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1、第1章 计算机基础知识,1.1 计算机概述 1.2 计算机系统的组成 1.3 微型计算机硬件组成 1.4 计算机中数据及表示 1.5 计算机病毒,1.1 计算机概述,1. 1. 1 计算机的发展 世界上公认的第一台数字电子计算机是1946年由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约翰莫齐利(John Mauchlv)和工程师普雷斯伯埃克特(J.Presper Eckcrt)领导研制的，取名为ENIAC ( Elcetronic Numerical IntergratorAnd Calculator)的计算机，如图1 -1所示。这台计算机1943年开始研制，完成于1946年，它占地面积达170平方米，
2、总体积约90立方米，重量达30吨，功率为150千瓦，耗资45万美元，共使用了近18 000万个电子管、1 5 00个继电器以及其他器件。在工作时这些管子像2万只点着的灯泡。ENIAC主要用来进行弹道计算的数值分析，用十进制进行计算，其运算速度为每秒5 000次加法或,下一页,返回,1.1 计算机概述,400次乘法，比机电式计算机快1 000倍。ENIAC的最大特点是采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和储存信息。它能够在一天内完成几千万次乘法，大约相当于一个人用台式计算机操作40年的工作量。当ENIAC公开展出时，用20秒钟就能算出一条炮弹的轨道，比炮弹本身的飞行速度还快，一度被誉为“比炮弹
3、还要快的计算机”。 ENIAC的功能虽远不如今天的计算机，但它是第一台正式投人使用的计算机。它的诞生是人类文明史上的一次飞跃，它宣告了计算机时代的到来。 从第一台计算机问世至今，不过60多年，计算机技术以惊人的速度发展，其系统结构不断变化。人们根据计算机所采用的电子器种类，常,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,把计算机划分为以下四个阶段，习惯上称为四代，见表1-1。在推动计算机发展的诸要素中，电子器件的更新是计算机划分时代的最重要的标志。 1.电子管时代(1946-1957年) 这期间计算机基础电子器件采用电子管，运算速度为每秒数千次至数万次，程序设计语言处于低级阶段，主要采用机器语言
4、，应用范围只用于科学计算和军事目的。其特点为体积大、速度慢、消耗高、故障多、造价昂贵。 2.晶体管时代(1958-1964年) 在这一阶段，计算机的基础电子器件是晶体管，内存储器普遍使用磁,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,芯存储器，运算速度一般为每秒10万次，高达几百万次，同时，计算机软件有了较大发展，采用监控程序，出现了如COBOL, Fortran等高级语言。计算机应用不再限于科学和军事方面，还用于数据处理、工程设计、过程控制等领域。与第一代计算机相比，晶体管计算机有体积小、成本低、功能强、耗电小、可靠性高等优点。 3.集成电路时代(1965-1971年) 由于电子制造工业的发展
5、，计算机的基础电子器件改为中、小规模集成电路。在几平方毫米的单晶体硅片上，可以集成几十个甚至几百个晶体管的逻辑电路，内存储器使用性能更好的半导体存储器，存储容量有了大幅度提高，运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，软件,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,技术进一步成熟，出现了操作系统和编译系统，并出现了多种程序设计语言，如人机对话式的BASIC语言等。集成电路计算机与晶体管计算机相比，其体积更小、速度更快、稳定性更强、应用范围更广。 4.大规模、超大规模集成电路时代(1972年至现在) 随着半导体技术的发展，集成度越来越高。第四代计算机采用大规模、超大规模集成电路作为其主要功能部件，内
6、存储器使用集成度更高的半导体存储器，计算速度可达每秒几百万次至数亿次。这一时期的计算机无论是在体系结构方面还是在软件技术方面都有较大提高，并行处理、多机系统、计算机网络均得到发展，软件更加丰富，出现了数据库系统、分布式操作和各种实用软件。其应用范围急剧扩展，广泛,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,用于数据处理、工业控制、辅助设计、图像识别、语言识别等，渗透人类社会各个领域，并且进入了家庭。 20世纪80年代初，科学家开始研制新一代智能计算机。其核心思想是把程序设计变为逻辑设计，突出冯诺依曼式计算机的体系结构，不仅要求提高计算机运算速度，更主要的是要求计算机更多地替代人脑的功能，在极短的
7、时间内做出更多的逻辑判断，使计算机能像人一样具有听、说、看、思考等功能。它研究的应用领域包括:模式识别、自然语言的理解和生成、自动定理证明、联想与思维机理、数据智能检索、专家系统、自动程序设计等。 科学家们在研制智能计算机的同时，也开始探索更新一代的计算机:,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,光电子计算机和生物电子计算机。它们不再采用传统的电子元件，光电子计算机采用光技术和光电子器件，生物电子计算机采用生物芯片，以生物工程技术产生的蛋白分子为主要材料。目前使用的计算机仍是冯诺依曼式计算机，非冯诺依曼式的新一代计算机还不成熟。 1 .1 .2 计算机的特点 为什么计算机能深人到人类社会的
8、方方面面?为什么其会具有如此大的神奇威力呢?这是因为它有着如下一些明显特点，而这些是任何其他工具无法比拟的。 1.运算速度快 这是人们最易想到的与其他计算工具的最明显的区别。电子线路组成,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,的电子计算机能以极高的速度工作，主频率为兆赫兹，每秒钟可执行几百万到数亿条指令。随着计算机系统结构等新技术的发展，更高速处理机芯片不断问世，计算机系统的工作速度还将不断地提高。计算机高速的运算不仅大大提高了工作效率，而且可使以前无法解决的复杂问题有了实现的可能。 2.运算精度高 运算精度取决于两方面:一是字长，现在计算机可进行32位、64位二进制运算;对要求精度高的问
9、题，还可提供双倍或多倍字长运算。二是采用科学的算法，再加上高质量的程序设计，能确保计算结果准确。计算机用于数值计算，获得千分之一到几百万分之一的精度甚至更高的精度都已成为现实。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,3.示己忆功能强 现代计算机具有极大的存储容量。不但有容量足够大的主存储器，还有由磁盘、光盘等外存组成的“海量”存储器。通过一定的技术将它们组成存储系统，可使之在容量、速度等方面满足高速度、大信息量运算的需要。 4.通用性广 计算机不仅可以处理数值数据，还可以处理非数值数据，如语言、文字、图形、图像、音乐等。因此，计算机不但可进行科学计算，还可进行语言翻译、文字处理、图像处理、
10、作曲演奏等。计算机具有运算和逻辑判断功能。因此，任何复杂的信息处理，都可分解成一系列的,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,基本操作，编制出相应的程序，通过执行程序，进行运算或判断，从而完成各种不同类型的处理任务。 5.自动运算 由于计算机可存储大量的数据和程序，采用存储程序控制方式工作，只要输入编排好的工作程序，在启动控制下便能自动地进行运算。计算机的运算无须人工干预，除非工作本身要求采取人机对话方式。计算机的内部操作运算都按照事先编制的程序自动地工作，这是计算机与计算器的本质区别所在。 1 .1 .3 计算机的分类 计算机种类很多，而且分类方法也很多。根据原理不同计算机可分为,上一页
11、,下一页,返回,1.1 计算机概述,电子模拟计算机和电子数字计算机。根据其用途不同又可分为通用计算机和专用计算机。平常使用的计算机是能解决各种问题、具有较强通用性的电子数字计算机。目前更常用的一种分类方法是按计算机的运算速度、字长、存储容量等综合性能指标进行的。 1.巨型计算机 它又称为超级计算机，是几种计算机中价格最贵、功能最强、占用面积最大的一类，主要应用于航天、气象、核反应等尖端科学领域。目前，世界上最快的巨型机的运算速度达每秒十万多亿次，美国、日本是生产巨型机的主要国家。我国先后推出了银河I (1亿次)、银河 (10亿次)、银河 (130亿次)等巨型计算机，分别于2000年7月和200
12、1,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,年2月又成功地研制出“神威一号”3 840亿次的巨型计算机、“曙光3000” 4 032亿次的高性能超级服务器，这标志着我国计算机水平已跨人世界先进之列。 2.大型计算机 它包括通常所说的大、中型计算机，其特点是通用性强、综合处理能力强、性能覆盖面广等。主要用于大公司、大银行、国家级的科研机构和重点理、工科院校等。由于大型机研制周期长，设计、制造复杂，在体系结构、软件、外设等到方面具有很强的继承性，因此只有少数国家从事大型机的研制、生产工作，美国的IBM , DEC，日本的富士通、日立等公司是生产大型机的主要厂商。,上一页,下一页,返回,1.1 计
13、算机概述,3.小型计算机 小型机规模小、结构简单、可靠性高、成本较低，易于操作又便于维护，比大型机更具有吸引力。它广泛用于企业管理、工业自动控制、数据通信、计算机辅助设计等，也用做大型、巨型计算机系统的端口。近年来，由于微机的大发展，使小型机市场受到严重的挑战。 4.工作站 工作站是以个人计算环境和分布式网络计算为基础，其性能高于一般微机的一种多功能计算机。它不同于网络系统中的工作站。网络中的工作站泛指联网的用户节点。这里的工作站指的是一种高档微机，它配有大屏幕、高分辨率的显示器、大容量的内存储器，而且大都具有,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,较强的联网功能。主要用于图形图像处理、计
14、算机辅助设计、软件工程以及大型控制中心。 5.微型计算机 平常所说的个人计算机(Personal Computer, PC)一般指微型计算机。它是第四代计算机时期出现的新机种，是目前发展最快的领域。因其小、轻、价廉、易用等优势渗透到社会生活的各个方面，几乎无处不在，无所不用。 PC机的核心是由大规模及超大规模集成电路构成的中央处理器(Central Processing Unit, CPU)，又称微处理器(Micro Processor Unit, MPU )。 1971年，美国Intel公司成功制造了第一批4位微处理器Intel,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,4004，并用它组成
15、了世界上第一台微型计算机MCS -4。它的出现，引发了电子计算机的第二次革命。随后，Intel公司又相继推出了8位、16位、犯位微处理器。同时，Motorola , Zilog ,Apple等公司一也在开发各自的微处理器。 1 .1 .4 计算机的应用 计算机的应用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。计算机的主要应用领域如下。 1.科学计算(或数值计算) 科学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。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,利用计算机的高速计算、大存储容量
16、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。 例如，建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出一系列复杂方程，长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解。而计算机不仅能求解这类方程，还引起了弹性理论上的一次突破，出现了有限单元法。 2.数据处理(或信息处理) 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是: 电子数据处理(Electronic Data Processing, EDP)，它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。 管理信息系统(Management Information System, MIS)，它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。 决策支持系统(Decision Support System, DSS)，它是以数据库、模型
