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计算机基础知识第一章正文
第1章计算机基础知识
计算机作为20世纪人类最伟大的科技发明之一，其产生的历史虽然只有短短的几十年时间，但计算机已经被广泛应用到人类社会生产生活的各个领域，成了人们工作、生产和学习必备的重要工具。
学习计算机基础知识，掌握计算机操作与应用技能是现代人们必备的基本素养。
本章介绍了计算机的产生、发展与应用情况，简要分析了计算机的工作原理，说明了计算机内是如何表示各种信息的，重点介绍了计算机系统的组成等。
该章要掌握的主要知识和技能有：
（1）了解计算机的产生、发展与应用情况
（2）理解计算机系统的工作原理
（3）理解计算机内各种信息的表示方式
（4）掌握计算机硬件系统的组成
（5）掌握软件的概念与软件系统的分类方法
1.1计算机概述
现在大家学习、生活与工作都离不开计算机，我们从中学甚至小学就开始学习与使用计算机，那么关于计算机你了解与掌握了哪些知识呢？
能不能说出什么是计算机？
计算机是如何产生与发展的？
计算机有哪些种类？
计算机具体应用在哪些方面等问题呢？
1.1.1电子计算机的概念
电子计算机简称为计算机或电脑，是由人们设计、制造的一种电子设备，它可以快速、精确、自动地完成计算与信息处理工作。
计算机在诞生的初期主要用来完成科学计算工作，因此被人们称为“计算机”，即用来进行计算的机器，当然现在计算机的应用已经远远超出了科学计算的范畴，它可以对数字、文字、声音、图形和图像等各种形式的数据进行处理。
实际上，计算机只所以能高速、自动的进行工作，是因为人们事先编写好了它的工作程序，并将其存储在计算机内，在用户发出工作命令后它就会按照事先存储的程序来一步步的工作，只不过与人类相比，它的工作速度非常快。
1.1.2计算机的产生与发展
1.计算机的诞生
人类社会在认识自然和改造自然的过程中，发明了各种计算工具。
如在人类社会的早期，人们使用绳结、石子等进行简单的计数，随着生产力的不断提高，人们遇到的各种计算问题也越来越复杂，于是开始设计、制造计算工具，如我国唐末出现的算盘，欧洲人在一百多年前发明的手摇计算机等，这些计算机工具在一定的历史条件下，对人类社会的发展都是起到了一定的促进作用，甚至算盘一直沿用至今。
但是可能让大家意想不到的是现代电子计算机的产生，竟然与人类的战争有着密切的相关。
在20世纪40年代初，正处于二次世界大战中的美国，为了尽快在战争中取得胜利，加紧研制导弹、火箭等各种先进的武器，但在研制这些武器的过程中遇到了大量极为复杂的数学计算问题，于是美国军方出资，并在军方的主导下开始了现代电子计算机的研制工作，经过科研人员的努力，1946年2月世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学研制成功，取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分器与计算器），主要用于飞行中弹道轨迹的计算等问题。
ENIAC的诞生具有里程碑意义，它标志着人类从此有了真正意义上的电子计算机。
ENIAC电子计算机在当时的设计条件下共使用了18000多个真空管，1500多个继电器以及大量的其他元器件，重达30吨，占地达170余平方米，是个地地道道的庞然大物。
如图1是工作人员使用ENIAC时的情景。
图1-1第一台计算机ENIAC
尽管ENICA每秒只能完成5000次的加法运算，且ENIAC有许多缺点，如耗电量大、稳定性差、操作不便等，但它的产生具有划时代的意义，它为电子计算机的发展奠定了基础，更标志着人类社会电子计算机时代的到来。
2.计算机的发展
从1946年第一台计算机ENIAC诞生到现在，电子计算机的发展根据其起决定作用的电子元器件的变化可以分为四代。
（1）第一代电子管计算机（1946年～1958年）。
其特征是采用电子管作为计算机的基本逻辑元件，由于受当时电子技术的限制，计算机的运算速度只有每秒几千次到几万次基本运算，且内存容量小，仅为几千个字节，用机器语言和汇编语言进行程序设计。
受当时电子技术的限制，第一代计算机体积大，耗电多，速度低，造价高，使用不便，主要局限于一些军事和科研部门进行科学计算，其代表机型有IBM650（小型机）、IBM709（大型机）等。
（2）第二代晶体管计算机（1959年～1964年）。
其特征是晶体管代替了第一代计算机中的电子管，运算速度提高到每秒数万次或数十万次基本运算，内存容量扩大到几十万个字节。
同时计算机软件技术也有了较大的发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言，大大方便了计算机的使用，这一时期，除了科学计算外，计算机还用于数据处理和工业生产过程控制等，与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，成本低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高。
其代表机型有IBM7094、CDC7600等。
（3）第三代集成电路计算机（1965年～1970年）。
其特征是用集成电路（IntergratedCircuit，IC）代替了分立元件。
集成电路是在几平方毫米的基片，集中了几十个或上百个电子元件组成的逻辑电路。
由于第三代计算机使用小规模集成电路和中规模集成电路作为其基本电子元件，并开始采用性能更好的半导体存储器，其运算速度提高到每秒几十万次到几百万次基本运算。
计算机的体积更小，寿命更长，可靠性大大提高，且计算机功耗和价格进一步下降。
同时计算机软件技术进一步发展，出现了结构化、模块化程序设计方法，操作系统功能逐步趋向成熟。
其代表机型是IBM公司研制的IBM-360计算机系列。
（4）第四代大规模和超大规模集成电路计算机（1972年至今）。
其特征是用每个芯片上集成了几千个、上万个或上百万个电子元件的大规模集成电路（LargeScaleIntergratedCircuit，LSI）或超大规模集成电路（VeryLargeIntergratedCircuit，VLSI）作为计算机的主要逻辑元件，使用集成度很高的半导体存储器，计算机的运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算。
在软件方面，出现了数据库管理系统、分布式操作系统等软件。
在第四代计算机中，对人类社会影响最大的是微型计算机的产生和计算机网络的应用。
3.计算机发展的趋势
计算机自从产生以来，就不断地向前发展与变化着，并且已经成了目前人类社会发展变化最快的领域。
英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
换言之，你花相同的价格，在18以后所能买到的电脑性能大约是目前电脑性能的两倍以上。
有人也将此规律称为“摩尔定律”，这一定律揭示了信息技术进步的速度。
这也告诉我们在购买电脑产品时，应以“适用、够用”为原则，不能盲目地追求其先进性。
目前人们普遍认为，处于快速发展中的计算机行业，将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化、智能化与多媒体化的方向发展。
（1）巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。
巨型化计算机主要应用于天文、气象、地质、航天、核反应等一些尖端科学技术领域，巨型计算机的研制已经成为反映一个国家科研水平的重要标志。
目前已经投入使用的巨型计算机其运算速度可达每秒上千万亿次。
（2）微型化是指体积更小、价格更低、功能更强的微型计算机。
微机化计算机可以嵌入仪器、仪表、家用电器、导弹弹头等各类设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。
如智能手机包含电脑的所有组成部分，其实就是一台“微型”化的电脑。
（3）网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照通信双方事先约定的通信方式（即网络协议）相互通信，以达到共享软件、硬件和数据资源的目的。
现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到了广泛的应用。
尤其是在目前的信息化社会，没有接入网络的计算机被人们称为“信息孤岛”，其应用也将受到很大的限制。
（4）智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，可以“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力，这也是第五代计算机要实现的目标。
智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。
机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，或根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
目前研制出的机器人可以代替人从事一些人们不愿或无法完成的劳动，如让机器人从事工业流水线工作、清理有毒废弃物、太空探索、石油钻探、深海探索、矿石开采、搜救与爆破等，甚至现在还有专门用于战争的机器人。
（5）多媒体化是指利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息进行综合处理，使这些信息之间建立有机的逻辑关系，使电脑具有交互展示不同媒体形态的能力。
多媒体技术的发展改变了计算机的使用领域，使计算机由办公室、实验室中的专用工具变成了信息社会的普通工具，广泛应用于工业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域。
1.1.3计算机的分类
自从第一台计算机产生以来，人们设计制造了种类繁多、用途各异的计算机系统，因此可以从不同的角度对计算机进行分类。
如按计算机工作原理分类，也可分为数字式电子计算机、模拟式电子计算机和混合式电子计算机。
按照计算机用途分类，可分为通用计算机和专用计算机。
目前国内外惯用的分类方法是按计算机的规模和运算速度将其分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机六种。
1.巨型机
巨型机（supercomputer）也称为超级计算机，通常是指价格最高、功能最强、运算速度最快的计算机。
巨型机主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务，如核武器与反导武器的设计、空间技术研究、中长期天气预报、石油勘探、生命科学探索、汽车设计等领域。
巨型机的研制是一个国家科技水平和经济实力的重要标志，目前全世界只有少数几个国家能够产生这种计算机。
我国在巨型机的研究方面走在了世界前列，如2010年9月研制成功的“天河一号”，成为我国首台千万亿次超级计算机，并且在当年的最新全球超级计算机前500强排行榜上雄居第一。
在2011年6月公布的最新全球超级计算机前500强排行榜中，我国的超级计算机系统已达62个，使我国超级计算机系统无论是总数还是累计峰值运算能力都超过了德、日、法等传统的超级计算机大国。
图1-2我国自主研发的“天河一号”巨型计算机
2.小巨型机
小巨型机（minisupercomputer）又称桌上型超级电脑，出现于20世纪80年代中期，它将巨型机缩小成个人机的大小，使个人机具有略低于巨型机的性能，而价格只有巨型机的1/10，以满足一些用户的需求。
3.大型主机
大型主机（mainframecomputer）也称为大型电脑，它包括国内常说的大、中型机，这类计算机的特点是具有极强的综合处理能力和非常好的通用性。
大型主机主要应用在政府部门、大银行、大公司、大企业、高校和研究院等。
随着微机与网络的迅速发展，大型主机有被高档微机群取代的趋势。
4.小型机
小型机（minicomputer）的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。
小型机己广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。
5.工作站
工作站（worksatation）是介于小型机与个人计算机之间的一种机型，它与高档微机之间的界限并不十分明确，高性能工作站正接近小型机、甚至接近低端主机。
与一般微机不同的是工作站使用大屏幕、高分辨率的显示器，且配有大容量的内存与外部存储设备。
工作站主要用于计算机辅助设计、图像处理（如电脑动画片的制作等）。
如在电影《阿凡达》中有60%的画面是用电脑图形学的相关技术来合成的。
6.微型计算机
微型计算机包括个人计算机、便携式计算机和单片计算机，如图1-3所示。
其中个人计算机（personalcomputer）就是我们常说的PC机，因其设计先进、软件丰富、功能齐全、操作简单、价格便宜等优势而得到了广泛应用。
特别是进入21世纪后，PC机就像普通家用电器一样，已经进入了普通百姓家庭，成为人们日常工作、学习和娱乐的工具。
便携计算机主要包括笔记本电脑和掌上电脑，它们广泛应用于野外作业和移动办公等领域。
单片机将计算机的主要部件微处理器、存储器、输入和输出接口等电路集中在一个只有几平方厘米的硅片上，构成一个能独立工作的计算机，它广泛应用于仪器仪表、家用电器、工业控制和通信等领域，是数量最多、应用最广的一种计算机。
微型计算机的发展速度也符合所谓“摩尔定律”，每几个月之内就有新产品发布，每1到2年产品就更新换代一次，不到两年的时间芯片集成度就提高一倍，性能提高一倍，价格降低一半。
（a）台式计算机（b）笔记本电脑（c）掌上电脑（d）单片机
图1-3各种微型计算机
1.1.4计算机的应用
计算机是20世纪人类最伟大的发明之一，它对人类社会科学技术的发展产生了巨大的影响，极大的增强了人类社会认识世界和改造世界的能力。
计算机具有高速运算、逻辑判断、大容量存储和快速存取等特点，这决定了它在现代社会的各种领域都成为越来越重要的工具。
目前计算机的应用可以用“无处不在，无时不有”来概括，它被广泛应用于教育、科研、工业、商业、农业、军事、娱乐等领域。
其按应用的学科领域，大概可分为五大类，即：
1.科学计算
科学计算是计算机最早的应用领域。
从尖端科学到基础科学，从大型工程到一般工程，都离不开数值计算。
如宇宙探测、气象预报、桥梁设计、飞机制造等都会遇到大量的数值计算问题，这些问题计算量大、计算过程复杂。
如数学中“四色定理”的证明，就是利用IBM370系列的高端机计算了1200多个小时才获得证明的，如果人工计算，日夜不停地工作，也要十几万年；气象预报有了计算机，预报准确率大为提高，并且可以进行中长期的天气预报；利用计算机进行化工模拟计算，加快了化工工艺流程从实验室到工业生产的转换过程。
2.数据处理
数据处理是目前计算机应用最为广泛的领域。
数据处理包括数据采集、转换、存储、分类、组织、运算、检索等方面。
如在人口统计、档案管理、银行业务、情报检索、企业管理、办公自动化、交通调度、市场预测等都有大量的数据处理工作。
3.自动控制
计算机是工业生产过程自动化控制的基本技术工具。
生产自动化程度越高，对数据处理的速度和准确度的要求也就越高，这一任务靠人工操作已无法完成，只有计算机才能胜任。
如在石油化工厂中温度、压力、物位、流量等的控制。
4.辅助工程
计算机辅助工程主要包括计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（ComputerAidedMade，CAM）和计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，CAI）等。
计算机辅助设计是利用计算机的高速处理、大容量存储和图形处理功能，辅助设计人员进行产品设计。
可以设计出产品的制造图纸，甚至可以进行产品三维动画设计，使设计人员从不同的侧面观察了解设计的效果，对设计进行评估，以求取得最佳效果，大大提高了设计效率和质量。
计算机辅助制造是在机器制造业中利用计算机控制各种机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程的技术。
计算机辅助教学是通过学生与计算机系统之间的“对话”，以达到教学的目的，“对话”是在计算机教学程序和学生之间进行的，它使教学内容生动、形象逼真，能够模拟其它手段难以做到的动作和场景。
通过交互方式帮助学生自学、自测等，这种学习方式方便灵活，可满足不同层次人员对教学的不同的要求。
5.人工智能
人工智能（Artificalinteligence，AI）是用计算机模拟人类的智能活动，完成判断、理解、学习、图象识别、问题求解等工作。
它是计算机应用的一个崭新领域，是计算机向智能化方向发展的趋势。
现在，人工智能的研究已取得不少成果，有的已开始走向实用阶段。
例如能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。
1.2计算机系统及其工作原理
在使用计算机时我们知道编辑文稿要用办公软件、娱乐要用游戏软件等，那么一台可以工作的计算机究竟由哪些部分组成？
它又是如何工作的呢？
1.2.1计算机系统
我们通常所说的系统是一个有机的整体，这个整体由若干个相互作用、相互联系的部分组成，只有这些组成部分相互配合、相互协调才能完成一项工作。
一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图1-4所示。
硬件系统是计算机的物质基础，软件系统是计算机发挥功能的保证。
计算机要完成一项工作，既需要必备的计算机硬件设备作为基础，也需要完成相应功能的软件环境做支撑，这两项缺一不可。
就像人一样，硬件是人的身躯，只有有了思想与知识才能工作。
1.2.2计算机的基本结构与工作原理
1.计算机的基本结构
计算机可以对各种数据进行处理与运算，在工作时先要将数据送入计算机内，然后计算机对数据进行处理，处理的结果可以在输出设备上显示（如显示器），也可以存入存储器中。
这就像人处理一件事情时，先要“看或听”，然后要用大脑“思考”，最后将结果“说或写”，这里的“看或听”就是输入，“思考”就是处理，“说或写”就是输出，当然在这个过程中所有信息都可以“记忆”在人有大脑中，这相当于信息存储。
根据以描述，可以将计算机的工作过程可以描述为：
●输入（Input）：
使用输入设备（如键盘）将数据输入计算机内。
●处理（Processing）：
对数据进行处理或运算。
●输出（Output）：
在输出设备上显示处理结果。
●存储（Storage）：
将处理结果保存供需要时使用。
计算机在工作时用户通过键盘或鼠标等输入数据，输入的数据一般保存在存储器中，计算机在接收到用户发出的相关命令后，在控制机构的控制下，由运算机构对数据进行运算或处理，处理结果在显示器上或打印机上输出，根据需要也可以将结果保存在存储设备中。
因此，从计算机的工作原理角度出发，计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
（1）运算器
运算器也称为算术逻辑单元（ALU，ArithmeticLogicUnit），它是计算机内部完成各种算术运算和逻辑运算的装置，能作加、减、乘、除等数学运算，也能作比较、判断和逻辑运算等。
（2）控制器
控制器指挥和控制计算机各个部件的动作，使整个计算机自动地、有条不紊地工作，它是计算机的指挥中心，即完成协调和指挥整个计算机系统的功能。
控制器决定执行程序的顺序，给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令。
现代电子计算机将运算器与控制器集中在一块芯片上，称为中央处理器，简称为CPU（CentralProcessingUnit），它是计算机的核心部件，用来控制、协调计算机各个部件的工作，并完成算术运算和逻辑判断。
CPU对一台计算机的性能有很大的影响，是衡量一台计算机性能的重要指标。
（3）存储器
存储器是计算机中有“记忆”功能的部件，用来存放程序与数据。
存储器分为叫做内部存储器和外部存储器两种，内部存储器简称为内存或主存，外部存储器简称为外存或辅存。
内存储器采用半导体器件来存储信息，计算机在运行时要执行的程序和数据必须存放在内存。
（4）输入设备
计算机外部的各种信息（如数据、文字、符号、声音、图像等）只有送入到计算机内，才可以被计算机存储与处理，将外部信息变换成计算机能接收并识别的信息形式并送入计算机内部的这种设备叫做输入设备（inputdevice），它是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。
常用的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、扫描器、手写输入板、语音输入装置以及各种传感器等。
（5）输出设备
计算机的输出设备（outputdevice）是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。
常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
2.计算机的工作原理
计算机在工作时，以上五个部件按要求特定的功能，如图1-4所示。
图中实线部分是数据流或程序流，虚线部分代表控制流。
●数据流中的内容主要是一些原始数据、运算的中间结果和最终结果等，这些数据从输入设备送到存储器，运算器将存储器中的数据取出进行各种操作运算，计算结果存入存储器，存储器中的数据在需要时可以送到输出设备。
●控制流是控制器对从存储器中读取的程序进行分析、解释后向各个部件发出的控制命令，用来指挥各部件协调地工作。
图1-5计算机的基本结构及工作原理图
虽然计算机在种类、运算速度和价格等方面千差万别，但各种计算机的结构与工作原理都是类似的，即：
（1）采用二进制形式表示数据与操作命令；
（2）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；
（3）预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存储器中，每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，操作结果送到什么地址去等步骤，然后计算机在工作时才能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行，这就是所谓“存储程序和程序控制”的原理。
由于这一思想的主要内容是由美藉匈牙利科学家冯·诺依曼（JohnvonNeumann）于1946年提出的，它奠定了现代数字计算机的基本设计思想，因此这一结构又称冯·诺依曼结构。
1.3计算机硬件系统
我们日常工作、学习使用最多的个人计算机即PC机（用户一般更喜欢将其称为电脑）也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
本节从个人计算机的角度来介绍一下计算机硬件系统的组成。
1.3.1个人计算机硬件系统概述
什么是硬件？
硬件是计算机系统中能看得见，占有一定体积的物理设备的总称，它是计算机系统快速、可靠、自动工作的物质基础，是计算机系统中的执行部件。
硬件通常由一些电子器件和机械设备组成。
组成一台计算机的所有硬件设备统称为计算机系统。
从外观看个人计算机硬件系统主要由主机、显示器、键盘和鼠标等组成，多媒体电脑还配有摄像头、话筒、音响等设备等，另外办公用电脑还常配有打印机和扫描仪等设备。
其中主机箱里装着电脑的大部分重要硬件设备，如主板、CPU、内存、硬盘、光驱、各种板卡，电源及各种连线等。
1.3.2主机
在一台计算机的硬件系统中，最重要的是CPU和内存，一般将其称为主机。
在个人计算机中一般将CPU和内存安装在主机板上。
1.主板
主板又叫主机板（mainboard）、系统板（systemboard）或母板（motherboard），它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。
主板从外形上来说其实就是一块电路板，上面集成了各式各样的电子零件并布满了大量的电子线路，如图1-6所示。
PCI扩展槽
南桥芯片
北桥芯片
输入/输出接口
图1-6计算机的结构及工作原理图
主板是整个计算机内部结构的基础，无论是CPU、内存、显卡还是鼠标、键盘、声卡、网卡都是靠主板来协调工作的。
因此，主板的好坏，将直接影响计算机性能的发挥。
主板上除了CPU插座和内存插槽外，最重要的插槽就是用来扩展或增加计算机功能的PCI扩展槽。
PCI扩展槽是一种标准扩展槽，其上可以插声卡、网卡、多功能卡等。
扩展槽是主板的必备插槽，主板上一般有3个扩展槽，为了便于标识在绝大部分主板上将其做成了乳白色的。
另外，主板上还有一些输入/输出（I/O）接口，主要连接一些输入与输出设备，如键盘、鼠标等。
要说明的是，一般基于Intel处理器的个人电脑主板上有两个非常重要的芯片，分别称为南桥芯片和北桥芯片，南桥和北桥合称为芯片组。
北桥芯片主要用来处理
升级会员 