第一章计算机基础知识

第1章计算机基础知识计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。自计算机问世以来,它以强大的生命力飞速发展.已形成规模巨大的计算机产业,同时也带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革。计算机是人类进入信息时代的重要标志。1．1计算机的发展1．1计算机的发展一、第一台计算机1946年,世界上第一台电子数字计算机ENIAC(电子数字积分计算机)在美国宾西法大学诞生,它的问世,标志着信息时代的来临,具有划时代的意义。在ENIAC的研发过程中,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼针对它存在的问题,提出了一个全新的通用计算机方案，这就是ENIAC方案,也是现代计算机的技术方案。它包括三个部分：·计算机由五个部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备:·采用二进制形式表示计算机的指令和数据:·将程序(由一系列的指令组成〉和数据存放在存储器中,让计算机自动地执行程序。因此计算机是一种能够快速地、高效地完成数字化信息或知识处理的电子设备,它能按照人们预先设计的程序对输入的数据进行存储、处理和传送,使人们获得有用的输出信息和知识。二、计算机的分代在第一台计算机诞生以来的50多年中,电子器件及其发展对计算机的更新换代起着决对性的作用。计算机的发展常以第几代表示。划代的方法通常以构成计算机的电子器件的不断更新为标志,分为电子管、晶体管、小规模和中规模集成电路、大规模和超大规模集成电路。1.第一代计算机(1946-1958年),电子管计算机时代采用电子管作为计算机的功能单元,体积大、耗电量大、寿命短、百靠性差;采用电子射线管、磁鼓存储信息,容量小:使用机器语言和汇编语言编制程序,主要用于数值计算。典型机种:ENIAC、UNIVAC等。2.第二代计算机(1959-1964年),晶体管计算机时代采用晶体管为主要逻辑部件,体积小、重量轻、可靠性提高、运行速度加快:采用磁芯作主存错器,用磁盘和磁鼓作外存储器:出现了系统软件和高级语言。-1一３．第三代计算机（1965-1970年),集成电路计算机时代采用中小规模集成电路和微型化的元器件,使计算机体积更小、速度更快;采用半导体存储器作为主存储器,存储容量和存取速度大大提高:系统软件得到很快的发展,出现了分时操作系统,允许多用户分享计算机资源:采用结构化程序设计方法,使软件技术得到较大的提高。4.第四代计算机(1971年至今),大规模、超大规模集成电路计算机时代大规模和超大规模集成电路取代了中小规模集成电路。这时微处理器的出现,使微型机异军突起,独树一帜。通常把1971年至今出现的计算机称为第四代计算机。计算机的体积更小、功能更强、价格更低,计算机进入了一个全新的时代。三、微型计算机的发展在计算机的飞速发展过程中,20世纪70年代出现了微型计算机。微型计算机开发的先驱是两个年青的工程师,美国英特尔(Intel)公司的霍夫(Hoff)和意大利的弗金(Fagin)。霍夫首先提出了可编程通用计算机的设想,即把计算机的全部电路制作在4个集成电路芯片上。这个设想首先由弗金实现,他在42×3.2mm2的硅片上集成了2250个晶体管,构成中央处理器,即4位微处理器Inte14004。再加上一片随机存储器,一片只读存储器和一片寄存器,通过总线连接就构成了4位微型计算机。图1.1微型计算机凡由集成电路构成的中央处理器(CentralProcessingUnit.CPU),习惯上称为微处理器(MicroProcessor)。由不同规模的集成电路构成的微处理器.形成了微型计算机的几个发展阶段。1.第一代微型计算机通常把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PC/XT,其中XT代表扩展形(extendedType)。它使用了Inte18088芯片作为处理器。IBM-PC在当时是最好的产品,它的80系列的显示,PC单总线带来的开放式结构、有大小写字母和光标控制等配套软件,这些性能在当时都令人耳目一新。2.第二代微型计算机286AT机及其兼容机被称为第二待微型计算机1984年8月IBM公司又推出了IBM-PC/AT(AdvancedType或AdvancedTechnology)。它使用了Intel80286芯片作为处理器,主频从8MHz到16MHz,是完全16位的微处理器，内存达到1MB,并配有高密软磁盘和20MB以上的硬盘。3.第二代微型计算机386微机被称为第三代微型计算机。1986年,PC兼容机厂家Compaq公司率先推出386AT机,牌号是DeskPr0386,开辟了386微机的新时代。1987年IBM推出PS/2-50型,它使用Inte180386作为CPU芯片。4.第四代微型计算机486微机被称为第四代微型计算机。1989年,Inte180486芯片问世后,很快就出现了以它为CPU的微型计算机。5.第五代微型计算机1993年Intel公司推出了Pentium芯片,当时一个芯片集成了310万个晶体管。它是人们原先设想的80586,中文名为奔腾“，随后又陆续推出了CIassicPentium(经典奔腾)、pentiumpro(高能奔腾)、pentiumMMX(多能奔腾)、pentiumII(奔腾二代)、pentiumIII(奔腾三代)和奔腾第四代产品(P4)的微型机。随Intel公司在各阶段推出的微处理器的同时,各国厂家也相继推出与奔腾微处理器结构、性能相近的微型机。此外,IBM、Motorola、Apple三家公司联合开发了PowerPC芯片,DEC公司也推出了Alpha芯片,展开了64位高档超级微机的激烈竞争。它们的性能超过了早期的巨型机。在微型计算机领域,除已经介绍的PC机外,还有单片机、便携式PC机(俗称笔记本电脑—NotebookComputer)等。(1)单片机(SingleChipComputer)单片机是将微处理器、存储器和输入输出接口电路集成在一块很小的硅片上,构成可以独立工作的计算机。常用于智能化仪器仪表、医疗仪器和家电消费类产品(如彩电、洗衣机、音响设备的自动控制等)中:在工业测控(如数据采集、各类生产线的监视和测量控制等)和计算机网络与通信技术中的应用也很普遍。（2)便携式计算机(PortableComputer)便携式计算机体积小、重量轻、便于携带和安放,性能不低于台式PC机。虽然目前台式机(Desktop)使用的数量仍占多数,但随着便携式PC机价格的平调和功能的不断扩大,不久将会成为PC机市场中的主流。(3)移动PC2003年年初,Intel公司又发布了Intel迅驰移动计算技术。新款笔记本专用CPU迅驰问世,使计算机技术进一步倡导的高性能、无缝无线连接技术得到大大的提高。随着电子技术及相关关键技术的不断发展,微型计算机的应用正迎合了电子移动办公等应用需求,向全数码、全方位延伸开来,使微型计算机由台式机向便携式计算机迅速发展。1.1.2应用领域随着计算机的发展与普及,计算机应用巳渗入社会生活的各个领域。计算机应用,从大的方面可分为数值处理和非数值处理两大类,根据所处的领域不同,我们又习惯将它分为如下几个领域。一、科学计算即数值计算,它的特点是计算量大和数值变化范围广。计算机的高速、高精度、大容量存储和高自动化性能是最适合进行科学计算的。科学计算涉及各个领域的科学研究和工程设计,如导弹、火箭、航天飞机、,载人飞船、人造卫星、天气预报、水利枢纽、大型桥梁、高层建筑和地震测报等工程中的科学计算。二、信息管理信息管理的核心是数据处理,即计算机对生产和经营活动以及社会科学研究中的大量信息进行收集、转换、分类、统计、处理、存储、传输和输出的处理。数据处理是-切信息管理和辅助决策系统的基础,各类管理信息系统(如MIS)、决策支持系统(DSS)、专家系统(ES)以及办公自动化系统(OA)都需要数据处理的支持。人们熟悉的银行信用卡存取业务、网络信息服务等无一不与数据处理技术相关。三、过程控制大型企业的生产过程自动控制,是计算机应用的又一重要领域,如数控机床、电子仪表等。计算机控制技术对现代化国防和空间技术都具有重大的意义,如导弹、人造卫星和宇宙飞船等均是采用计算视控制的。四、辅助设计计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)是工程设计人员和工艺设计人员在计算机系统的辅助下,根据一定的设计和制造流程进行产品设计和产品加工工作的一项专门技术。工程技术人员利用CAD系统,通过人机交豆操作方式进行产品设计构思、产品总体设计、技术资料编制和零部件结构图绘制等:工艺设计人员利用CAM提供的功能,进行零部件加工路径的控制和加工状况预显示,以及生成零部件加工信息或数控程序,控制数控机床加工零部件。它取代了原来的手工设计和操作过程,使设计的效率、加工精度和产品质量得到很大的提高。辅助设计还包括计算机辅助教学(CAI)和计算机辅助测试(CAT)等。CAD/CAM应用最早和最广泛的是飞机和汽车制造业。五、人工智能人工智能(AI),即研究如何利用计算机模仿人类的智能,是在计算机技求与控制论学科上发展起来的边缘学科。近年来,它的应用主要是:机器人研究、专家系统、模式识别、智能检索、自然语言处理和机器翻译等。1．2计算机硬件及基本工作原理一个完整的计算机系统由硬件和软件两部分组成,如图1.2所示。硬件是指构成计算机的物理部件,它包括计算机系统中的一切物理器件,如显示器、主机箱、键盘等。软科是计算机工作所需要的程序和数据等。计算机的种类很多,除了微型计算机之外,还有巨型机、大中型机和小型机。微型机中,除了台式机外,还有便携机(如笔记本电脑、掌上电脑等)、单片机等。尽管它们在规模、性能等方面存在很大的差别,但它们的基本结构和工作原理基本相同。下面以致型计算机为例,对计算机硬件及工作原理加以介绍。-4一1.2.1计算机的基本工作原理计算机种类很多,外形和用途也有差别,但从功能上看,一台计算机的硬件都是由输入设备、存储器(其中可分为内存储器和外存储器)、运算器、控制器和输出设备组成。如图1.3所示。当代计算机是按照冯·诺依曼提出的二进制和存储程序原理制造的。计算机的大致工作过程是这样的:用户通过输入设备输入程序和数据,控制器先将它们保存在存储器中,然后指挥运算器按照程序的规定对数据进行运算或处理,并将运算或处理结果存放在存储器中。如果要输出结果,则控制器将输出结果从存储器输出到输出设备上。因此,计算机内部的硬件工作均是在控制器的控制之下进行的。-5一从结构上看,计算机硬件系统主要包括主机、输入设备和输出设备三大部分。主机部分包括控制器、运算器和内存储器,通常在微机中运算器和控制器制作在同一块芯片上,称为中央处理器(CPU)。主机箱中除了主机部分外,还包括主板、存储设备、电源和各种插件板等部件。常用输入设备有键盘、鼠标等,常用的输出设备有显示器、打印机等。12.2主机箱、中央处理器(CPU)和主板一、主机箱主机箱内安装有CPU、内存储器、主板、硬盘及硬盘驱动器、光盘驱动器、软盘驱动器、机箱电源和各种接口卡等部件。主机箱面板上有一个电源开关(Power)和一个重启动开关(Reset)。当计算机正常开机时,按电源开关启动:当计算机使用过程中无法正常使用,如死机时,可按重启动开关重新启动计算机。计算机主机箱的背面有许多专用接口,主机通过这些接口与显示器、键盘、鼠标、打印机等输入、输出设备连接。二、CPUCPU主要包括运算器和控制器两大部件,又称为微处理器,是计算机的核心部件。计算机的所有操作均受CPU控制。CPU芯片如图1.4所示。CPU的性能指标直接决定了由它构成的微型计算机系统的性能指标。主要指标有两个:字长和时钟频率。字长表示CPU每次处理数据的能力,字长越长,计算机的精度越高,速度越快。如奔腾系列CPU芯片(Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、PII、PIII、PIV),与此相兼容的产品有Intel公司的赛扬(Celeron)、至强(Xeon),AMD公司的K6、K7、速龙(Ad1lon)等,均为32位的CPU。时钟