第一章计算机基础知识

第一章计算机基础知识第一节计算机概述一、计算机的发展从1946年第一台电子计算机问世以来，根据表示计算机信息逻辑元件的不同，将计算机的发展分成４代。1946年2月，世界上第一台计算机于美国宾州大学诞生，取名电子数字积分计算机，简称ENIAC。这台机器使用了近18000个电子管、10000只电容和7000个电阻，总重30吨，功率150千瓦，占地170平方米，是花了近3年才完成的一项庞大工程。它的原设计目的是为美国陆军弹道实验室计算弹道特性表。虽然当时达到的速度仅有每秒5000次加、减运算，但它把计算一条发射弹道的时间从台式计算器所需的7～10小时缩短到30秒以下，使弹道实验室的近200名工程师从此摆脱了繁重的计算劳动。ENIAC虽然只使用了九年多就停止使用，并且在我们今天看来它有诸多不够理想的方面，但是它的问世，表明了电子计算机时代的到来，它的出现具有划时代的意义。（一）第一代计算机（1946～1956年）它的主要特征如下：①采用电子管作为逻辑开关元件，体积大、耗电量大、成本高，每秒运算速度仅为几千次。②程序设计使用机器语言或汇编语言，还没有操作系统。③存储容量小，初期用水银延迟线或静电存储器，容量仅有数千字节(KB)，后期采用磁鼓与磁心，容量有较大提高。第一代计算机体积庞大，造价很高，仅限于军事和科学研究工作。（二）第二代计算机（1955～1964年）①采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，体积减小、重量减轻、能耗降低、速度加快，每秒运算速度达几十万次。②程序采用汇编、高级语言设计，出现FORTRAN、COBOL、ALGOL等语言。③存储容量增加，使用磁心作为主存储器，辅助存储器采用磁盘和磁带。第二代计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。（三）第三代计算机（1964～1970年）①采用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件，从而使体积、重量进一步减小；运算速度和可靠性有了进一步提高，每秒运算速度达几十万次到几百万次。②出现了操作系统软件，高级语言的数量增多。③开始使用半导体存储器，辅助存储仍以磁盘、磁带为主，体积更小，价格更低。系列化、通用化和标准化，是这一时期计算机设计的基本思想。其结果不但降低了计算机的成本，也进一步扩大了计算机的应用范围。（四）第四代计算机（1971年至今）①采用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件；使计算机体积、重量、成本均大幅度降低，出现微型机。在随后10年间，微机从第一代迅速发展到第四代。②操作系统不断发展和完善，产生了数据库系统软件。③硬件更新、软件丰富。主存储器采用半导体存储器，辅助存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘。外部设备有了很大发展，采用扫描仪、激光打印机和各种绘图仪等。前面所说的四代计算机，都是由控制器、运算器、存储器、输入输出设备组成的冯?诺依曼体系结构。冯?诺依曼计算机两个重要特点是：存储程序和程序控制。自日本宣布第五代计算机计划后，关于五代机的讨论，一时成为各国计算机界的热门话题。日本把它所研制的第五代计算机称为知识信息处理系统。随后，许多国家纷纷开展对新型计算机的研究；先后出现了神经网络计算机、生物计算机等提法。而把这类新型计算机总称为未来型计算机或新一代计算机。新一代计算机是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统，它不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式推理、联想、学习和解释能力，能帮助人类开拓未知的领域和获得新知识。新一代计算机的系统结构将突破传统的冯?诺依曼机器的概念，实现高度并行处理。但至今仍未有突破性进展。二、计算机特点计算机作为一种通用的智能工具，有以下几个特点：①运算速度快。现代计算机的系统的运算速度已达到几十亿次乃至几百亿次。大量复杂的科学计算过去需要几年、几十年，而现在用计算机中需要几天或几个小时甚至几分钟就可完成。②运算精度高。一般计算器只有二、三位有效数字，而微型机就可达到十几位有效数字。例如圆周率的计算，数学家们经过长期艰苦的努力只算到小数点后500位，而使用计算机很快就算到小数点后200万位。③记忆容量大。能把语言、文字、图形、图像、音乐、数据、程序存入计算机进行处理或计算，并把结果保存起来。微机的内存容量不断增大，可存储记忆的信息量也越来越大。④具有逻辑判断功能。计算机不仅可以进行算术运算，而且可以进行各种逻辑判断，例如比较两个数的大小，根据比较的结果自动确定下一步该做什么⑤具有自动控制能力。计算机的内部操作都是按照事先编制的程序进行的，不要人干预，这是计算机与计算器本质上的区别。三、计算机分类（一）按计算机功能分①专用计算机：针对某一特定应用领域而设计，功能单一、适应性差，但是在特定用途下最有效、最经济、最快速。②通用计算机：针对多种领域而设计，功能齐全、适应性强，但其效率、运算速度和经济性相对于专用计算机要低一些。（二）按计算机按型体和性能分为：①巨型机：巨型机又称超级计算机，它是6种机型中价格最贵、功能最强的一类。它的运算速度每秒可达1亿次以上，存储容量大，主存容量最高达几百兆字节，字长可达64位。当前巨型机主要用于尖端科学研究领域，如核武器和反导弹武器的设计、空间技术、石油勘探、中长期天气预报、以及社会模拟等领域。我国研制的“银河Ⅰ”和“银河Ⅱ”也属于巨型机。②大型机：大型机的运算速度在每秒100万次至几千万次，字长32～64位，主存容量在几十兆或几百兆字节。它有比较完善的指令系统，丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。主要用于计算中心和计算机网络中。③中型机：中型机的规模介于大型机和小型机之间④小型机：盛行于20世纪70、80年代，相对于当时的大型机而言，小型机结构简单、成本较低，运算速度和存贮容量比大型机都差，但价格相对便宜，比较适合于中、小用户。其代表产品有:美国DEC公司生产的PDP-11系列、VAX-11系列、HP公司HP-3000系列等。这些对小型机在当时对计算机的应用普及起了很大的推动作用，既可用于科学计算、数据处理，又可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理。但后来受到微型机的严重挑战，使其市场大为缩小，现在主要作服务器用。⑤微型机：微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组装，使得这较之小型机体积更小、价格更低、灵活性更好、可靠性更高、使用更加方便。如今计算机家族中微型机“人丁兴旺”。⑥工作站：工作站是20世纪70年代后其出现的一种新型计算机系统，它实际上就是一台高档微机，但它有其独到这处，易于联网，配有大容量主存，大屏幕显示器。特别适合于CAD/CAM和办公自动化。典型产品有美国的SUN3、SUN4等。随着大规模集成电路的发展，目前的微型机与工作站、小型机乃至中型机之间的界限已不明显，现在的微处理器芯片速度已达到甚至超过10年前的一般大型机的CPU速度。四、计算机应用随着计算机的高速发展，计算机应用进一步向各行各业渗透，上至高、新的尖端技术，下至家庭生活与各种电器，计算机无处不在，无时不在。（一）科学计算科学计算也称数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，计算工作量很大。它是计算机最早的应用领域，世界上第一台计算机的研制就是为科学计算而设计的。随着科学技术的发展，各领域的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决的这些复杂问题都需要依靠计算机来进行复杂的运算。在天气预报中，大量的卫星气象云图、气象资料，如果用人工进行计算，预报一天需要计算几个星期，就失去了时效，现在用计算机，取得10天的预报只需要计算数分钟，这就使中、长期预报成为可能。在航空与航天领域，复杂的微分方程及大量数据测算工作，需要高速瞬间完成计算任务，也都是计算机应用的重要阵地。（二）数据处理数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，例如分析、合并、分类、统计等，形成有用的信息。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量大，但计算方法简单。在计算机的应用领域中，数据处理占有极大的比重。在经济发达的国家里，约占80%至90%的份额。目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等，数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。（三）过程控制过程控制又称实时控制，指计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制。从20世纪60年代起，就在冶金、机械、电力、石油化工等产业中用计算机进行实时控制。现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而以实现生产过程的自动化控制系统的要求也日益增高，利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本。现代化工厂中，生产过程的自动控制是计算机应用的又一重要领域。（四）计算机辅助系统计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。计算机辅助设计CAD（Computer-AidedDesign），就是用计算机帮助各类设计人员进行设计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，使CAD技术得到广泛应用。例如，飞机设计、船舶设计、建筑设计、大规模集成电路设计等。采用计算机辅助设计后，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计的速度，更重要的是提高了设计的质量。计算机辅助制造CAM（Computer-AidedManufacturing）是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行、处理生产过程中所需的数据、控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。使用CAM技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度。计算机辅助教育CBE（Computer-BasedEducation）包括：计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试CAT和计算机管理教学CMI。CMI指用计算机实现各种教学管理，例如教务管理、教学计划制定、课程安排、计算机题库与计算机评分等。近年来由于多媒体技术和网络技术的发展，推动了CBE的发展，网上教学和远程教学已在许多学校展开。开展CBE使学校教育发生了根本变化，培养出跨世纪的复合型人才。（五）人工智能人工智能AI(ArtificialIntelligence)一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序让计算机自动探索解题的方法。人工智能可用于机器人、计算机象棋、机器证明定理、专家系统(如医疗诊断专家系统)等。人工智能是计算机应用研究的前沿学科。（六）信息高速公路信息高速公路的建议最早由美国提出，将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，把大网络连接到所有的机构和家庭中去，让各种形态的信息(如文字数据、声音、图像等)都能在大网络里交互传输。这个建议引起了世界各国和地区的极大震动，纷纷提出了自己发展信息高速公路计划的设想，我国也不例外。（七）电子商务电子商务是指通过计算机和网络进行商务活动。世界各地的许多公司已经开始通过Internet进行商业交易。他们通过网络方式与顾客联系、与批发商联系、与供货商联系、与股东联系，并且进行相互间的联系。他们在网络上进行业务往来，其业务量往往超出正常方式。电子商务系统也面临保密性、可测性、可靠性等挑战，但是，我们相信这些挑战将随着技术的发展和社会的进步是可以战胜的。第四节计算机系统的组成一、计算机系统组成一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。（一）硬件（hardware）硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备。具体地说，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆部件②运算器。运算器对二进制数码进行算术或逻辑运算。③控制器。控制器是计算机的“神经中枢”。它指挥计算机各部件按照指令功能的要求自动协调地进行所需的各种操作。④输入/输出设备（简称I/O设备）。计算机和外界进行联系业务要通过输入输出设备才能实现。输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转换成计算机所能识