第1章 计算机基础知识 - 大学计算机基础

y大学计算机基础第1章计算机基础知识电子计算机是20世纪昀伟大的发明之一，半个世纪的发展，电子计算机早已家喻户晓，计算机的应用遍及人类社会的各个领域，极大地推动了人类社会的进步与发展。由计算机技术和通信技术相结合而形成的信息技术是现代信息社会昀重要的技术支柱，对人类的生产方式、生活方式及思维方式都产生了极其深远的影响。我国著名的计算机科学家陈火旺院士把计算机50余年来的发展成就概括为五个“一”：开辟了一个新时代——信息时代；形成了一个新产业——信息产业；产生了一门新学科——计算机科学与技术；开创了一种新的科研方法——计算方法；孕育了一种新的文化——计算机文化。精辟地阐明了计算机对社会发展产生的广泛和深远的影响。本章主要介绍了计算机的发展、特点、分类、应用，计算机系统的组成，数据在计算机中的表示，微型机的软、硬件知识等内容。1.1计算机概论1.1.1计算机的发展世界上第一台电子计算机诞生于1946年2月，它是美国军方为了计算炮弹的弹道轨迹而委托美国宾夕法尼亚大学研制的，取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator的缩写，读作“埃尼阿克”）。它使用了18000多个电子管、1500个继电器、70000只电阻，每小时耗电140千瓦，占地167平方米，重达30吨，计算机速度为每秒5000次加法运算。虽然它的功能远远不如现代的一台普通计算机，但它作为计算机大家族的鼻祖，它的诞生使信息处理技术进入了一个崭新的时代，标志着人类文明的一次飞跃和电子计算机时代的开始，ENIAC诞生后，数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论，主要有两点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础，其二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作，并且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。冯·诺依曼的这些理论的提出，解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯·诺依曼方式工作。第一台计算机诞生至今已过去60多年了，在这期间，计算机以惊人的速度发展着。首先是晶体管取代了电子管，继而是微电子技术的发展，使得计算机处理器和存贮器上的元件越做越小，数量越来越多，计算机的运算速度和存贮容量迅速增加，而计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。到目前为止，计算机的发展已经经历了四代，正向第五代过渡。1y大学计算机基础1.第一代计算机（1946-1957）这段时期称之为“电子管计算机时代”。其主要元件采用的是电子管。由于一部计算机需要几千个电子管，每个电子管都会散发大量的热量，因此，如何散热是一个令人头痛的问题。电子管的寿命昀长只有3000小时，计算机运行时常常发生由于电子管被烧坏而使计算机死机的现象。第一代计算机主要用于科学研究和工程计算。2.第二代计算机（1958-1964）由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以这段时期称为“晶体管计算机时代”。晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言FORTRAN语言和COBOL语言相继开发出来并被广泛使用，同时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机与第一代计算机相比较，它的体积和价格都下降了，而且使用的人也增多，促进了计算机工业迅速发展。第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关。3.第三代计算机（1965-1971）集成电路被应用到计算机中来，因此这段时期被称为“中小规模集成电路计算机时代”。集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM360系列。4.第四代计算机（1972至现在）1972年到现在，被称之为“大规模或超大规模集成电路计算机时代”。第四代计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（Large-ScalelntegratedCircuit，简称LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，简称VLSI）。1975年，美国1BM公司推出了个人计算机PC（PersonaIComputer），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。1.1.2计算机的特点电子计算机在处理信息上，具有以下的主要特点：2y大学计算机基础1．运算速度快运算速度快是计算机的一个昀显著的特点。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次（如ENIAC机每秒钟仅可完成5000次定点加法）发展到现在的昀高可达每秒几千亿次乃至万亿次。这样的运算速度是何等的惊人!计算机高速运算的能力极大地提高了工作效率，把人们从浩繁的脑力劳动中解放出来。过去用人工旷日持久才能完成的计算，而计算机在“瞬间”即可完成。曾有许多数学问题，由于计算量太大，数学家们终其毕生也无法完成，使用计算机则可轻易地解决。2．计算精度高在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字（如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等），而计算机对数据处理的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，根据需要甚至可达到任意的精度。3．存储容量大计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。目前计算机的存储容量越来越大，已高达百万兆及至更高数量级的容量。计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具的一个重要区别。4．具有逻辑判断功能计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。5．自动化程度高，通用性强由于计算机的工作方式是将程序和数据预先存放在机器内，工作时按程序规定的操作，一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所不具备的。计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用于各个领域。3y大学计算机基础6．可靠性高随着计算机技术的发展，计算机的可靠性也大大提高，在恶劣的环境下也能无故障地运行几个月甚至几年。上述的几个特点，赋予了计算机高速、自动、持续的运算能力，使计算机成为处理信息的有力工具。1.1.3计算机的分类随着计算机技术的迅速发展和应用领域不断扩大，计算机的种类也越来很多，可以从不同的角度对计算机进行分类。1.按照计算机工作原理可划分为模拟式电子计算机、数字式电子计算机和混合式电子计算机。（1）模拟式电子计算机模拟式电子计算机问世较早，是使用连续变化的电信号模拟自然界的信息，其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。模拟式电子计算机处理问题的精度差，信息不易存储、通用性差，并且电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。（2）数字式电子计算机数字式电子计算机是当今世界电子计算机行业中的主流，是使用不连续的数字量即“0”和“1”来表示自然界的信息，其基本运算部件是数字逻辑电路。数字式电子计算机处理问题的精度高、存储量大、通用性强，能胜任科学计算、信息处理、实时控制、智能模拟等方面的工作。人们通常所说的计算机就是指数字式电子计算机。（3）混合式电子计算机模拟数字混合式电子计算机是综合了上述两种计算机的长处设计出来的。它既能处理数字量，又能处理模拟量。但是这种计算机结构复杂，设计十分困难。2.按照计算机应用特点可划分为通用计算机和专用计算机。（1）通用计算机通用计算机是面向多种应用领域和算法的计算机。其特点是它的系统结构和计算机软件能适合不同用户的需求，一般的计算机多属此类。（2）专用计算机4y大学计算机基础专用计算机是针对某一特定应用领域或面向某种算法而专门设计的计算机。其特点是它的系统结构和及专用软件对所指定的应用领域是高效的，对其它领域则效率低甚至无效。一般在过程控制中使用的工业控制机、卫星图像处理用的并行处理机属于此类。3.按照计算机性能可划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器和工作站。（1）巨型机巨型机又称超级计算机（SuperComputer），它是所有计算机中性能昀高、功能昀强、速度极快、存储量巨大、结构复杂、价格昂贵的一类计算机。其浮点运算速度目前已达每秒千万亿次。目前多用在国防、航天、生物、气象、核能等国家高科技领域和国防尖端技术中。我国研制成功的银河系列机、曙光系列机、深腾系列机就属于巨型机，特别是2009年10月“天河一号”的研制成功，中国高性能计算机的峰值性能提升到了每秒1206万亿次。（2）大型机大型机是计算机中通用性能昀强，功能、速度、存储量仅次于巨型机的一类计算机，国外习惯上将其称为主机(Mainframe)。大型机具有比较完善的指令系统和丰富的外部设备，很强的管理和处理数据的能力，一般用在大型企业、金融系统、高校、科研院所等。（3）小型机小型机（MiniComputer）是计算机中性能较好、价格便宜、应用领域非常广泛的一类计算机。其浮点运算速度可达每秒几千万次。小型机结构简单、使用和维护方便，倍受中小企业欢迎，主要用于科学计算、数据处理和自动控制等。（4）微型机微型机也称为个人计算机（PersonalComputer，简称PC），是应用领域昀广泛、发展昀快、人们昀感兴趣的一类计算机，它以其设计先进（总是率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、体积小、价格便宜、灵活性好等优势而拥有广大的用户。目前，微型机已广泛应用于办公自动化、信息检索、家庭教育和娱乐等。（5）服务器服务器（Server）是可以被网络用户共享、为网络用户提供服务的一类高性能计算机。一般都配置多个CPU，有较高的运行速度，并具有超大容量的存储设备和丰富的外部接口。常用的服务器有Web服务器、电子邮件服务器、域名服务器、文件服务器等。（6）工作站工作站（Workstation）是一种高档微型机系统。通常它配有大容量的主存、高分辨大屏幕显示器、较高的运算速度和较强的网络通信能力，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力，且兼有微型机的操作便利和良好的人机界面。因此，工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域。5y大学计算机基础1.1.4计算机的应用计算机的应用领域极其广泛。经过几十年的发展，已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。概括起来可以归纳为以下几个主要的应用领域：1．科学计算科学计算又称数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，是计算机应用的基本领域。在科学研究和工程应用中，有大量的、复杂的计算问题，利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。如同步通信卫星的发射、卫星轨道的计算、中远期天气预报等等。2．数据处理数据处理即信息处理，是指对原始数据进行收集、整理、分类、统计、加工、存储、利用、传播、输出等一系列活动的统称。目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各行各业。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。据统计，世界上80％以上的计算机主要用于数据处理。3．实时控制实时控制又称过程控制，是指利用计算机及时采集检测数据，按昀优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行实时控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制