第一章 计算机的基础知识精选文档.ppt

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1、第一章 计算机的基础知识本讲稿第一页，共五十页计算机专业基础课、专业课之间的关系计算机专业基础课、专业课之间的关系计算机导论计算机导论高级语言程序设计高级语言程序设计数据结构数据结构离散数学离散数学电子技术基础电子技术基础数字系统设计基础数字系统设计基础计算机组成原理计算机组成原理微机系统及其应用微机系统及其应用数字信号处理数字信号处理计算机控制计算机控制计算机系统结构计算机系统结构操作系统操作系统算法设计与分析算法设计与分析编译原理编译原理数据库系统数据库系统软件工程软件工程面向对象技术面向对象技术计算机通信原理计算机通信原理计算机网络计算机网络多媒体信息处理技术多媒体信息处理技术网络计算网

2、络计算信息安全信息安全人机界面设计人机界面设计人工智能人工智能并行处理技术并行处理技术嵌入式系统嵌入式系统计算机图形学计算机图形学英语、高等数学、线性代数、概率论英语、高等数学、线性代数、概率论 本讲稿第二页，共五十页导论：计算机科学与技术学科的知识体系导论：计算机科学与技术学科的知识体系n计算机科学技术是研究计算机科学技术是研究计算机的设计与制造计算机的设计与制造，利用计算利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等的理论、等的理论、原则、方法和技术的学科，包括科学与技术两方面。原则、方法和技术的学科，包括科学与技术两方面。n科学侧重于科学侧重于研究

3、现象、揭示规律研究现象、揭示规律。n技术则侧重于技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术法与技术手段。手段。n计算机科学与技术学科的根本问题是计算机科学与技术学科的根本问题是什么能被有效地自什么能被有效地自动化动化。研究范畴包括研究范畴包括计算机理论、硬件、软件、网络计算机理论、硬件、软件、网络及应用及应用等。等。本讲稿第三页，共五十页计算机的基础知识计算机的基础知识n一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备n二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n三、计算机的应用领域和发展趋势三、计算机的应用领域和发展趋势n四、计

4、算机系统的组成四、计算机系统的组成本讲稿第四页，共五十页计算机的基础知识计算机的基础知识n一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备n二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n三、计算机的应用领域和发展趋势三、计算机的应用领域和发展趋势n四、计算机系统的组成四、计算机系统的组成本讲稿第五页，共五十页一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备本讲稿第六页，共五十页一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备本讲稿第七页，共五十页计算机是什么？计算机是什么？Computers are everywhere！本讲稿第八页，共五十页计算机成了社会的必需品计算机成了社会的必需品n计计算算机机是是一一

5、种种相相对对其其能能力力而而言言比比较较便便宜宜的的工工具具，同同一一台机器能够做许多种不同的事：台机器能够做许多种不同的事：p算题（科学计算）算题（科学计算）p制作图案制作图案p处理文字处理文字p记录事实记录事实p控制其他机器控制其他机器p游戏游戏p发送消息发送消息p识别语音识别语音 问问问问题题题题：大大大大多多多多数数数数机机机机器器器器只只只只能能能能做做做做一一一一类类类类事事事事，为为为为什什什什么么么么计计计计算算算算机机机机能能能能够够够够做做做做 许多种不同的事？是不是计算机什么事都能做？许多种不同的事？是不是计算机什么事都能做？许多种不同的事？是不是计算机什么事都能做？许多

6、种不同的事？是不是计算机什么事都能做？本讲稿第九页，共五十页计算机是一台快速但笨拙的机器计算机是一台快速但笨拙的机器n只有有限的能力。只有有限的能力。n只能进行基本的数学运算与逻辑比较。只能进行基本的数学运算与逻辑比较。n必须由程序来指示它做什么事。必须由程序来指示它做什么事。George Beekmann计算机是一台笨拙的机器，具有从事令人难以置信的聪计算机是一台笨拙的机器，具有从事令人难以置信的聪明工作的能力，明工作的能力，.n计算机程序员则是一些聪明的人，具有从事令人难以置计算机程序员则是一些聪明的人，具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力。信的笨拙工作的能力。n简而言之，计算机与程序员实

7、现了完美的配合。简而言之，计算机与程序员实现了完美的配合。Jamie Shiers本讲稿第十页，共五十页计算机的基础知识计算机的基础知识n一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备n二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n三、计算机的应用领域和发展趋势三、计算机的应用领域和发展趋势n四、计算机系统的组成四、计算机系统的组成本讲稿第十一页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前1.算筹算筹 n算筹又称为筹、策、算子等算筹又称为筹、策、算子等 n中国科学家祖冲之中国科学家祖冲之(429500年年)借助算筹作为计算工具计算借助算筹作为计

8、算工具计算出圆周率出圆周率 祖冲之(429500年)本讲稿第十二页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前2.算盘算盘 n算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具 n由古代由古代“算筹算筹”演变而来演变而来 n素有素有“中国计算机中国计算机”之称之称 本讲稿第十三页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前3.机械式计算机机械式计算机n法国科学家布莱斯法国科学家布莱斯帕斯卡帕斯卡(Blaise Pascal：16231662年年)发明发明了机械的齿轮

9、式加减法器，这是现存最早的机械式计算器。了机械的齿轮式加减法器，这是现存最早的机械式计算器。n用一种纯粹的机械装置可以代替人的思考和记忆。用一种纯粹的机械装置可以代替人的思考和记忆。本讲稿第十四页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前3.机械式计算机机械式计算机n德国著名数学家戈特弗里德德国著名数学家戈特弗里德威廉威廉莱布尼茨莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz：16461716年年)将帕斯卡的将帕斯卡的“加法器加法器”扩大为乘除运算。扩大为乘除运算。本讲稿第十五页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生

10、与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前4.提花机提花机n法国机械师约瑟夫法国机械师约瑟夫杰卡德杰卡德(Joseph Jacquard)，大约在，大约在1801年年完成了完成了“自动提花编织机自动提花编织机”的设计制作。的设计制作。n采用穿孔卡片操纵编织针。采用穿孔卡片操纵编织针。本讲稿第十六页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前5.差分机和分析机差分机和分析机n1821年，英国数学家年，英国数学家巴贝奇巴贝奇C.Babbage（1791-1871）设计设计了了差分机，这是第一台可自动进行数学变换的机器，因此他被称为差分机，这是第一台可自

11、动进行数学变换的机器，因此他被称为“计算之父计算之父”。此后，他又设计了能够处理数学公式的分析机。此后，他又设计了能够处理数学公式的分析机。然而，这两种机器都没有真正实现。然而，这两种机器都没有真正实现。本讲稿第十七页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前5.差分机和分析机差分机和分析机nAda Lovelace（1815-1852）（英国诗人拜伦的女儿）为）（英国诗人拜伦的女儿）为 Babbage 的分析机设计了程序，被称为的分析机设计了程序，被称为“第一位程序员第一位程序员”。本讲稿第十八页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机

12、的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n19世纪末，赫尔曼世纪末，赫尔曼霍列瑞斯霍列瑞斯(Herman Hollerith：18601929)用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理本讲稿第十九页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n1873年，美国人鲍德温年，美国人鲍德温(F.Baldwin)，利用齿数可变齿轮，利用齿数可变齿轮，设法制造出一种小型计算机样机设法制造出一种小型计算机样机 n布什布什(V.Bush)为了求解与电路有关的微分方程，制作了一台为

13、了求解与电路有关的微分方程，制作了一台模拟计算装置助其求解模拟计算装置助其求解。本讲稿第二十页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n英国数学家布尔英国数学家布尔(G.Boole：18151864年年)建立了一门新的数建立了一门新的数学学科学学科布尔代数，为今后数字计算机开关电路设计布尔代数，为今后数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法。提供了最重要的数学方法。本讲稿第二十一页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n1938年，美国数

14、学家香农年，美国数学家香农(C.Shannon)第一次在布尔代数和继电器开关电路第一次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁，以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了之间架起了桥梁，以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了数字电路的设计。数字电路的设计。n1956年，率先把人工智能运用于计算机下棋方面，验证了计算机可以通年，率先把人工智能运用于计算机下棋方面，验证了计算机可以通过学习提高智能。过学习提高智能。本讲稿第二十二页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n1938年，年，28岁的

15、楚泽岁的楚泽(K.Zuse)设计了一台可编程数字计算设计了一台可编程数字计算机机Z-1。n1939年，楚泽继电器组装了年，楚泽继电器组装了Z-2。n1941年，楚泽的电磁式计算机年，楚泽的电磁式计算机Z-3完成。完成。n1945年建造了年建造了Z-4计算机。计算机。本讲稿第二十三页，共五十页 Z3 重建重建Z1 Z4 老年楚泽（中）老年楚泽（中）数字计算机之父数字计算机之父本讲稿第二十四页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机产生之前计算机产生之前6.模拟计算机模拟计算机n美国哈佛大学艾肯美国哈佛大学艾肯(H.Aiken)博士发明了电磁式计算机博士发明了电磁式计

16、算机Mark，也叫，也叫“自动序列受控计算机自动序列受控计算机”，是计算机，是计算机“史前史史前史”里最后一台著名的计算机。里最后一台著名的计算机。本讲稿第二十五页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的产生计算机的产生1.图灵机图灵机nAlan Turing（19121954）1936年读研究生时发表的一篇论文中提出了图灵年读研究生时发表的一篇论文中提出了图灵机（机（Turing Machine），奠定了计算机的理论基础。），奠定了计算机的理论基础。图灵原理：一切可能的机械式计算过程都能由图灵机实现。还指出，存在图灵原理：一切可能的机械式计算过程都能由图灵机实

17、现。还指出，存在“通用通用”图灵机，它可实现所有图灵机的功能。图灵机，它可实现所有图灵机的功能。不必造加法机、乘法机、最大公约数机，只要造出不必造加法机、乘法机、最大公约数机，只要造出“通用图灵机通用图灵机”功能等价的机器，就能解决所有计算问题。功能等价的机器，就能解决所有计算问题。nTuring 与与 Church 合作给出了数学证明，断言未来计算机能够象人合作给出了数学证明，断言未来计算机能够象人那样具有思维能力（因而汉语中有了那样具有思维能力（因而汉语中有了“电脑电脑”）。）。n计算机学科的最高荣誉是计算机学科的最高荣誉是 ACM（美国计算机学会）图灵奖。（美国计算机学会）图灵奖。本讲稿

18、第二十六页，共五十页本讲稿第二十七页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的产生计算机的产生2.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依曼n1946年，在宾夕法尼亚大学年，在宾夕法尼亚大学 Moore 学院，学院，J.Eckert 和和 J.Mauchly 为实现为实现弹道计算研制成功了弹道计算研制成功了 ENIAC（“电子数字积分计算机电子数字积分计算机”，Electronic Numerical Integrator and Computer），它用了），它用了 19000 个电子管，重个电子管，重 30 吨，吨，耗电耗电 200 千瓦。千瓦。本讲稿第二十八页，共五十页

19、二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的产生计算机的产生2.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依曼n1946年，年，冯冯诺依曼诺依曼John von Neumann（19031957）发表了第一篇关于）发表了第一篇关于电子计算机程序存储的论文，描述了如何用（可被存储、读出和执行的）数电子计算机程序存储的论文，描述了如何用（可被存储、读出和执行的）数字来表示逻辑操作（程序）。至今，大多数计算机采用的都是字来表示逻辑操作（程序）。至今，大多数计算机采用的都是 冯冯诺依曼诺依曼体体系结构系结构(von Neumann architecture)本讲稿第二十九页，共五十页二、计算机的产生

20、与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的产生计算机的产生3.Grace HoppernHopper，女，软件程序设计人员，是第一位发现并排除了程序错误，女，软件程序设计人员，是第一位发现并排除了程序错误（bugs）的人。此后，人们把发现和排除程序错误的过程称为）的人。此后，人们把发现和排除程序错误的过程称为 debugging，把这样的软件工具称为，把这样的软件工具称为 debuger.本讲稿第三十页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的发展历程计算机的发展历程1.第一代（第一代（19451957）：电子管计算机）：电子管计算机n其主要特征是逻辑器件使用

21、电子管其主要特征是逻辑器件使用电子管n第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置，主要用于科学计算。配置，主要用于科学计算。本讲稿第三十一页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的发展历程计算机的发展历程2.第二代（第二代（19581964）：晶体管计算机）：晶体管计算机n其主要特征是使用晶体管代替了电子管其主要特征是使用晶体管代替了电子管n体积缩小，增加了机器的稳定性并提高了运算速度，功耗减小，价体积缩小，增加了机器的稳定性并提高了运算速度，功耗减小，价格降低

22、。格降低。本讲稿第三十二页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的发展历程计算机的发展历程3.第三代第三代（19651972）：小规模集成电路计算机：小规模集成电路计算机n其主要特征是用半导体、小规模集成电路其主要特征是用半导体、小规模集成电路(Integrated CircuitIC)作为作为元器件代替晶体管等分立元件元器件代替晶体管等分立元件n体积和耗电量显著减小，而计算速度和存储存量却有较大提高，可靠性也大大加体积和耗电量显著减小，而计算速度和存储存量却有较大提高，可靠性也大大加强。强。本讲稿第三十三页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与

23、发展历程n计算机的发展历程计算机的发展历程4.第四代第四代（1972至今）至今）：大规模和超大规模集成电路：大规模和超大规模集成电路n其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路n微型机、笔记本和掌上型等超微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接微型机、笔记本和掌上型等超微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。结果。本讲稿第三十四页，共五十页二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n计算机的发展历程计算机的发展历程5.新一代计算机：新一代计算机：n将微电子技术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的将微电子技术、光学技

24、术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。产物。n量子计算机、生物计算机、光计算机、纳米计算机、量子计算机、生物计算机、光计算机、纳米计算机、DNA计算机等。计算机等。本讲稿第三十五页，共五十页计算机的基础知识计算机的基础知识n一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备n二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n三、计算机的应用领域和发展趋势三、计算机的应用领域和发展趋势n四、计算机系统的组成四、计算机系统的组成本讲稿第三十六页，共五十页三、计算机的应用领域与发展趋势三、计算机的应用领域与发展趋势n计算机的应用领域计算机的应用领域1科学研究和科学计算科学研究和科学计算2信息传输

25、和信息处理信息传输和信息处理3生产过程的自动化控制和管理自动化生产过程的自动化控制和管理自动化4计算机辅助设计计算机辅助设计/辅助制造辅助制造/辅助教学辅助教学5娱乐娱乐本讲稿第三十七页，共五十页三、计算机的应用领域与发展趋势三、计算机的应用领域与发展趋势n计算机的发展趋势计算机的发展趋势1.微型化（微型化（microcomputer）2.巨型化（巨型化（supercompter）3.网络化（网络化（net computer）4.智能化智能化5.新型计算机新型计算机本讲稿第三十八页，共五十页三、计算机的应用领域与发展趋势三、计算机的应用领域与发展趋势n计算机的分类：从技术、功能、体积、价格计算

26、机的分类：从技术、功能、体积、价格和性能等综合指标考虑，可分和性能等综合指标考虑，可分:1.巨型计算机巨型计算机 2.大型计算机大型计算机 3.小型计算机小型计算机4.微型计算机微型计算机5.本讲稿第三十九页，共五十页n拥拥有有最最强强的的并并行行计计算算能能力力，主主要要用用于于科学计算。科学计算。n在在气气象象、军军事事、能能源源等等领领域域承承担担大大规模、高速度的计算任务。规模、高速度的计算任务。n趋趋势势是是用用许许多多台台计计算算机机构构成成一一台台超超级计算机。级计算机。巨型计算机巨型计算机83年银河年银河-I亿次机亿次机92年银河年银河-II10亿次机亿次机97年银河年银河-I

27、II百亿次机百亿次机本讲稿第四十页，共五十页n具具有有比比小小型型机机更更强强的的数数据据处处理理能能力。力。n价格比小型机高。价格比小型机高。n在在银银行行等等最最早早使使用用计计算算机机的的行行业业中中广泛使用。广泛使用。中科院计算技术研究所国家中科院计算技术研究所国家智能机中心研制的每秒智能机中心研制的每秒200亿亿次的曙光次的曙光2000型超级服务器型超级服务器大中型计算机大中型计算机本讲稿第四十一页，共五十页n具具有有比比微微机机更更强强的的数数据据处处理理能能力力和和数数据据存存储储能力。能力。n多多个个用用户户可可以以同同时时使使用用（多多用用户户，Multi-user）。）。n

28、目前主要用作服务器。目前主要用作服务器。小型计算机小型计算机IBM z 系列系列z900 服务器服务器IBM z系列系列z990服务器服务器本讲稿第四十二页，共五十页n台式机、工作站台式机、工作站n是通用计算机。是通用计算机。n通通常常是是由由一一个个用用户户来来使使用用（单单用用户户，Single-user）。）。n配配有有文文字字、声声音音、图图像像等等输输入入输输出出设设备。备。n可通过网络与其他计算机相连。可通过网络与其他计算机相连。n高档台式机可充当服务器。高档台式机可充当服务器。微型计算机微型计算机本讲稿第四十三页，共五十页n网络计算机网络计算机n一种在网络环境下使用的终端设备，其

29、特点是内存容量大、显示器的性一种在网络环境下使用的终端设备，其特点是内存容量大、显示器的性能高、通信功能强，但本机中不一定配置外存，所需要的程序和数据存能高、通信功能强，但本机中不一定配置外存，所需要的程序和数据存储在网络的服务器中。储在网络的服务器中。微型计算机微型计算机本讲稿第四十四页，共五十页n膝上型电脑（膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（笔记本计算机（Notebook）n功能与台式机类似。功能与台式机类似。n一体化结构。一体化结构。n耗耗电电更更少少，并并配配有有电电池池，可可在在没没有有交流电源的场合使用。交流电源的场合使用。n可装在文件包中。可装在文件包中。微型计算机微型计

30、算机本讲稿第四十五页，共五十页n向用户提供专门的功能。向用户提供专门的功能。n靠电池供电。靠电池供电。n可装在衣袋中。可装在衣袋中。n有些已具有无线通信能力。有些已具有无线通信能力。n是嵌入式计算机的一类。是嵌入式计算机的一类。n掌上型电脑（掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（）、个人数字助理（PDA,Personal Digital Assistant）微型计算机微型计算机本讲稿第四十六页，共五十页计算机的基础知识计算机的基础知识n一、常见的计算机设备一、常见的计算机设备n二、计算机的产生与发展历程二、计算机的产生与发展历程n三、计算机的应用领域和发展趋势三、计算机的应用领域和发展趋

31、势n四、计算机系统的组成四、计算机系统的组成本讲稿第四十七页，共五十页五、计算机系统的组成五、计算机系统的组成n计算机系统是一种能够按照事先存储的程序，自动、高计算机系统是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行速地对数据进行输入、处理、输出和存储输入、处理、输出和存储的系统，的系统，由计算机由计算机硬件系统硬件系统和计算机和计算机软件系统软件系统两大部分组成。两大部分组成。n计算机硬件系统由一系列电子元器件按照一定逻辑关系连接计算机硬件系统由一系列电子元器件按照一定逻辑关系连接而成，是计算机系统的物质基础。而成，是计算机系统的物质基础。n计算机软件系统由计算机软件系统由操作系统、语

32、言处理系统以及各种软件操作系统、语言处理系统以及各种软件工具和应用软件工具和应用软件等软件程序组成，计算机软件指挥和控制计等软件程序组成，计算机软件指挥和控制计算机硬件系统按照预定的程序运行和工作，从而达到预定目标。算机硬件系统按照预定的程序运行和工作，从而达到预定目标。本讲稿第四十八页，共五十页硬件裸机硬件裸机操作系统操作系统编译系统、解释程序、编译系统、解释程序、系统维护程序、汇编程序、诊断程序系统维护程序、汇编程序、诊断程序数据库管理系统、数据库管理系统、各种用户程序、各类软件包各种用户程序、各类软件包应用软件层应用软件层实用工具层实用工具层操作系统层操作系统层系统软件系统软件五、计算机系统的组成五、计算机系统的组成本讲稿第四十九页，共五十页谢谢谢谢 谢！谢！谢！谢！本讲稿第五十页，共五十页