計算機文化基礎第1章計算機基礎知識

清華大學計算機基礎教育課程系列教材李秀等編著計算機文化基礎

（第5版）內(nèi)容提要計算機發(fā)展史計算機軟件概述計算機文化與道德計算機工作原理計算機發(fā)展趨勢計算機基礎知識人類追求的計算工具1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機1833分析機MARKIENIAC電子計算機時代計算機發(fā)展史第一臺電子計算機（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW計算機發(fā)展史電子恐龍的縮骨法——晶體管ENIAC劃時代的實驗裝置晶體管實質(zhì)上是按顯微比例的真空管建造的。電子管的缺點：體積大；耗能高、散熱量大。晶體管的優(yōu)點：體積??；耗能低；性能穩(wěn)定。計算機發(fā)展史晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,300將電腦濃縮在一顆芯片上0.18微米芯片10微米芯片計算機發(fā)展史晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒每18個月芯片能力增長一倍。計算機第一定律——摩爾定律計算機發(fā)展史第一代（1946~1956）電子管5千~4萬（次/秒）第二代（1957~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）第三代（1965~1970）集成電路百萬~幾百萬（次/秒）第四代（1971~90年代）集成電路幾百萬~幾億（次/秒）1964年911機1966年112機計算機發(fā)展的幾個階段計算機發(fā)展史計算機的商用化計算機的第一個商業(yè)顧客——烤面包賣茶點的利昂（lyons）ENIACEDSAC改進lyons參與部分投資進入社會，開啟辦公自動化理念Lyons復制EDSACLEO(LyonsElectronicOffice)LEO充當會計師計算機發(fā)展史計算機的類型與用途計算機應用PC機（PersonalComputer）

以微處理器為中央處理單元而組成的個人計算機稱為PC機（微機）。工作站

是一種高檔微機系統(tǒng)，其最突出的特點是圖形功能強，具有很強的圖形交互與處理能力，因此在工程領(lǐng)域、特別是在計算機輔助設計（CAD）領(lǐng)域得到廣泛應用。大型通用機

其特點表現(xiàn)在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在科研、商業(yè)和管理部門。巨型機

它的運算速度最快、性能最高、技術(shù)最復雜。巨型機主要用于解決大型機也難以解決的復雜問題，它是解決科技領(lǐng)域中某些帶有挑戰(zhàn)性問題的關(guān)鍵工具。計算機應用模式的變遷計算機應用單主機計算模式（終端＋主機）客戶機/服務器計算模式（Client/Server）

網(wǎng)絡計算模式香儂是現(xiàn)代信息論的著名創(chuàng)始人。1938年，香儂在發(fā)表的論文中，首次用布爾代數(shù)進行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運算可以通過繼電器電路來實現(xiàn)。阿塔納索夫提出了計算機的三條原則：1）以二進制的邏輯基礎來實現(xiàn)數(shù)字運算，以保證精度；2）利用電子技術(shù)來實現(xiàn)控制、邏輯運算和算術(shù)運算，以保證計算速度；3）采用把計算功能和二進制數(shù)更新存儲功能相分離的結(jié)構(gòu)。奠定現(xiàn)代計算機發(fā)展的重要人物和思想ClaudeShannon計算機工作原理圖靈與圖靈機為紀念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機博物館于1966年設立了“圖靈獎”計算機是使用相應的程序來完成任何設定好的任務。圖靈機是一種思想模型，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。計算機工作原理JohnvonNeumann馮諾依曼1949EDSAC馮·諾依曼計算機存儲程序工作原理計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務為止。計算機工作原理計算機工作原理微型計算機的硬件組成主機是包含電源、存儲設備和電路板的機箱，其中電路板上有計算機的主處理器和內(nèi)存。監(jiān)視器是計算機的主要輸出設備，它將來自計算機顯卡的電信號轉(zhuǎn)換為屏幕上的彩色亮點，從而形成圖像。硬盤驅(qū)動器一般安裝在系統(tǒng)單元內(nèi)，當其工作時，機箱上的指示燈會亮。軟盤驅(qū)動器將數(shù)據(jù)寫到軟盤上，當其工作時，其指示燈就亮，警告用戶此時不要取出軟盤。CD-ROM和DVD驅(qū)動器采用激光技術(shù)從光盤上讀取數(shù)據(jù)。鼠標是一種輸入指示設備，幫助用戶操作對象并選擇菜單項。鍵盤作為多數(shù)計算機的主要輸入設備。聲卡位于系統(tǒng)單元內(nèi)，提供到揚聲器、麥克風和耳機的連接。微機結(jié)構(gòu)示意圖計算機工作原理微機的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設備構(gòu)成；輸入/輸出設備通過I/O接口與系統(tǒng)相連；各部件通過總線連接。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU計算機的工作原理計算機工作原理計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”CPU總線內(nèi)存標志寄存器地址總線AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、、、指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC總線總線是微機中各功能部件之間通信的信息通路，主要由地址、數(shù)據(jù)和控制三大總線組成，每種總線都由若干根信號線（總線寬度）構(gòu)成。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU三大總線計算機工作原理中央處理器CPUCPU是計算機的心臟，用來實現(xiàn)程序控制功能（自動從內(nèi)存中讀入指令和自動執(zhí)行指令）。CPU結(jié)構(gòu)示意圖地址總線標志寄存器指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC數(shù)據(jù)總線控制總線ALU計算機工作原理存儲器是一種具有保存和存取信息（程序、數(shù)據(jù)）的設備/器件，是計算機系統(tǒng)不可或缺的資源?，F(xiàn)代微型計算機的存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

高速緩存--主存--外存為什么采用這種結(jié)構(gòu)？指令執(zhí)行速度依賴于內(nèi)存讀寫速度高速CPU需配置高速內(nèi)存大軟件需配置大容量內(nèi)存

高速度低成本大容量存儲器與存儲系統(tǒng)矛盾CPU高速緩存M1M2...Mn外存2外存1...外存n主存外存寄存器SRAMDRAM硬盤、光盤、U盤等計算機工作原理認識計算機內(nèi)存與處理器直接相連的存放數(shù)據(jù)的器件稱為內(nèi)存，不直接與處理器相連的介質(zhì)如磁盤稱為外存。隨機訪問存儲器RAM存放操作系統(tǒng)指令、軟件指令、處理數(shù)據(jù)虛擬內(nèi)存計算機使用磁盤空間來模擬內(nèi)存的能力只讀存儲器ROMROMBIOS小型指令集合CMOS存儲器存放計算機的配置信息，如日期和時間、硬盤容量、RAM容量等計算機工作原理輸入/輸出設備（外部設備）完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換（模擬信號/數(shù)字信號、電信號/非電信號等）數(shù)據(jù)采樣與接口進行連接接口信號，電平標準等與主機進行通信通信協(xié)議工作時序計算機工作原理軟件的概述“吃軟不吃硬”的EDSAC存儲程序工作原理的計算機決定了它的使用方式：編寫程序和運行程序硬件軟件軟件史上的重要人物阿黛·拜倫格雷斯·霍普威爾克斯戴維·韋勒計算機軟件概述

計算機的語言——二進制十進制 R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二進制 R=2，可使用0,1八進制 R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六進制 R=16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F“逢R進一，借一當R”進制的概念計算機軟件概述二進制概念128瓦32瓦64瓦16瓦8瓦4瓦1瓦2瓦11111000我認識她已有1111年了。信息復制的精確性運算規(guī)則簡單（R(R+1)/2）電子線路制造計算機成為可能計算機軟件概述程序和指令指令是對計算機進行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。程序是為完成一項特定任務而用某種語言編寫的一組指令序列。機器指令格式操作碼操作數(shù)機器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）PC+1計算機軟件概述信息的存儲單位位（Bit）：度量數(shù)據(jù)的最小單位字節(jié)（Byte）：最常用的基本單位K字節(jié) 1K=1024byteM（兆）字節(jié) 1M=1024KG（吉）字節(jié) 1G=1024M

T（太）字節(jié) 1T=1024Gb7b6b5b4b3b2b1b010010101=27+24+22+20=149計算機軟件概述計算機軟件分類（1）享有版權(quán)的軟件只有版權(quán)的擁有者才能復制、出售或分發(fā)。

共享軟件你可以合法地制作拷貝并分發(fā)，但不能出售。

免費軟件版權(quán)擁有申請購買后安裝制作拷貝自用制作拷貝他用更改軟件注冊費軟件：指示計算機完成任務的、以電子格式存儲的指令序列和相關(guān)的數(shù)據(jù)。計算機軟件概述計算機軟件分類（2）軟件系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)設備驅(qū)動實用工具編譯系統(tǒng)文字處理電子表格演示軟件圖形軟件視頻軟件…………上網(wǎng)軟件學習課件娛樂軟件商務軟件系統(tǒng)軟件協(xié)助計算機執(zhí)行基本任務。應用軟件協(xié)助人們完成某項任務。計算機軟件概述系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)最基本的系統(tǒng)軟件，其它的所有軟件都是建立在操作系統(tǒng)的基礎上。實用工具用來提供一種讓計算機用戶控制分配和使用計算機資源的方法，以增強操作系統(tǒng)的功能。設備驅(qū)動程序設備驅(qū)動程序告訴計算機中的操作系統(tǒng)如何使用某一硬件。即插即用一項用于自動處理PC機硬件設備安裝的工業(yè)標準。編譯器編譯器是程序員將高級語言編寫的指令翻譯成可以在計算機上執(zhí)行的代碼的軟件開發(fā)工具，它的特點是目標語言比源語言低級。計算機軟件概述操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)協(xié)助計算機完成它的基本硬件操作，并與應用程序進行交互，完成諸如打印和存儲數(shù)據(jù)等應用任務。LinuxMacOSUNIX管家婆

管理硬件資源

協(xié)調(diào)后臺工作服務生

提供用戶與計算

機的交互接口WindowsOS/2計算機軟件概述Altair8800計算機發(fā)展——微型化計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。計算機發(fā)展趨勢CRAY-Ⅱ計算機發(fā)展——巨型化運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領(lǐng)域。中國超級計算機：國防科技大學研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家職能計算機中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”銀河Ⅱ計算機發(fā)展趨勢計算機發(fā)展——網(wǎng)絡化計算機網(wǎng)絡：計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡的發(fā)展動力：使用遠程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡用戶的通訊和合作。計算機發(fā)展趨勢計算機發(fā)展——智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機械’來”。 ——笛卡爾（1637）人類第一個“工業(yè)機器人”：

一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人

機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人

具有“感覺”的機器人第三代機器人

裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”DeepblueGarryKasparov計算機發(fā)展趨勢計算機世界中的中國1952年在清華大學成立中國第一個計算機三人研究小組組長閔大可 電機系教授1954年小組經(jīng)擴充和調(diào)整，并入中科院近代物理研究所負責人 錢三強1958年完成第一臺電子計算機1031959年完成大型電子計算機1041959年中國