1、计算机应用基础绍兴文理学院上虞分院计算机应用基础教学组2012.09第1章 计算机基础知识本章要点：计算机的基础知识计算机的基本组成和基本原理微型计算机系统 现代计算机是一种能帮助人们收集、存储、加工、传递各种信息的数字化电子设备。计算机技术及其应用已渗透到科学技术、国民经济、社会生活等各个领域，改变了人们传统的工作、学习和生活方式，现代信息技术的发展使得各行各业的人们都已经离不开计算机这个强大的信息处理工具。本章主要介绍计算机的基础知识和计算机系统。1.1计算机基础知识 计算机技术的飞速发展，极大地改变了人们的生活和工作。在信息化社会中，掌握计算机的基础知识及操作技能是工作、学习、生活所必须
2、具有的基本素质。本节将讲述计算机的诞生，计算机发展及趋势，计算机特点、分类和计算机在信息社会中的应用。1.1.1计算机的诞生与发展一、计算机诞生的“史前”时代 计算机是一种机器，是人类发明的一种工具。真正意义上的计算机历史至少可以追溯到公元前至1200年前，在Sumer一些有文化的居民用陶土碑和代表我国古代人民智慧的结晶算盘记录他们的商业事务。1642年法国物理学家帕斯卡发明了机械的齿轮式加减法器，1673年德国数学家莱布尼兹发明了乘除器，诞生了能进行四则运算的机械式计算器，商品的机械计算机在1820真正出现了。在十九世纪三四十年代英国发明家查里斯巴贝齐设计了差分机和分析机。他设计的分析机虽有
3、了今天计算机的基本框架，但由于技术限制，用机械方式实现如此复杂的过程几乎是不可能的，巴贝齐的计算机器都没有完成。在计算机的奠基方面，其中最重要的代表人物是英国数学家阿兰图灵（AlanM.Turing）和美籍匈牙利数学家冯诺依曼（John Von Neumann，如图1.1所示）。图灵在二十世纪四十年代提出了一种自动计算机器的模型，这种模型后来被人们称为“图灵机”。他指出了一个原理：图灵机是一种非常强有力的计算“工具”，一切可能的机械式计算过程都可以由图灵机实现。图灵又进一步指出：存在着一个“通用”图灵机，它可以实现所有图灵机的功能。这个结论告诉人们，完全没有必要再去一个个地制造加法机器、乘法机
4、器、最大公约数机器等等，只要能制造出一种具有与“通用图灵机”功能等价的机器，所有计算问题的运行基础就能一下子迎刃而解了。图灵的工作对于计算机领域的发展是如此重要，以致在计算机领域中最重要的奖项用他的名字命名，这就是著名 的“图灵奖”图灵对计算机的贡献主要有两个：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算性理论，对数字计算机的一般结构，可实现性和局限性都产生了意义深远的影响。提出了定义机器智能的图灵测试，奠定了人工智能的基础。美籍匈牙利数学家冯诺依曼在1944年参加由莫奇利和埃克特领导的ENIAC计算机的研究，他提出了存储程序式通用电子计算机方案，他认为计算机应具备计算器，逻辑控制装置，存储器，输入设
5、备，输出设备五个部分，成功设计了世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC，并将这五个部分的功能应用于EDVAC。图1.1 图灵 冯诺依曼理论的要点主要有二个：数字计算机的数制采用二进制。计算机应该按照程序顺序执行。冯诺依曼理论确立了计算机的基本结构，直到今天，通用计算机仍采用冯诺依曼理论的存储程序和程序控制的设计思想，被称为冯诺依曼结构计算机。图1.2 冯诺依曼 二、第一台电子数字计算机的诞生 第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。经过三年紧张的工作，图1.3 第一台电子计算机 19
6、46年2月1日，世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）宣告研制成功。如图1.3所示。ENIAC的研制成功，是人类信息技术发展史上的一座里程碑，是在发展计算技术的历程中达到的一个新的高度，同时也是一个新的起点。图1.3 第一台电子计算机 ENIAC计算机的最初设计方案，是由36岁的美国工程师莫奇利于1943年提出的。总工程师由年仅24岁的埃克特担任。ENIAC共使用了18000个电子管，1500个继电器以及其他器件，安装在面积为915米2的室内。ENIAC的存储量很小，只能存放20个10位的十进制数
7、，运算速度为5000次/秒加法运算。虽然ENIAC的能力根本无法与现在的计算机相比，但它开启了人类用计算机处理信息的崭新一页。ENIAC的存储容量很小，程序是用线路连接的方式实现的，不便于使用；为了进行几分钟或几小时的数字计算，要花费几小时甚至天的时间做准备。ENIAC用了多个开关和配线盘。每当进行不同的计算时，科学家们就要切换开关和改变配线，这使当时从事计算的科学家看上去更像在干体力活。由于耗电大，电子管的寿命又短，工作时常常会因烧坏电子管而被迫停机检修。美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出了解决此问题之道，这就是“程序存储方式”。通俗地讲就是把原来通过切换开关和改变配线来控制的运算步骤，以程序方式
8、预先存放在计算机中，然后让其自动计算。在以后的时期中，计算机的发展正是沿着“程序存储方式”这一道路前进的。三、计算机的发展 计算机从最初用电子管作为元器件，发展到今天用超大规模集成电路作为元器件，已走过了60多年的历程。习惯上，人们根据计算机所用的逻辑元器件的种类不同对计算机进行了分类，大致上分成4个发展阶段。1、采用电子管的第一代计算机(19461957年)第一代计算机的逻辑元件采用电子管（如图1.4所示），通常称为电子管计算机。主要用于数值计算。主要特点是：(1)采用电子管作为基本逻辑部件，体积大，耗电量大，寿命短，可靠性大，成本高。(2)容量很小，后来外存储器使用了磁鼓存储信息，扩充了容
9、量。(3)输入输出装置落后，主要使用穿孔卡片，速度慢，使用十分不便。(4)没有系统软件，只能用机器语言和汇编语言编程图1.4 电子管 图1.5 晶体管 图1.6 集成电路 2、采用晶体管的第二代计算机计算机(19581964年)第二代计算机的逻辑元件采用晶体管（如图1.5所示），即晶体管计算机。应用范围由数值计算扩大到数据处理和工业控制。主要特点是：(1)采用晶体管制作基本逻辑部件，体积减小，重量减轻，能耗降低，成本下降，计算机的可靠性和运算速度均得到提高。(2)普遍采用磁芯作为贮存器，采用磁盘/磁鼓作为外存储器。(3)开始有了系统软件(监控程序)，提出了操作系统概念，出现了高级语言。3、采用
10、集成电路的第三代计算机（19651970年）第三代计算机采用集成电路（如图1.6所示）制作逻辑开关部件。主要特点是：(1)采用中，小规模集成电路制作各种逻辑部件，体积小，重量更轻，耗电更省，寿命更长，成本更低，运算速度有了更大的提高。(2)采用半导体存储器作为主存，取代了原来的磁芯存储器，使存储器容量和存取速度有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力。(3)系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统，多用户可以共享计算机软硬件资源。(4)在程序设计方面上采用了结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。4、使用超大规模集成电路的第四代计算机（1971年至今）第四代计算机的逻辑元件采用大
11、规模集成电路(LSI)。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。目前使用的计算机都属于第四代计算机。主要特点是：(1)基本逻辑部件采用大规模、超大规模集成电路，使计算机体积，重量，成本均大幅度降低，出现了微型机。(2)作为主存的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除广泛使用软，硬磁盘外，还引进了光盘、大容量的移动存储器。(3)各种使用方便的输入输出设备相继出现。(4)软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了用户。(5)计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起。(6)多媒体技术崛起，计算机集图像，图形，声音，文字，处理于一体，在信息处理领域掀
12、起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。从20世纪80年代开始，发达国家开始研制第五代计算机，研究的目标是能够打破以往计算机固有的体系结构，使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，实现接近人的思考方式图1.7 Intel 迅驰 CPU实物图起止年代主要元件主要元件图例速度（次/秒）特点与应用领域第一代19461957年电子管5千1万次计算机发燕尾服的初级阶段，体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小，主要用来进行科学计算。第二代19581964年晶体管几万几十万次体积减小，耗电较少，运算速度较高，价格下降，不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务
13、管理，并逐渐用于工业控制。第三代19651970年中、小规模集成电路几十万几百万次体积、功耗进一步减小，可靠性及速度进一步提高，应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面。第四代1971年至今大规模和超大规模集成电路几千万千万亿次性能大幅度提高，价格大幅度下降，广泛应用于社会生活的各个领域，进入办公室和家庭，在办公自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域中大显身手。四、新一代计算机的构想 新一代计算机，即第五代电子计算机也被称为“智能计算机”。从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。普遍认为新一代计算
14、机应该是智能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型化，网络化发展。第五代计算机的目标是成为有人工智能的计算机，它具备了常识、推论、闪出智能火花、判断功能。智能计算机突破了传统的冯诺依曼式机器的概念，舍弃了二进制结构，把许多处理机并联起来，并行处理信息，速度大大提高。它的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需发出命令或提出要求，电脑就会完成推理和判断，并且给出解释。日本公布的第五代计算机称为知识信息处理系统（KIPS）。它不像前四代计算机那样按事先的程序来解决问题，而是根据用户提出的问题自动选择内置在知识库中的规则，通过推理来解答问题。因此，这种智能计算机必须包括支持逻辑推
15、理的推理机，支持知识库及其查询的知识库机，以及多媒体人机界面等。虽然KIPS至今没有实现，但随着各国对智能计算机研制的深入，采用非冯诺依曼结构的各种并行结构计算机（如向量计算机、阵列计算机、数据流计算机等）不断涌现，为研制并行推理机、知识库查询机，以及与它们配套的核心创造了条件。目前的主流计算机仍以冯诺依曼结构为主体。科学家预言，未来将出现光计算机、生物计算机、超导计算机和模糊计算机等。1、光计算机 是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光计算机的基本组成部件是集成光路。运用集成光路技术，可以把光开关或光存储等器件集成在一块芯片上，制成单一功能的集成光路；也可以将光
16、源、光波导（用以构成集成光路中的连接元件）、光开关、光存储等器件集成在一块芯片上，以组成一个完整的光系统。要得到一台光计算机，可以选用集成光路进行组装，而光导纤维则能用作光计算机之间的直接通信线。光计算机的优点在于运算速度快。与当前运算速度最高的巨型计算机相比要快数百倍。存储容量大。它的存储容量可达100亿亿二进制信息位，将是现有电子计算机的几万亿倍。可以同时处理几路信息。不受磁场影响。光计算机是利用光传输信息，不会受磁场影响。世界上许多国家正在努力发展光计算机。据1983年英国皇家学会宣布，英、法、前联邦德国、意大利等西欧国家的科学家集中在英国共同研制世界上第一台光计算机。1984年6月美国
17、宣布已经制造了第一台光计算机的设备，不过它只能在接近绝对零度条件下工作。日本对光计算机研究甚为重视，从1979年开始推行“光电子技术开发计划”。目前光计算机的研究工作仍处于实验室阶段。今后，光计算机将开始取代电子计算机。2、生物计算机 利用有机分子作为基本部件制成的计算机。因为有机分子存在于生物体内，所以这种计算机又称“生物计算机”。目前，生物计算机研制工作正沿着两种截然不同的方向进行。第一种是用有机分子取代当代的半导体，研制一种能完成数字计算机逻辑元件和存储元件功能的分子电子器。因此，生物计算机通常也称分子计算机。另一种是模拟活生物体。因为机体的免疫系统内，当大量病菌侵入血液，白血球能识别进
18、入血液的病原菌表面分子结构后，在白细胞内外引起一连串防御性的化学反应。科学家希望类似的反应能在由彼此相互作用的蛋白质和其他复杂分子构成的生物计算机中出现。事实上，生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中表示出来。由于有机分子构成的生物化学元件的特殊性，生物计算机就具有显著的优点：体积小、功效高。以分子水平的线路为目标的生物化学元件线度可达几百埃（10-8cm），一平方毫米的面积上可容数亿个电路，比目前的电子计算机提高了几百倍。可靠性高。因为生物本身具有自我修复的机能，所以即使计算机芯片出了故障也能自我
19、修复。耗能少。有机分子构成的生物化学元件是利用化学反应工作的，需要能量少，不存在发热问题。目前，生物计算机正在崛起，上世纪80年代初，美国首先燃起了生物计算机的兴趣之火，1983年11月召开了近40名不同学科的科学家对制造生物计算机的可能性问题进行讨论。1987年英国拨款3000万英镑用于研制生物计算机。目前，生物计算机的研制还在继续。3、超导计算机 用超导器件作为元件的计算机。1911年荷兰物理学家昂尼斯发现水银冷却到4.2K时，电流可无阻地流过，这种现象称为超导电现象。具有超导电性质的物质，叫超导体。1962年正在英国剑桥大学攻读物理博士学位的约瑟夫森制成了超导开关器件和超导存储器这两种计
20、算机中最基本的器件。这两种器件又称约瑟夫森器件。这种器件具有如下特点：开关速度快。目前已达几微微秒，比高速硅集成电路快几百倍。功耗非常小。仅为硅集成电路的几百分之一。有人预测，过去需要10千瓦功率的大中型计算机，如用约瑟夫森器件制成的超导计算机，则只需1节干电池。功耗小，散发热量少，集成度高。器件结构基本上和现行大规模集成电路相同。因此，超导计算机的性能是目前计算机所无法比拟的。事实上，近十几年来，人们一直为实现超导计算机而努力奋斗，制造了具有独特优点的各种器件。例如，美国于1976年曾观察到单一约瑟夫森器件的开关速度为29微微秒；1978年在第25届国际固体电路会议上报告称：一种实验性超导开
21、关逻辑电路，开关速度为42微微秒；1983年11月日本却获得开关速度为5.6微微秒。尽管目前进展很快，但与研制成超导计算机还有相当距离。其主要原因是：各类约瑟夫森器件相连结是个难题；超导计算机要有超低温环境，这就需要附加一整套超低温设备；超导计算机如何与输入、输出等外部设备相接等问题都有待解决。所以，有人把超导计算机称为“梦幻式计算机”，可见制造超导计算机相当困难。4、模糊计算机 是一种专门用以处理模糊信息的计算机。众所周知，迄今为止的电子计算机采用的数学语言都是由“0”和“1”两个数码构成的。具有两大优点：一是信息十分精确，判别一个简单的概念，往往需要进行一大堆数学运算，得出很高的精度。二是
22、硬件容易实现（只需两种状态即可）。但有一个明显的缺点是对自然现象和人类社会中大量的模糊信息就不能只用当前计算机中的“1”（是）和“0”（非）这样“一板一眼”两值逻辑来处理，有的甚至使计算机无能为力。因事物具有相对性，它们中间没有截然可分的界限，这些没有确切界限的事物及其表达形式被称为模糊概念。它是一种不规则的逻辑，由此构成的信息是含义模糊的信息，即模糊信息。例如要表达一个人老态龙钟，便可用白发苍苍、步履蹒跚、面容憔悴等一些形容词来说明，这便是典型的模糊信息。人脑能非常敏捷地处理模糊信息，因此，科学家们设想制造模糊计算机，这种计算机除了具有一般计算机的功能外，还像人脑一样具有学习、思考、判别和对
23、话功能。日本于1984年首先提出研制模糊计算机，并以不规则、非逻辑为基本函数的理论为基础，设计、试制成功模糊集成电路，使计算机的体积大幅度下降。但要真正能够研制成尽可能具有人脑功能的模糊计算机，就必需要集中大量电子学、心理学、大脑生理学、语言学等专家一起来开发和研制。如果一旦研制成功具有人工智能水平的计算机，必将对人类社会产生极其深刻的影响。五、计算机发展趋势 计算机发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化等多极方向发展。巨型化：天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算，要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量，这就需要研制功能更强的巨型计算机。微型化：专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家
24、用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机（笔记本型）和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。网络化：将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接，就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用大大提高。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网（INTERNET，也译为国际互联网）就是一个通过通信线路连接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网，人们足不出户就可获取大量的信息，与世界各地的亲友快捷通信，还能进行网上贸易
25、等。智能化：目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动，因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言，能识别图形，能自行学习等，这就需要进一步进行研究。近年来，通过进一步的深入研究，人们发现由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机，例如生物计算机、光子计算机、超导计算机等。六、计算机在我国的发展 华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和最主要的开拓者之一。1952年在全国大学院系调整时，他从清华大学电机系物色了闵乃大、夏培肃和王传英三位科研人员在他任所长的中国科学院数学所内建立了中国第一个电子计算机科研
26、小组。我国从1957年开始研制通用数字电子计算机，1958年8月1日该机可以表演短程序运行，标志着我国第一台电子计算机诞生。为纪念这个日子，该机定名为八一型数字电子计算机。改名为103型计算机(即DJS-1型)，从1958年起，我国在研制第一代电子管计算机的同时就开始酝酿研制晶体管计算机，1965年研制成功的我国第一台大型晶体管计算机（109乙机），改进后的109丙机在我国两弹试验中发挥了重要作用，被用户誉为“功勋机”。我国到1970年初期陆续推出大、中、小型采用集成电路的计算机。1973年，北京大学与北京有线电厂等单位合作研制成功运算速度每秒100万次的大型通用计算机。进入上世纪80年代，我
27、国高速计算机，特别是向量计算机有新的发展。1983年中国科学院计算所完成我国第一台大型向量机757机，计算速度达到每秒1000万次。这一记录同年就被国防科大研制的银河-I亿次巨型计算机打破。银河-I巨型机是我国高速计算机研制的一个重要里程碑，它标志着我国文革动乱时期与国外拉大的距离又缩小到7年左右。和国外一样，我国第四代基于超大规模集成电路的计算机研制也是从微机开始的。1983年原电子部六所研制成功与IBM PC机兼容的DJS-0520微机。1992年国防科大研究成功银河-II通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算(相当于每秒10亿次基本运算操作)，总体上达到上世纪80年代中后期国际先进
28、水平。从上世纪90年代初开始，国际上采用主流的微处理机芯片研制高性能并行计算机已成为一种发展趋势。国家智能计算机研究开发中心于1993年研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机。1995年，国家智能机中心又推出了国内第一台具有大规模并行处理机(MPP)结构的并行机曙光1000(含36个处理机)，峰值速度每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。1997年国防科大研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统，采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构，系统综合技术达到上世纪90年代中期国际先进水平。国家智能机中心与曙光公司于1997至2004年先后在市场上推出具有机群结
29、构的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超级服务器，曙光3000超级服务器、曙光4000超级服务器。其中，面向网格的曙光4000A具有十万亿次浮点运算能力。曙光4000系列为中国在高性能计算机（HPC）技术和产业超过欧洲位居世界第三做出了重要贡献，使中国商品化HPC的制造水平达到世界先进水平。1.1.2计算机的特点与分类一、计算机的特点 计算机现已成为当今社会各行各业不可缺少的工具。计算机具有以下特点。、运算速度快 计算机由子器件构成，具有很高的处理速度。目前世界上最快的计算机每秒可运算万亿次，普通PC机每秒也可处理上百万条指令。这不仅极大地提高了工作效率，而且使时限性强的复杂
30、处理可在限定的时间内完成。例如，计算机控制导航，要求“运算速度比飞机飞的还快”；气象预报要分析大量资料，如用手工计算需要十天半月，失去了预报的意义。而用计算机，几分钟就能算出一个地区内数天的气象预报。、计算精度高 由于计算机采用二进制数字进行计算，因此可以用增加表示数字的设备和运用计算技巧等手段，使数值计算的精度越来越高，可根据需要获得千分之一到几百万分之一，设置更高的精度。历史上有个著名数学家挈依列，曾经为计算圆周率，整整花了15年时间，才算到第707位。现在将这件事交给计算机做，几个小时内就可计算到10万位。、“记忆”能力强大 计算机的存储器类似于人的大脑，可以记忆大量的数据和计算机程序，
31、随时提供信息查询、处理等服务。早期的计算机，由于存储容量小，存储器常常成为限制计算机应用的“瓶颈”。今天，一台普通的PC机内存可达16-64MB，能支持运行大多数窗口应用程序。当然，有些数据量特别大的应用，如大型情报检索、卫星图像处理等，仍需要使用具有更大存储容量的计算机，如主机或巨型机。、具有逻辑判断能力 逻辑判断是计算机的又一重要特点，是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。冯诺依曼型计算机的基本思想，就是将程序预先存储在计算机中。在程序执行过程中，计算机根据上一步的处理结果，能运用逻辑判断能力自动决定下一步应该执行哪一条指令。这样，计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合，使得
32、计算机的能力远远超过了任何一种工具而成为人类脑力延伸的有力助手。例如，数学中有个“四色问题”，说是不论多么复杂的地图，使相邻区域颜色不同，最多只需四种颜色就够了。100多年来不少数学家一直想去证明它或者推翻它，却一直没有结果，成了数学中著名的难题。1976年两位美国数学家终于使用计算机进行了非常复杂的逻辑推理验证了这个著名的猜想。、具有自动控制能力计算机是由程序控制其操作过程的。只要根据应用的需要，事先编制好程序并输入计算机，计算机就能自动、连续的工作，完成预定的处理任务。计算机中可以存储大量的程序和数据。存储程序是计算机工作的一个重要原则，这是计算机能自动处理的基础。、通用性强计算机能够在各
33、行各业得到广泛的应用，原因之一就是具有很强的通用性。计算机将任何复杂的信息处理任务编成各种不同的程序，存入存储器中。计算机能自动、快速地信息处理，并且十分灵活、方便、易于变更，这就使计算机具有极大的通用性。同一台计算机，只要安装不同的软件或连接到不同的设备上，就可以完成不同的任务。、人机交互轻松自如计算机具有多种输入输出设备，配上适当的软件后，可支持用户进行方便的人机交互。如鼠标器，当用户手握鼠标，只需轻轻一点，计算机便随之完成某种操作功能，真可谓“得心应，心想事成”。当这种交互性与声像技术结合形成多媒体用户界面时，更可使用户的操作达到自然、方便、丰富多彩。二、计算机的分类 计算机的分类从不同
34、的角度来考虑有多种不同的分类。、从处理的信号类型来分，可分为数字电子计算机和模拟电子计算机。（）数字电子计算机 数字电子计算机以数字量（也称为不连续量）作为运算对象并进行运算，其主要特点是：运算速度快、精确度高、具有“记忆”（存储）和逻辑判断能力。计算机的内部操作和运算是在程序控制下自动进行的。一般不特别说明，计算机指的就是数字电子计算机。（）模拟电子计算机 模拟电子计算机时一种用连续变化的模拟量（如电压、长度、角度来模仿实际所需要计算的对象）作为运算对象的计算机，其主要特点是：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
35、，目前已很少生产。、按用途来分，可分为通用计算机和专用计算机（）通用计算机：用于解决各类问题而设计的计算机。通用计算机及可以进行科学计算、工程计算，也可用于数据处理和工业控制等。它是一种用途广泛、结构复杂的计算机。（）)专用计算机：为某种特定目的而设计的计算机。例如用于数控机床、轧钢控制、银行存款等的计算机。专用计算机针对性强、效率高、结构比通用计算机简单。、按性能、规模大小来分，可分为巨型计算机、大中型计算机、小型计算机、微型计算机等。（）巨型计算机：规模大、速度快的计算机。目前巨型计算机的运算速度已达万亿次/秒。巨型机一般用在国防和尖端科学领域。如战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空
36、间技术、石油勘探、长期天气预报以及社会模拟等领域。我国是世界上少数几个能生产巨型机的国家之一，著名巨型机如：美国“走鹃”和“美洲豹”及欧洲最新的“Jugene”巨型计算机，我国自行研制的面向网格的曙光4000A（如图1.8所示）具有十万亿次浮点运算 图1.8 曙光4000A计算机能力。代表着我国计算机的最高水平。现在世界上运行速度最快的巨型机已达到每秒千万亿次浮点运算。（）大中型计算机：规模较大、速度较快的计算机。一般只有大中型企事业单位才有必要配置和管理它。以大型主机和其他外部设备为主，并且配备众多的终端，组成一个计算机中心，才能充分发挥大型主机的作用。美国 IBM公司生产的IBM360、I
37、BM370、IBM9000系列，就是国际上有代表性的大型主机。主要用于一般科学计算、事务处理等。（）小型计算机：一般为中小型企事业单位或某一部门所用，例如高等院校的计算机中心都以一台小型机机为主机，配以几十台甚至上百台终端机，以满足大量学生学习程序设计课程的需要。当然其运算速度和存储容量都比不上大型主机。美国DEC公司生产的 VAX系列机、IBM 公司生产的AS/400机，以及我国生产的太极系列机都是小型计算机的代表。（）微型计算机：是以微处理器为核心，体积较小的计算机，如各种台式计算机、笔记本电脑、掌上计算机、智能手机、3G手机等。它们的特点是轻、小、价廉、易用。它虽然问世较晚，却发展迅猛，
38、今天，微型计算机的应用已遍及到各个领域：从工厂的生产控制到政府的办公自动化，从商店的数据处理到个人的学习娱乐，几乎无处不在，无所不用。同时，随着3G时代的到来，其功能会越来越强，也将获得更大的发展。如图1.9所示为微型计算机的两种实例。图1.9 微型计算机1.1.3计算机在信息社会中的应用一、科学计算 科学计算也称数值计算，是计算机最早的应用领域科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。计算机不仅快,而且精度高。以天气预报为例，如果用人工进行计算，预报一天的天气情况就需要计算几个星期，这就失去了时效。若用高性能的计
39、算机系统，取得10天的预报数据只需要计算数分钟，这就使中、长期天气预报成为可能。今天，科学计算在计算机应用中所占的比重虽然不断下降，但在天文、地质、生物、数学等基础科学研究，以及空间技术、新材料研制、原子能研究等高、新技术领域中，仍然占有重要的地位。在某些应用领域，对计算机的速度和精度仍不时提出更高的要求。二、数据处理 数据处理是又称信息加工，指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80以上的计算机主要用于数据处理，成为最大的计算机应用领域。直到今天，数据处理在所有计算机应用中仍稳居第一位，耗费的机时大约占到全部计算机应用的23。数据处理是现代
40、化管理的基础，它不仅可应用于处理日常的事务，还能支持科学的管理与决策。一个企业，从市场预测、情报检索，到经营决策、生产管理，无不与数据的处理有关。随着数据处理应用的扩大，在硬件上刺激着大容量存储器和高速度、高质量输入/输出设备的发展,同时，也在软件上推动了数据库管理系统、表格处理软件、绘图软件以及用于分析和预测应用的软件包的开发。三、过程控制 过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、
41、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。四、辅助技术 计算机辅助技术包括：计算机辅助教学（computer aided instruction，CAI）、计算机辅助设计（computer aided design，CAD）、计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）、计算机辅助测试（computer aided testing，CAT）、计算机集成制造系统（computer integrated m
42、anufacturing systems，CIMS）等。、计算机辅助教学(computer aided instruction，简称CAI)计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。、计算机辅助设计(computer aided design，简称CAD)计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程
43、中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。、计算机辅助制造(computer aided manufacturing，简称CAM)计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。、计算机辅助测试(computer aided testing，简称CAT)计算机辅助测试是利用计算机作为工具的测试过程被测试的对象往往具有
44、规模大，或内部结构复杂，或测试工作量大，或精度要求高的特点，它们无法进行人工测试，利用计算机 辅助测试可以大大加快测试速度,提高测试精度，减少测试费用，也可以缩短产品的研制周期，提高产品的可靠性有些复杂的数字系统，由于其规模大，内部结构复杂且无法直接接触，测试工作量很大，单靠人工方法已不能完成，只有借助于计算机才能完成。例如大规模集成电路如果没有计算机辅助测试，几乎不可能有工业化的批量生产。、计算机集成制造系统（computer integrated manufacturing systems，简称CIMS）计算机集成制造系统它是集设计、制造、管理等三大功能于一体的现代化工厂生产系统。CIMS
45、是从80年代初期迅速发展起来的一种新型的生产模式，具有生产效率高，生产周期短等优点。是将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，将真正做到无人化工厂(或车间)。五、人工智能 人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)也称为“智能模拟”，是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。近20余年来，围绕AI的应用主要表现在以下几个方面：、机器人（Robots）：机器人诞生于美国，但发展最快的是日本。一类叫“工业机器人”，它由事先编制好的程序控制，通常用于完成重复性的规定操作：另一类是“智能机器人”，具有感知和识别能力，能说话和回答问题。
46、、专家系统（Expert System）：专家系统是用于模拟专家智能的一类软件。需要时只须由用户输人要查询的问题和有关数据，专家系统通过推理判断向用户作出解答。该软件既能保存专家的知识经验，又能模仿专家的思想与行为，所以称为专家系统。著名的“关幼波肝病诊疗程序”，就是根据我国著名中医幼波的经验制成的一个医疗专家系统。、模式识别（Pattern Recognition）：这是AI最早的应用领域之一，重点是研究图形（包括符号和图像）识别和语言识别。它的实质是抽取被识别对象的特征，即所谓模式，与事先存在于计算机中的已知对象的特征进行比较与判别。例如，机器人的社视觉器官和听觉器官、公安机关的指纹分辨，
47、乃至能够识别手写邮政编码的自动分信机，都是模式识别的应用实例。、智能检索（Intelligent Search）：它除存储经典数据库中代表已知“事实”外，智能数据库和知识库中还存储供推理和联想使用的“规则”，因而智能检索具有一定的推理能力，能根据规则去推知比已知事实更多的内容。例如机器人虽然有一个“大脑”，但它的数据库容量有限，如果让它具有智能检索功能，必能使机器人更聪明。六、网络与数据通信 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类
48、数据的传输与处理。先进的网络技术的应用，将会引发信息革命。1.2计算机系统1.2.1 计算机的基本组成 一个完整的计算机系统是由计算机硬件系统和软件系统组成，如图1.10所示。硬件系统是计算机系统的物质基础，是软件系统的载体，也称“硬设备”；软件系统是计算机系统的灵魂，软件系统控制、指挥和协调整个计算机系统的运行，也称为“软设备”。我们平时讲到“计算机”一词，都是指含有硬件系统与软件系统的计算机系统。图1.10 计算机系统组成一、计算机硬件系统 计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。由运算器（Calculator，又称算术逻辑单元
49、ALU，Arithmetic Logic Unit）、控制器（ontroller）、存储器（Memory）、输入设备（Input Device）和输出设备（Output Device）五大部件组成的计算机硬件结构称为冯诺依曼结构。其中的运算器和控制器构成了计算机的核心部件中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。计算机硬件系统的体系结构，如图1.11所示：图1.11 计算机硬件体系结构、存储器 存储器是计算机存放指令和数据的部件。计算机可根据需要随时向存储器存取数据。向存储器存放数据，称为“写入”；从存储器取出数据，称为“读出”。存储器中有许多存储单元，每一个单
50、元可以存放一个字或字节的信息。为了使计算机能识别这些单元，每个存储单元有一个编号，称之为“地址”。这与旅馆中的房间（存储单元）和房号（存储地址）相似。存储器的工作方式就是按存储单元的地址来实现对存储字或字节的存（写入）和取（读出）的，通常称为按地址访问存储器。地址是识别存储器中不同存储单元的唯一标志。、控制器 控制器是计算机的控制指挥部件，也是整个计算机的控制中心，其重要功能是对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生各部件所需要的控制信号，通过向计算机的各个部件发出控制信号，使整个计算机自动、协调地工作。如控制存储器和运算器之间进行信息交换，控制运算器进行运算，控制输入输出设备的正常工作
