统和计算

机网络等都有了很大的发展；在软件方面，发展了数据库系统、分布式操作系统、高效而可

靠的高级语言以及面向对象技术等等，并逐渐形成软件产业。

第四代计算机始于20世纪70年代初，和第三代计算机相比，元器件没有发生本质变化,

大规模和超大规模集成电路为计算机的主要功能部件，但是，由于技术工艺水平的进步，使

得集成电路的“集成度”〔集成电路的集成度是指单块芯片上所容纳的元件数目。集成度越

高，所容纳的元件数目越多。)得到了大大提高，计算机性能已是十分优越，计算机进入了

快速普及应用阶段。微型计算机也得到了较快发展。

第I章计算机基础概论

计算机广泛普及应用后，各国科学家、计算机专家就开始了计算机尽可能“模拟人”、

“模拟人脑”的研究工作，并取得了显著的成果。新型的量子计算机、生物计算机也在研制

当中。

电子计算机的发展史表明：电子计算机是以其电子元器件（材料）的更新和技术工艺水

平的进步为基础，以功能不断完善的软件作保障。总的发展趋势是：成本降低，性能提高,

用户界面日趋友好。

1.2.2计算机的发展趋势

计算机今后将朝着巨型化、微型化、网络化、人工智能四个方向发展。

1.巨型化

巨型化计算机也称高性能计算机或超级计算机，一般是指每秒运算速度上亿次的计算

机。超级计算机是世界高新技术领域的战略制高点，是体现科技竞争力和综合国力的

重要标志，其开发研制水平是衡量一个国家科技发展的主要指标之一。因此各国都十分重

视其开发研制工作，我国从“银河系列”、“曙光系列”到今天的“天河系列”，在高性能计

算机的研发和创新方面取得了一个又一个的重大突破，并站到了世界的前列，这得益于我国

科学技术的全面发展。高性能计算机主要应用于国防、气象、统计等领域。

2.微型化

微型化即微型机是一种大众化的普及应用机型。近几年来速度得到了大大提升，性价比

也在不断提高，应用十分广泛，和我们联系比较紧密，我们日常使用接触的基本都是微型机.

3.网络化

网络化即计算机互联，这是通讯技术和计算机技术高度发展的必然产物，它为计算机应

用展现了广阔的前景。过去社会分工相对独立、社会相对封闭；现在及将来社会是信息的、

网络的、更加开放的社会。网络化的突出特点就是较好地实现了资源共享，互通有无。如今

互联网使地球成了“地球村”，人们远隔千里也恍若近在咫尺，网络化真正使人们实现了“沟

通无极限”。

4.智能化

智能计算机的研制开发体现出了人类的任何创造发明都要为自身服务这一基本思想，计

算机人工智能化的研究工作是很有意义的。现在，有许许多多机器人在美国的汽车生产流水

线上工作，一些高温、高噪音、高灰尘的高污染环境里也不乏智能计算机工作的身影，机器

人排爆，机器人深水作业等等。

最能体现人工智能的首推“人机对弈”，公众直觉上认为弈棋机程序是人工智能的最好

表达。上世纪末，美国IBM计算机公司研制开发的计算机一一“更深的蓝”战胜棋王国际特

级象棋大师k斯帕罗夫与“克隆”事件一样引发人们的热议，这标志着长期以来的“人工智

能”工程实践达到了相当水准。“计算机下棋不但涉及硬件的改进，也需要算法观念的创新。

不过，目前水平上的人机对弈中，机器需要的计算量是人的几百万倍，这一定程度上衡量了

我们对人工智能原理的理解仍然很有限。”“机器战胜人”也引起公众对科学现在与未来的关

注，人们并不直接关心事件中的科学研究实际过程，而是立即跨越几个层次，侈谈遥远的未

来以及总是争论不休的哲学问题。在议论过程中，公众提高了对人工智能领域的感知。

总的来说，计算机的发展趋势是由大到巨（追求高速度、高容量、高性能），由小到微

（追求微型化，包括台式、便携式、笔记本式乃至掌上型电脑，它们使用方便，价格低廉。）,

网络化，智能化。同时，现代计算机在许多技术领域都取得了巨大进步，比如多媒体技术、

计算机网络、面向对象的技术、并行处理技术、人工智能、不污染环境并节约能源的“绿色

计算机”等。许多新技术，新材料也开始应用于计算机，比如超导技术、光盘技术等。虽然

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很多国家都在研制第五代计算机，但至今未能实现突破，仍然还没有出现第五代计算机。然

而计算机的发展将会突破迄今一直沿用的冯•诺依曼结构是一必然趋势。前四代计算机是按

构成电子计算机的主要元器件的变革划分的，第五代计算机可能是采用激光元器件和光导纤

维的光计算机，也可能不是按元器件的变革作为更新换代的标志，而是按其功能的革命性突

破作为标志，比如是能够处理知识和推理的人工智能计算机，甚至可能发展到以人类大脑和

神经元处理信息的原理为基础的生物计算机等。总之，i-算机的发展方兴未艾，发展前景极

其广阔和诱人。

普通大众能够深深感受到的变化是：计算机正从一种操作T具变成一种交流工具，从一

种普通的单一的计算工具变成一种智能化的、可开发的、学习的、现代化的复合工具。

1.2.3计算机的特点

1.计算机

计算机（Computer）是一种运算速度很快，能够接收和存储信息，并按照存储在其内部

的程序对输入的信息进行加工、处理，得到人们预期的结果，然后将处理结果输出的高度自

动化、智能化的电子设备，也有人称计算机就是程序化了的机器。

2.计算机的特点

与其他工具和人类自身相比，计算机具有自动化程度高、运算速度快、通用强、运算精

确等特点。

（1）运算速度快

计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且运

算速度仍在快速提高。目前最快已达数亿亿次以上。

（2）存储容量大

计算机的存储功能是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原

始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息,

而且能够快速准确地存入或取出这些信息。

（3）通用性强

通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。在计算机中，任何复杂的任务都可以分解

为大量的基本算术运算和逻辑运算，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定的

规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序就可以完成各种

各样的任务。

（4）自动化程度高

计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串

指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，

直到得山结果为止。

（5）计算精度高

计算机的可靠性高，差错率极低，一般来讲只在那些人工介入的地方才有可能发生错误,

这就是它的精确性。

1.2.4计算机的分类

计算机由于其运算速度快、计算精度高、可靠性强，并具有超强的数据处理、过程控制

及其海量信息存储能力，在各领域得到了广泛应用。按其用途，计算机可分为通用机和专用

第I章计算机基础概论

机两类。据其原理，计算机又可分为模拟计算机、数字计算机和数模混合计算机。

通常，人们根据计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合

性能指标，将计算机分为PC机、工作站、大型机、巨型机和服务器等几类。下面分双加以

介绍。

1.PC（PersonaIComputer）机即个计算机

I97I年，美国hnel公司成功地在一块芯片上实现了中央处理器的功能，制成了世界上

第一片4位微处理器MPU（micropiocessingunit）,并由它组装成第一台微型计算机MCS-4,

由此揭开了微型计算机普及的序幕。随后，许多公司也争相研制微处理器，相继推出了8

位、16位、32位、64微处理器，芯片内的主频和集成度不断提高。表1-3列出了近年来推

出的几款Pentium微处理器芯片的性能指标。

表1-3Penlium微处理器芯片

芯片名称集成度主频

PentiumMMX450万个晶体管266MHz

Pentium11750万个晶体管500MHz

Pentiumlll950万个晶体管1GHz

Pentium41200万个晶体管3.2GHz

1976年成立的苹果公司，于70年代末先后推出Applel和Applell型计算机，以其完美

的软硬件组合，向人们展示了PC机的魅力。

美国IBM公司采用Intel微处理器芯片，于1981年推出它的第一台PC机IBM5150.IBM

PC机最大的意义在于：它采用开放式标准，并公开了全套的技术资料。此后，各厂家争相

制造IBMPC兼容机及与之配套的外围设备。以Intel处理器为核心的PC机硬件的不断发展

和Microsoft等公司对PC机操作系统和办公软件的不断改进，使得PC机为大多数用户所接

受。于是，采用不同微处理器、配以不同的外设、功能不断增强的PC机走进了我们的生活、

学习和工作中。

PC机联网之后，用户乂可以通过PC机使用网络上的各种软硬件资源。PC机已成为网

络上客户机的主力军。使用多台微机并行工作，还可以实现性能价格比非常好的高性能计算

机系统。

随着社会信息化进程的加快，强大的计算能力固然对每一个用户必不可少，然而移动办

公又也成了一种重要的办公方式。因此，一种可随身携带的“便携机”应运而生，笔记本电

脑就是其中的典型产品之一，它适于移动和外出使用的特长深受用户欢迎。

根据微型机是否由最终用户使用，微机又可分为独立式微机（即我们口常使用的微机）

和嵌入式微机（或称嵌入式系统）。嵌入式微机作为一个信息处理部件安装在应用设备里，

最终用户不直接使用计算机，使用的是该应用设备。例如包含有微机的医疗设备、家用电器、

银行自动存取机等。嵌入式微机一般是单片机或单板机。将中央处理器、存储器和输入输出

接口集成在一个芯片上的计算机称之为单片机。

PC机的出现使得计算机真正面向个人，真正成为大众化的信息处理工具。现在，人们

手持一部“便携机”，便可通过网络随时随地与世界上任何一个地方实现信息交流与通信。

原来保存在桌面和书柜里的部分信息将存入随身携带的电脑中。人走到哪里，以个人机（特

别是便携机）为核心的移动信息系统就跟到哪里，人类向着信息化的自由王国乂迈进了一大

步。

2.工作站

工作站是一种高档微机系统，其最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互与

处理能力，因此在工程领域、特别是在计算机辅助设计（CAD）领域得到广泛应用。无怪

乎人们称工作站是专为工程师设计的计算机。工作站一般采用开放式系统结构，即将机器的

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软、硬件接口公开，并尽量遵守国际工业界流行标准，以鼓励其他厂商、用户围绕工作站开

发软、硬件产品。目前，多媒体等各种新技术已普遍集成到工作站中，使其更具特色。而它

的应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并频频充当网络服

务器的角色。

3.大型通用机

大型通用机是对一类计算机的习惯称呼，本身并无十分准确的技术定义。其具有通用性

强、综合处理能力强、性能覆盖面广等特点，主要应用在科研、商业和管理部门。通常人们

称大型机为“企业级”计算机。

大型机系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。

在信息化社会里，随着信息资源的剧增，带来了信息通信、控制和管理等一系列问题，

而这正是大型机的特长。未来将赋予大型机更多的使命，它将覆盖“企业”所有的应用领域,

如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全保护、大型科学与工程计算等等。

4.巨型机

巨型机是计算机型号中档次最高的机型，它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂。

巨型机主要用于解决大型机也难以解决的复杂问题，它是解决科技领域中某些带有挑战性问

题的关键工具。

研制巨型机是现代科学技术、尤其是国防尖端技术发展的需要。核武器、反导弹武器、

空间技术、大范围天气预报、石油勘探等都要求计算机有很高的速度和很大的容量，困而一

些国家竞相投入巨资开发速度更快、性能更强的超级计算机。巨型机的研制水平、生产能力

及其应用程度已成为衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志。

FI前巨型机的运算速度可达每秒上亿亿次运算。这种计算机使研究人员可以研究以前无

法研究的问题，例如研究更先进的国防尖端技术、模拟巨能核爆过程、估算100年以后的天

气、更详尽地分析地震数据以及帮助科学家计算病毒对人体的作用等等。

巨型机按照体系结构和技术水平的发展，已经经历了4代。

第一代巨型机是单指令流多数据流（SIMD）的阵列处理机AP,其典型代表是美国于

1972年研制成功的ILLAC-IV,它由64个处理机构成8X8的阵列，这些处理机在•个控制

部件的控制下问步工作，其运算速度近每秒1亿次。

第二代巨型机是具有流水线结构的向量机VPC20世纪70年代后期美国推出的Cray-I

是第二代巨型机的标志。该机由高速中小规模集成电路组成，有12条不同功能的流水线运

算部件，分为4组，可并行流水工作。该机也使得巨型计算机首次成为