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计算机基础知识及资料
第一章信息社会与计算机
§1.1信息科学与信息社会
（一）教学目的：
了解计算机的发展简史；了解计算机的输入输出等硬件系统；了解系统软件与应用软件；了解信息的标识与存储方式；了解多媒体计算机的组成
（二）教学内容：
信息及其主要特点；信息科学的几位理论奠基者与图灵奖；信息科学及其发展；信息技术与计算机科学；信息处理工具的演变；信息化社会的特征；信息产业与人才培养；我国信息化的发展历程；走有中国特色的信息化道路信
基本要求：
了解信息科学和社会的发展简史和计算机的发展简史和组成．
（三）教学建议：
1.1.1信息及其主要特点
1）信息的定义
信息的来源：
Information
信息的定义：
一般意义:
信息可理解为消息、情报、见闻、通知、报告、知识、事实、赋予某种意义的数据。
广义上:
信息是人类一切生存活动和自然经济在所传达的信号和消息，是人类社会所创造的全部知识的总和。
基于不同的研究目的和不同的角度,信息的理解不同。
从计算机科学的角度研究，信息包含两个基本意义：
①经过计算机技术处理的资料和数据（文字、声音、影像和图形）。
②经过科学收集、存储、分类、检测等处理后的信息产品集合。
1对信息的几点认识：
①信息是用数据做为载体来描述和表示的客观现象
②信息可以用数值、文字、声音、图形、影像等多种形式表现
③信息对数据加工处理提炼的结果。
是对人类有用的知识
④信息是具有含义的符号或消息，数据是计算机内信息的载体
1信息和数据存在区别
数据是原始的、广义的、可鉴别的抽象符号，用来描述事物的属性、状态、程度、方式等。
数据符号单独表示是没有意义的，只有放如特定场合进行解释和加工才有意义并升华为信息。
2）信息的主要特征
①信息具有不灭性。
②信息具有可采集性和可存储性
③信息具有可传递性和可共享性
④信息具有可加工处理性
1.1.2信息科学的几位理论奠基者与图灵奖
1）信息论的创始人——香农
史劳德埃尔伍德香农（ClaudeElwoodShannon，1916-2001）是美国数学家，信息论的创始人，1940年获麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位，1941年进入贝尔实验室数学部工作。
1938年他首次使用“比特”概念；1948年发表《通信的数学理论》，提出负熵概念；1949年发表《噪声中的通信》，从而奠定了信息论的基础，同年发表《保密系统的通信理论》，使他成为密码学的先驱。
1956年他与J.麦卡锡合编《自动机研究》（论文集），是自动机理论方面的重要文献。
他曾获电气和电子工程师学会（IEEE）的诺贝尔奖等多项世界性科学大奖，于1956年当选美国科学院院士，并是多个学会的资深会员。
2）计算机科学的奠基人—图灵
艾伦图灵（A.M.Turing，1912—1954）是英国数学家，计算机科学的创始人。
1936年因发表的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》而获得史密斯奖。
该文提出了一种描述计算过程的数学模型，即著名的理论计算机抽象模型，可以把推理化作一些简单的机械动作，后来人们把这个模型称之为图灵机。
图灵机的分类：
非确定型图灵机和确定型图灵机
图灵机的组成：
一条可无限伸延的带子
一个有限状态控制器
一个读写磁头
图灵机工作情况的决定因素：
①机器的内部状态
②读写磁头扫描在磁带的哪个方格上
③读写磁头扫描着的方格上有什么信息
图灵机如何工作：
（如图1-3）
1950年图灵发表《计算机和智能》论文,它阐明了计算机可以有智能的思想。
图灵测试：
一个人提出一个问题，分别由其他人和机器来回答；如果辨别不出回答者是人类还是机器，则认为这部机器有智能。
图灵奖：
是计算机科学界的第一个奖项
3）存储程序式计算机之父—冯诺依曼
冯诺依曼（JohnvonNeuman，1903—1957）是匈牙利的美籍数学家，存储程序式计算机的创始人。
1946年提出了更加完善的计算机设计报告《电子计算机逻辑设计初探》，并开始研制存储程序式的计算机EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticCalclator）该机在宾夕法尼亚大学的莫尔学院研制成功。
存储程序式的计算机EDVAC的最大优点：
①把计算机要执行的指令和要处理的数据都用二进制表示；
②把指令和数据均按顺序变成程序存储到计算机内部让它自动执行。
EDVAC解决的问题：
内部存储和自动执行。
EDVAC是第一台使用二进制数、能存储程序的计算机。
计算机的工作模式：
存储程序，顺序控制
计算机由五部分组成：
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
存储程序式计算机又叫冯诺依曼计算机。
4）计算机科学界的诺贝尔奖---图灵奖
DouglasEngelbart，1952年生，美国俄勒冈州人，1964年发明鼠标器，他推出的另一核心技术是OHS（开放的超文档系统）。
姚期智，1946年生，中国台湾人，他对计算机科学的主要贡献是计算理论。
是第一次授予的华裔学者。
1.1.3信息科学及其发展
经典信息论的开始：
1948年香农的《通信的数学原理》
狭义信息论：
是指经典信息论，它是以数学方法研究通信技术中关于信息的传输和变换规律。
一般信息论：
主要研究仍是通信问题，但侧重如何使接收端获得可靠信息，增加噪声理论和信号滤波检测等内容。
广义信息论：
由科学的交叉发展而逐渐形成，超出了通信技术范畴来研究信息问题。
研究对象是各学科领域中的信息。
信息不同于物质，也不同于能量，但又与物质和能量密切联系并相互作用。
三个大型的信息科学交叉研究报告：
1）美国普林斯顿大学马克鲁普1983年著《信息研究：
学科之间的讯息》
2）德国科特布斯技术大学肯沃奇1994年著《信息：
多学科概念中的问题》
3）奥地利维也纳科技大学霍夫克奇纳1999年著《探寻统一信息理论》
这些报告均指出，信息科学中的信息范围不应该局限于某些特定领域而应该是多元化的，只有统一的信息科学才是真正的信息科学。
信息科学研究的内容有：
哲学信息论、基本信息论、识别信息论、通信理论、智能理论、决策理论、控制理论、系统理论
信息科学的出发点和最终归宿：
扩展人类的信息器官功能，提高人类对信息的接收和处理能力，实质上就是扩展和增强人们认识世界和该改造世界的能力。
1.1.4信息技术与计算机科学
1）信息技术
信息技术:
是人类开发和利用信息的方法和手段,既包括信息的产生、收集、存储、表示、检测和处理方面的技术，也包括信息的变换、传递、提取、显示、识别、控制和利用等方面的技术。
信息技术包括的内容：
计算机技术、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等。
现代信息技术包括如下四类技术：
①电子信息技术
②量子信息技术
③激光信息技术
④生物信息技术
主要信息技术和产品范围包括：
①多媒体技术
②数据存储和处理技术
③传输技术
信息技术的核心技术是计算机技术、微电子技术和现代通信技术。
2）计算科学
随着计算技术已成为促进世界各国经济增长的主要因素之一，计算领域也成为最活跃的领域。
计算科学的定义：
计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。
计算学科的根本问题是“能行性”问题：
即什么能被有效地自动进行。
能行性决定了计算机本身的结构和它处理的对象都是离散型的，许多连续型的问题也必须在转化成为离散型问题之后才能计算机所处理。
计算学科极其重要的数学基础是：
离散数学。
计算机科学研究的领域有：
计算机系统结构，程序设计科学与方法论，软件工程基础理论，人工智能与知识处理，网络、数据库及各种计算机辅助技术，理论计算机科学，计算机科学史等。
现代计算机科学与技术学科可分为：
①应用层：
主要包括计算机应用的各个应用方向
②专业基础层：
为应用层提供技术与环境
③基础层：
主要包括计算的数学理论、逻辑理论等
1.1.5信息处理工具的演变
20世纪90年代以国际互联网为代表的网络技术，最大限度实现了全球众多微型计算机资源的共享。
爱达是世界上第一位程序员，其主要贡献是指出分析机可以编程，发现了编程的基本要素循环和子程序，建议分析机用二进制存储。
1.1.6信息化社会的特征
信息高速公路：
是指建立一个能提供超量信息的、由通信网络和多媒体联机数据库以及网络计算机组成的一体化高速网络，向人们提供快速的图文声像信息传输服务，并实现信息资源的高度共享。
信息化社会的特征：
①在经济领域方面
②在社会、文化、生活方面
③在社会观念方面
信息化社会的主要特点：
①~⑨
1.1.7信息产业与人才培养
1）信息产业及其特点
信息产业的定义
信息产业结构划分
信息产业的特点:
①信息产业是战略性先导产业
②科技创新含量高
③知识含量高
④高投入、高风险、高回报
⑤高渗透性和高带动性
2）信息产业对人才的需求与培养
信息技术人才的合理结构：
金字塔状
图1-5金字塔状信息技术人才结构
信息素养的九大标准：
①能够有效地、高效地获取信息
②能够熟练地、批判性地评价信息
③能够精确地、创造性地使用信息
④独立学习，并能探求与个人兴趣有关的信息
⑤独立学习，并能欣赏作品和其他对信息进行创造性表达的内容
⑥独立学习，并能力争在信息查询和知识创新中做到最好
⑦对社会有积极贡献，并能认识信息对民主化社会的重要性
⑧对社会有积极贡献，并能实行与信息和信息技术相关的符合伦
理道德的行为
⑨对社会有积极贡献，并能积极参与小组的活动探求和创建信息
1.1.8我国信息化的发展历程
1）我国计算机技术的发展
华罗庚教授是我国计算机技术发展的重要奠基人和第一台电子计算机的创始人之一。
1958年：
第一台电子管计算机103机
1965年到1966年间：
109乙机、411B机、108机和X-2机、121机和112机的研制成功标志
着我国进入晶体管计算机时代。
1974年：
DJS-130机是采用小规模集成电路制造的
1979年：
DJS-140机是采用中规模集成电路制造的
1982年：
DJS-150机是采用大、中规模集成电路制造的16位机
1983年：
757大型向量机以及其后的KJ8290大型机
1983年：
银河Ⅰ号，每秒亿次
1992年：
银河Ⅱ号，每秒10亿次
1996年：
银河Ⅲ号，每秒百亿次
1995年：
大规模并行计算机曙光1000
中国网上第一人：
钱天白于1987年9月20日向联邦德国卡尔斯鲁厄大学发出了第一封“越过长城，走向世界”的电子邮件。
2）IT业成为支柱产业
“三金工程”：
金桥工程、金关工程、金卡工程
互联网经历的三个阶段：
接入为王、内容为王、应用为王
2002年9月中国科学院宣布“龙芯1号”研制成功，这是我国拥有自主知识产权的第一款商品化通用性能高的CPU芯片，它标志着我国已打破国外垄断，初步掌握CPU的关键技术，结束信息产业“无芯”历史。
2002年12月推出“方舟2号”32位嵌入式微处理器，达到目前国际最先进水平。
3）软件业的发展状况
我国软件发展的优势:
①通信和计算机产业基础较好
②软件技术和产品研发能力比较好,有大量的软件产品尚未市场化和产业化。
3国内软件市场相当广阔,外商进入尚有一定的语言障碍,中文软件市场方
面有得天独厚的优势。
4国家十分重视软件产业的发展,政策和环境适宜软件产业发展和各类人才创业。
新型软件企业运作模式：
①以市场导向走国际合作之路；
②以联合为纽带建立软件出口队伍，形成一个利益共享的软件合作联盟；
③以质量为中心建立国际标准的质量管理体系，普及和推广CMM技术规范和标准，
尽快取得国际软件市场的通行证；
④发展嵌入式系统和嵌入式软件，开拓国内外市场；
⑤建立国家软件人才培养体系，把软件人才结构由橄榄形改造为金字塔形。
1.1.9走有中国特色的信息化道路
1）我国信息化建设的方针
国家信息化的定义：
就是在国家统一规划和组织下，在农业、工业、科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代信息技术，深入开发、广泛利用信息资源,加速实现国家现代化的进程。
国家信息化定义的四层含义：
①实现四个现代化离不开信息化，信息化要服务于四个现代化；
②国家要统一规划＆统一组织信息化建设；
③各个领域要广泛应用现代化信息技术，深入开发利用信息资源；
④信息化是一个不断发展的过程。
国家信息化体系中包括七大要素：
信息资源、国家信息网络、信息技术应用、信息技术和产业、信息化人才、信息化政策和法规、信息化标准
国家信息化建设的24字指导方针：
统筹规划，国家主导；统一标准，联合建设；互联互通，资源共享。
国家信息产业部IT产业提出了面向新世纪的六大战略：
P18
2）鼓励应用,拉动内需,以国家意志推动软件产业发展
3）大力发展民营软件企业
4）建立企业信用信息系统
企业信用制度建立面临的一些困难
§1.2计算机与计算机系统
（一）教学目的：
了解计算机的发展简史；了解计算机的输入输出等硬件系统；了解系统软件与应用软件；了解信息的标识与存储方式；了解多媒体计算机的组成
（二）教学内容：
计算机的诞生及其发展；计算机的分类及特点；计算机系统的组成；计算机系统的应用
基本要求：
了解信息科学和社会的发展简史和计算机的发展简史和组成．
（三）教学建议：
1.2.1计算机的诞生及发展
1）计算机的诞生
世界上第一台数字计算机是于1946年2月在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生的，命名为“ENIAC”（电子数字积分器和计算机）。
2）计算机发展的几个阶段
第一代（1946—1958），电子管计算机时代
第二代（1958—1964），晶体管计算机时代
第三代（1965—1970），集成电路计算机时代
第四代（1970年以后），大规模集成电路计算机时代
计算机发展的四个阶段对比：
年代
起止年份
用电子元器件
数据处理方式
运算速度
应用领域
第一代
1946-1957
电子管
汇编语言、代码程序
5千-3万次/秒
国防及高科技
第二代
1958-1964
晶体管
高级程序设计语言
数十万-几百万次/秒
工程设计、数据处理
第三代
1965-1970
中、小规模集成电路
结构化、模块化程序设计、实时处理
数百万-几千万次/秒
工业控制、数据处理
第四代
1971-今
大规模、超大规模集成电路
分时、实时数据处理;计算机网络
上亿条指令/秒
工业、生活等各方面
1.2.2计算机的分类及特点
1）计算机的分类
按计算机的运算对象划分
Ø电子数字计算机
用不连续的数字量即“0”和“1”来表示信息，其基本运算部件是数字逻辑电路。
数字计算机的精度高、存储量大、通用性强，能胜任科学计算、信息处理、实时控制、智能模拟等方面的工作。
Ø电子模拟计算机
用连续变化的模拟量即电压来表示信息，其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。
模拟计算机解题速度极快，但精度不高、信息不易存储、通用性差。
Ø混合式电子计算机
数字模拟混和式电子计算机是综合了数字和模拟两种计算机的长处设计出来的。
它既能处理数字量，又能处理模拟量。
按计算机的规模和性能划分
①巨型机：
也称为超级计算机，是指目前价格最贵、功能最强、速度最快、容量最大的计算机。
运算速度已达到每秒万亿次。
②大型机：
也称主机，具有大型、通用、容量大和I/O通道多支持多道处理、批处理、分时处理和并行处理等特点。
运算速度已达到每秒数亿次。
主要用于银行、政府和社会管理机构。
③中型机:
规模和功能介于大型机和小型机之间。
④小型机：
规模较小、结构简单、成本低、可靠性强、易操作和维护。
⑤工作站：
也称高档的微机，具有较高的运算速度、良好的人机界面和较强的图形交互能力，主要应用工程领域中的计算机辅助设计（CAD）。
⑥微型机：
也称个人计算机或PC机，具有体积小、功耗低、价格低廉、功能全、操作方便等特点。
目前应用最广泛的一类计算机。
按计算机的用途划分
①通用计算机
通用计算机是为能解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。
②专用计算机
专用计算机是为解决某一个或一类特定问题而设计的计算机。
2）计算机的特点
✧运算速度快:
取决于所采用的电子器件
✧计算精度高:
取决于计算机的字长
✧存储容量大:
具有很强的记忆功能。
✧判断能力强:
具有很强的逻辑推理和判断能力。
✧工作自动化:
不需要人工干预
1.2.3计算机系统的组成
1）计算机的硬件系统
计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成。
Ø运算器：
是计算机中执行算术运算和逻辑运算的部件，它完成对各种信息进行加工处理工作。
由加法器、寄存器和移位线路组成。
运算速度是运算器最重要的性能指标。
Ø存储器：
计算机的记忆装置。
计算机的各种数据和信息，包括程序、数据、中间结果和最终结果等信息都存放在存储器中。
存储器有：
内存储器、外存储器和缓冲存储器之分。
内存储器是按存储单元组织的，每个存储单元都有一个编号称之为存储地址。
数据信息的存取是按地址逐单元进行的。
①内存存储器的分类：
RAM（随机存储器）：
也称主存，可以随机读、写，主要用来存放当前运行的程序和数据；当计算机断电时，信息丢失。
ROM（只读存储器）：
内容一般由厂家一次性写入，只能读不能写入，常用来保存一些固定的程序，如系统监控程序、检测程序等
②外存：
硬盘、软盘、优盘、光盘、磁带等，可以脱机保存信息。
容量大（海量存储器）、成本低、但速度较慢。
注意：
外存不能直接与CPU交换信息，当CPU需要使用外存的信息时，必须先将该部分信息调入内存，然后才能进行处理。
③缓冲存储器
主要用于内存储器和运算器之间和内存储器和外存储器之间的速度缓冲协调。
位：
计算机中程序和数据都用二进制表示，一个二进制位（Bit比特）只能是0、1，是计算机存储数据的最小单位。
字节：
规定一个字节（Byte）=八个位（Bit），是计算机处理数据的基本单位，以字节为单位解释信息。
一个字节可存放一个西文字符或符号，用两个字节存放一个汉字。
计算机的存储容量大小用字节度量。
常用单位：
B（字节）
1KB=1024（）B
1MB=1024（）KB兆字节
1GB=1024MB十亿（吉）字节
1TB=1024GB万亿（太）字节
Ø控制器：
是计算机的“神经中枢”，负责从内存储器中取出指令，确定指令类型，并对指令译码，向其他部件发出控制信号保证各部件协调工作。
从“P26图1-8微机各部分之间的联系”中可以看到控制器的地位（或作用）
Ø输入设备：
键盘、鼠标、数码相机、扫描仪、摄像头等。
Ø输出设备：
显示器、打印机、投影仪等。
Ø总线
在计算机中各组成部分之间的连接是靠总线结构实现的。
总线是一组用于传送信息的公共信号线。
所有的数据和指令信息、控制信息、地址信息都通过总线传送到有关的设备中。
①地址总线：
专门传送地址信息。
地址总线的位数决定了可以直接寻址的内存储器地址范围。
单向。
②数据总线：
用来传送数据信息。
数据总线的宽度决定着字长。
数据总线的宽度越宽，每次交换的数据位数越多，计算机的性能越高。
双向。
③控制总线：
传送控制器的各种控制信号。
总线标准结构类型：
ISA、PCI、AGP等
中央处理器CPU：
控制器和运算器的合称。
计算机的核心（心脏或大脑）。
•存储器：
内存和外存的合称。
•外设：
输入设备和输出设备的合称。
•主机=CPU+内存
2）微机软件系统
Ø软件的概念：
计算机软件：
由程序、数据及有关的文档所组成。
由系统软件和应用软件组成。
•系统软件：
（计算机本身运行所需的软件）是管理、监控和维护计算机资源的软件。
最典型的是操作系统，编程语言处理程序、测试程序工具软件、数据库管理软件等。
•应用软件：
用户自己或第三方软件公司开发的软件，能满足用户的特殊需要的专用软件。
如：
学籍管理系统、财务管理系统、图书管理系统、文字处理软件等。
程序：
计算机处理对象和处理规则的描述，是软件的表现形式。
必须装入计算机才能工作。
文档：
为便于了解程序所需的阐明性材料，是软件的质的部分，是给人看的，不一定要装入机器。
软件的三层含义：
•个体含义，是指计算机系统中的程序及其文档；
•整体含义，是指在特定计算机系统中所有上述个体含义下的软件总体；
•学科含义，是指在研究、开发、维护以及使用前述含义下的软件所涉及的理论、方法和技术所构成的学科。
Ø软件的发展
软件的发展受到应用和硬件发展的推动和制约：
经历了三个阶段
第一阶段：
1946-1956年这一阶段应用领域较窄，主要是科学计算，输入输出量不大，计算量较大，以数值数据的处理为主。
第二阶段：
1956-1968年（即高级语言出现以后到软件工程出现以前）。
随着应用领域由科学计算到科学计算与数据处理并存，涉及非数值数据（计算量小但输入输出量较大），机器结构转向以存储为中心，出现了大容量的存储器，外部设备发展迅速。
为了克服软件危机进行了三个方面的工作：
一是结构化程序设计方法研究，二是用工程方法开发软件研究，三是从理念上探讨程序正确性和软件可靠性问题。
编程与设计由个体工作方式逐步转向合作方式。
第三阶段：
1968以后，为了提高软件产品的可靠性并缩短研发周期，软件研发由个体或合作方式转向采用工程方法。
Ø软件的分类
①系统软件：
是最靠近硬件的一层，与具体的应用领域无关。
②支撑软件：
是支撑软件的开发和维护的软件，处于中间层。
支撑软件的组成：
环境数据库、各种接口和工具软件。
③应用软件：
是为特定应用领域开发的专用软件，处于最外层。
Ø软件的基本内容
1软件语言
软件语言用于书写软件，可分为，
需求级语言：
用于写软件需求定义
功能级语言：
用于软件功能描述，可以形式和非形式化。
设计级语言：
用于书写软件设计规范，一般是形式化的。
实现级语言：
用语书写算法
文档语言：
用语书写文档，一般是非形式化的。
2软件方法学
软件方法学是以软件为研究对象的学科，主要研究软件开发过程中的指导原则与方法体系。
3软件工程
软件工程是一门交叉性学科，它是应用计算机科学、数学和管理等科学的原理，以工程化的方法制作软件工程。
SE=（G，P，Q）
软件工程=（目标,原则,过程）
software=（gold,principle,q）
目标G:
正确性,可用性和价格适宜性
原则P:
易变性原则、综合性原则、支撑性原则和管理性原则
过程Q：
基本过程、支撑过程和组织过程
④软件系统
1.2.4计算机系统的应用
1）科学计算和数据处理
2）信息处理与管理
①计算机信息系统
②计算机辅助系统
③计算机控制与仿真系统
3）人工智能
4）电子商务、电子政务及其他应用
此外，计算机音乐、计算机美术、计算机游戏、数字化部队、数字农业、数字林业、数字校园、数字社区等无一不是计算机技术和以计算机
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