第一章
计算机应用基础知识
1.1计算机的发展、应用与组成 1.1.1计算机的发展与应用 1.计算机的发展历程
第一台数字电子计算机ENIAC于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生，人们习惯于以计算机主机所使用的元器件为着眼点，把计算机的发展划分成为四代。表1.1是第一代至第四代计算机主要特点的对比。 表1.1 第一代至第四代计算机的对比 代别 年代 使用的主要元器件 使用的软件类型 主要应用领域 20世纪40年代GPU:电子管内存： 使用机器语言和第一代 科学和工程计算 中期—50年代末期 磁鼓 汇编语言编写程序 20世纪50年代中、GPU:晶体管内存： 使用FORTRAN等 开始广泛应用第二代 后期—60年代中期 磁芯 高级程序设计语言 于数据处理领域 在科学计算、GPU:SSI、MSI内存： 20世纪60年代操作系统、数据库管数据处理、工业控第三代 SSI、MAI的半导体中期—70年代初期 理系统等开始使用 制等领域得到广存储器 泛应用 软件开发工具和平GPU:LSI、VLSI内 深入到各行各 20世纪70年代台、分布式计算、网第四代 存：LSI、VISI的业，家庭和个人开中期以来 络软件等开始广泛使半导体存储器 始使用计算机 用 2.计算机的发展趋势 1. 计算机性能不断提高 2. 计算机体积不断缩小 3. 计算机价格持续下降
4. 计算机信息处理功能走向多媒化
5. 计算机与通信相结合，计算机应用进入“网络计算时代” 1.1.2 计算机的分类与PC的组成
1.计算机的分类
计算机的分类有多种方法。从技术角度可以按其逻辑结构进行分类，如单处理机与多处理机（并行机）、16位机、32位机或64位计算机等。从应用角度可以按其性能和价格进行分类，把计算机分成下面的5大类。
①巨型计算机（supercomputer），也称为超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，由数以百计、千计甚至万计的CPU共同完成系统软件和应用软件的运行任务，有极强的运算处理能力，速度达到每秒数万亿次以上。
②大型计算机（mainframe），指运算速度快、存储容量大、通信连网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，通常含有4、8、16、32甚至更多个CPU。
③小型计算机（minicomputer），是一种供部门使用的计算机，以IBM公司AS/400为代表。近些年来，小型机逐步被高性能的服务器（部门级服务器）所取代。 ④个人计算机（Personal Computer,PC），也称为个人电脑或微型计算机，它们是20世纪80年代初由于单片微处理器的出现而开发成功的。个人计算机的特点是价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。 有一种特殊的个人计算机，称为工程工作站或简称工作站（workstation），它们具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。
⑤嵌入式计算机（embedded computer），是安装在其他设备中的计算机，例如安装在智能仪表、电子玩具、计算机外部设备、家用电器、汽车、手机、数码相机、MP3播放器等产品中，它们执行着特定的任务。 2.PC的组成
无论系统多么复杂，任何计算机系统都是由硬件和软件组成的。 计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。 计算机软件则是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档，其中程序是指计算机硬件完成特定功能的指令序列，数据则为程序处理的对象。
PC的硬件主要包括中央处理器（central processing unit,CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过总线互相连接。 （1）中央处理器（CPU）
迄今为止，我们所使用的计算机都是基于“存储程序”的原理进行工作的，计算机中能够按照各种指令的要求完成对数据运算处理的部件称为处理器。 处理器主要由运算器和控制器两部分组成。运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算，它也称为执行单元。控制器是指挥中心，它能解释指令的含义，控制运算器及其他部件的工作。
PC中通常包含多个不同的微处理器，它们各有不同的分工和任务，其中承担系统和应用软件运行任务的处理器称为CPU，它是任何一台计算机必不可少的核心部件。
（2）内存储器和外存储器
计算机中的存储器分为两大类：内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）。内存是存取速度快而容量相较小（因容量太大，成本将十分昂贵）的一类存储器，外存则是存取速度慢而容量相对很大的一类存储器。 内存直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存储在内存中。CPU工作时，所执行的指令及操作数都是从内存中取出的，处理的结果也存放在内存中。 外存储器也称为辅助存储器，其存储容量很大，存放着计算机系统中几乎所有的信息。计算机执行程序和处理数据时，外存中的信息需要先调入内存后才能被CPU使用。 （3）输入设备
输入（input）是把信息送入计算机的过程，作为名词使用时，指的是向计算机输入的内容。输入可以由人、外部环境或其他计算机来完成。用来向计算机输入信息的设备通称为输入设备。输入设备有多种，例如鼠标器、键盘、扫描仪、麦克风等。
不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位（0和1）来表示。
（4）输出设备
输出（output）表示把信息送出计算机，作为名词使用时，指的是计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式。 （5）总线
总线（bus）是连接计算机中CPU、内存、外存、各种输入/输出控制部件的一组信号线及其相关的控制电路，它是计算机中用于在各部件间运载信息的公共设拖。
3. 计算机的分类
计算机的分类有多种方法。从技术角度可以按其逻辑结构进行分类，如单处理机与多处理机（并行机）、16位机、32位机或64位计算机等。从应用角度可以按其性能和价格进行分类，把计算机分成下面的5大类。
①巨型计算机（supercomputer），也称为超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，由数以百计、千计甚至万计的CPU共同完成系统软件和应用软件的运行任务，有极强的运算处理能力，速度达到每秒数万亿次以上。
②大型计算机（mainframe），指运算速度快、存储容量大、通信连网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，通常含有4、8、16、32甚至更多个CPU。 ③小型计算机（minicomputer），是一种供部门使用的计算机，以IBM公司AS/400为代表。近些年来，小型机逐步被高性能的服务器（部门级服务器）所取代。 ④个人计算机（Personal Computer,PC），也称为个人电脑或微型计算机，它们是20世纪80年代初由于单片微处理器的出现而开发成功的。个人计算机的特点是价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。有一种特殊的个人计算机，称为工程工作站或简称工作站（workstation），它们具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。
⑤嵌入式计算机（embedded computer），是安装在其他设备中的计算机，例如安装在智能仪表、电子玩具、计算机外部设备、家用电器、汽车、手机、数码相机、MP3播放器等产品中，它们执行着特定的任务。 2. PC的组成
无论系统多么复杂，任何计算机系统都是由硬件和软件组成的。计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。计算机软件则是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档，其中程序是指计算机硬件完成特定功能的指令序列，数据则为程序处理的对象。 PC的硬件主要包括中央处理器（central processing unit,CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过总线互相连接。
（1）中央处理器（CPU）
迄今为止，我们所使用的计算机都是基于“存储程序”的原理进行工作的，计算机中能够按照各种指令的要求完成对数据运算处理的部件称为处理器。 处理器主要由运算器和控制器两部分组成。运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算，它也称为执行单元。控制器是指挥中心，它能解释指令的含义，控制运算器及其他部件的工作。
PC中通常包含多个不同的微处理器，它们各有不同的分工和任务，其中承担系统和应用软件运行任务的处理器称为CPU，它是任何一台计算机必不可少的核心部件。
（2）内存储器和外存储器
计算机中的存储器分为两大类：内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）。内存是存取速度快而容量相较小（因容量太大，成本将十分昂贵）的一类存储器，外存则是存取速度慢而容量相对很大的一类存储器。 内存直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存储在内存中。CPU工作时，所执行的指令及操作数都是从内存中取出的，处理的结果也存放在内存中。 外存储器也称为辅助存储器，其存储容量很大，存放着计算机系统中几乎所有的信息。计算机执行程序和处理数据时，外存中的信息需要先调入内存后才能被CPU使用。 （3）输入设备
输入（input）是把信息送入计算机的过程，作为名词使用时，指的是向计算机输入的内容。输入可以由人、外部环境或其他计算机来完成。用来向计算机输入信息的设备通称为输入设备。输入设备有多种，例如鼠标器、键盘、扫描仪、麦克风等。
不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位（0和1）来表示。
（4）输出设备
输出（output）表示把信息送出计算机，作为名词使用时，指的是计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式。 （5）总线
总线（bus）是连接计算机中CPU、内存、外存、各种输入/输出控制部件的一组信号线及其相关的控制电路，它是计算机中用于在各部件间运载信息的公共设拖。
3. PC的性能参数 （1） CPU的性能
计算机的性能在很大程度上依赖于CPU。CPU的性能主要体现为它的运算速度。测量CPU运算速度的传统方法是看它每秒钟能执行多少条指令。由于不同类型的指令所需要的执行时间不同，因而运算速度的计算比较复杂，也有许多不同的方法。例如，可以以单字长定点指令的平均执行时间来计算，单位是MIPS（million instructions per second），也可以以单字长浮点指令的平均执行速度来衡量，单位是MFLOPS（million floating instructions per second）。
CPU的运算速度与它的工作频率、cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构等都有关系。CPU的工作频率也称为CPU的主频，它决定着CPU内部数据传输和指令执行的每一步的快慢。 （2） 内存容量与速度
计算机中内存的容量是越大越好，速度是越快越好。
内存的速度用存取周期来衡量。存储器执行一次完整的读（写）操作所需要的时间称为存取周期，通常情况下也就是从存储器中连续存（写）或取（读）两个字所用的最小时间间隔。 （3） 硬盘存储器性能
磁盘存储器的主要技术指标是磁盘的存储容量和平均访问时间。 （4） 总线的传输速率
总线的传输速度直接影响到计算机内部各个部件相互间传输数据的速度，它与总
线中的数据线宽度、总线工作频率、每次数据传输需要的总线周期数目等有关，以MBps或GBps为单位。 （5） 系统的可靠性
系统的可靠性常常用平均无故障时间（mean rime between failures,MTBF）、平均故障修复时间（mean time to repair,MTTR）来表示，它们的单位是“小时”。若MTBF值很高，且MTTR值很低，则称该计算机具有高的可用性（availability）。 1.1.3 PC软件
1.软件的功能与分类
目前绝大多数计算机都是按照冯?诺依曼“存储程序”的思想设计的。软件大致划分为系统软件和应用软件两大类。 2.系统软件
系统软件中最重要的是操作系统、语言处理程序、实用程序与工具软件等。 （1）操作系统
操作系统（operationg system,OS）是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。它已成为计算机系统必不可少的基本组成部分。操作系统负责对计算机系统的各类资源（包括硬件与软件资源）进行统一控制、管理、调度和监督，合理地组织计算机的工作流程（故被称为操作系统），其目的是提高各类资源的利用率，方便用户使用，并为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口。 （2）程序设计语言及其处理程序
计算机硬件可以直接执行的指令是由0和1所组成的一串二进位代码，这是硬件唯一能直接理解的语言，称为机器语言。所谓汇编语言，是一种与计算机的机器语言相当接近的符号语言，其本质是采用有助于人们记忆的文字符号来表示机器语言，再加上一些用来控制程序执行和便于定义数据的命令。汇编语言通常依赖于特定计算机的指令集，受到了计算机指令的限制，它与机器语言一样，还是一种低级语言。所谓高级程序设计语言，是指比较接近于人们日常所使用的书面语言（英语）的用来编制程序的一类语言。比如已流行多年的FORTRAN、COBOL、BASIC、Pascal、C等程序设计语言都是高级语言。任何一个语言处理系统通常包含一个翻译程序，它把一种语言的程序翻译成等价的另一种语言的程序。被翻译的语言和程序分别称为源语言和源程序，而翻译生成的语言和程序分别称为目标语言和目标程序。按照不同的翻译处理方法，可以将翻译程序分为以下3类： ①从汇编语言到机器语言的翻译程序称为汇编程序。 ②按源程序中语句的执行顺序，逐条翻译并立即执行其功能的处理程序称为解释程序。
③先将高级语言源程序翻译成目标语言程序，然后与需调用的库函数连接成为可执行程序，此类翻译程序称为编译程序。
除了翻译程序外，语言处理系统通常还包括编辑程序（用于编写源程序）、连接程序（将多个分别编译或汇编过的目标程序和库文件进行组合）和装入程序（将目标程序装入内存并启动执行）等。 （3）实用程序
实用程序（utilities program）指用户完成一些日常任务所使用的工具程序，它多半应用于软件和硬件的日常维护、管理和安全控制等方面。 1.2 二进制与数值信息的表示