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1、第一章 一、计算机的发展 自从1946年2月现代电子计算机的鼻祖ENIAC（electronic numerical integrator and computer）在美国宾夕法尼亚大学问世以后，短短50年里，计算机技术经历了巨大的变革。 学术界经常使用器件（硬件）划分计算机的发展史，如第一代电子管计算机（19471957），第二代晶体管计算机（19581964），第三代集成电路计算机（19641972），第四代大规模集成电路计算机（1972），目前提出了所谓的第五代（或新一代）计算机。 从1946年到50年代后期（19461957）为电子管计算机时期。计算机的元器件主要由电子管（vacuum
2、 tube）组成。其特点是体积庞大、功耗高、运算速度较低。如ENIAC占地170m 2 ，重达30吨，功耗为140kW，有18000多个电子管，每秒钟能进行5000次加法计算。这一阶段，计算机主要用于军事、国防等尖端技术领域。除了ENIAC以外，1945年左右，冯诺依曼等人在研制EDVAC（electronic discrete variable computer）时，提出了存储程序（stored-program）概念，奠定了以后计算机发展的基石。IBM公司1954年12月推出的IBM650是第一代计算机的代表。 从20世纪50年代后期到60年代中期（19581964）为晶体管计算机时期。自从
3、1947年晶体管（transistor）在贝尔实验室诞生后，引发了一场影响深远的电子革命。体积小、功耗低、价格便宜的晶体管取代了电子管，不仅提高了计算机的性能，也使计算机在科研、商业等领域内得到广泛地应用。第二代计算机不仅采用了晶体管器件，而且存储器改用速度更快的磁芯存储器;与此同时高级编程语言和系统软件的出现，也大大提高了计算机的性能和拓宽了其应用领域。这一时期计算机的代表主要有DEC公司1957年推出的PDP-I、IBM公司于1962年推出的7094以及CDC公司1964年研制成功的CDC6600。1969年CDC公司研制的DCD7600平均速度达到每秒千万次浮点运算。 从20世纪60年代
4、中期到70年代初期（19651972）为集成电路计算机时代。第一代和第二代计算机均采用分离器件（discrete component）组成。集成电路（integrated circuit）的出现，宣告了第三代计算机的来临。由于采用了集成电路，使得计算机的制造成本迅速下降;同时因为逻辑和存储器件集成化的封装，大大提高了运行速度，功耗也随之下降;集成电路的使用，使得计算机内各部分的互联更加简单和可靠，计算机的体积也进一步缩小。这一时期的代表为IBM的system/360和DEC的PDP-8。 从20世纪70年代初期到70年代后期（19721978）为大规模集成电路（LSI）计算机时代。20世纪70
5、年代初半导体存储器的出现，迅速取代了磁芯存储器，计算机的存储器向大容量、高速度的方向飞速发展。存储器芯片从1kbit，4kbit，16kbit，64kbit，256kbit，1Mbit，4Mbit发展到16Mbit（1992年）。 接着就进入了超大规模集成电路（VLSI）计算机时代。随着技术的日新月异，软件和通信的重要性也逐步上升，成为和硬件一样举足轻重的因素。同时系统结构的特点对计算机的性能也有巨大的影响（中断系统、Cache存储器、流水线技术等等）。实际上在第三代计算机以后，就很难找到一个统一的标准进行划分。 也可以从应用的观点来划分计算机的发展史。最早的应用是军事上的需要，如炮弹弹道计算
6、，核武器的设计等;其次是广泛地用于科学计算，工程设计计算;第三阶段是大量用于管理，现在计算机的80%以上用于管理;再接着是计算机辅助设计（CAD）和辅助制造（CAM）;进入90年代，计算机的应用已趋向于综合化和智能化，例如在一个企业里，计算机不仅用于科学计算、辅助设计和辅助制造，还用于辅助管理和辅助决策（MIS与DSS），以及办公自动化（OA）等等，使设计、生产自动化和管理自动化融为一体，形成所谓计算机集成制造系统（CIMS-Computer Integrated Manufacturing System），再发展下去就是工厂自动化（Factory Automation）或称无人工厂。DSS（
7、Decision Support System）/ES（Expert System）利用人工智能（AIArtifcation Intelligence）技术，让计算机代替人判断、推理，寻找最优方案，以辅助决策者决策。目前更流行的是认为计算机的发展经过了三次浪潮（wave）。 计算机的发展第一个浪潮是单个主机（Mainframe）的时期，以IBM360、370为代表的大型机的出现，其特点是以批处理为主，主要用于大规模科学计算。 第二次浪潮为客户机/服务器（Client/Server）的时期，这时期出现了小型机、微型机和局域网。其特点是多用户分时处理。 第三个浪潮是7080年代的微型计算机PC（P
8、ersonal Computer）的出现。现在正处于第三次浪潮，网络计算机的时期，即以网络为中心或以网络为基础的计算机时期。 目前计算机向综合的方向发展，将各种计算机的特点和优点综合起来，并结合了多媒体技术、通信技术等，把人类带入了网络社会。 二、计算机的分类及其应用计算机分类的方法大致可分如下几种: 1.按信息的形式和处理方式分类 计算机按信息的形式和处理方式可分为数字计算机、模拟计算机以及数字混合计算机。 2.按计算机的用途分类 计算机按用途可分为通用计算机和专用计算机。 3.按计算机规模分类 计算机按规模可划分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等。 计算机的应用如下: 1.在科学计
9、算中的应用 2.在实时控制中的应用 3.在数据处理中的应用4.计算机在辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）中的应用5.办公自动化系统中的应用 三、计算机硬件结构实际应用的计算机系统是由计算机硬件系统、软件系统以及通信网络系统组成的一个整体系统。计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成，它们都是看得见摸得着的，故通常称为“硬件”。计算机硬件结构也可以称为冯 诺伊曼结构，它由五大部件组成:主机部分由运算器、控制器、存储器组成，外设部分由输入设备和输出设备组成，其中核心部分部件是运算器。 计算机硬件之间的连接线路分为网状结构与总线结构，这里
10、主要介绍总线（BUS）结构。总线结构有如下几种形式: 1.以CPU为中心的双总线结构 所谓总线实际上是一组并行的导线，导线的数目和计算机字长相同，数据和指令通过总线传送。2.以存储器为中心的双总线结构3.单总线结构 主要部件功能: 1.运算器 运算器是完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。运算器由累加器（用符号L A 表示）、通用寄存器（用符号L B 表示）和算术逻辑单元（用符号ALU表示）组成，核心是算术逻辑单元。 2.存储器 在计算机中的存储器包括内存储器（又叫主存储器或随机存储器，简称内存或主存）、外存储器、只读存储器和高速缓冲存储器以及寄存器等。随机存储器是按地址存取数据的，若地址总线
11、共有20条（A 0 A 19 ），即有20个二进制位，可形成2 20 =1048576个地址（1兆地址）。 3.控制器控制器由三大部件组成，它们是指令部件、时序部件和操作控制部件。 （1）指令部件 指令部件包括程序计数器PC，指令寄存器IR和指令译码器ID。 （2）时序部件 时序部件产生定时节拍，一般由时钟信号源、节拍发生器及微操作电路组成。 4.输出寄存器 输出寄存器用于存放输出结果，以便由它通过必要的接口（输出通道），在输出设备上输出运算结果。5.输入设备 目前主要通过CRT终端和键盘实现人机对话。磁性设备阅读机、光学阅读机等也可作为输入设备。 四、计算机软件的功能及分类所谓软件是指为运行
12、、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序的总和。软件分为系统软件和应用软件。 系统软件包括计算机操作系统（Operation System）、计算机的各种管理程序、监控程序、调试程序、编辑程序以及各种语言的编译或解释程序等。应用软件是为解决各种实际问题而设计的程序。 1.操作系统 操作系统具有三大功能:管理计算机硬、软件资源，使之有效使用;组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力;提供人机接口，为用户提供方便。操作系统具有的管理: （1）作业管理。 （2）资源管理。 （3）中断处理。 （4）I/O处理。 （5）调度。 （6）错误处理。 （7）保护和保密处理。 （8）记帐。 操作系统的基本类型
13、: （1）批处理操作系统。 （2）分时系统。 （3）实时系统。 操作系统的管理功能主要内容: （1）处理机管理。 （2）存储管理。 （3）文件管理。 （4）设备管理。 2.数据库管理系统 数据库管理系统既可以认为是一个系统软件也可以认为是一个通用的应用软件。目前有三种类型的数据库管理系统，故可存放三种模型的数据，这三种数据库管理系统分别为层次数据库、网状数据库和关系数据库。3.计算机网络软件 计算机网络系统是通过通信线路连接的硬件、软件与数据集合的一个计算机系统。从硬件来说，除计算机作为网络的结点以外，还有如服务器（也可是一台计算机），网络适配器，终端控制器以及网络连接器等硬件设备;从软件来说
14、，有网络操作系统，网络通信及协议软件，网络数据库管理系统等。 4.高级语言及语言处理器 用户用高级语言编写的程序称源程序，源程序不能由计算机直接执行，必须翻译成机器能执行的语言机器语言，这种翻译是由机器自动翻译的，“译员”称编译程序或编译器，当源程序输入计算机后，调用编译程序编译成机器语言（称目标程序），然后执行。还有一种语言处理程序叫解释程序，输入一条语句，翻译一条。现在已出现了第4代语言（4GL）和计算机辅助软件工具CASE。 5.常用的通用软件 在数据处理、事务处理、报表处理中有许多通用软件，如字处理软件WPS、WORD，报表处理软件LOTUS1-2-3等。 五、计算机数据表示1.二进制
15、计数制 引入二进制数字系统的计算机结构和性能具有如下的优点: （1）技术实现容易。 （2）二进制运算规则简单。 （3）计算机中二进制数的0、1数码与逻辑代数变量值0与1吻合，所以二进制同时可以使计算机方便地进行逻辑运算。 （4）二进制数和十进制数之间的关系亦不复杂。 2.任意进制计数制和十进制计数制的相互转换 十进制数转换成二进制数: 十进制数据转换为二进制数时，因整数部分与小数部分转换算法不同，需要分别进行。（1）整数转换方法除基取余法 十进制整数除以2取余数作最低位系数k 0 ，再取商的继续除以2取余数作高一位的系数，如此继续直到商为0时停止，最后一次的余数就是整数部分最高有效位的二进制系数，依次所得到的余数序列就是转换成的二进制数。因为除数2是二进制的基数，所以这种算法称作“除基取余”法。 （2）小数转换方法乘基取整法 把十进制小
