《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》第1章 計算機與計算思維

大學(xué)計算機基礎(chǔ)第1章計算機與計算思維第1章計算機與計算思維1.1計算機的發(fā)展和基本構(gòu)成1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式1.3計算思維概述第1章計算機與計算思維【知識要點】計算機的發(fā)展計算機的應(yīng)用領(lǐng)域計算機的組成及各部分的功能常見的計算模式計算思維的概念及應(yīng)用1.1計算機的發(fā)展和基本構(gòu)成1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述電子數(shù)字計算機（ElectronicComputer）是一種能自動地、高速地、精確地進行信息處理的電子設(shè)備，是20世紀最重大的發(fā)明之一。在計算機家族中包括了機械計算機、電動計算機、電子計算機等。電子計算機又可分為電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機，通常我們所說的計算機就是指電子數(shù)字計算機，它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，特別是微電子、光電、通信等技術(shù)以及計算數(shù)學(xué)、控制理論的迅速發(fā)展帶動了計算機的不斷更新。自1946年第一臺電子數(shù)字計算機誕生以來，計算機發(fā)展十分迅速，已經(jīng)從開始的高科技軍事應(yīng)用滲透到了人類社會的各個領(lǐng)域，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了極其深刻的影響。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(1)計算機的產(chǎn)生

1943年，美國為了解決新武器研制中的彈道計算問題而組織科技人員開始了電子數(shù)字計算機的研究。1946年2月，電子數(shù)字積分器計算器（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,ENIAC）在美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功，它是世界上第一臺電子數(shù)字計算機。這臺計算機共使用了18000多只電子管，1500個繼電器，耗電150KW，占地面積約為167m2，重30T，每秒鐘能完成5000次加法或400次乘法運算。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述計算機的產(chǎn)生ENIAC計算機1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(1)計算機的產(chǎn)生與此同時，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（Von.Neumann）也在為美國軍方研制電子離散變量自動計算機（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，EDVAC）。在EDVAC中，馮·諾依曼采用了二進制數(shù)，并創(chuàng)立了“存儲程序”的設(shè)計思想，EDVAC也被認為是現(xiàn)代計算機的原型。馮·諾依曼1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(2)電子計算機的發(fā)展第一代計算機（1946年—1959年），主要特點是：邏輯元件采用電子管，功耗大，易損壞；主存儲器采用汞延遲線或靜電儲存管，容量很??；外存儲器使用了磁鼓；輸入/輸出裝置主要采用穿孔卡；采用機器語言編程，即用“0”和“1”來表示指令和數(shù)據(jù)；運算速度每秒僅為數(shù)千至數(shù)萬次。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述第一代計算機(1)主要特點

邏輯元件——電子管

主

存——磁鼓

輔

存——磁帶

軟

件——機器語言、符號語言

應(yīng)

用——科學(xué)計算(2)主要成就

①數(shù)字電子計算機的出現(xiàn)，揭開了人類歷史新篇章。②1946年6月，美國數(shù)學(xué)家、普林斯頓大學(xué)教授約翰·馮·諾依曼（JohnVonNeumann）提出了“存儲程序”的概念以及計算機組成和框架，奠定了現(xiàn)代計算機組成與工作原理基礎(chǔ)。電子管1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(2)電子計算機的發(fā)展第二代計算機（1960年—1964年），主要特點是：邏輯元件采用晶體管，與電子管相比，其體積小、耗電省、速度快、價格低、壽命長，主存儲器采用磁芯，外存儲器采用磁盤、磁帶，存儲器容量有較大提高；軟件方面產(chǎn)生了監(jiān)控程序（Monitor），提出了操作系統(tǒng)的概念，編程語言有了很大的發(fā)展，先用匯編語言（AssembleLanguage）代替了機器語言，接著又發(fā)展了高級編程語言，例如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；計算機應(yīng)用開始進入實時過程控制和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，運算速度達到每秒數(shù)百萬次。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述第二代計算機(1)主要特點邏輯元件——晶體管主

存——磁芯輔

存——磁盤軟

件——高級程序設(shè)計語言、操作系統(tǒng)應(yīng)

用——除科學(xué)計算外，已應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、過程控制

(2)主要成就

①首次將晶體管用于計算機，使計算機縮小了體積，減低了功耗，提高了速度和可靠性。②發(fā)明了高級語言。

③首次提出了計算機的兼容問題，包括硬件兼容和軟件兼容。晶體管1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(2)電子計算機的發(fā)展

第三代計算機（1965年—1969年），主要特點是：邏輯元件采用集成電路（IntegratedCircuit,IC），IC的體積更小，耗電更省，壽命更長；主存儲器以磁芯為主，開始使用半導(dǎo)體存儲器，存儲容量大幅度提高；系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件迅速發(fā)展，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)和會話式語言；在程序設(shè)計中采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計方法，運算速度達到每秒千萬次以上。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述第三代計算機(1)主要特點

邏輯元件——集成電路主

存——半導(dǎo)體輔

存——磁盤軟

件——高級程序設(shè)計語言、操作系統(tǒng)應(yīng)

用——科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制

(2)主要成就

①IBM公司首次提出了系列機的概念，圓滿地解決了計算機兼容的問題，典型代表是IBM360系列機。②控制器設(shè)計使用微程序控制技術(shù)，使控制器的設(shè)計規(guī)整化。③結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想成熟，軟硬件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。集成電路1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(2)電子計算機的發(fā)展

第四代計算機（1970年至今），其主要特點是：采用了超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI），主存儲器采用半導(dǎo)體存儲器，容量已達第三代計算機的輔存水平，作為外存的軟盤和硬盤的容量成百倍增加，并開始使用光盤：輸入設(shè)備出現(xiàn)了光字符閱讀器、觸摸輸入設(shè)備和語音輸入設(shè)備等，使操作更加簡潔靈活，輸出設(shè)備已逐步轉(zhuǎn)到了以激光打印機為主，使得字符和圖形輸出更加逼真、高效。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述第四代計算機(1)主要特點邏輯元件——大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路（LSI/VLSI）

主

存——LSI/VLSI半導(dǎo)體芯片

輔

存——磁盤、光盤軟

件——高級程序設(shè)計語言、操作系統(tǒng)

應(yīng)

用——科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制，并進入以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征的應(yīng)用時代

(2)主要成就

①1971年Intel公司成功地研制出了4004微處理器芯片。從此，隨著LSI/VLSI技術(shù)的發(fā)展，微處理器每隔兩三年就有一個新的產(chǎn)品問世，至今已發(fā)展到486、586、Itanium、IntelCore2。②微型計算機出現(xiàn)，典型代表是IBMPC。③面向?qū)ο?、可視化程序設(shè)計概念出現(xiàn)；軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達，各種實用軟件層出不窮，極大地方便了用戶。④計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，計算機網(wǎng)絡(luò)把世界緊密地聯(lián)系在一起。⑤多媒體技術(shù)崛起，計算機集圖像、圖形、聲音、文字處理于一體，在信息處理領(lǐng)域掀起了一場革命，與之對應(yīng)的信息高速公路正在緊鑼密鼓地籌劃實施當(dāng)中。超大規(guī)模集成電路小結(jié)1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(2)電子計算機的發(fā)展

新一代計算機（FutureGenerationComputerSystem，F(xiàn)GCS），即未來計算機的目標(biāo)是使其具有智能特性，具有知識表達和推理能力，能模擬人的分析、決策、計劃和其他智能活動，具有人機自然通信能力，并稱其為知識信息處理系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)開始了對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、生物計算機等的研究，并取得了可喜的進展。特別是生物計算機的研究表明，采用蛋白分子為主要原材料的生物芯片的處理速度比現(xiàn)今最快的計算機的速度還要快100萬倍，而能量消耗僅為現(xiàn)代計算機的10億分之一。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(3)微型計算機的發(fā)展微型計算機指的是個人計算機（PersonalComputer,PC），簡稱微機。其主要特點是采用微處理器（MicroProcessingUnit,MPU）作為計算機的核心部件，并由大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路構(gòu)成。微型計算機的升級換代主要有兩個標(biāo)志，微處理器的更新和系統(tǒng)組成的變革。微處理器從誕生的那一天起發(fā)展方向就是：更高的頻率，更小的制造工藝，更大的高速緩存。隨著微處理器的不斷發(fā)展，微型計算機的發(fā)展大致可分為以下幾代:第一代（1971年—1973年）是4位和低檔8位微處理器時代。典型微處理器產(chǎn)品有Intel4004、8008。集成度為2

000晶體管/片，時鐘頻率為1MHz。第一個微處理器Intel40041.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(3)微型計算機的發(fā)展第二代（1974年—1977年）是8位微處理器時代。典型微處理器產(chǎn)品有Intel公司的Intel8080、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等。集成度為5

000晶體管/片，時鐘頻率為2MHz。同時指令系統(tǒng)得到完善，形成典型的體系結(jié)構(gòu)，具備中斷、DMA等控制功能。第三代（1978年—1984年）是16位微處理器時代。典型微處理器產(chǎn)品是Intel公司的Intel8086/8088/80286、Motorola公司的MC68

000、Zilog公司的Z8

000等。集成度為25

000晶體管/片，時鐘頻率為5MHz。微機的各種性能指標(biāo)達到或超過中、低檔小型機的水平。第四代（1985年—1992年）是32位微處理器時代。集成度已達到100萬晶體管/片，時鐘頻率達到60MHz以上。典型32位CPU產(chǎn)品有Intel公司的Intel80386/80486、Motorola公司的MC68020/68040、IBM公司和Apple公司的PowerPC等。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(3)微型計算機的發(fā)展第五代（1993年至今）是64位奔騰（Pentium）系列微處理器的時代，典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯片。它們內(nèi)部采用了超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著MMX（MultiMediaeXtension）微處理器的出現(xiàn)，使微機的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺階。目前已向雙核和多核處理器發(fā)展。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(4)計算機的發(fā)展趨勢①多極化：今天包括電子詞典、掌上電腦、筆記本電腦等在內(nèi)的微型計算機在我們的生活中已經(jīng)是處處可見，同時大型、巨型計算機也得到了快速的發(fā)展。特別是在VLSI的技術(shù)基礎(chǔ)上的多處理機技術(shù)使計算機的整體運算速度與處理能力得到了極大的提高。我國自行研制的世界最快的超級計算機太湖之光，每秒運算速度最高可達125.436PFlops，標(biāo)志著我國的高性能計算技術(shù)已經(jīng)處于世界前列。除了向微型化和巨型化發(fā)展之外，中小型計算機也各有自己的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。特別在注意運算速度提高的同時，提倡功耗小、對環(huán)境污染小的綠色計算機和提倡綜合應(yīng)用的多媒體計算機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，多極化的計算機家族還在迅速發(fā)展中。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(4)計算機的發(fā)展趨勢

神威超級計算機和申威微處理器2023/6/16

形形色色的計算機1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述(4)計算機的發(fā)展趨勢②網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化就是通過通信線路將一定地域內(nèi)不同地點的計算機連接起來形成一個更大的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計算機網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)只有30多年的歷史，但已成為影響到人們?nèi)粘Ｉ畹膽?yīng)用熱潮，是計算機發(fā)展的一個主要趨勢。③多媒體化：媒體可以理解為存儲和傳輸信息的載體，文本、聲音、圖像等都是常見的信息載體。過去的計算機只能處理數(shù)值信息和字符信息，即單一的文本媒體。近幾年發(fā)展起來的多媒體計算機則集多種媒體信息的處理功能于一身，實現(xiàn)了圖、文、聲、像等各種信息的收集、存儲、傳輸和編輯處理，被認為是信息處理領(lǐng)域在20世紀90年代出現(xiàn)的又一次革命。④智能化：智能化雖然是未來新一代計算機的重要特征之一，現(xiàn)在已經(jīng)能看到它的許多蹤影，比如能自動接收和識別指紋的門控裝置、能聽從主人語音指示的車輛駕駛系統(tǒng)等。使計算機具有人的某些智能將是計算機發(fā)展過程中的下一個重要目標(biāo)。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述計算機的應(yīng)用領(lǐng)域計算機的誕生和發(fā)展，對人類社會產(chǎn)生了深刻的影響，它的應(yīng)用范圍包括科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟、社會生活的各個領(lǐng)域，概括起來可分為如下幾個方面。(1)科學(xué)計算：即數(shù)值計算，是計算機應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。計算機的發(fā)明和發(fā)展首先是為了高速完成科學(xué)研究和工程設(shè)計中大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。(2)信息處理：信息是各類數(shù)據(jù)的總稱。信息處理一般泛指非數(shù)值方面的計算，如各類資料的管理、查詢、統(tǒng)計等。(3)實時過程控制：實時控制在國防建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用。例如由雷達和導(dǎo)彈發(fā)射器組成的防空控制系統(tǒng)、地鐵指揮控制系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)線等，都需要在計算機控制下運行。1.1.1計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域概述計算機的應(yīng)用領(lǐng)域(4)計算機輔助工程：計算機輔助工程是近幾年來迅速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，它包括計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD）、計算機輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）、計算機輔助教學(xué)（ComputerAssistedInstruction，CAI）等多個方面。(5)辦公自動化（OfficeAutomation，OA）：指用計算機幫助辦公室人員處理日常工作。例如，用計算機進行文字處理，文檔管理，資料、圖像、聲音處理和網(wǎng)絡(luò)通信等。(6)數(shù)據(jù)通信：“信息高速公路”主要是利用通信衛(wèi)星群和光導(dǎo)纖維構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息雙向交流，同時利用多媒體技術(shù)擴大計算機的應(yīng)用范圍。利用計算機把整個地球網(wǎng)絡(luò)起來，使“地球村”成為現(xiàn)實。總之，以計算機為核心的信息高速公路的實現(xiàn)，將進一步改變?nèi)藗兊纳罘绞健?7)智能應(yīng)用：即人工智能，既不同于單純的科學(xué)計算，又不同于一般的數(shù)據(jù)處理，它不但要求具備高的運算速度，還要求具備對已有的數(shù)據(jù)（經(jīng)驗、原則等）進行邏輯推理和總結(jié)的功能（即對知識的學(xué)習(xí)和積累功能），并能利用已有的經(jīng)驗和邏輯規(guī)則對當(dāng)前事件進行邏輯推理和判斷。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成（1）馮·諾依曼計算機的基本特征

計算機經(jīng)歷了多次的更新?lián)Q代，但到目前為止，其整體結(jié)構(gòu)上仍屬于馮.諾依曼計算機，還保持著馮·諾依曼計算機的基本特征：①采用二進制數(shù)表示程序和數(shù)據(jù)；②能存儲程序和數(shù)據(jù)，并能自動控制程序的執(zhí)行；③具備運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個基本部分，原始的馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)以運算器為核心。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成馮·諾依曼計算機的組成

數(shù)據(jù)信息和控制信息分別用實線和虛線表示1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成（1）馮·諾依曼計算機的基本特征計算機中的各種信息均采用了二進制數(shù)的表示形式。在二進制數(shù)中，每位只有“0”和“1”兩個狀態(tài)，計數(shù)規(guī)則是“逢二進一”。在計算機科學(xué)研究中把８位（bit）二進制數(shù)稱為一個字節(jié)（Byte），簡記為“B”。并把1024B稱為1KB，把1024KB稱為1MB，把1024MB稱為1GB，把1024GB稱為1TB等。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成（2）馮·諾依曼計算機的基本部件和工作過程

運算器（ArithmeticLogicUnit，ALU）的主要功能是進行算術(shù)及邏輯運算，是計算機的核心部件，運算器每次能處理的最大的二進制數(shù)長度稱為該計算機的字長（一般為8的整倍數(shù)）；控制器（Controller）是計算機的“神經(jīng)中樞”，用于分析指令，根據(jù)指令要求產(chǎn)生各種協(xié)調(diào)各部件工作的控制信號；存儲器（Memory）用來存放控制計算機工作過程的指令序列（程序）和數(shù)據(jù)（包括計算過程中的中間結(jié)果和最終結(jié)果）；輸入設(shè)備（InputEquipment）用來輸入程序和數(shù)據(jù)；輸出設(shè)備（OutputEquipment）用來輸出計算結(jié)果，即將其顯示或打印出來。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成（2）馮·諾依曼計算機的基本部件和工作過程計算機工作時，操作人員首先通過輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)送入到存儲器中。啟動運行后，計算機從存儲器順序取出指令，送往控制器進行分析并根據(jù)指令的功能向各有關(guān)部件發(fā)出各種操作控制信號，最終的運算結(jié)果要送到輸出設(shè)備輸出。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構(gòu)成一個完整的現(xiàn)代計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，微機系統(tǒng)也是如此。硬件包括了計算機的基本部件和各種具有實體的計算機相關(guān)設(shè)備；軟件則包括了用各種計算機語言編寫的計算機程序、數(shù)據(jù)和應(yīng)用說明文檔等。本節(jié)僅以微機系統(tǒng)為例說明現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構(gòu)成。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成(1)．硬件系統(tǒng)將連接各部件的信息通道稱為系統(tǒng)總線（BUS，簡稱總線），并把通過總線連接各部件的形式稱為計算機系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)，有單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)兩大類。依據(jù)所傳送信號的性質(zhì)，總線由地址總線（AddressBUS，AB）、數(shù)據(jù)總線（DataBUS，DB）和控制總線（ControlBUS，CB）3部分組成。依據(jù)部件作用，總線一般由總線控制器、總線信號發(fā)送/接收器和導(dǎo)線等所構(gòu)成。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成(1)硬件系統(tǒng)在微機系統(tǒng)中，主板由微處理器、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、總線電路和基板組成，主板上安裝了基本硬件系統(tǒng)，形成了主機部分。其中的微處理器即采用超大規(guī)模集成電路工藝將運算器和控制器制作于同一芯片之中的CPU，其他的外部設(shè)備均通過相應(yīng)的接口電路和主機總線相連，即不同的設(shè)備只要配接合適的接口電路（一般稱為適配卡或接口卡）就能以相同的方式掛接在總線上。一般在微機的主板上設(shè)有數(shù)個標(biāo)準(zhǔn)的插座槽，將一塊接口板插入到任一個插槽里，再用信號線將其和外部設(shè)備連接起來就完成了一臺設(shè)備的擴充。1.1.2計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成(2)軟件系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中硬件是軟件運行的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴充與完善，沒有軟件的支持，硬件的功能不可能得到充分的發(fā)揮，因此軟件是使用者與計算機之間的橋梁。軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件是為使用者能方便地使用、維護、管理計算機而編制的程序的集合，它與計算機硬件相配套，也稱之為軟設(shè)備。系統(tǒng)軟件主要包括對計算機系統(tǒng)資源進行管理的操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）軟件、對各種匯編語言和高級語言程序進行編譯的語言處理（LanguageProcessor，LP）軟件和對計算機進行日常維護的系統(tǒng)服務(wù)程序（SystemSupportProgram）或工具軟件等。應(yīng)用軟件則主要面向各種專業(yè)應(yīng)用和某一特定問題的解決，一般指操作者在各自的專業(yè)領(lǐng)域中為解決各類實際問題而編制的程序。1.1.3計算機的主要部件(1)微處理器簡介

微處理器中除了包括運算器和控制器外，還集成有寄存器組和高速緩沖存儲器，其基本結(jié)構(gòu)簡介如下。一個CPU可有幾個乃至幾十個內(nèi)部寄存器，包括用來暫存操作數(shù)或運算結(jié)果以提高運算速度的數(shù)據(jù)寄存器；支持控制器工作的地址寄存器、狀態(tài)標(biāo)志寄存器等；1.1.3計算機的主要部件(1)微處理器簡介執(zhí)行算術(shù)邏輯運算的運算器。它以加法器為核心，能按照二進制法則進行補碼的加法運算，可進行數(shù)據(jù)的直接傳送、移位和比較操作。其中的累加器是一個專用寄存器，在運算器操作時用于存放供加法器使用的一個操作數(shù)，在運算器操作完成時存放本次操作運算的結(jié)果，并不具有運算功能；控制器，由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器和定時控制邏輯電路組成，用于分析和執(zhí)行指令、統(tǒng)一指揮微機各部分按時序協(xié)調(diào)操作；在新型的微處理器中普遍集成了超高速緩沖存儲器，其工作速度和運算器的工作速度相一致，是提高MPU處理能力的重要技術(shù)措施之一，其容量達到8M以上。1.1.3計算機的主要部件存儲器的組織結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品分類

存儲器是存放程序和數(shù)據(jù)的裝置，存儲器的容量越大越好，工作速度越快越好，但二者和價格是互相矛盾的。為了協(xié)調(diào)這種矛盾，目前的微機系統(tǒng)均采用了分層次的存儲器結(jié)構(gòu)，一般將存儲器分為3層：主存儲器（Memory）、輔助存儲器（Storage）和高速緩沖存儲器（Cache）?，F(xiàn)在一些微機系統(tǒng)又將高速緩沖存儲器設(shè)計為MPU芯片內(nèi)部的高速緩沖存儲器和MPU芯片外部的高速緩沖存儲器兩級，以滿足高速和容量的需要。1.1.3計算機的主要部件（2）主存儲器主存儲器又稱內(nèi)存，CPU可以直接訪問它，其容量一般為4GB～16GB，主要存放將要運行的程序和數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體存儲器按功能可分為隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）和只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）。RAM是一種既能讀出也能寫入的存儲器，適合于存放經(jīng)常變化的用戶程序和數(shù)據(jù)。RAM只能在電源電壓正常時工作，一旦電源斷電，里面的信息將全部丟失。ROM是一種只能讀出而不能寫入的存儲器，用來存放固定不變的程序和常數(shù)，如監(jiān)控程序，操作系統(tǒng)中的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）等。ROM必須在電源電壓正常時才能工作，但斷電后信息不會丟失。1.1.3計算機的主要部件（3）輔助存儲器輔助存儲器屬外部設(shè)備，又稱為外存，常用的有磁盤、光盤、磁帶等。通過更換盤片，容量可視作無限，主要用來存放后備程序、數(shù)據(jù)和各種軟件資源。但因其速度低，CPU必須要先將其信息調(diào)入內(nèi)存，再通過內(nèi)存使用其資源。磁盤分為軟磁盤和硬磁盤兩種（簡稱軟盤和硬盤）。軟盤容量較小，一般為1.2MB～1.44MB。硬盤的容量目前已達4TB，常用的也在500GB以上。為了在磁盤上快速地存取信息，在磁盤使用前要先進行初級格式化操作（目前基本上由生產(chǎn)廠家完成），即在磁盤上用磁信號劃分出如圖1.8所示的若干個有編號的磁道和扇區(qū)，以便計算機通過磁道號和扇區(qū)號直接尋找到要寫數(shù)據(jù)的位置或要讀取的數(shù)據(jù)。1.1.3計算機的主要部件（3）輔助存儲器磁盤格式與硬盤示意圖1.1.3計算機的主要部件（4）常用總線標(biāo)準(zhǔn)和主板產(chǎn)品ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：該總線最早安排了8位數(shù)據(jù)總線，共62個引腳，主要滿足8088CPU的要求。后來又增加了36個引腳，數(shù)據(jù)總線擴充到16位，總線傳輸率達到8MB/s，適應(yīng)了80286CPU的需求，是AT系列微機的標(biāo)準(zhǔn)總線。EISA（ExtendISA）總線：該總線的數(shù)據(jù)線和地址線均為32位，總線數(shù)據(jù)傳輸率達到33MB/ｓ，滿足了80386和80486CPU的要求，并采用雙層插座和相應(yīng)的電路技術(shù)保持了和ISA總線的兼容。VESA（也稱VL-BUS）總線：該總線的數(shù)據(jù)線為32位，留有擴充到64位的物理空間。支持高速視頻控制器和其他高速設(shè)備接口，滿足了80386和80486CPU的要求，并采用雙層插座和相應(yīng)的電路技術(shù)保持了和ISA總線的兼容。PCI（PeripheralControllerInterface）總線：PCI總線采用局部總線技術(shù)，不受制于處理器且保持了和ISA、EISA總線的兼容。同時PCI還留有向64位擴充的余地。。1.1.3計算機的主要部件（4）常用的輸入輸出設(shè)備

輸入/輸出（I/O）設(shè)備又稱外部設(shè)備或外圍設(shè)備，簡稱外設(shè)。輸入設(shè)備用來將數(shù)據(jù)、程序、控制命令等轉(zhuǎn)換成二進制信息，存入計算機內(nèi)存；輸出設(shè)備將經(jīng)計算機處理后的結(jié)果顯示或打印輸出。外設(shè)種類繁多，常用的外部設(shè)備有鍵盤、顯示器、打印機、鼠標(biāo)、繪圖機、打描儀、光學(xué)字符識別裝置、傳真機、智能書寫終端設(shè)備等。其中鍵盤、顯示器、打印機是目前用得最多的常規(guī)設(shè)備。1.1.3計算機的主要部件（4）常用的輸入輸出設(shè)備

鍵盤與鼠標(biāo)1.1.3計算機的主要部件

各種計算機外部設(shè)備1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式

計算機應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的分布方式稱為計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式。自世界上第一臺計算機誕生以來，計算機作為人類信息處理的工具已有半個多世紀，在這一發(fā)展過程中，計算機應(yīng)用系統(tǒng)的模式發(fā)生了幾次變革，它們分別是：單主機計算模式、分布式客戶/服務(wù)器計算模式(Client／Server，C／S)和瀏覽器/服務(wù)器計算模式(Browser／Server，B／S)。隨著計算機和相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，會產(chǎn)生新的計算模式。1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式（1）單主機計算模式

主機不需要通過網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)，全部利用自己本機的軟、硬件資源（CPU，內(nèi)存等）完成計算任務(wù)。單主機計算模式又可細分為兩個階段：

①單主機計算模式,系統(tǒng)所用的操作系統(tǒng)為單用戶操作系統(tǒng),系統(tǒng)一般只有一個控制臺（單主機），計算資源獨占使用。

②分時多用戶操作系統(tǒng)的研制成功及計算機終端的普及，實現(xiàn)了單主機--多終端的計算模式。在單主機--多終端的計算模式中，用戶通過終端使用計算機，每個用戶都感覺好像是在獨自享用計算機的資源。1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式（2）分布式客戶/服務(wù)器計算模式20世紀80年代，個人計算機的發(fā)展和局域網(wǎng)技術(shù)逐漸趨于成熟，使用戶可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)共享計算機資源，計算機之間通過網(wǎng)絡(luò)可協(xié)同完成某些數(shù)據(jù)處理工作。在這種背景下分布式客戶機/服務(wù)器(C／S)的計算模式形成了。在客戶機/服務(wù)器模式中，網(wǎng)絡(luò)中的計算機被分為兩大類：一是用于向其他計算機提供各種服務(wù)(主要有數(shù)據(jù)庫服務(wù)、打印服務(wù)等)的計算機，統(tǒng)稱為服務(wù)器；二是享受服務(wù)器所提供的服務(wù)的計算機，稱為客戶機?？蛻魴C一般由微機承擔(dān)，運行客戶應(yīng)用程序。應(yīng)用程序被分散地安裝在每臺客戶機上，這是C／S模式應(yīng)用系統(tǒng)的重要特征：部門級和企業(yè)級的計算機作為服務(wù)器運行服務(wù)器系統(tǒng)軟件(如數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)、文件服務(wù)器系統(tǒng)等)，向客戶機提供相應(yīng)的服務(wù)。1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式（3）瀏覽器/服務(wù)器計算模式B/S最大的優(yōu)點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零維護。系統(tǒng)的擴展非常容易，只要能上網(wǎng)，有瀏覽器，就可以使用了。B/S模式采用三層架構(gòu)，適合群體開發(fā)，每人可以有不同的分工，協(xié)同工作使效率倍增。三層架構(gòu)屬于瘦客戶的模式，用戶端只需一個較小的硬盤、較小的內(nèi)存和較慢的CPU就可以獲得不錯的性能。另外，三層架構(gòu)的最大優(yōu)點是安全性，用戶端只能通過邏輯層來訪問數(shù)據(jù)層，減少了入口點，把更多的危險的系統(tǒng)功能都屏蔽了。很多網(wǎng)絡(luò)計算的模式中，出現(xiàn)了B/S和C/S同時存在的混合計算模式。計算模式的演變主機（mainframe）計算：一臺主機同時為多臺終端提供服務(wù)，終端主要是鍵盤、顯示器等IO設(shè)備個人電腦（PC）計算：個人電腦取代大型機成為獨立的數(shù)據(jù)運算和存儲單位，用戶之間不需要再共享主機

局域網(wǎng)（Network）計算：個人電腦獨立計算，同時不同的PC用戶通過局域網(wǎng)來進行資源的傳輸和共享互聯(lián)網(wǎng)（Internet）計算：不同局域網(wǎng)實現(xiàn)了互聯(lián)，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)共享計算和信息資源云計算1.2計算機應(yīng)用系統(tǒng)的計算模式（4）新的計算模式普適計算：是無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式——無論何時何地，只要需要，就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息。網(wǎng)格計算：是通過互聯(lián)網(wǎng)來共享強大的計算能力和數(shù)據(jù)儲存能力，它利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級計算機”。云計算：是一種按使用量付費的模式，提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算資源共享池（包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲，應(yīng)用軟件，服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進行很少的交互。1.3計算思維概述思維是人類所具有的高級認識活動。按照信息論的觀點，思維是對新輸入信息與腦內(nèi)儲存知識經(jīng)驗進行一系列復(fù)雜的心智操作過程。伴隨著社會的發(fā)展與技術(shù)的進步，人類的思維方式從原來簡單的思維模式到現(xiàn)在的形象思維、邏輯思維、科學(xué)思維、計算思維模式，這些思維模式與人類的社會生活息息相關(guān)。1.3.1科學(xué)思維（1）思維思維最初是人腦借助于語言對客觀事物的概括和間接的反應(yīng)過程。思維以感知為基礎(chǔ)又超越感知的界限。它探索與發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)部本質(zhì)聯(lián)系和規(guī)律性，是認識過程的高級階段。思維對事物的間接反映，是指它通過其他媒介作用認識客觀事物，及借助于已有的知識和經(jīng)驗，已知的條件推測未知的事物。思維的概括性表現(xiàn)在它對一類事物非本質(zhì)屬性的摒棄和對其共同本質(zhì)特征的反映。1.3.1科學(xué)思維（1）思維思維的基本形式有：（1）抽象思維：人們把以概念為基本單元進行的思維，稱為抽象思維。（2）形象思維：如果思維抽象、概括的是事物的形象特征，并以感性形象作為思維運行的基本單元，就屬于形象思維。依據(jù)思維主體是個人還是群體，可以將思維分為個體思維和群體思維。群體思維又稱為社會思維或集體思維，它是集合眾人的認識能力、思維智慧共同認識同一事物的思維活動。1.3.1科學(xué)思維（1）思維思維具有以下特征：（1）思維具有間接性：人們不可能對所要認識的每一個事物都去直接感知，事物的本質(zhì)和規(guī)律也不可能直接感知到，但思維能夠憑借獲得的感性材料、已有的經(jīng)驗和知識，透過事物的現(xiàn)象，揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律，從而實現(xiàn)對未知事物的認識。（2）思維具有概括性：思維能夠從多種事物各種各樣的屬性中，舍去表面的、非本質(zhì)的屬性，抓住內(nèi)在的、共同的、本質(zhì)的屬性，把握一類事物的共同本質(zhì)。1.3.1科學(xué)思維（2）科學(xué)思維形成并運用于科學(xué)認識活動、對感性認識材料進行加工處理的方式與途徑的理論體系；是真理在認識的統(tǒng)一過程中，對各種科學(xué)的思維方法的有機整合，是人類實踐活動的產(chǎn)物。在科學(xué)認識活動中，科學(xué)思維必須遵守三個基本原則：在邏輯上要求嚴密的邏輯性，達到歸納和演繹的統(tǒng)一；在方法上要求辯證地分析和綜合兩種思維方法；在體系上，實現(xiàn)邏輯與歷史的一致，達到理論與實踐的具體的歷史的統(tǒng)一。

一般來說，科學(xué)思維泛指符合認識規(guī)律的思維、遵循邏輯規(guī)則的思維、能夠達到正確認識結(jié)果的思維。1.3.2計算科學(xué)計算科學(xué)是指研究計算機及其周圍各種現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)，即研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、程序系統(tǒng)、人工智能以及計算本身的性質(zhì)和問題的學(xué)科，與計算和信息處理相關(guān)主題的系統(tǒng)學(xué)科，從抽象的算法分析、形式化語法等，到更具體的主題(如編程語言、程序設(shè)計、軟件和硬件等)。計算科學(xué)包含很多分支領(lǐng)域：有些強調(diào)特定結(jié)果的計算，如計算機圖形學(xué)；有些探討計算問題的性質(zhì)，如計算復(fù)雜性理論；還有一些專注于怎樣實現(xiàn)計算，如編程語言理論是研究描述計算的方法，而程序設(shè)計是應(yīng)用特定的編程語言解決特定的計算問題，人機交互則是專注于怎樣使計算機和計算變得有用、好用，以及隨時隨地為人所用。1.3.3計算思維1972年圖靈獎得主EdsgerDijkstra說，“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！笔堑模嬎愎ぞ叩陌l(fā)展，計算環(huán)境的演變，計算科學(xué)的形成，計算文明的迭代中到處蘊含著思維的火花。這種思維活動在這個發(fā)展、演化、形成的過程中不斷閃現(xiàn)，在人類科學(xué)思維中早已存在，并非一個全新概念。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的JeannetteM.Wing(周以真)教授2006年在《CommunicationsoftheACM》雜志提出：計算思維是(包括、涉及)運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動(智力工具、技能、手段)。1.3.3計算思維通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方