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1、第1章计算机基础知识概述教学目标了解计算机的发展与应用掌握计算机硬件系统和软件系统的组成掌握计算机的工作原理掌握衡量计算机性能的主要指标电子计算机是一种能自动、高速、正确地完成数值计算、数据处理、实时控制等功能的电子设备。它的出现是20世纪科学技术最卓越的成就之一，是科学技术和生产高速发展的产物，是人类智慧的高度结晶。随着信息时代的到来，计算机占据越来越重要的地位，成为人们生活中不可缺少的工具。了解计算机的发展史、熟悉它的运行机制，是学好计算机必备的基础。本章主要介绍计算机的基础知识。1.1计算机的发展与应用1.1.1计算机的发展世界上第一台电子计算机ENIAC（如图11所示）于1946年2月
2、诞生在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。 图1-1 世界上第一台电子计算机ENIAC但学术界公认，电子计算机的理论和模型是由英国数学家图灵（Alan Mathison Turing，19121954）在1936年发表的一篇名为论可计算数及其在判定问题中的应用论文中奠定基础的。因此，当美国计算机协会（ACM）在1966年纪念电子计算机诞生20周年，即图灵的论文发表30周年之际，决定设立计算机界的第一个奖项“图灵奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。“图灵奖”也被称为“计算机界的诺贝尔奖”。2000年，ACM第一次将图灵奖授予华裔学者姚期智，以鼓励他在计算机理论、算法设计与分析、密码学等方面所做的贡献
3、。距ENIAC的诞生，至今已经有60多年了。在这期间，计算机以惊人的速度发展。根据计算机所使用的电子元器件不同，计算机的发展经历了四代。第一代：电子管计算机（19461957年）在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值，这促进了计算机的研究与发展。1944年Howard H.Aikien（19001973）研制出全电子计算机，为美国海军绘制弹道图。这台简称Mark的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（35秒进行一次计算）并且实用性很差，只用于专门领域。1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC（Electronic Num
4、erical Intergrator and Computer）在费城公之于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，拥有并行计算能力。ENIAC使用了18 000个电子管，70 000个电阻器，有500万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比Mark快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机。与此同时，美国数学家冯.诺依曼提出了现代计算机的基本原理存储程序控制。1949年，冯.诺依曼和莫尔根据存储程序控制原理造出的新计算机EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，爱达赛克）在英国剑桥大学投入
5、运行。EDSAC是世界上第一台存储程序计算机，是所有现代计算机的原型和范本。第二代：晶体管计算机（19581964年）这一时期，组成计算机的主要元器件是晶体管，内存采用磁心存储器，外存采用磁带。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。在这一时期出现了高级语言COBOL和FORTRAN，以单词、语句和数学公式代替了含混的二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业（程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。第三代：中小规模集成电路计算机（19651970年）虽然晶体管与电子管相比是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。1958年得州仪器的工
6、程师Jack Kilby发明了集成电路IC，将三种电子元器件集成到一片小小的硅片上。于是，计算机变得更小、功耗更低、速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）出现集成电路后，唯一的发展方向就是扩大规模。大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个电子元器件。到80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个电子元器件，后来的特大规模集成电路（ULSI）将元器件的数目扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和
7、可靠性不断增强。1981年，IBM推出的个人计算机用于家庭、办公室和学校。20世纪80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上到膝上到掌上。与IBM PC竞争的APPLE Macintosh系统于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。从20世纪80年代开始，日、美等国家开始了新一代“智能计算机”的系统研究，并称为“第五代计算机”，但目前尚未有突破性发展。计算机发展阶段如表1-1所示。表1-1 计算机发展阶段表 起止年代主要元件速度（次/秒）特点与应用领域第一代1946-1957年电子管5千1万计算机发展的初级阶
8、段，体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小。主要用来进行科学计算第二代1958-1964年晶体管几万几十万体积减小，耗电较少，运算速度较高，价格下降，不仅用于科学计算，还用于数据和事物处理以及工业控制第三代1965-1970年中小规模集成电路几十万几百万体积和功耗进一步减少，可靠性和速度进一步提高。应用领域扩展到文字处理、企业管理、自动控制等第四代1971年至今大规模、超大规模集成电路几千万千百亿性能大幅度提高，价格大幅度降低，广泛用于社会生活的各个领域。进入办公室和家庭。在办公自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域大显身手1.1.2计算机的特点及分类1计算
9、机的特点（1）运算速度快运算速度是指计算机每秒能执行多少指令。常用单位是MIPS，即每秒执行多少百万条指令。例如，主频为2GHz的Pentium 4微型机的运算速度为每秒20亿次，即2 000MIPS。（2）计算精度高计算机计算的数据有效位可以精确到几十位甚至上百位，计算的精确度由计算机的字长和采用计算的算法决定的。例如，Pentium 4微型机内部数据位数为32位（二进制），可精确到15位有效数字（十进制）。圆周率的计算，有人曾利用计算机算到小数点后200万位。（3）记忆能力强计算机的存储器（内存储器和外存储器）类似于人类的大脑，能够记忆大量的信息。它能存储数据和程序，进行数据处理和计算，并
10、把结果保存起来。（4）逻辑判断能力强逻辑判断是计算机的一个基本能力，在程序执行过程中，计算机能够进行各种基本的逻辑判断，并根据判断结果来决定下一步执行哪条指令。这种能力保证了计算机信息处理的高度自动化。2计算机的分类（1）按工作原理可划分为模拟式电子计算机和数字式电子计算机模拟式电子计算机问世较早，内部所使用的电信号模拟自然界的实际信号。模拟电子计算机处理问题的精度差；所有的处理过程均需模拟电路来实现，电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。数字式电子计算机是当今世界电子计算机行业中的主流，其内部处理的是一种称为“符号信号”或“数字信号”的电信号。它的主要特点是“离散”，在相邻的两个符号之间不可能有
11、第三种符号存在。由于这种处理信号的特点，使得它的组成结构和性能优于模拟式电子计算机。（2）按功能可划分为专用计算机和通用计算机专用计算机主要应用于某些专业的领域。比如，在导弹和火箭上使用的计算机大多数都是专用计算机。通用计算机主要应用于商业、工业、政府机构、家庭和个人。（3）按规模可划分为巨型机、大型机、小型机和微型机巨型机也称为超级计算机，是目前速度最快、处理能力最强的计算机，主要用于战略武器、空间技术、石油勘探、天气预报等领域。我国于20世纪80年代末、90年代中先后推出了自行研制的银河-、银河-、银河-等巨型机。2004年6月公布的世界超级计算机排名中，居首位的是日本NEC公司的“地球模
12、拟器”，其运算速度达每秒35.8万亿次，中国曙光计算机公司研制的“曙光4000A”排名第10，其运算速度为每秒10万亿次。大型机具有很强的数据处理能力，一般应用于大中型企事业单位的中央主机。例如，IBM公司生产的IBM 4300、3090及9000系列都属于这种类型。小型机的功能略逊于大型机，但它结构简单、成本较低、维护方便，适用于中小企业用户。例如，美国DEC公司的VAX系列机型、IBM公司的AS/400系列都属于小型机。微型机又称为个人计算机（Personal Computer，PC），其价格便宜、功能齐全，广泛应用于个人用户，是目前最普及的机型。（4）按工作模式可划分为服务器和工作站工作
13、站是一种介于微型机和小型机之间的高档微型计算机系统，通常配有高分辨率的大屏幕显示器和大容量存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。自1980年美国Apollo公司推出世界上第一个工作站DN-100以来，工作站迅速发展，成为专门处理某类特殊事物的一种独立的计算机类型。服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的共享设备。根据其提供的服务，可以分为文件服务器、通信服务器和打印服务器等。1.1.3计算机的应用领域及发展趋势1计算机的应用领域（1）科学计算科学计算是计算机最早的应用领域。同人工计算相比，计算机不仅速度快，而且精度高，特别是对于大量的重复计算，计算机不会感到疲劳和厌烦。（2）信
14、息处理信息处理即数据处理，是指对各种原始数据进行采集、整理、转换、加工、存储、传播以供检索、再生和利用。目前，计算机信息处理已经广泛应用于办公自动化、企业计算机辅助管理、文字处理、情报检索、电影电视动画设计、会计电算化、医疗诊断等各行各业。据统计，世界上的计算机80以上主要用于信息处理。（3）计算机辅助设计与计算机辅助制造计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）与计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）主要用于机械、电子、宇航、建筑等产品的总体设计、造型设计、结构设计、数控加工等环节。应用CAD/CAM技术，可以缩短产品开发周期
15、、提高设计质量、增加产品种类。（4）计算机辅助教学与计算机管理教学利用计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）系统使得学生能在轻松的教学环境中学到知识，减轻教师的教学负担。计算机管理教学（Computer Managed Instruction，CMI）利用计算机实现各种教学管理，如教务管理、制定教学计划、课程安排等。（5）自动控制用计算机控制机床，加工速度比普通机床快10倍以上。现代军用飞机控制，可用计算机在很短的时间内计算出敌机的各种飞机技术参数，采取相应的攻击方案。（6）多媒体应用多媒体计算机的出现提高了计算机的应用水平，扩大了计算机技术的应用领域，使得计算机除了能够处理文字信息外，还能处理声音、视频、图像等多媒体信息。（7）电子商务所谓电子商务（Electronic Commerce）是利用计算机技术、网络技术和远程通信技术，实现整个商务（买卖）过程中的电子化、数字化和网络化。人们不再是面对面的、看着实实在在的货物，靠纸介质单据（包括现金）进行买卖交易。而是通过网络，通过网上琳琅满目的商品信息、完善的物流配送系统和方便安全的资金结算系统进行交易（买卖）。 2计算机的发展趋势（1）巨型化巨型机的研制水平，可以衡量整个国家的科技能力。我国在1985年成功制造了运算速度为10亿次的“银河-
