2021年大学计算机基础教程 7页

第1章绪论电子运算机为20世纪人类最宏大的技术创造之一，为科学技术和生产力进展的结晶；第一台运算机于1946年产生至今，已有半个多世纪；目前运算机及其应用已经渗透到社会生活的各个领域，有力的推动了整个信息社会的进展；在21世纪，把握以运算机为核心的信息技术的基础学问和应用技术已经成为现代高校生必备的基本素养，运算机基础学问和应用才能为现代高校生学问结构的重要组成部分；|精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料.*|*1|*|*||欢.|迎.|下.|载器.1.1运算机的产生和进展.1.1电子运算机的问世1946年2月，世界上第一台运算机在美国宾夕法尼亚高校产生，取名为“电子数值积分和运算器（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）”，简称埃尼亚克（ENIAC），如图2，重达30余吨，运算速度只有5000次/秒；这台运算机从1-1所示；这台运算机占地167m1946年2月开头投入使用，到1955年10月最终切断电源，服役9年多；虽然它每秒只能进行5000次加减运算，但它预示了科学家将从繁重的运算中解脱出来；至今人们公认，ENIAC机的问世，说明白电子运算机时代的到来，具有划时代意义；图1-1ENIAC机ENIAC机本身存在两大缺点：一为没有储备器；二为用布线接板进行掌握，运算速度也就被这一工作抵消了；在ENIAC尚未投入运行前，被称为运算机之父的美籍匈牙利数学家第1页，共7页\n冯·诺依曼（图1-2）就已开头预备对这台电子运算机进行脱胎换的改造；在短短10个月里，冯·诺依曼快速把概念变成了方案；他和他的同事研制了人类其次台运算机，新机器方案命名为“离散变量自动电子运算机”，英文缩写EDVAC；1945年6月，冯·诺依曼与戈德斯坦等人，联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告，即运算机史上闻名的“101页报告”；这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今日，仍旧被认为为现代电脑科学进展里程碑式的文献；|精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料.*|*|*|*|器|欢.|迎.|下.|载相.图1-2冯·诺依曼在EDVAC报告中，冯·诺依曼明确规定出运算机的五大部件：运算器CA.规律掌握CC.储备器M.输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系；与ENIAC比，EDVAC的改进第一在于冯·诺依曼奇妙地想出“储备程序”的方法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路；其次，他明确提出这种机器必需采纳二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化；人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”；自冯·诺依曼设计的EDVAC运算机始，直到今日我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的“传人”，大大小小千千万万台运算机，都没能够跳出“诺依曼机”的掌心；冯·诺依曼为现代运算机的进展指明白方向，从这个意义上讲，他为当之无愧的“电子运算机之父”；当然，随着人工智能和神经网络运算机的进展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但冯·诺依曼对于进展电脑做出的巨大功绩，永久也不会因此而消灭其光辉；世界上第一款商用运算机为1951年开头生产的UNIVAC运算机；1947年，ENIAC的两个创造人莫奇莱和埃克特创立了自己的运算机公司，生产UNIVAC运算机；运算机开头作为商品出售；莫奇莱和埃克特以及他们的UNIVAC运算机奠定了运算机工业的基础；1.1.2运算机的进展近60年来，运算机技术的进展突飞猛进；依据运算机采纳的物理器件，一般将运算机的进展分为4个阶段；1．第一代运算机——电子管运算机（1946年～1957年）第一代运算机的基本特点为采纳电子管作为运算机的规律元件；数据表示主要为定点数；用机器语言或汇编语言编写程序；由于当时电子技术的限制，第一代运算机每秒运算速度仅第2页，共7页\n为几千次，内存容量仅几KB；这个时期运算机的特点为：体积巨大，运算速度慢，牢靠性差，耗电量大且修理困难；第一代运算机主要用于军事和科学讨论工作；2．其次代运算机——晶体管运算机（1958年～1964年）其次代运算机的基本特点为其规律元件逐步由电子管改为半导体晶体管，内存所使用的器件大多使用磁芯储备器；运算速度可达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB；与此同时，运算机软件也有了较大进展，显现了FORTRAN.COBOL.ALGOL等高级编程语言；相对于第一代运算机而言，其次代运算机的特点为：体积削减，重量减轻，耗电量削减，运算速度加快，牢靠性增强；其次代运算机除了用于科学运算外，仍用于数据处理和事务处理；3．第三代运算机——中.小规模集成电路运算机（1965年～1970年）随着固体物理技术的进展，集成电路工艺已可以在几mm2的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的规律电路；第三代运算机的基本特点为其规律元件采纳小规模集成电路|精.SSI（SmallScaleIntegration）和中规模集成电路MSI（MiddleScaleIntegration）；第三代运算|品.|可机.|编.越|辑.|学.|习.|资度.|料.*|*|*|*点|方|欢.|迎.|下.|载达.的运算速度可达每秒几十万次到几百万次；储备器进一步进展，体积越来越小，价格越来低，而软件越来越完善；其特点为：体积更小，耗电量.价格等方面进一步下降，运算速.牢靠性等进一步增加；这一时期，运算机开头广泛应用在社会的各个领域；4．第四代运算机——大规模和超大规模集成电路运算机（1971年至今）进入20世纪70岁月以来，运算机采纳大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特为：体积.重量.耗电量.价格等方面比上一代运算机进一步下降，运算速度和牢靠性等面大幅度提高，并不断地向大储备容量.高速度方面进展；目前，运算机的速度最高可以到每秒几十万亿次浮点运算；操作系统不断完善，应用软件已经成为现代工业的一部分；1.2运算机的分类1.2.1运算机的特点1．运算速度快由于运算机为由高速电子器件构成，加之能自动连续工作，因而具有很高的运算速度；现代巨型运算机的速度已达每秒万亿次，其一秒钟完成的运算量，相当于一个人用手工运算几十年的工作量；运算机的快速运算为人们赢得了时间；2．运算精度高运算机内部采纳二进制数的表示方法，其有效位数越多，精度也就越高，因此运算精度可用增加位数（字长）来获得；另外仍可通过算法来提高精度；3．具有很强的“记忆”和规律判定才能运算机的储备器使运算机具有“记忆”的功能，它能够储备大量信息；运算机除了能进行算术运算外，仍能进行规律运算，做出规律判定，并依据判定的结果自动挑选以后应执行什么操作；4．程序掌握下自动操作第3页，共7页\n运算机与以前全部运算工具的本质区分在于它能够摆脱人的干预，自动.连续地进行各种操作；运算机从正式操作开头，到输出结果，整个过程都为在程序掌握下自动进行的；5．储备容量大目前的运算机配备了大容量的内存和外存，如目前标准配置的微型机内存容量已达512MB；硬盘容量已达80GB；1.2.1运算机的分类|精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料.*|*|*|*||欢.|迎.|下.|载.电子运算机从总体上来说分为两大类:电子模拟运算机和电子数字运算机；电子模拟运算机的特点为数值由连续量来表示，运算过程也为连续的；电子数字运算机的主要特点为按位运算，并且不连续地跳动运算；数字运算机与模拟运算机的主要区分见表1.1；表1.1数字运算机与模拟运算机的主要区分比较内容数字运算机模拟运算机数据表示方式数字0和1电压运算方式数字运算电压组合和测量值掌握方式程序掌握盘上连线精度高低数据储备量大小规律判定才能强无电子数字运算机为以近似于人类的“思维过程”来进行工作的，所以有人把它叫做电脑；它的创造和进展为20世纪人类最宏大的科学技术成就之一，也为现代科学技术进展水平的重要标志；数字运算机又可分为专用运算机和通用运算机；专用和通用为依据运算机的效率.速度.价格.运行的经济性和适应性来划分的；专用机为最有效.最经济和最快速的运算机，它为针对某一任务设计的运算机，但为它的适应性很差；通用机适应性很大，但为牺牲了效率.速度和经济性；通用运算机又分巨型机.微型机.工作站.服务器.单片机等；它们的区分在于体积.简易性.功率损耗.性能指标.数据储备容量.指令系统规模和机器价格；巨型运算机现在又称为高性能运算机；高性能运算机的运算速度在每秒一万亿次以上，数据储备容量很大，结构复杂，价格昂贵；其数量虽然不多，但却有重要和特别的用途；在军事上，可用于战略防备系统.大型预警系统.航天测控系统等；在民用方面，可用于大区域中长期天气预报.大面积物探信息处理.大型科学运算和模拟等；近年来，我国高性能计算机的研发也取得了很大成果，推出了“曙光”.“联想”等代表国内最高水平的巨型机系统，并在国民经济的关键领域得到了应用；微型运算机又称为个人运算机（PersonalComputer，PC）；1971年Intel公司的工程师成第4页，共7页\n功地在一个芯片上实现了中心处理器（CentralProcessingUnit，CPU）的功能，制成了世界上第一片4位处理器Intel4004，组成了世界上第一台4位微型运算机——MCS-4，从今掀开了世界运算机大进展的帷幕；自IBM公司于1981年采纳Intel微处理器推出IBMPC以来，微型运算机因其小.巧.轻.使用便利.价格廉价等优点，在过去的20多年里得到快速进展，成为运算机的主流；今日，微型机的应用已经遍及社会的各个领域，从工厂生产掌握到政府办公自动化，从商店的数据处理到家庭的信息治理，几乎无所不在；微型机的种类许多，主要分为3类：台式机.笔记本和个人数字助理PDA；工作站为一种介于微型机和小型机之间的高档微机系统；自1980年美国Appolo公司推出世界上第一个工作站DN-100以来，工作站快速进展，成为专特长理某类特别事务的一种独立的运算机类型；工作站通常配备有高辨论率的大屏幕显示器和大容量的内.外储备器，具有较强的数据.图形处理才能；|精.|品.|可通.|编.服|辑.|学.|习.|资理.|料.用*|*|*|*格||欢.|迎.|下.|载能.服务器为一种在网络环境中为多个用户供应服务的运算机系统；从硬件上来说，一台普的微型机也可以充当服务器，关键为它要安装网络操作系统.网络协议和各种服务软件；务器的治理和服务有：文件.数据库.图形.图像以及打印.通信.安全.保密和系统管.网络治理等服务；依据所供应的服务，服务器可以分为文件服务器.数据库服务器.应服务器和通信服务器等；单片运算机为只用一片集成电路做成的运算机，体积小，结构简洁，性能指标较低，价廉价；主要应用于工业自动掌握；介于巨型机和单片机之间的为大型机.中型机.小型机和微型机，它们的结构规模和性指标依次递减；随着超大规模集成电路的快速进展，今日的小型机可能为明天的微型机，而今日的微型机可能为明天的单片机；1.3运算机的应用目前，运算机的应用特别广泛，已渗透到社会的各个领域，从科研.生产.学习到家电的使用，都涉及到运算机技术；运算机的应用主要表现在以下几个方面：1.数值运算数值运算为运算机的一个传统应用领域，也为应用最早.最重要的一个应用领域；创造运算机的最基本目的就为解决工程讨论与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的运算，目前它已广泛应用于航空航天.造船.建筑等方面；2.信息处理信息处理为指运算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集.加工.分类.储备.传送.检索等综合性的处理工作；如生产治理.财务治理.档案治理等各种治理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件治理；3.过程掌握生产过程的自动掌握，为运算机应用中的另一广泛领域，即由运算机进行数据搜寻.采集，实现自动检测.自动调剂和自动掌握，其特点为精度高.速度快.反应灵敏；典型的应用领域有：生产过程掌握.交通自动治理.火警自动警报系统.导弹掌握系统等；第5页，共7页\n1.运算机帮助系统运算机帮助系统包括帮助设计.帮助训练.帮助制造等；运算机帮助设计CAD（Computer-AidedDesign）为利用运算机帮忙各类设计人员进行设计的技术，它可以取代传统的图纸设计，加快设计速度，提高设计的精度和质量，在建筑工程.机械部件.家电产品和服装等设计领域应用特别广泛；运算机帮助训练CBE（Computer-BasedEducation）包括运算机帮助教学CAI，运算机帮助测试CAT，运算机治理教学CMI；其中CAI为通过人机交互方式帮忙同学自学，代替老师供应丰富的教学资料和进行各种问答式教学，转变了过去传统的教学模式，使教学内容生动形象.图文并茂；CAT为利用运算机进行模拟试验.自我测评等，帮忙同学明白试验的过程，分析学习过程中的不足；随着多媒体技术和网络技术的进展与应用，远程教学和网上学习已越来越普及，为学习者供应了更多.更便利的学习方式；|精.|品.|可用.|编.对|辑.|学.|习.|资.|料.*|*间|*|*的|于|欢.|迎.|下.|载.运算机帮助制造CAM（Computer-AidedManufacturing）为利用运算机掌握生产过程，即运算机进行生产设备的治理.掌握和操作，它能提高产品质量.降低成本.缩短生产周期，经济的进展起着重要的作用；1.运算机通讯与网络运算机通过网络互连，可以实现运算机之间的硬件.软件资源共享，促进地区间.国际的通信与各种数据的传输和处理；随着互联网的进展，运算机通信的应用已达到前所未有境域；其中电子商务为指在Internet上进行的商务交易，它涉及企业和个人的各种形式的基数字化信息处理和传输的商业活动；2.人工智能人工智能（AI）为运算机应用进展的又一个前沿方向，它的主要目的为用运算机来模拟人类的某些智能活动，使其具有“学习”.“适应才能”.“推理”等功能，在肯定程度上具有“思维”才能；AI的应用主要包括：模式识别.专家系统.机器人.智能检索等；总之，运算机的应用已特别普及，特别为网络技术的进展，使得运算机的应用产生了许多新理念，引起了人类社会从经济基础到上层建筑.从生产方式到生活方式的深刻变革；1.3运算机将来的进展方向运算机将来的主要进展方向为多极化.网络化.多媒体和智能化，详细含义如下：第6页，共7页\n1．多极化微型机以它的体积小.功能全.价格低.牢靠性高等特点，渗透到社会各个领域中；巨型机就以其高速度.大容量.功能强等特点，在天文.气象及航天等尖端科学以及探究新兴科学时发挥巨大的作用；其他不同类型的运算机，都各自有自己的适用领域，形成了多极化的运算机家族；2．网络化运算机网络为运算机技术与通讯技术相结合的产物，它将分布在不同地点的多台运算机通过通信线路相互连接起来，以达到资源共享的目的；目前，世界上最大的运算机网络为因特网（Internet）；3．多媒体多媒体技术为将运算机系统与图形.图像.声音.视频等多种信息媒体结合于一体进行|精.处理的技术；多媒体时代的来临，为人们供应了一个多姿多彩的视听世界；多媒体技术的应|品.|可用.|编.|辑.|学.|习.|资.|料.路*|*推|*|*||欢.|迎.|下.|载.为20世纪90岁月运算机的时代特点，为20世纪90岁月运算机的又一次革命；4．智能化即第五代运算机，新一代运算机目前仍处于研制阶段，其主体将为神经网络运算机，线结构模拟人脑的神经元，采纳新的元器件（新材料.新工艺），具有智能接口，能进行规律理和完成判定.决策任务，并且有肯定的自学习才能；习题1．世界上公认的第一台电子运算机于哪年在哪个国家产生？2．试举出4个应用运算机的领域；3．运算机的进展经受了哪几代？各代的主要特点为什么？4．运算机的进展趋势为什么？第7页，共7页