計算機基礎知識1

1、第1章計算機基礎知識自從1946年誕生第一臺計算機以來，計算機技術得到了迅猛發(fā)展。尤其是微型計算 機的出現(xiàn)以及互聯(lián)網的發(fā)展，使得計算機及其應用已滲透到了社會的各個領域，有力地推 動了社會信息化的發(fā)展，并形成了計算機文化(computer literacy )。掌握和使用計算機已成為現(xiàn)代社會必不可少的知識與技能。學習計算機文化，首先要了解計算機的基礎知識。本章將介紹計算機的基礎知識，包 括計算機的發(fā)展、分類及應用，計算機中的數制，計算機中的信息表示以及計算機文化的 內涵等。1.1計算機概述計算機的全稱是電子數字計算機，是一種能夠快速、高效地對各種信息進行存儲和處 理的電子設備。它按照事先編寫的程

2、序對輸入的原始信息進行加工、處理、存儲或傳輸， 以獲得預期的輸出信息，并利用這些信息來提高社會生產率，改善人民的生活質量。計算 機最早用于數值計算，隨著計算機技術和應用的發(fā)展，如今計算機已成為進行信息處理必 不可少的一種工具。1.1.1計算機發(fā)展簡史在歷史發(fā)展的長河中，人類發(fā)明了各種省時、省力的工具以輔助自身處理各種事務。 如發(fā)明算盤用于計算，發(fā)明紙張用于傳遞信息，發(fā)明打字機用于幫助書寫等。隨著時代的 進步，需要處理的信息越來越復雜多樣，再針對具體事務而發(fā)明相應的工具多有不便，在這種情況下，能夠綜合處理各種事務的計算機便應運而生。1. 計算機的誕生1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學研制出了第

3、一臺電子數字積分計算機(electronicnumerical integrator and calculator, ENIAC ),中文譯為埃尼阿克。它標志著第一代計算機 的誕生。20世紀40年代初，第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)事正酣，由于導彈、火箭、原子彈等現(xiàn)代科學 技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大量極其復雜的數學問題，原有的計算工具已無法滿足要求；而當時 電子學和自動控制技術的迅速發(fā)展，也為研制新的計算工具提供了物質技術條件。于是 1943年，在美國陸軍作戰(zhàn)部的資助下，由物理學家莫奇利( John W. Mauchly )博士和?？?特(J. Presper Eckert)博士領導的研究小組開始設計制造電子計算

4、機。該機于1946年2月正式通過驗收并投入運行，一直服役到1955年，這是世界上首臺真正能自動運行的電子計算機。它使用了18800只電子管，1500多只繼電器，7000多只電阻，耗電 150kW，占地精品文檔面積150怦，重量超過30t，每秒能完成5000次加法運算。ENIAC的主要缺點是存儲容量 太小，只能存儲20個字長為10位的十進制數，基本上不能存儲程序，每次解題都要依靠 人工改接連線來編程序。盡管存在許多缺點，但是它為計算機的發(fā)展奠定了技術基礎。計算機的誕生標志著人類在長期生產勞動中制造和使用的各種計算工具（如算盤、計 算尺、手搖計算機、機械計算機及電動齒輪計算機等）的能力，隨著世界文

5、明的進步飛躍 發(fā)展到了一個嶄新的階段，同時也標志著人類電子計算機時代的到來，具有劃時代意義。2. 計算機的發(fā)展階段六十多年來，計算機隨著電子元器件的發(fā)展而迅速發(fā)展，計算機的性能得到了極大的 提高，其體積大大縮小，功能越來越強，應用越來越普及。計算機的發(fā)展階段通常按照計 算機中所采用的電子器件來劃分，可分為 4個階段。1）第1代計算機（19461958年）第1代計算機是電子管計算機，采用電子管作為計算機的邏輯元件，內存儲器為水銀 延遲線，外存儲器為磁鼓、紙帶、卡片等。內存容量為幾千個字，運算速度為每秒幾千到 幾萬次基本運算。它采用二進制表示的機器語言或匯編語言編寫程序，主要用于軍事和科 研部門進

6、行數值運算。第1代計算機的典型代表是1946年美籍匈牙利數學家馮諾依曼（Von Neumann ）博士與他的同事們在普林斯頓研究所設計的存儲程序計算機EDVAC （ electronic discretevariable automatic computer，埃德瓦克）。它的設計與 ENIAC不同，體現(xiàn)了 存儲程序原 理”和“二進制”的思想，產生了所謂的馮諾依曼型計算機結構體系，對后來計算機的 發(fā)展有著深遠影響。2）第2代計算機（19581964年）第2代計算機是晶體管電路計算機，采用晶體管制作計算機的邏輯元件，內存儲器多 為磁芯存儲器，外存儲器為磁盤、磁帶等。第2代計算機體積縮小，功耗降低，

7、功能增強，可靠性大大提高，運算速度提高到每秒幾十萬次基本運算，內存容量擴大到幾十萬字。同 時，軟件技術也有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級程序設計語言。計算機的應用從數值計算擴大到數據處理、工業(yè)過程控制等領域，并開始進入商業(yè)市 場。其代表機型有 IBM 公司的 IBM7090、IBM7094、IBM7040、IBM7044 等。3）第3代計算機（19641975年）第3代計算機的基本電子元器件由集成電路（Integrated Circuit ）構成。隨著固體物理技術的發(fā)展，集成電路工藝已可以制作在幾平方毫米的單晶硅基片上集成幾個到幾十個電 子元件（邏輯門）的小規(guī)模

8、或中規(guī)模集成電路。內存儲器已開始采用半導體存儲器芯片， 存儲容量和可靠性都有了較大提高，計算機同時向標準化、多樣化、通用化、機種系列化 發(fā)展。高級程序設計語言在這個時期有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了人機會話式語言BASIC，特別是操作系統(tǒng)的逐漸成熟， 成為第3代計算機的顯著特點。計算機開始廣泛應用在各個領域，最有影響的是IBM360系列計算機（中型機），IBM370計算機（大型機）。這個時期的另 一特點是小型計算機的應用，如DEC公司的PDP-11系列小型計算機等。4）第4代計算機（1975年至今）第4代計算機采用大規(guī)模集成電路（large scale integration , LSI）和超大規(guī)模集成

9、電路 （very large scale integration , VLSI ）技術，在硅半導體基片上集成幾百到幾千甚至幾萬個 以上的電子元器件。計算機的運算速度可達每秒幾百萬次甚至上億次基本運算。在軟件方 面，出現(xiàn)了數據庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等，軟件配置空前豐富，應用軟件的開發(fā)已逐步 成為一個龐大的現(xiàn)代化產業(yè)。在研制出運算速度達每秒幾億次、幾十億次，甚至百億次的巨型計算機的同時，微型計算機的產生、發(fā)展和迅速普及是這一時期的一個重要特征。微型計算機誕生于20世紀70年代，80年代得到迅速推廣。 由于它的出現(xiàn)使計算機的應用已經涉及到人類生活和國民 經濟的各個領域，并且進入了家庭，同時也為計算機

10、網絡普及化創(chuàng)造了條件。微型計算機 的出現(xiàn)與發(fā)展是計算機發(fā)展史上的重大事件。表1-1對計算機各個發(fā)展階段的主要特點進行了比較。表1-1計算機各個發(fā)展階段主要特點比較發(fā)展階段性能指標第1代(1946 1958 年)第2代(19581964 年)第3代(1964 1975 年)第4代(1975至今)邏輯元件電子管晶體管中、小規(guī)模集成大規(guī)模、超大規(guī)電路模集成電路主存儲器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓半導體存儲器半導體存儲器輔助存儲器磁鼓、磁帶磁鼓、磁帶、磁鼓、磁帶、磁帶、磁盤、磁盤磁盤光盤處理方式機器語言作業(yè)連續(xù)處理編實時、分時處理多實時、分時處理匯編語言譯語言道程序網絡結構運算速度(次/秒)幾千幾萬幾萬幾十萬

11、幾十萬幾百萬幾百萬幾百億主要特點體積大，耗電大，體積小，重量輕，小型化，耗電少，微型化，耗電極可靠性差，價格昂 貴，維修復雜耗電小，可靠性高可靠性高少，可靠性高從20世紀80年代開始，日本、美國和歐洲部分國家紛紛投入大量的人力和物力研制 新一代計算機，如模擬人腦思維的神經網絡計算機；運用生物工程技術的生物計算機；用 光作為信息載體的光計算機等。新一代計算機與前4代計算機的本質區(qū)別是：計算機的主要功能將從信息處理上升為知識處理，使計算機具有人類的某些智能，所以稱為人工智能 計算機。可以預言，新一代計算機的研制成功和應用，必將對人類社會的發(fā)展產生更為深 遠的影響。3 微型計算機的發(fā)展以微處理器(m

12、icroprocessor)為核心部件的微型計算機屬于第4代計算機。微處理器是利用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術，把運算器和控制器制作在一塊集成電路芯片上形 成的器件，又稱中央處理單元或中央處理器(central processing unit, CPU)。通常以微處理器型號為標志劃分微型計算機，如286計算機、386計算機、486計算機、Pentium計算機、Pentium n計算機、Pentium川計算機、Pentium4計算機等；也可以按 計算機運算部件處理的數據位數來劃分，如8位計算機、16位計算機、32位計算機、64位計算機等，位數越多計算機運算速度越快。微型計算機的發(fā)展史實際上就是微

13、處理器的發(fā)展史。微處理器的發(fā)展一直按照摩爾定 律(Moore law),其性能平均每18個月提高一倍。美國Intel公司的芯片設計和制造工藝一直領導著芯片業(yè)界的潮流，In tel公司的芯片發(fā)展史從一個側面反映了微處理器和微型計 算機的發(fā)展，宏觀上可劃分為80x86時代和Pen tium時代。表1-2列出了 In tel公司生產的微處理器芯片發(fā)展簡史。表1-2 Intel公司生產的微處理器芯片發(fā)展簡史年份芯片名稱位簡單說明19714004/404042250個晶體管，用它制成 4位微型計算機 MCS-41972800883500個晶體管，45條指令1973808086000個晶體管，時鐘頻率2M

14、Hz，運算速度比4004快20倍197880861629000個晶體管，80x86指令集197980881629000個晶體管，時鐘頻率 4.77MHz1982802861613.4萬個晶體管，時鐘頻率20MHz。1984年IBM公司以Intel80286芯片為CPU推出IBM PC/AT計算機1985803863227.5萬個晶體管，時鐘頻率15.2MHz/33MHz19898048632120萬個晶體管，時鐘頻率 25MHz/33MHz/50MHz1993Pentium32310 萬個晶體管，時鐘頻率60MHz/75MHz/90MHz/100MHz/120MHz/133MHz1995Pen

15、tium Pro32550 萬個晶體管，時鐘頻率 150MHz/166MHz/180MHz/200MHz1997Pentium II32750萬個晶體管，時鐘頻率 233450MHz1999Pentium III32950萬個晶體管，時鐘頻率 450MHz1GHz2000Pentium 4324200萬個晶體管，時鐘頻率大于1GHz1971年Intel公司研制成功了第 1臺微處理器4004,并以此為核心組成了微型計算機 MCS-4。1973年該公司又研制成功了8位微處理器8080，隨后其他許多公司競相推出微處理器微型計算機產品。1977年美國APPLE公司推出了著名的 APPLE H計算機，它

16、采用 8 位的微處理器，是第一種被廣泛應用的微型計算機，開創(chuàng)了微型計算機的新時代。1981年IBM公司基于Intel8088芯片推出的IBM-PC計算機以其優(yōu)良的性能、 低廉的價格以及技術 上的優(yōu)勢迅速占領市場，使微型計算機進入到了一個迅速發(fā)展的實用時期。在短短的十幾 年內，微型計算機經歷了從8位到16位、32位再到64位的發(fā)展過程。4. 我國計算機的發(fā)展概況我國從1956年開始研制第1代計算機。1958年研制成功第1臺電子管小型計算機 103 計算機。1959年研制成功運行速度為每秒 1萬次的104計算機，這是我國研制的第1臺大 型通用電子數字計算機，其主要技術指標均超過了當時日本的計算機，

17、與英國同期已開發(fā) 的運算速度最快的計算機相比，也毫不遜色。20世紀60年代初，我國開始研制和生產第2代計算機。1965年研制成功第1臺晶體管計算機DJS-5小型機，隨后又研制成功并小批量生產121、108等5種晶體管計算機。我國于1965年開始研究第3代計算機，并于1973年研制成功了集成電路的大型計算 機150計算機。150計算機字長48位，運算速度達到每秒100萬次，主要用于石油、地質、 氣象和軍事部門。1974年又研制成功了以集成電路為主要器件的DJS系列計算機。1977年4月我國研制成功第一臺微型計算機DJS-050，從此揭開了中國微型計算機的發(fā)展歷史，我國的計算機發(fā)展開始進入第4代計

18、算機時期。如今在微型計算機方面，我國已研制開發(fā)了長城系列、紫金系列、聯(lián)想系列等微機并取得了迅速發(fā)展。在國際科技競爭日益激烈的今天，高性能計算機技術及應用水平已成為展示綜合國力 的一種標志。1983年由國防科技大學研制成功的銀河一I號億次運算巨型計算機是我國自行研制的第1臺億次運算計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研制成功填補了國內巨型機的空白，使我 國成為世界上為數不多的能研制巨型機的國家之一。1992年研制成功銀河-H號十億次通用、并行巨型計算機。1997年研制成功銀河-川號百億次并行巨型計算機，該機的系統(tǒng)綜 合技術達到國際先進水平，被國家選作軍事裝備之用。1995年5月曙光1000研制完成，這是我國獨立

19、研制的第 1套大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)。1998年，曙光2000-1誕生，它的峰值 運算為每秒200億次。1999年，曙光2000- H超級服務器問世，其峰值速度達到每秒1117億次，內存高達50GB。 1999年9月神威-I號并行計算機研制成功并投入運行，其峰值運 算速度達到每秒3840億次，它是我國在巨型計算機研制和應用領域取得的重大成果，標志著我國繼美國、日本之后，成為世界上第3個具備研制高性能計算機能力的國家。近幾年來我國的高性能計算機和微型計算機的發(fā)展更為迅速。曙光信息產業(yè)有限公司 于2003年歲末推出了全球運算速度最快的商品化高性能計算機一一曙光4000A，它采用2192個主頻為2.4

20、GHz的64位處理器，運算峰值達每秒10萬億次，位居世界高性能計算機的第10位，進一步縮短了我國高性能計算機與世界頂級水平的差距。2002年9月，我國首款可商業(yè)化、擁有自主知識產權的32位通用高性能CPU龍芯1號研制成功，標志我國在現(xiàn)代通用微處理設計方面實現(xiàn)了零的突破。2005年4月，我國首款64位通用高性能微處理器龍芯 2號正式發(fā)布，最高頻率為 500MHz，功耗僅為35W，已達到Pentium川 的水平。我國的微機生產近幾年基本與世界水平同步，誕生了聯(lián)想、長城、方正、同創(chuàng)、 同方、浪潮等一批國產微機品牌，它們正穩(wěn)步向世界市場發(fā)展。5. 未來計算機的發(fā)展趨勢計算機技術是世界上發(fā)展最快的科學技

21、術之一，產品不斷升級換代。當前計算機正朝 著巨型化、微型化、智能化、網絡化等方向發(fā)展，計算機本身的性能越來越優(yōu)越，應用范 圍也越來越廣泛，從而使計算機成為工作、學習和生活中必不可少的工具。計算機技術的 發(fā)展主要有以下5個特點。1）巨型化巨型化是指發(fā)展高速、大存儲量和強功能的巨型計算機。巨型計算機主要應用于天文、氣象、地質、核反應、航天飛機和衛(wèi)星軌道計算等尖端科學技術領域和國防事業(yè)領域，它 標志一個國家計算機技術的發(fā)展水平。目前運算速度為每秒幾百億次到上萬億次的巨型計 算機已經投入運行，并正在研制更高速的巨型計算機。2）微型化微型化是指利用微電子技術和超大規(guī)模集成電路技術，把計算機的體積進一步縮

22、小， 價格進一步降低。自從 1971年微型計算機問世以來，在短短的30多年內，微型計算機得到了極為迅速的發(fā)展，硬件與軟件技術不斷升級換代，價格不斷下降，并且廣泛地應用到 社會生活的各個方面。近年來，各種便攜式計算機的大量問世和使用，是計算機微型化的 一個標志。將來計算機體積會更小，速度更快，功能更強大，形成一個便于攜帶的個人信 息中心；計算機的使用將越來越簡單，如同使用普通電器。3）智能化智能化使計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力，使計算機成為智能計算機。這 也是目前正在研制的新一代計算機要實現(xiàn)的目標。智能化的研究包括圖像識別、自然語言 的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設計、專家

23、系統(tǒng)、學習系統(tǒng)和智能機器人 等。目前，已研制出多種具有人的部分智能的機器人。4) 網絡化網絡化是計算機發(fā)展的又一個重要趨勢。從單機走向聯(lián)網是計算機應用發(fā)展的必然結 果。所謂計算機網絡化，是指用現(xiàn)代通信技術和計算機技術把分布在不同地點的計算機互 聯(lián)起來，組成一個規(guī)模大、功能強、可以互相通信的網絡結構。網絡化的目的是使網絡中 的軟件、硬件和數據等資源能被網絡上的用戶共享。目前，大到世界范圍的通信網，小到 實驗室內部的局域網已經很普及，因特網(In ternet)已經連接包括我國在內的150多個國家和地區(qū)。由于計算機網絡實現(xiàn)了多種資源的共享和處理，提高了資源的使用效率，因而 深受廣大用戶的歡迎，得到

24、了越來越廣泛的應用。5) 多媒體多媒體計算機是當前計算機領域中最引人注目的高新技術之一。多媒體計算機就是利 用計算機技術、通信技術和大眾傳播技術，來綜合處理多種媒體信息的計算機。這些信息 包括文本、視頻圖像、圖形、聲音、文字等。多媒體技術使多種信息建立了有機聯(lián)系，并 集成為一個具有交互性的系統(tǒng)。多媒體計算機將真正改善人機界面，使計算機朝著人類接 受和處理信息的最自然的方式發(fā)展。1.1.2計算機的分類計算機發(fā)展到今天，已是琳瑯滿目、種類繁多，并表現(xiàn)出各自不同的特點?？梢詮牟?同的角度對計算機進行分類。按計算機信息的表示形式和對信息的處理方式不同分為數字計算機(digital computer)、

25、模擬計算機(analogue computer)和混合計算機。數字計算機所處理數據都是 以0和1表示的二進制數字，是不連續(xù)的離散數字，具有運算速度快、準確、存儲量大等 優(yōu)點，因此適宜科學計算、信息處理、過程控制和人工智能等，具有最廣泛的用途。模擬 計算機所處理的數據是連續(xù)的，稱為模擬量。模擬量以電信號的幅值來模擬數值或某物理 量的大小，如電壓、電流、溫度等都是模擬量。模擬計算機解題速度快，適于解高階微分 方程，在模擬計算和控制系統(tǒng)中應用較多。混合計算機則是集數字計算機和模擬計算機的 優(yōu)點于一身。按計算機的用途不同分為通用計算機(general purpose computer)和專用計算機(s

26、pecialpurpose computer)。通用計算機廣泛適用于一般科學運算、學術研究、工程設計和數據處 理等，具有功能多、配置全、用途廣、通用性強的特點，市場上銷售的計算機多屬于通用 計算機。專用計算機是為適應某種特殊需要而設計的計算機，通常增強了某些特定功能， 忽略一些次要要求，所以專用計算機能高速度、高效率地解決特定問題，具有功能單純、 使用面窄甚至專機專用的特點。模擬計算機通常都是專用計算機，在軍事控制系統(tǒng)中被廣 泛地使用，如飛機的自動駕駛儀和坦克上的兵器控制計算機。本書內容主要介紹通用數字 計算機，平常所用的絕大多數計算機都是該類計算機。計算機按其運算速度快慢、存儲數據量的大小、

27、功能的強弱，以及軟硬件的配套規(guī)模 等不同又分為巨型機、大中型機、小型機、微型機、工作站與服務器等。1. 巨型機(giant computer )巨型機又稱超級計算機(super computer),是指運算速度超過每秒1億次的高性能計算機，它是目前功能最強、速度最快、軟硬件配套齊備、價格最貴的計算機，主要用于解 決諸如氣象、太空、能源、醫(yī)藥等尖端科學研究和戰(zhàn)略武器研制中的復雜計算。它們安裝 在國家高級研究機關中，可供幾百個用戶同時使用。運算速度快是巨型機最突出的特點。如美國Cray公司研制的 Cray系列機中，Cray-Y-MP運算速度為每秒 2040億次，我國自主生產研制的銀河川巨型機為每秒

28、100億次，IBM公司的GF-11可達每秒115億次，日本富士通研制了每秒可進行3000億次科技運算的計算機。最近我國研制的曙光4000A運算速度可達每秒 10萬億次。世界上只有少數幾個國家能生產這種機器，它的研制開發(fā)是一個國家綜合國力和國防實力的體現(xiàn)。2. 大中型計算機(large-scale computer and medium-scale computer )這種計算機也有很高的運算速度和很大的存儲量并允許相當多的用戶同時使用。當然 在量級上都不及巨型計算機，結構上也較巨型機簡單些，價格相對巨型機來得便宜，因此 使用的范圍較巨型機普遍，是事務處理、商業(yè)處理、信息管理、大型數據庫和數據通

29、信的 主要支柱。大中型機通常都像一個家族一樣形成系列，如IBM370系列、DEC公司生產的VAX8000系列、日本富士通公司的 M-780系列。同一系列的不同型號的計算機可以執(zhí)行同一個軟件， 稱為軟件兼容。3. 小型機(mini computer )其規(guī)模和運算速度比大中型機要差，但仍能支持十幾個用戶同時使用。小型機具有體 積小、價格低、性能價格比高等優(yōu)點，適合中小企業(yè)、事業(yè)單位用于工業(yè)控制、數據采集、 分析計算、企業(yè)管理以及科學計算等，也可做巨型機或大中型機的輔助機。典型的小型機是美國DEC公司的PDP系列計算機、IBM公司的AS/400系列計算機，我國的 DJS-130 計算機等。4. 微

30、型計算機(microcomputer )微型計算機簡稱微機，是當今使用最普及、產量最大的一類計算機，體積小、功耗低、 成本少、靈活性大，性能價格比明顯地優(yōu)于其他類型計算機，因而得到了廣泛應用。微型 計算機可以按結構和性能劃分為單片機、單板機、個人計算機等幾種類型。1) 單片機(single chip computer)把微處理器、一定容量的存儲器以及輸入輸出接口電路等集成在一個芯片上，就構成了單片機?？梢妴纹瑱C僅是一片特殊的、 具有計算機功能的集成電路芯片。 單片機體積小、 功耗低、使用方便，但存儲容量較小，一般用做專用機或用來控制高級儀表、家用電器等。2) 單板機(single board

31、computer)把微處理器、存儲器、輸入輸出接口電路安裝在一塊印刷電路板上，就成為單板計算 機。一般在這塊板上還有簡易鍵盤、液晶和數碼管顯示器以及外存儲器接口等。單板機價 格低廉且易于擴展，廣泛用于工業(yè)控制、微型機教學和實驗，或作為計算機控制網絡的前 端執(zhí)行機。3) 個人計算機(personal computer, PC)供單個用戶使用的微型機一般稱為個人計算機或PC,是目前用得最多的一種微型計算 機。PC配置有一個緊湊的機箱、顯示器、鍵盤、打印機以及各種接口，可分為臺式微機和 便攜式微機。臺式微機可以將全部設備放置在書桌上，因此又稱為桌面型計算機。當前流行的機型 有IBM-PC系列，App

32、le公司的Mac in tosh，我國生產的長城、浪潮、聯(lián)想系列計算機等。便攜式微機包括筆記本計算機、袖珍計算機以及個人數字助理（Personal DigitalAssistant，PDA）。便攜式微機將主機和主要外部設備集成為一個整體，顯示屏為液晶顯示，可以直接用電池供電。5. 工作站工作站（workstation ）是介于PC和小型機之間的高檔微型計算機，通常配備有大屏幕顯示器和大容量存儲器，具有較高的運算速度和較強的網絡通信能力，有大型機或小型機 的多任務和多用戶功能，同時兼有微型計算機操作便利和人機界面友好的特點。工作站的 獨到之處是具有很強的圖形交互能力，因此在工程設計領域得到廣泛使

33、用。SUN、HP、SGI等公司都是著名的工作站生產廠家。6. 服務器隨著計算機網絡的普及和發(fā)展，一種可供網絡用戶共享的高性能計算機應運而生，這 就是服務器。服務器一般具有大容量的存儲設備和豐富的外部接口，運行網絡操作系統(tǒng)， 要求較高的運行速度，為此很多服務器都配置雙CPU。服務器常用于存放各類資源，為網絡用戶提供豐富的資源共享服務。常見的資源服務器有DNS （Domain Name System，域名解析）服務器、E-mail （電子郵件）服務器、Web（網頁）服務器、BBS （Bulletin Board System , 電子公告板）服務器等。1.1.3計算機的特點與性能指標1. 計算機的

34、特點有人說，機械可以使人類的體力得以放大，計算機則可使人類的智慧得以放大。作為 人類智力勞動的工具，計算機具有以下主要特點。1）運算速度快計算機的運算速度又稱處理速度，用每秒鐘可執(zhí)行百萬條指令（MIPS ）來衡量。現(xiàn)代一般計算機每秒可運行幾百萬條指令即幾個MIPS，巨型機的運行速度可達數百MIPS，數據處理的速度相當快。計算機如此高的數據運行速度是其他任何運算工具所無法比擬的， 使得許多過去需要幾年甚至幾十年才能完成的科學計算，現(xiàn)在只要幾天、幾個小時，甚至 更短的時間就可以完成。計算機處理數據的高速度使得它在商業(yè)、金融、交通、通信等領 域能達到實時、快速的服務，這也是計算機廣泛使用的主要原因之

35、一。例如，國外一位數 學家花了 15年時間把圓周率算到了小數點后第707位，而這樣的工作，現(xiàn)在用計算機不到一個小時就能完成。計算機運算速度快的特點，不僅能極大地提高工作效率，而且使得許 多復雜的科學計算問題得以解決，把人們從繁雜的腦力勞動中解放出來。2）精度高科學技術的發(fā)展，特別是一些尖端科學技術的發(fā)展，要求具有高度準確的計算結果。 數據在計算機內部都是采用二進制數字進行運算，數的精度主要由表示這個數的二進制碼 的位數或字長來決定。隨著計算機字長的增加和配合先進的計算技術，計算精度不斷提高， 可以滿足各類復雜計算對計算精度的要求。如用計算機計算圓周率，目前已可達到小數點 后數百萬位了。3）存儲

36、容量大計算機的存儲器類似于人類的大腦，可以記憶（存儲）大量的數據和信息。存儲器不 但能夠存儲大量的數據與信息而且能夠快速準確地找到或取出這些信息，使得從浩如煙海 的文獻資料、數據中查找并且處理信息成為十分容易的事情。如微機目前一般的內存 容量在幾百兆字節(jié)甚至上千兆字節(jié)。再加上大容量的軟盤、硬盤、光盤等外部存儲器， 實際存儲容量已達到海量。計算機的這種存儲信息的能力，使它們成為信息處理的有力 工具。4）具有可靠的邏輯判斷力計算機可以進行算術運算又能進行邏輯運算，具有可靠的邏輯判斷能力是計算機的一 個重要特點，是計算機能實現(xiàn)信息處理自動化的重要原因。馮諾依曼結構計算機的基本 思想就是先將程序輸入并

37、存儲在計算機內，在程序執(zhí)行過程中，計算機會根據上一步的執(zhí) 行結果，運用邏輯判斷方法自動確定下一步該做什么，應該執(zhí)行哪一條指令。能進行邏輯 判斷，使計算機不僅能對數值數據進行計算，也能對非數值數據進行處理，使計算機能廣 泛應用于非數值數據處理領域，如信息檢索、圖像識別以及各種多媒體應用。5）可靠性高和通用性強由于采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計算機具有非常高的可靠性，其平均無故障 時間可達到以年為單位。一般來說，無論數值還是非數值的數據，都可以表示成二進制數 的編碼；無論是復雜的還是簡單的問題，都可以分解成基本的算術運算和邏輯運算，并可 用程序描述解決問題的步驟。所以，在不同的應用領域中，只要

38、編制和運行不同的應用軟 件，計算機就能在此領域中很好地服務，通用性極強。2. 計算機的性能指標一臺計算機的性能是由多方面的指標決定的，不同的計算機其側重面有所不同。計算 機的主要技術性能指標如下。1）字長字長是指計算機的運算部件一次能直接處理的二進制數據的位數，它直接涉及到計算 機的功能、用途和應用領域，是計算機的一個重要技術性能指標。一般計算機的字長都是 字節(jié)的1、2、4、8倍，微型計算機的字長為8位、16位、32位和64位。如一臺Pentiumm CPU字長為32位，表示其能處理的最大二進制數為232。首先，字長決定了計算機的運算精度，字長越長，運算精度就越高，因此高性能計算機字長較長，而

39、性能較差 的計算機字長相對短些；其次，字長決定了指令直接尋址的能力；字長還影響計算機的運 算速度，字長越長，其運算速度就快。2）內存容量內存儲器中能存儲信息的總字節(jié)數稱為內存容量。字節(jié)（Byte）是指作為一個單位來處理的一串二進制數位，通常以 8個二進制位（b）為一個字節(jié)（B）。1KB=1024B , 1MB=1024KB , 1GB=1024MB。目前一般微機內存容量在128512MB之間。內存的容量越大，存儲的數據和程序量就越多，能運行的軟件功能越豐富，處理能力就越強，同時也 會加快運算或處理信息的速度。3）主頻主頻即CPU的時鐘頻率（Clock Speed），是指CPU在單位時間內發(fā)出的

40、脈沖數， 也就 是CPU運算時的工作頻率。主頻的單位是赫茲（ Hz）。目前微機的主頻都在 800兆赫茲 （MHz）以上，Pentium4的主頻在1吉赫茲（1GHz）以上。在很大程度上 CPU的主頻決定 著計算機的運算速度， 主頻越高，一個時鐘周期里完成的指令數也越多，當然CPU的速度就越快，提高CPU的主頻也是提高計算機性能的有效手段。4）存取周期存儲器完成一次讀（?。┗驅懀ù妫┬畔⑺钑r間稱為存儲器的存?。ㄔL問）時間。 連續(xù)兩次讀（或寫）所需的最短時間，稱為存儲器的存取周期。存取周期是反映內存儲器 性能的一項重要技術指標，直接影響計算機的速度。微機的內存儲器目前都由超大規(guī)模集 成電路技術制成

41、，其存取周期很短，約為幾十納秒（ns）左右。5）外設配置外設配置是指計算機的輸入輸出設備以及外存儲器等。如鍵盤、鼠標、顯示器與顯示 卡、音箱與聲卡、打印機、硬盤和光盤驅動器等。不同用途的計算機要根據其用途進行合 理的外設配置。例如，聯(lián)網的多媒體計算機，由于要具有連接互聯(lián)網的能力與多媒體操作 的能力，因此要配置高速率的調制解調器（modem）和高速的CD-ROM （ compact disc-readonly memory ）驅動器、一定功率的音箱、一定位數的聲卡、顯示卡等，以保證計算機的網 絡通信和圖像顯示。除上面列舉的5項主要指標外，計算機還應考慮機器的兼容性（ compatibility

42、）、可靠 性（reliability ）、可維護性（main tai nability ）、機器允許配置的外部設備的最大數目等。綜 合評價計算機性能的指標是性能價格比，其中性能是包括硬件、軟件的綜合性能，價格是 指整個系統(tǒng)的價格。1.1.4計算機的應用領域計算機以其卓越的性能和強大的生命力，在科學技術、國民經濟、社會生活等各個方 面得到了廣泛的應用，并且取得了明顯的社會效益和經濟效益。計算機的應用幾乎包括人 類生活的一切領域，可以說是包羅萬象，不勝枚舉。據統(tǒng)計，計算機已應用于8000多個領 域，并且還在不斷擴大。根據計算機的應用特點可以歸納為以下8大類。1. 科學計算在科學研究和工程設計等方面

43、的數學計算問題稱為科學計算。計算機是為科學計算的需要發(fā)明的，科學計算的特點是計算量大、求解精確度高、結果可靠。利用計算機的高速性、 大存儲量、連續(xù)運算能力，可以進行繁瑣而復雜、人工難以完成甚至根本無法完成的各種科 學計算問題。例如建筑設計中的計算；各種數學、物理問題的計算；氣象、水文預報中的數 據計算；宇宙空間探索、人造衛(wèi)星軌道的計算；對多種計算方案進行比較，選取最佳方案等。2. 數據處理數據處理又稱信息處理，是目前計算機應用的主要領域。據統(tǒng)計，在計算機的所有應 用中，數據處理方面的應用約占全部應用的75%以上。信息處理是指用計算機對各種形式的數據如文字、圖像、聲音等收集、存儲、加工、分析和傳

44、輸的過程，常泛指非科學計算 方面、以管理為主的所有應用。數據處理是現(xiàn)代管理的基礎，廣泛地應用于情報與圖書檢 索、文字處理、企業(yè)管理、決策系統(tǒng)、辦公自動化等方面。數據處理的應用已全面深入到 當今社會生產和生活的各個領域。3. 過程控制過程控制也稱為實時控制，是指用計算機作為控制部件對單臺設備或整個生產過程進 行控制。其基本原理為：將實時采集的數據送入計算機內與控制模型進行比較，然后再由 計算機反饋信息去調節(jié)及控制整個生產過程，使之按最優(yōu)化方案進行。用計算機進行控制，可以大大提高自動化水平，減輕勞動強度，增強控制的準確性，提高勞動生產率。因此， 在工業(yè)生產的各個行業(yè)都得到了廣泛的應用，在衛(wèi)星、導彈

45、發(fā)射等國防尖端技術領域，更 是離不開計算機的實時控制。4. 計算機輔助設計計算機輔助設計(computer aided design, CAD )是指用計算機幫助工程技術人員進行 設計工作。采用 CAD可以使設計工作半自動化或自動化，不僅可以大大縮短設計周期， 節(jié)省人力物力，而且能降低生產成本，達到最佳設計效果，保證產品質量。以飛機設計為 例，過去從制定方案到畫出全套圖紙，要花大量的人力物力，用兩年半到三年時間才能完 成，采用CAD之后，只需三個月就可以完成。當前， CAD已廣泛應用于機械、電子、建 筑、航空、服裝、化工等行業(yè)，成為計算機應用最活躍的領域之一。CAD已得到世界各國的普遍重視。一

46、些國家已經把計算機輔助設計和計算機輔助制造(computer aided manufacturing , CAM )、計算機輔助測試(computer aided test, CAT)及計 算機輔助工程(computer aided engineering, CAE )等組成一個集成系統(tǒng)，形成計算機集成 制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing system, CIMS )技術，實現(xiàn)設計、制造、測 試、管理完全自動化。5. 現(xiàn)代教育近些年來，隨著計算機的發(fā)展和應用領域的不斷擴大，它對社會的影響已經有了文化 層次的含義。所以在各級學校的教學中，已把計算機應用技

47、術本身作為“文化基礎”課程 安排于教學計劃中。 此外，計算機作為現(xiàn)代教學手段在教育領域中應用越來越廣泛、深入。主要有以下4種形式。1) 計算機輔助教學計算機輔助教學(computer assister instruction , CAI )是指用計算機來輔助進行教學工 作。它利用文字、圖形、圖像、動畫、聲音等多種媒體將教學內容開發(fā)成CAI軟件的方式，使教學過程形象化；還可以采用人機對話方式，對不同學生采取不同的內容和進度，改變 了教學的統(tǒng)一模式，不僅有利于提高學生的學習興趣，更適用于學生個性化、自主化的學 習。具體產品為各種 CAI課件、試題測試庫等。2) 計算機模擬除了計算機輔助教學外，計算

48、機模擬是另外一種重要的教學輔助手段。如在電工電子 教學中，讓學生利用計算機設計電子線路實驗并模擬，查看是否達到預期結果，這樣可避 免不必要的電子器件的損壞，節(jié)省費用。同樣，飛行模擬器訓練飛行員、汽車駕駛模擬器 訓練駕駛員都是利用計算機模擬進行教學的例子。3) 多媒體教室利用多媒體計算機和相應的配套設備建立多媒體教室，可以演示文字、圖形、圖像、 動畫和聲音，給教師提供了強有力的現(xiàn)代教學手段，使得課堂教學變得圖文并茂、生動直 觀，同時提高了教學效率，減輕了教師勞動強度，把教師從黑板前的粉塵中解放出來。4）網上教學利用計算機網絡將大學校園內開設的課程傳輸到校園以外的各個地方，使得更多的人 能有機會受

49、到高等教育。網上教學在地域遼闊的中國將有誘人的發(fā)展前景。6. 人工智能人工智能是指用計算機來模仿人的智能，使計算機具有識別語言、文字、圖形和進行 推理、學習以及適應環(huán)境的能力。新一代計算機的開發(fā)將成為人工智能研究成果的集中體 現(xiàn)，具有某一方面專家的專門知識的專家系統(tǒng)和具有一定“思維”能力的機器人的大量出 現(xiàn)，是人工智能研究不斷取得進展的標志。如應用在醫(yī)療工作中的醫(yī)學專家系統(tǒng)，能模擬 醫(yī)生分析病情，為病人開出藥方，提供病情咨詢等。機器制造業(yè)中采用的智能機器人，可 以完成各種復雜加工、承擔有害與危險作業(yè)。7. 家庭管理與娛樂越來越多的人已經認識到計算機是一個多才多藝的助手。對于家庭，計算機通過各種

50、 各樣的軟件可以從不同方面為家庭生活與事務提供服務，如家庭理財、家庭財務管理、家 庭教育、家庭娛樂、家庭信息管理等。對于在職的各類人員，可以通過運行軟件或計算機 網絡在家里辦公。8網絡與通信計算機技術與現(xiàn)代通信技術的結合構成了計算機網絡。計算機網絡的建立，不僅解決 了一個單位、一個地區(qū)、一個國家中計算機與計算機之間的通信，各種軟、硬件資源的共 享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數據的傳輸與處理。目前遍布 全球的互聯(lián)網，已把地球上的大多數國家聯(lián)系在一起，信息共享、文件傳輸、電子商務、 電子政務等領域迅速發(fā)展，使得人類社會信息化程度日益提高，對人類的生產、生活的各 個方面都提供了

51、便利。1.1.5計算機文化的概念1. 概念的提出國際上有關“計算機文化”的提法最早出現(xiàn)在20世紀80年代初。1981年在瑞士洛桑召開的第三次世界計算機教育大會上，前蘇聯(lián)學者伊爾肖夫首次提出“計算機程序設計語 言是第二文化”，這個不同凡響的觀點， 如同一聲春雷在會上引起巨大反響，幾乎得到所有與會專家的支持。從此以后，“計算機文化”的說法就在世界各國廣為流傳。我國出席這次會議的代表也做出了積極的響應，并向我國政府提出在中小學開展計算機教育的建議。根 據這些代表的建議，1982年原國家教委做出決定：在清華大學、北京大學和北京師范大學 等5所大學的附中試點開設 BASIC語言選修課，這就是我國中小學計

52、算機教育的起源。到20世紀80年代中期以后，國際上的計算機教育專家逐漸意識到“計算機文化”內 涵并不等同于計算機程序設計語言，因此植根在其基礎上的“計算機文化”的提法曾一度 低落，甚至銷聲匿跡。近幾年隨著多媒體技術、校園文化網絡和In ternet的日益普及，“計算機文化”的說法又重新時髦起來。顯然，“計算機文化”在 20世紀80年代和90年代的兩度流行，盡管提法相同，但其社會背景和內在含義已有了根本性的變化。探討這種變化的實質，糾正原有認識上的偏頗，深刻理解當前“計算機文化”的真正內涵，對于認清信 息技術革命迅猛發(fā)展的形勢，進一步迎接21世紀的挑戰(zhàn)，是不乏啟迪意義的。2. 對文化的理解在人類

53、幾千年的文化發(fā)展史中，能被稱做“文化”的事物是不多的。語言文字的誕生 使人類逐漸形成各種各樣具有民族特色的文化，不同的語言文字必然產生不同的文化。反 之，若使用共同的語言文字則總可以找到共同的文化淵源，因此“語言文字”被人們公認 是一種“文化”，而且是一種最基礎的文化。如上所述，隨著計算機文化的誕生和日益普及，從20世紀80年代初開始也逐漸形成一種新的文化 “計算機文化”?，F(xiàn)在世界上的許多發(fā)達國家把“計算機文化”引入大中小學教育的必修課程，我們國家也正在這樣做。就因為計算機是一種文化，是一種從小就 需要了解和掌握的文化。那么，什么樣的事物才稱得上是一種“文化”，或者，要具備哪些屬性才能看做是一

54、種文化現(xiàn)象呢？所謂文化，通常有兩種理解：第1種是一般意義上的理解，認為只要對人的生活方式產生廣泛而深刻影響的事物都屬于文化，如飲食文化、茶文化、酒文化、電視文化、汽車 文化等。第2種是嚴格意義上的理解，認為應當具有信息傳遞和知識傳授功能，并對人類 社會從生產方式、工作方式、學習方式到生活方式都產生廣泛而深刻影響的事物才稱得上 文化。如語言文字的應用、計算機的日益普及和In ternet的迅速擴展，即屬于這一類。也就是說，嚴格意義上的文化應具有廣泛性、傳遞型、教育性及深刻性等4個方面的基本屬性。所謂廣泛性主要體現(xiàn)在既涉及全社會的每一個人、每一個家庭，又涉及全社會的每一 個行業(yè)、每一個應用領域兩方

55、面；傳遞性是指這種事物應當具有信息傳遞和交流思想的功 能；教育性是指這種事物應能成為存儲和獲取知識的手段；深刻性是指事物的普及和應用 給社會帶來的影響極為深刻，不是帶來社會某一方面、某個部門或某個領域的改良與變革， 而是整個社會從生產方式、工作方式、學習方式到生活方式的深刻變革。按照上述原則來考察文化現(xiàn)象，就不難明白，為什么無線電廣播與電視盡管也被稱之 為廣播文化、電視文化，但作為一種“文化”，并沒有像計算機那樣被全世界各階層的人所 認同，也沒有一個國家，把這 2種文化作為大中小學必修的基礎課程。其原因就在于，它 們的廣泛性只涉及到個人和家庭，而不像計算機那樣還涉及到全社會的各個行業(yè)和各個應

56、用領域；它們的深刻性也主要涉及人們的生活方式和學習方式，而不像計算機那樣將帶來 整個社會從生產方式、工作方式、學習方式到生活方式的全面變革。因此，廣播和電視還 不算嚴格意義上的文化。3. 計算機文化的內涵衡量“計算機文化”素質高低的依據，通常是計算機方面最基礎的知識和最主要的能 力。根據目前國內外大多數計算機教育專家的意見，最能體現(xiàn)“計算機文化”的知識結構 和能力素質，應當是“信息獲取、信息分析與信息加工”有關的基礎知識和實際能力。其 中信息獲取包括信息發(fā)現(xiàn)、信息采集與信息優(yōu)選；信息分析包括信息分類、信息綜合、信 息查錯與信息評價；信息加工則包括信息的排序與檢索、信息的組織與表達、信息的存儲

57、與變換以及信息的控制與傳輸等。這種與信息獲取、分析加工有關的知識可以簡稱之為“信 息學基礎知識”，相應的能力可以簡稱為“信息能力”。這種知識與能力既是“計算機文化” 水平高低和素質優(yōu)劣的具體體現(xiàn)，又是信息社會對新型人才培養(yǎng)所提出的最基本要求。換句話說，達不到這方面的要求，將無法適應信息社會的學習、工作與競爭的需要，就會被 信息社會所淘汰。從這個意義上完全可以說就相當于信息社會的“文盲”。這就是計算機文化的真實內涵。1.2計算機的編碼與數制計算機處理的是信息或數據。信息通常包括數值、字符、圖像、聲音等（本書主要討 論數值和字符）。由于在計算機內部采用二進制數系統(tǒng)，所以無論何種類型的信息都必須以二進制編