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1第一章计算机基础知识计算机是能按照人的要求接受和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。计算机是一门科学，也是一种自动、高速、精确地对信息进行存储、传达与加工处理的电子工具。掌握以计算机为核心的信息技术的基本知识和应用能力，是信息社会中必备的基本素质。1.1概述1.1.1计算机的发展1943年，莫克利和埃克特开始研制电子数字积分计算机（ENIAC），并于1946年研制成功。ENIAC被广泛认为是世界上第一台现实意义上的计算机。【习题2】1946年诞生了世界上第一台电子计算机，他的英文名字是（）A．UNIVAC-1B．EDVACC．ENIACD．MARK-II几乎与此同时，ENIAC项目组的一个研究成员冯·诺依曼（现代电子计算机之父）来到了普林斯顿高等研究院，并开始研制他自己的EDVAC（当时最快的计算机）。美籍匈牙利数学家归纳了EDVAC的原理要点。（1）计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。（2）程序和数据存放在存储器中，即存储程序的概念。计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。(3)计算机的硬件系统由控制器、适配器(也称运算器)、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。【习题1】在冯·诺依曼型体系结构的计算机中引进两个重要的概念，它们是（）A．引入CPU和内存储器的概念B．采用二进制和存储程序的概念C．机器语言和十六进制D．ASCII编码和指令系统计算机发展经历的四个阶段：阶段部件第一阶段（1946-1959）第二阶段（1959-1964）第三阶段（1964-1972)第四阶段（1972年至今）主机电子器件电子管晶体管中小规模集成电路大规模，超大规模集成电路内存汞延迟线磁芯存储器半导体存储器半导体存储器外存储器穿孔卡片，纸袋磁带磁带，磁盘磁带，磁盘，挂盘等大容量存储器处理速度几千条几万至几十万条几十万至几百万上千万至万亿条代表UNIVAC-I通用自动计算机IBM-7000系列机IBM-360系列机IBM-4300、3080、3090、9000系列21.1.2计算机的特点、用途和分类计算机能够按照程序引导确定步骤，对输入的数据进行加工处理、存储或传送，以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量。特点：1）高速、精确的运算能力2）精确地逻辑判断能力3）强大的存储能力4）自动功能5）网络与通信功能【习题3】计算机最早的应用领域是（）A．辅助工程B．过程控制C．数据处理D．数值计算用途：计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此得名。1）科学计算主要是使用计算机进行数学方法的实现和应用2）数据/信息处理也称为非数值计算。是目前计算机应用最多的一个领域。3）过程控制是指利用计算机对生产过程、制造过程或运行过程进行监测与控制，即通过实时监控目标物体的状态，及时调整被控对象，使被控对象能够正确地完成目标物体的生产、制造或运行。4）计算机辅助计算机辅助是计算机应用的一个非常广泛的领域。几乎所有过去由人进行的具有设计性质的过程都可以让计算机帮助实现部分或全部工作。计算机辅助（或称为计算机辅助工程）主要有：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教育（CAI）、计算机辅助技术（CAT）、计算机仿真模拟（Simulation）等。【习题4】英文缩写CAD的中文意思是（）A．计算机辅助设计B．计算机辅助制造C．计算机辅助教学D．计算机辅助管理计算机模拟和仿真是计算机辅助的重要方面。在计算机中起着重要作用的是集成电路。5）网络通信计算机技术和数字通信技术发展并相融合产生了计算机网络。6）人工智能（AI）是用计算机模拟人类的某些智能活动。7）多媒体应用是包括文本、图形、图像、音频、视频、动画等多种信息类型的综合。8）嵌入式系统并不是所有计算机都通用的。分类：1．按计算机处理数据的类型可以分为：模拟计算机、数字计算机、数字和模拟计算机。3模拟计算机的主要特点：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。数字计算机的主要特点：参与运算的数值用离散的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。2．按计算机的用途可分为：通用计算机和专用计算机。通用计算机能解决多种类型的问题，通用性强，如PC专用计算机则配备有解决特定问题的软件和硬件，但能够高速、可靠地解决特定问题，如在导弹和火箭上使用的计算机大部分都是专用计算机。3．按计算机的性能、规模和处理能力，可分为：巨型机、大型通用机、微型计算机、工作站及服务器1）巨型机巨型机是指目前速度最快、处理最强的计算机，称为高性能计算机。2）大型通用机大型通用机是对一类计算机的习惯称呼，其特点是通用性强，具有较高的运算速度、极强的综合处理能力和极大的性能覆盖，运算速度为每秒100万次至每秒几千万次。通常人们称大型机为“企业级”计算机。通用性强，但价格比较贵。大型机系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。3）微型机微型机是微电子技术飞速发展的产物。根据微型机是否由最终用户使用，微型机又可分为独立式微机（即日常使用的微机）和嵌入式微机（或称嵌入式系统）。嵌入式微机作为一个信息处理部件安装在应用设备里，最终用户不直接使用计算机，使用的是该应用设备。单片机是将中央处理器、存储器和输入/输出接口采用超大规模集成电路技术集成到一块硅芯片上。单片机本身的集成度相当高，所以ROM、RAM容量有限，接口电路也不多，适用于小系统中。单板机就是在一块电路板上把CPU，一定容量的ROM、RAM，以及I/O接口电路等大规模集成电路芯片组装在一起而成的微机，并配有简单外设如键盘和显示器，通常电路板上固化有ROM或者EPROM的小规模监控程序。微型计算机的结构有：单片机、单板机、多芯片和多板机。4）工作站工作站是一种高档的微型计算机，它比微型机有更大的存储容量和更快的运算速度。通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域，具有很强的图形交互与处理能力。因此在工程领域，特别是在计算机辅助设计（CAD）领域得到广泛应用。无怪乎人们称工作站是专为工程师设计的计算机。工作站一般采用开放是系统结构，即将机器的软、硬件接口公开，并尽量遵守国际工业界流行标准，以鼓励其他厂商和用户围绕工作站开发软件、硬件产品。目前，多媒体等各种新技术已普遍集成到工作站中，使其更具特色。而它的应用领域已经也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并频频充当网络服务器的角色。5）服务器“服务器”一词很恰当地描述了计算机在应用中的角色，而不是描述机器的4档次。服务器作为网络的节点，存储、处理网络上80%的数据、信息，因此也被称为网络的灵魂。主要特点：（1）只有在客户机的请求下才为其提供服务。（2）服务器对客户透明。一个与服务器通信的用户面对的是具体的服务，而可以完全不知道服务器采用的是什么机型及运行的是什么操作系统。（3）服务器严格地说是一种软件的概念。一台作为服务器使用的计算机通过安装不同的服务器软件，可以同时扮演几种服务器的角色。1.1.3计算机科学研究与应用1．人工智能人工智能的主要内容是研究如何让让计算机来完成过去只有人才能做的智能的工作，核心目标是赋予计算机人脑一样的智能。2．网络计算随着计算机的普及，个人计算机进入家庭，而由此产生计算机的利用率问题。越来越多的计算机处于闲置状态。互联网的出现使得链接调用所有这些拥有优先计算资源的计算机系统成为现实。网络计算是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网络”，所以这种计算方式称为网络计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能充分利用网上的闲置处理能力。网络计算包括任务管理、任务调度和资源管理，它们是网络计算的三要素。用户通过任务管理向网络提交任务，为任务制定所需的资源，删除任务并检测任务的运行；任务调度室对用户提交的任务根据任务的类型、所需的资源、可用资源等情况安排运行日程和策略；资源管理则负责检测网络中资源的状况。网络计算技术的特点是：（1）能够提供资源共享，实现应用程序的互联互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的联通。（2）协同工作。很多网格节点可以共同处理一个项目。（3）基于国际的开放技术标准。（4）网格可以提供动态的服务，能够适应变化。网格计算是一场计算革命，它将全世界的计算机联合起来协同工作，它被人们视为21世纪的新型网络基本架构。3．中间件技术顾名思义，中间件是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。中间件技术已经发展成为企业应用的主流技术，并形成各种不同类别，如交易中间件、消息中间件、专有中间件、面向对象中间件、数据存取中间件、远程调用中间件等。4．云计算云计算是分布式计算、网络计算、并行计算、网络存储及虚拟化计算机和网络技术发展融合的产物，或者说是它们的商业实现。构成包括硬件、软件和服务。云计算将传统的以桌面为核心的任务处理转变为以网络为核心的任务处理，利用互联网实现一切处理任务，使网络成为传递服务、计算和信息的综合媒介，真正5实现按需计算、网络协作。特点：超大规模‘分布式、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、价廉。1.1.4未来计算机的发展趋势1．电子计算机的发展方向从类型上看，电子计算机技术正在向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。1）巨型化巨型化是指计算速度更快、存储容量更大、功能更完整、可靠性更高的计算机。2）微型化微型计算机从过去的台式机迅速向便携机、掌上机、膝上机发展，其低廉的价格、方便的使用、丰富的软件而受到人们的青睐。同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。3）网络化网络化指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机相互连接起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源。4）智能化智能化指计算机模拟人的感觉和思维过程的能力。智能化是计算机发展的一个重要方向。智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能，以及知识处理和知识库管理的功能等。2．未来新一代的计算机计算机中最重要的核心部件是芯片，芯片制造技术的不断进步是推动计算机技术发展的最根本的动力。目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造，即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面已进行线路蚀刻技术。当前主要是用紫外光进行光刻操作，随着紫外光波长的缩短，芯片上的线宽将会继续大幅度缩小，同样大小的芯片上可以容纳更多的晶体管，从而推动半导体工业继续前进。然而，以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的。专家预言，随着晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，晶体管将不再可靠。目前可能的技术至少有4种：纳米技术、光技术、生物技术和量子技术。利用这些技术研究新一代计算机就成为世界各国研究的焦点。1）模糊计算机1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计算机。模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等多个方面。2）生物计算机微电子技术和生物工程这两项高科技术的互相渗透，为研制生物计算机提供了可能。3）光子计算机光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机。运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成一块芯片上，再用光导纤维连接6成计算机。4）超导计算机超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，其消耗小，运算速度是传统计算机无法比拟的。所以，世界各国科学家都在研究超导