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第1章计算机概述1.计算机的基本概念2.计算机技术的发展和展望3.计算机应用概述4.计算机的安全使用知识5.小结1.1计算机概述1.1.1计算机的基本概念计算机的全名是“电子计算机”。计算机有两个突出的特点：数字化和通用性。数字化是指计算机在处理信息时完全采用数字方式，其他非数字形式的信息，如文字、图形、图像等，要设法转换成数字形式才能由计算机来处理。通用性则反映了计算机的另一个重要本质，其含义是：采用内存程序控制原理的数字计算机能够解决一切具有“可解算法”的问题。（续）1.1.2计算机的类型按用途，计算机分为专用计算机和通用计算机两大类。专用计算机大多是针对某种特殊的要求和应用而设计的计算机，有专用的硬件和专用的软件，扩展性不强，一般功能都比较单一，难以升级，也不能当通用计算机使用。通用计算机则是为满足大多数应用场合而推出的计算机，可灵活应用于多种领域，通用性强。为照顾多种应用领域，它的系统一般比较复杂，功能全面，支持它的软件也五花八门，应有尽有。通用计算机可以应用于各种场合，只需配置相应的软件即可。与专用计算机相比，通用计算机的应用非常广泛，是生产量最多的一种机型。（续）按信息处理方式，计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。模拟计算机的主要特点是：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是：参与运算的数值用断续的数字量表示，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，以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。（续）按一次能够传输和处理的二进制位数：计算机可分为8位机、16位机、32位机和64位机等；按物理结构：可分为单片机（IC卡，由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单）、单板机（IC卡机、公用电话计费器）和芯片机（手机、掌上电脑等）；按综合性能指标：可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机等。计算机分类1．巨型机（超级计算机）巨型机又称超级计算机，它是当代运算速度最高、存储容量最大、通道速度最快、处理能力最强、工艺技术性能最先进的通用超级计算机。主要用于复杂的科学和工程计算，如天气预报、飞行器的设计以及科学研究等特殊领域。目前巨型机的处理速度已达到每秒数千亿次。巨型机代表了一个国家的科学技术发展水平。生产巨型机的公司有美国的Cray公司、TMC公司、日本的富士通公司、日立公司等。我国研制的银河机、曙光机也属于巨型机。银河-Ⅰ为亿次机，银河-Ⅱ为10亿次机，曙光2000Ⅱ型峰值速度达到每秒1117亿次。（续）2．大型机大型机又称大型计算机（覆盖国内常说的大、中型机），特点是大型、通用。大型机的内存可达几个GB以上，速度由千万次向数亿次发展，且广泛地应用于科学和工程计算、信息的加工处理、企事业单位的事务处理等方面。这类计算机具有极强的综合处理能力和极广泛的性能覆盖面。在一台大型机中可以使用几十台微机或微机芯片，可同时支持上万个用户、支持几十个大型数据库，用以完成特定的操作。大型计算机主要应用在政府部门、银行、大公司、大企业、规模较大的高校以及研究所等部门单位，在计算机向网络迈进的时代仍有其生存空间。（续）3．小型机小型机规模较小，与以上两种机型相比，结构简单，价格便宜，维修使用方便，易于操作维护，设计试制周期短，软件开发成本低，便于及时采用先进工艺技术。它们已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，同时也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。（续）4．工作站工作站是介于小型机与PC（PersonalComputer，个人计算机）之间的一种高档的微型机。其运算速度比微机快，且有较强的联网功能。主要用于特殊的专业领域，如图像处理、辅助设计等。典型工作站的特点包括：用户透明的联网、高分辨率图形显示、可利用网络资源、多窗口型用户接口等。如有名的SUN工作站，就有非常强的图形处理能力。需要注意的是它与网络系统中的“工作站”虽然名称一样，但含义不同。网络上的“工作站”常常泛指联网用户的结点，通常只需要一般的PC，以区别网络服务器。（续）5．微型计算机微型计算机简称微型机，是当今最为普及的机型。它体积小、功耗低、功能强、可靠性高、结构灵活，对使用环境要求低，性能价格比明显地优于其他类型的计算机，因而得到了迅速普及和广泛应用。微型机的普及程度代表了一个国家的计算机应用水平。微型机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每2～3个月就有新产品出现，1～2年产品就更新换代一次，每两年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，目前还有加快的趋势。微型机现在已经得到了广泛的应用，如卫星和导弹的发射、石油勘探、天气预报、邮电通信、空中交通管制、航空订票、CAD/CAM、智能仪器、家用电器乃至电子表及儿童玩具等，都已经渗透到国民经济的各个部门，可谓是无处不在。1.2计算机技术的发展和展望1.2.1计算机的发展历程计算机从20世纪40年代诞生至今，不过短短的50多年时间，然而它发展之迅速、普及之广泛、对整个社会和科学技术影响之深远，远非其他任何学科所能比拟。根据计算机所采用的逻辑元件将其发展分成4个阶段，习惯上称为4代（两代计算机之间时间上有重叠）。（续）1．电子管计算机从1946年底到20世纪50年代末期是计算机的第一代。其特征是：采用电子管作为计算机的逻辑元件，内存储器采用水银延迟线，外存储器采用磁鼓（一种高速运转的鼓形圆筒，表面涂有磁性材料，根据每一点的磁化方向来确定该点的信息）、纸带、卡片等。运算速度只有每秒几千次到几万次，内存容量只有几千个字，用二进制表示的机器语言或汇编语言编写程序。1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院正式通过验收的名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）的电子数字积分式计算机，宣告了人类第一台计算机的诞生。（续）2．晶体管计算机从20世纪50年代中期到60年代末期是计算机发展的第二代。1947年，美国物理学家巴丁、布拉顿和肖克利合作发明了晶体管装置并于1956年获奖。晶体管比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低且工作可靠性好。这一发明引发了电子技术的根本性变革，对科学技术的发展具有划时代意义，给人类社会生活带来了不可估量的影响。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小。1958年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，从而诞生了第二代计算机。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。其特征是：用晶体管代替了电子管，大量采用磁芯作为内存储器，采用磁盘、磁带等作为外存储器，体积缩小，功耗降低，运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万字节，价格大幅度下降。（续）3．集成电路计算机60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路（IntegratedCircuit，IC）。集成电路是把多个电子元器件集中在几平方毫米的基片上形成的逻辑电路。IBM公司1964年研制出的IBMS/360，CDC公司的CDC6600及Cray公司的超级电脑Cray-1等，其特征是用集成电路代替了分立元件，被称为第三代计算机。第三代计算机已开始采用性能优良的半导体存储器取代磁芯存储器，运算速度提高到每秒几十万到几百万次，在存储容量和可靠性等方面都有了较大的提高。同时，计算机软件技术的进一步发展，多处理器、虚拟存储器系统以及面向用户的应用软件的发展，大大丰富了计算机软件资源。（续）4．大规模集成电路计算机第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。其特征是以每片上集成几百到几千个逻辑门的大规模集成电路（LargeScaleIntegration，LSI）来构成计算机的主要功能部件。主存储器采用集成度很高的半导体存储器，运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次。出现了共享存储器、分布存储器以及不同结构的并行计算机，并相应产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。第四代计算机的代表机型Cray-2和Cray-3型巨型机，因采用并行结构而使运算速度分别达到每秒12亿次和每秒160亿次。在软件方面，出现了数据库系统以及分布式操作系统等。应用软件的开发已逐步成为一个庞大的现代产业。（续）第一代到第四代计算机的体系结构说明：第一代到第四代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器、存储器、运算器和输入输出设备组成，称为冯·诺依曼体系结构。（续）1.2.2我国计算机的发展我国计算机事业起步虽然很晚，但发展速度很快。1956年，在中共中央“向科学进军”的号召的指引下，周恩来总理亲自主持制定了我国《12年科学技术发展规划》。8月，成立了由华罗庚教授为主任的科学院计算所筹建委员会，并组织了计算机设计、程序设计和计算机方法专业训练班，并首次派出一批科技人员赴前苏联实习和考察。我国科技工作者依靠自己的力量，完成了若干显赫的计算机科学成就。虽然尚不能同西方以及前苏联的计算机技术并驾齐驱，但是却证实了中国在非常艰苦的条件下参与了20世纪后期全球科学技术发展。详见教材P6-7表1-1中国计算机发展史大事记（续）1.2.3未来计算机的发展1．计算机发展的5种趋向（1）巨型化（2）微型化（3）多媒体化（4）网络化（5）智能化（续）2．发展非冯·诺依曼结构模式随着计算机技术的发展，计算机应用领域的开拓更新，冯·诺依曼型的工作方式已不能满足需要，所以提出了制造非冯·诺依曼式计算机的想法。自20世纪60年代开始向两个大方向努力，一是创造新的程序设计语言，即所谓的“非冯·诺依曼”语言；二是从计算机元件方面，比如提出发明与人脑神经网络相类似的新型超大规模集成电路的设想，即分子芯片。1.3计算机应用概述1.3.1科学与工程计算（数值计算)科学与工程计算是指计算机应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。科学计算是计算机最早的应用方面，第一台电子计算机研制的目的就是用于军事计算，计算机发展的初期也主要用于科学计算。时至今天，虽然计算机在其他方面的应用得到不断加强，但它仍然是科学研究和科学计算的最佳工具。在这个领域要求计算机速度快、精度高、存储容量大，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报及航天技术等。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学和生物控制论等新的学科。（续）1.3.2信息处理信息处理主要是指利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料，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。传输和处理的信息有文字、图形、声音及图像等各种信息。信息处理是计算机应用最广泛的领域，其特点是要处理的原始数据量大，而算术运算比较简单，有大量的逻辑运算与判断，结果要求以表格或文件形式存储、输出。（续）1.3.3计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造是指CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）和CAM（ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造）。（续）1.3.4数据库应用数据库是长期存储在计算机内有组织的大量共享的数据集合。它可以供各种用户共享，具有最小的冗余和较高的数据独立性。目前，数据库已经成为现代信息系统不可分离的重要组成部分，数据库的应用是计算机应用的基本内容之一。任何发达国家，从国民经济信息系统、跨国科技情报网到个人的亲友通信、银行储蓄账户等，均需要与数据库打交道。办公自动化与生产自动化，也需要有数据库的支持。（续）1.3.5人工智能人工智能是使用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能。通过用计算机模拟人脑的智能行为，使机器具有类似于人的行为。人工智能是一门研究如何构造智能机器人（智能计算机）或智能系统，使它能模拟、延伸和扩张人类智能的学科。人工智能的研究领域包括知识工程、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人和神经计