甘肃广播电视大学文本第六章计算机科学与现代信息技术_科学与技术.doc_大学文库

第六章计算机科学与现代信息技术甘肃广播电视大学电子计算机是20世纪世界最重大的发明之一。自20世纪60年代开始，随着微电子技术、电子计算机科学的发展，使得信息的获取、传递、加工处理、存储等方面发生了革命性的变化，逐步形成了现代信息技术。计算机科学与现代信息技术密切相关，如今，先进的通信和计算机网络系统，使得信息流动更为快速、便捷，因此成为了现代信息技术的主要特征。本章可分为两大脉络计算机科学、现代信息技术。归纳为七个大问题。一、计算机的设计及其研制计算机科学包括两大部分，一是计算机的设计及其研制：二是计算机的理论及其规律。 1.电子计算机的发展简史世界上第一台电子计算机诞生于1946年。通常根据计算机使用的主要电子器件，将电子计算机的发展分成四个时代。第一代电子计算机是使用电子管作为计算机的基本器件。第二代电子计算机是使用晶体管作为计算机的基本器件。第三代电子计算机的主要特点是使用中、小规模集成电路作为计算机的基本器件。第四代电子计算机的一个重要的标志是微处理器(microprocessor)的出现。1971年1月，美国科学家研制出了世界上第一个微处理器一一Inte14004。 2.电子计算机的组成般而言，电子计算机由硬件和软件组成。硬件是组成计算机的一切事物设备：软件是为计算机编制的各种类型的程序和文件资料。电子计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备等五大部分组成，其基本结构和信息通路如图6一1。 1)运算器 2)控制器控制器是全机的指挥中心，由它向机内的各个部件发出各种命令，使全机构成一个有机的整体。通常将运算器和控制器合起来称为“中央处理器”，简称CPU。 3)存储器 1

1 第六章计算机科学与现代信息技术甘肃广播电视大学电子计算机是 20 世纪世界最重大的发明之一。自 20 世纪 60 年代开始，随着微电子技术、电子计算机科学的发展，使得信息的获取、传递、加工处理、存储等方面发生了革命性的变化，逐步形成了现代信息技术。计算机科学与现代信息技术密切相关，如今，先进的通信和计算机网络系统，使得信息流动更为快速、便捷，因此成为了现代信息技术的主要特征。本章可分为两大脉络计算机科学、现代信息技术。归纳为七个大问题。一、计算机的设计及其研制计算机科学包括两大部分，一是计算机的设计及其研制；二是计算机的理论及其规律。 1．电子计算机的发展简史世界上第一台电子计算机诞生于 1946 年。通常根据计算机使用的主要电子器件，将电子计算机的发展分成四个时代。第一代电子计算机是使用电子管作为计算机的基本器件。第二代电子计算机是使用晶体管作为计算机的基本器件。第三代电子计算机的主要特点是使用中、小规模集成电路作为计算机的基本器件。第四代电子计算机的一个重要的标志是微处理器（microprocessor）的出现。1971 年 1 月，美国科学家研制出了世界上第一个微处理器——Intel 4004。 2．电子计算机的组成一般而言，电子计算机由硬件和软件组成。硬件是组成计算机的一切事物设备；软件是为计算机编制的各种类型的程序和文件资料。电子计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备等五大部分组成，其基本结构和信息通路如图 6－1。 1〕运算器 2〕控制器控制器是全机的指挥中心，由它向机内的各个部件发出各种命令，使全机构成一个有机的整体。通常将运算器和控制器合起来称为“中央处理器”，简称 CPU。 3〕存储器

4)输入设备 5)输出设备 3.电子计算机软件计算机只有硬件，还不能完成信息处理的各种任务，必须要有为计算机执行各种任务而编制的程序，这些程序的总和统称为计算机软件。软件是计算机的“灵魂”，当使用者根据工作需要确定了硬件的总体配置以后，这台计算机所能发挥的作用很大程度上就取决于软件了。计算机软件分系统软件和应用软件两大类。 1)系统软件系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件。微机的系统软件主要由操作系统、各种语言处理系统和系统服务软件组成。 2)应用软件应用软件是为了某个具体任务而编制的程序，专门性很强。使用者可以根据需要，自己编制，也可以向软件供应商选购。计算机发展到今天这样普及和具有强大的功能，是计算机软件产业飞速发展的结果。目前微机已经深入到人类活动的各个领域，成为人们生活中不可缺少的工具。这主要是因为各种计算机应用软件为人们处理各种实际问题带来了极大的方便和乐趣。计算机硬件和软件组成了计算机系统的整体，如图6-2所示。二、计算机语言和计算机病毒 1.计算机语言所有软件都是使用某种计算机语言编写的、可完成各种功能的程序。计算机语言是模仿人类语言建立起来的概念。它是人与计算机之间传递信息的媒介。计算机语言，通俗地讲就是一套计算机能识别的指令系统。计算机语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分。 2.计算机病毒计算机病毒是仿造生物病毒建立起的概念。它是指可以制造故障的一段计算机程序或一组计算机指令。生物病毒的传播可能使生物体受到严重损害，甚至导致生物死亡。计算机病毒一旦侵入计算机程序或计算机操作系统，同样会依照指令不断地进行自我复制，象生物病毒一样，进行“繁殖”和扩散传播。目前，对付计算机病毒的主要方法有两种：一种是利用工具软件杀毒：另一种是利用微机防病毒卡防毒。三、计算机科学在我国曾经有人担心汉字会成为我国应用计算机、实现信息化的障碍。的确，早期汉字信息处

2 4〕输入设备 5〕输出设备 3．电子计算机软件计算机只有硬件，还不能完成信息处理的各种任务，必须要有为计算机执行各种任务而编制的程序，这些程序的总和统称为计算机软件。软件是计算机的“灵魂”，当使用者根据工作需要确定了硬件的总体配置以后，这台计算机所能发挥的作用很大程度上就取决于软件了。计算机软件分系统软件和应用软件两大类。 1〕系统软件系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件。微机的系统软件主要由操作系统、各种语言处理系统和系统服务软件组成。 2〕应用软件应用软件是为了某个具体任务而编制的程序，专门性很强。使用者可以根据需要，自己编制，也可以向软件供应商选购。计算机发展到今天这样普及和具有强大的功能，是计算机软件产业飞速发展的结果。目前微机已经深入到人类活动的各个领域，成为人们生活中不可缺少的工具。这主要是因为各种计算机应用软件为人们处理各种实际问题带来了极大的方便和乐趣。计算机硬件和软件组成了计算机系统的整体，如图 6-2 所示。二、计算机语言和计算机病毒 1．计算机语言所有软件都是使用某种计算机语言编写的、可完成各种功能的程序。计算机语言是模仿人类语言建立起来的概念。它是人与计算机之间传递信息的媒介。计算机语言，通俗地讲就是一套计算机能识别的指令系统。计算机语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分。 2．计算机病毒计算机病毒是仿造生物病毒建立起的概念。它是指可以制造故障的一段计算机程序或一组计算机指令。生物病毒的传播可能使生物体受到严重损害，甚至导致生物死亡。计算机病毒一旦侵入计算机程序或计算机操作系统，同样会依照指令不断地进行自我复制，象生物病毒一样，进行“繁殖”和扩散传播。目前，对付计算机病毒的主要方法有两种：一种是利用工具软件杀毒；另一种是利用微机防病毒卡防毒。三、计算机科学在我国曾经有人担心汉字会成为我国应用计算机、实现信息化的障碍。的确，早期汉字信息处

理（或称中文信息处理）是有不少难题，但在我国科技工作者的努力下，它不仅没有成为计算机应用的障碍，反而变成了我国计算机产业发展的推动力。 2003年7月，由中国人开发，并具有全部自主知识产权的全球第一个在CPU芯片中具有汉字产生器的单晶片系统一一“飞龙CPU”在香港面世。该芯片的问世，打破了电脑资讯由微软英文系统独霸天下的局面。今后，不论何种文字，皆可通过这一芯片，设计在CPU核心中，直接与CPU指令沟通，操作系统各种文字皆可适用，至此世界多元文化有了生机。四、微电子技术微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用其实现电子系统功能的技术。它是现代信息技术的基础，也是电子计算机的核心技术之一。在微电子技术中，最主要的是集成电路技术。 1.半导体固体是由大量原子或分子凝聚成的具有一定形状的体系。按导电性能划分，固体可分为导体、半导体和绝缘体。半导体中自由电子数目较小，这就有可能通过外部电作用来控制其中的电子运动，这对半导体材料的应用非常有意义。半导体分为p型半导体和型半导体两种。重要的半导体材料一一硅，为大家所熟知，目前估计世界上95%以上的半导体器件是用硅制成的。另外一种有潜力的半导体材料是砷化镓。 2.晶体二极管和三极管若将p型半导体与型半导体背靠背连在一起，从而形成一个十分特殊的区域，称为 pn结。一个pn结就是一个晶体二极管。晶体二极管具有单向导电性。晶体三极管由两个 p一n结背靠背连接而成。它的作用是将微弱信号的电压、电流和功率放大。 3.集成电路所谓半导体集成电路，就是利用半导体工艺技术把晶体管二极管、三极管以及电阻、电容等元件及其连线，按一定的电子电路要求在一块半导体单晶片（芯片）上集成的具有一定功能的电路。微电子技术诞生的标志是1947年发明的晶体管，但微电子产业的快速发展是在1958年出现第一块集成电路之后。 1952年5月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的设想，1958年，德克萨斯仪器公司的工程师们终于将这一设想变为了现实，经过40余年的发展，集成电路己经从最初的小规模集成电路发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，集成的元件数也从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。集成电路正朝着集成度更高、速度更快、体积更小、耗电

3 理（或称中文信息处理）是有不少难题，但在我国科技工作者的努力下，它不仅没有成为计算机应用的障碍，反而变成了我国计算机产业发展的推动力。 2003 年 7 月，由中国人开发，并具有全部自主知识产权的全球第一个在 CPU 芯片中具有汉字产生器的单晶片系统——“飞龙 CPU”在香港面世。该芯片的问世，打破了电脑资讯由微软英文系统独霸天下的局面。今后，不论何种文字，皆可通过这一芯片，设计在 CPU 核心中，直接与 CPU 指令沟通，操作系统各种文字皆可适用，至此世界多元文化有了生机。四、微电子技术微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用其实现电子系统功能的技术。它是现代信息技术的基础，也是电子计算机的核心技术之一。在微电子技术中，最主要的是集成电路技术。 1．半导体固体是由大量原子或分子凝聚成的具有一定形状的体系。按导电性能划分，固体可分为导体、半导体和绝缘体。半导体中自由电子数目较小，这就有可能通过外部电作用来控制其中的电子运动，这对半导体材料的应用非常有意义。半导体分为 p 型半导体和 n 型半导体两种。重要的半导体材料——硅，为大家所熟知，目前估计世界上 95%以上的半导体器件是用硅制成的。另外一种有潜力的半导体材料是砷化镓。 2．晶体二极管和三极管若将 p 型半导体与 n 型半导体背靠背连在一起，从而形成一个十分特殊的区域，称为 p-n 结。一个 p-n 结就是一个晶体二极管。晶体二极管具有单向导电性。晶体三极管由两个 p-n 结背靠背连接而成。它的作用是将微弱信号的电压、电流和功率放大。 3．集成电路所谓半导体集成电路，就是利用半导体工艺技术把晶体管二极管、三极管以及电阻、电容等元件及其连线，按一定的电子电路要求在一块半导体单晶片（芯片）上集成的具有一定功能的电路。微电子技术诞生的标志是 1947 年发明的晶体管，但微电子产业的快速发展是在 1958 年出现第一块集成电路之后。 1952 年 5 月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的设想，1958 年，德克萨斯仪器公司的工程师们终于将这一设想变为了现实，经过 40 余年的发展，集成电路已经从最初的小规模集成电路发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，集成的元件数也从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。集成电路正朝着集成度更高、速度更快、体积更小、耗电

量更少的方向发展。五、传感和遥感技术信息自古以来就有，长期以来，人类靠自身的感觉器官直接获取信息，然而这是非常有限的。为了克服人体器官的局限性和自然条件的限制，人们发明了传感和遥感技术。各种传感技术和遥感、遥测技术的迅速发展，使信息获取的手段产生了一次革命，极大地增强了人们获取信息的能力。 1.传感器应用传感器的目的，是要将各种被检测量转换成便于测量和处理的量。在检测和自动控制系统中，传感器的使用非常普遍，其作用相当于人的各种感觉器官的延伸。根据传感器感知外界信息的原理不同，可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。其中物理传感器中的压力传感器和超声波传感器是应用最广泛的。 2.遥感遥感是一种远离目标，通过非直接接触而对目标物进行测量和识别的信息技术。它主要是通过安装在地面或飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的各种遥感器，收集和记录遥感目标及其所处环境的辐射或反射的电磁波信息，得到数据和图像，再经过计算机数据处理或人工图像判读，进行信息提取，以迅速获得或识别遥感目标及其环境的特征、状态及其变化的诸多信息特征。遥感技术的特点是观测范围广、感知能力强、获取信息的速度快。遥感技术使人类对宇宙和自然界的认识有了新的飞跃，而且大大推动了人类改造自然、开发保护资源的科研和实用技术的发展。六、现代通信技术通信的含义就是各种信息的传递。自20世纪50年代以后，在微电子技术和计算机科学的推动下，通信技术开创了新的纪元。目前，在传统的通信手段比如信件、固定电话和电报的基础上，形成了以微电子技术、计算机科学技术、激光技术、光纤技术和通信卫星技术为支柱的现代通信技术。人类的通信事业有一个理想的奋斗目标，那就是任何一个人不管在何时何地都可与另外的任何人以各种方式进行任何种类的信息交流。为实现这一目标所开发的技术都称为通信技术。通信技术包括信息传输技术和信息处理技术等。传递信息所采用的一切技术设备总称为通信系统，一般通信系统模型如图6-3所示。信源：发出信息的源头。 4

4 量更少的方向发展。五、传感和遥感技术信息自古以来就有，长期以来，人类靠自身的感觉器官直接获取信息，然而这是非常有限的。为了克服人体器官的局限性和自然条件的限制，人们发明了传感和遥感技术。各种传感技术和遥感、遥测技术的迅速发展，使信息获取的手段产生了一次革命，极大地增强了人们获取信息的能力。 1．传感器应用传感器的目的，是要将各种被检测量转换成便于测量和处理的量。在检测和自动控制系统中，传感器的使用非常普遍，其作用相当于人的各种感觉器官的延伸。根据传感器感知外界信息的原理不同，可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等。其中物理传感器中的压力传感器和超声波传感器是应用最广泛的。 2．遥感遥感是一种远离目标，通过非直接接触而对目标物进行测量和识别的信息技术。它主要是通过安装在地面或飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的各种遥感器，收集和记录遥感目标及其所处环境的辐射或反射的电磁波信息，得到数据和图像，再经过计算机数据处理或人工图像判读，进行信息提取，以迅速获得或识别遥感目标及其环境的特征、状态及其变化的诸多信息特征。遥感技术的特点是观测范围广、感知能力强、获取信息的速度快。遥感技术使人类对宇宙和自然界的认识有了新的飞跃，而且大大推动了人类改造自然、开发保护资源的科研和实用技术的发展。六、现代通信技术通信的含义就是各种信息的传递。自 20 世纪 50 年代以后，在微电子技术和计算机科学的推动下，通信技术开创了新的纪元。目前，在传统的通信手段比如信件、固定电话和电报的基础上，形成了以微电子技术、计算机科学技术、激光技术、光纤技术和通信卫星技术为支柱的现代通信技术。人类的通信事业有一个理想的奋斗目标，那就是任何一个人不管在何时何地都可与另外的任何人以各种方式进行任何种类的信息交流。为实现这一目标所开发的技术都称为通信技术。通信技术包括信息传输技术和信息处理技术等。传递信息所采用的一切技术设备总称为通信系统，一般通信系统模型如图 6-3 所示。信源：发出信息的源头

信息处理与编码：为了便于信息的传输必须对信源发出的信息进行处理与编码。发送设备：发送信源发出并经过处理的信息。传输媒介：传输媒介一般分为有线和无线两种。接收设备、解码与处理：进行与发送互逆的处理。信宿：信息的最终“落脚点”。具有信源和信宿功能的设备就是通常所说的终端设备，终端设备包括电话机、传真机、电报机、数据终端和图像终端等。通信的分类方式有许多种。如果按信源发出的信号属性，可分为模拟通信，数据通信，数字通信。如果按信源的运动状态分，可分为移动通信和固定通信。现代通信技术的进步，主要表现在数字程控交换技术、光纤通信、卫星通信、智能终端等方面，而覆盖全球的个人通信则是通信技术的发展方向。七、计算机网络通信和计算机网络技术是现代信息技术的主干，先进的通信和网络系统，使得信息流动更为快速、便捷，因此成为了现代信息技术的主要特征。 1.计算机网络的概念关于计算机网络的定义，有不同的说法，只从应用目的看，计算机网络是以共享资源 (计算机硬件、软件和数据)为目的而连接起来的若干台独立计算机系统的集合。一个更为全面的定义是，计算机网络是以共享资源为主要目的，将两台以上独立计算机系统通过某种通信介质并在通信协议的控制下实现互连的系统。计算机网络的开发，其首要目的是资源共享。为了达到这一目的，必须在计算机系统之间实行可靠、无差错、安全的数据通信。在20世纪中，计算机技术和通信技术都取得了长足的进步，而且它们之间相互渗透、密切结合，联系日益紧密。一方面，计算机技术被广泛地应用于通信领域，改造或更新旧的通信设备，大大提高了通信系统的性能：另一方面，通信技术又为多个计算机之间信息的快速传递、资源共享以及协调合作提供了必要的手段。计算机网络正是计算机技术和通信技术飞速发展而又密切结合的产物。计算机网络的形成与发展大致经历了三个阶段：计算机终端网络、计算机通信网络和计算机网络的互连与综合。 2.计算机网络的组成一个计算机网络由一系列计算机硬件、软件以及各种通信设备组合而成。我们从一个普通用户上网的角度，分析计算机网络最为重要的几种成分

5 信息处理与编码：为了便于信息的传输必须对信源发出的信息进行处理与编码。发送设备：发送信源发出并经过处理的信息。传输媒介：传输媒介一般分为有线和无线两种。接收设备、解码与处理：进行与发送互逆的处理。信宿：信息的最终“落脚点”。具有信源和信宿功能的设备就是通常所说的终端设备，终端设备包括电话机、传真机、电报机、数据终端和图像终端等。通信的分类方式有许多种。如果按信源发出的信号属性，可分为模拟通信，数据通信，数字通信。如果按信源的运动状态分，可分为移动通信和固定通信。现代通信技术的进步，主要表现在数字程控交换技术、光纤通信、卫星通信、智能终端等方面，而覆盖全球的个人通信则是通信技术的发展方向。七、计算机网络通信和计算机网络技术是现代信息技术的主干，先进的通信和网络系统，使得信息流动更为快速、便捷，因此成为了现代信息技术的主要特征。 1．计算机网络的概念关于计算机网络的定义，有不同的说法，只从应用目的看，计算机网络是以共享资源（计算机硬件、软件和数据）为目的而连接起来的若干台独立计算机系统的集合。一个更为全面的定义是，计算机网络是以共享资源为主要目的，将两台以上独立计算机系统通过某种通信介质并在通信协议的控制下实现互连的系统。计算机网络的开发，其首要目的是资源共享。为了达到这一目的，必须在计算机系统之间实行可靠、无差错、安全的数据通信。在 20 世纪中，计算机技术和通信技术都取得了长足的进步，而且它们之间相互渗透、密切结合，联系日益紧密。一方面，计算机技术被广泛地应用于通信领域，改造或更新旧的通信设备，大大提高了通信系统的性能；另一方面，通信技术又为多个计算机之间信息的快速传递、资源共享以及协调合作提供了必要的手段。计算机网络正是计算机技术和通信技术飞速发展而又密切结合的产物。计算机网络的形成与发展大致经历了三个阶段：计算机终端网络、计算机通信网络和计算机网络的互连与综合。 2．计算机网络的组成一个计算机网络由一系列计算机硬件、软件以及各种通信设备组合而成。我们从一个普通用户上网的角度，分析计算机网络最为重要的几种成分

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