第1章 计算机基础知识Word下载.docx
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在欧洲,后来发展到在木片上刻上条纹,表示债务或税款。
劈开后债务双方各存一半,结帐时拼合验证无误,则被认可。
算筹表示数方法:
例如:
(5)珠算(算盘)
在一千多年前,中国人又发明了算盘,使计算的速度快多了。
曾经在生产和生活中广泛应用,还曾传到日本、朝鲜等国。
算盘至今还在使用。
珠算是以圆珠代替“算筹”,并将其连成整体,简化了操作过程,运用时更加得心应手。
算盘计数法如右图所示。
到了现代,一种新型的电子算盘已经问世,它把算盘与电子计算器的长处集为一体,是一种中外结合的新型计算工具。
(6)计算尺
公元1520年,英国人甘特发明了计算尺,运用到一些特殊的运算中,快速、省时。
计算尺通常指对数计算尺是一个模拟计算机,通常由三个互相锁定的有刻度的长条和一个滑动窗口(称为游标)组成。
在1970年代之前使用广泛,之后被电子计算器所取代,成为过时技术。
(7)手摇计算机
最早的手摇计算机是法国数学家巴斯嘉在1642年制造的。
它用一个个齿轮表示数字,以齿轮间的咬合装置实现进位,低位齿轮转十圈,高位齿轮转一圈。
后来,经过逐步改进,使它既能做加、减法,又能做乘、除法了,运算的操作更加简捷、快速。
(8)电子计算机
随着近代高科技的发展,电子计算机在二十世纪应运而生。
它的出现是“人类文明最光辉的成就之一”,标志着“第二次工业革命的开始”。
其运算效率和精确度之高,是史无前例的。
在此之前,英国数学家桑克斯用了22年的精力,把圆周率π算到小数点后707位,以至在他死后,人们在其墓碑上刻着π的707位数值,表达了对他的毅力和精神的钦佩。
总结:
(1)计算机是一种机器,人发明的一种工具。
(2)与人类发明创造的其他工具有根本性差别。
(3)大多数工具可看作是手脚的延伸,用于完成人们原本需要耗费体力完成的事情。
(4)而计算机可看作是人头脑的延伸,能帮人做原本需要耗费脑力完成的事情。
2.什么是计算机
(1)计算机的全称:
电子计算机,又称:
电脑。
(2)计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。
(3)计算机的发明者是约翰·
冯·
诺依曼。
(4)计算机是一种不需要人工直接干预,能够快速对各种数字信息进行算术和逻辑运算的电子设备。
(5)计算机以微处理器(CPU)为核心,配上大容量的半导体存储器及功能强大的可编程接口芯片,连上外设(包括键盘、显示器、扫描仪、打印机和软驱、光驱等外部存储器)及电源所组成的计算机,称为微型计算机简称微型机或微机,有时又称为PC(PersonalComputer)或MC(Microcomputer)。
(6)微机加上系统软件,就构成了整个微型计算机系统(MSC,简称微机系统)。
计算机是一种不需要人工直接干预,能够快速对各种数字信息进行算术和逻辑运算的电子设备。
3.人类为什么要研制计算机
20世纪40年代中期,由于导弹、火箭、原子弹等现代科学技术的发展,出现了大量极其复杂的数学问题,原有的计算工具已无法满足要求。
为此研制新的计算工具--电子计算机。
推动计算机器开发的最重要因素是需求。
现代社会发展和科学技术进步对新计算工具提出了强烈的需求。
此外,军事和战争的需要也是一个重要因素。
研究开发ENIAC计算机的目的是为军事服务,主要是为了计算弹道表。
随着ENIAC的诞生,人类历史上计算工具的一个新时代开始了。
4.计算机的发展经历了哪几个阶段
1946年2月美国宾西发尼亚大学研制成功了电子数字计算机“埃尼阿克”(英文缩写词是ENIAC,即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,中文意思是电子数字积分器和计算器)。
它的诞生起因于当时的科学技术发展的需要,特别是国防技术的需要。
这台计算机(ENIAC)由18000多只电子管和1500多只继电器组成,耗电150千瓦,重达30多吨,占地面积167平方米,每秒可做5000次的加法运算。
与现在的计算机相比,尽管它的体积庞大、功耗多、功能差、速度慢,但它的诞生开辟了人类文明的新纪元,奠定了计算机发展的基础,其意义极其深远。
一般将ENIAC公认为世界上第一台通用计算机。
自ENIAC诞生至今,已有60多年的时间,这在人类历史长河中是短暂的,但计算机技术的发展是非常的迅猛。
在这几十年的发展过程中连续进行了四次重大的技术革命,其明显的标志是主要逻辑部件的逐次更新,分别是电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模或超大规模集成电路。
根据主要逻辑部件的不同,人们把计算机的发展史划分为四代。
如表1-1所示。
表1-1各代计算机主要特点比较
代别
起止年份
硬件特征
软件发展状况
应用领域
第一代
1946~1957
电子管
机器语言和汇编语言
科学计算
第二代
1958~1964
晶体管
高级语言(编译程序)管理、简单的操作系统
科学计算、数据处理、事物管理
第三代
1965~1970
集成电路
功能较强的操作系统、高级语言、结构化、模块化程序设计
系列化远程终端、向各个部门推广和普及
第四代
1971~至今
大规模、超大规模集成电路
操作系统进一步完善,数据库系统、网络软件得到发展,软件工程标准化
网络、分布式计算机、人工智能等,迅速推广和普及到社会各领域
当今第五代计算机正在研究中。
人们对第五代计算机的期望值很高,随着人工智能技术的发展,要求第五代计算机具备像人类一样有触觉、视觉、嗅觉和听觉等,还要具备思考、推理、学习等能力。
人和计算机之间可直接使用人类的表达方式进行交流。
在不久的将来,全新的智能化计算机将会出现并进入人类社会的各个领域。
5.计算机具有哪些特点
计算机的主要特点表现在以下几个方面:
(1)运算速度快
计算机的运算速度指的是单位时间内所能执行指令的条数,一般以每秒能执行多少条指令来描述。
早期的计算机由于技术的原因,工作频率较低,如1946年的第一台电子管计算机,体积相当庞大,但运算速度却只有几千次,而现代的大型计算机运算速度已达到每秒几十亿到数百亿次,假如一个航天遥感活动数据的计算,如果用一千个工程师手工计算需要1000年,而用大型计算机计算则只需1-2分钟。
(2)计算精度高
计算机的运算精度取决于采用机器码的字长(二进制码),即我们常说的8位、16位、32位和64位等等,字长越长,有效位数就越多,精度就越高。
如果使用十位十进制数变成机器码,欲取得几百亿分之一的精度轻而易举。
我国的数学家祖冲之发现了圆周率,以往经过几代科学家长期艰苦的努力只能算到小数点后几百位,如果使用计算机计算,要取得一百万位的结果并不困难。
可见计算机计算精度提高了数千倍。
(3)具有存储与记忆功能
计算机具有许多存储记忆载体,可以将运行的数据、指令程序和运算的结果存储起来,供计算机本身或用户使用,还可即时输出。
如果一个大型图书馆使用人工查阅尤如大海捞针,现在普遍采用计算机管理,所有的图书目录及索引都存储在计算机中,而计算机又具备自动查询功能,若需要查找一本图书只需要几秒钟。
计算机具有“记忆”功能,是与传统计算工具的一个重要区别。
(4)具备数据分析和逻辑判断功能
计算机除了计算功能外,它还具备数据分析和逻辑判断能力,高级计算机还具有推理,诊断,联想等模拟人类的思维能力,因而计算机俗称为电脑。
(5)自动化程度高,通用性强
由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内,工作时按程序规定的操作,一步一步地自动完成,一般无须人工干预,因而自动化程度高。
这一特点是一般计算工具所不具备的。
计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题,能广泛地应用各个领域。
6.计算机能够为人类做什么?
计算机的应用已渗透到社会的各个领域,正在改变人们的工作、学习和生活方式,推动社会的发展。
概括起来,计算机的应用领域主要有以下6个方面:
(1)科学计算
科学计算亦称数值计算,是指用计算机完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题。
计算机作为一种计算工具,科学计算是它最早的应用领域,也是计算机最重要的应用之一。
(2)数据处理
数据处理又称信息处理,它是指信息的收集、分类、整理、加工、存储等一系列活动的总称。
所谓信息是指可被人类感受的声音、图像、文字、符号、语言等。
数据处理还可以在计算机上加工那些非科技工程方面的计算,管理和操纵任何形式的数据资料。
其特点是要处理的原始数据量大,而运算比较简单,有大量的逻辑与判断运算。
据统计,目前在计算机应用中,数据处理所占的比重最大。
其应用领域十分广泛,如人口统计、办公自动化、企业管理、邮政业务、机票订购、情报检索、图书管理、医疗诊断等。
(3)计算机辅助系统
计算机辅助系统是指利用计算机帮助人们完成某项任务的系统。
它主要有:
①计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)是指使用计算机的计算、逻辑判断等功能,帮助人们进行产品和工程设计。
它能使设计过程自动化,设计合理化、科学化、标准化,大大缩短设计周期,以增强产品在市场上的竞争力。
CAD技术已广泛应用于建筑工程设计、服装设计、机械制造设计、船舶设计等行业。
使用CAD技术可以提高设计质量,缩短设计周期,提高设计自动化水平。
②计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)是指利用计算机通过各种数值控制生产设备,完成产品的加工、装配、检测、包装等生产过程的技术。
将CAD进一步集成形成了计算机集成制造系统CIMS,从而实现设计生产自动化。
利用CAM可提高产品质量,降低成本和降低劳动强度。
③计算机辅助教学(ComputerAidedInstruction,CAI)是指将教学内容、教学方法以及学生的学习情况等存储在计算机中,帮助学生轻松地学习所需要的知识。
它在现代教育技术中起着相当重要的作用。
除了上述计算机辅助技术外,还有其他的辅助功能,如计算机辅助出版、计算机辅助管理、辅助绘制和辅助排版等。
(4)过程控制
过程控制亦称实时控制,是用计算机及时采集数据,按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或采用自动调节。
利用计算机进行过程控制,不仅大大提高了控制的自动化水平,而且大大提高了控制的及时性和准确性。
过程控制的特点是及时收集并检测数据,按最佳值调节控制对象。
在电力、机械制造、化工、冶金、交通等部门采用过程控制,可以提高劳动生产效率、产品质量、自动化水平和控制精确度,减少生产成本,减轻劳动强度。
在军事上,可使用计算机实时控制导弹根据目标的移动情况修正飞行姿态,以准确击中目标。
(5)人工智能
人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是用计算机模拟人类的智能活动,如判断、理解、学习、图像识别、问题求解等。
它涉及到计算机科学、信息论、仿生学、神经学和心理学等诸多学科。
在人工智能中,最具代表性、应用最成功的两个领域是专家系统和机器人。
计算机专家系统是一个具有大量专门知识的计算机程序系统。
它总结了某个领域的专家知识构建了知识库。
根据这些知识,系统可以对输入的原始数据进行推理,做出判断和决策,以回答用户的咨询,这是人工智能的一个成功的例子。
机器人是人工智能技术的另一个重要应用。
目前,世界上有许多机器人工作在各种恶劣环境,如高温、高辐射、剧毒等。
机器人的应用前景非常广阔。
现在有很多国家正在研制机器人。
(6)计算机网络
把计算机的超级处理能力与通信技术结合起来就形成了计算机网络。
人们熟悉的全球信息查询、邮件传送、电子商务等都是依靠计算机网络来实现的。
计算机网络已进入到了千家万户,给人们的生活带来了极大的方便。
7.小结
本节学习了计算机的基础知识,即计算工具的历史演变过程、什么是计算机、人类为什么要研制计算机、计算机的发展简史、计算机的特点及计算机的应用领域等内容。
希望课后,同学们认真阅读教程相关章节或参考资料,力求能够或会本节学习内容。
二、计算机系统的组成
回顾:
上节课我们学习了计算机的发展简史、特点及应用领域等内容。
现在认我们共同来回顾。
我想大家可能都看见过或使用过计算机?
从计算机的外观和内部结构观察,计算机究竞是由一些什么东西组成的呢?
这节课我们一起来学习计算机系统的组成。
1.计算机的外观组成
普通用户日常所见到的和接触的大多都是微型计算机,如下图所示是微型计算机(笔记本、台式机)外形。
计算机硬件从外观上看,计算机由主机、输入设备(键盘和鼠标)及输出设备(显示器)等部分组成。
2.计算机系统的基本组成
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统和软件系统互相依赖,不可分割,两个部分又由若干个部件组成,如下图所示。
硬件系统是计算机的“躯干”,是物质基础。
而软件系统则是建立在这个“躯干”上的“灵魂”。
3.硬件系统
计算机硬件是指我们所看得见、摸得着的各种物理设备,计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。
如下图所示。
(1)运算器
运算器是计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件,它能进行加、减、乘、除等数学运算,也能作比较、判断、查找、逻辑运算等。
通常由算术逻辑运算部件(ALU)、累加器及通用寄存器组成。
(2)控制器
控制器是计算机指挥和控制其它各部分工作的中心,其工作过程和人的大脑指挥和控制人的各器官一样。
通常由指令部件、时序部件及操作控制部件组成。
运算器和控制器是计算机的核心部件,这两部分合称中央处理单元(CentreProcessUnit,简称CPU),如果将CPU集成在一块芯片上作为一个独立的部件,该部件称为微处理器(Microprocessor,简称MP)。
CPU由运算器、控制器和一些寄存器组成。
结论:
运算器进行各种算术运算和逻辑运算,控制器是计算机的指挥系统。
(3)存储器
存储器的主要功能是用来保存各类程序和数据信息。
存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。
①主存储器(也称为内存储器),属于主机的一部分。
用于存放系统当前正在执行的程序和数据,属于临时存储器。
①辅助存储器(也称外存储器),它属于外部设备。
用于存放暂不用的程序和数据,属于永久存储器。
存储器与CPU的关系可用下图来表示。
(4)输入设备
输入设备是使计算机从外部获得信息的设备(即向计算机输送信息的设备)。
鼠标、键盘、触摸屏、扫描仪、话筒、数码相机、摄像头、手写板等。
(5)输出设备
输出设备是把计算机处理信息的结果以人们能够识别的形式表示出来的设备(即用来输出计算机的处理结果的设备)。
显示器、打印机、绘图仪、音箱、投影仪等。
4.软件系统
软件是计算机的灵魂,软件(Software)是指计算机系统中各类程序、有关文档以及所需要的数据的总称。
丰富的软件是对硬件功能强有力的扩充,使计算机系统的功能更强、可靠性更高、使用更方便。
通常软件系统分为系统软件(使用和管理计算机的软件)和应用软件(专为某一应用而编制的软件)两大类。
(1)系统软件
系统软件是计算机必备的,用以实现计算机系统的管理、控制、运行、维护,并完成应用程序的装入、编译等任务的程序。
系统软件与具体应用无关,是在系统一级上提供的服务。
常用的系统软件有:
操作系统、编译程序、语言处理程序和数据库管理系统等。
Ø
操作系统:
DOS、Windows、Unix、Linux。
编译系统:
机器语言、汇编语言和高级语言。
语言处理程序:
一般是由汇编程序、编译程序、解释程序和相应的操作程序等组成。
它是为用户设计的编程服务软件,其作用是将高级语言源程序翻译成计算机能识别的目标程序。
数据库系统:
Foxpro,Access,Orale,Sybase,DB2和Informix
(2)应用软件
应用软件是为了解决计算机应用中的实际问题而编制的程序。
它包括商品化的通用软件和实用软件,也包括用户自己编制的各种应用程序。
常见的应用软件有:
文字处理软件、表格处理软件、辅助教学软件、辅助设计软件、图像处理软件、多媒体处理软件、信息管理软件和自动控制软件等。
5.计算机硬件、软件与用户的关系
一个完整的计算机系统的硬件和软件是按一定的层次关系组织起来的。
系统软件为用户和应用程序提供了控制和访问硬件的手段,只有通过系统软件才能访问硬件。
操作系统是系统软件的核心,它紧贴系统硬件之上,在所有其他软件之下,是其他软件的共同环境。
应用软件位于系统软件的外层,以系统软件作为开发平台。
软件系统与硬件系统是不可分割的,只有硬件而没有软件的系统,是无法工作的。
计算机硬件、软件与用户的关系如下图所示。
三、多媒体计算机的组成
在多媒体计算机之前,传统的微机或个人计算机能处理的信息(信息是事物运动的状态与方式)往往仅限于文字和数字,只能算是计算机应用的初级阶段,同时,由于人机之间的交互只能通过键盘和显示器,故交流信息的途径缺乏多样性。
为了改换人机交互的接口,使计算机能够集声、文、图、像处理于一体,人类发明了有多媒体处理能力的计算机。
1.什么是信息
信息是事物运动的状态与方式,是物质的一种属性。
在这里,“事物”泛指一切可能的研究对象,包括外部世界的物质客体,也包括主观世界的精神现象;
“运动”泛指一切意义上的变化,包括机械运动、化学运动、思维运动和社会运动;
“运动方式”是指事物运动在时间上所呈现的过程和规律;
“运动状态”则是事物运动在空间上所展示的形状与态势。
信息不同于消息,消息只是信息的外壳,信息则是消息的内核;
信息不同于信号,信号是信息的载体,信息则是信号所载荷的内容;
信息不同于数据,数据是记录信息的一种形式,同样的信息也可以用文字或图像来表述。
信息还不同于情报和知识。
总之,“信息即事物运动的状态与方式”这个定义具有最大的普遍性。
2.什么是多媒体
(1)媒体(media)
媒体又称媒介、媒质,它有两重含义,一是指存储信息的实体,如磁盘、光盘、磁带、半导体存储器等,中文常译作媒质;
二是指传递信息的载体,如数字、文字、声音、图形等,中文译作媒介。
通常媒体是指用于分发信息和展现信息的手段、方法、工具、设备或装置。
(2)多媒体(multimedia)
多媒体是指将文字、声音、图形、图像、视频等多种媒体集成进计算机,使信息表现出声、图、文并茂。
3.多媒体计算机系统
多媒体计算机系统是指能对文本、声音、图形、图像等多种媒体进行获取、编辑、存储、处理、加工和表现(输出)的一种计算机系统。
多媒体计算机一般指多媒体个人计算机(MPC),1985年出现了第一台多媒体计算机,其主要功能是指可以把音频视频、图形图像和计算机交互式控制结合起来,进行综合的处理。
4.多媒体计算机系统组成
一个完整的多媒体计算机系统由多媒体计算机硬件和多媒体计算机软件两部分组成。
(1)多媒体计算机的硬件
多媒体计算机的主要硬件除了常规的硬件(如主机、键盘、鼠标、软盘驱动器、硬盘驱动器、显示器、网卡)之外,还要有音频信息处理硬件、视频信息处理硬件及光盘驱动器等部分。
①音频卡(又称声卡):
用于处理音频信息,它可以把话筒、录音机、电子乐器等输入的声音信息进行模数转换(A/D)、压缩等处理,也可以把经过计算机处理的数字化的声音信号通过还原(解压缩)、数模转换(D/A)后用音箱播放出来,或者用录音设备记录下来。
②视频卡(VideoCard):
用来支持视频信号(如电视)的输入与输出。
③采集卡:
能将电视信号转换成计算机的数字信号,便于使用软件对转换后的数字信号进行剪辑处理、加工和色彩控制。
还可将处理后的数字信号输出到录像带中。
④扫描仪:
将摄影作品、绘画作品或其它印刷材料上的文字和图像,甚至实物,扫描到计算机中,以便进行加工处理。
⑤光驱:
分为只读光驱(CD-ROM)和可读写光驱(CD-R,CD-RW),可读写光驱又称刻录机。
用于读取或存储大容量的多媒体信息。
(2)多媒体计算机的软件
①操作系统:
多媒体计算机的操作系统必须在原基础上扩充多媒体资源管理与信息处理的功能。
②编辑工具:
多媒体编辑工具包括字处理软件、绘图软件、图像处理软件、动画制作软件、声音编辑软件以及视频编辑软件。
③创作工具:
多媒体应用软件的创作工具(AuthoringTools)用来帮助应用开发人员提高开发工作效率,它们大体上都是一些应用程序生成器,它将各种媒体素材按照超文本节点和链结构的形式进行组织,形成多媒体应用系统。
Authorware、Director、MultimediaToolBook等都是比较有名的多媒体创作工具。
四、计算机的性能指标
一个计算机系统功能的强弱或性能的好坏,不是由单一指标来决定的,而是由体系结构、软硬件配置、指令系统等多方面因素决定的。
衡量一个计算机系统的性能的因素主要有字长、时钟主频、运算速度、内存容量、存取周期和外部设备等。
1.字长
字长是指CPU一次能够同时处理二进制数(bit)的位数。
例如80386微机的字长为32位,则表示一次可并行处理32位的二进制数。
字长标志着计算机处理数据的精度,反映计算机处理信息的能力,字长越长,计算机运算速度越快、运算精度越高,处理能力越强。
字长从最初的4位、8位、16位、32位至现在的64位。
2.主频(时钟频率)
主频或时钟频率是指CPU的时钟频率,即时钟脉冲发生器所产生的时钟信号频率。
单位是兆赫兹(MHz)。
它的高低从一定程度上决定了计算机速度的高低,通常主频越高,速度越快。
3.运算速度
运算速度是指计算机每秒钟能执行的指令条数,常用百万次/秒(MIPS)表示,是衡量计算机性能的重要指标。
4.内存容量
内存容量是指计算机系统配备的内存储器(也简称主存)总字节数。
内存储器是CPU可以直接访问的存储器,需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。
内存容量反映的是内存储器存储数据的能力,容量越大,计算机所能运行的程序越大,能处理的数据越多,运算速度越快,处理能力越强。
5.外存容量
外存储器容量通常是指硬盘容量(包括内置硬盘和移动硬盘)。
外存储器容量越大,可存储的信息就越多,可安装的应用软件就越丰富。
目前,主流硬盘容量为320GB~1500GB,有的甚至已达到1500GB以上(TB级)。
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