第1章电子计算机基础知识.

计算机应用基础教程沈美莉陈孟建池敏编著第1章电子计算机基础知识1.1电子计算机的发展概况1.2电子计算机的特点和用途1.3电子计算机的组成1.4电子计算机输入与输出设备1.5电子计算机中信息的表示与存储1.6电子计算机中病毒及其防护1.1电子计算机的发展概况1.1.1电子计算机的发展概况1.1.2微型计算机的发展概况1.1.3我国计算机的发展概况1.1.4计算机的发展趋势概况1.1.1电子计算机的发展概况1．第一台电子计算机在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。1944年霍华德.艾肯(1900-1973)研制出全电子计算器，为美国海军绘制弹道图。这台简称MarkI的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢(3-5秒一次计算)并且适应性很差只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等式。1946年世界上第一台电子计算机诞生了，这台名叫“埃尼阿克”（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculatorENIAC中文意思是电子数字积分器和计算器）电子计算机，由美国宾夕法尼亚大学的穆尔学院电工系的莫克利和埃克特领导的科研小组研制成功，这台计算机共用了18000多个电子管，1500多个继电器以及其他器件，机房占地面积约140平方米，整台机器重30吨，耗电近100千瓦，投资超过48万美元。而该机器字长10位十进制，运算速度为每秒5000次左右，每次只能储存20个10位的十进制数，尚未实现“程序存储”方式。虽然这台计算机体积庞大、造价昂贵、可靠性较低、使用不方便、维护也很困难，但是，它的诞生，使人类的运算速度和计算能力有了惊人的提高，完成了当时用人工无法完成的一些重大科研项目的计算工作。40年代中期，冯.诺依曼(1903-1957)参加了宾夕法尼亚大学的小组，1945年设计电子离散可变自动计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)，将程序和数据以相同的格式一起储存在存储器中。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，机器结构的关键部分是中央处理器，它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。图1-1所示的是美国物理学家莫奇利任总设计师，研制成功世界上第一台电子管计算机ENIAC(图中左为莫奇利）。图1-1世界第一台计算机设计者莫奇利和计算机第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。图1-2所示的是第一台电子管计算机ENIAC的场景。图1-2第一台电子管计算机ENIAC的场景2．电子计算机发展的几个阶段（1）第一代(1946～1958)：电子管数字计算机第一代计算机通常具有以下特点：①采用电子管作开关元件。②所有指令与数据都用“1”或“0”来表示，分别对应于电子元件的“接通”与“断开”，这是机器可以理解的“语言”。③可存储程序，虽然存储设备还比较落后，存储容量也有限，但为制成通用计算机打下了基础。④输入输出主要用打孔卡，速度较慢，主要用于科学计算。⑤体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂，但它奠定了以后计算机技术的基础。主要代表机型有：ABC、ENIAC、EDVAC、EDSAC、UNIVAC等。（２）第二代(1958～1964)：晶体管数字计算机第二代计算机通常具有以下特点：①用晶体管代替了电子管。晶体管具有：体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、使用寿命长、价格低廉、功能强等优点。用晶体管作计算机的开关元件，使机器的结构和性能都发生了新的飞跃。②采用磁心存储器作内存，用磁盘和磁带作外存。增大了存储容量，提高了可靠性，为系统软件的发展创造了条件。③汇编语言取代了机器语言，而且开始出现了FORTRAN、COBOL等计算机高级语言。④计算机的应用范围进一步扩大，开始进入过程控制等领域。主要代表机型有：UNIVAC-II、贝尔的TRADIC、IBM的7090、7094、7040、7044等。（3）第三代(1964～1971)：集成电路数字计算机第三代计算机通常具有以下特点：①用集成电路取代了晶体管。与晶体管比集成电路的体积更小、耗电更省、功能更强、使用寿命更长。②用半导体存储器代替了磁心存储器。这样，存储器也开始集成电路化，内存容量大幅度增加，为建立存储体系与存储管理创造了条件。③第三代机开始走向系列化、通用化、标准化。这与普遍采用微程序技术有关，为确立富有继承性的体系结构发挥了重要作用。④系统软件与应用软件都有了很大的发展。为了提高软件质量，出现了结构化、模块化程序设计方法，操作系统在规模和复杂性方面都取得了进展。主要代表机型有：IBM360系列、honeywell6000系列、富士通F230系列等。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统，如图1-3所示。图1-3通用电子计算机系列IBM360系统（4）第四代(1971～1990)：大规模集成电路数字计算机第四代计算机通常具有以下特点：①用超大规模集成电路VLSI取代了中小规模集成电路。②从计算机体系结构来看，四代机是三代机的扩展与延伸。③并行处理与多处理领域正在积累经验，为未来的技术突破准备着条件。如：图像处理领域、人工智能与机器人领域、超级计算机领域等。④由于超大规模集成电路的出现，使微型机异军突起，独树一帜。主流产品有：IBM的4300系列、3080系列3090系列及9000系列等。图1-4所示的是FACOMM-382计算机的场景。图1-4FACOMM-382计算机（5）第五代(1990～至今)：智能计算机第五代计算机通常具有以下特点：①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。②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。③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。④人-机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图象交换信息。从以上叙述不难看出，计算机发展真可谓日新月异，无论从计算机的体积、性能、用途等诸方面都有着突飞猛进的变化，第四代计算机，其逻辑和存储部件都普遍使用了大规模、超大规，模集成电路，采用高密度组装技术，计算机的计算速度已经提高到了每秒万亿次。这一代计算机具有可靠性高、速度快、自动化程度高、稳定性好、体积小、成本低等特点，并随着多媒体技术和网络技术的发展，使计算机深入到各行各业，被广泛应用到国民经济和人们生活的各个领域，应用前景十分广阔。而第五代计算机是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。1.1.2微型计算机的发展概况1．简介微型计算机(Microcomputer)，简称MC，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机(简称微型机，又称微型电脑)。有的微型计算机把CPU、存储器和输入/输出接口电路都集成在单片芯片上，称之为单片微型计算机，也叫单片机。20世纪70年代，微处理器和微型计算机的生产和发展，一方面是由于军事工业、空间技术、电子技术和工业自动化技术的迅速发展，日益要求生产体积小、可靠性高和功耗低的计算机，这种社会的直接需要是促进微处理器和微型计算机产生和发展的强大动力；另一方面是由于大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，1970年已经可以生产1KB的存储器和通用异步收发器(UART)等大规模集成电路产品并且计算机的设计日益完善，总线结构、模块结构、堆栈结构、微处理器结构、有效的中断系统及灵活的寻址方式等功能越来越强，这为研制微处理器和微型计算机打下了坚实的物质基础和技术基础。因而，自从1971年微处理器和微型计算机问世以来，它就得到了异乎寻常的发展，大约每隔2～4年就更新换代一次。至今，经历了三代演变，并进入第五代。２．微型计算机发展史（1）第一代微型计算机IBM-PC/XT及其兼容机称为第一代微型计算机。1981年8月IBM公司推出个人计算机IBM-PC；1983年8月又推出了PC/XT（其中XT代表扩展型），他使用了Intel8088芯片作为CPU，内部总线为16位，外部总线为8位。它配有大小写字母和光标控制的键盘，有文字处理等配套软件等，这些性能在当时都令人耳目一新。（2）第二代微型计算机286AT及其兼容机称为第二代微型计算机。IBM公司在1984年8月又推出了IBM-PC/AT（其中AT代表先进型）。它使用了Intel80286芯片作为CPU，时钟频率从8MHz到16MHz，它是完全16位的微处理器，内存达到1MB，并配有高密度磁盘和20MB以上的硬盘，采用了AT总线。（3）第三代微型计算机386微机称为第三代微型计算机。它分为EISA总线和MCA总线两大分支。Compaq公司在1986年率先推出了386AT（牌号：Deskpro386），接着在1988年又推出了与ISA总线兼容的扩展工业标准体系结构EISA总线；IBM公司在1987年推出了PS/2-50型，它使用80386作为CPU芯片，采用IBM独自的微通道体系结构的MCA总线。（4）第四代微型计算机486微机称为第三代微型计算机。它又以局部总线的不同分为VESA和PCI两大分支。1989年Intel80486芯片问世后，很快就出现了以它为CPU的微型计算机，他们仍分为EISA和MCA两个分支。但又发展了局部总线技术，1992年Dell公司的XPS系列首先使用了VESA局部总线；1993年NEC公司的ImageP60则采用了PCI局部总线。（5）第五代微型计算机1993年Intel又推出了Pentium（奔腾）芯片，各国微机厂家很快就推出了以奔腾为芯片的微型机。之后，IBM、Motorola、Apple三家公司联合开发了PowerPC芯片，DEC公司推出了Alpha芯片，展开了64位或准64位高档微机的激烈竞争。微机的发展还在继续着。综上所述，在短短的二三十几年时间里，微型机已从PC/AT、286、386、486发展到Pentium（奔腾）和PentiumⅡ、PentiumⅢ，且还会有更新的发展。目前一台普通的微型机，其性能已经超过了早期巨型机的水平。1.1.３我国计算机的发展概况我国计算机发展大致经历了以下几代。1．第一代电子管计算机研制(1956-1964年)1956年，国家制定了《十二年科学技术发展远景规划纲要》，把计算机、半导体、自动化、电子学列为必须抓紧的四大紧急项目。同年，在国内相继建立了相关的研究机构，在大专院校设立相关的学科。从此我国的计算机事业正式起步。1958年5月，我国第一台电子管通用计算机103机和104机研制成功。它的内存容量为1024字节，运算速度为每秒1500次，用磁芯和磁鼓作为存储介质。为纪念这个日子，该机定名为八一型数字电子计算机。该机在738厂开始小量生产，改名为103型计算机(即DJS-1型)，共生产38台。1958年6月我国开始了第一台大型通用电子计算机（104机）研制，以前苏联当时正在研制的БЭСМ-II计算机为蓝本，在前苏联专家的指导帮助下，中科院计算所、四机部、七机部和部队的科研人员与738厂密切配合，于1959年国庆节前完成了研制任务。在研制104机同时，夏培肃院士领导的科研小组首次自行设计于1960年4月研制成功一台小型通用电子计算机－107机。1964年我国第一台自行设计的大型通用数字电子管计算机119机研制成功，平均浮点运算速度每秒5万次，参加119机研制的科研人员约有250人