计算机导论课件

计算机导论课件3.0版制作宋斌计算机科学之美构建计算机:思想和技术之美强大而非万能:概念之美数字化:0、1世界之美让世界变小变平:观念之美目录第2章计算机的组成第3章从机器语言到多媒体第4章信息系统第5章计算机网络第6章计算机科学第1章计算机的发展史第1章计算机的发展史1.1计算机的起源古人曰：“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外。”筹策又叫算筹,它是中国古代普遍采用的一种计算工具。公元前500年，中国南北朝时期的数学家祖冲之，借用算筹作为计算工具，成功地将圆周率计算到小数点后的第七位。中国古代发明的珠算盘，直到今天，它仍然是许多人钟爱的“计算机”。对世界数学的发展产生了重要的影响。17世纪初，计算工具在西方呈现出较快的发展，首先创立对数概念英国数学家纳皮尔（J.Napier），发明了一种工具，即后来被人们称为“纳皮算筹”的器具。英国牧师奥却德（W.Oughtred）发明了圆盘型对数计算尺，后改进成两根相互滑动的直尺状。在工程计算领域计算尺不仅能做加减乘除、乘方、开方，甚至可以计算三角函数、指数和对数，它一直使用到袖珍计算器面世为止。机械计算机由法国的帕斯卡（B.Pascal）发明出来。帕斯卡设计的计算机是由一系列齿轮组成而用发条做为动力的装置，这种机器只能够做6位加法和减法。然而，即使只做加法也有个“逢十进一”的进位问题。这称为“人类有史以来第一台计算机”，后来人们为了纪念它将一种计算机的高级语言命名为“PASCAL”。巴贝奇的第一个目标是制作一台“差分机”。快速编制不同函数的数学用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 。他整整用了10年的时间，于1822年完成了第一台差分机，可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数，当即就演算出了好几种函数表来。同时间接指出了计算机的五个部分，同时产生第一个程序员——爱达·奥古斯塔（AdaAugusta）1.2.1图灵和图灵机1.2现代计算机的诞生现代计算机孕育于英国、诞生于美国、并成长遍布于全世界。所谓“现代”是指利用先进的电子技术代替机械或机电技术。现代计算机经历了60多年的发展（从1945年至今），其中最重要的代表人物是英国科学家艾兰·图灵（A.M.Turing）和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（VonNeumann），他们为现代计算机科学奠定了基础。图灵对现代计算机的主要贡献有两个：（1）建立图灵机（Turingmachine）理论模型；（2）提出定义机器智能的图灵测试(Turingtest）。1936年图灵发表了一篇论文：《论可计算的数及其在密码问题的应用》，首次提出逻辑机的通用模型。现在人们就把这个模型机称为图灵机，缩写为TM。TM由一个处理器P、一个读写头W/P和一条存储带M组成。其中，M是一个无限长的带，被分成一个个单元，从最左单元开始，向右延伸直至无穷。P是一个有限状态控制器，能使W/R左移或右移，并且能对M上的符号进行修改或读出。那么，图灵机怎样进行运算呢？例如做加法3+2=？开始先把最左单元放上特殊的符号B，表示分割空格，它不属于输入符号集。然后写上3个“1”，用B分割后再写上2个1”，接着在再填一个B，相加时，只要把中间的B修改为“1”，而把最左边的“1”修改为B，于是机器把两个B之间的“1”读出就得到3+2=5。由于计算过程的直观概念可以看成是能用机器实现的有限指令序列，所以图灵机已被认为是过程的形式定义。1950年他发表了另一篇著名论文：《计算机器与智能》。指出如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，那么这台机器就具有智能。这一论断称为图灵测试，它奠定了人工智能理论的基础。必须强调指出，图灵并不只是一位纯粹抽象的数学家，他还是一位擅长电子技术的工程专家，二次大战期间，他是英国破译密码小组的主要成员。他设计制造的破译机Bombe实质就是一台采用继电器的高速计算装置。图灵以独特的思想创造的破译机，一次次成功地破译了德国法西斯的密码电文。为纪念图灵的理论成就，美国计算机协会（ACM）专门设立了图灵奖。从1966年至今已有30多位各国第一流的计算机科学家获得此项殊荣，成为计算机学术界的最高成就奖。1.2.2第一台电子数字计算机ENIACENIAC是电子数值积分计算机（TheElectronicNumericalIntegratorandComputer）的编写。1943年，二次世界大战关键时期，美国因新式火炮设计需要运算速度更快的计算机，宾州大学莫尔学院莫奇莱教授和他的学生埃克特博士用军方提供的48万美元设计完成.1.2.3冯·诺依曼冯·诺依曼1903年出生，1921年至1925年他先后在柏林和苏黎世学习化学，1926年获得苏黎世化学工程文凭和布达佩斯数学博士证书。1930年他以客座讲师身份到美国普林斯顿大学讲学，次年应聘为普林斯顿大学教授。冯·诺依曼介入ENIAC的工作是偶然的。冯·诺依曼到达莫尔学院计算机研究实验室看了研制中的计算机之后，提的第一个问题就是这台计算机的逻辑装置和结构，而这正是莫克利等人所谓判别真正的天才的标志。冯·诺依曼对ENIAC机不足之处进行认真分析，并讨论全新的存储程序的通用计算机 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。当军方要求比ENIAC性能更好的计算机时，他便提出EDVAC（埃德瓦克）方案。1946年6月冯·诺依曼与戈德斯坦（H.Goldstine）等发表了《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文，成为EDVAC的设计基础。1952年完成了EDVAC机的建造工作，并投入运行，用于核武器的理论计算。EDVAC是电子离散变量计算机的缩写。它的主要改进有两点：一是为了充分发挥电子元件的高速性能而采用了二进制；二是把指令和数据都存储起来，让机器能自动地执行程序。由于它利用水银延时线作主存，用磁鼓作辅存，其运算速度比ENIAC提高了240倍。1.2.4UNIVAC迎来计算机时代为什么通常认为计算机时代是从1951年6月开始的?计算机时代的两个主要标志：（1）计算机从实验室走向社会，作为商品交付客户使用；（2）计算机从单纯军事用途的计算进入公众领域的数据处理，引进强烈的社会反响。UNIVAC（尤尼瓦克）捷足先登，成了这一时代角色。UNIVAC是通用自动计算机的缩写。它的设计师是ENIAC的主要研制者莫奇莱和埃克特。1951年6月14日第一台UNIVAC交付美国人口统计局使用。它不仅为人口普查服务，还投入当时正在进行的总统竞选的统计分析工作。在投票结束刚2小时，它分析了5%的选票后就预告了艾森豪威尔将当选下届总统。这条又快又准的消息披露后，在西方引起轰动。舆论普遍赞赏计算机的强大功能，新闻媒介则纷纷报导：“世界已经进入计算机时代”。1.3现代计算机的诞生一般说来，计算机年代划分的原则有：⑴按照计算机采用的电子器件来划分通常分为：电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路（VLSI）或微处理器等四代。⑵结合具有里程碑意义的典型计算机来划分根据它的社会效益与经济效益来衡量。⑶考虑计算机系统的全面技术水平来划分不只从使用的电子器件，或者只从硬件实现来考虑；还要从存储设备、输入输出装置，特别是软件配置情况来评价。通过全面的考虑，我们才会从年代学的研究中找到对系统发展有积极意义的历史借鉴。应当指出，计算机划分的作法已经扩展到它的各个分支领域。例如微处理器可以分为几代，存储器也可以分为几代，操作系统可以分为几代，数据库也可以分为几代。1.3.1第一代计算机第一代计算机（1951—1958）的特点是：⑴采用电子管代替机械齿轮或电磁继电器作开关元件，但它仍然笨重，而且产生很多热量。既容易损坏。⑵采用二进制代替十进制，即所有指令与数据都用“1”与“0”表示，分别对应于电子器件的“接通”与“关断”。这就是机器可以理解的语言，⑶程序可以存储，这使通用计算机成为可能。但最初使用水银延迟线或静电存储管，容量很小。后来使用了磁鼓、磁芯，有了很大改进。⑷输入输出装置主要用穿孔卡，速度很慢。UNIVAC—I是第一代计算机的代表。在它前后一批著名机器成了开创性的第一代计算机族。是：ABC；ENIAC；IAS；EDVAC；ACE；EDSAC；Whirlwind；IBM701，702，704，705，650等。1952年IBM生产的第一台用于科学计算的大型机IBM701问世。它的字长36位，使用了4000个电子管和12000个锗晶体二极管，运算速度为每秒2万次。采用静电存储管作主存，容量为2048字，并用磁鼓作辅存。50年代存储技术的重大革新是磁芯存储器的出现，它产生在美国麻省理工学院。磁芯是用铁氧体磁性材料制成的小环，外径小于1毫米，所以磁心尺寸只有小米粒大小。该材料有矩形磁滞回线当激磁电流方向不同时会产生两种剩磁状态，因此一个磁芯可存储一个二进制数（1，0）,一个4K字存储器每字为48位，那就需要4096×48=196608颗磁芯。它们被组装在磁芯板上。第二代计算机（1959—1964）的特点是：⑴用晶体管代替了电子管。晶体管有一系列优点：体积小、重量轻；发热少、耗电省；速度快、功能强；价格低、寿命长。⑵普遍采用磁芯存储器作主存，并且采用磁盘与磁带作辅存。使存储容量增大，可靠性提高，为系统软件的发展创造了条件。⑶作为现代计算机体系结构的许多意义深远的特性相继出现，例如变址寄存器、浮点数据表示、间接寻址、中断、I/O处理机等。⑷编程语言在发展。先是用汇编语言代替了机器语言。接着又发展了高级语言如:FORTRAN、COBOL。⑸应用范围进一步扩大。除了以批处理方式进行科学计算外，开始进入实时的过程控制和数据处理.1.3.2第二代计算机晶体管是1948年美国贝尔电话实验室的三位物理学家巴丁（J.Bardeen）、布拉坦（W.Brattain）、肖克莱（W.Shockley）发明的。由于这项影响深远的发明，他们荣获了1956年诺贝尔物理奖。1954年贝尔实验室制成第一台晶体管计算机TRADIC，它使用了800个晶体管。1955年全晶体管计算机UNIVAC—Ⅱ问世。但是，它们都没有成为第二代计算机的主流产品。第二代计算机主流产品是IBM7000系列。1958年IBM推出大型科学计算机7090，实现了晶体管化。采用了存取周期为2.18微秒的磁芯存储器、每台容量为1MB的磁鼓、每台容量为28MB的固定磁盘，并配置了FORTRAN等高级语言。美国50年代生产的IBM7041960年美国贝思勒荷姆钢厂成为第一家利用计算机处理定货、管理库存、并进行实时生产过程控制的公司。1963年俄克拉荷马日报成为第一份利用计算机编辑排版的报纸。1964年美国航空公司建立了第一个实时订票系统，计算机应用的革命正在开始。1.3.3第三代计算机第三代计算机（1965—1970）的特点是：⑴用集成电路（IntegratedCircuit，IC）取代了晶体管。最初是小规模集成电路（SSI），后来是大规模集成电路（LSI）。IC的体积更小，耗电更省，功能更强，寿命更长。⑵用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。存储容量大幅度提高，为建立存储体系与存储管理创造了条件。⑶普遍采用了微程序设计技术，为确立富有继承性的体系结构发挥了重要作用。三代机为计算机走向系列化、通用化、标准化作出了贡献。⑷系统软件与应用软件都有很大发展。由于用户通过分时系统的交互作用方式来共享计算机资源，因此操作系统在规模和复杂性方面都有很快发展，为了提高软件质量，出现了结构化、模块化程序设计 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。⑸为了满足中小企业与机构日益增多的计算机应用，在第三代计算机期间，出现了第一代小型计算机如DEC的PDP—8.第三代计算机主流产品是IBM/360。1964年4月7日IBM公布了360系统，成为计算机发展史上的一个重要里程碑。IBM公司为此投资50亿美元，到1965年360系统的各种型号陆续投入市场，共售出33000台，这促使大多数早先的商用计算机被废弃，对计算机工业产生了相当大的冲击。IBM的成功与它的市场战略正确有关。它从一开始就面向商业、面向产品、面向服务。人们常称IBM为“BigBlue”，即“兰色巨人”。一方面反映它实力雄厚，另一方面也是服务周到的写照，它的工作人员身穿兰色西服为用户“上门服务”。1.3.4第四代计算机第四代计算机（1971至今）的特点是：⑴用微处理器或超大规模集成电路VISI（VeryLargeScaleIntegration）取代普通集成电路。⑵从计算机系统本身来看，在这期间存储容量进一步扩大；输入采用了OCR与条形码；输出采用了激光打印机；光盘的引进；新的编程语言Pascal、Ada的使用。所有这些还只是进化性的发展，而不是革命性的变化。⑶微型计算机（microcomputer）异军突起，席卷全球，触发了计算技术由集中化向分散化转化的大变革.⑷数据通信、计算机网络、分布式处理有了很大的发展。计算机技术与通信技术相结合正改变着世界的技术经济面貌。⑸由于特殊应用领域的需求，在并行处理与多处理领域正积累着重要的经验，为未来的技术突破创造着条件。Intel（英特尔）公司于1968年成立。次年，以年青的霍夫（M.Hoff）博士为首，建立了为一家日本公司设计袖珍计算器芯片的小组。1971年第一代微处理器4位芯片Intel4004问世，它在4.2×3.2mm2的硅片上集成了2250个晶体管组成的电路，其功能竟与ENIAC相仿。1972年推出第二代微处理器8位芯片Intel8008，1974年推出后继产品8080。1975年Altair公司利用这种芯片制成了微型计算机。四代机的主流产品是1979年IBM推出的4300系列、3080系列以及1985年的3090系列。它功能得到进一步的加强，例如虚拟存储、数据库管理、网络管理、图像识别、语言处理等.1.4微型计算机的发展在第四代计算机中，微型计算机无疑发展最快的，普及最广泛的。微型机使计算机从实验室、专门机房走到办公室、家庭、公共场所。正是微型机的发展和相应的图形化软件的发展，才使计算机从专业人员走向广大用户。1.4.1第一个微处理芯片和第一台微型机1971年1月，以霍夫为首的研制小组，完成了世界上第一个微处理器芯片。在3×4mm面积上集成晶体管2250个，每秒运算速度达6万次。它意味着电脑CPU已经缩微成一块集成电路，意味着“芯片上的电脑”诞生。第一块微处理器芯片已属大规模集成电路范畴。英特尔公司命名它为4004。4004芯片1972年4月，霍夫小组研制出另一型号的微处理器8008。在做了少许改进后，1975年又推出有史以来最成功的8位微处理器8080。8080集成了约4800个晶体管，每秒执行29万条指令。8080型微处理器正式投放市场是在1974年，这种芯片及其仿制品后来共卖掉数以百万计，引发了汹涌澎湃的微电脑热潮。在英特尔公司带动下，1975年，摩托罗拉公司也宣布推出8位微处理器6800。1976年，霍夫研制小组的费根，在硅谷组建了Zilog公司，同时宣布研制成功8位微处理器Z-80。从此，可以放在指尖上的芯片电脑全方位地改变了世界。爱德华·罗伯茨开了一家“微型仪器与自动测量系统公司他以每块75美元价格向英特尔购到8080微处理器，组装了一台很小的机器,命名为“牛郎星”。这就是世界上第一台用微处理器装配的微型计算机。这种机器在金属制成的小盒内，装进两块集成电路，一块8080芯片，另一块存储器，仅有256B。用手拨动面板上8个开关输入程序；几排灯泡的明暗表示计算结果。1.4.2车库里的”苹果”1976年，美国硅谷“家酿电脑俱乐部”的两位同名青年，史蒂夫·乔布斯（S.Jobs）和史蒂夫·沃兹奈克（S.Wozniak），在汽车库里“酿造”出一家闻名全球的电脑公司，从而发动了一场轰动电脑业界的“车库革命”。1975年，由于无钱购买“牛郎星”电脑，沃兹奈克只得用较便宜的6502微处理器装配了一部。这台电脑严格地讲只是装在木箱里的一块电路板，但有8K存储器，能显示高分辨率图形。俱乐部成员纷纷提出要订购这种机器。乔布斯敏锐地看到了商机，他卖掉自己汽车，共凑了1300元创业资金。就在乔布斯家里的汽车库里，为了纪念乔布斯当年在苹果园打工的历史，公司取名苹果（Apple），标志是一个被咬了一口的苹果，因为“咬”（Bite）与“字节”（Byte）同音。他们生产的第一款微型计算机也就命名为“苹果I”（AppleI）。1978年初又增加了磁盘驱动器。这种电脑达到当时微型电脑技术的最高水准，乔布斯命名它为“苹果Ⅱ”（AppleⅡ）。1977年4月，苹果Ⅱ在旧金山计算机交易会第一次公开露面，售价仅1298美元，造成意想不到的轰动。从此，苹果Ⅱ大量走进了学校、机关、企业、商店和家庭，为领导时代潮流的个人计算机铺平了道路。随着苹果计算机带来的巨大收益，这家公司在短短5年时间内创造了神话般的奇迹。1976年，公司营业额超过20万美元；5年之后，营业额竟跃升至10亿美元，跨进美国最大500家公司的行列。乔布斯头成为美国最年轻的百万富翁。1.4.3个人计算机新纪元1981年IBM公司推出了它的个人计算机PC，人类社会从此跨进个人计算机新纪元。为了让IBM拥有“苹果计算机”，IBM公司下令在迈阿密建立一个“国际象棋”专案小组，一年内开发出自己的机器。IBM实行“开放”政策。他们决定采用英特尔8088微处理器作为该计算机的中枢，同时委托独立软件公司为它配置各种软件。经反复斟酌，IBM公司决定把新机器命名为“个人计算机”，即IBMPC。1981年8月12日，IBM在宣布IBMPC个人计算机出世，它把过去一个大型电脑机房的全套装置统统搬到个人的书桌上。就在1982年内，IBMPC机卖出了25万台。IBMPC诞生不仅掀起了个人计算机的大普及，而且导致了软件工业的兴旺。其中，受益最大的是微软公司。早在1969年，美国西雅图湖滨中学8年级学生比尔·盖茨（B.Getes）和他高班同学保罗·艾伦（P.Allen），在学校唯一台PDP-10小型计算机终端上，设计出第一个软件“三连棋”游戏。1974年12月，保罗·艾伦在报亭上偶尔发现《大众电子》配发的“牛郎星”照片，立即找到已经考入哈佛大学学法律的比尔·盖茨，共同为“牛郎星”研制出配套的BASIC软件。这种软件后来竟卖出了100万套。在BASIC软件成功的鼓舞下，1975年7月，19岁的比尔·盖茨走出人生中最关键的一步。他毅然放弃只差一年就到手的哈佛学位，与保罗·艾伦一起在阿尔伯克基市竖起“微软公司”的旗帜。“微软”（Microsoft）取自于“微型”和“软件”二字，专门从事微电脑软件开发。比尔·盖茨为只有6名员工的小公司定下雄心勃勃的目标：每个家庭每张桌上都有一部电脑运行微软的软件。1980年，当IBM“国际象棋”专案组需要为PC电脑配套操作系统软件时，找到了微软公司，比尔·盖茨想起了西雅图软件天才帕特森（T.Paterson）曾编写过一个QDOS软件，微软公司购买到QDOS版权，并且在帕特森帮助下，完成了这件影响深远的磁盘操作系统MS-DOS软件。MS-DOS伴随IBMPC电脑出征，由于所有PC个人电脑（包括其他厂商生产的兼容机）都需要安装MS-DOS，其用户后来竟超过3000万，历史上从来没有哪个软件能够达到如此庞大的用户数。1.4.4软件与硬件交替发展英特尔公司没有停止前进的步伐，386刚刚上市，便研制下一代芯片486芯片不仅要保持兼容性，而且必须创新，原定两年半的时间被推迟了两个月。1989年2月推出了486产品。该芯片集成了120万只晶体管，功能相当于当时的一台大型主机，速度比4004快了50倍。1989年4月，英特尔公司在拉斯维加斯电脑大展上首度发表486，标志着PC电脑从此进入486时代。1987年在半导体行业仅排名第十的英特尔公司，由于坚持在微处理器领域的技术创新，终于在1992年超过日本NEC公司，攀上全球半导体产业的首位。历史进入到九十年代初，微处理器再次加快升级换代的速度。为了防止商标被人摹仿，从第五代（P5）开始，英特尔公司将新研制的芯片更名为“奔腾”（Pentium）。1993年5月，“奔腾”微处理器在一个小型记者招待会上首次发表，英特尔打出“送你一颗奔驰的芯”大幅广告。“奔腾”芯片集成了310万枚晶体管，数目大大超过486芯片的120万枚，每个元件的宽度只有0.8微米，大约是一根头发的百分之一，电脑业从此进入“奔腾时代”。一年半后，英特尔公司推出“奔腾Ⅱ”处理器，实现了0.25微米新工艺，它内置多媒体（MMX）功能，集数据、音频、视频、图形、通信于一体。微处理器遵照“摩尔定律”，集成的元件数目以每18个月翻一番的进程，默默走过了20余年。如果走进英特尔公司博物馆，人们可以清晰地观看到它的生产过程和它的发展足迹。从第一代4004到第8代Pentium4，芯片的集成度增加了2400倍，速度提高了5000倍。至1995年，全世界用作电脑“心脏”的微处理器产量已达2亿4千万个；用作电器控制的微处理器产量高达30亿个。英特尔微处理器的更新换代，也给微软公司视窗软件升级带来契机。从开始的DOS1.0，到DOS6.22，从字符界面到图形化界面，1990年在当时的386上推出了Windows操作系统，1995年，世界范围出现了迎接“视窗95”（Windows95）的热潮。比尔·盖茨在其好友、股票大王巴菲特（W.Buffett）建议下，不惜以1200万美元买到英国“滚石”摇滚乐团“启动我”原创歌曲，于8月24日召召开发布会。30多个国家500多位报刊记者和数十位电视台的节目主持人，各软件公司代表和电脑经销商近万人赶来参加视窗95的盛会。实际上每当英特尔推出一款新的微处理器，微软公司也推出一款新的操作系统，包括Windows95、Windows98、WindowsMe、Windows2000、WindowsXP每一款在功能上都有一定的进步，但对机器性能要求也高了，以刺激用户的购买欲，同时推动个人计算机的发展。据说PC机市场的60%利润被Wintel联盟获得。由于视窗95的成功销售，微软公司已经控制了个人电脑操作系统90%以上的市场，比尔·盖茨第二次登上美国《财富》杂志全球富豪排行榜榜首。当之无愧是知识经济开始到来的标志。1.4.5我国计算机的发展自从1946年世界上第一台数字电子计算机在美国诞生以来，与计算机最邻近领域的数学和物理界的泰斗，世界数学大师华罗庚教授和中国原子能事业的奠基人钱三强教授，就十分关注这一新技术如何在国内发展。从1951年起，积极推动将发展计算机列入国家的12年发展规划。1956年8月25日我国第一个计算技术研究机构——中国科学院计算技术研究所筹备委员会成立，华罗庚任主任。这就是我国计算技术研究机构的摇篮。1958年由七机部研制的中国第一台数字电子计算机103机(定点32二进制位，每秒2500次)交付使用.总参研制的中国第一台大型数字电子计算机104机(浮点40二进制位，每秒1万次)在1959年也交付使用，在104机上中国第一个自行设计的编译系统在1961年试验成功(Fortran型)。1967年自行设计了专为“两弹一星”服务的计算机——大型晶体管计算机109乙(浮点32二进制位，每秒6万次)供核弹研究用和七机部供火箭研究用，它们的使用时间长达15年，被誉为“功勋计算机”，是中国第一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机，同时中国第一个自行设计的管理程序（操作系统的前身）就是在它上面建立的。1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的“银河-I”巨型机，这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑。1983年，电子工业部计算机管理局研制成功与IBMPC机兼容的长城0520CH微机。同时电子部六所开发成功微机汉字软件CCDOS，是我国第一套与IBMPC-DOS兼容的汉字磁盘操作系统。1991年，新华社、科技日报、经济日报正式启用汉字激光照排系统(中国计算机科学家——王选所领导的科研集体研制出的汉字激光照排系统)被誉为“汉字印刷术的第二次发明”。1994年中关村地区教育与科研示范网络(NCFC)完成了与Internet的全功能IP连接，从此，中国正式被国际上承认是接入Internet的国家。1997年，国防科大研制成功“银河-III”百亿次并行巨型计算机系统，系统综合技术达到90年代中期国际先进水平。1989年7月金山公司的WPS软件问世，它填补了我国计算机字处理软件的空白该软件至今在国内还有一定的影响。2002年8月“龙芯1号”的问世结束了我国不生产CPU的“空芯化”历史。作为一款64位的通用芯片，2004年推出的“龙芯2号”样机上能运行完整的64位中文Linux操作系统。曙光公司推出完全自主知识产权的“龙腾”服务器，龙腾服务器采用了“龙芯-1”CPU，采用了曙光公司和中科院计算所联合研发的服务器专用主板，采用曙光Linux操作系统，该服务器是国内第一台完全实现自有产权的产品，在国防、安全等部门将发挥重大作用。2005 年5月，联想完成收购IBM全球PC业务（包括IMB笔记本和台式机业务合并后的新联想将以130亿美元的年销售额一跃成为全球第三大PC制造商。使我国计算机产业达到世界先进水平。2005年8月5日国内最大搜索引擎百度公司股票在美国Nasdaq市场挂牌交易.2005年8月11日、阿里巴巴收购雅虎中国。这是中国互联网史上最大的一起并购案。1.5计算机应用的发展计算机所以迅速发展，其生命力在于它的广泛应用。最早设计计算机的目的是用于军事方面的科学计算，而当制造完成后，由于它的无比的优越性，就开始用于其它领域。第一台商用计算机就被用于“圣经”的文字处理。不久就在银行用于信息处理。目前，计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域：从国民经济各部门到个人家庭生活，从军事部门到民服务部门，从科学教育到文化艺术，从生产领域到消费娱乐，无一不是计算机应用的天下，对于这么多的应用，这里不可能一一介绍，下面归纳成七个方面来叙述。1.5.1科学计算科学研究和工程技术计算领域，是计算机应用最早的领域，也是应用得较早、较广泛的领域。例如数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学等基础科学的研究，以及航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿等方面的大量计算都要用到计算机。利用计算机进行数值计算，可以节省大量时间、人力和物力。计算机在科学计算和工程设计中的应用，不仅减轻了大量繁琐的计算工作量，更重要的是，使得一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到圆满的解决。1.5.2自动控制自动控制是涉及面极广的一门学科，应用于工业、农业、科学技术、国防以至我们的日常生活等各个领域。特别是有了体积小、价廉可靠的微型计算机和单片机后，自动控制就有了强有力的工具，使自动控制进入以计算机为主要控制设备的新阶段。据统计，目前国内外大约20%的微型机用于生产过程的自动控制，应用于冶金、化工、电力、交通、机械、军事等部门。用计算机控制各种加工机床，不仅可以减轻工人的劳动强度，而且生产效率高，加工精度高。有人说“计算机是提高生产力最简便的方法”，这是很有道理的。1.5.3CAD/CAM/CIMSCAD技术，首先按设计任务书的要求设计方案，然后进行各种设计方案比较，确定产品结构、外形尺寸、材料，进行模拟组装，再对模拟整机的各种性能测试，根据测试结果不可对其进行不断修正，最后确定设计；产品设计完成后再将其分解为零件、分装部件，并给出零件图、分部装配图、总体装配图等。全部由计算机直接或间接地完成。CAM一般指利用计算机参与从毛坯到产品制造过程中直接或间接的活动，包括工艺准备、生产作业设计、物料采购计划、生产控制、质量控制等。CAM目前主要是指数控程序的编制。CIMS即将企业生产过程中的有关人、技术、设备、经费管理及其信息流和物质流等利用计算机手段有机集成并优化运行。1.5.4信息处理信息:是我们人类赖以生存和交际的媒介。通过五官和皮肤，我们可以看到文字图像，听到唱歌说话，闻到香臭气味，尝到酸甜苦辣，感到冷热变化。这些都有是信息。人本身就是一个非常高级的信息处理系统。计算机发展初期，它仅仅用于数值计算。但是后来应用范围逐渐发展到非数值领域，可用来处理文字、表格、图像、声音等各类问题。因此，确切地讲，计算机应当称为信息机，或叫信息处理机。信息处理的范围相当广泛。总之，企业管理、物资管理、资料图书管理、人事管理、业务管理等等，都是计算机能发挥作用的领域。下表中列出了国内各部门研制的计算机管理系统实例。1.5.5教育和卫生创立学校、应用书面语言、发明印刷术，被称为教育史上的三次革命。目前，计算机广泛应用于教育，被誉为“教育史上的第四次革命”。较多的应用是“计算机辅助教学”。计算机辅助教学既用于普通教育，又用于专业训练方面。例如通过计算机管理的“飞行模拟器”来训练飞机驾驶员。目前我国正在进行的“校校通”工程，当它实现以后，在教学过程中将广泛采用计算机教学法。计算机的问世，同样为人类健康长寿带来了福音。一方面，使用计算机的各种医疗设备应运而生，如CT图像处理设备、身体诊断设备、心脑电图分析仪、医疗车系统等。另一方面，集专家经验之大成，利用计算机建成了各种各样的专家系统，如中医专家诊疗系统、肝病电脑诊治系统、肺癌电脑诊断系统、黄疸病诊疗系统等等。1.5.6家用电器计算机不仅在国民经济各部门发挥越来越大的作用，而且已渗入个人生活，特别是家用电器中。例如彩色电视机的调台器，就是把微型机的锁环频率合成器结合起来构成的。从而使电视机增加了数字选台、自动选台、预约节目、遥控等多种功能。目前，不仅使用各种类型的个人计算机，而且将单片机广泛应用于微波炉、磁带录音机、自动洗衣机、煤气用定时器、家用空调设备控制器、电子式缝纫机、电子玩具、游戏机等。现在就有全部由电脑和网络控制的智能房子。计算机网络和计算机控制的设备将广泛地应用于办公室、工厂和家庭。通过国际互联网，可以传递多种多样的有益信息，如新闻时事，商业行情、电子商务等等。1.5.7人工智能“人工智能”又称“智能模拟”，简单地说，就是要使计算机能够模仿人的高级思维活动。影片《未来世界》中所描绘的机器人，就是在人工智能研究成果基础上所设想的未来世界的情景。人工智能的研究课题是多种多样的诸如计算机学习、计算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、机器人等等， 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 很多。直接利用自然形式的信息，这正是当前模式识别研究的奋斗目标。目前，在文字识别、图形识别、景物分析以及语言理解等方面都有已取得了不少成就。例如在文字识别方面，对规范的印刷体和严格的手写体的识别，已经达到了成熟实用的水平，而对任意的手写体的识别在通过几次学习以后也能识别出来。第2章计算机的组成2.1数字表示和信息编码日常生活中是常用的是十进制，但计算机中使用的是二进制，为了书写和口读方便，还采用了八进制、十六进制等。在计算机中所有信息都必须以二进制形式进行编码。2.1.1数字表示和信息编码1.各种进位计数制及其表示法进位计数制就是按进位方法进行计数。日常生活中人们已习惯于“逢十进一”的十进制计数，它的特点是：⑴用十个符号表示数。常用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9符号，这些符号叫做数码。⑵数4024中的两个4表示不同的值，可写成多项式的形式：4×103+0×102+2×101+4×100上式中的103,102,101,100分别是个位、十位、百位、千位。这“个、十、百、千……”在数学上称为“权”。⑶十进制有0到9共十个数码，数码的个数称为基数。十进制的基数是10。当计数时每一位计到十往上进一位，也就是“逢十进一”。所以基数就是两相邻数码中高位的权与低位权之比。⑷任一个十进制数N可表示为：N=±[an-1×10n-1＋an-2×10n-2＋……+a0×100＋a-1×10-1＋……+a-m×10-m]=±∑ai×10I不难看出上式是一个多项式。式中的m、n是幂指数，均为正整数；ai称为系数，可以是0到9十个数码符号的任一个，由具体的数决定；10是基数。对上面公式推广之,对于任意进位计数制,若基数用R表示，则任意数N可表示为：N=±[an-1×Rn-1＋an-2×Rn-2＋……+a0×R0＋a-1×R-1＋……+a-m×R-m]=±∑ai×RI式中m,n的意义同上，ai则为0,1…（R-1）中任一个，R是基数。对于二进制，数N可表示为：N=±[an-1×2n-1＋an-2×2n-2＋……+a0×20＋a-1×2-1＋……+a-m×2-m]=±∑ai×RI基数是2，而数码符号只有0和1两个，进位为“逢二进一”。对于八进制，数N可表示为：N=±[an-1×8n-1＋an-2×8n-2＋……+a0×80＋a-1×8-1＋……+a-m×8-m]=±∑ai×8I基数是8，可用8个数码符号：0、1、2、3、4、5、6、7，进位为“逢八进一”。对于十六进制，数N可表示为：N=±[an-1×16n-1＋an-2×16n-2＋……+a0×160＋a-1×16-1＋……+a-m×16-m]=±∑ai×16I基数是8，可用16个数码符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F进位为“逢十六进一”。2.二进制数的特点计算机为什么要采用二进制呢？⑴二进制数只有0、1两个状态，易于实现。例如电位的高、低，脉冲的有、无，指示灯的亮、暗，磁性方向的正反等等，都可以表示1、0。这种对立的两种状态区别鲜明，容易识别。⑵二进制的运算规则简单。对于每一位来说每种运算只有四种规则。⑶二进制信息的存储和传输可靠。两个稳态很容易识别和区分，所以工作可靠。⑷二进制节省设备。从数学上推导，采用R=e≈2.7进位数制实现时最节省设备，据此，采用三进制是最省设备的，其次是二进制。⑸二进制可以用逻辑代数作为逻辑分析与设计的工具。逻辑代数是研究一个命题的真与假的数学工具，因此可以把二进制“0”和“1”作为真和假来看待。当然，二进制数也有它的缺点。第一个缺点是人们不熟悉、不易懂，人们熟悉的是十进制。第二个缺点是书写起来长，读起来不方便，为克服这个问题，又提出了八进制和十六进制。3.各种进制之间的转换当两个有理数相等时，其整数部分和小数部分一定分当两个有理数相等时，其整数部分和小数部分一定分别相等，这是不同进制数之间转换的依据。1)十进制整数转换二进制整数十进制整数转换二进制整数，采用连续除2记录余数的方法。设N为要转换的十进制整数，当它已经转换成n位二进制时。N写出下列等式：N=an-1×2n-1＋an-2×2n-2＋…+a1×21＋a0×20把等式两边都除以2，得到商和余数：N/2={an-1×2n-2＋an-2×2n-3＋……+a1×20}+a0显然上式中括弧内是商Q1，余数正是我们要求的二进制数的最低位a0，然后把商Q1除以2，得到：Q1/2={an-1×2n-3＋an-2×2n-4＋……+a2×20}+a1这次得到的余数是二进制数的次低位a1。按此步骤，一直进行到商数为0为止。53←÷2↓a01←÷2↓261363010←÷2↓1←÷2↓←÷2↓←÷2↓011a1a2a3a4a5例2-1把十进制的53转换为二进制数。1363153(53)10=(110101)22)十进制小数转换二进制小数十进制小数转换二进制小数采用连续乘2而记录其乘积中整数的方法。设N是一个十进制小数，它对应的二进制数共有m位，则N=a-1×2-1＋a-2×2-2＋……+a–m+1×2–m+1＋a-m×2-m把等式两边都乘以2，得到整数部分和小数部分F1：2N=a-1+{a-2×2-1＋……+a-m×2–m+1}显然上式中括弧内是小数部分F1，整数部分正是我们要求的二进制数的最高位a-1依次类推，就逐次得到a-1a-2a-3a-4a-5的值，这就是所求的二进制数。0.6875a-10.37511　　→↓×201a-4a-3a-2(0.6875)10=(0.1011)2　　→↓×20.75　　→↓×20.5　→↓×20.0例2-2把十进制的0.6875转换为二进制数。值得注意的是:在十进制小数转换成二进制小数时，整个计算过程可能无限制地进行下去（即积的小数部分始终不为0），此时可根据需要取若干位作为近似值，必要时对舍去部分采用类似十进制四舍五入的零舍一入的规则。3)十进制混合小数转换二进制数混合小数由整数和纯小数复合而成。转换时将整数部分和纯小数部分分别按上述进行转换，然后再将它们组合起来即可。(53.6875)10=(110101.1011)24)二进制数转换十进制数只要将被转换的数按式展开，并计算出结果即可。(111011.101)2=1×25+1×24+1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(59.625)105)二进制数转换八进制数三位二进制数恰有八种组合(000、001、……111)。可以小数点开始向左和右分别把整数和小数部分每三位分成一组。然后用一个等值的八进制数代换每一组的三位二进制数,不足补0。现举例说明如下。设有一个二进制数1101001.0100111，要转换成八进制数。我们将它从小数点开始分别向左和向右分为三位一组：001101001.010011100151.234(151.234)8(1101001.0100111)2=6)二进制数转换十六进制数四位二进制数恰有十六种组合(0000、0001、……1111)。可以小数点开始向左和右分别把整数和小数部分每四位分成一组。然后用一个等值的十六进制数代换每一组的四位二进制数,不足补0。现举例说明如下。10010100101.11100111014A5.E74(4A5.E74)16(10010100101.1110011101)2=000(2F4B.D0C)16=0010111101001011.110100001100十六进制数转换为二进制数的过程正相反()27)任意制数间转换如果一个R进制数转换为十进制数可以利用（2.1）式计算。而一个十进制数转换为R进制还是要分成整数部分和小数部分分别转换，其方法是整数部分用“乘R取余”，而小数部分用“除R取整”来计算。书写时为了区别数制:1)在数的右下角注明数制。如(1011)2、(32)8、(7B)16的下标表示它们的进制。2)在数字后面加字母来区别，加字母B（Binary）表示为二进制数；以字母O（Octal）表示为八进制数；以字母D（Decimal）或不加字母表示为十进制数；用字母H（Hexadecimal）表示为十六进制数。如1011B表示是二进制数，127H表示是十六进制数。十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2.1.2数的定点与浮点表示在计算机中数的符号也用二进制数码表示，通常取正数的符号为0，负数的符号为1。计算机中，涉及到小数点位置时，数有两种表示方法，即定点表示和浮点表示。1)定点数表示任意一个二进制数总可以表示为纯整数（或纯小数）和一个2的整数次幂的乘积。例如，二进制数N可写成：N=2P×S其中，S称为N的尾数；P称为N的阶码；2称为阶码的底。尾数S表示了N的全部有效数字，阶码P指明了小数点的位置。此处P、S都是用二进制表示的数。当阶码为固定值时，称这种表示法为数的定点表示法。这样的数称为定点数。如P=0，且尾数S为纯整数，这时定点数只能表示整数，称为定点整数。如P=0，且尾数S为纯小数，这时定点数只能表示小数，称为定点小数。定点数的这两种表示法，在计算机中均有采用。究竟采用哪种方法，都是事先约定的。在计算机中数的符号也用二进制数码表示，通常取正数的符号为0，负数的符号为1，在机器内定点数中小数点的规定:定点小数——约定小数点在符号位与最高数值位之间定点整数——约定小数点在最低有效位后面当定点数的位数确定以后，定点数表示的范围也就确定了。如果一个数超过了这个范围，这种现象称为溢出。2)浮点数表示如果阶码可以取不同的数值，并与尾数一并表示，称这种表示法为数的浮点表示法。这样的数称为浮点数。这时：其中阶码P用整数表示，可为正数或负数。用一位二进制数Pf表示阶码的符号位，当Pf=0时，表示阶码为正数；当Pf=1时，表示阶码为负数。而尾数S一般为纯小数，用定点小数来表示，同样用Sf表示尾数的符号，Sf=0表示尾数为正数（也就是N为正）；Sf=1表示尾数为负数。可见，在机器中表示一个浮点数，要分为阶码和尾数两个部分来表示。一般来说，阶码部分的位数决定了数的表示范围，而尾数部分的位数决定了数的精度。阶码尾数阶码符号尾数符号↓↓↓↓2.1.3原码、补码、反码1)机器数与真值数的符号在机器中亦被“数码化”。用“0”表示正数符号，用“1”表示负数符号。设有N1=1001001；N2=1001001。则它们在机器中表示为：N1：01001001N2：11001001我们把“符号化”的数称为机器数，而符号没有数码化的数称为数的真值。机器数一般是固定长度的，数的位不够时应当补足。2)原码原码是一种简单的机器数表示法。它规定正数的符号用0表示，负数的符号用1表示，数值部分即为该数的本身。例如：X=+100101，其原码表示为[X]原=00100101。X=—100101，其原码表示为[X]原=10100101。机器数用原码表示简单易懂，易于真值转换。但进行加减运算比较复杂。这是因为，原码实际上只是把数的符号“数码化”了，其运算方法与手算类似。例如要作x+y的运算，首先要判别符号，若x、y同号，则相加；若x、y异号，就要判别两数绝对值的大小，然后将绝对值大的数减去绝对值小的数。显然，这种运算方法不仅增加运算时间，而且使设备也复杂了。而机器数的补码表示法可避免上述缺陷。3)补码补码表示法的指导思想：把负数转化为正数，使减法变成加法，从而使正负数的加减运算转化单纯的正数相加运算。求补码比较复杂，这里介绍一种简单的转换方法：如果X≥0时其补码与原码相同；如果X＜0时其补码符号位为1，其它各位求反码，然后在最低位加1。所谓反码就是将1变为0，0变为1。如：X＝－1010101[X]补=10101010＋1=10101011那么如何从[X]原转换成[X]补呢？已知[X]原，则正数X的补码为其本身；负数X的补码等于它的原码[X]原除符号位外“求反加1”。反之，若已知负数的补码[X]补，同样可以通过对[X]补除符号位外“求反加1”得到它的原码[X]原。4)反码在补码表示中已经提到反码，它也是一种机器数的表示法。在求反码时，与求补码相似，只是少加了一个1而以。X=1101010[X]反=01101010Y=1101010[Y]反=10010101数值原码反码补码00000000000000000000000000100000001111111100000000＋1000000010000000100000001－110000