第一章 计算机基础知识

第1节 计算机概述

一、发展史

1.计算机发展的五个阶段划分

2.1946年,世界上第一台电子计算机 ENIAC 在美国宾夕法尼亚大学诞生。
3.计算机界的两位重要人物

(1)冯·诺依曼:被称为“计算机之父”,提出计算机体系结构;

(2)图灵:被称为“人工智能之父”,提出了一种判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵试验。此外,图灵提出的著名的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

4.冯·诺依曼式的计算机体系结构

冯·诺依曼提出计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成(如下图所示),并且由总线连接。总线包括地址总线、数据总线、控制总线。

冯·诺依曼的存储程序思想:把计算过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序,然后把程序和数据一起输人计算机,计算机对已存人的程序和数据处理后,输出结果。

二、计算机的分类

1.按规模分:
巨型、大型、中型、小型、微型计算机。其中,微型计算机的发展已经历经五代,学校和家庭使用的计算机都是微型计算机,简称微机,又称个人计算机或PC机。

2.按用途分:
专业计算机、通用计算机。

3.按原理分:
模拟计算机、数字计算机。因为计算机在发送端通过调制将数字信号转换为模拟信号,而在接收端通过解调再将模拟信号转换为数字信号。

4.按功能分:
单媒体计算机、念媒体计算机。只能处理文字和数字,就是单媒体计算机。不仅能处理文字和数字,而且还能处理图像、文本,音,视频等多种媒介,就是多媒体计算机。

三、计算机的基本特征

1.运算速度快:
可以高速准确地完成各种算术运算;

2.计算精度高:
可以有十儿位甚至儿十位(二进制)有效数字,计算精度可由千分之几到百万分之几;

3.存储能力超强:
可以存储大量的信息;

4.逻辑运算能力强:
能对信息进行比较和判断;

5.自动控制能力强:
在程序控制下,可以连续、自动地工作,不需要人的干预。

四、计算机的应用

1.数值计算:
是计算机应用的一个基本方面,也是计算机最早应用的领域;

2.数据和信息处理:
是目前计算机最广泛的应用领域;

3.过程控制:
利用计算机进行生产过程、实时过程的控制;

4.计算机辅助系统:
指利用计算机帮助人们完成各种任务,包括CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAI(计算机辅助教学)、CAT(计算机辅助测试)等。

5.人工智能:
用于各种专家系统和机器人构造等。

课堂练习

第 1 题 【NOIP2001】计算机软件保护法是用来保护软件（ ）的：

• A. 编写权
• B. 复制权
• C. 使用权
• D. 著作权

正确答案：D
解析：

• 计算机软件保护法(即《计算机软件保护条例》)的目的是保护软件的著作权,不是编写权、复制权或使用权。
• 根据我国2001年修订实施的《计算机软件保护条例》第2条规定:“本条例所称计算机软件(以下简称软件),是指计算机程序及其有关文档。”
• 该条例是为了保护软件著作权人的权益,鼓励软件开发,促进软件产业和国民经济信息化的发展。条例对软件著作权的确认、登记、使用和保护等方面做出了规定。
• 软件著作权属于知识产权的范畴,与专利权、商标权并称为知识产权的三大支柱。软件著作权人对其开发的软件依法享有复制、发行、修改等专有权利。
• 因此,计算机软件保护法(《计算机软件保护条例》)是用来保护软件的著作权,而非编写权、复制权或使用权,选项D正确。

计算机软件保护法主要是为了保护软件的著作权。

第 2 题 【NOIP2002】微型计算机的问世是由于以下哪项技术的出现：

• A. 中小规模集成电路
• B. 晶体管电路
• C. (超)大规模集成电路
• D. 电子管电路

正确答案：C
解析：

• 微型计算机(Microcomputer),也称为个人计算机(PC),是第四代计算机的代表。微型计算机的出现主要得益于大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)的发展。
• 20世纪70年代,集成电路技术取得了突破性进展,出现了集成度达到数千至数万个晶体管的LSI,以及集成度达到数十万、数百万晶体管的VLSI。这使得计算机的体积大大缩小,性能和可靠性大幅提升,成本显著降低,从而催生了微型计算机。
• 第一代微型计算机如Altair 8800、Apple II等就采用了LSI芯片。此后,微处理器、存储器等部件的集成度不断提高,推动了微型计算机的快速发展和普及。
• 相比之下,晶体管电路是第二代计算机采用的主要元件,中小规模集成电路是第三代计算机的基础,而电子管电路则是第一代计算机使用的器件,它们分别代表了计算机发展的前三个阶段,与微型计算机的出现没有直接关系。
• 因此,微型计算机的问世主要是由于(超)大规模集成电路技术的出现和发展,选项C正确。

第 3 题 【NOIP2003】图灵(Alan Turing)是：

• A. 美国人
• B. 英国人
• C. 德国人
• D. 匈牙利人
• E. 法国人

正确答案：B
解析：

• 艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)是一位伟大的英国数学家、逻辑学家和密码学家,他被公认为计算机科学和人工智能领域的先驱。
• 图灵于1912年6月23日出生在英国伦敦,1931年进入英国剑桥大学国王学院学习数学,之后在美国普林斯顿大学攻读博士学位。二战期间,图灵回到英国,协助军方破译德国的著名密码系统Enigma,为盟军取得战争胜利做出了重要贡献。
• 图灵在计算理论、人工智能等领域做出了开创性的工作。他提出了”图灵机”(Turing Machine)的概念,这是一种抽象计算模型,为现代计算机的逻辑结构和工作方式奠定了基础。
• 此外,图灵还提出了著名的”图灵测试”(Turing Test),这是一种测试机器是否具有智能的方法。他撰写的论文《计算机器与智能》(Computing Machinery and Intelligence)对人工智能的发展产生了深远影响。
• 图灵英年早逝,于1954年6月7日去世,年仅41岁。尽管他的一生充满坎坷和不幸,但其科学成就和思想遗产永垂不朽,他被誉为”人工智能之父”和”计算机科学之父”。
• 因此,图灵是英国人,选项B正确。

第 4 题 第一个给计算机写程序的人是( )

• A. Alan Mathison Turing
• B. Ada Lovelace
• C. John von Neumann
• D. John McCarthy
• E. Edsger Wybe Dijkstra

正确答案：B
解析：

• 阿达·洛芙莱斯(Ada Lovelace,1815-1852)是英国诗人拜伦的女儿,也是世界上公认的第一位程序员。她为查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)设计的分析机(Analytical Engine)编写了算法,被视为世界上第一个计算机程序。
• 洛芙莱斯在1843年为巴贝奇分析机翻译了意大利工程师路易吉·门纳布雷亚(Luigi Menabrea)的文章,并为这篇文章添加了大量的注解。在这些注解中,她详细描述了如何利用分析机计算伯努利数,这个算法被认为是世界上第一个计算机程序。
• 洛芙莱斯在注解中展示了惊人的洞察力,她意识到计算机不仅仅是用来做数值计算的工具,还可以用来处理符号和逻辑运算。她引入了循环(loop)和子程序(subroutine)的概念,这些都是现代编程的基础。
• 相比之下,图灵、冯·诺依曼、麦卡锡、迪杰斯特拉等计算机科学家虽然在计算机理论和实践方面做出了开创性贡献,但他们都出生在洛芙莱斯之后,其工作也是在现代计算机出现之后才开展的。
• 因此,第一个给计算机(确切地说是分析机)编程的人是阿达·洛芙莱斯,选项B正确。为了纪念这位杰出的女性,美国国防部的一种程序设计语言就以她的名字命名,即”Ada语言”。

第 5 题 美籍匈牙利数学家冯·诺依曼对计算机科学发展所做出的贡献是( )

• A. 提出理想计算机的数学模型, 成为计算机科学的理论基础
• B. 是世界上第一个编写计算机程序的人
• C. 提出存储程序工作原理, 并设计出第一台具有存储程序功能的计算机 EDVAC
• D. 采用集成电路作为计算机的主要功能部件
• E. 指出计算机性能将以每两年翻一番的速度向前发展

正确答案：C
解析：

• 约翰·冯·诺依曼(John von Neumann,1903-1957)是美籍匈牙利数学家、物理学家和计算机科学家,对现代计算机的发展做出了奠基性的贡献。他最著名的成就是提出了”存储程序”的概念,并参与设计了第一台采用这一概念的计算机EDVAC。
• 早期的计算机如ENIAC,其程序是通过线路的连接方式固化的,无法灵活修改。冯·诺依曼提出,计算机的程序应该像数据一样被存储在计算机的存储器中,这样就可以通过修改存储器中的程序来改变计算机的工作方式,大大提高了计算机的灵活性和通用性。
• 基于存储程序原理,冯·诺依曼与其他科学家合作设计了EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)计算机,它是第一台采用二进制、电子式、存储程序的计算机。EDVAC的设计思想后来被称为”冯·诺依曼结构”,成为现代计算机的基本架构。
• 冯·诺依曼还对博弈论、核物理、量子力学等领域做出了重要贡献,是20世纪最重要的数学家之一。但提出理想计算机数学模型的是图灵,第一个编写程序的是洛芙莱斯,采用集成电路的是第三代计算机,提出摩尔定律的是戈登·摩尔。
• 因此,冯·诺依曼对计算机科学最重要的贡献是提出存储程序工作原理,并设计出第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC,选项C正确。

第 6 题 彩色显示器所显示的五彩斑斓的色彩, 是由红色、蓝色和哪种色混合而成的？( )

• A. 紫
• B. 白
• C. 黑
• D. 绿
• E. 橙

正确答案：D
解析：

• 彩色显示器通过红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种颜色的混合来显示各种色彩,这种色彩模式称为RGB色彩模式。
• 显示器屏幕上的每一个像素都是由紧密排列的红、绿、蓝三个子像素组成的。通过控制三个子像素的亮度,可以组合出各种不同的颜色。这种混色方式称为加色混色法。
• 当红、绿、蓝三个子像素同时以最大亮度发光时,人眼感知到的就是白色;当三个子像素都不发光时,就呈现黑色。红色和绿色混合会产生黄色,红色和蓝色混合会产生品红(洋红),绿色和蓝色混合会产生青色。
• 在RGB色彩模式下,红、绿、蓝被称为三原色,它们是显示器产生色彩的基础。事实上,人眼对绿色的敏感度最高,所以在一些彩色显示技术中,绿色子像素的数量会多于红色和蓝色。
• 白色、黑色都是红绿蓝三色混合的结果,而不是三原色之一。紫色可以通过红色和蓝色混合得到,橙色可以通过红色和绿色混合得到,它们都是二次色。
• 因此,彩色显示器显示的色彩是由红色、蓝色和绿色混合而成的,选项D正确。

第 7 题 在下面各个世界顶级的奖项中, 为计算机科学与技术领域做出杰出贡献的科学家设立的奖项是

• A. 沃尔夫奖
• B. 诺贝尔奖
• C. 菲尔兹奖
• D. 图灵奖
• E. 南丁格尔奖

正确答案：D
解析：

• 图灵奖(Turing Award)是计算机科学领域的最高奖项,被誉为”计算机界的诺贝尔奖”。该奖项由美国计算机协会(ACM)于1966年设立,以表彰在计算机科学与技术领域做出重要贡献的科学家。
• 图灵奖以英国科学家艾伦·图灵的名字命名,以纪念这位计算机科学的先驱。图灵奖每年评选一次,获奖者除了获得奖金外,还要在次年的 ACM 年会上发表演讲。
• 历届图灵奖获得者都是计算机科学领域的顶尖科学家,他们的贡献涵盖了计算机体系结构、算法、编程语言、人工智能、密码学等各个方面。著名的图灵奖得主包括高德纳、托普森、迪杰斯特拉、姚期智等。
• 相比之下,沃尔夫奖设立于1978年,奖项涵盖数学、物理、化学、医学、农业、艺术等领域;诺贝尔奖设立于1895年,主要奖项包括物理、化学、生理学或医学、文学、和平等;菲尔兹奖设立于1936年,专门奖励40岁以下在数学领域取得杰出成就的科学家;南丁格尔奖设立于1912年,旨在表彰在护理领域做出杰出贡献的护士。
• 因此,在题目列出的这些世界顶级奖项中,专门为计算机科学与技术领域做出杰出贡献的科学家设立的奖项是图灵奖,选项D正确。

第 8 题 IT的含义是

• A. 通信技术
• B. 信息技术
• C. 网络技术
• D. 信息学

正确答案：B
解析：

• IT 是 “Information Technology” 的缩写,中文意思是”信息技术”。它是一个涵盖面很广的概念,指的是通过计算机、通信网络等现代化技术手段获取、处理、存储、传输和应用信息的各种技术的总称。
• 信息技术包括了计算机硬件、软件、网络、数据库、多媒体、人工智能等多个领域。它的应用几乎渗透到社会生活的方方面面,如工业、农业、商业、金融、教育、医疗、交通、娱乐等。
• 信息技术的核心是以计算机技术为基础,通过各种通信网络实现信息的传输和共享。因此,计算机技术和通信技术是信息技术的两大支柱,但信息技术的内涵远远超出了这两个领域。
• 信息学(Informatics)是研究信息的本质、特性、发现、收集、分类、储存、检索、解释、加工、传递和应用的科学,与信息技术有一定联系,但侧重于信息本身而非技术手段。
• 网络技术是信息技术的重要组成部分,但不能完全等同于信息技术。通信技术强调的是信息传输的技术,也只是信息技术的一个方面。
• 因此,IT 的含义是信息技术,选项B正确。信息技术已经成为当今社会最重要的技术之一,深刻影响和改变着人们的生产和生活方式。