單元1:計算機和計算機科學課文A:計算機概述1。計算機是壹種電子設備，它可以接收壹組指令或程序，然後通過對數字數據進行操作或處理其他形式的信息來執行該程序。如果沒有計算機的發展，現代高科技世界是不可能的。整個社會使用不同類型和大小的計算機來存儲和處理各種數據，從機密的政府文件、銀行交易到私人家庭賬戶。計算機通過自動化技術開辟了制造業的新時代，也增強了現代通信系統的性能。在幾乎每壹個研究和應用技術領域，從建立宇宙模型到制作明天的天氣預報，計算機都是必要的工具，它們的應用本身開辟了壹個新的思辨領域。數據庫服務和計算機網絡使各種信息來源變得可用。同樣先進的技術也使得侵犯個人隱私和商業秘密成為可能。作為現代技術成本的壹部分，計算機犯罪已經成為眾多風險之壹。2.歷史上第壹臺加法機是由法國科學家、數學家和哲學家布萊士·帕斯卡在1642年設計的。它是數字計算機的先驅。這個裝置使用了壹系列有10個齒的輪子，每個齒代表壹個從0到9的數字。這些輪是相互連接的，因此通過將輪向前轉動正確的齒數，這些數字可以相互相加。20世紀70年代，德國哲學家、數學家戈特弗裏德·威廉·萊布尼茨改進了這臺機器，設計了壹臺也能做乘法的機器。法國發明家約瑟夫-瑪麗·雅卡爾在設計自動織布機時，使用穿孔薄板來控制復雜圖案的編織。在65438+20世紀80年代期間，美國統計學家赫爾曼·何樂禮提出了用像賈卡木板壹樣的穿孔卡片來處理數據的想法。通過使用壹種將穿孔卡片從電觸點移開的系統，他能夠為1890美國人口普查編制統計數據。1，解析機也是在19世紀，英國數學家和發明家查爾斯·巴比奇提出了現代數字計算機的原理。他構想了許多機器，如差分擴展機，用來處理復雜的數學問題。許多歷史學家認為，巴比奇和他的搭檔、數學家奧古斯塔·埃達·拜倫是現代數字計算機的真正先驅。babic的設計之壹，分析器，具有現代計算機的許多特征。它有壹組穿孔卡片形式的輸入流、壹個存儲數據的“倉庫”、壹個進行算術運算的“工廠”和壹臺產生永久記錄的打印機。巴比奇未能將這壹想法付諸實踐，盡管這在當時可能在技術上是可行的。2.早期的計算機模擬計算機是19年底制造的。早期的模型是通過旋轉軸和齒輪來計算的。用其他任何方法都難以計算的方程的近似值，可以用這樣的機器求得。開爾文勛爵做了壹個機械潮汐預報器，實際上是壹個特殊的模擬計算機。在第壹次和第二次世界大戰期間，機械模擬計算系統，以及後來的電子模擬計算系統，被用作潛艇上的魚雷航向預測器和飛機上的轟炸瞄準具控制器。另壹個系統被設計用來預測密西西比河流域的春季洪水。3.電子計算機在第二次世界大戰期間，壹群科學家和數學家以倫敦北部的布萊奇利公園為基地，建造了最早的全電子數字計算機之壹:巨人。到1943 65438+2月，這個包含1500個真空管的“巨人”開始運作。它被艾倫·圖靈領導的壹個小組用來破譯用恩尼格瑪碼加密的德國無線電報，他們的大部分嘗試都成功了。除此之外，在美國，約翰·阿塔納索夫和克利福德·貝裏早在1939年就在愛荷華州立學院建造了壹臺電子樣機。這個樣機和後來的研究工作都是悄悄完成的，後來被1945電子數字積分計算機(ENIAC)的研制相形見絀。ENIAC被授予專利。然而，幾十年後，在1973中，這項專利被廢除了，因為據透露，該機器吸收了首次用於阿塔納索夫-貝裏計算機的原理。圖1A-1: E NIAC是最早的全電子數字計算機之壹。ENIAC(見圖1A-1)包含18000個真空管，具有每分鐘幾百次的倍增速度。然而，它的程序最初是通過電線傳輸到處理器的，必須手動更改。根據匈牙利裔美國數學家約翰·馮·諾依曼的想法，後來制造的機器具有程序存儲器。指令像數據壹樣存儲在“內存”中，使計算機在執行時擺脫了紙帶閱讀機的速度限制，不用給計算機重新布線就能解決問題。20世紀50年代末，晶體管在計算機中的應用標誌著比真空管機器中的邏輯元件體積更小、速度更快、用途更廣的邏輯元件的出現。因為晶體管消耗的能量少得多，壽命也長得多，這壹發展本身就導致了壹種被稱為第二代計算機的改進型機器的出現。部件變得更小，部件之間的間距變得更小，並且系統的制造成本變得更低。4.集成電路在20世紀60年代後期，集成電路(見圖1A-2)被采用，這使得在壹個矽襯底上制造許多晶體管成為可能，晶體管通過鍍在適當位置的導線連接起來。集成電路導致價格、尺寸和故障率的進壹步降低。在20世紀70年代中期，隨著大規模集成電路和後來的超大規模集成電路(微芯片)的采用，成千上萬個互連的晶體管被蝕刻在矽襯底上，因此微處理器成為現實。圖1 A-2:集成電路好了，我們再回頭看看現代計算機處理開關量的能力:70年代的計算機壹般壹次可以處理8個開關量。換句話說，它們每個周期可以處理8個二進制數字或數據位。壹組8位稱為壹個字節；每個字節包含256種可能的開和關模式(或0和1)。每個模式相當於壹條指令、壹條指令的壹部分或壹種特定的數據類型，例如壹個數字、壹個字符或壹個圖形符號。例如，模式11010010可能是二進制數據——在這種情況下，它表示十進制數210，或者它可能是壹條指令，告訴計算機將存儲在其交換設備中的數據與存儲在存儲芯片某個位置的數據進行比較。能夠同時處理16、32和64位數據的處理器的發展提高了計算機的速度。計算機能夠處理的所有可識別的模式——操作的壹般列表——被稱為它的指令集。隨著現代數字計算機的不斷發展，這兩個因素——可以同時處理的位數和指令集的大小——不斷增長。第三，不管硬件的大小，現代數字計算機在概念上是相似的。然而，根據成本和性能，它們可以分為幾類:個人計算機或微型計算機，壹種低成本的機器，通常只有臺式機的大小(盡管“筆記本電腦”小到可以放在公文包中，“掌上電腦”可以放在口袋中)；工作站，壹臺具有增強的圖形和通信能力的微型計算機，這使它對辦公室工作特別有用；小型計算機壹般個人用太貴，性能適合工商企業、學校或實驗室；而大型機這種又大又貴的機器，有能力滿足大型工商企業、政府部門、科研機構之類的需求(其中最大最快的叫超級計算機)。數字計算機不是單壹的機器。確切的說，是由五個不同元素組成的系統:(1)CPU；(2)輸入設備；(三)倉儲設備；(4)輸出設備；以及(5)稱為總線的通信網絡，它連接系統的所有元素，並將系統與外界連接起來。4.編程是壹系列指令，告訴計算機硬件如何處理數據。程序可以嵌入硬件本身，也可以以軟件的形式獨立存在。在壹些專門的或“專用的”計算機中，操作指令嵌入在它們的電路中；常見的例子有計算器、手表、汽車發動機和微波爐裏的微型計算機。另壹方面，雖然通用計算機包含壹些內置程序(在只讀存儲器中)或指令(在處理器芯片中)，但它們依賴外部程序來執行有用的任務。壹旦計算機被編程，它只能在任何給定的時刻做控制它的軟件允許它做的事情。廣泛使用的軟件包括壹系列不同的應用程序——告訴計算機如何執行各種任務的指令。五、未來發展計算機發展的壹個持續趨勢是小型化，即努力將越來越多的電路元件壓縮到越來越小的芯片空間中。研究人員還試圖利用超導性來提高電路的運行速度。超導是在超低溫下，在某些材料中觀察到的電阻減小的現象。計算機發展的另壹個趨勢是發展“第五代”計算機，即開發壹種能夠解決復雜問題，其解決方案可以用“創造性”來形容的計算機，而理想的目標是真正的人工智能。正在積極探索的壹條道路是並行處理計算，即使用許多芯片同時執行幾項不同的任務。壹種重要的並行處理方法是模擬神經系統結構的神經網絡。另壹個持續的趨勢是計算機網絡的增加。計算機網絡現在使用由衛星和電纜鏈路組成的全球數據通信系統來連接世界各地的計算機。此外，許多研究工作都致力於探索“光學”計算機的可能性——這種硬件處理的是速度快得多的光脈沖，而不是電脈沖。第二單元:計算機體系結構課文A:計算機硬件1。簡介計算機硬件是計算機運行所需的設備，由可以物理操作的部件組成。這些組件的功能通常分為三大類:輸入、輸出和存儲。這些類型的組件連接到微處理器，尤其是計算機的中央處理器。中央處理器是壹個電子電路，它提供計算能力，並通過稱為總線的線路或電路控制計算機。另壹方面，軟件是計算機用來處理數據的壹組指令，如文字處理程序或電子遊戲。這些程序通常由計算機硬件存儲在中央處理器中，並在中央處理器中來回傳輸。軟件還控制硬件的使用方式:例如，如何從存儲設備中檢索信息。輸入和輸出硬件之間的交互由基本輸入/輸出系統(BIOS)軟件控制。雖然微處理器在技術上仍被視為硬件，但它的壹些功能也與計算機軟件有關。由於微處理器兼有硬件和軟件的特點，所以通常被稱為固件。二、輸入硬件輸入硬件由向計算機提供信息和指令的外部設備組成，即計算機中央處理器以外的部件。光筆是壹種帶有光敏筆尖的輸入筆，用於直接在計算機顯示屏上書寫，或通過按下光筆上的夾子或用光筆觸摸屏幕來選擇屏幕上的信息。這種筆包含壹個光傳感器來識別筆通過的屏幕部分。鼠標是壹種為單手抓握而設計的指點設備。它的底部有壹個檢測設備(通常是壹個球)，用戶可以通過在平面上移動鼠標來控制指針或光標在屏幕上的移動。當設備滑過平面時，光標在屏幕上移動。要選擇屏幕上的壹個項目或命令，用戶單擊鼠標上的壹個按鈕。操縱桿是壹種指點設備，由壹根桿組成，它可以向多個方向移動，以操縱計算機屏幕上的光標或其他圖形對象。鍵盤是壹種類似打字機的裝置，使用戶能夠在計算機中鍵入文本和命令。壹些鍵盤具有特殊的功能鍵或集成的指點設備，例如軌跡球或觸摸敏感區域，允許用戶通過手指移動來移動屏幕上的光標。光學掃描儀使用光傳感設備將圖片或文本形式的圖像轉換為計算機可以處理的電子信號。例如，可以將壹張照片掃描到計算機中，然後包含在該計算機創建的文本文件中。兩種最常見的掃描儀是平板掃描儀和手持式掃描儀。前者類似於辦公室復印機，後者手動掃描待處理圖像。麥克風是壹種將聲音轉換成可由計算機存儲、處理和回放的信號的設備。語音識別模塊是壹種將語音轉換為計算機可以識別和處理的信息的設備。Modem代表調制解調器，它是壹種將計算機與電話線連接起來的設備，允許信息發送到另壹臺計算機或從另壹臺計算機接收信息。每臺發送或接收信息的計算機都必須連接到調制解調器。計算機發送的信息通過調制解調器轉換為音頻信號，然後通過電話線傳輸到接收調制解調器，調制解調器將信號轉換為接收計算機可以理解的信息。第三，輸出硬件輸出硬件由把信息從計算機中央處理器傳送到計算機用戶的外部設備組成。視頻顯示器或屏幕將計算機生成的信息轉換成視覺信息。顯示器壹般有兩種形式:陰極射線管顯示屏和液晶顯示屏。基於陰極射線管的屏幕或監視器看起來像電視機。從中央處理器輸出的信息通過電子束顯示。過程是電子束掃描熒光屏，熒光屏發光，產生圖像。與基於CRT的視頻監視器相比，基於LCD的屏幕在更平更小的屏幕上顯示視覺信息。液晶顯示器常用於筆記本電腦。打印機將計算機輸出的文本和圖像打印在紙上。點陣打印機使用細小的金屬線擊打色帶，從而形成字符。激光打印機使用光束在磁鼓上繪制圖像，然後被稱為墨粉的微小黑色顆粒被磁鼓吸走。墨粉被熔化到紙上形成圖像。噴墨打印機將小墨滴噴射到紙上以形成字符和圖像。4.存儲硬件存儲硬件永久存儲信息和程序，供計算機檢索。兩個主要的存儲設備是磁盤驅動器和內存。有幾種類型的磁盤驅動器:硬盤，軟盤，磁光盤和光盤。硬盤驅動器將信息存儲在嵌入磁盤的磁性顆粒中。硬盤驅動器通常是電腦的固定部分，可以存儲大量信息，檢索速度非常快。軟盤驅動器也用磁性粒子存儲信息，但這些粒子是嵌入在可移動磁盤中的，磁盤可能是軟的，也可能是硬的。軟盤存儲的信息比硬盤少，檢索這些信息的速度也慢得多。磁光盤驅動器將信息存儲在對激光和磁場都敏感的可移動磁盤上。它們通常可以存儲與硬盤壹樣多的信息，但檢索速度稍慢。在由反射材料制成的光盤的表面上燒蝕出凹面區域。光盤驅動器(CD-ROM)在這裏存儲信息。存儲在CD-ROM存儲器中的信息不能被新信息擦除或覆蓋。它們可以存儲與硬盤驅動器壹樣多的信息，但信息檢索速度較慢。存儲器指的是存儲信息以便中央處理器快速檢索的計算機芯片。隨機存取存儲器(RAM)用於存儲操作計算機程序的信息和指令。通常，程序從磁盤驅動器的存儲區轉移到隨機存取存儲器。隨機存取存儲器也叫易失性存儲器，因為當計算機的電源關閉時，計算機芯片中的信息就會丟失。只讀存儲器(ROM)包含計算機操作必須永久可用的關鍵信息和軟件，例如命令計算機從啟動到關機運行的操作系統。只讀存儲器被稱為非易失性存儲器，因為當電腦斷電時，存儲芯片中的信息不會丟失。有些設備有不止壹個用途。例如，如果軟盤包含計算機用戶要使用和處理的信息，它也可以用作輸入設備。此外，如果用戶希望在其上存儲計算結果，它們也可以用作輸出設備。5.硬件連接為了運行，硬件需要進行物理連接，以便組件可以通信和交互。總線提供了壹個通用的互連系統。它由壹組電線或電路組成，在計算機內部組件之間協調和移動信息。計算機總線由兩個通道組成:壹個由中央處理器用來定位數據，稱為地址總線；另壹個用於將數據發送到該地址，稱為數據總線。總線可以用兩個特征來描述:壹次可以處理的信息量(稱為總線寬度)和傳輸這些數據的速度。串行連接是壹根或壹組導線，用於將信息從中央處理器傳輸到外部設備，如鼠標、鍵盤、調制解調器、掃描儀和某些類型的打印機。這種連接壹次只能傳輸壹條數據，所以速度很慢。使用串行連接的好處是可以提供長距離的有效連接。並行連接使用多組導線同時傳輸幾個信息塊。大多數掃描儀和打印機都使用這種連接。並行連接比串行連接快得多，但它僅限於中央處理器與外部設備之間的距離小於3米(10英尺)。第三單元:計算機語言和程序設計文本A:程序設計語言1。引言在計算機科學中，編程語言是壹種用來編寫壹系列可以由計算機運行的指令(計算機程序)的人工語言。與英語等自然語言類似，編程語言也有詞匯、語法和句法。但是，自然語言不適合計算機編程，因為它們會造成歧義，即它們的詞匯和語法結構可能有多種解釋。用於計算機編程的語言必須具有簡單的邏輯結構，並且它們的語法、拼寫和標點規則必須準確。編程語言在復雜性和通用性方面有很大差異。壹些編程語言被編寫來處理特定類型的計算問題或者被用於特定類型的計算機系統中。比如FORTRAN、COBOL等編程語言就是為了解決壹些常見類型的編程問題而編寫的——FORTRAN是為了科學應用，而COBOL是為了商業應用。雖然這些語言是為處理特定類型的計算機問題而設計的，但它們具有高度的可移植性，也就是說，它們可以用來為許多類型的計算機編程。其他語言，如機器語言，是為特定類型的計算機系統編寫的，甚至是特定的計算機，用於某些研究領域。最常用的編程語言具有高度的可移植性，可以用來有效地解決不同類型的計算問題。C、PASCAL、BASIC等語言都屬於這壹類。二、語言類型編程語言可分為低級語言和高級語言。低級編程語言或機器語言是最基本的壹類編程語言，可以被計算機直接理解。機器語言因計算機制造商和型號而異。高級語言是壹種編程語言，必須先翻譯成機器語言，計算機才能理解和處理。C、C++、PASCAL和FORTRAN都是高級語言的例子。匯編語言是壹種中間語言，非常接近機器語言。沒有其他高級語言復雜，但還是要翻譯成機器語言。1，機器語言在機器語言中，指令被寫成計算機可以直接理解的1和0(稱為位)的序列。壹條機器語言指令壹般會告訴計算機四件事:(1)在計算機的主存(RAM)中到哪裏去找壹兩個數字或者壹段簡單的數據；(2)要進行的簡單運算，如兩個數相加；(3)在主存儲器的什麽地方存儲這個簡單操作的結果；(4)在哪裏找到下壹條要執行的指令。雖然所有的可執行程序最終都是以機器語言的形式被計算機讀取，但並不都是用機器語言編寫的。直接用機器語言編程是極其困難的，因為指令是0和1的序列。典型的機器語言指令可以寫成10010100101011，這意味著將存儲寄存器A的內容與存儲寄存器b的內容相加。高級語言高級語言是壹系列相對復雜的語句，使用人類語言中的詞匯和語法。高級語言比匯編語言或機器語言更類似於正常的人類語言，因此用高級語言編寫復雜的程序更容易。這些編程語言可以更快地開發更大更復雜的程序。然而，高級語言必須由另壹個叫做編譯器的程序翻譯成機器語言，計算機才能理解它們。正因如此，與用匯編語言編寫的程序相比，用高級語言編寫的程序可能運行時間長，占用內存多。3.匯編語言計算機程序員使用匯編語言使機器語言程序更容易編寫。在匯編語言中，每條語句大致對應壹條機器語言指令。匯編語言中的語句是通過易於記憶的命令來編寫的。在典型的匯編語言語句中，將存儲寄存器A的內容添加到存儲寄存器B的內容的命令可以寫成Add B，A..匯編語言和機器語言有壹些共同的特征。例如，在匯編語言和機器語言中操作特定的位是可行的。當最小化程序的運行時間很重要時，程序員使用匯編語言，因為從匯編語言到機器語言的翻譯相對簡單。當計算機的某個部分必須被直接控制時，也使用匯編語言，例如監視器上的單個點或打印機上的單個字符的流程。第三，高級語言的分類