第1讲 电脑计算机的基础知识.docx
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第1讲电脑计算机的基础知识
第一讲电脑（计算机）基础知识
1.1电子计算机的发展及其特点
电子计算机是一种能够自动、高速地进行算术和逻辑运算的电子设备。
它是二十世纪科学技术发展最伟大的发明创造之一，是第三次工业革命中出现的最辉煌成就。
目前，电子计算机已被广泛地使用于科学技术、国防建设、工农业生产以及人民生活等各个领域，对国民经济、国防建设和科学文化事业的发展产生了巨大的推动作用。
今天，计算机的使用水平已成为各行各业步入现代化的重要标志之一，计算机使用能力也成为现代人才基本素质之一。
1.1.1计算机的发展
第一台电子计算机“ENIAC”（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator——电子数字积分机和计算器）于1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功。
它是当时数学、物理等理论研究成果和电子管等电子器件产生相结合的结果。
这台电子计算机由18000多个电子管，1500多个继电器，10000多只电容器和7000多只电阻构成，占地170多平方米，功耗为150千瓦，重量约30吨，采用电子管作为计算机的逻辑元件，存储容量为17000多个单元，每秒能进行5000次加法运算。
这台计算机的功能虽然无法和今天的计算机相比，但它的诞生却是科学技术发展史上的一次意义重大的事件，展示了新技术革命的曙光。
根据电子计算机所采用的物理器件，一般将电子计算机的发展分成四个阶段，也称为四代。
表1-1-1是电子计算机发展过程简表。
表1-1-1电子计算机发展过程简表
计算机代
起迄年份
物理器件
主存储器
软件
使用范围
第一代
1946～1957
电子管
磁芯、磁鼓
汇编语言
科学计算
第二代
1958～1964
晶体管
磁芯、磁带
程序设计语言管理程序
科学计算数据处理
第三代
1965～1970
中、小规模集成电路
磁芯、磁盘
操作系统高级语言
逐步广泛使用
第四代
1971～
超大、大规模集成电路
半导体、磁盘
数据库网络软件
普及到社会生活各方面
50多年来，随着技术的更新和使用的推动，计算机有了飞速的发展。
今天，集处理文字、图形、图像、声音为一体的多媒体计算机方兴未艾，计算机也进入到了以计算机网络为特征的时代。
电子计算机的发展趋势，可以概括为“巨”、“微”、“网”、“智”四个字。
“巨”，指速度快、容量大、计算处理功能强的巨型计算机系统。
主要用于像宇宙飞行、卫星图像及军事项目等有特殊需要的领域。
“微”，指价格低、体积小、可靠性高、使用灵活方便、用途广泛的微型计算机系统。
计算机的微型化是当前研究计算机最明显、最广泛的发展趋向，目前便携式计算机、笔记本计算机都已逐步普及。
“网”，指把多个分布在不同地点的计算机通过通信线路连接起来，使用户共享硬件、软件和数据等资源的计算机网络。
目前全球范围的电子邮件传递和电子数据交换系统都已形成。
“智”，指具有“听觉”、“视觉”、“嗅觉”和“触觉”，甚至具有“情感”等感知能力和推理、联想、学习等思维功能的计算机系统。
目前，正处于超大规模集成电路全面发展和计算机广泛使用阶段。
据专家预计，新一代的计算机应是“智能”计算机，它应当具有像人一样的能看、能听、能思考能力。
1.1.2计算机的特点
电子计算机是一种能存贮程序，能自动连续地对各种数字化信息进行算术、逻辑运算地电子设备。
基于数字化的信息表示方式和存贮程序工作方式，这样的计算机具有许多突出的特点。
概括起来，电子计算机主要有以下几个显著特点：
⒈自动化程度高
由于采用存贮程序的工作方法，一旦输入所编制好的程序，只要给定运行程序的条件，计算机从开始工作，直到得到计算处理结果，整个工作过程都可以在程序控制下自动进行，一般在运算处理过程中不需要人的直接干预。
对工作过程中出现的故障，计算机还可以自动进行“诊断”、“隔离”等处理。
这是电子计算机的一个基本特点，也是它和其他计算工具最本质的区别所在。
⒉运算速度快
计算机的运算速度通常是指每秒钟所执行的指令条数。
一般，计算机的运算速度可以达到上百万次，目前最快的已达到十万亿次以上。
计算机的高速运算能力，为完成那些计算量大，时间性要求强的工作提供了保证。
例如天气预报、大地测量的高阶线性代数方程的求解，导弹或其它发射装置运行参数的计算，情报、人口普查等超大量数据的检索处理等。
⒊数据存储容量大
计算机能够储存大量数据和资料，而且可以长期保留，还能根据需要随时存取、删除和修改其中的数据。
计算机的大容量存储使得情报检索、事务处理、卫星图像处理等需要进行大量数据处理的工作可以通过计算机来实现。
现在，一块存贮芯片可以存贮几百页英文书籍的内容等。
⒋通用性强
由于计算机采用数字化信息来表示数值和其它各种类型的信息（如文字、图形、声音等），采用逻辑代数作为硬件设计的基本数学工具。
因此，计算机不仅可以用于数值计算，而且还被广泛使用于数据处理、自动控制、辅助设计、逻辑关系加工和人工智能等非数值计算性质的处理。
一般来说，凡是能将信息用数字化形式表示，就能归结为算术运算或逻辑运算的计算，并能够严格规则化的工作，都可由计算机来处理。
因此计算机具有极强的通用性，能使用于科学技术的各个领域，并渗透到社会生活的各个方面。
正是由于以上特点，使计算机能够模仿人的运算、判断、记忆等某些思维能力，代替人的一部分脑力劳动，按照人们的意愿自动地工作，因此计算机也被称为“电脑”。
但计算机本身又是人类智慧所创造的，计算机的一切活动又要受到人的控制，它只是人脑的补充和延伸，利用计算机可以辅助和提高人的思维能力。
1.1.3计算机的使用
计算机的使用十分广泛，目前已渗透到人类活动的各个领域，国防、科技、工业、农业、商业、交通运输、文化教育、政府部门、服务行业等各行各业都在广泛地使用计算机解决各种实际问题。
归纳起来，目前计算机主要使用在以下几个方面：
⒈数值计算（科学计算）
科学研究、工程技术的计算是计算机使用的一个基本方面，也是计算机最早使用的领域。
科学计算所解决的大都是一些十分复杂的数学问题。
数值计算的特点是计算公式复杂，计算量大和数值变化范围大，原始数据相应较少。
这类问题只有具有高速运算和信息存储能力，以及高精度的计算机系统才能完成。
例如数学、物理、化学、天文学、地学、生物学等基础科学的研究以及航天飞船、飞机设计、船舶设计、建筑设计、水利发电、天气预报、地质探矿等方面的大量计算都可以使用计算机来完成。
⒉数据处理（信息处理）
数据处理是对数值、文字、图表等信息数据及时地加以记录、整理、检索、分类、统计、综合和传递，得出人们所要求的有关信息。
它是目前计算机最广泛的使用领域。
数据处理的特点是原始数据多，时间性强，计算公式相应比较简单。
例如财贸、交通运输、石油勘探、电报电话、医疗卫生等方面的计划统计、财务管理、物资管理、人事管理、行政管理、项目管理、购销管理、情况分析、市场预测等工作。
目前，在数据处理方面已进一步形成事务处理系统（TPS）、办公自动化系统（OAS）、电子数据交换系统（EDI）、管理信息系统（MIS）、决策支持系统（DSS）等使用系统。
⒊过程控制（实时控制）
过程控制是指利用计算机进行生产过程、实时过程的控制，它要求很快的反应速度和很高的可靠性，以提高产量和质量，提高生产率，改善劳动条件，节约原料消耗，降低成本，达到过程的最优控制。
例如，计算机广泛使用于石油化工、水电、冶金、机械加工、交通运输及其它国民经济部门中生产过程的控制以及导弹、火箭和航天飞船等的自动控制。
⒋计算机辅助设计（CAD－ComputerAidedDesign）
利用计算机进行辅助设计，可以提高设计质量和自动化程度，大大缩短设计周期、降低生产成本、节省人力物力。
由于计算机有快速数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，目前，CAD已被广泛使用在大规模集成电路、计算机、建筑、船舶、飞机、机床、机械，甚至服装的设计上。
除计算机辅助设计（CAD）外，还有计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助教学（CAI）等。
⒌人工智能（AI—ArtificialIntelligence）
人工智能是使计算机能模拟人类的感知、推理、学习和理解等某些智能行为，实现自然语言理解和生成、定理机器证明、自动程序设计、自动翻译、图像识别、声音识别、疾病诊断，并能用于各种专家系统和机器人构造等。
近年来人工智能的研究开始走向实用化。
人工智能是计算机使用研究的前沿学科。
⒍计算机网络
计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来所形成的“网”。
利用计算机网络，可以使一个地区、一个国家，甚至在世界范围内计算机和计算机之间实现软件、硬件和信息资源共享，这样可以大大促进地区间、国际间的通信和各种数据的传递和处理，同时也改变了人们的时空概念。
计算机网络的使用已渗透到社会生活的各个方面。
目前，Internet已成为全球性的互联网络。
⒎多媒体技术
这里的媒体是指表示和传播信息的载体，例如文字、声音、图像等。
随着80年代以来数字化音频和视频技术的发展，逐步形成了集声、文、图、像一体化的多媒体计算机系统。
它不仅使计算机使用更接近人类习惯的信息交流方式，而且将开拓许多新的使用领域。
1.1.4计算机的分类
按照信息、元件、规模和用途的不同，电子计算机也相应有不同的分类。
⒈按数据类型分类
电子计算机可以分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机三种。
在数字计算机中，所处理的数据都是以“0”和“1”数字代码的数据形式表示，这些数据在时间上是离散的，称为数字量，经过算术和逻辑运算后仍以数字量的形式输出；在模拟计算机中，要处理的数据都是以电压或电流量等的大小来表示，这些数据在时间上是连续的，称为模拟量，处理后仍以连续的数据（图形或图表形式）输出；在混合计算机中，要处理的数据用数字和模拟两种数据形式混合表示，它既能处理数字量，又能处理模拟量，并具有数字量和模拟量之间相互转换的能力。
目前的电子计算机绝大多数都是数字计算机。
⒉按元件分类
电子计算机可以分为电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模集成电路计算机等。
随着计算机的发展，电子元件也在不断更新，将来的计算机将发展成为利用超导电子元件的超导计算机，利用光学器件及光路代替电子器件电路的光学计算机，利用某些有机化合物作为元件的生物计算机等。
⒊按规模分类
电子计算机可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。
“规模”主要是指计算机所配置的设备数量、输入输出量、存储量和处理速度等多方面的综合规模能力。
⒋按用途分类
电子计算机可以分为通用计算机和专用计算机两种。
通用计算机的用途广泛，可以完成不同的使用任务；专用计算机是为完成某些特定的任务而专门设计研制的计算机，用途单纯，结构较简单，工作效率也较高。
现在使用的大多是通用计算机，四通打字机、银行取款机等都是专用计算机。
1.2计算机的组成
一个计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，其基本结构如图1-3-1所示。
图1-3-1计算机系统示意图
1.2.1计算机的硬件系统
计算机硬件系统是指计算机系统中由电子、机械、磁性和光电元件组成的各种计算机部件和设备，虽然目前计算机的种类很多，但从功能上都可以划分为五大基本组成部分，它们是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
它们之间的关系如图1-3-2所示。
其中细线箭头表示由控制器发出的控制信息流向，粗线箭头为数据信息流向。
图1-3-2计算机硬件组成
计算机五大硬件部件的基本功能为：
⒈运算器
运算器是执行算术运算和逻辑运算的功能部件，算术、逻辑运算包括加、减、乘、除四则运算及和、或、非等逻辑运算以及数据的传送、移位等操作。
⒉控制器
控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
控制器从内存中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作（操作码），以及进行该操作的数据在存储器中的位置（地址码）。
然后，根据分析结果，向计算机其他部分发出控制信号。
控制过程为：
根据地址码从存储器中取出数据，对这些数据进行操作码规定的操作。
根据操作的结果，运算器及其他部件要向控制器回报信息，以便控制器决定下一步的工作。
因此，计算机执行由人编制的程序，就是执行一系列有序的指令。
计算机自动工作的过程，实质上是自动执行程序的过程。
⒊存储器
存储器的主要功能是用来存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行中高速自动完成指令和数据的存取。
存储器是具有“记忆”功能的设备。
它用具有两种稳定状态的物理器件来存放数据，这些器件也被称为记忆元件。
存储器按其在计算机中的作用可分为主存储器（MainMemory，简称主存）、辅助存储器（AuxiliaryMemory，SecondaryMemory，简称辅存）和高速缓冲存储器（Cache，简称快存）。
中央处理器能直接访问的存储器称为内存储器（InternalMemory，简称内存、主存），它包括高速缓冲存储器和主存储器。
中央处理器不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能为中央处理器进行处理。
所以，内存存取速度比外存快。
相对于辅存而言，内存的存取速度快，但容量较小，且价格较高。
辅存的特点是存储容量大，价格低，但存取速度较慢，由于辅存设置在主机外部，故又称为外存储器（ExternalMemory，简称外存）。
高速缓冲存储器简称快存，是为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的。
如图1-3-3所示，它是介于CPU和M2之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。
有了快存，就能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快了程序执行的速度。
由于能够提供廉价的半导体存储器，所以快存不仅在大型计算机中使用，而且也进入微型计算机的存储系统。
快存可以看作为主存的缓冲存贮器，它通常由高速的双极型半导体存储器或SRAM组成。
即快存的功能全部由硬件实现，并对用户是全透明的。
图1-3-3CPU和存储器系统的关系
主存可分为两类：
一类是随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM），其特点是存储器中的信息能读能写，RAM中信息在关机后即消失，因此，用户在退出计算机系统前，应把当前内存中产生的有用数据转存到可永久性保存数据的外存中去，以便以后再次使用，RAM又可称为读写存储器；另一类是只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM），其特点是用户在使用时只能进行读操作，不能进行写操作，存储单元中的信息由ROM制造厂在生产时或用户根据需要一次性写入，ROM中的信息关机后不会消失。
外存由磁表面存储器构成，目前主要使用外存存储器有顺序存取存储器（SequentialAccessMemory，SAM，如磁带存储器）和直接存取存储器（DirectAccessMemory，DAM，如磁盘存储器）两类。
外存存贮器也称为输入/输出设备。
⒋输入设备
输入设备是用来输入计算程序和原始数据的设备。
常见的输入设备有键盘、图形扫描仪、鼠标器、摄像头以及模／数转换器等等。
⒌输出设备
输出设备是用来输出计算结果的设备。
常见的输出设备有显示器、打印机、激光印字机、数字绘图仪等等。
计算机硬件系统的五个组成部分中，通常将运算器、控制器和内部存储器合称为主机，而把运算器和控制器合称为中央处理器（CPU－CentralProcessingUnit），输入／输出设备以及外部存储器合称为外部设备。
1.2.2计算机的软件系统
软件系统是为了方便用户操作使用计算机和充分发挥计算机效率，以及为解决各类具体使用问题的各种程序的总称。
软件系统分为系统软件和使用软件两大类：
⒈系统软件
系统软件是为提高计算机效率和方便用户使用计算机而设计的各种软件，一般是由计算机厂家或专业软件公司研制。
系统软件又分为操作系统、支撑软件、编译系统和数据库管理系统等。
⑴操作系统
操作系统是为了合理、方便地利用计算机系统，而对其硬件资源和软件资源进行管理和控制的软件。
操作系统具有处理机管理（进程管理）、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理等五大管理功能，由它来负责对计算机的全部软硬件资源进行分配、控制、调度和回收，合理地组织计算机的工作流程，使计算机系统能够协调一致，高效率地完成处理任务。
操作系统是计算机的最基本的系统软件，对计算机的所有操作都要在操作系统的支持下才能进行。
从操作上可以说操作系统是一台比裸机（不包含任何软件的硬件机器）功能更强、服务质量更高、使用户感觉方便友好的虚拟机器。
因此，也可以说它是介于用户和裸机之间的一个界面，是计算机的操作平台，用户通过它来使用计算机。
⑵支撑软件（工具软件）
支撑软件是支持其他软件的编制和维护的软件，是为了对计算机系统进行测试、诊断和排除故障，进行文件的编辑、传送、装配、显示、调试，以及进行计算机病毒检测、防治等的程序，是软件开发过程中进行管理和实施而使用的软件工具。
在软件开发的各个阶段选用合适的软件工具可以大大提高工作效率和软件质量。
在微机系统中，常见的支撑软件有编辑程序EDLIN、EDIT，连接程序LINK，调试程序DEBUG，工具程序PCTOOLS，系统检测程序QAPLUS，计算机病毒防治程序CPAV、KILL、KV300、AV95等。
⑶编译系统
要使计算机能够按照人的意图去工作，就必须使计算机能接受人向它发出的各种命令和信息，这就需要有用来进行人和计算机交换信息的“语言”。
计算机语言的发展有机器语言、汇编语言和高级程序设计语言三个阶段。
①计算机机器语言
机器语言是用二进制代码表示的语言，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
由于计算机并不懂得人类的语言，它只能识别0和1两种代码。
人要和机器进行联系，就要编出由0和1组成的数字代码。
这种计算机所能接受的代码，称为机器指令。
一条机器指令用来控制计算机进行一个具体的操作内容，一般包括了操作码和地址码（操作数）两部分，它告诉计算机应进行什么运算，哪些数参加运算，这些数存放在哪里，计算结果将送到哪里去等等，这些都需要用户了解计算机内部结构和计算机原理。
机器语言（又称低级语言）就是二进制代码形式表示的机器基本指令的集合。
操作码和地址码各由二进制代码组成，它们的结构和组合形式构成了指令格式，最基本的形态可表示为：
操作码OP
地址码AD
指挥计算机完成具体处理任务的计算操作序列叫做计算机程序，编写程序的过程叫做程序设计，用机器语言进行程序设计就是要编写出由一条条机器指令组成的程序。
机器语言程序具有计算机可以直接执行，简洁，运算速度快等优点。
但是，用机器语言编写程序也是一件十分繁琐的工作，要对计算机的结构、操作有相当的了解，要记住各种规定代码和它的含义，而且编写出的程序全是0和1所组成的代码，直观性差，非常容易出错，程序的检查和调试都比较困难。
此外，各种计算机都有自己的机器指令系统，也就是说对机器的依赖性很强，用户的程序难于相互交流。
由于机器语言可读性很差，程序容易出错又不易于检查和修改，而且不具备通用性，这就给计算机的推广使用造成了很大的障碍。
②计算机汇编语言
汇编语言是为了解决机器语言难于理解和记忆，用易于理解和记忆的名称和符号（指令助记符）表示机器指令中的操作码，用十六进制或八进制形式表示操作数。
例如用ADD表示加法，用SUB表示减法，用MOV表示数据传送等。
由于指令助记符的含义和功能十分接近，这就提高了程序的可读性，便于程序的编写、检查和修改。
这种用指令助记符组成的语言叫做汇编语言，用汇编语言编写的程序就是汇编语言源程序。
然而，由于汇编语言使用了计算机不能识别的指令助记符和十六进制或八进制数据，所以计算机并不能直接执行用汇编语言编写的程序，这就需要一个用机器语言编写的程序来把汇编语言源程序“翻译”成机器目标程序，这个“翻译”程序就是汇编程序。
用汇编语言编写的源程序和机器语言编写的程序相比有了很大的进步。
但是汇编语言仍然是依赖于机器的。
因此，我们可以说，汇编语言是一种面向机器的语言。
其缺点在于，为一种机器编制好的汇编语言程序，难以移植成为其他机器的汇编语言程序。
③计算机高级语言
为了解决机器语言和汇编语言的种种缺陷，人们又创造了许多计算机“高级语言”。
这种计算机高级语言为用户提供了一种既接近于自然语言，又可以使用数学算式表示方法，还相对独立于机器的工作方式，用户就在这种方式下按照给定的规则编写自己的源程序。
例如，在BASIC语言中的语句
IFB*B-4*a*c>=0THENPRINT（-B+SQR（B*B-4*A*C））/（2*A）
表示了要在判别式△≥0时打印输出一元二次方程ax2+bx+c=0的一个实根。
和汇编语言一样，由于计算机只能直接接受0和1组成的机器代码，并不能直接执行用高级语言编写的源程序，因此也必须要有一个能将高级语言源程序“翻译”成计算机所能识别的机器语言目标程序的翻译程序。
被编译的程序称为源程序或源代码，经过翻译程序“翻译”出来的结果程序称为目标程序。
翻译程序通常有编译和解释两种典型的实现途经（如图1-3-4，1-3-5所示）。
一种编译方式是用编译程序把用户高级语言源程序整个地翻译成机器指令表示的目标程序，然后再执行这个目标程序，最后得到计算结果。
编译方式“翻译”的总体效果比较好。
图1-3-4高级语言的编译方式
另一种解释方式是用解释程序把用户高级语言源程序逐句地翻译，译出一句立即执行一句，边解释边执行。
这种方式较浪费机器时间，但可少占计算机内存，而且使用比较灵活。
图1-3-5高级语言的解释方式
目前，比较流行的计算机高级语言有：
FORTRAN（FormulaTranslator公式翻译，用于科学和工程计算）；
COBOL（CommonBusinessOrietedLanguage数据处理语言，用于事务处理）；
PASCAL（结构程序设计语言，用于教学、科学计算、数据处理等）；
BASIC（小型会话式语言，简单易学）；
C（通用程序设计语言，适于编写系统软件）；
PROLOG（一种逻辑程序设计语言，使用于人工智能领域）；
近几年来，随着面向对象和可视化技术的发展，出现C++，Java等面向对象程序设计语言和VisualBasic，VisualC++，Delphi等语言。
由于编译（或解释）程序代替了人工把用高级语言源程序翻译为机器指令的目标程序，这就大大减少了用户编制程序的难度和工作量。
使用高级语言后，一般用户可以不去顾及什么机器指令，也可以不必深入了解计算机的内部结构和工作原理，就能方便地使用计算机进
行各种科学计算或事务管理等，这就为计算机的广泛普及使用提供了可能。
因此有人说，高级语言的出现是计算机发展中“最惊人的成就”。
使用高级语言还有一个很大的优点，就是它不依赖于具体的机器类型，可以适用于不同的计算机，即具有通用性
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