计算机基础（Windows 10+Office 2016）教程 —— 第1章 计算机与信息技术基础（上）

1.1 计算机的发展

1.1.1 早期的计算工具

按时间的先后顺序来讲，早期的计算工具有小石头、算筹、算盘、计算尺。

• 小石头是最早的计算工具。
• 到了春秋战国时期，人们开始用小木棍代替小石头，便形成了算筹。算筹被分为横式和竖式两种，横式的算筹代表1，竖式的算筹代表5。
• 由于算筹中的小木棍易丢、易散，所以到了唐宋时期，人们用珠子串在竹签上将其固定起来，便出现了算盘。算盘是在算筹的基础上发展起来的，算盘在当时是世界上领先的计算工具。
• 大约在1620~1630年间，为了解决复杂的计算问题，人们发明了计算尺，计算尺分为直算尺和圆算尺两种。
• 直算尺是英国的甘特于1620~1626年间发明，圆算尺是英国的奥特瑞德于1630年发明。
• 计算尺采用的是对数原理，对数的概念是苏格兰数学家纳皮尔于1614年提出的。

1.1.2 机械计算机和电机计算机的发展

机械计算机的发展历程中有5位代表人物，达芬奇、什卡尔、帕斯卡、莱布尼兹、巴贝奇。

• 达芬奇曾经设计了加法器，但最终未能实现。
• 德国人什卡尔1623年发明了计算器，但遗憾的是，快研制成功的时候毁于大火。
• 帕斯卡1642年发明了加法器，是世界上第一个研制成功的加法器。
• 莱布尼兹在1674年发明了能直接进行乘法运算的乘法器。
• 1822年，在政府的支持下巴贝奇开始研制差分机，后来人们称巴贝奇为现代计算机之父。

机电计算机的发展主要代表人物有楚泽和艾肯。

• 楚泽：1938年，楚泽设计出一台纯机械结构的计算机Z-1，采用了二进制；1939年，设计了Z-2计算机，用继电器改进Z-1；1941年，研制出Z-3计算机；1944年，研制出Z-4计算机。
• 艾肯：1937年发现了巴贝奇的差分机；1944年艾肯研制出马克一号计算机；1947年研制出马克二号计算机，仍然采用的是继电器；1949年研制出马克三号计算机，部分采用电子元件；1952年研制出马克四号计算机，是全电子元件的计算机。

1.1.3 电子计算机的发展——探索奠基期

电子计算机就是以电子管、晶体管、集成电路等电子元件为主要部件的计算机。探索奠基期主要的事件包括以下内容。

技术基础的建立：
1883年，美国发明家爱迪生发现了热电子效应。 1904年，英国电气工程师弗莱明发明了真空二极管。
1906年，美国发明家德弗雷斯发明了真空三极管。 1906年后，具有各种性能的多极真空管、复合真空管相继被发明。
理论基础的建立：
1847年，英国数学家布尔发表了《逻辑的数学分析》，建立了“布尔代数”，并创造一套符号系统。
1936年，英国数学家图灵发表的《论数字计算在决断难题中的应用》论文中提出了被称为“图灵机”的抽象计算机模型，为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

ABC计算机：
1940年，阿塔纳索夫和贝利研制成功了有300个电子管，能做加法和减法运算的计算机ABC，这是有史以来第一台以电子管为元件的有记忆功能的数字计算机。
Colossus计算机：
1936年，图灵研制出译码计算机，当时破解了部分德国军事通讯密码。1943年，弗劳尔斯设计出更先进的译码计算机“巨人”（Colossus），用了1500个电子管。
EDVAC计算机：
1943年，美国军方出资研制EDVAC计算机，由莫奇利和埃克特负责研制，1945年研制成功，1946年2月举行了典礼。

1.1.4 电子计算机的发展——蓬勃发展期

电子计算机的蓬勃发展时期经历了30年左右的时间，共发展了4代计算机。

1.1.5 计算机的发展展望

1. 计算机的发展趋势
巨型化、微型化、网络化、智能化
2. 研制中的新型计算机
新型计算机主要体现在新的原理、新的元器件。目前，研制中的新型计算机有3种。

DNA生物计算机：
以DNA作为基本的运算单元，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。具有体积小、存贮量大、运算快、耗能低、并行性的优点。
光计算机：
以光作为载体来进行信息处理的计算机。有3个优点：光器件的带宽非常大，传输和处理的信息量极大；信息传输中畸变和失真小，信息运算速度高；光传输和转换时，能量消耗极低。
量子计算机：
遵循物理学的量子规律来进行多数计算和逻辑计算，并进行信息处理的计算机。具有运算速度快、存储量大、功耗低的优点。

1.2 计算机的基本概念

1.2.1 计算机的定义和特点

1．计算机的定义
广义地讲：计算机是能够辅助或自动计算的工具。早期的计算工具属于辅助计算的工具，机械计算机、机电计算机和电子计算机属于自动计算的工具。
狭义地讲：计算机是指现代电子数学计算机，即基本部件由电子器件构成、内部能存储二进制信息，处理过程由内部存储的程序自动控制的计算工具。

2．计算机的特点
具有网络与通信功能、自动化程度高、强大的存储能力、强大的存储能力、计算精度高、运算速度快

1.2.2 计算机的性能指标和分类

1．计算机的性能指标
CPU性能、存储容量、外部设备的配置、软件的配置

2．计算机的分类
巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机

巨型机：
巨型机也称超级计算机或高性能计算机，是速度最快、处理能力最强的计算机，是为少数部门的特殊需要而设计的。
大型机：
大型机也称大型主机，其特点是运算速度快、存储量大、通用性强，主要针对计算量大、信息流通量多、通信能力高的用户，如银行、政府部门和大型企业等。
中型机：
中型机的性能低于大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业和公司。
小型机：
小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于微型机服务器和大型机之间的一种高性能64位计算机。小型机的特点是结构简单、可靠性高、维护费用低，常用于中小型企业。
微型机：
微型计算机简称微机，它是应用最普及的机型，占了计算机总数中的绝大部分，而且价格便宜、功能齐全，被广泛应用于机关、学校、企事业单位和家庭中。

1.2.3 计算机的应用领域和工作模式

1．计算机的应用领域
科学计算、数据处理和信息管理、过程控制、人工智能、计算机辅助、网络通信、多媒体技术

2．计算机的工作模式
计算机的工作模式也称为计算模式，指计算应用系统中数据和应用程序的分布方式。

单机模式：
以单台计算机构成的应用模式，在计算机网络没有出现前，计算机的工作模式都是单机模式。
网络模式：
多台计算机连成计算机网络，多台计算机互相分工合作，完成应用系统的功能。网络模式有客户机/服务器模式和浏览器/服务器模式两种类型。

1.2.4 计算机的结构与原理

1．计算机的结构
计算机的结构就是计算机各功能部件之间的相互连接关系。计算机的结构是不断发展与完善的，经历了3个发展阶段。

• 以运算器为核心的结构
• 以存储器为核心的结构
• 以总线为核心的结构

2．计算机的工作原理
计算机的工作原理是“存储程序”原理，是冯·诺依曼在EDVAC方案中提出的。

• 将编写好的程序和原始的数据存储在计算机的存储器中，即“存储程序”；
• 计算机按照存储的程序逐条取出指令加以分析，并执行指令所规定的操作，即“程序控制”。