了解计算机教案
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了解计算机
学习目标
了解计算机的诞生、发展、特点和应用
掌握计算机系统的组成和工作原理
了解数制的概念及不同数制之间的转换方法
了解计算机中信息的表示方法了解常见的信息编码方式
掌握微机的硬件组成和主要的性能指标
了解微机的配置和组装方法
了解计算机信息系统安全、计算机病毒和黑客的概念以及防范措施
1.1 计算机概述
在人类历史上，计算工具的发明和创造走过了漫长的道路。在原始社会，人们曾使用绳结石子等进行简单的计数。我国古代发明了一件了不起的、至今仍在使用的计算工具一一算盘·16 世纪，欧洲出现了对数计算尺和机械计算机。
在 20 世纪 40 年代之前，人工手算一直是主要的计算方式，算盘、对数计算尺、手摇或电动的机械计算机等都是人们使用的主要计算工具。此后，一方面由于近代科学技术的发展对计算量、计算精度、计算速度的要求不断提高，原有的计算工具已经满足不了应用的需要:另一方面，计算理论、电子学以及自动控制技术的发展，也为现代电子计算机的出现提供了可能。于是，在20世纪40年代中期，第一代电子计算机延生了。
电子计算机(Electronic Computer)俗称“电脑”，是 20 世纪科学技术发展的重大成果之一。自1946年世界上的第一台通用电子计算机诞生至今，在短短 70 多年的时间里，计算机技术高速发展、在世界范围内掀起了一场信息革命，计算机已成为现代人类社会生活中不可缺少的基本工具，在 21 世纪，掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识和应用能力是现代大学生必备的基本素质。
1.1.1 电子计算机的诞生
1.第一台电子计算机的诞生
电子计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统·
目前，公认的世界上第一台通用电子计算机从 1943年开始研制，1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为电子数字积分计算机(Electronic Numerical integrator and Calculator，ENIAC)(见图1)·ENIAC的研制成功是计算机发展史上的一座里程碑，是人类在计算技术的发展历程中，到达了一个新的高度。ENIAC 共使用了 18000 个电子管，外加 1500 个继电器以及其他器件，重达 30t，占地 170m，这台耗电量为150kw 的计算机，每秒可进行 5000 次加/减法送算，在0.003s内可以完成两个10位数乘法，能够在一天内完成几千万某某乘法·ENIAC的问世，标志着人类社会从此迈进电子计算机时代
2.计算机的发展
自第一台电子计算机诞生至今，在短短 70 多年的时间里，计算机技术发展之迅速，普及之广泛，对整个社会和科学技术影响之深远，是其他任何学科所不能比拟的。
电子元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。根据计算机所使用的电子元器件、所配置的软件和使用的方式，一般将其发展划分为以下几个阶段
如表 1-1所示。
表 1-1 计算机发展的几个阶段
阶段
时间
电子元器件
主要特点
第一代
1946-1957年
电子管
运算速度可达 5000 ~40000 次/秒:体积庞大:可使用机器语言;可进行数值计算
第二代
1958-1964 年
晶体管
运算速度可达 10 万~300 万某某/秒:体积缩小，功耗降低，寿命延长:可使用机器语言、汇编语言;可进行数值计算、事务管理
第三代
1965-1970 年
小、中规模集成电路
运算速度达到 1000万某某/秒:体积更小，功耗及价格下降，寿命更长。可使用机器语言、汇编语言、高级语言;可进行数值计算、事务管理、实时处理
第四代
1971年至今
大、超大规模集成电路
运算速度达到上亿 电路 亿次/秒:耗电少、 体积小、可靠性高、适应性强:可使用机器语言、汇编语言、高级语言:可进行数值计算、实时处理、社会管理、多媒体及网络通信等
(1)第一代计算机(1946-1957年)
第一代计算机的逻辑元件是电子管，其主存储器采用水银延退线、磁鼓、磁芯等，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。
代表机型为冯·诺依曼设计的 EDVAC 计算机。(2)第二代计算机(1958-1964年)
第二代计算机的逻辑元件是晶体管。晶体管较之电子管具有体积小、耗电低、可靠性高、功能强、价格低等优点。第二代计算机的主存储器采用磁芯，外存储器使用磁带和磁盘。
其使用的软件也有了很大发展，开始使用操作系统，以及 FORTRAN、COBOL等高级程序设计语言。
这一时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面，运算速度已提高到每秒几百万某某，体积大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高。代表机型为IBM-7904 计算机。
(3)第三代计算机(1965-1970年)
第三代计算机的逻辑元件采用了小、中规模集成电路来代替晶体管，使计算机的体积大大减小，耗电大大降低，运算速度却大大提高，每秒可执行千万某某的加法运算，性能和稳定性进一步提高。半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器。
在这一时期，系统软件也有了很大发展，出现了分时操作系统和结构化程序设计语言。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，第三代计算机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。
代表机型为IBM-360系列计算机。
（4）第四代计算机（1971年至今）
第四代计算机采用大规模和超大规模集成电路。20世纪70年代以后，计算机使用的集成电路迅速从中小规模发展到大规模、超大规模的水平，大规模、超大规模集成电路应用的一个直接结果是微处理器和微型计算机的诞生。此外，第四代计算机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、分布式操作系统及软件工程标准等。这一时期计算机的运算速度可达每秒上亿亿次，存储容量和可靠性也有了很大提高，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机、中型机、大型机外，开始向巨型机和微型计算机两个方面发展，微型计算机的普及使得计算机逐渐进入办公室、学校和普通家庭。计算机与通信技术的结合使得计算机应用从单机走向网络，由独立网络走向互连网络。基于各种通信渠道（包括有线网和无线网等）的互连网络，把各种计算机互连起来，实现了信息在全球范围内的传递。集处理文字、图形、图像、声音为一体的多媒体计算机的发展也方兴未文。用计算机来模仿人的智能，包括听觉、视觉、触觉以及自学习和推理能力是当前计算机科学研究的一个重要方向。
3.计算机发展的趋势
（1）巨型化
巨型化是指发展高速、大存储容量和超强功能的超大型计算机。这既是诸如天文、气象、宇航、核反应等尖端科技以及进一步探索新兴科技（如基因工程、生物工程）的需要，也是为了能让计算机具有人脑学习、推理的复杂功能的需要。
（2）微型化
因大规模、超大规模集成电路的出现，计算机的微型化迅速发展，而且性能指标也在持续提高，价格持续下降。
（3）网络化
网络化就是把各自独立的计算机用通信线路连接起来，形成各计算机用户之间可以相互通信并能使用公共资源的网络系统。网络化能够充分利用计算机的宝贵资源并扩大计算机的使用范围、为用户提供方便、及时、可靠、广泛、灵活的信息服务。
（4）智能化
智能化是指让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能计算机具有解决问题和逻辑推理、知识处理及知识库管理的功能等。人可以通过计算机的智能接口，用文字、声音、图像等与计算机进行自然对话。
1.1.2计算机的特点
计算机主要具有以下5个方面的特点。
1.运算速度快
计算机的运算速度（也称处理速度）用每秒百万指令数（Million Instructions Per Second，MIPS）来衡量。现代的计算机运算速度在几十MIPS以上，巨型计算机的速度可达千万MIPS。
2.计算精度高
一般来说，现在的计算机有几十位、几百位有效数字，而且理论上还可更高。
3.具有存储的能力
计算机的存储器可以“记忆（存储）”大量的数据和计算机程序
4.具有逻辑判断的能力
计算机在程序的执行过程中，会根据上一步的执行结果，运用逻辑判断方法自动确定下一步的执行命令。正是因为计算机具有这种逻辑判断能力，才使计算机不仅能解决数值计算问题，而且能解决非数值计算问题
5.能进行自动控制
计算机能在程序的控制下，按事先规定的步骤执行任务而不需要人工干预，实现运算的连续性和自动性。
正因为计算机具有上述特点，所以人们在进行一些复杂的脑力劳动时，可以将其分解成计算机可以执行的基本操作，并以计算机可以识别的形式表示出来，存放到计算机中，这样计算机就可以模仿人的一部分思维活动，代替人的部分脑力劳动，按照人们的意愿自动连续地工作，因此计算机也被称为“电脑”。
1.1.3计算机的分类
随着计算机技术的迅速发展和应用的广泛深入，尤其是微处理器的发展，计算机的类型越来越多样化。根据用途及使用范围的不同，计算机可分为通用机和专用机。通用机的特点是通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各种类型的问题。专用机则功能单一，配有解决特定问题的软、硬件，能够高速、可靠地解决特定的问题。根据计算机的运算速度和性能等指标可将其分为/高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器、嵌入式计算机等。
1. 高性能计算机
高性能计算机也称为巨型机或大型机，是指目前速度最快、处理能力最强的计算机，以超级计算机为代表。在国际TOP500组织2019年6月发布的超级计算机排名榜单中，位居第1的是美国的“Summit（顶点）”，如图1-2（a）所示/，其运算速度为每秒20亿亿次。我们可以理解为，人脑要花63亿年计算出来的结果，用Summit计算仅仅需要1秒。我国“神威·XX之光”的运算速度为每秒12.54亿亿次，位居第3，如图1-2（b）所示/。
高性能计算机主要用于气象气候、海洋环境、生物医药、信息安全、航空航天、材料物理、金融分析、工业设计、石油物探等应用领域。
2.微型计算机
微型计算机又称个人计算机（Personal Computer，PC）。自IBM公司于1981年采用Intel的微处理器推出IBM PC以来，微型计算机因其小、均、轻、使及价格便宜等优点在过去30多年中得到迅速的发展，成为计算机的主流。今天，微型计算机的应用已经遍及社会的各个领域，几乎无所不在。
微型计算机的种类有很多，主要分成4类：台式计算机（Desktop Computer）、笔记本电脑（Notebook Computer）、平板计算机（Tablet PC）和超便携个人计算机（Ultra Mobile PC）
3.工作站
工作站是一种高档的微机系统。自1980年美国Appolo公司推出世界上第一个工作站DN-100以来，工作站迅速发展，成为专门处理某类特殊事务的一种计算机类型。
工作站通常配有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内存与外存储器。具有较强的数据处理能力与与高性能的图形功能。Oracle、HP、SGI等公司是目前主要的工作站生产厂家。注意：在网络环境下，任何一台微机或终端都可称为一个工作站（与以上含义不同），它是网络中的一个用户节点。
4.服务器
服务器是一种在网络环境中对外提供服务的计算机系统。从广义上进，一台微型计算机也可以充当一个服务器，关健是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件；从狭义上讲，服务器是专指通过网络对外提供服务的高性能计算机。与微型计算机相比，服务器在稳定性、安全性、性能等方面要求更高，因此对其硬件系统的要求也更高。
根据提供的服务的不同、服务器可以分为Web服务器、FTP服务器、文件服务器、数据库服务器等。
5.嵌入式计算机
嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件，嵌入应用系统之中的计算机。嵌入式计算机与通用计算机相比，在基本原理方面没有原则性的区别，主要区别在于系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，也就是说，系统的应用软件与硬件一体化，采用类似BIOS的工作方式。
嵌入式系统具有的特点是：要求高可靠性，在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作；许多应用要求实时处理能力，这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力，嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储器或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序4部分组成，是集软、硬件于一体的可独立工作的“器件”，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
在各种类型的计算机中，嵌入式计算机应用最广泛，数量甚至超过了PC。目前广泛用于各种家用电器之中，如电冰箱、自动洗衣机、数字电视机、数码相机等。
1.1.4计算机的应用
计算机已几乎应用于一切领域。归结起来计算机的应用主要有以下几个方面。
1.科学计算
科学计算也就是数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，它是计算机应用最为基础的领域。
2.数据及事务处理
数据及事务处理泛指非科技方面的数据管理和计算处理。其主要特点是，要处理的原始数据较多，而算术运算较简单，并有大量的逻辑运算和判断，结果常要求以表格或图形的形式存储或输出，如银行日常账务管理、股票交易管理、图书资料的检索等。
3.计算机辅助工程、辅助教育
计算机辅助工程是指计算机在现代生产领域，特别是在生产制造业中的应用，主要包括：计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）等。计算机辅助教育（Computer Based Education，CBE）是计算机技术在教育领域中应用的统称，主要包括计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）和计算机管理教学（Computer Managed Instruction，CMI）。
4.过程控制
过程控制又称实时控制。其工作过程是选用传感器及时检测受控对象的数据，找出它们与设定数据的偏差，接着由计算机按控制模型进行计算，然后产生相应的控制信号、驱动伺服装置对受控对象进行控制或调节。
5.电子商务
电子商务（Electronic Commerce，EC）是利用计算机技术、网络技术和远程通信技术，实现整个商务（买卖）过程中的电子化、数字化和网络化。
6.多媒体技术
多媒体技术是以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的界面，其应用领域十分广泛。多媒体技术的应用，为人们展现了一个绚丽多彩的多媒体世界
7.网络通信
网络通信是指利用计算机网络实现信息传递的功能。随着Internet技术的快速发展，利用计算机把整个地球网络互连起来，使“地球村”成为现实，并进一步改变人们的工作、学习和生活方式。
1.2计算机系统的组成
1.2.1计算机系统概述
一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统，如图1-3所示。
硬件是指计算机装置，即物理设备。硬件系统是组成计算机的电子的、机械的、电磁的、光学的各种部件和设备的总称，是计算机的物理基础。软件是指实现算法的程序及其文档。软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。硬件是基础，软件是灵魂。只有硬件，没有软件的计算机称为“裸机”，裸机只认识“0”和“1”组成的机器代码，这种没有软件系统的计算机几乎是没有用的，只有将硬件系统和软件系统有机结合，才能使计算机的软、硬件系统协同工作，充分发挥计算机的作用。一个性能优良的计算机硬件系统能否发挥其应有的功能，很大程度上取决于所配置的软件是否完善和丰富。软件不仅提高了机器的效率、扩展了硬件功能，也方便了用户使用。
在计算机系统中，软件和硬件的功能没有明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现、即所谓的软件硬化；同样，硬件实现的功能也可以用软件来实现，即所谓的硬件软化。也就是说，软件和硬件在逻辑上是等效的。
1.2.2计算机的工作原理
1.程序存储和程序控制原理/
美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Von Neumann）（见图1-4）于1946年提出了计算机设计的3个基本思想。
①计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分组成
②采用二进制形式表示计算机的指令和数据
③将程序（由一系列指令组成）和数据存放在存储器中，计算机依次自动地执行程序。
冯·诺依曼结构的计算机的工作原理是：将需要执行的任务用程序设计语言写成程序，与需要处理的原始数据一起通过输入设备输入并存储在计算机的存储器中，即“程序存储”；在需要执行时，由控制器取出程序并按照程序规定的步骤或用户提出的要求，向计算机的有关部件发布命令并控制它们执行相应的操作，执行的过程不需要人工干预而是自动连续进行，即“程序控制”。冯·诺依曼计算机工作原理的核心在于“程序存储”和“程序控制”，按照这一原理设计的计算机称为冯，诺依曼计算机，其体系结构称为冯·诺依曼结构。目前计算机基本上仍然遵循冯·诺依曼原理和结构，绝大部分的计算机结构都是冯·诺依曼计算机结构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯·诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术等。
2.指令和程序
计算机之所以能自动、正确地按人们的意图工作，是由于人们事先已把计算机如何工作的程序和原始数据通过输入设备送到计算机的存储器中。当计算机运行时，控制器就把程序中的“命令”一条接一条地从存储器中取出来，加以翻译，并按“命令”的要求进行相应的操作。
当人们需要计算机完成某项任务的时候，首先要将任务分解为若干个基本操作的集合，计算机所要执行的基本操作命令就是指令，指令是对计算机进行程序控制的最小单位，是一种采用二进制数码表示的命令语言。一个中央处理器（Central Processing，CPU）能够执行的全部指令的集合就称为该CPU的指令系统，不同CPU的指令系统是不同的。指令系统的功能是否强大、指令类型是否丰富，决定了计算机的能力，也影响着计算机的硬件结构。
每条指令都要求计算机完成一定的操作，它告诉计算机进行什么操作、从什么地址取数、结果送到什么地方去等信息。计算机的指令系统一般包括数据传送指令、算术运算指今、逻辑运算指令、转移指令、输入/输出指令和处理机控制指令等。一条指令通常由两个部分组成，即操作码和操作数（见图1-5）。操作码用来规定指令应进行什么操作，而操作数用来指明该操作处理的数据或操作数所在存储单元的地址或与操作数地址有关的信息。
人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合称为程序。指令的不同组合方式，可以构成用于完成不同任务的程序。
3.计算机的工作过程
计算机的工作过程就是执行程序的过程。在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程序和原始数据输入计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 首先运行ROM中的一段自检程序，以检查计算机系统是否能正常工作。这段自检程序就是一种最简单的诊断程序。
②调试程序。调试程序用于对程序进行调试。它是程序开发者的重要工具，特别是对于调试大型程序，就显得更为重要了。例如，DEBUG就是一般PC系统中常用的调试程序。
③编辑程序。编辑程序是计算机系统中不可缺少的一种工具软件。它主要用于输入、修改、编辑程序或数据。
2.应用软件
应用软件主要为用户提供在各个具体领域中的辅助功能，它也是绝大多数用户学习、使用计算机时最感兴趣的内容。
应用软件具有很强的实用性，专门用于解决某个应用领域中的具体问题，因此，它又具有很强的专用性。由于计算机应用的日益普及，适用于各行各业、各个领域的应用软件越来越多。也正是这些应用软件的不断开发和推广，更显示出计算机无比强大的威力和无限广阔的前景。应用软件的内容很广泛，涉及社会的许多领域，很难概括齐全，也很难确切地进行分类。
常见的应用软件有以下几种。
①各种信息管理软件。
②办公自动化系统。
③各种文字处理软件。
④各种辅助设计软件以及辅助教学软件。
⑤各种软件包，如数值计算程序库、图形软件包等。
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