第1章计算机基础.

第1章计算机基础知识大学计算机基础1.1计算机概述计算机(Computer)是电子计算机的简称，它是一种能够按照存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是组成计算机系统的各种电子设备的总称，是计算机系统的物质基础；软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、软件包及各类数据文档。人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。实际上，用户所面对的是经过若干层软件“包装”的计算机，计算机功能强弱不仅取决于硬件系统而更大程度上是由所安装的软件系统所决定的。大学计算机基础计算机种类繁多，在规模、处理能力、价格、复杂程度以及设计技术等方面都存在着很大的差别，但各种计算机的工作原理都是一样的。微型计算机(简称微机或电脑)的普及应用以及计算机网络的飞速发展，对人类的生产和生活产生了极其深刻的影响。4大学计算机基础1.1.1计算机的产生与发展简史在漫长的人类发展历史中，随着社会的发展和科技的进步，计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，例如绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机、电子计算机等，它们都在不同的历史时期发挥着其作用。5大学计算机基础1.电子计算机的诞生电子计算机的问世，最重要的奠基人是英国数学家阿兰·麦席森·图灵(AlanMathisonTuring)和美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（JohnvonNeumann)。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型，提出了图灵测试，奠定了人工智能的理论基础；而冯·诺依曼则是首次提出了计算机体系结构的设想。大学计算机基础(1)“理想计算机”的提出1936年，英国数学家阿兰·麦席森·图灵，如图所示，发表了著名的关于《论数字计算在决断难题中的应用》的论文，在这篇开创性的论文中，图灵给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机”(TuringMachine，TM)的设想。被冠以“理想计算机”的名称。图灵机理论不但解决了数理逻辑的一个基础理论问题，而且理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。一般认为，现代计算机的基本概念源于图灵。阿兰·麦席森·图灵大学计算机基础(2)世界上第一台通用电子计算机—ENIAC第二次世界大战中，美国军方为了计算炮弹的弹道轨迹，迫切需要一种高速计算工具来代替人工计算，在美国军方的支持下，世界第一台电子数字积分计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)于1943年开始研制。1946年2月，ENIAC诞生于宾夕法尼亚大学，它是世界上第一台能真正自动运行的通用电子计算机，如图所示。当年运行中的ENIAC8大学计算机基础该机主要组件是电子管，使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关，长30.48m，宽1m，占地面积约170m2，重量达30t，耗电150kW，它每秒执行5000次加法或400次乘法，比当时最快的计算工具快300倍。大学计算机基础用ENIAC计算题目时，首先要根据解题步骤预先编好一条条指令，再按指令连接好外部电路，然后启动机器，使其自动运行输出结果。当要计算另一个题目时，必须重复进行上述工作，所以只有少数专家才能使用。尽管ENIAC存在着不能存储程序，以及使用的是十进制数等明显缺陷，但是它的运算速度在当时已经非常快了。它使过去借助机械分析机需7～20h才能计算一条弹道的工作时间缩短到30s，从而使科学家们从庞大的计算量中解放出来。它的问世，标志着信息时代的来临，具有划时代的意义。10大学计算机基础冯·诺依曼(3)世界上第一台冯·诺依曼结构的计算机—EDVAC在ENIAC计算机研制的同时，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼，如图所示，针对它的重大缺陷与莫尔小组合作进行了离散变量自动电子计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)的研究，明确规定了计算机的5个基本组成部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备；并把计算机中要执行的指令和要处理的数据均以二进制形式来表示；还采用了“存储程序”和“程序控制”结合的原理：即程序和数据都放在内存中，在程序的控制下自动完成操作。11大学计算机基础该设计思想解决了程序的“内部存储”和“自动运行”两大难题，从而提高了计算机的运算速度，相当于ENIAC运算速度的240倍。存储程序的概念是计算机发展史上的一座丰碑。从EDVAC到现在最先进的计算机，即使计算机制造技术发生了巨大的变化，但仍然采用的是冯·诺依曼体系结构。大学计算机基础2.电子计算机的发展历程(1)电子计算机的发展。从第一台电子计算机诞生到现在，计算机技术以前所未有的速度迅猛发展，经历了大型计算机阶段、微型计算机阶段、网络阶段及云计算时代。对于传统的大型机，通常根据计算机所采用的电子元器件不同而划分为电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模、超大规模集成电路计算机等4代。大学计算机基础第一代计算机(1946～1957年)被称为电子管计算机。其主要标志是逻辑器件采用电子管，如图1-1-4(a)所示，其体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难；采用磁鼓、小磁芯作为内存，外存为磁带，存储容量小；计算速度慢，运算速度为每秒几千次；使用机器语言编程，几乎没有系统软件，操作困难；输入/输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片。这一时期的计算机主要用于军事和科学计算，其代表机型是IBM650(小型机)、IBM709(大型机)。大学计算机基础第二代计算机(1958～1964年)被称为晶体管计算机。其主要标志是逻辑器件采用晶体管，如图1-1-4(b)所示，其体积大大缩小、重量明显减轻、功耗降低、可靠性增强、寿命延长；采用磁芯作为内存，磁盘和磁带作为外存，存储容量大大提高；计算速度加快，达到每秒几万次至几十万次；提出了操作系统的概念，出现了汇编语言和高级语言(FORTRAN，COBOL等)及其编译程序，产生了批处理系统；这一时期的计算机，除科学计算外还用于数据处理和事务管理，并逐渐用于工业控制，其代表机型IBM-7000系列机。15大学计算机基础第三代计算机(1965～1970年)被称为集成电路计算机。集成电路可以在几平方毫米的单晶硅芯片上集成十几个甚至上百个电子元件，第三代计算机主要特征是逻辑器件采用中小规模集成电路，体积和耗电显著减小，寿命更长；采用半导体存储器作为内存，外存为磁盘，存储容量和存取速度大大提高，价格更低；计算速度显著提高，达到每秒几百万次；机器种类标准化、模块化、系列化已成为计算机的指导思想，采用积木式结构及标准输入/输出接口；采用结构化程序设计的方法，使软件技术得到了较大的提高，软件在这个时期形成了产业，用操作系统来管理硬件资源，出现了网络和数据库。这一时期的计算机开始广泛应用于各个领域，应用范围扩大到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理和辅助设计等领域，其代表机型是IBM-360系列机。16大学计算机基础第四代计算机(1971年至今)被称为大规模和超大规模集成电路计算机。其主要特征是逻辑器件采用大规模和超大规模集成电路，在硅半导体上集成几十万甚至上百万个电子元件，从而实现了电路器件的高度集成化，可靠性更好，寿命更长，计算机体积、重量、功耗、价格不断下降，采用半导体存储器作为内存，常采用磁盘、光盘等大容量存储器作为外存，运算速度高达每秒百万亿次至千万亿次。在体系结构方面进一步发展并行处理系统、分布式计算机系统和计算机网络系统，软件配置更加丰富，软件系统工程化、理论化，程序设计实现部分自动化；微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展，这一时期的计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语音识别、专家系统等领域大显身手，计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。初期具有代表性的机型有IBM-4300系列机。大学计算机基础随着计算机科学技术的迅猛发展，前4代计算机的时代划分规则在新形势下已经不再适合。专家们呼吁不要再沿用“第五代计算机”的说法，而采用“新一代计算机”的说法。从20世纪80年代开始，日本、美国等国家投入大量人力、物力研制新一代计算机，其是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它的系统结构将突破传统的冯·若依曼理论，实现高度的并行处理。它能进行数值计算或处理一般的信息，主要能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人-机之间可以直接通过自然语言(声音、文字)或图形图像交换信息。大学计算机基础(2)微型计算机的诞生与发展。在计算机发展历程中一个重要转折点是微型计算机的问世。从第一台ENIAC诞生到20世纪70年代初期，计算机一直向巨型化方向发展。所谓巨型化，是指运算速度更快、存储容量更大、计算精度更高、功能更加完善的计算机系统。从20世纪70年代初期起，第四代计算机一方面向巨型化发展。另一个重要发展方向是朝着微型化方向发展。所谓微型化，是指发展体积更小、价格更低、可靠性更高、功能更强、适用人群更广泛的计算机系统。个人计算机(persondlcomputer，PC)的出现是计算机微型化的典型产物。大学计算机基础微处理器自1971年问世以来，一直遵循摩尔定律(即平均18个月芯片的集成度提高一倍、性能提高一倍、价格下降一半)飞速发展，使得以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。1971年，Intel公司推出世界上第一台4位微型计算机MCS-4，1977年美国苹果(APPLE)公司推出APPLEⅡ微型计算机，大获成功，它采用8位6502微处理器，是第一种被广泛应用的微型计算机。APPLEⅡ已不再是简单的计算工具，它为20世纪后期领导时代潮流的个人计算机铺平了道路。APPLEⅡ微型计算机大学计算机基础国际商用机器公司(IBM)看到APPLE微机的成功，1980年决定向微机市场发展，1981年IBM公司推出了一种型号为IBM5150的新款微型计算机，将之定名为IBMPC(PC是PersonalComputer的缩写)，“个人计算机”这个新生市场随之诞生。其最大的特色是世界上首次推出的开放性架构，并附带了一本技术参考手册，这都成了后来计算机的行业标准。IBMPC的微处理器是Intel8088，主频为4.77MHz，64KB的内存，操作系统是微软的DOS1.0。IBMPC大学计算机基础1984年,IBM公司又推出了更先进的IBMPC/AT，它采用Intel80286微处理芯片，支持多任务、多用户、并增加了网络功能，可联网1000台。从此，IBMPC成为个人微机的代名词。它是IBM公司20世纪最伟大的产品，IBM也因此获得“蓝色巨人”的称号。IBMPC一经推出，世界许多公司都向其靠拢，先后为IBM系列PC推出了不同版本的系统软件和丰富多彩的应用软件，以及种类繁多的硬件配套产品。有些公司又竞相推出与IBM系列PC相兼容的各类兼容机，从而促使IBM系列PC迅速发展，它经历了若干代演进，是当今微型计算机中的主流产品。22大学计算机基础短短的三十多年时间里，微型计算机发展非常迅速。主要表现为：处理速度、数据宽度，存储容量等技术性能飞速提高；各种系统软件、应用软件丰富多彩，功能配置相当完善；价格越来越低、可靠性越来越高。应用越来越普及，几乎应用到所有领域，成为人们工作生活中不可缺少的得力工具。大学计算机基础1.1.2计算机的特点、分类与应用1.计算机的特点(1)运算速度快。计算机具有神奇的运算速度，通常以计算机每秒所能执行的指令条数表示计算机的运算速度。一般用百万(条)指令每秒(millioninstructionspersecond，MIPS)为单位。现在的计算机运算速度已经可以达到每秒百亿次、千亿次，甚至万亿次。例如，为了将圆周率π的近似值计算到707位，一位数学家曾花了十几年的时间，而如果用现代的计算机来计算，可能瞬间就能完成，同时可达到小数点后200万位