第1章 计算机基础知识-计算机文化基础(第5版)[李秀]清华大学出版社

清华大学计算机基础教育课程系列教材李秀等编著计算机文化基础（第5版）内容提要计算机发展史计算机软件概述计算机文化与道德计算机工作原理计算机发展趋势计算机基础知识人类追求的计算工具1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分机1833分析机MARKIENIAC电子计算机时代计算机发展史第一台电子计算机（ENIAC）5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW计算机发展史电子恐龙的缩骨法——晶体管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。计算机发展史晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,300将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片10微米芯片计算机发展史晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒每18个月芯片能力增长一倍。计算机第一定律——摩尔定律计算机发展史第一代（1946~1956）电子管5千~4万（次/秒）第二代（1957~1964）晶体管几十万~百万（次/秒）第三代（1965~1970）集成电路百万~几百万（次/秒）第四代（1971~90年代）集成电路几百万~几亿（次/秒）1964年911机1966年112机计算机发展的几个阶段计算机发展史计算机的商用化计算机的第一个商业顾客——烤面包卖茶点的利昂（lyons）ENIACEDSAC改进lyons参与部分投资进入社会，开启办公自动化理念Lyons复制EDSACLEO(LyonsElectronicOffice)LEO充当会计师计算机发展史计算机的类型与用途计算机应用PC机（PersonalComputer）以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机称为PC机（微机）。工作站是一种高档微机系统，其最突出的特点是图形功能强，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。大型通用机其特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，主要应用在科研、商业和管理部门。巨型机它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂。巨型机主要用于解决大型机也难以解决的复杂问题，它是解决科技领域中某些带有挑战性问题的关键工具。计算机应用模式的变迁计算机应用单主机计算模式（终端＋主机）客户机/服务器计算模式（Client/Server）网络计算模式提出请求提供服务客户机服务器产生请求有效接收数据用户交互显示控制网络处理多个请求执行相关服务程序管理连接提供安全性、完整性及并发控制香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分离的结构。奠定现代计算机发展的重要人物和思想ClaudeShannon计算机工作原理图灵与图灵机为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。计算机工作原理JohnvonNeumann冯诺依曼1949EDSAC冯·诺依曼计算机存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。计算机工作原理计算机工作原理微型计算机的硬件组成主机是包含电源、存储设备和电路板的机箱，其中电路板上有计算机的主处理器和内存。监视器是计算机的主要输出设备，它将来自计算机显卡的电信号转换为屏幕上的彩色亮点，从而形成图像。硬盘驱动器一般安装在系统单元内，当其工作时，机箱上的指示灯会亮。软盘驱动器将数据写到软盘上，当其工作时，其指示灯就亮，警告用户此时不要取出软盘。CD-ROM和DVD驱动器采用激光技术从光盘上读取数据。鼠标是一种输入指示设备，帮助用户操作对象并选择菜单项。键盘作为多数计算机的主要输入设备。声卡位于系统单元内，提供到扬声器、麦克风和耳机的连接。微机结构示意图计算机工作原理微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；各部件通过总线连接。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU计算机的工作原理计算机工作原理计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器PC总线总线是微机中各功能部件之间通信的信息通路，主要由地址、数据和控制三大总线组成，每种总线都由若干根信号线（总线宽度）构成。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU三大总线计算机工作原理中央处理器CPUCPU是计算机的心脏，用来实现程序控制功能（自动从内存中读入指令和自动执行指令）。CPU结构示意图地址总线标志寄存器指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器PC数据总线控制总线ALU计算机工作原理存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备/器件，是计算机系统不可或缺的资源。现代微型计算机的存储系统结构：高速缓存--主存--外存为什么采用这种结构？指令执行速度依赖于内存读写速度高速CPU需配置高速内存大软件需配置大容量内存高速度低成本大容量存储器与存储系统矛盾CPU高速缓存M1M2...Mn外存2外存1...外存n主存外存寄存器SRAMDRAM硬盘、光盘、U盘等计算机工作原理认识计算机内存与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存。随机访问存储器RAM存放操作系统指令、软件指令、处理数据虚拟内存计算机使用磁盘空间来模拟内存的能力只读存储器ROMROMBIOS小型指令集合CMOS存储器存放计算机的配置信息，如日期和时间、硬盘容量、RAM容量等计算机工作原理输入/输出设备（外部设备）完成数据的输入/输出信号转换（模拟信号/数字信号、电信号/非电信号等）数据采样与接口进行连接接口信号，电平标准等与主机进行通信通信协议工作时序计算机工作原理软件的概述“吃软不吃硬”的EDSAC存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：编写程序和运行程序硬件软件软件史上的重要人物阿黛·拜伦格雷斯·霍普威尔克斯戴维·韦勒计算机软件概述计算机的语言——二进制十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2，可使用0,1八进制R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F“逢R进一，借一当R”进制的概念计算机软件概述二进制概念128瓦32瓦64瓦16瓦8瓦4瓦1瓦2瓦11111000我认识她已有1111年了。信息复制的精确性运算规则简单（R(R+1)/2）电子线路制造计算机成为可能计算机软件概述程序和指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）PC+1计算机软件概述信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）：最常用的基本单位K字节1K=1024byteM（兆）字节1M=1024KG（吉）字节1G=1024MT（太）字节1T=1024Gb7b6b5b4b3b2b1b010010101=27+24+22+20=149计算机软件概述计算机软件分类（1）享有版权的软件只有版权的拥有者才能复制、出售或分发。共享软件你可以合法地制作拷贝并分发，但不能出售。免费软件版权拥有申请购买后安装制作拷贝自用制作拷贝他用更改软件注册费软件：指示计算机完成任务的、以电子格式存储的指令序列和相关的数据。计算机软件概述计算机软件分类（2）软件系统软件应用软件操作系统设备驱动实用工具编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件…………上网软件学习课件娱乐软件商务软件系统软件协助计算机执行基本任务。应用软件协助人们完成某项任务。计算机软件概述系统软件操作系统最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上。实用工具用来提供一种让计算机用户控制分配和使用计算机资源的方法，以增强操作系统的功能。设备驱动程序设备驱动程序告诉计算机中的操作系统如何使用某一硬件。即插即用一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准。编译器编译器是程序员将高级语言编写的指令翻译成可以在计算机上执行的代码的软件开发工具，它的特点是目标语言比源语言低级。计算机软件概述操作系统操作系统协助计算机完成它的基本硬件操作，并与应用程序进行交互，完成诸如打印和存储数据等应用任务。LinuxMacOSUNIX管家婆管理硬件资源协调后台工作服务生提供用户与计算机的交互接口WindowsOS/2计算机软件概述Altair8800计算机发展——微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。计算机发展趋势CRAY-Ⅱ计算机发展——巨型化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：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”银河Ⅱ计算机发展趋势计算机发展——网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。计算机发展趋势计算机发展——智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的‘没有灵魂的机械’来”。——笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”DeepblueGarryKasparov计算机发展趋势计算机世界中的中国1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长闵大可电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人钱三强1958年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的107计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）1977年研制成功中国第一台微机DJS050计算机发展趋势计算机世界中的印度硅谷慧谷世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一。计算机发展趋势计算机文化与道德计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无比有力的知识工具”。真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。