理解計算機課件

L1計算機的概念和計算機知識

本節(jié)概要

對計算機知識的需求

定義計算機

計算機：它的用途

L1計算機的概念和計算機知識

計算過程的五個要素

I硬件

號軟件、編程語言、系統(tǒng)和應(yīng)用程序軟件包

數(shù)據(jù)

人

過程

?計算機：它的優(yōu)勢

?積極的影響與消極的影響

L1計算機的概念和計算機知識

,本節(jié)學(xué)習(xí)目標

.解釋將來的計算機社會對計算機知識的需

!求。

解釋什么是計算機以及它是如何處理數(shù)據(jù)

■并產(chǎn)生信息的。

?討論計算機具有的使之得到如此廣泛應(yīng)用

的特點。

L1計算機的概念和計算機知識

r本節(jié)學(xué)習(xí)目標

!說明計算機的主要類型和它的主要用途。

,描述通用的應(yīng)用程序的主要類型，舉例說

明它的用途。

二區(qū)分數(shù)據(jù)和信息。

一?解釋計算機中數(shù)的表示（比特和字節(jié)）。

L1計算機的概念和計算機知識

r本節(jié)學(xué)習(xí)目標

辨別典型計算過程要素。

?,解釋計算機專業(yè)人員與其他計算機用戶的

一關(guān)系。

?理解計算機對社會的積極和消極影響。

1.1.1對計算機知識的需求

您需要計算機知識，也就是足夠的計算機

知識為您工作與生活在一個計算機化的社

會中作好準備。

知識的缺乏也導(dǎo)致一些人對計算機產(chǎn)生恐

懼感。我們甚至杜撰了“計算機恐懼癥”

這個術(shù)語來形容這種沒有道理的恐懼。

1.1.1對計算機知識的需求

有了這些知識，您就能夠更快的學(xué)習(xí)如何

有效地使用計算機——無論時今天的還是

明天的計算機：您會很快認識到那些從計

算機的應(yīng)用中受益的工作。

1.1.2定義計算機

“計算機這個詞是和“計算”聯(lián)系在一起的,

而后者又被等同于“數(shù)學(xué)”，這就嚇倒某

些人，這種聯(lián)系是誤導(dǎo)。

計算機不是計算器,盡管您可以把一臺計

算機轉(zhuǎn)化為計算器。計算機可以簡單地定

義為一種電子設(shè)備——一種可以操作數(shù)據(jù)

的靈活機器，而這些操作中許多與數(shù)學(xué)無

關(guān)。

1.1.2定義計算機

計算機的靈活性：計算機是可編程的，即

計算機所完成的工作取決于它所使用的程

序。計算機硬件（機器及其組件）的設(shè)計

盡可能的靈活。通過使用成為軟件的計算

機程序，可以把這種靈活的硬件轉(zhuǎn)換成用

于特定用途的工具。

1.1.2定義計算機

計算機只能完成4種基本操作：

輸入：計算機接受由輸入設(shè)備（如鍵盤）

;提供的數(shù)據(jù)。

處理：計算機對數(shù)據(jù)進行操作，按一定方

一式對它們進行轉(zhuǎn)換。

1.1.2定義計算機

輸出：計算機在諸如打印機或顯示器等設(shè)

備上產(chǎn)生輸出，顯示操作處理的結(jié)果。

存儲：計算機可以存儲處理結(jié)果供以后使

用。

1.1.2定義計算機

該定義常被稱作IPOS循環(huán)。

IPOS循環(huán)的4個步驟——輸入(Input)、處

理(Processing)、輸出(Output)、存儲

(Storage)并不一定嚴格按照I—P—0—S

的順序出現(xiàn)。

Ll.3計算機：它的用途

計算機的用途就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息。在

這里，數(shù)據(jù)意味著可以輸入計算機的某種

未經(jīng)組織的材料。經(jīng)過處理操作就得到了

信息，此時數(shù)據(jù)已經(jīng)變得有意義和有用了。

1.1.4計算過程的五個要素

計算機由計算機的物理部分（硬件）和告

訴計算機做什么的程序（軟件）組成。不

過，將數(shù)據(jù)處理為信息（計算過程）牽扯

到硬件和軟件之外更多的要素。

在計算過程中，計算機綜合利用了5種要素:

1.1.4計算過程的五個要素

|硬件

r軟件

■數(shù)據(jù)

號？人

?過程

1.1.4.1硬件

術(shù)語“硬件”指的是計算機的物理部分。

計算機多功能性的關(guān)鍵在于內(nèi)存。：

內(nèi)存是臨時性的，存儲器是永久性的。

計算機的精度的關(guān)鍵之處在于它以數(shù)字形

式表示數(shù)據(jù)這一事實。計算機采用二進制

數(shù)，也就是以2為基數(shù)的記數(shù)系統(tǒng)，而不是

以10為基數(shù)的十進制記數(shù)系統(tǒng)。

1.1.4.1硬件

二進制數(shù)可以取值?；?,通常稱為一個

“比特”。8個比特組合在一起表示一個字

符—字母、數(shù)字或特殊字符。這個組合

稱為字節(jié)。

當(dāng)我們談?wù)撚嬎銠C內(nèi)存和存儲器的容量時,

經(jīng)常會提到字節(jié)。

千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）

千兆字節(jié)（GB）

1.1.4.2軟件

軟件是指導(dǎo)硬件完成工作的指令集（也成為

程序）。

:「一、編程語言

■軟件程序必須用編程語言編寫。

1952年以前，唯一可用的編程語言是現(xiàn)在

被稱為低級語言的機器語言。

1.1.4.2軟件

1952年，一種稱為匯編語言的新型低級編

程語言得到了推廣。

60年代出現(xiàn)了高級編程語言。在高級語言

中，程序員使用簡單的英文單詞和熟悉的

數(shù)學(xué)表達式。

1.1.4.2軟件

、系統(tǒng)和應(yīng)用程序軟件包

當(dāng)代復(fù)雜的計算機程序，是由很多能夠共

同運行的獨立程序組成的。認識到了這一

事實，人們有時將程序稱為軟件包。

計算機需要系統(tǒng)軟件才能發(fā)揮功能O系統(tǒng)

軟件集成了計算機硬件的要素并提供完成

日常維護工作的工具。

1.1.4.2軟件

應(yīng)用軟件是計算機成為完成特定任務(wù)的工

具。某些應(yīng)用程序是專用程序，即只完成

某一特定專業(yè)的任務(wù)。

其他的應(yīng)用程序稱為通用程序。經(jīng)常使用

的通用程序包括以下幾類：字處理、桌面

出版、電子表格、數(shù)據(jù)庫、通信軟件、圖

形軟件、資源探索軟件。

1.1.4.3數(shù)據(jù)

計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息。這兩個術(shù)語之

間的區(qū)別是什么？數(shù)據(jù)是原材料，而信息

是經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是處理過程的

輸入，而信息是輸出。

■描述數(shù)據(jù)和信息之間關(guān)系的有用模型稱為

系統(tǒng)模型，它可顯示數(shù)據(jù)是如何進入處理

器，然后輸出信息的。

1.1.4.3數(shù)據(jù)

信息區(qū)別于數(shù)據(jù)的是它的幾個重要的特征。

要想成為有用的信息必須具備相關(guān)、及時、

準確、簡潔和完整這幾個特點。

表1.1有用信息的特征

相關(guān)性信息適用于當(dāng)前情況

及時性信息是最新的，并且要

在需要時便能獲得

準確性提供給計算機的數(shù)據(jù)和

產(chǎn)生輸出的每一個細節(jié)

都必須正確

簡潔性信息被壓縮到可用長度

完整性所有重要事項都應(yīng)包括

在內(nèi)

LL4.4人

大多數(shù)計算機需要人的參與，我們稱之為

用戶（或有時稱為最終用戶）。

這些具有淵博的計算機知識的人稱為高級

用戶。

計算機專業(yè)人員則是指那些學(xué)過計算機中

級的高級課程的人士。這些人可以用他們

的專業(yè)訓(xùn)練來改善計算機系統(tǒng)的性能、易

用性和效窣。

1.1.4.5過程

過程是指為完成某項與有關(guān)計算機的任務(wù)

所必須遵從的步驟。了解常見的計算機過

程是用戶計算機知識的一部分。

1.1.5計算機的優(yōu)點

計算機具備以下特點

，快速

.可罪

■準確-

亍二能夠存儲大量的信息二一一;

?計算機能夠?qū)⑿畔⒎浅Ｑ杆俚貜囊粋€地方

移到另一個地方

1.1.5計算機的優(yōu)點

計算機的大小各異:

I超級計算機

I大型計算機

三小型計算機

?筆記本計算機

?嵌入式計算機

1.1.6積極與消極的影響

計算機知識意味著學(xué)習(xí)計算機的基本概念

和應(yīng)用程序。計算機知識還意味著認識到

計算機給我們的社會帶來的積極和消極的

影響。我們隨時隨地可以感受到計算機的

積極影響。不過也存在消極的方面。

1.1.7小結(jié)

計算機已經(jīng)改變了我們看待生活的方式。

理解計算機系統(tǒng)如何設(shè)置和如何工作的基

本概念，以及如何利用計算機完成各項工

作，對加強計算機知識都會有所幫助。

某些“機算機盲”有計算機恐懼癥。

1.1.7小結(jié)

計算機是對數(shù)據(jù)進行操作的工具。您可以

利用軟件（指令清單）指導(dǎo)計算機硬件

（機器及其部件）完成各種數(shù)據(jù)處理工作。

計算機硬件和軟件所組成的循環(huán)稱為IPOS

循環(huán)。輸入使數(shù)據(jù)進入由存儲器支持的處

理過程，在存儲器中輸入被轉(zhuǎn)換為輸出。

1.1.7小結(jié)

計算過程可以用硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人和

過程等5個要素來描述。

硬件使用數(shù)字單元。數(shù)字以二進制形式存

■放，每個二進制數(shù)字（稱為1個比特）都放

：置在內(nèi)存或存儲器中。

?使計算機具有如此威力的是它們的以下特

點：速度、可靠性、準確、存儲能力以及

迅速地轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的能力。

1.1.7小結(jié)

「盡管硬件的大小各異，但最為常見的類型

I是超級計算機、大型計算機、小型計算機、

?微型計算機和嵌入式微型處理器。

1軟件或程序使計算機具有靈活性。為完成

一項工作，相應(yīng)的指令會裝入內(nèi)存。工作

完成后，另一程序可以裝入以執(zhí)行另一項

不同的工作。

1.1.7小結(jié)

計算機的基本語言是機器語言，不過它采

用二進制方式，因而難于使用。匯編語言

的開發(fā)簡化了機器語言的使用，高級語言

符的推出則使大多人都可以進行程序設(shè)計。

筆軟件包分為兩類：直接與硬件協(xié)作維護計

算機系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件；完成特定或一般任

務(wù)的應(yīng)用軟件。

1.1.7小結(jié)

通用應(yīng)用軟件包括字處理、電子表格、圖形、通

信和數(shù)據(jù)庫程序。

數(shù)據(jù)輸入計算機后轉(zhuǎn)換為信息。有用的信息必須

是相關(guān)、及時、簡明、準確和完整的。

使用計算機的人可以是用戶（最終用戶）、高級

用戶或計算機專業(yè)人員。無論何種角色，人都是

向硬件和軟件發(fā)出命令以處理數(shù)據(jù)。

1.1.7小結(jié)

過程是為了讓計算機進行必要的處理而采

取的步驟。

使用計算機會給我們的生活同時帶來積極

和消極的影響。我們的目標是利用積極方

面，同時減少消極影響或以最佳方式處理

其后果。

1?歷史的回顧

'?本節(jié)概要

「第一臺計算機

g時鐘式計算機

數(shù)據(jù)表示：從織布機到商用機器

雅卡爾織布機

查爾斯?巴奇和第一臺現(xiàn)代計算機的設(shè)計

霍勒里斯和自動人口普查局

1?歷史的回顧

邁向現(xiàn)代計算

第一代以前：早期的電子計算機

第一代：(1951—1959)

第二代：(1959—1963)

第三代：(1963—1975)

第四代：1975~今

當(dāng)代計算機技術(shù)

第五代？

1?歷史的回顧

本節(jié)學(xué)習(xí)目標

理解計算機技術(shù)是如何發(fā)展的。

知道計算機發(fā)展過程中的關(guān)鍵人物

解釋各代計算機的主要差別

?討論計算機的發(fā)展趨勢

1.2.1第一臺計算機

計算機不過是復(fù)雜的計算設(shè)置。

第一臺計算設(shè)置可能非常簡單：

一堆石頭

算盤

“內(nèi)皮爾斯骨”（約翰?內(nèi)皮而斯）

1.2.2時鐘計算器

如果遵循一組簡單的規(guī)則解決問題（像利

用算盤一樣），您可以建造一臺自動算出

答案的機器。在16和19世紀，歐洲人就利

用已有技術(shù)，即時鐘齒輪與杠桿建造了幾

臺計算機器。

1.2.2時鐘計算器

目前所知的第一臺自動計算機器是1642年

法國年僅19歲的布萊斯?帕斯卡發(fā)明的。帕

斯卡的解決辦法是Pascaline,一種使用時鐘

齒輪和杠桿的機械式計算器。進行加法和

減法時，Pascaline驅(qū)動齒輪計數(shù)，并利用

杠桿完成從一個齒輪到另一個的進位操作。

1.2.2時鐘計算器

萊布尼茲發(fā)明了一種能夠準確地進行加、

減、乘、除運算的計算器。這種計算器還

可以進行平方根運算，不過其結(jié)果并非總

是正確的。

w.第一部具有商業(yè)化前途的計算器是“四則

計算器”。它是由法國人查爾斯?譯維爾?湯

姆斯（通常稱為科爾瑪?shù)牟闋査梗╅_發(fā)的。

這種機器可執(zhí)行加、減、乘、除運算，并

能以一定精度計算平方根。

L2.3數(shù)據(jù)表示：從織布機到商用機器

試圖改進機械式計算器的發(fā)明家們所需要

的是比設(shè)置時鐘計數(shù)器更好的數(shù)據(jù)輸入方

式。這種方式在法國的紡織房這一看起來

不大可能的地方誕生了。

1.2.3.1雅卡爾織布機

19世紀初期，法國紡織工維瑟夫?瑪麗?雅卡

爾研制了一種可編程的織布機。

雅卡爾織布機上所使用的穿孔卡片被他人

改進后成為計算機輸入的最初形式。一直

至大約20年前，穿孔卡片都被用來輸入數(shù)

據(jù)和程序。

1.2.3.2查爾斯?巴貝奇完成了

.第一臺現(xiàn)代計算機的設(shè)計

為求解方程，巴貝奇開始研制蒸汽驅(qū)動的

機器，他稱之為“差分機”。

以后，巴貝奇又轉(zhuǎn)而設(shè)計功能更強大的

“分析機”。這種機器設(shè)計使用與雅卡爾

相類似的一種穿孔卡片進行數(shù)據(jù)輸入，這

種裝置原本可以成為具有明顯的IPOS循環(huán)

（輸入、處理、輸出和存儲）的完整的現(xiàn)

代計算機，遺憾的是，巴貝奇所在時期的

技術(shù)尚不能制造所需要的部件。

1.2.3.2查爾斯?巴貝奇完成了

―第一臺現(xiàn)代計算機的設(shè)計

后人按照巴貝奇的設(shè)計于1991年建造了能

夠運行的分析機，目前陳列在明尼蘇打州

的查爾斯?巴貝奇研究所。查爾斯?巴貝奇也

被公認為“計算機之父。

1.2.3.3霍勒里斯和自動人口普查局

霍勒里斯博士設(shè)想在穿孔卡片上對人口普

查問題的結(jié)果進行編碼。他又研制了一種

打孔裝置，一種手動進紙的電子閱讀機，

可以在一分鐘內(nèi)處理50張卡片；以及一種

分類裝置。這種革新使得1890年人口普查

在兩年半的時間內(nèi)就完成了——比1880年

的人口普查有了極大的進步。

1.2.3.3霍勒里斯和自動人口普查局

作為合伙人之一，市場專家老湯姆斯?沃特

森領(lǐng)導(dǎo)著新的公司。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，公司

取得了極大的成功。1924年，管理層決定

選擇一個新的名稱以反映隨著時代不斷發(fā)

展的性質(zhì)，計算一制表一記錄公司更名為

國際商業(yè)機器公司（IBM）。

1.2.4邁向現(xiàn)代計算

直到50年代，商業(yè)企業(yè)才成為計算機的制

造者和消費者。而且到60年代，才可以明

顯看出這些機器存在著巨大的市場。

學(xué)”計算機科學(xué)家使用“計算機時代”來描述

第二次世界大戰(zhàn)后計算機技術(shù)的發(fā)展。

1.2.4.1第一代以前：早期的

匕電子計算機

20世紀30年代末期，英國數(shù)學(xué)家艾倫?圖靈

的一篇論文描述了一種假想的通用計算機

器所具有的全部功能和局限性，這種機器

被成為圖靈機。

?1950年，圖靈發(fā)表了題為《計算機器與智

能》的論文，提出了對人工智能的圖靈測

裙。

1.2.4.1第一代以前：早期的

匕電子計算機

衣阿華州立大學(xué)的約翰?阿塔納索夫教授被

公認為提出了一些導(dǎo)致電子計算機發(fā)明的

概念。ABC（AtanasoffBerry計算機），它

是第一臺專用的電子數(shù)字計算機

?1944年，艾肯和IBM公司的一個工程師小組

完成了“MarkI”計算機。

1.2.4.1第一代以前：早期的

匕電子計算機

■第二次世界大戰(zhàn)使美國軍方產(chǎn)生了快速計

K算導(dǎo)彈彈道的需求。約翰?莫克萊博士與研

重］究生J?普雷斯泊??？颂匾黄鸾ㄔ霦NIAC

■■（電子數(shù)字積分計算機）。

劈：按照存儲程序的概念，計算機程序與數(shù)據(jù)

一起保存在內(nèi)部存儲器中。這項技術(shù)的一

個主要優(yōu)點是計算機可以方便地返回前面

的指令并重復(fù)執(zhí)行。

1.2,4.2第一代(1951?1959)

第一代計算機——通常會溯源到1951年至

1959年——使用電子管。

.體積大、速度慢，并會產(chǎn)生大量的熱。電

」子管經(jīng)常出現(xiàn)故障。

冶第一代計算機用僅由數(shù)字0和1組成的機器

語言給出指令。

?第一代計算機的所有數(shù)據(jù)和指令都通過穿

孔卡片輸入。

1.2,4.3第二代計算機

」(1959-1963)

不過1948年晶體管的發(fā)明改變了計算機的

建造方式，現(xiàn)代計算機技術(shù)進入了第二代。

與電子管不同，晶體管體積小、耗能小、

發(fā)熱低，而且它們可靠性更高。由于第二

代計算機是用晶體管而不是電子管建造的,

它們比第一代計算機速度快、體積小、可

靠性高。

1.2.4.3第二代計算機

”(1959?1963)

一章三代計算機的內(nèi)存由串在線上的小磁芯

組成。

?與第一代計算機相比，第二代計算機更易

-編程。其原因在于高級語言的開發(fā)。

?第二代計算機可以通過電話線進行相互交

流，將數(shù)據(jù)由一地傳送到另一地。

1.2.4.3第二代計算機

左(1959?1963)

第三代計算機也存在一些問題。輸入與輸

出裝置速度慢，使計算機本身由于要等待

,卡片讀入或打印報告而經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。

兩種不同但同樣重要的方法解決了這一問

題：

1、丹尼爾?斯洛特尼——并行處理

1.2,4.3第二代計算機

」(1959-1963)

2、麻省理工學(xué)院的一群教授與學(xué)生

——多道程序

能夠同時處理不同用戶運行的程序。由于

計算機能夠在程序間切換，就不必等待輸入和

輸出操作時處于閑置狀態(tài)

L2.4.4第三代（1963?1975）

1958年，克杰?圣?克萊爾?基爾比和羅伯

特?諾伊斯發(fā)明了第一個集成電路。

1965年推出了第一臺商業(yè)化的小型計算

,機—PDP-8（程序化數(shù)據(jù)處理器）。能夠

.輕易地放置在房間的一角。更不同尋常的

是，同一座建筑物內(nèi)不同位置的用戶都可

以訪問計算機（實現(xiàn)了第二代計算機種提

出的分時技術(shù)）。

1.245第四代(1975至今)

Intel4004產(chǎn)生了，這是世界上第一臺微處

理器。微處理器芯片使整個控制單元和設(shè)

計的算術(shù)邏輯單元都集成在一個芯片上。

制造微處理器所采用的超大規(guī)模集成電路

(VLSI)使芯片公司能夠大規(guī)模地生產(chǎn)包

含幾十萬甚至上百萬晶體管的計算機芯片。

1.245第四代（1975至今）

大型計算機公司只是將微型計算機當(dāng)作玩

具來看待，而第一批微型計算機也是面向

計算機業(yè)余愛好者的。

蘋果n號是一個巨大成功。它帶有鍵盤、

顯示器、軟盤驅(qū)動器和操作系統(tǒng)，是一個

完整的微機系統(tǒng)。蘋果計算機公司成為微

機市場的主導(dǎo)力量之一。

1.245第四代（1975至今）

這種IBM個人微機（PC）帶有英特爾公司制

造的微處理芯片和微軟的操作系統(tǒng)，與

1981年問世。由于微軟公司和英特爾公司

是互相獨立的協(xié)議方，他們可以自由地向

開放的市場投放產(chǎn)品。因此，許多不同的

制造商都可以生產(chǎn)我們現(xiàn)在稱之為IBM兼容

機的微機產(chǎn)品。

L2.4.5第四代（1975至今）

:盡管高級語言仍在廣泛使用，在第四代計

I算機浪潮中，超（甚）高級語言也開始涌

■現(xiàn)。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計（OOP），鼓勵

,程序設(shè)計人員通過碼塊庫實現(xiàn)代碼重用。

營第四代計算機發(fā)展的另一個方向是高速計

算機網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)計算機之間的通信和數(shù)

據(jù)共享。——局域網(wǎng)（LAN）,廣域網(wǎng)

（WAN）

1.2,4.6今天的計算機技術(shù)

今天的微機與ENIAC（第一臺計算機）相比

變得更小、更快、更便宜并且功能更加強

'大。市場上的微機有桌上型、膝上型、筆

■記本式和掌上型等多種形式

由于微機的推廣，非專業(yè)人員成立主要用

戶。為使計算機變得對用戶更加友好（易

于工作），計算機公司開發(fā)了圖形用戶界

面。

?自從1981年起微型計算機行業(yè)便分裂為蘋

果和IBM兩大家族。

1.2.4.7第五代計算機

如果有第五