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第一单元：计算机与计算机科学课文A：计算机概览一、引言计算机是一种电子设备，它能接收一套指令或一个程序，然后通过对数字数据进行运算或对其他形式的信息进行处理来执行该程序。要不是由于计算机的发展，现代的高科技世界是不可能产生的。不同类型和大小的计算机在整个社会被用于存储和处理各种数据，从保密政府文件、银行交易到私人家庭账目。计算机通过自动化技术开辟了制造业的新纪元，而且它们也增强了现代通信系统的性能。在几乎每一个研究和应用技术领域，从构建宇宙模型到产生明天的气象报告，计算机都是必要的工具，并且它们的应用本身就开辟了人们推测的新领域。数据库服务和计算机网络使各种各样的信息源可供使用。同样的先进技术也使侵犯个人隐私和商业秘密成为可能。计算机犯罪已经成为作为现代技术代价组成部分的许多风险之一。二、历史第一台加法机是法国科学家、数学家和哲学家布莱斯.帕斯卡于1642年设计的，它是数字计算机的先驱。这个装置使用了一系列带有10个齿的轮子，每个齿代表从0到9的一个数字。轮子互相连接，从而通过按照正确的齿数向前转动轮子，就可以将数字彼此相加。17世纪70年代，德国哲学家和数学家戈特弗里德.威廉.莱布尼兹对这台机器进行了改良，设计了一台也能做乘法的机器。法国发明家约瑟夫―玛丽.雅卡尔，在设计自动织机时，使用了穿孔的薄木板来控制复杂图案的编织。在19世纪80年代期间，美国统计学家赫尔曼.何勒里斯，想出了使用类似雅卡尔的木板那样的穿孔卡片来处理数据的主意。通过使用一种将穿孔卡片从电触点上移过的系统，他得以为1890年的美国人口普查汇编统计信息。1、分析机也是在19世纪，英国数学家和发明家查尔斯.巴比奇，提出了现代数字计算机的原理。他构想出旨在处理复杂数学题的若干机器，如差分机。许多历史学家认为，巴比奇及其合伙人，数学家奥古斯塔.埃达.拜伦，是现代数字计算机的真正先驱。巴比奇的设计之一，分析机，具有现代计算机的许多特征。它有一个以一叠穿孔卡片的形式存在的输入流、一个保存数据的“仓库”、一个进行算术运算的“工厂”和一个产生永久性纪录的打印机。巴比奇未能将这个想法付诸实践，尽管在那个时代它在技术上很可能是可行的。2、早期的计算机模拟计算机是19世纪末开始制造的。早期型号是靠转动的轴和齿轮来进行计算的。用任何其他方法都难以计算的方程近似数值，可以用这样的机器来求得。开尔文勋爵制造了一台机械潮汐预报器，这实际上就是一台专用模拟计算机。第一次和第二次世界大战期间，机械模拟计算系统，以及后来的电动模拟计算系统，在潜艇上被用作鱼雷航线预测器，在飞机上被用作轰炸瞄准具的控制器。有人还设计了另一个系统，用于预测密西西比河流域春天的洪水。3、电子计算机第二次世界大战期间，以伦敦北面的布莱切利公园为工作地点的一组科学家和数学家，制造了最早的全电子数字计算机之一：“巨人”。到1943年12月，这个包含了1500个真空管的“巨人”开始运转了。它被以艾伦.图灵为首的小组用于破译德国用恩尼格码加密的无线电报，他们的尝试大部分是成功的。除此而外，在美国，约翰.阿塔纳索夫和克利福德.贝里早在1939年就在艾奥瓦州立学院制造了一台原型电子机。这台原型机和后来的研究工作都是悄悄完成的，而且后来因1945年电子数字积分计算机（ENIAC）的研制而显得相形见绌。ENIAC被授予了专利。但是，数十年后，在1973年，当该机被揭露吸收了在阿塔纳索夫―贝里计算机中首次使用的原理后，这项专利被废除了。图1A-1：ENIAC是最早的全电子数字计算机之一。ENIAC（见图1A-1）含有18,000个真空管，具有每分钟几百次的乘法运算速度，但是，其程序最初是通过导线传送到处理器内的，必须由人工更改。根据美籍匈牙利数学家约翰.冯.诺伊曼的想法，后来制造的机器带有一个程序存储器。指令像数据一样存储在“存储器”中，使计算机在执行过程中摆脱了纸带阅读器的速度限制，并使问题在不给计算机重新接线的情况下得以解决。20世纪50年代末，晶体管在计算机中的应用，标志着比在真空管机器情况下体积小、速度快、用途广的逻辑元件的出现。由于晶体管使用的功率小得多，寿命也长得多，仅这项发展本身就导致了被称之为第二代计算机的改良机器的产生。元件变小了，元件的间距也变小了，而且系统的制造成本也变得低得多。4、集成电路20世纪60年代末，集成电路（见图1A-2）得到采用，从而有可能将许多晶体管制作在一块硅衬底上，晶体管之间用覆镀在适当位置的导线相连接。集成电路导致价格、尺寸和故障率的进一步降低。20世纪70年代中期，随着大规模集成电路和后来的超大规模集成电路（微芯片）的采用，成千上万个彼此相连的晶体管被蚀刻在一块硅衬底上，于是微处理器成为现实。图1A-2：集成电路那么，再回过头来看看现代计算机处理开关值的能力：20世纪70年代的计算机一般一次能够处理8个开关值。也就是说，在每个循环中，它们能处理8个二进制数字或位的数据。8个位为一组，称为一个字节；每个字节包含256个开与关（或0与1）的可能模式。每个模式相当于一条指令、一条指令的一部分或者一个特定的数据类型，如一个数字、一个字符或一个图形符号。例如，11010010这个模式可能是二进制数据——在此情况下代表210这个十进制数字，或者它可能是一条指令，告诉计算机将存储在其交换设备中的数据与存储在存储芯片某个位置的数据进行比较。一次能处理16、32和64位数据的处理器的研制，提高了计算机的速度。一台计算机能够处理的全部可识别模式——操作总清单——称为其指令集。随着现代数字计算机的不断发展，这两个因素——能够同时处理的位数和指令集的大小——在继续增长。三、硬件不论尺寸大小，现代数字计算机在概念上都是类似的。然而，根据成本与性能，它们可分为几类：个人计算机或微型计算机，一种成本较低的机器，通常只有桌面大小（尽管“膝上型计算机”小到能够放入公文包，而“掌上型计算机”能够放入口袋）；工作站，一种具有增强型图形与通信能力、从而使其对于办公室工作特别有用的微型计算机；小型计算机，一般就个人使用而言太昂贵，其性能适合于工商企业、学校或实验室；以及大型机，一种大型的昂贵机器，具有满足大规模工商企业、政府部门、科研机构或者诸如此类机构需要的能力（其中体积最大、速度最快的称为巨型计算机）。一台数字计算机不是单一的机器。确切地说，它是由5个不同的要素组成的系统：（1）中央处理器；（2）输入设备；（3）存储设备；（4）输出设备；以及（5）被称作总线的通信网络，它将系统的所有要素连接起来并将系统与外界连接起来。四、编程一个程序就是一系列指令，告诉计算机硬件对数据执行什么样的操作。程序可以内嵌在硬件本身里，或以软件的形式独立存在。在一些专门或“专用”计算机中，操作指令被嵌入其电路里；常见的例子有计算器、手表、汽车发动机和微波炉中的微型计算机。另一方面，通用计算机尽管含有一些内置的程序（在只读存储器中）或者指令（在处理器芯片中），但依靠外部程序来执行有用的任务。计算机一旦被编程，就只能做在任何特定时刻控制它的软件所允许它做的事情。广泛使用的软件包括一系列各种各样的应用程序——告诉计算机如何执行各种任务的指令。五、未来的发展计算机发展的一个持续不断的趋势是微小型化，亦即将越来越多的电路元件压缩在越来越小的芯片空间内的努力。研究人员也在设法利用超导性来提高电路的功能速度。超导性是在超低温条件下在某些材料中观察到的电阻减小现象。计算机发展的另一个趋势是“第五代”计算机的研制工作，亦即研制可以解决复杂问题而且其解决方法用“创造性的”这个词来形容或许最终名副其实的计算机，理想的目标是真正的人工智能。正在积极探索的一条道路是并行处理计算，亦即利用许多芯片来同时执行数个不同的任务。一种重要的并行处理方法是模仿神经系统结构的神经网络。另一个持续不断的趋势是计算机联网的增加。计算机联网现在使用由卫星和电缆链路构成的世界范围的数据通信系统，来将全球的计算机连在一起。此外，大量的研究工作还投入在探索“光”计算机的可能性上——这种硬件处理的不是电脉冲而是快得多的光脉冲。第二单元：计算机体系结构课文A：计算机硬件一、引言计算机硬件是计算机运行所需要的设备，由可被物理操纵的部件组成。这些部件的功能一般分为3个主要类别：输入、输出和存储。这些类别的部件与微处理器相连接，特别是与计算机的中央处理器相连接。中央处理器系电子线路，它通过称为总线的线路或电路来提供计算能力和对计算机进行控制。另一方面，软件是计算机用来处理数据的一套指令，如文字处理程序或电子游戏。这些程序通常被存储起来，并由计算机硬件调入和调出中央处理器。软件也控制着硬件如何利用：例如，如何从存储设备中检索信息。输入与输出硬件的交互是由基本输入/输出系统（BIOS）软件控制的。尽管微处理器在技术上仍被认为是硬件，但其部分功能也与计算机软件有关系。既然微处理器同时具有硬件与软件的特征，它们因此经常被称作固件。二、输入硬件输入硬件由给计算机提供信息和指令的外部设备——亦即计算机中央处理器以外的部件——组成。光笔是带有光敏端头的输入笔，用来在计算机显示屏上直接写画，或者通过按光笔上的夹子或用光笔接触屏幕来在屏幕上选择信息。这种笔含有光传感器，用于识别笔所经过的屏幕部分。鼠标是为一只手抓握而设计的指示设备。它在底部有一个检测装置（通常是一个圆球），使用户能够通过在一个平面上移动鼠标来控制屏幕上指针或光标的运动。该装置滑过平面时，光标随着在屏幕上移动。要在屏幕上选择项目或命令，用户就点击鼠标上的按钮。操纵杆是由一根杆子组成的指示设备，该杆以向多个方向移动来操纵计算机屏幕上的光标或者其他图形对象。键盘是一个像打字机的设备，它使用户得以向计算机键入文本和命令。有些键盘有特殊功能键或集成指示设备，如轨迹球或者可以让用户通过手指的移动来移动屏幕上光标的触敏区。光扫描仪利用光感应设备将图片或文本等形式的图像转换成计算机能够处理的电子信号。例如，一张照片可以扫入一台计算机，然后包括在该计算机创建的文本文件中。两种最常见的扫描仪类型是平板扫描仪和手持式扫描仪，前者类似一台办公室用复印机，后者用手动的方式从要处理的图像上扫过。麦克风是将声音转换成可被计算机存储、处理和回放的信号的设备。语音识别模块是将话语转换成计算机能够识别和处理的信息的设备。调制解调器代表调制器―解调器，是将计算机与电话线连接、允许信息传送给或接收自另一台计算机的设备。每台发送或接收信息的计算机都必须与调制解调器相连接。一台计算机发送的信息由调制解调器转换成音频信号，然后通过电话线传送到接收端调制解调器，由其将信号转换成接收端计算机能够理解的信息。三、输出硬件输出硬件由将信息从计算机中央处理器传给计算机用户的外部设备构成。视频显示器或屏幕将计算机生成的信息转换成可视信息。显示器一般有两种形式：阴极射线管视频屏幕和液晶显示视频屏幕。基于阴极射线管的屏幕或监视器看起来就像一台电视机。从中央处理器输出的信息，使用电子束显示出来，其过程是电子束扫描荧光屏，而荧光屏则发出光并产生图像。基于液晶显示器的屏幕将可视信息显示在比基于阴极射线管的视频监视器平且小的屏幕上。液晶显示器常常用于膝上型计算机。打印机将计算机输出的文本和图像打印在纸上。点阵打印机使用细小的金属丝打击色带，从而形成字符。激光打印机使用光束在磁鼓上画图像，然后由磁鼓吸起称为墨粉的微小黑粒。墨粉熔凝到纸上，形成图像。喷墨打印机将小墨滴喷射到纸上，形成字符和图像。四、存储硬件存储硬件永久性地存储信息和程序，供计算机检索。两种主要的存储设备是磁盘驱动器和存储器。磁盘驱动器有几种类型：硬盘、软盘、磁光盘和光盘。硬盘驱动器将信息存储在盘中嵌入的磁性颗粒中。硬盘驱动器通常是计算机的固定部分，能存储大量的信息并对其进行非常快速的检索。软盘驱动器也将信息存储在磁性颗粒中，但这些颗粒是嵌入可移动的盘中的，而这些盘既可能是软的也可能是硬的。软盘比硬盘存储的信息少，检索该信息的速度也慢得多。磁光盘驱动器将信息存储在对激光和磁场均敏感的可移动盘上。它们可存储的信息通常与硬盘一样多，但检索速度稍微慢一点。由