《大学计算机》包空军，程静，王鹏远|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《大学计算机》

【作　者】包空军，程静，王鹏远

【页 数】 254

【出版社】 北京：中国铁道出版社 , 2019.08

【ISBN号】978-7-113-25986-0

【价 格】48.00

【分 类】电子计算机－高等学校－教材

【参考文献】 包空军，程静，王鹏远. 大学计算机. 北京：中国铁道出版社, 2019.08.

图书封面：

图书目录：

《大学计算机》内容提要：

本书依据教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会编制的《大学计算机基础课程教学基本要求》，同时根据普通高校的实际情况编写。全书内容共分8章，分别是计算机与计算思维、信息技术基础、操作系统基础、算法与程序设计、多媒体技术及应用、数据库技术基础、计算机网络和软件工程。本书重点培养学生利用计算机处理和解决实际问题的理念、方法和综合应用能力，为后续程序设计课程和信息系统的开发奠定坚实基础。

《大学计算机》内容试读

第1章计算机与计算思维

本章从计算机的发展和应用领域开始，分析计算机系统的基本结构和工作原理，简要介绍现代计算机基本构成及其常用部件，然后讲述计算机应用系统的各种计算模式、计算思维概念及其应用，最后讲述计算机应用中的社会问题和道德问题。

知识要点：

。计算机的发展与应用。计算机基本结构和工作原理。现代计算机系统基本构成。计算模式

。计算思维

。计算机道德

1.1计算机

1.1.1计算机的发展和应用领域概述

1.计算机的发展

计算机(Computer)俗称电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，也可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。计算机能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据，是20世纪最重大的发明之一。在计算机家族中包括了机械计算机、电动计算机、电子计算机等。电子计算机又可分为电子模拟计算机和电子数字计算机，通常人们所说的计算机是指电子数字计算机，它是现代科学技术发展的结晶。微电子、光电、通信等技术以及计算数学、控制理论的迅速发展，带动计算机不断更新。自1946年第一台电子数字计算机诞生以来，计算机发展十分迅速，已经从开始的高科技军事应用渗透到人类社会的各个领域，对人类社会的发展产生了极其深刻的影响。

(1)电子计算机的产生

1943年，美国为了解决新武器研制中的弹道计算问题组织科技人员开始了电子数字计算机的研究。1946年2月l4日，电子数字积分计算机(Electronic Numerical Integrator And Calculator,,

ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它是世界上第一台电子数字计算机，如图1-1所示。

大学计算机

这台计算机共使用了18000多只电子管，1500个继电器，耗电150kW,占地面积约为170m2,重30t,每秒能完成5000次加法或400次乘法运算。

图1-1 ENIAC

(2)电子计算机的发展

自1946年以来，计算机经历了几次重大的技术革命，按所采用的电子器件可将计算机的发展划分为如下几代：

①第一代计算机(1946一1959年)。其主要特点是：逻辑元件采用电子管，功耗大，易损坏；主存储器采用汞延迟线或静电存储管，容量很小：外存储器使用磁鼓；输入/输出装置主要采用穿孔卡；采用机器语言编程，即用0和1来表示指令和数据；运算速度每秒仅为数千至数万次。

②第二代计算机(1960一1964年)。其主要特点是：逻辑元件采用晶体管，和电子管相比，晶体管体积小、耗电省、速度快、价格低、寿命长，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘、磁带，存储器容量有较大提高；软件方面产生了监控程序(Monitor),提出了操作系统的概念，编程语言有了很大的发展，先用汇编语言（Assemble Language)代替了机器语言，接着又发展了高

级编程语言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；计算机应用开始进入实时过程控制和数据处理

领域，运算速度达到每秒数百万次。

③第三代计算机(1965一1969年)。其主要特点是：逻辑元件采用集成电路(Integrated Circuit,.

IC),IC的体积更小，耗电更省，寿命更长；主存储器以磁芯为主，开始使用半导体存储器，存

储容量大幅度提高；系统软件与应用软件迅速发展，出现了分时操作系统和会话式语言；在程序设计中采用了结构化、模块化的设计方法，运算速度达到每秒千万次以上。

④第四代计算机(1970年至今)。其主要特点是：采用了超大规模集成电路(Very Large Scale

Integration,VLSI),主存储器采用半导体存储器，容量已达第三代计算机的辅助存储器水平，作为外存的硬盘的容量成百倍增加，并开始使用光盘；输入设备出现了光字符阅读器、触摸输入设备和语音输入设备等，使操作更加简洁灵活，输出设备已逐步转到以激光打印机为主，使得字符和图形输出更加逼真、高效。

未来计算机（Future Generation Computer System,FGCS)指具有人工智能的新一代计算机，运算速度极快，具有推理、联想、判断、决策、学习和人机交互能力等功能，软件系统能够处理知识和信息。现在已经开始对神经网络计算机、生物计算机、分子计算机、量子计算机、光子计算机和纳米计算机等的研究，均取得了可喜的进展。

第1章计算机与计算思维

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算机使用量子比特来存储信息。量子比特存储的信息可能是0、可能是1，或者有可能既是0也是1.1个量子比特可以存储2种状态的信息，也就是0和1；2个量子比特可以存储4种状态的信息；依此类推。量子计算机的性能随着“量子比特”的增加呈指数增长，而传统计算机按“比特位”呈线性增长。总有那么一个临界点，量子计算机的性能会超过传统计算机。目前我国已实现18量子比特纠缠，并且在量子半导体芯片上有了突破性的进展。2013年6月8日，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。

在计算机的发展史上，涌现了许多著名的人物。

查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage,1791一1871)，英国数学家，在近代计算机发展中，查尔斯·巴贝奇起着奠基的作用。他的主要贡献为：①1822年设计了“差分机”；②1834年设计了“分析机”（以上两种机器均用蒸汽机作为动力）；③在他的分析机中已经具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构思。当时他还提出了“条件转移”的思想。这些构思，已成为今天计算机硬件系统组成的基本框架。

霍华德·艾肯(Howard Aiken,.1900一1973)，美国人，1936年他提出用机电方法而不是纯机械方法来实现巴贝奇分析机的想法，1944年他成功地制造了Mak2计算机，使巴贝奇的梦想变成了现实。

冯·诺依曼(John von Neumann,1903一1957)，美籍匈牙利科学家，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。主持研制出第二台电子计算机EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic

Computer,电子离散变量自动计算机)。在EDVAC中，冯·诺依曼采用了二进制数，并创立了“存

储程序”的设计思想，EDVAC也被认为是现代计算机的原型。

艾伦·图灵(Alan Turing,1912一1954)，英国数学家，他为计算机的诞生奠定了理论基础1936年提出了计算机的抽象理论模型，发展了可计算性理论。以他名字命名的图灵奖也是当前计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。

(3)微型计算机的发展

微型计算机指的是个人计算机（Personal Computer,PC),简称微机。其主要特点是采

用微处理器(CPU,又称中央处理器)作为计算机的核心部件，并由大规模超大规模集成电

路构成。

微型计算机的升级换代主要有两个标志，微处理器的更新和系统组成的变革。微处理器从诞生的那一天起发展方向就是：更高的频率，更小的制造工艺，更大的高速缓存。随着微处理器的不断发展，微型计算机的发展大致可分为以下几代：

①第一代（1971一1973年)。第一代微机是4位和低档8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel4004、8008。集成度为2000晶体管/片，时钟频率为1MHz。

②第二代(1974一1977年)。第二代微机是8位微处理器时代。典型微处理器产品有Itel公司的Intel8080、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等。集成度为5000晶体管/片，时钟频率为2MHz。同时指令系统得到完善，形成典型的体系结构，具备中断、DMA等控制功能。

③第三代(1978一1984年)。第三代微机是16位微处理器时代。典型微处理器产品是Intel公司的Intel8086/8088/80286、Motorola公司的MC68000、Zlog公司的Z8000等。集成度为25000

大学计算机

晶体管/片，时钟频率为5MHz。微机的各种能性指标达到或超过中低档小型机的水平。

④第四代（1985一1992年)。第四代微机是32位微处理器时代。集成度已达到100万晶体管/片，时钟频率达到60MHz以上。典型32位CPU产品有Intel公司的Intel80386/80486、Motorola公司的MC68020/68040、IBM公司和Apple公司的Power PC等。

⑤第五代（1993一2005年)。第五代微机是64位奔腾(Pentium)系列微处理器的时代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。它们内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着微处理器的出现，微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。

⑥第六代（2005年至今)。第六代是酷睿（Cor)系列微处理器时代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高能效比。目前微机市场上的主流是酷睿i7系列，并逐步采用第八代智能英特尔酷睿处理器。Itel酷睿i9是英特尔在2017年5月发布的全新处理器，该处理器最多包含18个内核，主要面向游戏玩家和高性能需求者。

2.计算机发展趋势

目前，计算机的发展趋势主要有如下几个方面：

(1)多极化

今天，包括电子词典、掌上电脑、笔记本电脑等在内的微型计算机在生活中已经是处处可见。同时，大型、巨型计算机也得到了快速的发展，特别是在

VLSI技术基础上的多处理机技术使计算机的整体运算速

度和处理能力得到了极大的提高。2017年6月19日公布的全球超级计算机500强榜单中，中国“神威·太湖之光”和“天河二号”第3次携手夺得前两名。“神威·太湖之光”超级计算机以每秒12.5亿亿次的峰值计算能力及每秒9.3亿亿次的持续计算能力，第3次蝉联世界超级计算机排名榜Top500的第1名。图1-2所示为我国自行研制的基于国产多核处理器的“神威·太湖之光”超级计算机。

图1-2“神威·太湖之光”超级计算机

除了向微型化和巨型化发展之外，中小型计算机也有各自的应用领域和发展空间。特别是，在注意运算速度提高的同时，提倡功耗小、对环境污染小的绿色计算机和提倡综合应用的多媒体计算机已经被广泛应用。多极化的计算机家族仍在迅速发展中。

(2)网络化

网络化是通过通信线路将一定地域内不同地点的计算机连接起来形成一个更大的计算机网络系统。计算机网络的出现虽然只有30多年的历史，但已经成为影响人们日常生活的应用热潮，是计算机发展的一个主要趋势。

(3)多媒体化

媒体可以理解为存储和传输信息的载体，文本、声音、图像等都是常见的信息载体。过去的计算机只能处理数值信息和字符信息，即单一的文本媒体。多媒体计算机则集多种媒体信息的处理功能于一身，实现了图、文、声、像等各种信息的收集、存储、传输和编辑处理，被认为是信息处理领域在20世纪90年代出现的又一次革命。

(4)智能化

智能化虽然是未来新一代计算机的重要特征之一，但现在已经能看到它的许多踪影，比如能

第1章计算机与计算思维

自动接收和识别指纹的门控装置、能听从主人语音指示的车辆驾驶系统等。使计算机具有人的某些智能将是计算机发展过程中的下一个重要目标。

3.计算机的应用领域

计算机的诞生和发展对人类社会产生了深刻的影响，它的应用深入到了科学技术、国民经济、社会生活的各个领域，其最基本的应用简单概括为如下几个方面：

(1)科学计算

科学计算，即数值计算，是计算机应用的一个重要领域。计算机的发明和发展首先是为了高速完成科学研究和工程设计中大量复杂的数学计算。

(2)信息处理

信息是各类数据的总称。信息处理一般泛指非数值方面的计算，如各类资料的管理、查询、统计等。

(3)实时过程控制

实时控制在国防建设和工业生产中都有着广泛的应用。例如，由雷达和导弹发射器组成的防空控制系统、地铁指挥控制系统、自动化生产线等，都需要在计算机控制下运行。

(4)计算机辅助工程

计算机辅助工程是近几年来迅速发展的应用领域，它包括计算机辅助设计(Computer Aided

Design,CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture,CAM)、计算机辅助教学(Computer

Assisted Instruction,CAI)等多个方面。

(5)办公自动化

办公自动化（Office Automation,OA)指用计算机帮助办公室人员处理日常工作。例如，用计算机进行文字处理，文档管理，资料、图像、声音处理和网络通信等。

(6)数据通信

“信息高速公路”主要是利用通信卫星群和光导纤维构成的计算机网络，实现信息双向交流，同时利用多媒体技术扩大计算机的应用范围。利用计算机把整个地球连起来，使“地球村”成为现实。总之，以计算机为核心的信息高速公路的实现，将进一步改变人们的生活方式。

随着计算机信息技术的飞速发展，计算机的应用范围已经突破传统领域，呈现出许多新的热

点，如虚拟现实、增强现实、人工智能和3D打印等。

(1)虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality,VR)是计算机仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和三维交互传感设备等方面。国内的虚拟现实引擎已经非常成熟，通用的仿真软件包括VRP、Quest3D、Patchwork.3D、EON Reality等。虚拟现实已被广泛应用于院校教育、旅游教学、工业仿真、应急救援、展览展示、地产营销、家装设计、军事仿真、交互艺术等众多领域。

(2)增强现实技术

增强现实技术（Augmented Reality,AR)是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，包含多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、

场景融合等新技术与新手段。增强现实技术在人工智能、CAD、图形仿真、虚拟通信、遥感、娱

乐游戏、模拟训练等许多领域带来了革命性的变化。

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(3)人工智能

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。除了计算机科学以外，人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。目前，人工智能的研究和应用主要包括机器视觉、指纹识别、人脸识别、视网膜识别、虹膜识别、掌纹识别、专家系统、自动规划、智能搜索、定理证明、博弈、自动程序设计、智能控制、机器人学、语言和图像理解、遗传编程等。

(4)3D打印

3D打印(3DP)是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属

或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机与普通打印机工作原理

基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有

金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。打印机与计算机连接后，通

过计算机控制可以把“打印材料”层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术

在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)人、汽车，航空航天、医疗、教育、地理信息

系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

1.1.2计算机基本结构和工作原理

1.冯·诺依曼计算机基本特征

尽管计算机经历了多次的更新换代，但到目前为止，其整体结构上仍保持着冯·诺依曼计算机的基本特征。

①采用二进制数表示程序和数据。

②能存储程序和数据，并能自动控制程序的执行。

③具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分。

2.冯·诺依曼计算机的五大部件

①运算器（Arithmetic Logic Unit,ALU)的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件。运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）。

②控制器(Controller)是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号。

③存储器(Memory)用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果)。

④输入设备（Input Equipment)用来输人程序和数据

⑤输出设备(Output Equipment)用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。

在计算机中通常将运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,.CPU)。表示

CPU能力的主要技术指标有字长和主频等。字长代表了每次操作能完成的任务量，主频则代表了

在单位时间内能完成操作的次数。一般情况下，CPU的工作速度要远高于其他部件的工作速度，

为了尽可能地发挥CPU的工作潜力，解决运算速度和成本之间的矛盾，将存储器分为主存储器（简

称主存)和辅助存储器（简称辅存）两部分。主存成本高，速度快，容量小，能直接和CPU交换

信息，并安装于机器内部，因此也称其为内存。由于冯·诺依曼计算机的基本特征简单概括起来

就是存储程序和程序控制，所以习惯将CPU和内存核心部件合起来统称主机。辅存成本低，速度

···试读结束···