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发布时间:2020-05-12 12:22:28

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作者:张世龙 刘政宇 主编

出版社:人民邮电出版社

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计算机实用基础(第2版)

计算机实用基础(第2版)试读:

前言

计算机的应用已经渗透到各个领域,掌握计算机的基础知识和基本操作技能已经成为现代人必备的基本条件。大学计算机基础高等教育的公共必修课程是学习其他计算机相关技术课程的基础课程和前导。各专业对学生的计算机应用能力提出了更高的要求。本书编写的宗旨是使读者较全面、系统地了解计算机基础知识,具备计算机实际应用能力,并能在各自的专业领域自觉地应用计算机进行学习与研究。本书在第1版的基础上进行了大量的修改,适应了不同专业、不同层次学生的需要,加强了计算机基础及网络技术和多媒体技术等方面的基本内容,使读者在这些基本应用和多媒体信息处理等方面的知识得到了扩展。

读者通过对本教材的学习,可以迅速掌握利用计算机完成各种任务的基本方法,掌握现代化办公文档的基本建立过程,如编辑出图文并茂的文章;制作出各式各样的表格和相应的统计图;掌握因特网的基础知识以及使用因特网;掌握保证计算机系统及数据安全等的各种基本方法,为今后进一步深入学习、应用计算机打下良好的基础。

全书共分为9章,重点以办公应用为主,由浅入深。第1章、第2章介绍了计算机的发展概况,并对目前流行的操作系统Windows 7的使用及管理加以阐述,使初学者具有初步设置系统及解决问题的能力。第3章、第4章、第5章围绕现代化办公需求,以Office 2007办公软件为背景,引入了部分典型案例,将应用实例引入到Word、PowerPoint和Excel的各章中。将日常在办公文档的编辑中所遇到的操作问题及应用技巧以实例的形式加以演示。第6章讲解了计算机网络及Internet基础,对目前流行的网络、Internet网络资源的利用进行了详细的介绍。第7章为读者列举了在工作中经常遇到的计算机硬件、软件问题及安全威胁,针对常见的软硬件问题及病毒、木马、黑客破坏提出了基本的解决方案。第8章针对目前流行的多媒体技术进行简明扼要的阐述,能够让读者更好地对无处不在的多媒体技术做一个更深入的了解。第9章给读者提供了目前常见的系统维护及网络安全工具软件,有了这些常用工具软件,在解决工作中遇到的系统的各类问题时就会迎刃而解,使计算机系统能够更加稳定、高效地工作。每一章后都配有习题,书后附有4套模拟题,习题及模拟题紧扣该章介绍的内容。配套的实验内容可以使读者更好地掌握本章介绍的基本概念,培养读者的实际动手能力,增加对基本要领的理解,提高实际应用能力。

本书内容丰富实用,文字简练流畅,语言通俗易懂,结合当前计算机发展的需要编写而成。基础性强,适用面广,原理与应用并重;内容全面,结构清晰,重点突出,便于课堂讲授和自学。参加本书编写的作者是多年从事一线教学的教师,具有较为丰富的教学经验。在编写时,注重原理与实践紧密结合,遵循“用以致学,学以致用”的原则,相信本书能够成为读者学习和工作中的好助手。

本书由张世龙、刘政宇任主编,高辉、巩萃萃任副主编。翟霞、孙海龙、黄磊、于剑光、孙晓玮、王家宁、齐琳、张振蕊、王书瑞、冯占伟、范美娟等参加编写。对责任编辑武恩玉在此书的编审过程中所提供的建议和支持表示衷心的感谢。此外,在本书编写过程中还参阅借鉴了一些相关教材和文献,在此向其编著者表示感谢。

本书不但适合高等院校学生在初步学习计算机知识时使用,同时也可作为在职人员补充计算机知识的良好教材。由于编者水平有限,书中疏漏和不足之处在所难免,恳请广大读者批评指正。如果读者在学习本书的过程中遇到疑难问题或觉得有不妥之处,可与hithdjsj@126.com信箱取得联系来进行探讨。

本书电子教案和习题参考答案可在人民邮电出版社教学服务与资源网(http://www.ptpedu.com.cn)上免费下载,此外,该网站还有一些其他相关书籍的介绍,方便读者选购参考。

 编者2012年6月于哈尔滨第1章 计算机概述

计算机是20世纪最伟大的科技发明之一,它对人类的生产和生活产生了巨大的影响。正是由于计算机成为信息处理的工具,人类社会才能够在20世纪末进入信息社会。随着信息时代的到来,人们越来越深刻地认识到计算机强大的信息处理能力。计算机应该被看成是能自动完成信息处理的机器,是人脑的延伸,因此它又被称为“电脑”。1.1 计算机基础知识

1.1.1 计算机的概念

电子计算机(Electronic Computer)是一种能够自动、高速、精确地进行信息处理的现代化电子设备,它能够按照程序引导的确定步骤,对输入的数据进行加工处理、存储或者传输,以便获得所期望的输出结果,从而利用这些信息来提高社会生产率和改善人民生活。

根据所处理的信息是数字量还是模拟量,电子计算机可分为模拟计算机、数字计算机和两者功能皆有的混合计算机。模拟计算机是一种对连续的、变化的模拟量直接进行运算的计算机,主要由运算放大器、积分器、函数发生器、控制器、绘图仪等部件组成,专用于过程控制和模拟。数字计算机是一种对离散的、断续的数字量进行运算的计算机,主要由运算加法器、触发器等部件组成。由于当前广泛使用的是数字计算机,习惯上把电子数字计算机(Electronic Digital Computer)简称为电子计算机或者计算机。

1.1.2 计算机的特点与分类

1.计算机的特点(1)运算速度快。计算机采用高速的电子器件和线路,并利用先进的计算机技术,使得计算机可以具有很高的运算速度。运算速度是指计算机每秒钟能执行多少条指令,常用单位是MIPS,1MIPS即每秒执行100万条指令。目前,一般的计算机,如酷睿系列运算速度每秒可达几百亿次。2012年,主流计算机处理器Intel Core 3(英特尔酷睿三代)i7-2600的主频为3.4GHz,运算速度为每秒1124亿次,即112400MIPS。(2)计算精度高。由于计算机采用二进制数表示信息和运算,因此计算的精度随着表示数字设备的增加和算法的改进而获得提高,从而使数值计算可根据需要精确到几千分之一到几百万分之一。一般的计算机均能达到15位有效数字。从理论上说,计算机的精度不受任何限制,可以实现任何精度要求。例如,圆周率π的计算,科学家们采用人工计算只能算出小数点后500位,1981年,日本人利用计算机算到小数点后200万位,而目前已达到小数点后上万亿位。(3)存储和记忆功能。计算机中的存储器能够存储大量信息。当计算机工作时,要处理的数据的中间结果和最终结果都可存入存储器中,当需要时又能准确无误地取出来。更为关键的是,计算机可以把人们事先为计算机编制的工作步骤也存储起来。正是由于计算机具有如此巨大的存储和记忆能力,才使得许多需要对大量数据进行加工处理的工作可由计算机来完成。如卫星图像处理、情报检索等都需要数十万、数百万数据,不借助于计算机是无法进行处理的。(4)逻辑判断能力。计算机的内部结构使计算机还能进行逻辑运算、逻辑判断,并且根据判断的结果自动决定下一步该做什么。有了这种能力,计算机才能求解各种复杂的计算任务,进行各种过程控制和完成各类数据处理任务。计算机的这个特点使得它能模仿人的一部分思维活动,具有计算、分析等能力,可以代替人的部分脑力劳动。(5)自动化程度高。计算机能实现连续自动运算,只要在计算机的存储装置中存入不同的程序,就能够自动完成不同的任务。程序是经过事先周密设计好的,并将其输入计算机中,向计算机发出执行命令,计算机便会不知疲劳地工作。用户可以利用计算机的这个特点去完成那些枯燥乏味的重复性劳动,也可让计算机控制机器深入到人类难以胜任的、有毒的、有害的作业场所。所谓的机器人、自动化机床、无人驾驶飞机等都是利用计算机的自动控制功能来实现的。

2.计算机的分类

根据功能和用途,计算机分为通用计算机和专用计算机。通用计算机是为解决诸如科学计算、数据处理、自动控制、辅助设计等多方面问题而设计的,其功能多,用途广,结构复杂,因而价格也偏高。专用计算机是为解决专门问题而设计的计算机,其功能专一,结构简单,价格较低。当前,用于弹道控制、地震监测等方面的计算机多为专用计算机。

根据计算机硬件和软件的配套规模大小及功能等综合指标的不同,可将计算机划分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机。它们因存储容量、运算速度的不同而用途各异。(1)巨型机。巨型机(Super computer)又称为超级计算机或超级电脑。人们通常把最大、最快、最贵的主机称为巨型机。这些超级计算机多用于高科技领域和国防尖端技术的研究,如核武器设计、核爆炸模拟、反导弹武器系统、空间技术、空气动力学、大范围气象预报、石油地质勘探等。世界上只有少数几个公司能生产巨型机,具有代表性的产品有2002年日本(NEC公司)研制出的超级计算机“地球模拟器”,运算速度高达每秒40万亿次浮点运算;美国IBM公司研制的“蓝色基因/L”超级计算机,从2004年起占据世界最快计算机榜首,并不断升级;2007年,其第二代产品“蓝色基因/L”的运算速度已经超过千万亿次。我国研制的银河Ⅰ型亿次机、银河Ⅱ型十亿次机以及银河Ⅲ型百亿次机都是巨型机,2010年11月14日,千万亿次超级计算机“天河一号”研制成功,是目前国内速度最快的商用高性能计算机系统。(2)小巨型机。这是新发展起来的小型超级计算机,或称桌上型超级计算机。小巨型机(Minisuper computer)对巨型机的高价格发起了挑战,发展非常迅速。(3)大型机。大型主机或称大型计算机包括通常所说的大型机(Mainframe)和中型机。其主要特点是大型、通用,具有较快的处理速度和较强的处理能力,如IBM的4300、9000系列机都属于大型机。一般只有大中型企事业单位才有必要的财力和人员去配置和管理大型主机,并以这台大型主机及其外部设备为基础,组成一个计算机中心,统一安排对主机资源的使用。(4)小型机。小型机(Minicomputer)又称小型电脑,规模小,结构简单,设计试制周期短,通常可用于自动控制、中小企业和事业单位的数据处理,如美国DEC公司的VAX系列,以及我国太极集团的太极系列小型机等。(5)工作站。工作站(Workstation)与高档微型机之间的界限并不十分明确,而且高档工作站的性能也有可能接近小型机,甚至接近低档大型主机。如果按字面意义来说,任何一台个人计算机或终端都可称为工作站。然而,事实上工作站都有自己鲜明的特点,它的运算速度通常比微型机要快,要配备大屏幕显示器和大容量的存储器,而且要有比较强的网络通信功能。它主要应用于特殊的专业领域,如图像处理、计算机辅助设计等。工作站又分为初级工作站、工程工作站、超级工作站以及超级绘图工作站等,著名的工作站有HP-Apollo工作站、Sun工作站等。(6)微型机。微型机(Microcomputer)又称为个人计算机(PC)。这种计算机体积小,价格低,功能全,操作方便,主要面向个人或家庭的用户,已逐渐普及。这一类计算机包含了台式机、笔记本电脑、掌上电脑等。

随着计算机向微型化发展,计算机并不以单一的形态存在,而是与生产生活中使用的设备紧密地结合在一起。在微型计算机的分类中,除了PC外,还有一种叫做嵌入式计算机,也称微控制器,它们是体积很小的专用计算机,被安装到智能设备和仪器的内部,广泛应用于工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。使用了嵌入式计算机的产品有数码相机、电视机顶盒等。

1.1.3 计算机的用途

计算机作为一种信息处理工具,具有很高的运算速度和计算精度,具有很强的“记忆”功能和逻辑判断功能,具有连续自动运行的能力。计算机用途广泛,归纳起来主要有以下几个方面。(1)数值计算。数值计算即科学计算,是指应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算。如卫星运行轨迹、水坝应力、气象预报、油田布局、潮汐规律等,可为问题求解带来质的提升,往往需要几百名专家几周、几个月甚至几年才能完成的计算,利用计算机只要几分钟就可得到正确的结果。(2)信息处理。信息处理是对原始数据进行收集、整理、分类、选择、存储、制表、检索、输出等的加工过程。信息处理是计算机应用的一个重要方面,涉及的范围和内容最为广泛,如自动阅卷、图书检索、财务管理、生产管理、医疗诊断、编辑排版、情报分析等。(3)实时控制。实时控制是指利用计算机及时搜集检测数据,按最佳要求对事物的进程进行调节控制,如工业生产的自动控制。利用计算机进行实时控制,既可提高自动化水平,保证产品质量,又可降低成本,减轻劳动强度。(4)辅助设计。计算机辅助设计为设计工作自动化提供了广阔的前景,受到了普遍的重视。利用计算机的制图功能可实现各种工程的设计工作,如桥梁设计、船舶设计、飞机设计、集成电路设计、计算机设计、服装设计等,统称为计算机辅助设计,即CAD。当前,人们已经把计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助测试(CAT)联系在一起,组成了设计、制造、测试的集成系统,形成了高度自动化的“无人”生产系统。(5)智能模拟。智能模拟亦称人工智能。利用计算机模拟人类智力活动,以替代人类部分脑力劳动,这是一个很有发展前途的学科方向。第五代计算机的开发将成为智能模拟研究成果的集中体现;具有一定“学习、推理和联想”能力的机器人的不断出现,正是智能模拟研究工作取得进展的标志。智能计算机作为人类智能的辅助工具,将被越来越多地用到人类社会的各个领域。1.2 计算机的发展

1.2.1 计算机的历史

1642年,年仅19岁的法国科学家帕斯卡(Blaise Pascal,1623—1662年)发明了第一台能够工作的机械计算器。为了纪念帕斯卡在发展计算机器方面的杰出贡献,著名的程序设计语言 Pascal就是以他的名字命名的。

30年后,德国的数学家和哲学家莱布尼茨(Baron Gottfried Wilhelm von Leibnitz,1646—1716年)改进了这种机械计算器,于1673年研制出具有加、减、乘、除功能的机械计算器,并提出了“可以用机械代替人进行烦琐重复的计算工作”这一重要思想。

计算工程中频繁的人工干预极大地限制了计算速度的提高,并将人束缚于机器之上。人们期待着一种革命性的、能够实现自动运算的计算工具,来将人从计算过程中解放出来。最早研究自动计算工具的是英国剑桥大学的数学教授巴贝奇(Charies Babbage,1792—1871年)。他首先设计制造出一台“差分机”。这台机械计算机是为计算航海数据表而设计的,只能运行一个算法,即用多项式计算有限差分。1812年,巴贝奇开始了研制“差分机”的更新换代产品,并将其命名为“分析机”。按照巴贝奇的设计,“分析机”在宏观上由“存储部分”、“计算部分”、“输入部分”和“输出部分”4部分组成。“分析机”的最大进步在于它的通用性。“分析机”基本上具有了现代计算机的主要功能,而且奠定了现代计算机的基本组成结构,因此巴贝奇被誉为“现代计算机之父”。

19世纪末20世纪初,一批基于上述研究成果的手摇计算机、电动计算机和卡片式计算机被发明出来。这些辅助计算工具为当时的科学家解决科学研究与实验中的问题提供了有利的帮助。这些辅助计算工具由于存在诸多不足,所以难以满足近代科学技术发展对计算能力的需求。

1937年,致力于研究数学机械化的英国数学家图灵(Alan Turing)在“关于可计算的数及其对判定问题的应用”学术论文中提出了一个被后人称为“图灵机”的计算模型,这就是现代计算机的理论模型。大约10年后,即1946年,世界上第一台通用电子计算机诞生了。理论和实践都证明,图灵机能够解决一切可以计算的问题。因此,图灵被称为“计算机科学之父”。

1938年,德国科学家朱斯(Zuse)成功制造出第一台二进制计算机Z-1,此后他又继续研制Z系列计算机,其中Z-3型计算机是世界上第一台通用程序控制机电式计算机,它的开关元件为继电器,采用浮点记数法,使用带数字存储地址的指令形式。

1944年,美国麻省理工学院的科学家艾肯(Aiken)研制成功一台机电式计算机Mark-I。

至此,计算机技术的发展出现了两条道路:一条是基于机械的计算机;一条是基于继电器的计算机。后来建立在电子管或晶体管的电子元件上的计算机都从这两条道路上采纳了很多思想。

1946年2月14日,世界上第一台通用电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)诞生,这是人类文明史上的一个重要里程碑。从此,电子计算机把人类从繁重的脑力计算和烦琐的数据处理工作中彻底解放出来,使人们能够将更多的时间和精力投入到具有创造性的工作中去。

1.2.2 电子计算机的发展

从1946年ENIAC诞生到现在60多年的时间里,按照构成电子计算机的基本逻辑元件的不同,它的发展过程大致可分为电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路4个阶段。目前计算机正在向第五代过渡。(1)第一代(1946—1958年):电子管计算机时代。这一代计算机的主要特点是:逻辑元件采用电子管,内存储器采用磁鼓、磁芯,外存储器采用磁带;软件使用机器语言、汇编语言,运算速度(定点加法)每秒几千次,内存容量仅几KB,主要应用领域为科学计算。其特点是体积大,耗电大,可靠性差,价格昂贵,维修复杂,但它却奠定了计算机发展的基础,其代表机型有ENIAC、IBM-650、IBM-701。

第一台电子计算机ENIAC是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家莫克利(J. W. Mauchley)和工程师埃克特(J. P. Eckert)领导的科研小组研制成功的,它使用了约18800只电子管和1500个继电器,几十3万枚电阻和电容,体积460m,自重30t,功耗为140kW,占地面积2约170m,计算速度只有大约5000次/秒加减运算。ENIAC本质上是一台通用计算机。(2)第二代(1958—1964年):晶体管数字计算机。第二代计算机主要的逻辑元件采用晶体管,晶体管比电子管的平均寿命高100~1000倍,耗电却只是电子管的十分之一,运算速度明显提高,每秒可达几十万次。内存储器以磁芯为主,外存储器已开始使用更先进的磁盘。软件也有了很大的发展,出现了各种各样的高级语言及其编译程序(如COBOL、FORTRAN等),还出现了管理程序。应用以科学计算和各种事物处理为主,并开始用于工业控制,代表机型有IBM-7090、IBM-7094。(3)第三代(1965—1970年):集成电路数字计算机。第三代电子计算机的主要标志是逻辑元件采用了集成电路,这种电路器件就是把几十个或几百个分开的电子元件集成在一块几平方毫米的芯片上(一般称为集成电路板),提高了速度,实现了小型化,且性能稳定、造价低廉。内存储器采用了半导体存储器,计算机的运算速度可达每秒几十万到几百万次。软件方面,计算机操作系统日益成熟,功能逐渐强化,多道程序、并行处理技术、虚拟存储系统以及面向用户的软件的发展,大大丰富了计算机软件资源。应用以系统模拟、系统设计、智能模拟为主,并逐渐普及到信息处理领域,代表机型有DEC公司研制的PDP11系列和VAX11系列等,还有IBM-360(中型机)、IBM-370(大机型)。(4)第四代(1971年以后):大规模集成电路计算机。计算机的逻辑元件和主存储器都采用大规模集成电路(Large Scale Integration,LSI)。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成了2000~6400个晶体管的集成电路,内存储器采用了半导体存储器。这时期计算机发展到了一个微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段,其运算速度可达每秒几亿次,应用领域扩展到各个领域,代表机型有ILL-IACIV(巨型机)、PEPE(巨型机)。

在这一时代,计算机的性能有了迅猛提高,美国克雷(CRAY)公司于1976年推出了世界上首台计算速度超过1亿次/秒的超级计算机Cray-1,它的总设计师西蒙·克雷(Seymour Cray)因此被誉为“超级计算机之父”。

从第四代开始,计算机向着“巨型化”和“微型化”两大方向发展。在“微型化”的技术中,最重要的是微处理器(Microprocessor)与微型计算机(Microcomputer)技术的发展,这致使计算机技术迅速普及。(5)第五代:人工智能计算机。沿用按集成度划分的思路,有人提出在超大规模集成电路(VLSI)量纲中,进一步将由集成度为1~100万个等效逻辑门的超大规模集成电路(VLSI)构成的计算机称为第四代计算机;将集成度为100万~1亿个等效逻辑门的集成电路定义为巨大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration,ULSI),由巨大规模集成电路构成的计算机称为第五代计算机。

这种“第五代计算机”的定义并没有得到广泛的响应,更多人认同的是将第五代计算机定义为具有广泛知识、能推理、会学习的智能计算机。同时,多媒体技术得到广泛应用,它能理解人的语言、文字和图形,人无需编写程序,靠讲话就能对计算机下达命令,驱使它工作,使人们能用语音、图像、视频等更自然的方式与计算机进行信息交互。它能将一种知识信息与有关的知识信息连贯起来,作为对某一知识领域具有渊博知识的专家系统成为人们从事某方面工作的得力助手和参谋。第五代计算机还是能“思考”的计算机,能帮助人进行推理、判断,具有逻辑思维能力,其硬件系统支持高度并行和快速推理,其软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机(也称神经计算机)是智能计算机的重要代表。

提示

1965年,Intel公司的创始人之一戈登·摩尔曾预言,集成电路中的晶体管数约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。这一预言被计算机界称为“摩尔(Moore)定律”。近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。

1.2.3 微型计算机的发展

微处理器(Micro-Processor Unit,MPU)是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理机(Central Processing Unit,CPU)。其实,微处理器本身并不等于微型计算机,它仅仅是微型计算机的中央处理器。有时,为了区别于大中小型机的中央处理器(CPU),将微型计算机中的CPU称为 MPU。

微型计算机(Micro Computer,MC)是以微处理器为核心,配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机,又简称微机。在有的微机上,把CPU、存储器及输入/输出接口电路等集成在一块单片的芯片上,称为单片微型计算机,简称单片机。

微型计算机系统(Micro Computer System,MCS)是指以微型计算机为核心,并配以相应的外围设备、电源、辅助电路(统称硬件)以及控制微型计算机进行工作的系统软件所构成的计算机系统。

微处理器的发展至今为止还是被美国英特尔(Intel)公司所主导。Intel公司是 1968年 7月 18日由戈登·摩尔(Gordon Moore)、集成电路的发明人鲍勃·诺伊斯(Bob Noyce)和旧金山风险投资人洛克(Arthur Rock)共同创立的。Intel公司创立不久,安迪·格鲁夫(Andy Grove)也加入到创业者的行列中来。Intel公司开始只生产半导体存储芯片,这种存储芯片是当时流行的磁芯存储器的替代产品。

真正成就Intel公司的产品开发始于1969年,当时一家名为Busicom的日本公司要求Intel公司为一款新型袖珍计算器设计生产一个简单的专用处理芯片,由工程师霍夫(Marcian Hoff)设计出来的产品不仅应用于袖珍计算器,还可以用来控制交通信号灯以及家用电器设备。

1971年4月,Intel公司推出了编号为4004的处理芯片,它含有2300个晶体管,时钟频率为108kHz,寻址空间为640字节(Byte,B),这就是世界上第一个微处理器。同时,Intel公司还开发出另外3款芯片:4001、4002、4003,分别是随机存储器(Random Access Memory,RAM)、只读存储器(Read Only Memory,ROM)和寄存器(Register)。这4款芯片组合起来就可以构成一台微型计算机。由于微处理器采用的是大规模集成电路技术,所以微型计算机属于第四代计算机。微型计算机的换代通常是按CPU的字长位数和功能来划分的。(1)第一代(1971—1973年)4位或8位低档微处理器。第一个微处理器是 1971年美国Intel公司生产通用的 4位微处理器4004,随后Intel又推出了4004的升级产品4040,它以体积小、价格低等特点引起了许多部门和机构的兴趣。1972年,Intel公司又生产了8位的微处理器8008。通常,人们将Intel 4004、4040、8008称为第一代微处理器。这些微处理器的字长为4位或8位,集成度大约为 2 000管/片,时钟频率为 1MHz,平均指令执行时间约为 20μs。(2)第二代(1974—1978年)8位中档微处理器。其间又分为两个阶段:1973—1975年为典型的第二代,如美国 Intel公司的 8080和 Motorola公司的 MC 68000,集成度提高 1~2倍,运算速度提高了一个数量级;1976—1978年为高档的8位微型机和8位单片微机阶段,称之为二代半,如美国 Zilog公司的 Z80和 Intel公司的 8085(集成度为 9 000管/片)等,其集成度、运算速度都比典型的第二代提高一倍以上。(3)第三代(1978—1983年)16位微处理器。代表产品有 Intel 8086(集成度为 29 000管/片)、Z8000(集成度为 17 500管/片)和 MC 68000(集成度为 68 000管/片)。这些CPU的特点是采用 HMOS工艺,基本指令时间约为 0.5μs,已经达到并超过中、低档小型机(如 PDP11/45)的水平。16位微型机通常都具有丰富的指令系统,采用多级中断系统、多重寻址方式、多种数据处理方式、段寄存器结构、乘除运算硬件化,电路功能大为增强,并配有强大的系统软件。20世纪 70~80年代,Intel公司制成 80286等性能优越的16位微机,其特点是从单元集成过渡到系统集成,其内部为16位CPU,而外部的数据总线为8位,从而使其比其他高档的8位微机具有更优异的性能。(4)第四代(1984—1992年)32位微处理器。1984年,Motorola公司率先推出了首个32位的微处理器 M68020。1985年,Intel公司发布了它的第一个32位微处理器 80386。80386的工作主频达到 25MHz,有32位数据线和 24位地址线,内存的容量由原来的每片 16KB发展到每片 256KB,容量为 1MB和 4MB的内存芯片也开始进入市场,硬盘的容量不断增大。微型机已经成为超级小型机,微型机在技术上一方面保留了原来通用的8位和16位工业总线,同时又发展了由内部32位和高缓冲内存组成的总线结构。1989年,Intel公司在 80386的基础上又研制出了 80486。

1993年以后,Intel又陆续推出了 Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium 2、Pentium 3和 Pentium 4,这些CPU的内部都是32位数据宽度,所以都属于32位微处理器。在此过程中,CPU的集成度和主频不断提高。(5)第五代(1993年及以后)64位及高档微处理器。1992年,美国的数据设备公司(Data Equipment Company,DEC)率先推出了首个64位的微处理器 Alpha 21064。其后,美国的 MIPS公司也推出了一款64位的微处理器 MIPS R4000。Intel公司也推出了基于 IA-64体系结构的64位微处理器——安腾(Itanium)。

目前,微处理器已经进入多核芯处理器(Multi-core Processor)时代。酷睿(Core)是 Intel处理器的名称,比“奔腾”处理器性能更加优越。它已发展了酷睿 1、酷睿 2和酷睿 3三代,又可以按CPU核心的数量分为单核(Solo)、双核(Duo)、四核(Quad)等。

提示

迅驰(Centrino),Intel迅驰移动计算技术。Intel公司为笔记本电脑专门设计开发的一种芯片组的名称为“迅驰”。它不仅仅是处理器,同时也是一种计算功能强、电池寿命长,具有移动性、无线连接上网等功能的CPU、芯片组、无线网卡结合的名称。先后上市了一代迅驰平台(Carmel)、二代迅驰平台(Sonoma)、三代迅驰平台(Napa)、四代迅驰平台(Sant aRosa)、迅驰2(Montevina),最新一代的迅驰技术被称为“迅驰3”(Centrino)。

1.2.4 我国电子计算机的发展

1956年,我国电子计算机的研制工作开始起步,并于当年建立起了计算机技术的研究单位(中国科学院计算技术研究所)。一些高等院校也建立了计算机的教学与研究机构。

1957年,哈尔滨工业大学研制成功了中国第一台模拟式电子计算机。

1958年,我国研制成功了第一台数字式电子计算机DJS-1,即103机,其主要元件是电子管。此后,于1959年9月又研制成功了DJS-2,即104机,运算速度达到了每秒一万次。

1965年5月,我国研制成功了第一台大型通用晶体管计算机,之后,又有不少型号的晶体管电子计算机试制成功,如DJS-6、DTS-8、DTS-21和DTS-411B等。

1971年,我国试制成功了第一台集成电路计算机TQ-16,即709机;1973年研制成功了每秒可执行100万条指令的大型通用数字计算机DJS-11和DJS-130,并开始了我国第一批系列化计算机的研制工作;1974年研制成功了小型系列化计算机DJS-100;1977年研制成功了小型多功能电子计算机DJS-183;1979年研制成功了中规模集成电路的电子计算机DJS-140。

1983年是我国计算机发展史上获得辉煌成果的一年,先后研制成功了757大型电子计算机(中科院计算所)和“银河”巨型计算机(国防科技大学)。757机运算速度达1MIPS,银河机运算速度达每秒一亿次(1997年研制成功了银河3,运算速度已达百亿次/秒),从而进入了世界上少数能研制巨型机国家的行列。

2000年,我国自行研制成功高性能计算机“神威1”,成为继美国、日本之后,世界上第3个具备研制高性能计算机能力的国家;2004年,由中科院计算所、曙光公司和上海超级计算中心联合研制“曙光4000A”,标志着中国已成为世界上继美、日之后第3个能制造10万亿次商品化高性能计算机的国家;2008年,我国百万亿次超级计算机“曙光5000”问世,它标志着中国成为继美国之后第2个能制造和应用超百万亿次商用高性能计算机的国家。

2010年11月14日,我国生产的第一台千万亿次超级计算机“天河一号”创造了“世界最快的计算机”的世界纪录。

1.2.5 计算机的未来发展

计算机科学从诞生的那一天起,就和其他学科有着密不可分的关系,计算机技术有力地促进其他学科的发展,同时也使自己迅速成长。

1.计算机技术的发展趋势

今后计算机的发展将有如下几种趋势。(1)巨型化。目前一些技术部门要求计算机比现有的巨型机有更高的速度(如几千万亿次以上)、更大的存储容量和更强大的功能,用以解决更先进的国防及其他尖端技术、中长期天气预报、资源勘探等领域的问题。(2)微型化。今后的微型机体积更小,价格更便宜。这些特点不仅体现在个人计算机和便携式计算机上,更重要的是要将运算速度快、存储容量大且体积小的微型计算机嵌入到智能自动设备和仪表中,在更广泛的领域来为人类服务。(3)网络化。把计算机连成网络,可以实现计算机之间的通信和网上资源共享,使计算机具有更强大的系统功能。在信息化社会里,计算机网络将是不可缺少的社会环境。(4)多媒体化。计算机将集图形、图像、声音、文字处理为一体,使人们面对有声有色、图文并茂的信息。(5)智能化。智能化是新一代计算机追求的目标,即让计算机模拟人的感觉、推理、思维过程,使计算机真正突破“计算”这一含义,具有“视觉”、“语言”、“思维”、“逻辑推理”等能力,可以越来越多地代替或超越人类在某些方面的局限性。

计算机的发展必然要经历很多新的突破,未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相结合的产物。所以说,未来的计算机技术可能会有人工智能计算机、多处理机、超导计算机、纳米计算机、光计算机、生物计算机和量子计算机等。

2.计算机技术新热点

从计算机技术的发展历史中可以看出,技术革命一直是整个IT产业发展的驱动力。目前在新技术、新思想和新应用的驱动下,移动互联网、云计算和物联网等产业呈现出迅猛发展的态势,全球的IT产业正经历着一场深刻的变革。(1)移动互联网。移动互联网,简单来说就是把移动通信和互联网结合起来成为一体。这是历史的必然现象,因为越来越多的人希望能在移动的过程中高速地接入互联网。近年来,移动通信和互联网已经成为当今世界发展最快、市场潜力最大的两大产业,据统计,目前全球移动通信用户已经超过15亿,互联网用户也已经接近7亿。中国移动通信用户总数超过3.6亿,互联网用户总数则超过1亿。

移动互联网的特点是“轻便小巧”和“通信便捷”,它正逐渐渗透到人们的生活、工作和学习的各个领域。移动环境使得网页浏览、位置服务、文件下载、在线游戏和电子商务等丰富多彩的移动互联网应用在迅猛发展,同时也在深刻改变着信息时代的社会生活。(2)云计算。云计算(Cloud Computing)是由Google在2006年首次提出来的,不仅是信息技术的一个新热点,更是一种新的思想方法。它是指将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使得各种应用系统能够根据需要获取更强的计算能力、更大的存储空间和更好的信息服务。

云计算中的“云”是一个比较形象的比喻,用云可大可小、可以移动的这些特点来形容云计算中服务能力和信息资源的伸缩性,以及后台服务设施位置的透明性。

云计算有很多优点,对于个人用户而言,它能提供最可靠、最安全的数据存储,不必担心数据丢失和病毒入侵等问题;对用户端的终端设备要求比较低,可以轻松实现不同设备之间的数据与应用的共享;对中小型企业来说,“云”为他们送来了大企业级的技术,升级方便,大大降低了商业成本。“云”让每个普通人都能够以极低的成本接触到顶尖的IT技术。(3)物联网。物联网被称为继计算机和互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮,代表着当前和今后较长一段时间内信息网络的发展方向。从一般的计算机网络到互联网,再从互联网到物联网,信息网络已经从人与人之间的沟通发展到人与物、物与物之间的沟通,功能和作用日益强大,对社会的影响也越发深远。

物联网的概念是在1999年由美国 MIT Auto-ID中心提出的,原指在计算机互联网的基础上,利用射频识别技术、无线数据通信技术等构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网,当时称为“传感器网”。物联网英文叫做“The Internet of things”,顾名思义,物联网就是“物物相连的互联网”,物连网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互连互通的网络,可以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂,现在的物联网应用领域已经扩展到了智能交通、仓储物流、环境保护、智能家居、个人健康等多个领域。2009年,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,写入“政府工作报告”,在中国受到了全社会极大的关注。1.3 微型计算机系统

计算机的种类很多,尽管它们在规模、性能等方面存在很大的差别,但它们的基本结构和工作原理是相同的。下面的内容主要以微型机为背景。

1.3.1 基本组成和工作原理

1.基本组成

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是计算机的躯体,软件是计算机的灵魂,两者缺一不可。硬件系统是指所有构成计算机的物理实体,它包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。软件系统是指计算机运行时所需的各种程序、数据及其有关资料。微型计算机又称个人计算机(或PC),其系统的主要组成如图1-1所示。图1-1 计算机系统的主要组成(1)硬件系统。组成计算机的具有物理属性的部件统称为计算机硬件(Hardware),即是由电子器件和机电装置等组成的机器系统,它是整个计算机的物质基础。硬件也称硬设备,如计算机的主机(由运算器、控制器和存储器组成)、显示器、打印机、通信设备等都是硬件。

计算机的硬件构成硬件系统。硬件系统的基本功能是运行由预先设计好的指令编制的各种程序,即由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5部分组成的硬件结构。这种结构方案是由冯·诺依曼(John von Neumann,美籍匈牙利数学家,1903—1957年)于1946年6月提出的,称为“冯·诺依曼结构”。(2)软件系统。计算机软件(Software)是指实现算法的程序及其文档。人们要让计算机工作,就要对它发出各种各样的使其“理解”的命令,为完成某种任务而发送的一系列指令的集合就是程序。众多的可供经常使用的各种功能的成套程序及其相应的文档组成了计算机的软件系统。

2.工作原理

程序像数据一样存储,按程序编排的顺序,一步一步地取出指令,自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1945年提出来的,故称为“冯·诺依曼原理”,也叫做“存储程序”原理。

按照冯·诺依曼的“存储程序”原理,计算机在执行程序时,先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中,在执行程序时,CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令,然后再取出下一条指令并执行,如此循环下去,直到程序结束时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程,最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等,在下一节中将会着重介绍。

总之,计算机的工作就是执行程序,即自动连续地执行一系列指令,而程序开发人员的工作就是编制程序。每一条指令的功能虽然有限,但是在人们精心编制下的一系列指令组成的程序就可以完成很多的任务。

以此概念为基础的各类计算机统称为“冯·诺依曼计算机”。到目前为止,虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面与当时的计算机有很大差别,但基本结构没有变,都称为“冯·诺依曼计算机”。

提示

计算机的硬件结构除了“冯·诺依曼结构”,还有一种“哈佛结构”(Harvard Architecture),它是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。因为其程序指令和数据指令是分开组织和储存的,执行时可以预先读取下一条指令,所以哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。

目前使用哈佛结构的中央处理器和单片机有很多,例如,Microchip公司的PIC系列芯片,还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。

1.3.2 微型计算机的硬件系统

计算机的硬件系统由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5大部件构成,如图1-2所示。图1-2 计算机硬件系统构成

习惯上,把运算器和控制器统称为中央处理器(即CPU),CPU和内存储器一起构成主机,主机之外的输入和输出等设备则统称为外部设备或外设。

1.中央处理单元

硬件系统的核心是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)。它是由控制器、运算器等组成的,并采用超大规模集成电路(Very Large Scale Integration)工艺制成的芯片,又称微处理芯片。其主要任务是取出指令、解释指令并执行指令。因此,每种处理器都有自己的一套指令系统。(1)运算器。运算器又称算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit,ALU),是计算机对数据进行加工处理或运算的部件。计算机中,像加、减、乘、除、求绝对值、求幂等所有算术运算,以及像比较大小、排列次序、选择对象、逻辑加、逻辑乘等所有逻辑运算,在二进制代码形式下都是由运算器完成的。

运算器是计算机的核心部件,它的技术性能的高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。(2)控制器。控制器是计算机的指挥中心,负责控制协调整个计算机的各部件协调一致地自动工作。控制器的主要功能是从存储器中取出一条指令,并指出当前所取指令的下一条指令在内存中的地址,确定指令类型,并逐步完成各种对所取指令进行译码和分析,并产生相应的电子控制信号,按时间的先后顺序,负责向其他各部件发出控制信号,启动相应的部件执行当前指令规定的操作,周而复始地使计算机实现程序的自动执行操作。

控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

2.存储器

计算机之所以能够快速、自动地进行各种复杂的运算,是因为事先已把解题程序和数据存储在存储器中。在运算过程中,由存储器按事先编好的程序快速地提供给微处理器进行处理,这就是程序存储工作方式。计算机的存储器由内部存储器和外部存储器组成。(1)内部存储器。内部存储器简称内存或主存,是计算机临时存放数据的地方,用于存放执行的程序和待处理的数据,它直接与CPU交换信息。内存的存储空间称为内存容量,它的计量单位是字节(Byte),一般用千字节(KB)、兆字节(MB)等表示,其换算如下:10201KB=1024Byte(2),1MB=1024KB(2),30401GB=1024MB(2),1TB=1024GB(2)。

内部存储器最突出的特点是存取速度快,但是容量小、价格高。从使用功能上分,内存分为:只读存储器(Read Only Memory,ROM)和随机存储器(Random Access Memory,RAM)。

①只读存储器。只读存储器是只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。一般是装入整机前事先写好的,整机工作过程中只能读出,而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定,断电后所存数据也不会改变;其结构较简单,读出较方便,因而常用于存储各种固定程序和数据。

一个计算机在加电时要用程序负责完成对各部分的自检、引导和设置系统的输入/输出接口功能,才能使计算机完成进一步的启动过程,这部分程序称为基本输入/输出系统(Basic Input/Output System,BIOS),由计算机厂家固化在只读存储器(ROM)中,这部分程序一般情况下用户是不能修改的(除非用厂家提供的升级程序对 BIOS进行升级)。

提示

CMOS是计算机主机板上一块特殊的ROM芯片,是系统参数存放的地方,而BIOS中系统设置程序是完成参数设置的手段,因此准确的说法应是通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。而我们平常所说的CMOS设置和BIOS设置是其简化说法,也就在一定程度上造成了两个概念的混淆。事实上,BIOS程序是存储在主板上一块EEPROM Flash芯片中的,CMOS存储器用来存储BIOS设定后的要保存的数据,包括一些系统的硬件配置和用户对某些参数的设定,比如传统BIOS的系统密码和设备启动顺序等。

②随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入,且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容,故主要用于存储短时间使用的程序。所有参与运算的数据、程序都存放在RAM当中。RAM是一个临时的存储单元,机器断电后,里面存储的数据将全部丢失。如果要进行长期保存,数据必须保存在外存(软盘、硬盘等)中。计算机内存 RAM如图1-3所示。计算机内存容量一般指的是RAM的容量,目前市场上常见的内存容量为1GB、2GB、4GB和8GB。图1-3 计算机内存 RAM

③高速缓冲存储器(Cache)。由于CPU的主频越来越高,而内存的读写速率达不到CPU的要求,所以在内存和CPU之间引入高速缓存,用于暂存CPU和内存之间交换的数据。CPU首先访问Cache中的信息,Cache可以充分利用CPU忙于运算的时间和RAM交换信息,这样避免了时间上的浪费,起到了缓冲作用,充分利用CPU资源,提高运算速度,是计算机中读写速率最快的存储设备。(2)外部存储器。外部存储器简称外存或辅存,通常以磁介质和光介质的形式来保存数据,不受断电限制,可以长期保存数据。外部存储器的特点是容量大、价格低,但是存取速度慢。外存用于存放暂时不用的程序和数据。常用的外存有软盘、硬盘、磁带和光盘存储器。它们和内存一样,存储容量也以字节(Byte)为基本单位。

①硬盘存储器。硬盘存储器简称硬盘,是计算机主要的外部存储介质之一,由一个或多个铝制或者玻璃制的碟片组成,这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘,即把磁头、盘片及执行机构都密封在一个整体内,与外界隔绝,也称为温彻斯特盘。硬盘的内部结构如图1-4所示。图1-4 硬盘的内部结构

硬盘按规格分有3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸;按数据接口的类型分有SCSI、IDE和SATA。硬盘的两个主要性能指标是平均寻道时间和内部传输速率。一般来说,转速越高的硬盘寻道的时间越短,而且内部传输速率也越高。目前,市场上硬盘常见的转速有5400r/min、7200r/min,最快的平均寻道时间为8ms,内部传输速率最高为190MB/s。

硬盘的每个存储表面被划分成若干个磁道,每个磁道被划分成若干个扇区,每个存储表面的同一道形成一个圆柱面,称为柱面。柱面是硬盘的一个常用指标。硬盘的存储容量计算公式为:存储容量=磁头数×柱面数×每扇区字节数×扇区数。【例1-1】某硬盘有磁头15个,磁道(柱面数)8894个,每道63扇区,每扇区512B,则其存储容量为:15×8894×512×63=4.3GB。硬盘的容量以兆字节(MB)、吉字节(GB)或者万亿字节(TB)为单位,1GB=1024MB,1TB=1024GB。目前常见的硬盘容量已达1TB。硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB,1TB=1000GB,因此用户在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。

提示

Solid State Disk(固态硬盘)是摒弃传统磁介质,采用电子存储介质进行数据存储和读取的一种技术,即用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘,由控制单元和存储单元(DRAM或 FLASH芯片)两部分组成。存储单元负责存储数据,控制单元负责读取、写入数据。拥有速度快,耐用防震,无噪声,重量轻等优点,它突破了传统机械硬盘的性能瓶颈,拥有极高的存储性能,被认为是存储技术发展的未来新星。

②光盘存储器。光盘存储器是利用光学原理进行信息读写的存储器。光盘存储器主要由光盘驱动器(即CD-ROM驱动器)和光盘组成。光盘驱动器(光驱)是读取光盘的设备,通常固定在主机箱内。常用的光盘驱动器有CD-ROM和DVD-ROM,如图1-5所示。

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