大学计算机应用基础

第1章计算机基础知识1第1章计算机基础知识1.1概述电子计算机是一种能高速、准确、自动地对预先存储的程序和数据进行处理的电子设备。由于它能模拟人大脑处理各种信息的部分功能，故又俗称电脑。电子计算机是人类20世纪最伟大的发明创造之一，是科学技术和生产力的结晶，经过60多年的飞速发展，如今它以不可阻挡之势迅速渗透到社会各个领域。掌握计算机基础知识和应用技术已成为高等技术人员所不可缺少的基本素质之一，因此对计算机基础文化知识的理解和掌握、计算机基本应用能力的培养，已成为当代大学生知识结构的重要组成部分。1.1.1计算机发展简史1．世界上第一台计算机世界上公认的第一台数字式电子计算机，是由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约翰·莫齐利（JohnMauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（J.PresperEckert）领导研制的，于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，取名为ENIAC，是电子数值积分计算机（ElectronicNumericalIntergratorAndCalculator）的缩写。它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。它是在第二次世界大战中，美国陆军弹道研究所为了解决弹道问题所涉及的许多复杂计算而设计制造的。与现代的计算机相比，它体积庞大，耗电量也特别大，而存储容量却很小，运算速度也非常慢，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元。有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志。ENIAC并不完美，存在许多缺陷，最不能容忍的则是编排程序都要靠人工改接连线，因此每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。美国数学家冯·诺依曼（JohonVonNeumann）考察了ENIAC后，提出了全新的计算机方案，这就是EDVAC（ElectronicDariableAutomaticComputer）。它采用二进制编码表示机器指令和数据，在计算机中设置存储器，将要执行的指令和数据按顺序编成程序存储到计算机存储器中，依次取出存储的内容进行译码，并按照译码结果进行计算，从而实现计算机工作的自动化。整个计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。60年过去了，计算机的基本体系结构仍然沿袭着这种构思和设计，我们把这种体系结构的计算机称之为冯·诺依曼原理计算机。大学计算机应用基础22．计算机的发展过程从第一台计算机的诞生到现在，计算机走过了60多年的发展历程。在这期间，计算机技术的发展突飞猛进，应用领域不断拓宽，以至于影响到了人类的生存方式。根据计算机所使用的主要元器件来分，计算机的发展经历了4个阶段：（1）第一代计算机（1946年～1957年）——电子管计算机。其基本器件是电子管，内存为磁鼓，外存为磁带，运算速度为每秒几千次。这个时期计算机的特点是：体积庞大、运算速度慢、可靠性差、耗电量大、维修困难、价格昂贵、没有系统软件，用机器语言或汇编语言编程。计算机只能在少数尖端领域中得到应用，一般用于科学、军事等方面的计算。图1-1世界第一台数字式电子计算机ENIAC（2）第二代计算机（1958年～1964年）——晶体管计算机。其电子元件主要是半导体晶体管，内存为磁芯存储器，外存为磁盘，运算速度为每秒几万次至几十万次。相对于第一代计算机而言，其特点是：体积缩小、重量减轻、耗电量减少、运算速度加快、可靠性增强，系统软件出现了监控程序，提出了操作系统概念，出现了高级语言，如FORTRAN、ALGOL60等。使用范围也扩展到数据处理和实时控制。（3）第三代计算机（1965年～1970年）——中、小规模集成电路计算机。这个时期的计算机采用中、小规模集成电路作为基本器件，内存除磁芯外，还出现了半导体存储器，外存为磁盘，运算速度达每秒几千万次。其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降、运算速度、可靠性等进一步提高，系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统和会话式语言，采用结构化程序设计方法，为研制复杂的软件提供了技术上的保证。应用范围扩展到更多领域。（4）第四代计算机（1971年至今）——大规模和超大规模集成电路计算机。这个时期的计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，内存为半导体集成电路，外存为磁盘、光盘、U盘，运算速度达每秒几亿次。其特点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。在系统结构方面发展了并行处理技术、分布式计算机系统和计算机网络等。在软件方面发展了数据库系统、分布式操作系统、高效而可靠的高级语言以及软件工程标准化等，第1章计算机基础知识3并逐渐形成软件产业部门。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的应用深入到社会生活的方方面面。从20世纪80年代开始，发达国家开始研制第五代智能计算机，它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。智能计算机突破了传统的冯·诺依曼式机器的概念，舍弃了二进制结构，把许多处理机并联起来并行处理信息，大大提高了运行速度。它的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需发出命令或提出要求，电脑就会完成推理和判断，并且给出解释，目前仍处于研制中。3．微型计算机的发展过程微型计算机，简称微机或PC（PersonalComputer）机是1971年出现的，属于第四代计算机。它的一个突出特点是将运算器和控制器做在一块集成电路芯片上，一般称为微处理器MPU（MicroProcessorUnit）。根据微处理器的集成规模和功能，又形成了微机的不同发展阶段，如Intel80486、Pentium、PⅡ以及当前流行的PⅢ等。世界上第一台微机是由美国Intel公司年轻的工程师马西安·霍夫(M.E.Hoff)于1971年研制成功的。它把计算机的全部电路做在四个芯片上：4位微处理器Intel4004、320位(40字节)的随机存取存储器、256字节的只读存储器和10位的寄存器，它们通过总线连接起来，于是就组成了世界上第一台4位微型电子计算机——MCS-4。从此揭开了微机发展的序幕。第一代微处理器是在1972年由Intel公司研制的8位微处理器Intel8008，主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS电路，由它装备起来的计算机称为第一代微型计算机。第二代微处理器是在1973年研制的，主要采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器。代表产品有Intel公司的Intel8085、Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型计算机及其外部设备都得到相应的发展，由它装备起来的计算机称为第二代微型计算机。第三代微处理器是在1978年研制的，主要采用H-MOS新工艺的16位微处理器。其典型产品是Intel公司的Intel8086。Intel8086比Intel8085在性能上提高了十倍。由第三代微处理器装备起来的计算机称为第三代微型计算机。从1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器，标志着第四代微处理器的诞生。典型产品有Intel公司的Intel80386、Zilog公司的Z80000、惠普公司的HP-32等。由第四代微处理器装备起来的计算机称为第四代微型计算机。1993年Intel公司推出第五代32位微处理器芯片Pentium(中文名为奔腾)，它的外部数据总线为64位，工作频率为66～200MHz。1998年Intel公司推出PentiumⅡ、Celeron，后来又推出PentiumⅢ。第六代都是更先进的32位高档微处理器，工作频率为300～860MHz，主要用于高档微机或服务器。微机具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、对使用环境要求低、价格低廉、易于成批生产等特点。所以，微机一出现，就显示出它强大的生命力。4．我国计算机技术的发展概况我国从1956年开始研制计算机，1958年研制成功第一台电子管计算机——103机。1959大学计算机应用基础4年夏研制成功运行速度为每秒1万次的104机，这是我国研制的第一台大型通用电子管数字计算机。103机和104机的研制成功，填补了我国在计算机技术领域的空白，为促进我国计算机技术的发展做出了贡献。1964年研制成功晶体管计算机，1971年研制了以集成电路为主要器件的DJS系列机。在微型计算机方面，研制开发了长城系列、紫金系列、联想系列等微机，并取得了迅速发展。此外我国在CPU的自主研制方面已取得突破性进展，2006年初推出的龙芯2E的性能将相当于2GHz的P4处理器。同时基于多核技术设计的龙芯3号已经开始预研。相信在不久的将来有更多的计算机使用“中国芯”。在国际高科技竞争日益激烈的今天，高性能计算机技术及应用水平已成为显示综合国力的一种标志。1978年，邓小平同志在第一次全国科技大会上曾说：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”。20多年来，在我国计算机界专家的不懈努力下，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”和“神威”计算机的研制成功使我国成为具备独立研制高性能巨型计算机能力的国家之一。1983年底，我国第一个被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机诞生了。1992年，10亿次巨型电子计算机银河－II研制成功。1997年6月，每秒130亿次浮点运算，全系统内存容量为9.15GB的银河－III并行巨型计算机在北京通过国家鉴定。2000年由1024个CPU组成的银河－Ⅳ超级计算机研制成功，峰值性能达到每秒1.0647万亿次浮点运算。1995年5月曙光1000研制完成，这是我国独立研制的第一套大规模并行机系统，打破了国外在大规模并行机技术方面的封锁和垄断。1998年，曙光2000－I诞生，它的峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算。1999年9月，曙光2000－II超级系统问世，它是国家863计划的重大成果，峰值速度达到每秒1117亿次，内存高达50GB。2004年6月，曙光4000A超级服务器的计算能力突破了每秒11万亿次，2008年6月,中国曙光信息事业有限公司发布的超级计算机曙光5000A，它的运算速度超过每秒160万亿次，运算能力目前排名世界第七。1999年9月，“神威”并行计算机研制成功并投入运行，其峰值运算速度可高达3840亿浮点运算。我国在巨型机技术领域中取得了跨“银河”、迎“曙光”、显“神威”的鼓舞人心的巨大成就。1.1.2计算机的主要特点曾有人说，机械可使人类的体力得以放大，计算机则可使人类的智慧得以放大。作为人类智力劳动的工具，计算机具有以下主要特点。1．运算速度快目前，一般微型计算机的运算速度已达到每秒几十万次乃至上亿次，一些先进的巨型机的运算速度已达到每秒千万亿次，2008年IBM公司推出的超级计算机“走鹃”（Roadrunner），运算速度达到了每秒1000万亿次浮点运算，比此前速度最快的超级计算机IBM蓝色基因快几倍。随着科学技术的发展，计算机的运算速度还会越来越快，它为人们赢得了时间，使许多极复杂的科学问题得以解决。2．计算精度高由于计算机采用二进制数字进行运算，因此计算精度主要由表示数据的字长决定，随着字长的增长和配合先进的计算技术，计算精度不断提高，可以精确到几十位，甚至上百位，第1章计算机基础知识5可以满足各类复杂计算对计算精度的要求。如用计算机计算圆周率π，目前已达到小数点后数百万位了。3．具有记忆和逻辑判断功能计算机的记忆能力是通过存储器系统来实现的。计算机可以存储程序，也可以存储原始数据、运算过程中的中间结果以及最后结果。随着微电子技术的发展，计算机内存储的容量越来越大。目前一般的微机内存容量已达256MB～1GB。加上大容量的磁盘、光盘等外部存储