大學計算機基礎

普通高等院?！笆奈濉庇嬎銠C基礎系列教材

大學計算機基礎

????占?俊?錢?偉◎主?編

席?奇?顧?勤?李淑蘭◎副主編

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內(nèi)?容?簡?介

本書依據(jù)教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會編制的《大學計算機基礎課

程教學基本要求》，并結(jié)合當前計算機的發(fā)展以及應用型本科院校的實際情況而編寫，知

識點覆蓋了全國計算機等級考試一、二級的內(nèi)容。

本書以計算思維為引領，引導讀者理解計算機的基本工作原理，在清晰闡述計算機基

礎知識和應用技術(shù)的基礎上，介紹計算機新技術(shù)的發(fā)展和應用，注重基礎性和實用性。為

了幫助讀者更好地掌握計算機基礎知識和操作技術(shù)，本書還配有習題與上機實驗指導《大

學計算機基礎實驗指導》（陳麗娟、饒國勇主編，中國鐵道出版社有限公司出版）。

本書圖文并茂、重點突出、通俗易懂、實用性強，既可作為各專業(yè)特別是理工科各專

業(yè)大學計算機課程的教材，又可作為各類計算機培訓機構(gòu)的教材或自學者的讀物。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

大學計算機基礎/占俊，錢偉主編.—北京:中國

鐵道出版社有限公司,2022.8

普通高等院?！笆奈濉庇嬎銠C基礎系列教材

ISBN978-7-113-29419-9

Ⅰ.①大…Ⅱ.①占…②錢…Ⅲ.①電子計算機-

高等學校-教材Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2022）第120248號

書名：大學計算機基礎

作者：占?俊?錢?偉

策劃：曹莉群??????????編輯部電話：（010）51873371

責任編輯：曹莉群

封面設計：劉?穎

責任校對：孫?玫

責任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網(wǎng)??址：/51eds/

印??刷：三河市航遠印刷有限公司

版??次：2022年8月第1版?2022年8月第1次印刷

開??本：787?mm×1?092?mm1/16印張：18字數(shù)：532千

書??號：ISBN978-7-113-29419-9

定??價：39.80元

版權(quán)所有?侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報電話：（010）63549461

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前?言

當前，信息技術(shù)日新月異，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新概念、新技

術(shù)的出現(xiàn)，在各個領域都引發(fā)了一系列革命性的突破。計算機課程的改革如同信息技

術(shù)的發(fā)展一樣迅速，主要的變化是教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會提

出了以計算思維為切入點的大學計算機課程的教學改革思路，目的是著力提升大學生

的信息素養(yǎng)，在學生掌握一定計算機基礎知識、技術(shù)和方法的基礎上，培養(yǎng)學生的計

算思維能力，適應信息化社會對人才需求的新變化，以及利用計算機解決本專業(yè)領域

問題的能力。

本書以突出“應用”和強化“能力”為目標，結(jié)合目前計算機基礎教育改革新理念、

新思想、新要求和新技術(shù)，以及多年來的教學改革實踐和建設成果，組織教學工作一

線的教師和專家，經(jīng)過數(shù)月研討編寫而成。為了貫徹和實施以計算思維為切入點的教

學改革，適應計算機基礎教學的新變化，在大學計算機基礎課程中增加了信息安全和

計算機新技術(shù)等內(nèi)容。編者從教學實際出發(fā)，以提高應用能力為目的，結(jié)合計算機學

科的特點，有選擇地確定了本書的具體內(nèi)容，以期體現(xiàn)計算機最基本、最重要的概念、

思想和方法。

本書全面系統(tǒng)地介紹了大學計算機基礎相關(guān)知識。全書共9章，包括計算與計算

機的基礎知識、計算機系統(tǒng)、信息的表示、Windows10操作系統(tǒng)、文字處理、電子表

格處理、演示文稿制作、計算機網(wǎng)絡基礎知識、信息安全技術(shù)等內(nèi)容。本書既注重基

礎引導、應用能力的培養(yǎng)、操作技能的提高，同時還涵蓋了全國計算機等級考試一級、

二級的相關(guān)知識點。

本書由景德鎮(zhèn)學院占俊、錢偉任主編，由席奇、顧勤、李淑蘭任副主編。本書編

寫過程中得到了中國鐵道出版社有限公司和編者學校的大力支持和幫助，在此表示衷

心感謝。

由于編者水平有限，書中難免會有不妥和疏漏之處，敬請各位讀者批評指正。

編者

2022年5月

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目錄

第1章?計算機基礎????????????????????????1第2章?計算機系統(tǒng)??????????????????????36

1.1計算機的發(fā)展12.1計算機理論結(jié)構(gòu)36

1.1.1早期計算機器的發(fā)展12.1.1圖靈機基本工作原理36

1.1.2電子計算機的發(fā)展32.1.2馮?諾依曼計算機結(jié)構(gòu)37

1.1.3微型計算機的發(fā)展62.1.3哈佛計算機基本結(jié)構(gòu)40

1.2計算機技術(shù)特征與文化82.1.4新型計算機系統(tǒng)研究40

1.2.1計算機技術(shù)的主要特點82.2計算機工作原理43

1.2.2摩爾定律與計算機的發(fā)展102.2.1信息編碼43

1.2.3計算機文化的主要特征112.2.2數(shù)據(jù)存儲45

1.2.4信息素質(zhì)的特征與評價132.2.3數(shù)據(jù)傳輸47

1.3計算思維的基本方法142.2.4數(shù)據(jù)計算49

1.3.1計算思維的基本特征142.2.5指令系統(tǒng)52

1.3.2計算機如何解決問題152.3計算機硬件系統(tǒng)53

1.3.3計算機不能解決的問題162.3.1系統(tǒng)組成53

1.3.4計算機主要應用領域182.3.2CPU性能56

1.4計算機新技術(shù)及應用192.3.3主板組成57

1.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)192.3.4存儲設備59

1.4.2云計算技術(shù)202.3.5外圍設備63

1.4.3大數(shù)據(jù)技術(shù)212.4計算機軟件系統(tǒng)65

1.4.4移動互聯(lián)網(wǎng)222.4.1軟件的類型與功能65

1.4.5區(qū)塊鏈252.4.2數(shù)據(jù)庫類型和組成69

1.4.6人工智能272.4.3軟件的編譯與環(huán)境70

1.4.7虛擬現(xiàn)實322.4.4軟件的安裝與卸載72

思考與練習322.4.5計算機的技術(shù)指標73

思考與練習74

I

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大學計算機基礎

第3章?信息的表示??????????????????????785.2.3頁面排版132

3.1數(shù)值信息在計算機中的表示785.3制作表格137

3.1.1常用數(shù)制的基本概念785.3.1創(chuàng)建表格138

3.1.2不同數(shù)制的轉(zhuǎn)換方法805.3.2編輯表格140

3.1.3二進制整數(shù)存儲形式825.3.3格式化表格143

3.1.4二進制小數(shù)存儲形式845.4插入對象144

3.1.5二進制補碼運算方式865.4.1插入圖片145

3.2非數(shù)值信息在計算機中的表示885.4.2插入圖形對象148

3.2.1英文字符的表示885.4.3創(chuàng)建公式150

3.2.2漢字字符的表示915.5高效排版151

3.2.3國際統(tǒng)一字符編碼945.5.1樣式的創(chuàng)建及使用151

思考與練習985.5.2自動生成目錄152

5.5.3郵件合并153

第4章?操作系統(tǒng)???????????????????????100

5.6修訂文檔155

4.1Windows系統(tǒng)功能1005.7打印文檔156

4.1.1Windows系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1005.8綜合應用實例157

4.1.2Windows進程管理102思考與練習169

4.1.3Windows文件管理105

第6章?電子表格處理????????????????172

4.2Windows系統(tǒng)應用107

4.2.1Windows基本操作1076.1電子表格處理概述172

4.2.2Windows系統(tǒng)安裝1106.2電子表格處理的基本操作173

4.2.3Windows驅(qū)動程序1126.2.1創(chuàng)建工作簿173

4.2.4Windows系統(tǒng)優(yōu)化1136.2.2創(chuàng)建工作表174

思考與練習1166.2.3編輯工作表181

6.2.4格式化工作表183

第5章?文字處理???????????????????????118

6.2.5保存和保護工作簿186

5.1文字處理的基本操作1186.2.6打開工作簿187

5.1.1啟動和退出Word20161186.3圖表制作188

5.1.2熟悉Word2016工作界面1186.3.1創(chuàng)建圖表189

5.1.3文檔編輯1206.3.2編輯圖表189

5.1.4保存和保護文檔1226.4數(shù)據(jù)管理和分析190

5.1.5打開文檔1236.4.1建立數(shù)據(jù)清單191

5.2文檔排版1246.4.2數(shù)據(jù)排序191

5.2.1字符排版1246.4.3數(shù)據(jù)篩選192

5.2.2段落排版1276.4.4分類匯總194

II

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目錄

6.4.5數(shù)據(jù)透視表1958.2.2網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)245

6.4.6數(shù)據(jù)鏈接與合并計算1968.2.3網(wǎng)絡互連模型246

6.4.7模擬分析和運算1998.2.4網(wǎng)絡服務模型247

6.4.8常用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析函數(shù)8.3計算機網(wǎng)絡組成248

及其應用2038.3.1拓撲結(jié)構(gòu)248

6.4.9宏的簡單應用2128.3.2傳輸介質(zhì)249

6.5工作表的打印2138.3.3網(wǎng)絡設備250

6.6綜合應用實例2138.3.4網(wǎng)絡構(gòu)建252

思考與練習2188.4因特網(wǎng)基本服務253

第7章?演示文稿制作????????????????2228.4.1網(wǎng)絡地址254

8.4.2域名系統(tǒng)255

7.1演示文稿制作概述222

8.4.3因特網(wǎng)服務256

7.2制作一個多媒體演示文稿224

8.4.4HTML259

7.2.1建立演示文稿225

思考與練習260

7.2.2編輯演示文稿226

7.3定制演示文稿的視覺效果228第9章?信息安全技術(shù)????????????????262

7.3.1美化幻燈片2289.1信息安全概述262

7.3.2統(tǒng)一設置幻燈片外觀2289.1.1信息安全的主要威脅262

7.4設置演示文稿的播放效果2299.1.2信息系統(tǒng)不完善因素263

7.4.1設計動畫效果2299.1.3信息安全的主要特征265

7.4.2播放演示文稿2319.1.4信息安全的一般原則265

7.5演示文稿的打印和輸出2329.2計算機病毒及防護266

7.6綜合應用實例2329.2.1計算機病毒的定義266

思考與練習2379.2.2計算機病毒的表現(xiàn)267

第8章?計算機網(wǎng)絡????????????????????2399.2.3計算機病毒的防護269

9.2.4惡意軟件的防治272

8.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展239

9.3網(wǎng)絡安全防護技術(shù)273

8.1.1網(wǎng)絡的基本功能239

9.3.1黑客攻擊過程273

8.1.2網(wǎng)絡的主要類型240

9.3.2安全體系結(jié)構(gòu)275

8.1.3因特網(wǎng)發(fā)展概況241

9.3.3防止攻擊策略277

8.2計算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)243

9.3.4網(wǎng)絡防火墻技術(shù)277

8.2.1網(wǎng)絡通信協(xié)議243

思考與練習279

III

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第1章

計算機基礎

計算機是一種由程序控制的信息處理工具，它能自動、高速地對信息進行存儲、傳送和處理。

計算機的廣泛應用，推動了社會的發(fā)展與進步，對人類社會的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了極其深刻的影響。

本章主要介紹計算機的發(fā)展歷程和機器計算的主要思想、計算機的主要類型、計算機的技術(shù)特

征和對社會的影響，以及計算思維的基本方法等。

1.1?計算機的發(fā)展

計算技術(shù)的發(fā)展歷史是人類文明史的一個縮影。計算機的產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)歷了漫長拓展閱讀

的歷史過程，在這個過程中，科學家們經(jīng)過艱難的探索，發(fā)明了各種各樣的計算機，

推動了計算機技術(shù)的發(fā)展。

1.1.1?早期計算機器的發(fā)展

算盤作為主要的計算工具流行了相當長的一段時間，直到中世紀，歐洲哲學家們

計算工具的

提出一個大膽的問題：能否用機械來實現(xiàn)人腦活動的個別功能？最初的目的并不是制發(fā)展

造計算機，而是試圖從某個前提出發(fā)，機械地得出正確的結(jié)論，即思維機器的制造。

1．機器計算的萌芽

1275年，西班牙學者雷蒙德·露利（R.Lullus）發(fā)明了一種稱為“旋轉(zhuǎn)玩具”的思維機器。

在旋轉(zhuǎn)玩具中，數(shù)值可以由圓盤的旋轉(zhuǎn)角度表示，數(shù)字的正、負可以由轉(zhuǎn)動方向確定。旋轉(zhuǎn)玩

具引起許多著名學者的研究興趣，促使了能進行簡單數(shù)學運算的計算機器的產(chǎn)生。數(shù)學家笛卡

爾（ReneDescartes，1596—1650）曾經(jīng)預言：“總有一天，人類會造出一些舉止與人一樣的‘沒

有靈魂的機械’來?！?/p>

1623年，德國的契克卡德（W.Schickard）教授為他的朋友天文學家開普勒（Kepler）設計

了一種能做四則運算的機器，但是這種機器沒有實物作為佐證。

2．帕斯卡加法器

1642年，法國數(shù)學家布萊士·帕斯卡（BlaisePascal，1623—1662）制造了第一臺能進行6

位十進制加法運算的機器（見圖1-1）。帕斯卡加法器由一系列齒輪組成，利用發(fā)條作為動力裝

置。帕斯卡加法器主要的貢獻在于：某一位小齒輪或軸完成10個數(shù)字的轉(zhuǎn)動，促使下一個齒輪

轉(zhuǎn)動一個數(shù)字，從而解決了機器計算的自動進位問題。

1

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大學計算機基礎

圖1-1帕斯卡發(fā)明的加法器和它的內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)（1642年）

3．萊布尼茨的二進制思想

1673年，德國數(shù)學家戈特費里德·威廉·萊布尼茨（GottfriedWilhelmLeibniz，1646—

1716）在帕斯卡加法器的思想和工作的影響下，制造了能進行簡單加、減、乘、除的計算機

器。機器的關(guān)鍵部件是梯形軸，即齒長不同的圓柱，第一次實現(xiàn)了帶有可變齒數(shù)的齒輪，這種

數(shù)字齒輪保證了乘除法的進行。

1679年萊布尼茨發(fā)明了一種算法，用兩個數(shù)（1和0）代替原來的10個數(shù)。1701年他寫信

給在北京的神父閔明我（Grimaldi）和白晉（Bouvet），告知自己的新發(fā)明，希望能引起他心目

中的“算術(shù)愛好者”康熙皇帝的興趣。但是，關(guān)于這個神奇的數(shù)字系統(tǒng)，萊布尼茨只有幾頁異

常精練的描述，沒有建立一個完整的二進制數(shù)計算的理論體系。

4．巴貝奇的自動計算機器

1822年，英國劍橋大學著名數(shù)學家查爾斯·巴貝奇（CharlesBabbage，1792—1871）設計

了差分機和分析機（見圖1-2）。巴貝奇的目標是制作一臺可以計算多項式的“差分機”（加法

機），用于快速編制對數(shù)、三角函數(shù)以及其他算術(shù)函數(shù)的數(shù)學用表。他整整用了10年時間，于

1822年完成了第一臺差分機，它可以處理3個不同的5位數(shù)，計算精度為6位數(shù)字，可以演算出

幾種函數(shù)表。

差分機由以前每次只能完成一次算術(shù)運算，發(fā)展為自動完成某個特定的完整運算過程。之

后，巴貝奇又設計了一種程序控制的通用分析機。這種分析機由3部分構(gòu)成：第1部分是保存

數(shù)據(jù)的齒輪式寄存器，巴貝奇稱為“堆?！?，它與差分機類似，但計算不在寄存器內(nèi)進行，而

是由新的機構(gòu)來實現(xiàn)；第2部分是對數(shù)據(jù)進行各種運算的裝置，巴貝奇命名為“工場”；第3部

分是對操作順序進行控制，并對所要處理的數(shù)據(jù)及輸出結(jié)果加以選擇的裝置。為了加快運算的

速度，巴貝奇設計了先進的進位機構(gòu)。他估計使用分析機完成一次50位數(shù)的加減法只要1s，

相乘則要1min。同時，在多年的研究制造實踐中，巴貝奇寫了世界上第一部關(guān)于計算機程序

的專著。分析機是現(xiàn)代程序控制計算機的雛形，設計理論非常超前，但限于當時的技術(shù)條件未

能最終形成產(chǎn)品。

圖1-2巴貝奇發(fā)明的差分機和分析機復制品模型（1822年）

2

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第1章計算機基礎

5．愛達與程序設計

愛達（AdaAugustaByron，1815—1852）是著名英國詩人拜倫之女，她對數(shù)學有極高的興

趣。1842年，愛達花了9個月的時間翻譯意大利數(shù)學家米那比亞（LuigiMenabrea）論述巴貝奇

著作《分析機概論》的備忘錄。在愛達的譯文里，她附加了許多注記，詳細說明了用計算機進

行伯努利數(shù)的運算方式，這被認為是世界上第一個計算機程序，因此，愛達也被認為是世界上

第一位程序設計師。巴貝奇在他的著作《經(jīng)過哲學家的人生》中寫道：“我認為她（譯注：愛

達）為米那比亞的備忘錄增加了許多注記，并加入了一些想法。雖然這些想法是由我們一起討

論出來的，但是最后寫進注記里的想法確確實實是她自己的構(gòu)想。我將許多代數(shù)運算的問題交

給她處理，這些工作與伯努利數(shù)的運算相關(guān)。在她送回給我的文件中，修正了我先前在程序里

的重大錯誤。”

愛達在文章中創(chuàng)造出了許多巴貝奇也未曾提到的新構(gòu)想，愛達曾經(jīng)預言：“這個機器未來

可以用來排版、編曲或是各種更復雜的用途。”愛達建立了循環(huán)和子程序的概念，為計算程序

擬定過算法，創(chuàng)作了第一份“程序設計流程圖”。

6．布爾與數(shù)理邏輯

英國數(shù)學家布爾（G.Boole，1815—1864）的第一部著作是《邏輯的數(shù)學分析》。1854年，

布爾再次出版了《思維規(guī)律的研究——邏輯與概率的數(shù)學理論基礎》。憑借這兩部著作，布爾

建立了一門新的數(shù)學學科：布爾代數(shù)。布爾代數(shù)建立了一個完整的二進制數(shù)計算理論體系。

現(xiàn)代計算機理論的一個基本要求是所有信息都可用符號編碼，而最簡單的編碼是采用二進

制。人們平時接觸的各種復雜事物的信息都可以用簡單的0、1表示嗎？若表示出來了又可通過

哪種方式進行運算得到人們想要的結(jié)果呢？布爾完成了這項偉大的工作，他將人類的邏輯思維

簡化為一些二進制數(shù)學運算（布爾代數(shù)），發(fā)明了用二進制語言描寫和處理各種邏輯命題。雖

然計算機科學的發(fā)展證明了布爾代數(shù)的重大意義，但當時布爾的工作并沒有得到充分的重視。

1.1.2?電子計算機的發(fā)展

現(xiàn)代計算機是指利用電子技術(shù)代替機械或機電技術(shù)的計算機，現(xiàn)代計算機經(jīng)歷了80多年

的發(fā)展，其中最重要的代表人物有英國科學家艾倫·麥席森·圖靈（AlanMathisonTuring，

1912—1954）和美籍匈牙利科學家約翰·馮·諾依曼（JohnvonNeumann，1903—1957），他們

（見圖1-3）為現(xiàn)代計算機科學奠定了基礎。

圖靈馮·諾依曼

圖1-3為現(xiàn)代計算機科學奠定基礎的杰出科學家圖靈和馮·諾依曼

1．圖靈與人工智能

1936年，圖靈在他具有劃時代意義的論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用》中，論

述了一種理想的通用計算機，被后人稱為“圖靈機”。1950年，圖靈發(fā)表了另一篇著名論文

3

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大學計算機基礎

《計算機器與智能》，論文中指出：如果一臺機器對于質(zhì)問的響應與人類做出的響應完全無法區(qū)

別，那么這臺機器就具有智能。這一論斷稱為圖靈測試，它奠定了人工智能的理論基礎。

圖靈并不只是一位純粹的抽象數(shù)學家，他還是一位擅長電子技術(shù)的工程專家。他設計制造

的破譯機Bombe（炸彈）實質(zhì)上是一臺采用繼電器的高速計算裝置。圖靈以獨特的思想創(chuàng)造的

破譯機，一次次成功地破譯了德國法西斯的密碼電文。

馮·諾依曼生前曾多次說：“如果不考慮查爾斯·巴貝奇等人早先提出的有關(guān)思想，現(xiàn)代

計算機的概念當屬于艾倫·圖靈”。由此可見，圖靈對計算機科學影響巨大，為了紀念圖靈的

杰出貢獻，美國計算機協(xié)會（ACM）專門設立了圖靈獎，它是計算機學術(shù)界的最高成就獎。

2．第一臺現(xiàn)代電子數(shù)字計算機ABC

第一臺現(xiàn)代電子數(shù)字計算機是ABC（Atanasoff-BerryComputer，阿塔納索夫—貝瑞計算

機），它是美國科學家約翰·文森特·阿塔納索夫（JohnVincentAtanaso?）和他的研究生克利福

特·貝瑞（Cli?ordBerry）在1937年設計，于1942年測試成功的（見圖1-4）。1990年，阿塔納

索夫獲得了全美最高科技獎“國家科技獎”。

圖1-4第一臺現(xiàn)代電子數(shù)字計算機ABC復制品和設計草圖（1939年）

ABC計算機采用二進制電路進行運算；存儲系統(tǒng)采用不斷充電的電容器，具有數(shù)據(jù)記憶功

能；輸入系統(tǒng)采用了IBM公司的穿孔卡片；輸出系統(tǒng)采用高壓電弧燒孔卡片。

阿塔納索夫提出了現(xiàn)代計算機設計最重要的3個基本原則：

①以二進制的方式實現(xiàn)數(shù)字運算和邏輯運算，以保證運算精度；

②利用電子技術(shù)實現(xiàn)控制和運算，以保證運算速度；

③采用計算功能與存儲功能的分離結(jié)構(gòu)，以簡化計算機設計。

3．ENIAC計算機

1943年，第二次世界大戰(zhàn)時期，美國因新式火炮彈道計算需要運算速度更快的計算機。賓

夕法尼亞大學莫爾學院36歲的物理學家約翰·莫克利（JohnMauchly）教授和他24歲的學生普

雷斯伯·埃克特（PresperEckert）博士，向軍方代表戈德斯坦提交了一份研制ENIAC計算機的

設計方案，軍方提供了48萬美元的經(jīng)費資助。1946年2月，莫克利成功研制出了ENIAC計算

機。ENIAC采用了18000多個電子管，10000多個電容器，7000個電阻，1500多個繼電器，

功率為150kW，質(zhì)量達30t，占地面積170m2。

莫克利在設計ENIAC之前曾經(jīng)拜訪過阿塔納索夫，并一起討論過ABC計算機的設計經(jīng)驗。

因此，他在ENIAC的設計中采用了全電子管電路，沒有采用二進制。ENIAC的程序為外插型，

即用線路連接、撥動開關(guān)和交換插孔等形式實現(xiàn)。它沒有存儲器，只有20個10位十進制數(shù)的

寄存器，輸入/輸出設備有卡片、指示燈、開關(guān)等。ENIAC進行一個2s的運算，需要用兩天的

時間進行準備工作，為此?？颂嘏c同事們討論過“存儲程序”的設計思想，遺憾的是沒有形成

4

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第1章計算機基礎

文字記錄。

ENIAC的任務是分析炮彈軌跡，它能在1s內(nèi)完成5000次加法運算，也可以在0.003s的時

間內(nèi)完成2個10位數(shù)乘法，一條炮彈軌跡的計算只需要20s，比炮彈的飛行速度還快。

4．馮·諾依曼與EDVAC計算機

1944年，馮·諾依曼專程到莫爾學院參觀了還未完成的ENIAC，并參加了為改進ENIAC

而舉行的一系列專家會議。馮·諾依曼對ENIAC計算機的不足之處進行了認真分析，并討論了

全新的存儲程序的通用計算機方案。當軍方要求設計一臺比ENIAC性能更好的計算機時，他提

出了EDVAC方案。

1945年，馮·諾依曼發(fā)表了計算機史上著名的論文First

Draft

of

a

Report

on

the

EDVAC

（EDVAC計算機報告的第一份草案），這篇手稿為101頁的論文，稱為“101報告”。在“101報

告”中，馮·諾依曼提出了計算機的五大結(jié)構(gòu)，以及存儲程序的設計思想，從而奠定了現(xiàn)代計

算機設計的基礎。

1952年，EDVAC計算機投入運行，主要用于核武器的理論計算。EDVAC的改進主要有兩

點：一是為了充分發(fā)揮電子元件的高速性能采用了二進制；二是把指令和數(shù)據(jù)都存儲起來，讓

機器能自動執(zhí)行程序。EDVAC使用了大約6000個電子管和12000個二極管，占地面積約為

45.5m2，質(zhì)量為7.85t，功率為56kW。EDVAC利用水銀延時線作主存，可以存儲1000個44

位的字，用磁鼓作輔存，并且具有加減乘除的功能，運算速度比ENIAC提高了240倍。EDVAC

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

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SEDVAC

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圖1-5EDVAC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)草圖（設計者不詳）

5．IBMSystem360計算機

1964年由IBM公司設計的IBMSystem360是現(xiàn)代計算機最典型的代表產(chǎn)品，如圖1-6所示。

IBM360采用晶體管和集成電路作為主要器件。IBMSystem360的貢獻在于通用化、標準化、

系列化，而且從IBMSystem360開始有了計算機兼容的重要概念。

IBMSystem360計算機的開發(fā)過程可說是歷史上最大的一次豪賭，為了研發(fā)這臺大型計

算機，IBM征召了6萬多名新員工，創(chuàng)建了5座新工廠，耗資50億美元，歷時5年時間進行研

制，而當時出貨的時間不斷延遲。IBMSystem360的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計師是吉恩·阿姆達爾（Gene

Amdahl，1922—2015，美國），項目經(jīng)理是弗雷德里克·布魯克斯（FrederickP.Brooks）。布魯

克斯事后根據(jù)這項計劃的開發(fā)經(jīng)驗，編寫了《人月神話：軟件項目管理之道》一書，記述了人

類工程史上一項里程碑式的大型復雜軟件系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗。

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大學計算機基礎

圖1-6IBMSystem360計算機和機房工作現(xiàn)場（1964年）

現(xiàn)代計算機誕生后，計算機的基本元器件經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大

規(guī)模和超大規(guī)模集成電路4個發(fā)展階段。計算機的運算速度顯著提高，存儲容量大幅增加。同

時，軟件技術(shù)也有了較大的發(fā)展，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、高級程序設計語言、數(shù)據(jù)庫等

系統(tǒng)軟件，計算機的應用開始進入許多領域。

1.1.3?微型計算機的發(fā)展

1．Altair8800微型計算機（牛郎星）

微型計算機（Microcomputer，簡稱微機）的研制起始于20世紀70年代。早期微型計算機

產(chǎn)品有Kenbak公司1971年推出的Kenbak-1，這臺微型計算機沒有微處理器，也沒有操作系統(tǒng)。

1973年推出的Micral-N是第一臺采用微處理器（Intel8008）的商用微型計算機，它同樣沒有操

作系統(tǒng)，而且銷量極少。1975年推出的Altair8800（牛郎星）是第一臺現(xiàn)代意義上的通用型微

型計算機。如圖1-7所示，最初的Altair8800微型計算機包括：一個Intel8080微處理器、256B

存儲器（后來增加為4KB）、一個電源、一個機箱和有大量開關(guān)和顯示燈的面板。Altair8800

微型計算機當時的市場售價為375美元，與當時的大型計算機相比較，它非常便宜。

圖1-7Altair8800微型計算機（1975年）

Altair8800微型計算機發(fā)明人愛德華·羅伯茨（EdwardRoberts，1942—2010，美國）是

美國業(yè)余計算機愛好者，他擁有電子工程學位。早期的牛郎星微型計算機非常簡陋，既沒有輸

入數(shù)據(jù)的鍵盤，也沒有輸出計算結(jié)果的顯示器。插上電源后，使用者需要用手撥動面板上的開

關(guān)，將二進制數(shù)“0”或“1”輸進機器。計算完成后，面板上的幾排小燈泡忽明忽滅，用發(fā)出

的燈光信號表示計算結(jié)果。

Altair8800完全無法與當時的IBMSystem360、PDP-8等大型計算機相比，更像是一臺簡

陋的游戲機，它只能勉強算是一臺微型計算機?，F(xiàn)在看來，正是這臺簡陋的Altair8800微型計

算機，掀起了一場改變整個計算機世界的革命。它的一些設計思想直到今天也具有重要的指

導意義，如開放式設計思想（如開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開放外設總線等）、微型化設計方法（如追求

產(chǎn)品的短小輕?。?、OEM生產(chǎn)方式（如部件定制、貼牌生產(chǎn)等）、硬件與軟件分離的經(jīng)營模式

（早期計算機硬件和軟件由同一廠商設計）、保證易用性（如非專業(yè)人員使用、DIY）等。Altair

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第1章計算機基礎

8800的發(fā)明造就了一個完整的微型計算機工業(yè)體系，并帶動了一批軟件開發(fā)商（如微軟公司）

和硬件開發(fā)商（如蘋果公司）的成長。

2．蘋果微型計算機AppleII

1976年，青年計算機愛好者斯蒂夫·喬布斯（Steve

Jobs，1955—2001，美國）和斯蒂夫·沃茲尼克亞（Steve

Wozniak）憑借1300美元，在家庭汽車庫里開發(fā)出了

AppleI（蘋果）微型計算機。1977年，喬布斯推出了經(jīng)

典機型AppleII（見圖1-8）。這臺機器在當時的市場大受

歡迎，計算機從此進入了發(fā)展史上的黃金時代。

圖1-8AppleII微型計算機（1977年）

AppleII微型計算機采用摩托羅拉（Motorola）公司

M6502芯片作為CPU，整數(shù)加法運算速度為50萬次/s。它有4KB動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、

16KB只讀存儲器（ROM）、8個插槽主板、1個鍵盤、1臺顯示器，以及固化在ROM芯片中的

BASIC語言，售價為1300美元。AppleII微型計算機風靡一時，成為當時市場上的主流微型計

算機。1978年蘋果公司股票上市，3周內(nèi)股票價格達到17.9美元，股票總值超過了福特汽車公

司，成為當時最成功的公司。

3．個人計算機IBMPC5150

微型計算機發(fā)展初期，大型計算機公司對它不屑一顧，認為那只是計算機愛好者的玩具而

已。但是蘋果公司的AppleII微型計算機在市場取得了極大成功，以及由此而引發(fā)的巨大經(jīng)濟

利益，引起了大型計算機公司的高度重視。

1981年8月，IBM公司推出了第一臺16位個人計算機IBMPC5150（見圖1-9）。IBM公司

將這臺計算機命名為PC（PersonalComputer，個人計算機）?，F(xiàn)在PC已經(jīng)成為計算機的代名

詞。微型計算機終于突破了只為個人計算機愛好者使用的狀況，迅速普及到工程技術(shù)領域和商

業(yè)領域。

ISA????

DRAM

CPU

????

IBMPC5150?????⑤??

圖1-9IBMPC5150和主板（1981年）

IBMPC繼承了開放式系統(tǒng)的設計思想，IBM公司公開了除BIOS（基本輸入/輸出系統(tǒng)）之

外的全部技術(shù)資料，并通過分銷商傳遞給最終用戶，這一開放措施極大地促進了微型計算機的

發(fā)展。第一臺IBMPC采用了總線擴充技術(shù)，并且IBM公司放棄了總線專利權(quán)。這意味著其他

公司也可以生產(chǎn)同樣總線的微型計算機，這給兼容機的發(fā)展開辟了巨大的空間。

進入20世紀90年代后，每當英特爾公司推出新型CPU產(chǎn)品時，馬上會有新型個人計算機

推出。第一臺個人計算機與目前個人計算機的性能比較如表1-1所示。個人計算機在過去40多

年里發(fā)生了許多重大變化。

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大學計算機基礎

表1-1第一臺個人計算機與目前個人計算機的性能比較

技術(shù)指標第一臺個人計算機目前個人計算機

機器型號IBMPC5150HPLaptop15-dh0007TXPRC

推出日期1981年8月2019年5月

CPU型號Intel8088（1核）IntelCorei79750H（6核）

CPU頻率4.77MHz2.6GHz

內(nèi)存容量64KBDRAM16GBDDR4

主板類型XTATX

外存容量5.25英寸軟驅(qū)160KB3.5英寸硬盤2TB

光驅(qū)規(guī)格無DVD刻錄光驅(qū)

顯示器單色11.5英寸CRT彩色23英寸LCD（觸摸屏）

顯示模式單色，720×350像素，文本處理彩色，1920×1080像素，3D圖形處理

音頻系統(tǒng)內(nèi)置揚聲器6聲道集成聲卡+音箱+麥克風

網(wǎng)絡系統(tǒng)無1000Mbit/s網(wǎng)卡+無線網(wǎng)卡+藍牙

操作系統(tǒng)DOS1.0（字符操作界面）Windows10（圖形操作界面）

啟動時間16s左右50s左右

操作方式87鍵鍵盤107鍵無線鍵盤+無線鼠標

其他接口1個LPT并口，2個COM串口8個USB接口，2個IEEE1394接口

市場價格3045美元12000元

通過表1-1可以看出，微型計算機在性能上得到了極大的提高，功能越來越強大，應用涉

及各個領域。有統(tǒng)計資料表明，微型計算機自20世紀70年代問世以來，至今已售出20億臺左

右。其中，75%用于辦公，25%用于個人用途，桌上型微型計算機占了81.5%。根據(jù)

拓展閱讀

國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2020年我國電子計算機整機產(chǎn)量累計值達4.05億臺，其產(chǎn)

量比上一年累計增長16%。

1.2?計算機技術(shù)特征與文化

計算機的類型

1.2.1?計算機技術(shù)的主要特點

計算機是一種相對其能力而言比較便宜，而且功能強大的工具。同一臺計算機能夠做許多

不同的工作，如科學計算、數(shù)據(jù)處理、圖形設計、工業(yè)控制、文字排版、氣象預報、游戲娛

樂、通信交流、語音識別等。因此，計算機在社會各個領域都有廣泛的應用。要完全列舉計算

機在各個領域中的應用幾乎是一件不可能完成的任務。下面通過幾方面來探討計算機技術(shù)的主

要特點。

1．計算機的高速計算特點

19世紀一位外國數(shù)學家將圓周率π的值計算到小數(shù)點后面707位，共花費了15年的時間。

1984年一位日本人用計算機將π的值計算到1000萬位，只用了24h。

英國氣象學家劉易斯·弗萊·理查森（LewisFryRichardson，1881—1953）編寫的《利用

數(shù)值方法做天氣預報》一書中，講述了如何進行氣象預報的數(shù)值計算。為了求得準確的數(shù)據(jù)，

理查遜在1916年—1918年組織了大量人力進行了第一次數(shù)值氣象預報嘗試，由許多人用手搖計

算機進行了12個月的計算才完成，這次實驗雖然失敗了，但給了人們有益的啟示。在理查森試

驗的20年后，電子計算機的問世使數(shù)值氣象預報得以實現(xiàn)。1950年，美國科學家第一次成功地

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