计算机导论

讲义计算机基础主讲：孙洪涛华图网校公职课程第[1]页客服电话：400-678-1009目录（显示第一级和第二级标题内容）华图网校公职课程第[2]页客服电话：400-678-1009第一讲计算机的发展本讲要点计算机发展阶段、特点与应用领域计算机语言的发展常见数制授课内容第一节计算机的发展、特点和分类一、计算机的诞生世界上第一台计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，称为电子数字积分计算机）1946年2月诞生于美国。该机采用电子管作为计算机的基本部件，共用了18800个电子管、10000只电容和7000个电阻，重达30吨，占地170平方米，是一个名副其实的“庞然大物”。ENIAC是第一台正式投入运行的计算机，它的运算速度可达每秒5000次（加减法），过去100名工程师花费一年时间才能解决的计算问题，利用ENIAC只需两小时即可解决，这使工程师们摆脱了繁重的计算工作。不过，ENIAC计算机与现代计算机相比，存在较大差异，并且不具有“机内存储程序”功能，其计算过程需要在计算机外通过开关和接线来安排。不久，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（VonNeumman）提出了“存储程序式计算机”的模式，并主持研制了名为EDVAC的计算机，该机采用二进制代替十进制，并将指令存入计算机内部，这恰恰是现代计算机所采用的工作模式，人们称这种计算机为冯氏机。二、计算机发展阶段从ENIAC诞生到现在，根据计算机所采用的物理器件不同，计算机的发展可划分为四个时代：电子管时代、晶体管时代、固体电路时代和大规模集成电路时代。1.第一代计算机（1946年）继ENIAC之后，陆续出现了一批著名的计算机，它们的特征是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管和水银延迟线作为主存储器，外存则依赖纸带、卡片等。这些计算机的计算速度每秒可达几千至几万次，程序设计则使用机器语言或汇编语言。这一代计算机的代表是UNIVAC-I，有一定批量生产的计算机是IBM公司的IBM701（1952年）及后续的IBM703，IBM704等。2.第二代计算机（1958年）使用晶体管或半导体作为开关逻辑部件，使其具有体积小、耗电少和寿命长等优点，且运算速度有所提高。第一台名为UNIAC-Ⅱ的全晶体管计算机问世，较有代表性的则是IBM公司的7090，7094等大型计算机以及CDC公司的CDC1604计算机。在这一时期，程序设计方面使用了高级语言，如FORTRAN语言、COBOL语言等，使程序设计工作得到大幅度简化。3.第三代计算机（1964年）这一代计算机的特征是采用中、小规模集成电路（简称IC）代替分立元件的晶体管。在几平方毫米的单晶体硅片上，可以集成几十个甚至几百个电子器件组成的逻辑电路。除具有体积小、重量轻、功耗低、稳定性好等方面的优点外，运算速度每秒可达几十万至几百万次。在软件方面，操作系统日趋成熟，且软件的兼容性得到考虑。较有代表性的计算机则是CDC公司的CYBER系列，DEC公司的PDP-11和VAX系列等。4.第四代计算机（1971年）以大规模集成电路为计算机的主要功能部件，具有更高的集成度、运算速度和内存储器容量。1971年，Intel公司研制成功第一代4位的微处理器4004和8位的微处理器华图网校公职课程第[3]页客服电话：400-678-10098088，这使微型计算机迅速地发展起来。在随后的10年间，微处理器也由第一代发展到了第四代。事实上，计算机的发展在不同的时期并不是均衡的。例如，第四代计算机发展至今已30余年，前三代计算机所用总和不过25年。5.第五代计算机正在发展中的智能计算机。三、计算机语言的发展第一代：机器语言，每条指令用二进制编码，效率很低，难读、难懂、难修改。第二代：汇编语言，用字符、符号编程，与具体机器指令有关，执行效率较高。第三代：高级语言，面向用户，每一种语言，都有自己规定的专用符号、语法规则和语句结构。高级语言与自然语言更接近，而与硬件功能相分离，彻底脱离了具体的指令系统，便于掌握和使用。如FORTRAN、COBOL、BASIC、PASCAL、C等都属于高级语言。第四代：面向对象程序设计语言，新一代的程序开发语言，使程序的编写和重用更加容易。如VisualBasic、VisualC/C++、Delphi、PowerBuilder等。四、计算机工作的特点计算机是一种能迅速而高效地自动完成信息处理的电子设备，它能按照程序对信息进行加工、处理、存储等。计算机有以下几个重要特点。1.处理信息快世界上第一台电子计算机的运算速度是5000次/秒（每秒执行5000个指令）。目前，一般微型计算机的运算速度可达每秒几千万到几亿次，巨型计算机的运算速度已经达到每秒几百亿次。计算机有着如此高的运算速度，使得过去需要几年甚至几十年才能完成的任务，现在只要几天、几小时甚至更短时间就能完成。2.存储容量大计算机的存储器可以存储大量的数据。它不仅能够存储程序代码、原始数据和计算结果，还能存储计算机在执行过程中的中间信息，并能根据计算的需要随时取用。随着计算机硬件技术的飞速发展，计算机存储容量也快速增长，从以前的几十KB、几百KB，到现在的几十GB、几百GB甚至几千GB。3.可靠性高由于采用了大规模和超大规模集成电路，计算机有着非常高的稳定性和可靠性。计算机不仅用于数值计算、数据处理、辅助设计和办公自动化等方面，还广泛地应用于工业控制、航空航天等可靠性要求高的领域。4.准确性高（或称为精度高）计算机一般可以有十几位有效数字，并可以达到更高的精度。随着计算机技术更深入的发展，获得更高的有效数字位数是必然的，有效数字位数越多，计算机计算的范围越大，准确性就越高。例如，对圆周率的计算，数学家们经过长期艰苦的努力只算到小数点后500位，而使用计算机很快就可以算到小数点后200万位。五、计算机的应用领域1.传统应用科学计算这是计算机的原始应用，也是计算机产生的直接原因。计算机用于科学计算，体现了两方面优势：首先是解决计算量巨大的问题。例如，为了计算某个环境的温度或压力分布，常需要将环境分离成上万或更多的“节点”，求解上万或更高阶的方程组，用手工形成数据并进行方程求解是极其困难的。而用计算机运算和求解就相对容易得多。其次是满足实时性要求。例如，以天气预报为例，如果采用人工计算，预报一天需要计算几个星期，失去了时效，借助计算机，取得10天的预报数据只要数分钟即可完华图网校公职课程第[4]页客服电话：400-678-1009成，这使中、长期天气预报成为可能。数据处理直到今天，数据处理仍然是计算机应用的一个重要领域。以一个企业为例，从市场预测、信息检索，到经营决策、生产管理，都与数据处理有关。借助计算机，可以使这些数据更有条理，统计的数据更准确，反馈更及时，管理和决策更科学、更有效。据统计，用于数据处理的计算机机时约占全部计算机应用的2/3。自动控制因为计算机不仅具有极高的运算速度，且具有逻辑判断能力，因此，在工业生产过程的自动控制中应用很广。该过程的实质是指计算机汇集现场有关数据信息，求出它们与设定值的偏差，产生相应的控制信号，对受控对象进行控制和调整。计算机用于生产过程的自动控制，可以有效地提高劳动生产率，降低成本，提高产品质量。除此之外，计算机也广泛用于交通调度与管理、卫星通信和导弹飞行控制中。2.现代应用办公自动化办公自动化简称OA（OfficeAutomation），其目的在于建立一个以先进的计算机和通信技术为基础的高效人机信息处理系统，使办公人员能够充分利用各种形式的信息资源，全面提高管理、决策和事务处理的效率。根据应用对象的不同，办公自动化系统又可以分成事务型OA系统、管理型OA系统和决策型OA系统。其中，事务型ＯＡ系统又称为电子数据处理系统（EDP）或业务信息系统，主要供办公室秘书和业务人员处理日常的办公事务，以减轻业务人员单调、重复性的劳动，如公文编辑、报表统计、文件检索和活动安排等；管理型OA系统即管理信息系统（MIS），该系统是在事务型系统的基础上，支持单位的信息管理工作；决策型OA系统（DSS）也称为决策支持系统，它通过对大量历史和当今的数据统计分析，预测在不同对策下可能导致的结果，帮助领导人员选择适当的决策。数据库应用在当今社会中，人们无时无刻不在使用“数据”，如火车、飞机购票，银行存兑等。为了尽量消除重复数据，实现数据共享，人们提出了数据库的思想，并发展成层次、网状和关系型数据库模型，也产生了许多著名的数据库管理软件，如FoxBASE，FoxPro，Oracle等。借助网络，还可以实现计算机的分布处理，如银行储户可以到就近的储蓄所取款；外出旅行时，可以使用磁卡在当地支取现金；订购车票可以到银行而不一定是火车站的售票处等。数据库管理系统实现了数据输入、检索、统计和报表等一系列功能。计算机辅助系统计算机辅助系统。计算机在辅助设计与制造及辅助教学方面发挥着日益重要的作用，也使生产技术和教学方式产生了革命性的变化。1)计算机辅助设计（CAD，Computer-AidedDesign）。早期的CAD主要是利用计算机代替人工绘图，以提高绘图质量和效率，其后的三维图形显示使设计人员可以从各种角度观察物体的动态立体图，并可进行修改。借助计算机的快速计算优点，可以随意改变产品的参数，以选择最佳设计方案，加上分析、模拟手段，可以利用计算机生成产品模型代替实物样品，既降低了试制成本，也缩短了研制周期。此类方法也称为计算机辅助工程（CAE）。2)计算机辅助制造（CAM，Computer-AidedManufacturing）。这方面的典型应用是数控加工，使计算机按已经编制好的程序控制刀具的启、停、运动轨迹和刀具速度及切削深度等进行零件加工。3)计算机集成制造系统（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）。CIMS是美国学者Harrington首先提出的概念，其中心思想是将企业的各个生产环节紧密结合，形成集设计、制造和管理为一体的现代化企业生产系统。此生产模式具有生产率高、生产周期短等优点，一些专家甚至认为，CIMS有可能成为21世纪制造工业的主要生产模式。4)计算机辅助教学（CAI，Computer-AidedInstruction）。随着计算机技术的进步，传统的“黑板+粉笔”的教学手段已经难以完全适应新的教学需要，借助新的支持环境，如多媒体授课中心等设施和计算华图网校公职课程第[5]页客服电话：400-678-1009机辅助教学软件（称为课件），可以获得更好的教学效果。通过CAI，既可以加深感性认识，又可以增加信息量，还可以增强学生的动手能力。教师很容易进行对学生的个别指导。人工智能人工智能研究的主要目的是用计算机模拟人的智能，其发展主要有以下几个方面。1)机器人。实现类似于人的机器人是人类长期以来的梦想，这是指让机器具有感知和识别能力，能说话和回答问题，称为“智能机器人”。目前，应用比较广泛的是“工业机器人”，它由已经编制好的程序进行控制，完成固定的动作，通常可将其应用在某些重复、危险或人类难以胜任的工作中。2)专家系统。专家系统是指用来模拟专家智能的软件系统。该类系统依据事先收集的某些专家的丰富知识和经验，经总结后存入计算机，再构造出相应的推理机制，使该软件可以通过自己的推理和判断，对用户的问题做出回答。目前，专家系统最典型的应用是医疗方面。3)模式识别。这部分应用的研究重点是图形和语言识别，可以应用在机器人感觉和听觉、公安部门的指纹分辨、签字辨认等方面。此外，数据库智能检索、机器翻译、定理的机器证明等也都属于人工智能范畴。计算机仿真计算机仿真的目的是用计算机模拟实际事物。例如，利用计算机可以生成产品（如汽车、飞机等）的模型，降低产品的研制成本，且大幅度缩短研制周期；利用计算机可以进行危险的实验，如武器系统的杀伤力、宇宙飞船在空中的对接等；利用计算机模拟自然景物，可以达到十分逼真的效果，现代电影、电视中广泛采用了这些技术。此外，在20世纪80年代末，出现了综合使用上述技术的所谓