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计算机应用基础计算机应用基础第一章 计算机基础知识 电子计算机（electronic computer）俗称电脑，是20世纪科学技术的卓越成就之一。计算机科学技术及其应用技术的高速发展，在世界范围内形成了一场信息革命。计算机的发展扩展了计算机的应用领域，而计算机的应用反过来又促进了计算机的发展。通过本章的学习，同学们应该了解计算机的概念、发展、特点、分类、应用领域以及组成。学习目标 20世纪40年代中期，由于导弹、火箭、原子弹等现代科学技术的发展，出现了大量极其复杂的数学问题，原有的计算工具已无法满足要求；而电子学和自动控制技术的迅速发展，也为研制新的计算工具提供了物质技术条件。1946年，在美国宾夕法尼亚大学，由John W.Mauchly博士和它的研究生J.Presper Eckert 领导的研制小组为精确测算炮弹的弹道特性而制成了ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)计算机，这是世界上第一台真正能自动运行的电子数字计算机。它占地面积约170m2,使用了18800只电子管，耗电量极大,其功能还比不上现在的一只掌上可编程计算器。但它毕竟是世界上第一台可以实际使用的电子计算机，为电子计算机的发展奠定了技术基础。它的问世，标志着电子计算机时代的到来。半个多世纪以来，计算机科学技术有了飞速的发展，计算机的性能越来越高、价格越来越便宜、应用越来越广泛。时至今日，计算机已经广泛应用于国民经济及社会生活的各个领域，计算机科学技术的发展水平、计算机的应用程度已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。本节将介绍计算机的概念、特点、用途和发展。1.1 了解计算机 在计算机诞生的初期主要是用来进行科学计算的，因此被称为“计算机”，然而，现在计算机的处理对象已经远远超过了“计算”这个范围，计算机可以对数字、文字、声音、图像等各种形式的数据进行处理。计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速度地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统1.1 了解计算机1.1.1计算机的应用领域科学科学计算计算数数据据处处理理实时控制娱娱乐乐CAD/CAMCAD/CAMCAICAI人工人工智能智能1.科学计算 科学计算也称数值计算，是计算机最基本的应用领域之一，计算机最开始是为了解决科学研究和工程设计中遇到的大量数值计算而研制的计算工具，随着现代科学技术发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高。在尖端科学领域中显得尤为重要。如人造卫星轨迹的计算、房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计以及我们每天收听收看的天气预报都离不开计算机的精确计算。1.1.1计算机的应用领域2.数据处理 所谓数据处理即使用计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，也叫信息处理，是计算机应用最广泛的领域。在当今信息化的社会中，每时每刻都在产生大量的信息，只有利用计算机才能在浩如烟海的信息中管理和充分利用信息这一宝贵的资源。目前，字处理软件、电子报表软件的使用已经十分广泛，在办公自动化中发挥了巨大的作用。利用数据库技术开发的管理信息系统和决策支持系统等也大大提高了企业或政府部门的现代化管理水平。这些都是计算机在数据处理领域的典型应用。1.1.1计算机的应用领域3.实时控制 所谓实时控制是指及时地采集、检测数据，使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。此外，计算机在实时控制中还具有故障检测、报警和诊断等功能。在钢铁、石油、化工、制造业等工业都需要进行实时控制，以提高生产效率和产品质量。4.人工智能 所谓人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能。计算机应用于人工智能研究的主要领域包括：自然语言理解、专家系统、机器人、定理自动证明等。1.1.1计算机的应用领域5.计算机辅助工程和辅助教育 计算机辅助工程主要包括：计算机辅助设计（Computer Aided Design，简 记 为 CAD）、计 算 机 辅 助 制 造（Computer Aided Manufacturing，简记为CAM）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System简记为CIMS）和计算机辅助教育（Computer Aided Instruction 简记为CAI）。(1)CADCAD是利用计算机的计算、逻辑判断、数据处理以及绘图等功能，并与人的经验和判断能力相结合，共同来完成各种产品或者工程项目的设计工作，实现设计过程的自动化或半自动化。如建筑、机械、汽车、飞机、船舶、大规模集成电路等设计领域都广泛地使用了计算机辅助设计系统，使得设计过程的部分工作实现了自动化。在CAD中所涉及的主要技术有：图形处理技术、工程分析技术、数据库管理技术、软件设计技术和接口技术等。1.1.1计算机的应用领域1.1.1计算机的应用领域(2)CAM CAM是使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务。从对设计文档、工艺流程、生产设备等的管理，到对加工与生产装置的控制和操作，都可以在计算机的辅助下完成。例如计算机监视系统、计算机过程控制系统和计算机生产计划与作业调度系统等都属于计算机辅助制造系统的应用，由于生产过程中的所有信息都可以利用计算机来存储和传送，而且可以把CAD的输出（即设计文档）作为CAM设备的输入，所以将CAD系统与CAM系统相结合能够实现无图纸加工，使得设计和制造过程的部分工作实现自动化，进一步提高生产的自动化水平。(3)CIMS CIMS是将计算机技术集成到制造工厂的整个制造过程中，使企业内的信息流、物流、能量流和人员活动形成一个统一协调的整体。CIMS的对象是制造业，手段是计算机信息技术、实现的关键是集成，集成的关键核心是数据库管理。在CIMS中，利用计算机将接受定单、产品设计、生产制造、入库与销售以及经营管理的整个过程连接起来，形成一个自动的流水线，从而建立企业现代化的生产管理模式。(4)CAI CAI所涉及的层面很广，从校园网到Internet，从CAI课件的制作到远程教学，从儿童的智力到中小学教学以及大学的教学，从辅助学生自学到辅助教师备课，从计算机辅助实验到学校教学管理等，都可以在计算机的辅助下进行，从而可以提高教学质量和学校管理水平与工作效率。在计算机辅助教育中使用的主要技术有：多媒体技术、校园网技术、Internet与Web技术、数据库与管理系统技术等。6.多媒体技术应用 随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、动画、图形、图像、音频、视频等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念“多媒体”（Multimedia.）。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。1.1.1计算机的应用领域 自从第一台电子计算机诞生以来，它发展之迅速，普及之广泛，对整个社会和科学技术影响之深远，远非其他任何学科所能比拟。时至今日，计算机已经成为人们生产劳动和日常生活中必备的重要工具。电子器件的发展推动了电子电路的发展，为研制计算机奠定了物质技术基础。可以说电子元器件的发展是推动计算机发展的主要动力，所以计算机界常以电子器件作为计算机发展年代划分的依据。此外，在计算机发展的各个阶段，所配置的软件和使用的方式也有不同的特点，成为划分代的标志之一。1.1.2计算机的发展1.1.2计算机的发展阶段第一代计算机（1946年1957年）第一代计算机的逻辑元件是电子管，主存储器先采用延迟线，后采用磁鼓磁芯，外存储器使用磁带，并用机器语言和汇编语言编写程序。这一阶段计算机的主要特点是体积大、运算速度低、成本高、可靠性差、内存容量小。主要用于科学计算，从事军事和科学研究方面的工作。第二代计算机（1958年1964年）第二代计算机是晶体管计算机时代，这一代计算机使用的主要逻辑元件是晶体管。晶体管较之电子管有体积小、耗电低、可靠性高、功能强、价格低等优点。主存储器采用磁芯，外存储器使用磁带和磁盘。并开始使用管理程序，后期使用操作系统并出现了一批高级程序设计语言。这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。运行速度已提高到每秒几十万次，体积大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高。第三代计算机（1965年1970年）第三代计算机逻辑元件采用小规模或中小规模集成电路来代替晶体管，这种器件把几十个或几百个分立的电子元件集中做在一块几平方毫米的硅片上（一般称为集成电路芯片），使计算机的体积和耗电大大减小，运算速度却大大提高，每秒钟可以执行几十万次到几百万次的加法运算，性能和稳定性进一步提高。在这个时期，系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统，在程序设计方法上采用结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。在应用方面，已被广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理和工业控制等领域。1.1.2计算机的发展第四代计算机（1970年至今）第四计算机最为显著的特征就是使用了大规模和超大规模集成电路。大规模集成电路（Large Scale Integration，简记为LSI）每个芯片上的元件数为100010000个；而超大规模集成电路(Very Large Scale Integration，简记为VLSI)每个芯片上则可以集成10000个以上的元件。此外，使用了大容量的半导体存储器作为内存储器；在体系结构方面进一步发展了并行处理、多机系统、分布式计算机系统和计算机网络系统；在软件方面推出了数据库系统、分布式计算机系统以及软件工程标准等。这一时代计算机的运行速度可达到每秒上千万次到万亿次，存储容量和可靠性有了很大提高，功能更加完备，价格越来越低。这个时期计算机的类型除小型、中型、大型机外，开始向巨型机和微型机两个方面发展，计算机逐渐进入了办公室、学校和普通家庭。1.1.2计算机的发展第五代计算机 目前使用的计算机都属于第四代计算机，第五代计算机尚处在研制之中，而且进展比较缓慢。第五代计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系，即以二进制数和存储程序控制为基础的结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力。也就是说，第五代计算机的主要特征是人工智能，它具有一些人类智能的属性，例如自然语言理解能力、模式识别能力和推理判断能力。第五代计算机由于采用一系列的高新技术，所以这一代计算机已经很难再以器件来作为划分年代的依据了。大体上说，第五代计算机是采用更大规模集成电路、非冯.若依曼体系结构、人工神经网络的智能计算机系统。现代计算机的发展正朝着巨型化、微型化的方向发展，计算机的传输和应用正朝着网络化、智能化的方向发展，并越来越广泛地应用于我们的工作、生活和学习中，对社会生活起到不可估量的影响。1.1.2计算机的发展1.1.3计算机的特点 各种类型的计算机虽然在用途、性能、结构等方面有所不同，但它们都具备以下一些特点：1.运算速度快 目前的巨型计算机的运算速度已达到每秒钟万亿次，微型计算机也可达到每秒亿次以上。使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如卫星轨道的计算、大型水坝的计算、天气预报的计算等。过去人工计算需要几年甚至更长时间完成的工作，而现在用计算机只需几天、甚至几分钟就可以完成。2.计算精度高 科学技术的发展尤其是尖端科学技术的发展，需要高精度的计算。计算机控制的导弹之所以能够准确地命中目标，是与计算机的精度分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可达到千分之几到百万分之几，这是其他任何计算工望尘莫及的。3.具有记忆和逻辑判断的能力 随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多，计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序及计算结果保存起来，以供用户随时调用。还可以对各种信息（如文本、图象、音频和视频等）通过编码技术进行算术和逻辑运算，甚至进行推理和证明。4.具有自动控制能力 计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制执行的。用户根据实际应用需要，事先设计好运行步骤和程序，计算机会十分严格地按照程序规定的步骤操作，整个程序无需人工干预。1.1.3计算机的特点由于计算机科学技术的发展，计算机已经成为一个庞大的家族，根据计算机的处理对象、计算机的用途以及计算机的规模等不同角度可作如下分类。1.按处理对象分类按计算机处理对象及其数据的表示形式可分为数字计算机（Digital Computer）、模拟计算机（Analog Computer）和数字模拟混合计算机（Hybrid Computer）三类。(1)数字计算机。该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字量（0和1所构成的二进制数的形式），这些数据在时间上是离散的。非数字量的数据（如字符、声音、图像等）只要经过编码后也可以处理。通常使用的计算机都是数字计算机。(2)模拟计算机。该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是模拟量（如电压、电流、温度等），这些数据在时间上是连续的。模拟计算机不如数字计算机精确、通用性不强，但解题速度快，主要用于过程控制的模拟仿真。(3)数字模拟混合计算机。该类计算机将数字技术和模拟技术相混合，兼有数字计算机和模拟计算机的功能。1.1.4计算机的分类2.按用途分类按照计算机的用途及使用的范围可分为通用计算机(General Purpose Computer)和专用计算机(Special Purpose Computer)两类。(1)通用计算机。该类计算机具有广泛的用途和使用范围，可以用于科学计算、数据处理和过程控制等。(2)专用计算机。该类计算机适用于某一特殊的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的自动控制等。1.1.4计算机的分类 3.按规模分类 按照计算机的规模可分为巨型计算机、大/中型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站、服务器。(1)巨型计算机（Super Computer）巨型计算机是指运算速度快、存储容量大，每秒可达1亿次以上浮点运算速度，主存储容量高达几百MB甚至几GB。这类机器价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。我国研制成功的银河I 型亿次机，银河II型十亿次机，银河III型百亿次计算机，联想iCluster1800万亿次机都是巨型机。(2)大/中型计算机（Mainframe）该类计算机也具有较高的运算速度，每秒钟可以执行几千万条指令，并具有较大的存储容量及较好的通用性，但价格比较昂贵，通常被用来作为银行、铁路等到大型应用系统中的计算机网络的主机来使用。1.1.4计算机的分类