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1.2.1 计算机的硬件系统
1.运算器
运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件。它是计算机能够完成 各种复杂操作的关键部件，由算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit， ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。ALU是运算器中 实现四种算术运算和各种逻辑运算（等）的核心部件。运算器能执行 多少种操作及运算器的执行速度，标志着运算器能力的强弱，甚至标 志着计算机本身的能力。
1.1.1 计算机的诞生
1.1.2 计算机的发展历程
1.1.3 计算机的特征
1.1.4 计算机发展趋势
1.1.1 计算机的诞生
人类第一台通用数字式电子计算机ENIAC（简称“埃尼阿克”）的诞生 • 时间：1946年2月15日 • 地点：美国宾夕法尼亚大学莫尔学院 • 主要任务和单位：约翰·莫克利
机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）和计算机辅助管 理教学（Computer Managed Instruction，CMI） 计算机辅助测试（Computer Aided Testing，CAT）
1.1.3 计算机的特征
3.计算机的应用领域
（5）人工智能，Artificial Intelligence，AI （6）办公自动化，Office Automation，OA （7）网络与通信 （8）数字娱乐 （9）多媒体应用 （10）嵌入式系统
晶体管
磁芯存储器
第三阶段 （1964-1972）
中小规模集成电路
半导体存储器
第四阶段 （1972年至今）
大规模、超大规模集成电 路
半导体存储器
穿孔卡片、纸带 机器语言、汇编语言
磁带
高级语言、简单的操 作系统
磁带、磁盘
磁盘、磁带、光盘等大容 量存储器
多种功能较强的操作系统、 可视化操作系统、数据库、
会话式语言
大学计算机基础
01 第1章 计算机基础知识
知识与技能目标
了解计算机的历史，掌握计算机发展的四个阶段 及计算机的特征、分类与应用
掌握计算机的硬件系统和软件系统的组成及功能 掌握计算机中信息的表示方法和不同进制数间的
转换方法 了解多媒体技术 了解计算机病毒的产生、危害及其防范 具备基本的信息安全防范知识与技能
1.计算机的特点 2.计算机的分类 3.计算机的应用领域
1.1.3 计算机的特征
1.计算机的特点
（1）自动化程度高 （2）运算速度快 （3）计算精度高 （4）存储容量大 （5）具有准确的逻辑判断能力 （6）通用性强 （7）具有网络与通信功能
1.1.3 计算机的特征
2.计算机的分类
可以从不同的角度对其进行分类。 （1）按照处理数据信息的形式分类 数字计算机 模拟计算机 数字模拟混合计算机
目录
第1章 计算机基础知识
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
计算机的发展 计算机系统 信息的表示 多媒体技术简介 信息安全基础
1.1
计算机的发展
本节介绍计算机的诞生、世界计算机史上发展的四个阶 段、我国计算机的发展、计算机的主要特征、计算机的多种 分类方法、计算机的应用领域和未来计算机的发展趋势。
1.1 计算机的发展
1.1.3 计算机的特征
2.计算机的分类
（3）按照计算机使用用途分类 通用计算机，市场上销售的计算机大多属于通用计算机 专用计算机，一般专机专用
1.1.3 计算机的特征
3.计算机应用领域
（1）科学计算 （2）数据处理 （3）实时控制 （4）计算机辅助
计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD） 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM） 计算机辅助教育（Computer Aided Education，CAE），包括计算
1.1.2 计算机的发展
计算机采用的主要物理器件如下图1-2所示：
图1-2 电子管（左）、晶体管（中）、集成电路（右）
1.1.2 计算机的发展
中国计算机的发展史
1956
哈尔滨工业大学研制 成功中国第一台模拟 式电子计算机。
1958
第二代晶体管计算机 研制成功。
1971
第一台微机DJS-130 面世。
1.1.4 计算机发展趋势
1.电子计算机的发展方向 2.未来新一代的计算机
1.1.4 计算机发展趋势
1.电子计算机的发展方向
巨型化
网络化
多媒体化
微型化
智能化
1.1.4 计算机发展趋势
2.未来新一代的计算机
模糊计算机
光子计算机
量子计算机
生物计算机
超导计算机
1.2
计算机系统
本节介绍计算机系统的组成，包括硬件系统和 软件系统，算法的概念。
1.2.1 计算机的硬件系统
CPU
运算器和控制器被集成在一块芯片上，称为中央处理器或微处理 器（Central Processing Unit，CPU）如图1- 5所示。CPU是计算机的 总指挥和运算中心，负责整个计算机系统的协调、控制及运算。
图1- 5 Intel公司生产的CPU
CPU的性能一定意义上决定了 计算机的性能，能够处理数据 的位数是CPU的一个主要性能 标志。此外，时钟主频是指 CPU的时钟频率，是微型计算 机性能的一个重要指标，它的 高低一定程度上决定了计算机 运行的快慢。
多媒体、网络软件
5千至几万条
几万至几十万条
几十万至几百万条
上千万至万亿条
科学计算
科学计算、数据处理、 实现标准化系列化，应用于
事务管理
各个领域
广泛应用于各个领域
代表机器
UNIVAC-I、EDVAC
IBM-7000
IBM-360、CDC-6000
IBM4300系列、3080系列、 3090系列和9000系列
周恩来总理亲自提议、 主持并制定我国《十 二年科学技术发展规 划》，启动了我国计 算机科研、生产、教 育发展计划。
1957
中国第一台计算机— —103型通用数字电 子计算机研制成功， 运行速度为每秒1500 次。
1964
第三代集成电路计算 机研制成功。
1974
1.1.2 计算机的发展
中国计算机的发展史
“太字节”）、千万亿字节PB等。它们之间的换算关系如下：
1KB=1024B=210B
1MB=1024KB=220B 1GB=1024MB=230B
1TB=1024GB=240B
1PB=1024TB=250B
存取速度一般用存储周期来表示，也就是CPU从内存储器中读取或写入数据 所需的时间。
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
（2）外存 外存可以存放大量的程序和数据，而且断电后信息不会丢失。大
部分外存可以移动，便于不同计算机之间进行信息交流。常见的外存 有硬盘、U盘和光盘。
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
（2）外存 硬盘
硬盘是微型计算机上主要的外部存储设备。如果从存储数据的介 质上来区分，硬盘可以分为机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）和固 态硬盘（Solid State Disk，SSD）。机械硬盘采用磁性盘片来存储数 据，固态硬盘通过闪存颗粒来存储数据。
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
（1）内存 内存是安装在主板上的存储部件，可以直接被CPU访问。内存用
来存储当前正在执行的数据、程序和结果，具有容量小，存取速度快 的特点，但一旦断电，其中保存的数据全部丢失。按照功能可以分为 随机存储器、只读存储器和高速缓冲存储器。
图1- 6 随机存储器RAM（左）和只读存储器ROM（右）
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
（1）内存 随机存储器RAM 只读存储器ROM 高速缓冲存储器Cache
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
内存储器的主要性能指标有两个：存储容量和存取速度。
存储容量是指一个存储器包含的存储单元总数。常用的存储单位有字节B、
千字节KB、兆字节MB、吉字节GB（又称“千兆字节”）、万亿字节TB（又称
1.2.1 计算机的硬件系统
3.存储器
存储器是计算机存储程序和数据的部件。计算机中的大量操作是 往存储器中读取或者写入数据。一般而言，存储容量越大，存储速度 越快越好。而存储器的工作速度相对于CPU的运算速度要低很多，因 此存储器的工作速度往往会制约计算机的运算速度。
计算机的存储器一般分为内存（又称为内部存储器或主存）和外 存（又称为外部存储器或辅存）两大类。
1.2 计算机系统
计算机系统的组成如图1- 3所示：
图1-3 计算机系统
1.2 计算机系统
1.2.1 计算机的硬件系统
1.2.2 计算机的软件系统
1.2.1 计算机的硬件系统
计算机的硬件结构方面，一直遵循冯·诺依曼体系结构。冯·诺依曼计算机由 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成，各部件之间通 过总线实现连接，并与外部其他设备实现数据传送。以存储器为中心的计算机 结构如图1- 4所示。
2013
2016
“神威·太湖之光”研制 成功，它成为世界上 第一台突破10亿亿次 /秒运算速度的超级 计算机，创造了速度、 持续性、功耗比三项 指标世界第一。
世界超算组织对全世 界的最快的十台超级 计算机进行统计，中 国的“神威·太湖之光” 和“天河二号”分别位 于第三名、第四名。
2018
1.1.3 计算机的特征
美国陆军弹道研究所 美国陆军阿伯丁弹道实验室
ENIAC长30.48米，宽6 米，高2.4米，占地面积 约170平方米，重达30 吨，耗电150千瓦，包 含了17468根真空管 （电子管），7200根晶 体二极管，70000个电 阻器，10000个电容器， 1500个继电器，6000多 个开关。每秒执行5000 次加法或400次乘法。
2000
1.1.2 计算机的发展
中国计算机的发展史
2009
“天河二号”研制成功， 其峰值运算速度达到 亿亿次/秒。“天河二 号”超级计算机位列世 界TOP500第一名。
国防科技大学研制的 首台千万亿次“天河一 号”超级计算机问世。 “天河一号” 以每秒 2570万亿次的实测运 算速度成为世界运算 速度最快的超级计算 机。
1983
联想集团的前身—— 新技术发展公司成立， 中国出现第一次微机 热。
1987
国家智能计算机研究 开发中心（后成立北 京市曙光计算机公司） 研制成功曙光一号全 对称共享存储多处理 机。
1995
国家并行计算机工程 技术研究中心牵头研 制高性能计算机“神威 一号”，其主要技术指 标和性能达到国际先 进水平。
中国第一台被命名为 “银河”的亿次巨型电 子计算机在国防科技 大学诞生，“银河”的 运算速度超过1亿次/ 秒。
1984
第一台国产的286微 机——长城286正式 推出。
1993
北京市曙光计算机公 司又推出了曙光1000， 其与美国Intel公司 1990年推出的大规模 并行机体系结构与实 现技术相近，这标志 着我国的计算机技术 水平与国外的差距缩 小到5年左右。
图1- 4 以存储器为中心的计算机结构图
1.2.1 计算机的硬件系统
计算机的工作原理是：程序设计人员根据用户的要求编制计算 机程序代码，用户将程序和原始数据通过输入设备输入到计算机， 计算机将程序和数据转换为可识别的二进制代码存入存储器中，运 行程序按照程序既定的指令顺序依次由控制器发出相应的控制命令， 取出存储器中的数据送至运算器中进行运算，运算结束后再由运算 器送回存储器中保存。如果需要显示或打印结果，则由控制器发出 控制命令，从存储器中取出结果，经输出设备将计算机内的二进制 代码转换成人们习惯的十进制数值、文字、图形、图像、音频、视 频等信息输出。
1.1.3 计算机的特征
2.计算机的分类
（2）按照计算机规模分类 巨型机，又称为超级计算机、高性能计算机 大型机 小型机 工作站，介于小型机和个人计算机之间的一种高档微型计算机 个人计算机，也称为微型计算机，简称微机 服务器， “服务器”一词更多意义上是描述计算机在应用中的角色，
而不是计算机的档次。
1.2.1 计算机的硬件系统
2.控制器
控制器是计算机的神经中枢，它指挥各个部件自动、协调地工作。 计算机的自动计算过程就是执行已存入存储器的程序的过程，而执行 程序的过程就是执行一条条指令的过程，即周而复始地按一定的顺序 取指令、分析指令和执行指令的过程。对控制器而言，真正的作用在 于对机器指令执行过程的控制。
图1-1 ENIAC
1.1.2 计算机的发展
按照通常的标准，根据计算机所采用的物理器件不同，把计算机的发展划分为4 个阶段，如表1- 1所示。
表1- 1 计算机发展的四个阶段
部件
年代
物理器件 内存
外存储器
软件
处理速度 （每秒指令数）
应用领域
第一阶段 （1946-1959）
电子管
汞延迟线
第二阶段 （1959-1964）