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1、第1章 计算机的发展一、计算机的发展1.早期计算工具的发展最早的计算工具是手指，但只能从1到20。公元前1300年，甲骨文中有记载，从一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、万这13个数字。算筹起源于周朝，是一根长短和粗细的小棍子，用来记数。算盘起源于宋朝。2.早期计算机的发展计算机发展经历了机械式计算机、机电式计算机和电子计算机3个阶段。1625年，英格兰人威廉 奥特雷发明了能进行6位的加减法的滑动计算尺。1642年，法国数学家帕斯卡设计出能进行8位十进制的加法器。1822年，英国数学家巴贝奇制造出了差分机。3.现代计算机的发展第一代计算机（1946年20世纪50年代末）电子管计算机
2、时代第一代计算机基本都采用了电子管作为计算机的基本元器件，普遍体积庞大、笨重、耗电量大、可靠性差、计算速度慢、维护困难；从软件方面来看，主要都是采用机器语言来进行程序编辑（50年代中期开始逐渐使用汇编语言）。这一代计算机主要服务于军事和科学研究，其中具有代表意义的机器有ENIAC、EDVAC、EDSAC、UNIVAC等，我国的典型机种有“103”、“104”等。第二代计算机（1958年1964年），晶体管计算机时代第二代计算机的电子元器件使用的是半导体晶体管，因为技术的革新而来使计算速度和可靠性都有了大幅度地提高。汇编语言已经普及，在此基础上，逐渐开始使用计算机高级语言（如FORTRAN语言、
3、COBEL语言等）。随着计算机的成本降低，计算机的应用范围开始扩大，由军事、科学领域扩展到数据和事务处理。在这一时期，具有代表意义的机器有IBM 7000系列计算机等。第三代计算机（1964年1972年），集成电路计算机时代在这一代，计算机开始逐渐的普及，主要采用的是集成电路。由于电子器件的微小化使得计算机体积变小，速度变快，价格却更加便宜；存储容量和存取速度上也有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力；系统软件也有了巨大的发展，出现了分时操作系统；在程序设计上采用了结构化的程序设计，简化了软件的开发。在这一时期，具有代表意义的机器有国外的IBM-360，我国的“655”、“709”等。第四代计
4、算机（1972年至今）大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代计算机是使用大规模、超大规模集成电路的电子元器件。软件方面，操作系统、数据库系统得到飞速发展，软件行业发展成为现代新兴的热门行业。在这一代计算机中，由于使用了大规模、超大规模集成电路，使得微型计算机异军突起，遍及全球。计算机开始普及，应用领域扩大到了社会的每一个角落。在这一代计算机中，机体积越来越小、功能越来越高、造价便宜，使计算机应用走进了人类的生活之中。典型机种有国外的IBM-307，我国的“银河”、“152”等。4.微型计算机的发展第一台微型计算机发明人爱德华 罗伯茨于1975年设计了牛郎星计算机。1981年8月12日，IBM
5、公司推出了第一台16位个人计算机IBM PC 5150.1983年3月，IBM公司改进机型IBM PC/XT，1984年8月推出了IBM PC/AT微机，支持多用户、多任务，操作系统采用DOS 3.0，1985年6月，长城0520研制成功，中国大陆第一台自行研制的PC兼容微机。二、计算机的类型1.计算机系统的分类2.大型计算机大型计算机包括超级计算机、大型集群计算机、大型服务器等。超级计算机主要用于科学计算、军事领域、以及国家大型项目等。超级计算机有专用设计和集群设计两种方案，目前市场主流是采用集群设计方案（占超级计算机的80左右）。大型集群计算机是利用多台（几台到上万台）独立的计算机，组成一
6、个计算机群，使多台计算机能够像一台超级计算机那样统一管理和并行计算。集群计算机一般采用专用操作系统（80的集群计算机采用Linux）和集群软件实现并行计算，而价格只有专用大型计算机的几十分之一。集群计算机具有可增长的特性，也就是可以不断向集群系统中加入新的计算机。集群计算机提高了系统的稳定性和数据处理能力，绝大部分超级计算机都采用集群技术，大型计算机主要用于大型工程项目。大型服务器一般采用专用的系统结构，一般用于通信、网络、工程计算等项目。3.微型计算机大致可分为个人计算机（PC）、苹果微机（Mac）、笔记本微机、平板微机、掌上微机（PDA）等类型。1） PC系统微机1981年，IBM公司推出
7、个人计算机系统，采用Inter公司CPU作为核心部件，以后，凡是能够兼容IBM PC的微机产品都称为“PC”机。目前大部分桌面微机采用Intel和AMD公司的CPU产品。如果从微机应用范围分类，可以分为台式微机、笔记本微机、PC服务器、平板微机等类（1）台式微机台式微机在外观上有立式和卧式门种类型，它们在性能上没有区别。台式微机主要用于企业办公和家庭应用，因此要求有较好的图形和多媒体功能由于台式微机应用领域文广泛它们的软件也是为丰富的，这类微机有较好的性价比。(2）笔记本微机笔记本微机主要用于移动办公，因此要求机器具有短小轻薄的特点。笔记本微机在硬件上虽然按照PC设计规范制造，但是由于受到体积
8、的限制不同厂商之间的产品是不能互换的。在与台式微机相同的配置下，笔记本微机的性能要低于台式微机，价格也要高于台式微机。笔记本微机屏幕大小有10，12,14,15,17,20英寸儿种类型，重量有Ikg以下，1一2k，3kg左右儿种类型。笔记本微机一般具有无线通信功能。笔记本微机的尺寸虽然小于台式微机，但它的软件系统与台式微机是兼容的(3)PC服务器PC服务器往往采用机箱或机架等形式，机箱式PC服务器体积较大，便于今后扩充硬盘等l/o设备；机架式PC服务器体积较小，尺寸标准化，扩充时在机柜中再增加一个机架式服务器即可，如图1一11所示。PC服务器一般运行在WindowS Server或Linux操
9、作系统下，在软件和硬件上都与其他PC微机兼容。PC服务器硬件配置一般较高。例如它们往往采用高性能的CPU，如Intel至强”系列CPU产品有时甚至采用多CPU结构；内存容量一般较大而且要求具有ECC（错误校验）功能；硬盘一也采用高转速和支持热拔插的SCSI硬盘由于大部分服务器要求不间断工作，因此往往采用冗余电源。它们主要用于网络服务器主机因此对图形和多媒体功能几乎没有要求，但是对数据处理能力和系统稳定性有很高要求。2）苹果系列微机美国苹果公司是早期微机生产厂商之一。苹果公司目前的微机产品有苹果Power Mac G5系列。这些产品在硬件和软上均与PC系列微机不兼容。但是，由于软件与PC机不兼容
10、，所以造成大量PC软件不能在Mac微机上运行。另外，苹果Mac微机没有兼容机，因此，价格偏高，影响了它的普及。苹果微机主要应用于美术设计、视频处理等行业。3）平板微机平板微机是Microsoft公司2002年11月推出的一种新式微机，也称为“Tablet PC。平板微机是一种小型的、方便携带的个人计算机，平板微机最典型的产品是苹果公司的iPad。平板微机在外观上只有杂志大小，现在主要采用苹果和安卓操作系统，它以触摸屏作为基本输入设备，所有操作都通过手指或手写笔完成，而不是传统的键盘和鼠标。平板微机一般用于阅读、上网等。平板微机的应用软件专用性强这些软件不能在台式微机或笔记本微机上运行，普通微机
11、上的软件也不能在平板微机上运行。4.嵌入式系统嵌入式系统的基本组成嵌入式系统是一种为特定应用而设汁的专用计算机系统，或者作为设备的部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。嵌人式系统是一个外延极展的名词，凡是与工业产品结合在一起，并且具有计算机控制的设备都可以称为嵌入式系统。嵌人式系统一般由嵌入式计算机和执行装假组成。嵌人式计算机是整个嵌人式系统的核心；执行装置也称为被控对象，它可以接收嵌人式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微型电机当手机处于震动接收状态时打开；执行装置也可以很复杂，如SONY公司的智能机器狗，它集成了多个微型
12、控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。2嵌入式系统的主要特征(l）系统内核小(2）专用性强(3）系统精简(4）固态存储3嵌入式系统的主要应用（1）工业控制（2）交通管理（3）其他应用领域三、计算机的基本工作原理及结构1.计算机的基本工作原理现代计算机的基本工作原理是由美科学家冯 诺依曼于1946年提出来的。提出了程序存储式电子数字自动计算机的方案，并确定了计算机硬件体系结构的5个基本部件：输入、输出设备、控制器、运算器和存储器，从计算机的第1代至第4代一直不有突破。1）冯诺依曼计算机结构模型主要包括5个基本部件：输入、输出设备、控制器、运算器和存储器。（运算器）运
13、算器也你算术逻辑单元，包括算术运算和逻辑运算。在控制器控制下，运算器从存储器中取出数据时行运算，然后将结果写回存储器中。(2)控制器用来控制程序和数据的输入和输出，以及各个部件的协调运行。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和其他控制单元组成。控制器工作时，它根据程序计数器中的地址，从存储器中取出指令送到寄存器中，经译码单元译码后，再由控制器发出一系列命令信号，送到有关硬件部位引起相应动作，完成指令所规定操作。(3）存储器存储器的主要功能是存放运行中的程序，存储器是指内存单元。存储器中有成千上万个存储单，每个存储单元存放一组二进制信息。对存储器的基本的操作是数据的写入或读出。（4）输入设
14、备用来将现实世界中的数据输入到计算机中，第二个功能是由用户对计算机进行操作。（5）输出设备将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式，如数字、文字、图形等2）.采用二进制形式表示数据和指令3）.存储程序2.指令和指令系统（1）指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码和操作数两部分组成。操作码指要完成的操作类型或性质，操作数指明操作对象的内容或所在的存储单元地址。（2）指令系统一台计算机的所有指令的集合称为该计算机的指令系统。（3）指令的执行取指令指令译码指令执行结果写回3.微机系统结构微机系统中1357规则1个CPU、3大芯片（北桥、南桥、BIOS）、5大接口（串行ATA接口、外部硬盘接
15、口、超级输入输出接口、以太网接口、音频接口）、7大总线（FSB前端总线、MB内存总线、PCIE显示总线、IHA南北桥连接总线、PCI外部设备总线、LPC少针脚总线、USB通用串行设备总线）4.未来的新型计算机（1）超导计算机（2）量子计算机（3）光子计算机（4）生物计算机（5）神经网络计算机四、计算机硬件系统的组成1.计算机系统的组成（1）计算机系统2.CPU系统中央处理器（Central Processing Unit）的缩写，即CPU，CPU是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。它负责系统的数值运算和逻辑判断等核心工作，并将运算结果分送内存或其他部件，以控制计算机的整体运作。CPU内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分。CPU的发展历程，也是计算机硬件体系结构和理论的发展历程。CPU是判断计算机性能高低的首要标准，它一般安插在主板的CPU插槽上。主要性能指标：w 主频主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。w 外频外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。w 前端总线(FSB)频率
