第1章计算机应用基础知识.docx
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第1章计算机应用基础知识
第1章计算机应用基础知识概述
第1讲计算机应用基础知识概述
（一）
教学目标及基本要求：
1、了解计算机的起源及发展历程
，及计算机在信息社会中的应用。
2、掌握计算机的组成和计算机硬件系统的构成。
教学重点：
计算机的组成和计算机硬件系统的构成。
1、
教学难点：
计算机硬件系统的构成。
1、
教学内容：
1、计算机的起源；
2、电子计算机的问世
3、电子计算机的发展阶段；
4、现代计算机的分类；
5、未来计算机技术发展展望
6、计算机的特性及应用
7、计算机应用及信息社会
8、计算机系统的组成
9、计算机硬件系统的构成
教学时间：
1学时
主要内容：
1.1计算机的起源及发展历程
1.1.1计算机的起源
1．最早的计算工具：
人的双手（图1-1所示）
图1-1人的双手
1．
2．劳动实践中发明的计算工具
Ø原始社会：
结绳、垒石
Ø春秋战国：
算筹
Ø
唐代末：
算盘（图1-2所示）
图1-2算盘
3。
十七世纪以来出现的计算工具
Ø1622年英国数学家奥特瑞德：
计算机尺
Ø1642年法国物理学家帕斯卡：
齿轮式加减法器
Ø1673年德国数学家莱布尼兹：
能进行四则运算的机械式计算机
4．近代的计算机发展
Ø1822年英国数学家查尔斯·巴贝奇：
差分机
Ø1834年英国数学家查尔斯·巴贝奇：
分析机
Ø1944年美国科学家霍德华·艾肯：
提出用机电方法来实现巴贝奇分析机，制造出MarkI计算机，已使计算机具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构想，建构了今天电子计算机硬件系统组成的基本框架。
1.1.2电子计算机的问世
1．计算机发展中最杰出的代表人物
Ø英国的艾兰·图灵
主要贡献：
一是建立了图灵机（TM）的理论模型，对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响；二是提出了定义机器智能的图灵测试（TuringTest），奠定了“人工智能”的理论基础。
Ø美籍匈牙利人冯·诺依曼
在纯粹数学、应用数学、量子物理学、逻辑学、气象学、军事学、计算机理论及应用、对策论和经济学诸领域都有重要建树和贡献。
首先提出了在计算机内存储程序的概念，使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作，使具有“存储程序”的计算机成为现代计算机的重要标志。
2．计算机发展的“第一”
Ø第一台电子计算机：
埃尼亚克（ENIAC），如图1-3所示。
1946年2月14日诞生于美国。
需要功率150kW，17000多只电子管、10000多只电容器、7000多只电阻、1500多个继电器，占地160m2，重30t，是名符其实的庞然大物。
优点：
每秒能够完成加法运算5000次。
利用它计算炮弹从发射到进入轨道的40个点仅用了3s，而用手工操作台式计算机则需7～10小时，速度提高了8400倍以上。
缺点：
不能存储程序、使用十进制数、且在机外用线路连接的方法来编排程序等严重缺陷。
ENIAC宣告了电子计算机时代的到来。
图1-3埃尼亚克（ENIAC）
Ø第一台“存储程序”式计算机：
EDVAC（离散变量自动电子计算机），1952年研制成功并投入使用，其运算速度是ENIAC的240倍。
Ø第一台“存储程序”控制的实验室计算机：
EDSAC，1949年5月在英国剑桥大学完成。
Ø第一台“存储程序”控制的商品化计算机：
UNIVAC-I，1951年问世。
1.1.3电子计算机的发展阶段
1．电子管计算机（1946～1957年）
Ø组成：
基本逻辑元件是电子管，内存储器采用水银延迟线或磁鼓，外存储器采用磁带等。
Ø特点：
速度慢，可靠性差，体积庞大，功耗高，价格昂贵。
Ø编程语言：
机器语言，汇编语言。
Ø代表产品：
ENIAC、EDSAC、UNIVAC-Ⅰ等。
Ø应用领域：
军事研究中的科学计算。
2.晶体管计算机（1958～1964年）
Ø组成：
基本逻辑元件为晶体管，内存大量使用磁性材料制成的磁芯，外存采用磁盘和磁带。
Ø特点：
体积小，重量轻，速度快，逻辑运算功能强，可靠性大大提高。
Ø编程语言：
汇编语言，FORTRAN、COBOL等。
Ø代表产品：
IBM700系列。
Ø应用领域：
扩展到数据处理和工业控制方面。
3．集成电路计算机（1965～1970年）
Ø组成：
基本逻辑元件为中小规模集成电路，内存大量使用半导体储器，而外存大量使用高速磁盘。
Ø特点：
体积、功耗减小，可靠性、运行速度提高，内存容量大，价格低。
Ø编程语言：
操作系统，BASIC，Pascal等。
Ø代表产品：
IBM360和PDP-11等。
Ø应用领域：
已扩大到各个领域。
4．大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今）
Ø组成：
基本逻辑元件为大规模和超大规模集成电路。
内存采用半导体存储器，外存则采用大容量磁盘和光盘。
Ø特点：
计算机速度达到每秒几百万次至上亿次。
Ø编程语言：
VC++等面向对象程序设计语言。
Ø代表产品：
巨型机，工作站，微型计算机，个人计算机（PC）等。
1.1.4现代计算机的分类
1．巨型机：
也称为超级计算机
Ø特点：
占地最大，价格最贵，功能最强，浮点运算速度最快（1998年已达3.9万亿次/秒）。
Ø应用领域：
多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计，空间技术，石油勘探，中、长期天气预报以及社会模拟等领域。
Ø是衡量一个国家经济实力及科技水平的重要标志
2．小巨型机：
Ø出现于20世纪80年代中期。
该机的功能略低于巨型机，速度达1GFLOPS，即每秒10亿次，而价格只有巨型机的十分之一，可满足一些特殊用户的需求。
3.大型主机：
也称为大型电脑
Ø特点：
大型、通用，具有很强的处理和管理能力。
Ø应用领域：
主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和科研院所。
4．小型机
Ø特点：
结构简单，可靠性高，成本较低，不需要长期培训即可维护和使用。
Ø应用领域：
主要用于广大中、小用户。
5．工作站
Ø特点：
是介于PC及小型机之间的一种高档微机，其运算速度比微机快，且有较强的联网功能。
Ø应用领域：
主要用于特殊的专业领域，例如图像处理、计算机辅助设计等。
6．个人计算机：
也就是PC机
Ø特点：
设计先进（总是率先采用高性能处理器CPU）、软件丰富、功能齐全、价格便宜。
Ø应用领域：
应用非常广泛，几乎无处不在，无所不用，除了台式的，还有膝上型、笔记本型、掌上型、手表型等。
1.1.5未来计算机发展展望
计算机发展的整体趋势：
体积变小
性能提高
速度提高
1．超越冯·诺依曼结构（两个方向）
Ø创建新的程序设计语言，即所谓的“非冯·诺依曼语言”：
LISP、PROLOG和F.P.LISP语言等。
Ø从计算机元件方面，提出了及人脑神经网络相类似的新型超大规模集成电路的设想，即“分子芯片”。
2．高速计算机
Ø新近研制的“空气胶滞体”导线在传输信号的过程中几乎不吸收任何信号，并可以降低电耗，从而成倍地提高计算机的运行速度。
Ø运算速度最快的Linux超级计算机：
美国IBM公司制造的两台IBMLinux集群计算机，每秒可执行2万亿次浮点运算。
3.生物计算机（20世纪80年代中期开始）
Ø特点：
采用了生物芯片，由蛋白质分子构成。
信息以波的形式传播，运算速度非常快，能耗低，存储能力大，具有生物体的一些特点，如能自动修复芯片故障，还能模仿人脑的思考机制。
Ø应用：
美国首次公布的生物计算机被用来模拟电子计算机的逻辑运算，解决虚构的7城市间最佳路径问题。
4．光学计算机
Ø定义：
就是利用光作为信息的传输媒体。
Ø光子的优点：
速度等于光速，具有频率及偏振特征，传输信息能力强，抗干扰能力强。
Ø光学计算机特点：
并行能力强，具有超高速的运算潜力，且在室温下就可以正常工作。
Ø研究成果：
由法国、德国等60多名科学家联合研制开发成功的世界上第一台光学计算机，其运算速度比目前世界上最快的超级计算机快1000多倍，并且准确性极高。
Ø研究现状：
目前光学计算机的许多关键技术，如光存储技术及光存储器、光电子集成电路等都已取得重大突破。
5．量子计算机
Ø定义：
是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。
这种多现实态是量子力学的标志。
Ø优点：
解题速度快。
存储量大。
搜索功能强。
Ø研究成果：
美国科学家已成功实现了4量子位逻辑门，取得了4个锂离子的量子缠结状态。
1.2计算机在信息社会中的应用
1.2.1计算机的特性及应用
1.计算机的基本特性
Ø运算速度快：
第一台电子计算机的运算速度是每秒5000次，小型机：
几百万次/秒，巨型机：
几十亿甚至几百亿次/秒。
Ø运算精度高：
计算机内部采用二进制进行运算，计算的精确度取决于字长和算法。
从理论上讲，计算机的运算精度是不受限制的。
Ø具有逻辑判断能力：
由于二进制的采用，使得计算机可以进行逻辑运算并作出判断和选择，使其在某种程度上更接近于“人脑”。
Ø具有超强的记忆能力：
计算机的存储器中可以存储海量的数据，是单纯的人脑所不能及的。
Ø具有自动控制能力：
计算机具有逻辑判断能力和记忆能力，使得计算机可以在无需人为干预的情况下自动按照程序设定完成既定任务。
Ø具有网络功能：
大型企事业单位，可以通过计算机进行信息处理，并通过网络实现信息传输和共享，实现其管理工作。
目前最大、应用范围最广的“国际互联网”（Internet），连接了全世界190多个国家和地区的几千万台计算机。
网上的所有计算机用户可共享网上资料、交流信息、互相学习。
2.计算机的应用
（1）科学计算
也称为数值计算，主要是将计算机用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。
是计算机的传统应用领域，例如，气象预报、地震探测、导弹卫星轨迹的计算等。
（2）数据处理
也称信息处理，是对大量非数值数据（文字、符号、声音、图像等）进行加工处理，例如，编辑、排版、分析、检索、统计、传输等。
广泛应用于办公自动化、情报检索、事务管理等。
近年来，利用计算机来综合处理文字、图形、图像、声音等的多媒体数据处理技术，已成为计算机最重要的发展方向。
目前数据处理已成为计算机应用的主流。
（3）过程控制
又称实时控制，指用计算机及时采集动态的监测数据，并按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或调节。
不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性、准确性和可靠性。
主要应用于冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等工业领域，在军事、交通等领域也得到了广泛的应用。
（4）企业管理
计算机管理信息系统的建立，使各企业的生产管理水平登上了新的台阶。
大型企业生产资源规划管理软件（如MRPII）的开发和使用，为企业实现全面资源管理、生产自动化和集成化、提高生产效率和效益奠定了牢固的基础。
（5）电子商务
是指通过计算机和网络进行的商务活动。
计算机网络的建成，使得金融业务率先实现自动化，电子货币改传统的货币交易方式为“电子贸易”，不仅方便快捷，且减少了现金的流通量，避免了货币交易的风险和麻烦。
以银行为例，自动化的实现可使银行每日处理上百万笔业务，交易价值达上百万美元。
（6）数据库应用（DatabaseApplications）
是计算机应用的基本内容之一。
任何发达国家，从国民经济信息系统和跨国科技情报网到个人的亲友通信、银行储蓄，均及数据库打交道。
办公自动化及生产自动化也离不开数据库的支持。
（7）人工智能（ArtificialIntelligence）
也称智能模拟，是将人脑进行演绎推理的思维过程、规则和采取的策略、技巧等编制成程序，在计算机中存储一些公理和规则，然后让计算机去自动进行求解。
主要应用在机器人、专家系统、模拟识别、智能检索等方面，此外还在自然语言处理、机器翻译、定理证明等方面得到应用。
（8）文化教育
利用高速信息公路网可实现远距离双向交互式教学和多媒体结合的网上教学方式。
它改变了传统的以教师课堂传授为主、学生被动学习的方式，使学习的内容和形式更加丰富灵活，同时也加强了信息处理、计算机通信技术和多媒体等方面内容的教育，提高了全民族的文化素质及信息化意识。
（9）计算机模拟（ComputerSimulation）
是用计算机程序代替实物模型来做模拟实验。
既广泛应用于工业部门，也适用于社会科学领域。
20世纪80年代末出现的“虚拟现实（VR）”新技术将成为21世纪初期最有前景的新技术之一。
（10）计算机辅助系统
包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助教育等。
计算机辅助设计（CAD）：
是指用计算机帮助各类设计人员进行工程或产品设计。
例如，飞机、船舶、建筑、机械和大规模集成电路设计等。
Ø计算机辅助制造（CAM）：
是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。
Ø计算机辅助教育（CBE）：
包括计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助测试（CAT）和计算机管理教学（CMI）。
主要应用有网上教学和远程教学。
（11）信息高速公路
实际上是一个交互式多媒体网络，它将通常所使用的通信工具等信息通过通信设施传递到网络所连接的用户终端，从而使人们获得信息的方式发生根本变化。
1993年美国提出建立“国家信息基础设施”计划。
Internet，是以计算机为核心的跨地区、多用户、大容量、高速度的交互式综合网络体系。
（12）娱乐
随着PC的发展，计算机娱乐也更加丰富。
Ø播放影碟，听音乐。
Ø在网上，可以聊天、游戏和在线影视。
Ø在影视界，可用计算机产生电影特效，使得电影效果更好。
如《侏罗纪公园》和《玩具总动员》中的角色和动画也都是由计算机制作的。
1.2.2计算机应用及信息社会
1．计算机的广泛应用导致信息时代的到来
计算机技术作为信息社会的关键技术，给社会带来了深远的影响，在发展过程中广泛渗透到人类社会的各个领域。
Ø计算机作为一种知识、技术、能力、修养，已成为人类必须具备的一种文化。
如果没有基本的计算机知识和应用能力，就会成为信息社会的文盲。
Ø在信息社会的网络环境中，计算机已不仅仅是一种工具，而是完全融入人类的生活，成为计算机文化。
Ø计算机网络技术的发展给学习者带来了跨校、跨行业、跨国界的知识资源，使传统的教育模式受到冲击。
人们可以利用计算机获取大量的知识，从而促进文化的传播。
Ø媒体对人们的影响力非常大，而现代媒体技术离开了计算机就不再成为媒体。
正是由于计算机技术的发展，以及计算机的愈来愈智能化、人性化，才使得今天的媒体更加多样化和个性化。
Ø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其丰富的文化内涵，例如，生物信息技术和信息安全学科的产生等。
2．信息社会的主要特点
信息化社会里，尤其是计算机网络的普及和“信息高速公路”的建设，彻底改变了人们的生活、学习和工作方式。
信息社会主要有以下特点。
Ø人类脑力劳动的相当部分将由计算机信息处理系统来代替。
Ø社会信息交换将很大程度上围绕信息网络及其信息服务中心展开。
Ø信息高速公路的建立，使大量的信息快速传输成为现实，使人类的活动缩短了时空的距离，并在社会的各个方面对人类的日常生活产生极大的影响。
Ø信息产业将成为信息化社会主要支柱产业之一
Ø信息社会开始形成虚拟社会，如虚拟商店、虚拟市场、虚拟银行、虚拟公司、虚拟的研究中心、虚拟的社会组织等。
Ø知识由工业社会中的非独立性生产要素变成独立性生产要素。
Ø专业技术阶层成为社会的主导阶层和中坚力量。
Ø产业结构趋于软化，即在社会生产和再生产过程中，体力劳动和资源的投入相对减少，脑力劳动和科学技术投入相对增加。
Ø信息社会是智力密集的社会。
3．计算机技术在信息社会中的地位
计算机技术被认为是信息技术的核心。
现代社会几乎所有的信息工作都及计算机应用及网络技术息息相关。
计算机可以进行科学计算，处理文字、图像和声音等各种信息。
计算机的应用已深入到社会的各个领域，成为人们工作、学习和生活中不可缺少的工具。
1.3计算机系统的组成及工作原理
1.3.1计算机系统的组成
1．计算机系统的基本组成
一套完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，两者不可分割。
如图1-4所示。
Ø硬件：
是指计算机的各种看得见、摸得着的实实在在的装置，是计算机系统的物质基础。
Ø软件：
是指所有应用计算机的技术，是看不见、摸不着的程序和数据，但用户能感到它的存在。
Ø
1．
1．
2．
1．
2．
2．
图1-4计算机系统的组成
2．计算机硬件系统及软件系统的层次关系
硬件系统是计算机系统的物理基础，没有硬件，软件就无从谈起。
两者层次关系如图1-5。
图1-5计算机系统的层次关系
（1）计算机硬件
位于最底层，没有软件的计算机习惯称为“裸机”，裸机是无法工作的。
（2）操作系统
距离硬件最近的软件，它向下控制硬件，向上支持其他软件。
其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。
（3）实用程序
包括各种实用软件，如语言处理程序、数据库管理系统以及各种实用工具程序。
（4）应用软件及应用软件的用户
通常可以把计算机系统看作是一组应用程序，而不去关心计算机的硬件细节。
软件系统是在硬件系统的基础上，为了更有效地使用计算机而配置的。
软件及硬件的关系并不是绝对的，计算机中的任何一个操作，既可以由软件来实现，也可以由硬件来实现，任何一条指令的执行也是如此。
计算机系统的软件及硬件可以互相转化，互为补充。
随着技术的不断发展，软件和硬件之间的界限将变得越来越模糊。
1.3.2计算机硬件系统的构成
1．计算机硬件系统的基本构成
计算机的硬件系统基本上沿袭冯·诺依曼提出的传统框架，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件构成，如图1-6所示。
计算机的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据的输入、计算、输出等一系列操作。
图1-6计算机硬件系统的基本结构及工作过程
（1）控制器
Ø能够控制中央处理器乃至整个计算机硬件系统的工作，是计算机的指挥中心。
Ø构成部分：
主要包括指令寄存器、指令译码器、时序信号发生器、程序控制器等。
Ø功能：
可以识别、分析并执行各种指令。
（2）运算器
Ø主要用来对信息和数据进行各种处理，如各种算术和逻辑运算等，是计算机的核心部件。
Ø构成部件：
由加法器和补码器构成。
（3）存储器
主要的功能是用来“记忆”，也就是用于存储各种信息和数据，它可以分为内存储器和外存储器。
①内存储器：
又称主存储器、内存，它及CPU一起构成主机。
包括三种内存储器。
●只读存储器ROM：
用户只能读取信息，不能更改
●随机存储器RAM：
可不断进行各种读写操作
●高速缓冲存储器Cache
②外存储器：
也称辅助存储器、外存，是内存的延伸和拓展。
它存储容量大，通常容量为几十GB，可用来存储CPU暂时不会用到的信息和数据。
外存只及内存交换信息，而CPU则只和内存交换信息。
外存主要有磁盘存储器、光盘存储器、软盘存储器等。
（4）输入设备
输入设备可以将各种外部信息和数据转换成计算机可以识别的电信号，从而使计算机能够接收。
常见的输入设备有键盘、鼠标等。
（5）输出设备
输出设备可以将计算机内部处理后得出的电信号形式的信息传递出来，让人们能够接收，如显示器、打印机等。
2．计算机主要性能指标
Ø字长：
是CPU一次能直接处理的二进制数据的位数。
字长越长，运算精度越高，处理速度越快，价格也会越高。
Ø运算速度：
以每秒能执行多少指令为标准。
现在一般采用两种计算方法：
一种以每秒能执行指令的条数为标准；另一种则是具体指明执行整数四则运算指令和浮点四则运算指令所需要的时间。
Ø内存容量：
指计算机系统所配置的内存共可存放多少字节，它反映了计算机的记忆能力和处理信息的能力。
一般计算机内存容量是指RAM，不包括ROM。
ØCPU主频：
也叫工作频率，是CPU内核电路的实际运行频率。
主频的高低在很大程度上决定了CPU的运算速度。
主频越高，则一个时钟周期里完成的指令数越多，CPU的运算速度也就越快。
ØCPU外频：
即CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率，即系统总线、CPU及周边设备传输数据的频率。
Ø指令系统功能：
它的强弱在很大程度上决定了CPU处理数据的能力。
Ø外部设备的配置：
是衡量一台计算机综合性能的重要技术指标。
Ø软件的配置：
很多任务是通过软件应用来完成的。
小结：
自1946年第一台计算机ENIAC诞生以来，随着计算机所采用的电子元器件的演变，电子计算机的发展已经历了4个阶段：
电子管计算机，晶体管计算机，集成电路计算机，大规模和超大规模集成电路计算机。
美国电气和电子工程师协会（IEEE）于1989年11月把计算机分为巨型机、小巨型机、大型主机、小型机、工作站和个人计算机等6类。
由于计算机具有运算速度快、精度高、具有逻辑判断能力、超强的记忆能力、自动控制能力和网络功能，所以它在科学计算、数据处理、过程控制、企业管理、电子商务、数据库应用、人工智能、文化教育、计算机模拟、计算机辅助系统、信息高速公路和娱乐等领域得到了广泛应用。
完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂，两者相结合才能充分发挥计算机系统的功能。
硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件构成。
第1章计算机应用基础知识概述
第2讲计算机应用基础知识概述
（二）
教学目标及基本要求：
1、掌握计算机软件系统的构成，软件的概念、特点及分类
2、了解指令、语言、程序的概念。
3、掌握计算机的基本工作原理。
教学重点：
软件的概念、特点，存储程序原理。
教学难点：
存储程序原理。
教学内容：
1、系统软件、应用软件
2、程序设计语言、计算机的指令、计算机的程序
3、计算机的工作原理、计算机的基本工作过程
教学时间：
1学时
主要内容：
1.3.3计算机软件系统的构成
软件：
在硬件设备上运行的各种程序以及有关资料，主要由程序和文档两部分组成。
1．系统软件
指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软件。
它是为整个计算机系统所配置的、不依赖于特定应用领域的通用性软件。
它扩大了计算机的功能，提高了计算机的工作效率。
系统软件是不可少，一般由生产厂家或专门的软件开发公司研发，其他程序都在它的支持下编写和运行。
系统软件主要包括操作系统和实用系统软件。
（1）操作系统
概念：
操作系统（OperatingSystem，OS）是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。
它控制和管理计算机系统内各种软、硬件资源，合理有效地组织计算机系统的工作。
DOS、Unix、Windows（95、98，2000、xp等）
（2）实用系统软件
语言处理程序
概念：
将非机器语言的程序通过解释或翻译成及其相对应的机器指令后，使其被计算机执行。
要点：
计算机只能直接识别和执行机器语言程序。
非机器语言的程序必须通过解释或翻译成及其相对应的机器指令后，才能被计算机执行
一般将用高级语言或汇编语言编写的程序称为源程序，而将已翻译成机器语言的程序称
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