《计算机基础》廖海红，李熹主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《计算机基础》

【作　者】廖海红，李熹主编

【丛书名】高等学校计算机公共课程“十三五”规划教材

【页 数】 296

【出版社】 北京：中国铁道出版社 , 2018.08

【ISBN号】978-7-113-24718-8

【分 类】电子计算机-高等学校-教材

【参考文献】 廖海红，李熹主编. 计算机基础. 北京：中国铁道出版社, 2018.08.

图书封面：

图书目录：

《计算机基础》内容提要：

本书根据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会以及广西高校计算机基础教学与考试指导委员会对计算机基础教学的基本要求而编写，全书共9章，内容包括计算机概述、计算机系统组成、操作系统、文字处理、电子表格、数据库使用基础、多媒体技术基础、计算机网络基础与信息安全、网络信息检索与发布等。

《计算机基础》内容试读

第1章

计算机概述

教学目标：

通过学习本章内容，读者可以理解计算机的工作原理和特点，了解计算机的发展、应用及分类，理解计算机中的数制与编码知识，掌握二进制与十进制之间的转换。

教学重点和难点：

●计算机的工作原理

·计算机的特点、应用及分类

●二进制与十进制之间的转换

人类社会已经进入了信息时代，计算机已广泛应用于各行各业，并极大地推动了社会的进步与发展。

1.1计算机的发展

1.1.1计算机的产生

远古时代，人类的祖先用石子和绳结来计数。随着社会的发展，需要计算的问题越来越多，石子和绳结已不能适应社会的需要，于是人们发明了计算工具。世界上最早的计算工具是算筹。随着科学的发展，在研究中遇到大量繁重的计算任务，促使科学家们对计算工具进行了改进。17世纪以后，计算工具在西方呈现出较快的发展趋势。具有代表意义的计算机工具有：

①帕斯卡的加法机：1642年，法国数学家、物理学家和思想家布莱斯·帕斯卡开始研制机械加法机，借助精密的齿轮传动原理，帕斯卡制成了世界上第一台能自动进行加减运算的加法机，如图1-1所示。

②莱布尼茨的乘法机：1674年，德国数学家莱布尼茨制成了第一台可以进行加、减、乘、除运算的乘法机。

③巴贝奇的差分机和分析机：1822年，英国人巴贝奇制成

图1-1帕斯卡的加法机

了差分机，如图1-2所示。所谓“差分”就是把函数表示的复杂

·1·

●计算机基础

算式转化为差分运算。1834年，巴贝奇又完成了分析机的设计方案，其设计思想与现代计算机非常接近，从结构上来看大致与现代电子计算机相似，但巴贝奇没有在他有生之年制造出分析机。

④霍勒瑞斯的穿孔制表机：这台机器大约在1880年由美国统计学家霍勒瑞斯发明。穿孔制表机的发明使计算工具开始从机械时代向电子时代迈进，计算机技术进入萌芽时期。

第二次世界大战期间，美国军方为了解决大量军用数据需要计算的难题，由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫克利(John W.Mauchly)和工程师埃克特（J.Presper Eckert)领导的科研小组于1946年2月14日研制成功世界上第一台电子数字积分计算机（Electronic

Numerical Integrator And Computer,ENIAC),如图1-3所示。它由18000多个电子管、7000多个电阻器、10000多个电容器以及6000多个开关组成，占地面积约170m?,整个机器质量为

30多吨，运算速度只有每秒300次混合运算或5000次加法运算。尽管ENIAC有许多不足之处，

但它毕竞是计算机的始祖，拉开了计算机时代的序幕。

图1-2差分机

图1-3第一台电子数字积分计算机

1.1.2计算机的发展阶段

从第一台计算机诞生到现在，在这期间，计算机以惊人的速度发展，首先是晶体管取代了电子管，继而是微电子技术的发展，处理器和存储器上的元件越做越小，计算机的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越低，应用越来越广泛。1975年，美国IBM公司推出了个人计算机(Personal

Computer,PC),从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。

1.计算机的年代划分

按计算机所采用的物理元件来划分，可以将计算机的发展划分为4代，其特点如表1-1所示。

(1)第一代电子计算机(1946一1958年)

第一代电子计算机以电子管为逻辑元件。电子管的寿命最长只有3000h,计算机运行时常常发生由于电子管被烧坏而使计算机死机的现象，因此这一代电子计算机寿命短、体积大、耗电量大、成本高。

(2)第二代电子计算机(1959一1964年)

第二代电子计算机以晶体管为逻辑元件。由于晶体管在体积上比电子管小很多，所以第二代电子计算机体积小、质量小、能耗低、成本低，计算机的可靠性和运算速度均得到提高。（3)第三代电子计算机(1965一1970年)

第三代电子计算机采用中小规模集成电路，因此计算机体积更小、质量更小、耗电更少、寿命更长、成本更低、可靠性更高、运算速度更快。

·2·

第1章计算机概述

(4)第四代电子计算机(1971年至今)

第四代电子计算机采用大规模集成电路和超大规模集成电路，使计算机进入一个新时代。

表1-1四代计算机的比较

年代

第一代

第二代

第三代

第四代

比较项目

1946一1958年

1959一1964年

1965一1970年

1971年至今

逻辑元件

电子管

晶体管

中小规模集成电路

大规模和超大规模集成电路

内存储器

延迟线

磁芯

半导体存储器

集成度很高的半导体存储器

外存储器

磁鼓、磁带

磁带、磁盘

磁盘

磁盘、光盘、闪存盘、移动硬盘等

几千次/秒至几万

运算速度

几万次/秒至几十

几十万次/秒至几

几百万次秒至千万亿次/秒

次秒

万次秒

百万次/秒

机器语言和汇编

汇编语言和高级

高级语言不断发

操作系统不断完善，开发了

软件

语言

语言

展，出现了操作系统

应用软件

扩大到数据处理

扩大到企业管理

应用领域

军事和科学计算

各行各业

和过程控制

和辅助设计等领域

2.我国计算机的研究成果

我国计算机的研制工作虽然起步较晚，但是发展较快。1958年，中科院计算所研制出我国第一台小型电子管通用计算机一103机（八一型），标志着我国第一台电子计算机诞生。1965年，中科院计算所研制出第一台大型晶体管计算机一109乙机，之后又研制出109丙机。20世纪90年代以来，计算机进入快速发展阶段。目前，我国已具备自行研制国际先进水平超级计算机系统的能力，并形成了神威、银河、曙光、联想和浪潮等几个自己的产品系列和研究队伍。

2009年，在国家相关政策的支持下，我国高性能计算机的研发和应用跨入世界先进行列，

摆脱了在高性能计算领域对国外技术的依赖。中国研制的曙光4000A和曙光5000A(见图1-4)

超级计算机曾两次位居世界第10名。德国莱比锡举行的“2013国际超级计算大会”上，正式发布了第41届世界超级计算机500强排名。由中国国防科技大学研制的天河二号超级计算机系统（见图1-5），以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首。“2015国际超级计算大会”上，由国防科技大学研制的天河二号超级计

算机系统，在国际超级计算机T0P500组织发布的第45届世界超级计算机500强排行榜上再次

位居第一。这是天河二号自2013年6月问世以来，连续5次位居世界超算500强榜首。2016年，中国“神威·太湖之光”再次问鼎世界超级计算机冠军。2018年美国高性能超级计算机运算速度超越“神威·太湖之光”，“神威·太湖之光”荣获亚军，第3名为我国的“天河二号”

天河二号

图1-4曙光5000A

图1-5“天河二号”超级计算机系统

3

计算机基础

1.1.3计算机的发展趋势

计算机技术是当今世界发展最快的科学技术之一，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化和智能化这4个方向发展。

1.巨型化（或功能巨型化）

巨型化是指计算机向高速度、大容量、高精度和多功能的方向发展，其运算速度一般在每秒百亿次以上。

2.微型化（或体积微型化）

微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低，计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向。目前市场上已出现的各种笔记本式计算机、膝上型和掌上型计算机都是向这一方向发展的产品。

3.网络化

计算机联网可以实现计算机之间的通信和资源共享。网络化能够充分利用计算机的宝贵资源，为用户提供可靠、及时、广泛和灵活的信息服务。

4.智能化

智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能化的研究包括自然语言的生成和理解、博弈、自动证明定理、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前已研制出多种具有人的部分智能的“机器人”，可以代替人在一些危险的工作岗位上工作。

1.1.4未来新型计算机

1.光子计算机

一光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成元件是集成光路。与传统硅芯片的计算机不同，它是用光束代替电子进行数据运算、传输和存储。光的并行和高速决定了光子计算机的并行处理能力很强，并且具有很高的运算速度，可以对复杂度高和计算量大的任务进行快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

光子计算机具有很多优点，主要表现在以下几个方面：

①具有超高的运算速度。电子的传播速度是593km/s,而光子的传播速度却达3×10km/s,光子计算机的运算速度要比电子计算机快得多，对使用环境条件的要求也比电子计算机低得多。

②具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源一激光器，光子的传导可以不需要导线，即使在相交的情况下，它们之间也不会互相影响。

③能量消耗低，散发热量少，是一种节能型产品。光子计算机的驱动只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，从而降低了电能消耗，并且减少了散发的热量，为光子计算机的微型化和便携化的研制提供了便利的条件。

2.生物计算机

科学家通过对生物组织体进行研究，发现组织体是由无数细胞组成的，细胞又由水、盐、蛋白质和核酸等物质组成。有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能，因此人们可以利用遗传工程技术仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机，科学

·4

第1章计算机概述

家把这种计算机称作生物计算机。生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，

并以此作为生物芯片，利用有机化合物存储数据，通过控制DNA分子间的生物化学反应来完成

运算。

生物计算机具有很多优点，主要表现在以下几个方面：

①体积小。在1mm面积上可容纳数亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机体积小，已经不像现在计算机的形状了。

②具有永久性和很高的可靠性。生物计算机的内部芯片出现故障时，不需要人工修理就能自我修复，这就如同人们在运动中不小心碰伤了身体，有的人不必使用药物，过几天伤口就愈合了，这是因为人体具有自我修复功能。生物计算机也具有自我修复功能，所以生物计算机具有永久性和很高的可靠性。

③需要很少的能量就可以工作。生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以只需要很少的能量就可以工作。

目前，生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得很多的实际成果，这将促使计算机、电子工程和生物工程这3个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片的速度，早日研制出生物计算机。

3.超导计算机

超导现象是指某些物质在低温条件下呈现电阻趋于零和排斥磁力线的现象，这种物质称为超导体。超导计算机是利用超导技术生产的计算机。可体内简

超导计算机的优点主要表现在以下两方面：

①运算速度快。目前制成的超导开关元件的开关速度已达到几皮秒(10”s)的高水平，这是当今所有电子、半导体和光电元件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。超导计算机的运算速度比现在的电子计算机快100倍。

②耗电少。一台超导计算机只需一节干电池就可以工作。

小知识

超导现象被发现以后，超导研究进展缓慢。其原因是实现超导的温度太低，要实现这种低温，消耗的电能远远超过超导节省的电能。目前，科学家还在为此奋斗，试图寻找出一种高温超导材料，甚至一种室温超导材料。一旦找到这些材料，人们就可以利用它制成超导开关元件和超导存储器，进而利用这些元件制成超导计算机。

4.量子计算机

量子计算机与传统计算机的原理不同，它建立在量子力学的基础上，用量子位存储数据。它的优点主要表现在以下两方面：

①能够进行量子并行计算。

②具有与大脑类似的容错性。当系统的某部分发生故障时，输人的原始数据会自动绕过损坏或出错的部分进行正常运算，并不影响最终的计算结果。

1.2计算机的工作原理

计算机的工作原理是存储程序与程序控制。这一原理最初由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(见图1-6)提出，并成功将其运用于计算机的设计中。根据这一原理制造的计算机称为冯·诺依

·5·

计算机基础

曼体系结构计算机。

存储程序是指人们事先把计算机的指令序列（即程序）及运行中所需的数据通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。

程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中的一条条指令，然后加以分析并执行规定的操作。计算机具有内部存储能力，可以将指令事先输入到计算机中存储起来，在计算机开始工作以后，从存储单元中依次取指令，用来控制计算机的操作，从而使人们不必干预计算机的工作，实现操作的自动化，这种工作方式称为程序控制方式。

时至今日，尽管计算机已经出现了4代，并且软、硬件技术得到了

图1-6冯·诺依曼

飞速发展，但计算机本身的体系结构并没有明显的突破，仍属于冯·诺依曼体系结构。

限

1.3计算机的特点

总的来说，计算机具有如下特点：

游上指陆器订厚，实西水艺

1.自动运行程序，实现操作自动化

其收年

计算机在程序控制下自动连续地进行高速运算。因为计算机采用程序控制的方式，所以一旦输入编写好的程序，就能自动地执行下去直至任务完成，实现操作的自动化。这是计算机最突出的特点。

2.运算速度快

计算机的运算速度通常用每秒执行定点加法的次数或平均每秒执行指令的条数来衡量。计算机内部承担运算的元件是由一些数字逻辑电路构成的，运算速度远非其他计算工具所能比拟。计算机运算速度快，使得许多过去无法处理的问题都能得以解决。例如，天气预报要分析大量的资料，如用手摇计算机需要计算一两个星期，就失去了预报的意义，而使用计算机不到1m就可以完成。

3.精确度高

计算机可以满足计算结果的任意精确度要求。例如，圆周率的计算从古至今已有1000多年的历史。我国古代数学家祖冲之只算出π值小数点后8位；德国人鲁道夫用了一生的精力把π值精确到35位；法国的谢克斯花了15年时间，把π值精确到了707位。1946年，数学家弗格森发现谢克斯计算的π值在第528位上出了错，当然，528位以后都错了。1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表了808位正确小数的π值，这是人工计算π值的最高纪录。计算机问世后，π值的人工计算宣告结束。1949年第一台电子计算机包括准备和整理时间在内仅用了70，就把π值精确到2035位。现在，电子计算机已把π值计算到10亿位以上。

4.具有记忆（存储）能力

计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、程序、中间结果和运算指令等存储起来，以备随时调用。例如，一台计算机能将一个图书馆的全部图书资料信息存储起来，读者能迅速查到所需的资料，这使从浩如烟海的资料中查找所需要的信息成为一件容易的事情。

6

···试读结束···