Essentials of Computer Applications Chapter 1 Basic Knowledge

1. Essentials of Computer ApplicationsChapter 1 Basic Knowledge 中国科学技术大学网络学院 李艺E-Mail: leeyi@ustc.edu.cn

2. 目 录 第一章 计算机基础知识 第二章 Windows 操作系统 第三章 Word文字处理 第四章 Excel 电子表格 第五章 PowerPoint电子演示文稿 第六章 计算机网络基础 第七章 Internet的应用 第八章 信息安全与网络道德 第九章 计算机多媒体技术

3. 参考文献 • 《计算机应用基础》，全国高校网络教育考试委员会办公室 组编，清华大学出版社 • "New Perspectives on Conputer Concepts" 4th Edition, June Jamrich Parsons, Dan Oja • "Computing Essentials" Timothy J.O'leary, Linda I. O'leary

4. §1 计算机基础知识 • 计算机被人们称之为“智力工具”，因为它可以完成需要脑力劳动的任务。计算机擅长诸如快速计算、大量数据的排序和检索等工作。人类自己也可以做这些事情，但相比之下计算机干起来要快得多，准确得多。使用计算机是对我们智力的一大补充，并且可以使工作更有成效。 • 如果想充分利用计算机这个工具，关键在于懂得计算机能够干什么，它是怎样工作的，以及如何使用它。

5. 图灵图灵机理想计算机理论1939年 申农《继电器和开关电路的符号分析》1938年 乔治 布尔创立逻辑代数1847年 宾州大学ENIAC1946年 二战后冯 诺伊曼五大部件理论 EDVAC 冯 诺伊曼设计 速度比ENIAC高10倍 1952年 §1.1 计算机的基本概念 §1.1.1 计算机的发展过程

6. 1946年2月，人类历史上第一台数字电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数值积分计算机)诞生于美国宾夕法尼亚大学，它标志着人类社会进入划时代的新纪元，计算机时代的开始。 • 重达30吨 • 启动电力150千瓦 • 有18800多个电子管 • 保存80个字节 • 每秒执行5000次加法 • 占地170平方米

7. ENIAC----世界上第一台计算机的样貌图片

8. ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。 当ENIAC公开展出时,一条炮弹的轨道用20秒就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。

9. 在ENIAC诞生以后的这半个世纪里，计算机的发展速度非常迅速，早期计算机大约每隔8~10年速度提高10倍，成本、体积缩小10倍，今年来，大约每隔3年，计算机性能提高近4倍，成本下降50%。 在ENIAC诞生以后的这半个世纪里，计算机的发展速度非常迅速，早期计算机大约每隔8~10年速度提高10倍，成本、体积缩小10倍，今年来，大约每隔3年，计算机性能提高近4倍，成本下降50%。 第一台计算机诞生于美国，但计算机的理论模型早在1936年就由英国数学家图灵提出来了。 计算机孕育于英国，诞生于美国，成长于全世界。

10. 对计算机产生巨大贡献的两位科学家 • 现代计算机理论的奠基人图灵、美国数学家冯.诺伊曼，为计算机发展奠定了基础。 • 冯·诺依曼(Von Neumann)与计算机结构理论 • ① 1946年发表“电子计算机装置逻辑结构初探”论文 • ② 采用电子元件的计算机应使用二进制 • ③ 存储程序、程序控制、五大功能模块（输入、存储、运算、控制、输出） • 阿兰.图灵发表自己另外一篇及其重要的论文《机器能思考吗》，从而为人工智能奠定了基础基础

11. 计算机发展经历的四个阶段 • 第一代：电子管计算机 • 时间：1946-1958年 • 标志：基本电子元件是电子管 • 内存：水银延迟线 • 外存：磁鼓、纸带、卡片、磁带 • 速度：每秒几千到几万次基本运算 • 软件：二进制的机器语言/汇编语言 • 特点：体积大/耗电多/速度低/造价高/使用不便 • 代表机型：ENIAC/EDVAC( Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 电子离散变量自动计算机等

12. 第一代（约1946-1957）电子管计算机 体积庞大的电子管

13. 第二代：晶体管计算机 • 时间：1959-1964年 • 标志：基本电子元件是晶体管 • 内存：磁芯存储器(几十万字) • 外存：磁盘、磁带等 • 速度：每秒几十万次基本运算 • 软件：ALGOL60/FORTRAN/COBOL等 • 特点(与第一代相比）：体积小/耗电少/成本低/功能强 • 代表机型：UNIVACII/贝尔TRADIC/IBM7090/7094/7044等

14. 第二代（约1957-1964）晶体管计算机 第一支晶体管

15. 1959年，第一台晶体管计算机问世，由此，计算机进入了第二代。(下图，IBM的早期通用计算机)1964年，IBM第一代360系列计算机问世，这是第一代通用计算机，为研制这种计算机，IBM投资50亿美元，比二战期间美国政府投入到原子弹研究的钱(20亿美元)还要多；由此，计算机进入了第三代。

16. 大约40年前， Jack Kilby 在德州仪器半导体实验室内向几位同事所展示的是一个较为简单的设备,在一个锗片上只有一个晶体管以及其它一些部件。当时在场观看的人并不知道，正是Kilby的这个7/16 x 1/16英寸被称为集成电路的发明，给电子产业带来了一场革命。

17. 第三代：集成电路计算机 • 时间：1965-1970年 • 标志：基本电子元件是中小规模集成电路 • 内存：磁芯/半导体存储器 • 外存：磁盘、磁带等 • 速度：每秒几十万次到几百万次基本运算 • 软件：出现了高级语言BASIC等 • 特点：体积缩小/价格降低/功能增强/应用广泛 • 代表机型：IBM360系列/HONEYWELL6000系列/富士通F230系列

18. 第三代（约1965-1972）中小规模集成电路计算机 第一个集成电路

19. 第四代：大规模集成电路 • 时间：1971-至今 • 标志：基本电子元件是大规模超大规模集成电路 • 内存：半导体存储器 • 外存：磁盘、磁带等 • 速度：每秒几百万次甚至上亿次的基本运算 • 软件：操作系统不断完善，应用软件已成一个产业 • 特点：体积小/耗电少/成本低/功能强/使用方便 • 代表机型：IBM4300系列/3080系列/3090系列/最新的IBM9000系列/INTEL微处理器系列

20. 第四代（约1971-现在）大规模集成电路计算机 大规模集成电路

21. 第五代：新型计算机 • 从1982年开始，英、美、日等国家正投入大量人力和物力进行研制新一代计算机。 • 特点：把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机。

22. 电子计算机发展阶段划分及各阶段特征表

23. 软件的发展阶段

24. 微型计算机的发展 • 1971年INTER公司把运算器和控制器集成在一个芯片上，世界上第一个4位微处理器--- Inter 4004问世。 • 1972年INTEL公司推出8位微处理器 Intel 8008 • 1973年INTEL公司推出8位微处理器 Intel 8080 • 1978年INTEL公司推出16位微处理器 Intel 8086 • 1979年推出16位微处理器 Intel 8088 • 1981年IBM公司用Intel 8086，首次推出IBM PC机 • 1983年又推出IBM PC/XT机，使微机迅速发展。 • 1982年INTEL公司推出全16位Intel 80286微处理器 • 1984年推出PC/AT机 • 微机的发展史就是CPU的发展史

25. 计算机发展趋势： • 巨型化：性能好，功能强，容量大，速度快 • 微型化：体积小，功能全，价格低，可靠性高 • 网络化：共享计算机软件、硬件资源 • 智能化：模仿人的感觉、行为、思维的机理 • 多媒体化：

26. 我国计算机技术的发展概况 • 1958年第一台电子管计算机103机。 • 1959年104机。 • 1964年晶体管计算机。 • 1971年以集成电路为主的DJS系列。 • 1983年银河亿次巨型机成功。 • 1992年十亿次巨型机。银河-II • 1997年百亿次巨型机。银河-III • 1995年并行机系统—曙光2000 • 1998年曙光2000--I。200亿次 • 1999年曙光2000—II超级服务器,1117亿次,内存50G。 • 1999年神威并行机,3084亿次浮点运算。位居全球500高性能机第48位 银河-II巨型计算机 神威-I 巨型计算机

27. §1.1.2 计算机的分类 1. 按处理数据的形态分类 • 数字计算机：以离散数字量作为运算对象。运算速度快，精度高，具有存储和逻辑判断能力； • 模拟计算机：以连续变化的模拟数字量（如电压、长度、角度值）为运算对象。现已很少使用。 • 混合计算机：以上两种的饿综合。 不特别说明，我们谈的计算机是指数字计算机。 2. 按设计目的分类 • 通用计算机：用于解决各类问题，可进行科学和工程计算、数据处理和工业控制 • 专用计算机：为某种特定目的而专门设计的计算机，如数控机床、轧钢控制、银行存款用的计算机，其针对性强、效率高、结构简单 3. 按用途划分 • 科学计算机：专门用于科学和工程计算 • 工业控制计算机：主要用于工业生产过程的控制和检测 • 数据计算机：主要用于数据处理

28. 4. 按其性能分类，这是我们常用的分类方法。可分为五类： • 超级计算机(Supercomputer)又称巨型机：规模大、可达万亿次/秒的运算速度。主要用于大型科学和工程计算、天气预报、地质勘探和环境检测。 • 大型计算机（Mainframe) • 小型计算机(Minicomputer)：主要用于一般科学计算、事务处理。 • 微型计算机（Microcomputer)：体积较小的计算机。 • 工作站（Workstation)：用于专门用途的计算机。如图形工作站。

29. §1.1.3 计算机的主要特点 • 具有自动控制能力：可根据需要事先编写好程序，计算机就可自动、连续地工作 • 具有高速运算的能力：现代计算机的运算速度可达每秒万亿次，即使是个人计算机，计算速度也可达到每秒千万次至每秒几亿次。 • 具有记忆能力：拥有容量很大的存储装置，能保存并处理大量的文字、图象、声音、视频等数据。 • 具有很高的计算精度：采用二进制数值计算，可以增加表示数字的设备和运用计算技巧来增加计算的精度 • 具有逻辑判断能力：可逻辑运算、并根据运算结果进行相应的处理。 • 通用性强：可在国民经济生产的各行各业使用。只要装入不同的软件、连接不同的设备，就能够满足不同的需要。

30. §1.1.4 信息的基本概念 • 信息：是人们有客观事物得到的，使人们能够认知客观事物的各种消息、情报、数字、信号、图形、图象、语音等所包含的内容。 • 数据：是客观事物属性的表示，可以是数值数据和各种非数值数据。对计算机而言，数据是指能够为其树立的经过数字化的信息。 • 两者的关系：信息是经过转化，能够被计算机处理的数据，同时也是经过计算机处理后，作为问题解答而输出的数据。 由于未经过处理的数据只是基本素材，仅当对其进行适当的加工处理产生出满足特定需求的信息，才有意义。可见，信息实际上是指经过处理后的数据。

31. 信息的基本特征 • 普遍性和无限性 • 寄载性 • 时效性 • 可处理性 • 共享性 • 层次性 • 传递性

32. 普遍性和无限性：由于信息反映的内容主要是事物的状态和特征，而这两者都是普遍存在的，这就决定了信息的普遍性。人类认识、接收和利用信息是无止境的，这又决定了信息的无限性。普遍性和无限性：由于信息反映的内容主要是事物的状态和特征，而这两者都是普遍存在的，这就决定了信息的普遍性。人类认识、接收和利用信息是无止境的，这又决定了信息的无限性。 • 寄载性：有两个层次的涵义，一是信息必须借助于某种特定的“符号”来表示，如文字、图形和图像等；二是信息符号必须寄载于一定的物理介质上，如纸张、磁盘等。信息的这一特征要求我们设计和选择恰当的信息载体，并对其进行科学的编码，才能做到信息的传递、保存、加工与利用。 • 时效性：客观事物（或系统）都是在不断发展变化的，信息只有及时、新颖才有价值，才能发挥巨大的作用。换句话说，一条信息在某一时刻可能有很高的价值，但过了这一时刻它的价值可能大大降低，甚至没有价值。

33. 可处理性：指信息的内容是可以被识别的，信息的形式是可以转换或变换的。信息可以被各种方法多环节地加工和处理，而经过某些处理（如分析、综合和提炼）后的信息可以比原始信息更具有价值。可处理性：指信息的内容是可以被识别的，信息的形式是可以转换或变换的。信息可以被各种方法多环节地加工和处理，而经过某些处理（如分析、综合和提炼）后的信息可以比原始信息更具有价值。 • 共享性：信息可无限扩散，信息本身不会因为知道的人数增加而减少。但却可能会因信息被分享，而使信息的所有者蒙受损失。例如，企业的技术专利、军事动态等就有这种共享性。为了避免信息共享给信息的所有者造成损失，信息共享往往是有范围（区域上、时间上）和有条件的。 • 层次性：信息的层次性，表现在三个方面：一是一般信息与重要信息；二是上层信息与下层信息；三是表层信息与深层信息。不同层次的信息，其作用是不同的。收集不同层次信息目的是能够准确、深入地把握信息所反映的事物的真实内涵。只有合理地确定层次，才能正确地确定信息需求的范围和信息的价值，并有效地进行信息处理。

34. 传递性：信息在时间和空间上都具有传递性。从时间的延续性讲，信息可以借助于各种载体而被代代相传，信息在时间上的传递叫做信息的存储；从空间转移的角度讲，信息也可以从一个位置传递到另一个位置，信息在空间上的传递叫做通信。传递性：信息在时间和空间上都具有传递性。从时间的延续性讲，信息可以借助于各种载体而被代代相传，信息在时间上的传递叫做信息的存储；从空间转移的角度讲，信息也可以从一个位置传递到另一个位置，信息在空间上的传递叫做通信。 除了以上特征外，信息还有许多其他特征，如主观性、抽象性、整体性、滞后性和不完全性等。

35. §1.2 计算机系统的组成§1.2.1 计算机系统的组成 运算器 中央处理器CPU 控制器 主机 主存储器 输入设备 硬件 输出设备 计 算 机 系 统 外部设备 外存储器 系统软件 软件 应用软件

36. §1.2.2 计算机硬件系统的组成 冯·诺依曼对计算机的设计思想：冯·诺依曼设计思想可概括为以下几点： • 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成 • 存储程序控制：要求计算机完成的功能，必须事先编制好相应的程序，并输入到存储器中，计算机的工作过程是运算程序的过程 • 程序由指令构成，程序和数据都用二进制来表示 • 计算机能自动逐条取出指令和执行任务 • 机器以CPU为中心 • 指令由操作码和地址码构成

37. 程序或数据 结果 输入设备 存储器 输出设备 运算器 控制器 数据传送线 控制信号线 • 计算机硬件原理框图 按“存储程序”思想组成的计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，其原理框图是： 冯.诺依曼结构计算机

38. 计算机硬件系统构成 • 运算器（Arithmetic Unit）：完成对数据的算术、逻辑运算和判断 • 控制器（Control Unit）：控制各部件的工作，使计算机自动地执行程序 • 存储器（Memory）：用来存储程序和数据的部件 • 输入设备（Input Device）：输入设备将各种信息转换成计算机可以接收的信号 • 输出设备（Output Device）：输出设备将运行结果或过程转换成人们所要求的形式

39. 计算机的性能指标 一台微型计算机性能优良与否是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。不同用途的计算机对不同部件的性能指标要求有所不同。 例如： • 用作科学计算为主的计算机，对主机的运算速度要求很高； • 用作大型数据库处理为主的计算机，对主机的内存容量、存取速度和外存储器的读写速度要求较高； • 用作网络传输的计算机，则要求有很高的I/O速度。 对大多数普通用户来说，可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。

40. 运算速度 指计算机每秒钟执行的指令数，它是一项综合性的性能指标。单位为每秒百万条指令(简称MIPS)或者每秒百万条浮点指令(简称MFPOPS）。它们都是用基准程序来测试的。影响运算速度的有如下几个主要因素： • CPU的主频：即CPU内核工作的时钟频率。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。但是，主频并不直接代表运算速度，因为CPU的运算速度还要看CPU流水线的各方面性能指标（缓存、指令系统、CPU的位数等等）。因此，尽管主频和实际的运算速度存在一定的关系，但在一定情况下，也会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能

41. 字长：是计算机进行数据处理时一次存取、加工和传送的数据长度。在计算机其它指标固定的情况下，字长越长，计算机一次所能处理信息的实际位数就越多，最终表现为计算机的运算速度越快。常用的字长有8位、16位、32位和64位。字长：是计算机进行数据处理时一次存取、加工和传送的数据长度。在计算机其它指标固定的情况下，字长越长，计算机一次所能处理信息的实际位数就越多，最终表现为计算机的运算速度越快。常用的字长有8位、16位、32位和64位。 • 指令系统的合理性：每种CPU都设计了一套指令，一般均有数十条到上百条，例如：加、浮点加、逻辑与、跳转等等，组成了指令系统。指令系统功能的强弱直接影响系统的性能，比如具有多媒体扩展指令集（MMX）的CPU在处理处理复杂的图形与影像时，效果特别明显

42. 内存储器的指标 • 存取速度：内存储器完成一次读(取)或写(存)操作所需的时间称为存储器的存取时间，或者访问时间，而连续启动两次独立的“读”或“写”操作（如连续的两次“读”操作）所需的最短时间，称为存取周期。对于半导体存储器来说，存取周期约为几十到几百ns（10-9秒）。内存储器的存取速度将直接影响指令和数据的读写速度，从而影响计算机的整体性能。 • 存储容量。存储器中能存储信息的空间容量简称为存储容量，以字节（Byte）为单位。内存容量越大，一次读入的程序、数据就越多。由于内存的运行速度很快，所以可以大大提高计算机的运行速度。内存容量的加大，对于运行大型软件十分必要。

43. 计算机中信息存储容量的计量单位 • 比特(bit)： 是二进制数的最小单位，用”b”表示； • 字节(byte)：8比特为一个字节，用”B”表示； • 字(word)：由若干字节组成。通常我们把计算机一次所能处理的数据的最大比特数称为该机器的“字长”。字长越长，一次所能处理的信息越多，计算精度越高。 用字节作为计算机存储容量太小，在不同的场合，我们还用千字节(KB)，兆字节(MB)、吉字节(GB)和特字节(TB)等单位来计量存储容量。它们之间的换算单位如下： B： 1B = 8 b（比特） KB： 1KB = 1024 B = 210 B MB： 1MB = 1024 KB = 210 KB GB： 1GB = 1024 MB = 210 MB TB： 1TB = 1024 GB = 210 GB

44. I/O的速度：指CPU与外设交换数据的速度。随着CPU主频速度的提升，存储器容量的扩大，系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。I/O速度的提高对于慢速设备（例如键盘、打印机）关系不大，但对于高速设备如硬盘、显卡等则效果十分明显。I/O的速度：指CPU与外设交换数据的速度。随着CPU主频速度的提升，存储器容量的扩大，系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。I/O速度的提高对于慢速设备（例如键盘、打印机）关系不大，但对于高速设备如硬盘、显卡等则效果十分明显。 计算机的性能是一个综合指标，各个部件性能搭配不协调容易造成性能的瓶颈问题，从而导致高性能设备无法发挥其最优性能。

45. 操作码 操作数 指令 内存 CPU 控制信号 CPU译码 有关部件动作 §1.2.3 指令、程序、软件的概念及软件的分类 • 指令：让计算机完成某个操作发出的命令。 • 程序：为解决某一问题而设计的一系列有序的指令或语句的集合。 • 指令的执行 • 取指周期： • 执行周期： • 程序的执行：CPU不断地取指令，执行指令。 • 裸机：没有安装任何软件的计算机。

46. 操作系统 诊断程序 语言处理程序 系统软件 反病毒程序 实用程序 卸载程序 备份程序 软 件 分 类 文件压缩程序 办公软件包 数据库管理系统 浏览器 应用软件 实时控制软件 图形图像处理软件 其它应用软件 • 计算机软件： 软件 = 程序 + 数据+文档

47. 系统软件：操作系统（Operating System ，OS） • 直接运行在裸机上的 最基本的系统软件，任何其他的软件都必须在操作系统支持下才能运行 • 对计算机系统的各类资源进行统一控制、管理、调度和监督，合理地组织计算机工作流程 • 为其他软件开发提供必要的服务和相应的接口 如 ： MS-DOS、 WINDOWS 系列 、UNIX 、 OS/2

48. 机器语言 汇编语言 程 序 设 计 语 言 面向过程：BASIC、Pascal、C等 高级语言 面向对象：C++ 、Java等 面向问题的语言 • 程序设计语言的种类

49. 源程序 目标程序 可执行程序 编辑程序 汇编或编译程序 联接程序 • 语言处理程序 • 源程序：用源语言（汇编或高级语言）写的有待翻译的程序 • 目标程序：也称为结果程序，是源程序通过翻译程序加工以后所生成的程序 • 翻译程序：是指一个把源程序翻译（编译、解释）成等价的目标程序的程序

50. 三种语言处理程序 • 汇编程序：把用汇编语言写的程序，翻译加工生成目标程序。 • 编译程序：把用高级程序设计语言写的程序，经翻译加工生成目标程序。 • 解释程序：也是一种翻译程序，它不产生目标程序。边翻译边执行，即输入一句翻译一句执行一句。