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计算机基础第一章计算机基础知识•1.1信息技术概述•1.2计算机概述•1.3计算机系统组成•1.4计算机硬件组成及性能指标•1.5数据在计算机中的表示•1.6多媒体技术•1.7信息安全与知识产权1.1信息技术概述数据是一组表示数量、行为和目标的非随机的可鉴别的符号。信息是描述客观事物运动状态及运动方式的数据，是按一定目的组织起来的，具有一定结构的数据集合。由此可见，数据是原料，信息是产品。•数据和信息是知识的源泉•智慧是指经过客观现实验证而得到充实的知识人类历史上的五次信息革命•第一次：语言的使用•第二次：文字的创造•第三次：印刷术的发明•第四次：电报、广播、电视的发明和普及应用•第五次：计算机与网络技术的应用信息技术（IT）：利用科学的原理、方法及先进的工具和手段，有效的开发和利用信息资源的技术体系。它包括微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术、大众传媒技术和传感技术。计算机（Computer）是一种能接收和存储信息，并按照存储在其内部的程序（这些程序是人们意志的体现）对输入的信息进行加工、处理，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。•计算机的实质是一种信息处理机。1.2计算机概述1.2计算机概述•1.2.1计算机发展概况社会的发展，复杂的计算促进了先进计算工具的出现，特别是战争的需要。–1.第一台计算机的诞生世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰·莫克利（JohnMauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（J-PresperEckert）领导的科研小组于1943年开始研制并于1946年完成，取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。5000次加法/秒体重30吨占地170m217468只电子管6000个继电器功率174KW第一台电子计算机（ENIAC）世界上第一台程序存储式计算EDSAC由英国剑桥大学的莫利斯·威尔克于1949年研制成功，它标志着计算机时代的真正开始。第一台程序存储式计算机冯.诺伊曼（VonNeumann）第一台程序存储计算机EDSAC1949–2.计算机的分代第一代（1946-1959）电子管5千-4万（次/秒）第二代（1960-1963）晶体管几十万-百万（次/秒）第三代（1964-1970）集成电路百万-几百万（次/秒）第四代（1971-至今）(超）大规模集成电路几百万-几亿（次/秒）第一代（1946~1959）电子管5千~4万（次/秒）第一代计算机的特点：采用电子管作为基本物理器件。体积大、能耗高、速度慢、容量小，应用也仅限于科学计算和军事目的。20世纪50年代，IBM704型采用电子管的第一代电子计算机。第二代（1960~1963）晶体管几十万~百万（次/秒）第二代计算机的特点：采用晶体管作为基本物理器件。体积小、能耗低、稳定性强，这一时期适用于事务处理的FORTRAN语言得到广泛的应用，因此，应用范围从单纯的科学计算和军事目的扩展到事务处理、工程设计、数据处理等方面。IBM公司于1959年生产的IBM7090型采用晶体管的第二代电子计算机。它的体积减小了，运算速度却更快。第三代（1964~1970）集成电路百万~几百万（次/秒）第三代计算机的特点：采用中小规模集成电路作为基本物理器件。它具有通用化、系列化、标准化的特点。1964年4月IBM360系统问世。它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表第四代（1971~至今）（超）大规模集成电路几百万~几亿（次/秒）第四代计算机的特点：采用大规模和超大规模集成电路作为基本物理器件。这一时期的计算机计算速度可达几百万甚至上亿次每秒。在系统结构方面发展了并行处理技术分布式计算机系统和计算机网络等；软件方面发展了数据库系统，分布式操作系统、高效可靠的高级语言以及软件工程标准化等。英国国家航空管理局的控制中心，空中交通管制用IBM计算机进行控制ENIAC划时代的实验装置晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。电子恐龙的缩骨法——晶体管晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒计算机第一定律——摩尔定律“贝尔定律”：认为如果保持计算能力不变，微处理器的价格和体积每18个月减小一倍。1．按用途划分•（1）通用机：适用解决多种一般问题，该类计算机使用领域广泛、通用性较强，在科学计算、数据处理和过程控制等多种用途中都能适应。•（2）专用机：用于解决某个特定方面的问题，配有为解决某问题的软件和硬件，如在生产过程自动化控制、工业智能仪表等专门应用。1.2.2计算机分类2．按规模划分•（1）巨型计算机：应用于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达每秒百万亿次，研制巨型机是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。•（2）大/中型计算机：具有较高的运算速度，每秒可以执行几千万条指令，而且有较大的存储空间。往往用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用。•（3）小型计算机：规模较小、结构简单、运行环境要求较低，一般应用于工业自动控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面。小型机在用作巨型计算机系统的辅助机方面也起了重要作用。•（4）微型计算机：中央处理器（CPU）采用微处理器芯片，体积小巧轻便，广泛用于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处理。•（5）工作站：工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。•（6）服务器：在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。3．按处理对象划分•（1）数字计算机：计算机处理时输入和输出的数值都是数字量。•（2）模拟计算机：处理的数据对象直接为连续的电压、温度、速度等模拟数据。•（3）数字模拟混合计算机：输入输出既可是数字也可是模拟数据。•计算机是一种高度自动化的信息处理设备。主要特点有：–运算速度快；–自动连续的高度计算；–计算精度高；–记忆能力强，存储容量大；–可靠的逻辑判断能力；–可靠性高，通用性强。1.2.3计算机的特点计算机的应用领域1.科学计算：指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。一般要求计算机速度快、精度高，存储容量相对大。科学计算是计算机最早的应用方面。2．信息处理：信息处理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作。3．过程控制：把计算机用于科学技术、军事领域、工业、农业等各个领域的过程控制。4．计算机辅助系统：有计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。5．多媒体技术：把数字、文字、声音、图形、图像和动画等多种媒体有机组合起来，利用计算机、通信和广播电视技术，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理的技术。目前多媒体计算机技术的应用领域正在不断拓宽，除了知识学习、电子图书、商业及家庭应用外，在远程医疗、视频会议中都得到了极大的推广。6．计算机通信：是计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将处在不同地域的计算机用通讯线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。7．人工智能：研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。人工智能学科包括：知识工程、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人和神经计算等多方面的研究输入计算机的信息一般有两类：一类称为数据，一类称为程序。计算机通过执行指令来处理各种信息的。1、指令是指示计算机如何工作的命令，由操作码和地址码组成。2、程序是由一系列指令组成的，它是为解决某一问题而设计的一系列排列有序的指令的集合。1.2.4指令和程序3、存储程序和程序控制原理称为冯.诺伊曼（VonNeumann）原理，是计算机实现自动运算或处理过程的基础。其特点是：计算机在工作时，先将相关程序和数据放入内存，执行时CPU(CentralProcessingUnit)根据情况取出指令并执行，如此循环直到结束。1.3计算机系统的基本组成1.3.1计算机硬件系统1.3.2计算机软件系统1.3.3计算机的发展趋势计算机系统框图“存储程序”计算机的硬件系统由五个基本部分组成。它们是：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中存储器又有内存储器和外存储器之分。1.3.1计算机硬件系统计算机硬件系统的主要组成：（外）存储器（内）存储器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地址控制流运算器计算机硬件基本组成框图执行算术和逻辑运算的部件计算机的指挥中心，负责对控制指令进行分析，然后发出操作控制信号，控制并协调计算机各个部分的工作。内存是程序工作的空间。程序和数据必须调入内存方可执行。外存是存放程序和数据的“仓库”，可以长时间保存大量信息，运算器：执行算术和逻辑运算的部件。控制器：计算机的指挥中心，负责对控制指令进行分析，然后发出操作控制信号，控制并协调计算机各个部分的工作。CPU：控制器和运算器被集成在一块超大规模集成电路芯片中被称为中央处理器（CentralProcessingUint)存储器:主要是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。为了实现自动计算，各种信息必须预先存放在计算机的某个地方，即存储器。存储器有内存和外存，外存是存放程序和数据的“仓库”可以长时间保存大量信息，但是程序必须调入内存放可执行，待处理的数据也只有进入内存后才能被程序加工。输入输出设备：(input/output)简称I/O设备，它们实现了外部世界与主机之间的信息交换，提供了人机交互的硬件环境。系统软件：通常是负责管理、控制和维护计算机的各种软硬件资源，并为用户提供一个友好的操作界面，以及服务于一般目的的上机环境。常见的系统软件主要指操作系统和软件开发工具（语言处理程序即汇编和编译程序、工具软件、系统实用程序）等。1系统软件1.3.2计算机软件系统计算机软件(software)一般可分为系统软件和应用软件（1）操作系统操作系统是计算机的第一层软件，它能对计算机系统中的软件和硬件资源进行有效的控制和管理，合理组织协调计算机的运行，并为其他系统软件和应用软件提供服务和支持，为用户提供一个使用计算机的工作环境，起到用户和计算机之间的接口作用。DOSWindowsOS/2UNIXLinux（2）软件开发工具（语言处理程序程序设计语言）每一种程序设计语言都有自己的一套软件开发工具。软件开发工具是程序设计的工作平台，用它完成用高级语言编写的程序文本输入、编辑、语法和逻辑检测，编译生成目标程序或解释执行等工作。（3）数据库管理系统DBMS2应用软件应用软件：是专业人员为各种应用目的而开发的程序，这些程序通常是利用高级语言编程生成的。常见的应用软件有办公自动化软件、管理信息系统、大型科学计算软件包。Altair8800计算机不再是单一的计算的机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。1、计算机发展——微型化1.3.3计算机的发展趋势CRAY-Ⅱ运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。中国超级计算机：国防科技大学:“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”中国科学院计算机研究所:“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”１１万亿次的曙光４０００Ａ(AMD,2560)联想：四万亿次超级计算机深腾68002、计算机发展——巨型化深腾6800曙光4000Ａ计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物，将分布在不同地点的计算机连接起来，组成规模更