1.1计算机概述

第1章计算机基础知识1.1计算机概述【主要内容】◆了解计算机的概念、发展历史。◆了解计算机的分类、特点。◆理解计算机的用途。◆计算机工作原理及工作过程1.1.1计算机基本知识1、概念电子计算机是一种高速进行操作、具有内部存储能力、由程序控制操作过程的电子设备。2、计算机的发展1）．第一台电子数字计算机的诞生名字：ENIAC（爱尼亚克）年代：1946年研制：美国宾夕法尼亚大学特点：①庞然大物——重量30吨、占地170平方米。②运算速度为每秒5000次。③成本很高，使用不便。2）．计算机所经历的四个发展时代根据构成计算机的电子元器件不同，从第一台计算机诞生至今，它经历了四个发展时代：电子管晶体管集成电路大规模集成电路和超大规模集成电路（1）第一代计算机第一代为电子管计算机时代（1946—1957年）其主要特点是:采用电子管作为基本器件;它体积庞大，造价昂贵，速度慢(运算速度为1万次/秒)，存储容量小(2KB存储器)；耗电多，可靠性差，不易掌握，维护困难。外部设备采用纸带、卡片、磁带等；没有操作系统，只能识别机器语言编写的程序。应用：这一代计算机主要用于军事和科研部门的数值计算。具有代表性的机型有：ENIAC、EDVAC、UNIVAC、IBM650等。（2）第二代计算机第二代为晶体管计算机时代（1958—1964年）主要特点：这时期计算机的主要器件由电子管改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性。运算速度为300万次/秒，存储容量提升到32KB；出现了磁带、磁盘等辅助存储器。应用：这一代计算机的应用已由军事领域和科学计算扩展到数据处理和事物处理。具有代表性的机型有：UNIVACⅡ、IBM7090、IBM7094等。（3）第三代计算机第三代为集成电路计算机时代（1965—1971年）主要特点:这时期的计算机采用集成电路作为基本器件，功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应地提高。开始使用半导体存储器，辅助存储器仍以磁盘、磁带为主；运算速度为1～10亿次浮点运算/秒；8～256MB存储器；从而极大地提高了计算机的整体性能。应用：这一时期的计算机主要用于科学计算、数据处理以及过程控制。具有代表性的机型有：IBM360系列、HoneyWell6000系列、富士通F230系列等。（4）第四代计算机第四代即大规模、超大规模集成电路计算机时代(1971—今)。主要特点：该时期计算机使用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件。计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度、存储容量、可靠性等又有了大幅度提高。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；计算机的速度可达每秒几百万次至上亿次。应用：数据通信、计算机网络已有了很大发展，微型计算机异军突起，遍及全球。具有代表性的计算机有：IBM308X系列、CRAY系列等。（5）新一代计算机。从上世纪80年代开始，日本、美国以及欧洲共同体等相继开始研制新一代计算机，其目标是要使计算机像人一样具有听、看、说和会思考的能力。新一代计算机应具有知识存储和知识库管理功能，能利用已有知识进行推理判断，具有联想和学习功能。新一代计算机想要达到的目标相当高，它牵涉到很多高新技术领域，像微电子学、计算机体系结构、高级信息处理、软件工程方法、知识工程和知识库、人工智能和人机界面（理解自然语言，处理声、光、像的交互）等等。卡斯帕罗夫与“深蓝”的人机大战97年34岁的卡斯帕罗夫与“深蓝”的“人机大战”始于5月3日，双方先后共进行6局对弈。在首局比赛中，卡斯帕罗夫执白先行，经过3个多小时的苦战击败“深蓝”，力拔头筹。在次日举行的第二局比赛中，“深蓝”却以凌厉的攻势和明显的优势战胜卡氏，扳回一局。在接下去的第三、第四和第五局比赛中，双方下得异常激烈，鏖战数小时，最终均战成平局。11日举行的第六局比赛，“深蓝”充分利用执白先行的好处，一路强攻，仅用一个多小时，双方仅走19步，就让卡氏俯首称臣，取得了决定性的胜利。“深蓝”重达1.4吨，是一台RS/6000SP型超级计算机，共装有32个并行处理器，每秒能分析2亿步棋。“深蓝”对每步棋作出决定前，有四个主要考虑，包括：(1)棋子，每只棋子各有价值，但在不同位置和棋局的不同阶段，价值会相对调整；(2)位置，电脑就棋子周围能够作安全攻击的四方格数目估值。控制愈多四方格，愈处于优势；(3)步调，力求每一步皆有助于操作棋局；(4)保王，电脑替王所处的位置的安全性估值，以作出防卫棋步。同时，“深蓝”内存贮了几乎世界上所有的棋谱，对于棋王过去下过的每一局棋都了如指掌，而且心无旁骛。它能根据卡氏过去的棋局进行程序优化。包装后的“深蓝”也可以在下棋过程中由人改变程序，根据棋面及时调整战略战术，表现出人性化的某些智能性。1.1.2计算机的分类计算机的种类很多，根据不同的分类标准，可以将计算机分为不同的类别。我们通常按照计算机的体积大小和功能的强弱，把计算机分为:a.巨型计算机b.大型计算机c.中型计算机d.小型计算机e.微型计算机目前最常见的是微型计算机。微型计算机由于体积较小、价格便宜，适合个人使用，因而将微型计算机称为个人计算机(PersonalComputer，简称PC机)。微型机还可以细分为台式机、便携式计算机（笔记本电脑）、掌上电脑等，如下图所示。(a)巨型计算机(b)大型计算机（e）掌上电脑（c）台式机（d）笔记本电脑1.1.3计算机的特点(1)运算速度快现在计算机的运算速度在几十MIPS以上，巨型计算机的运算速度甚至达到数亿MIPS。如果一个人在一秒钟内能作一次运算，那么一般的电子计算机一小时的工作量，一个人得做一百多年。计算机的运算速度的衡量单位为MIPS（MillionsofInstructionsPer-Second，每秒执行多少百万条指令）。计算机由电子管升级到晶体管，再升级到SSI、MSI、LSI、VLSI等，其运算速度以每隔几年提高一个数量级的水平不断发展。(2)计算精度高数据在计算机内部使用二进制数字表示，而通过提高计算机的位数可以提高计算机的计算精度。因此，计算机的计算精度理论上不受限制。现在的计算机有几十位有效数字，而且随着技术的进步，计算机可以实现任何精度的计算。例如，著名数学家挈依列花了15年时间才将圆周率π算到第707位，而计算机几个小时内就可计算到10万位。数控第一节课(3)存储容量大(具有记忆能力)计算机的存储器可以存储大量的数据和程序，以备随时调用。通过相应的逻辑控制系统，存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确的调取这些信息。计算机的存储器不像人脑一样会遗忘所记忆的信息，只要存储设备不损坏，信息可以永久保存，并且存储器的容量可以无限扩展。(4)具有逻辑判断能力计算机能够对文字、符号、数字的大小、异同等进行判断和比较，进而分析怎样处理这些信息。计算机的这种逻辑判断能力，使其能够超越本身的“计算”功能，根据各种条件进行判断、分析，并根据判断分析的结果决定下一步的执行方法和步骤，因而能够完成许多非数值计算问题，比如信息检索、图象识别、逻辑推理等。(5)自动执行程序的能力计算机具有存储功能，它可以将人们预先编制的操作运算程序存入存储器，再按照这些程序所规定的步骤逐条执行，完成程序既定的各种操作，直到得出计算结果。电子商务第1节课1.1.4计算机的用途(1)科学计算由于计算机能够进行高难度、高精度的数值计算，因而，可以用计算机来完成科学研究领域和工程技术中存在的复杂数学问题的计算过程，而这些工作通常是人力无法胜任的。例如气象部门在做天气预报时要收集、整理和计算大气温度、气压、风力湿度等大量观测数据，找出大气的运动规律。这样多的数据，人力是无法在短时间内处理完毕的。而使用计算机很快就能完成全部过程，并且得出比较准确的结果。(2)数据处理计算机能够对大量数据进行加工、分析、处理。例如，银行可以使用计算机进行电子交易、账目处理、结算等工作；图书馆可以使用计算机完成图书的分类管理、书籍报刊的借阅、资料的查询等工作；数据处理主要是对大量数据进行综合和分析，一般不涉及复杂的数学计算，但是要求处理的数据量极大，而且经常要求在短时间内处理完毕。计算机以其快速高效的数据处理能力，在这些部门完成了许多人类无法完成的工作，也使得数据处理成为计算机应用范围最大的一个领域，远远超过了科学计算。(3)实时自动控制又称过程控制，就是使用计算机适时地采集、检测被控制对象的数据，通过计算处理，按照最佳方案发出调节信号对控制对象进行自动调节。例如，导弹的发射与制导，飞机的飞行制导，生产线的自动控制，锅炉的自动调温，输电线的自动稳压等。(4)计算机辅助系统顾名思义，计算机辅助系统就是使用计算机辅助人力完成特定领域的工作。目前应用较广泛的计算机辅助系统有计算机辅助设计（简称CAD）、计算机辅助教学（简称CAI）、计算机辅助制造（简称CAM）以及计算机辅助工程（简称CAE）等。(5)人工智能人工智能（ArtificialIntelligence，简称AI），又称“智能模拟”，主要研究使用计算机系统来模拟人类的思维和行为，对出现的各种情况进行比较、分析和判断，并且通过自己的“学习”功能来提高自己的“能力”。如今，AI的应用主要表现在以下几个方面：机器人（Robots）、专家系统（ExpertSystem）、模式识别系统（PatternRecognition）和智能检索系统（IntelligentRetrieval）(6)虚拟现实虚拟现实(VirtualReality)技术又称为计算机模拟，就是利用计算机模拟现实的三维环境，将现实中的一些需要投入大量人力、物力、财力的实验或者场景在计算机中用数字模拟出来（如图1-5）。在今天的工业领域中，产品的设计、测试和完善过程中的许多环节都可以在计算机中模拟进行，大大地降低了商品成本，提高了质量。一些危险的实验，比如战争模拟和军事演习，飞机的模拟驾驶，新式武器的杀伤力等，都可以使用计算机软件模拟实现。图1-5虚拟现实(7)多媒体技术多媒体（Multimedia）技术是一种把文本(Text)、图形(Graphics)、图像(Images)、动画(Animation)和声音(Sound)等形式的信息结合在一起，通过计算机进行综合处理和控制，并支持完成一系列交互式操作的信息技术。广泛应用于工业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域，图所示的是著名的多媒体播放软件的界面。(8)计算机网络应用简单地说，计算机网络就是通过电缆、电话线或者无线连接将两台以上的计算机互连起来的集合。通过计算机网络，将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备使用通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递。1.1.5计算机工作原理及工作过程现在我们所使用的计算机硬件系统的结构一直沿用了由美籍著名数学家冯•诺依曼提出的模型，它由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大功能部件组成。随着信息技术的发展，各种各样的信息，例如：文字、图像、声音等经过编码处理，都可以变成数据。于是，计算机就能够实现多媒体信息的处理。图象、文字、声音等信息转成数据的示意图各种各样的信息，通过输入设备，进入计算机的存储器，然后送到运算器，运算完毕把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示出来。整个过程由控制器进行控制。计算机的工作过程计算机的基本原理是存贮程序和程序控制预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存贮器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去，直至遇到停止指令。