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1、计算机基础知识电子计算机的产生和计算机技术的迅速发展是当代科学技术最突出的 成就之一。计算机的发明和应用延伸了人类的大脑，提高和扩展了人类脑力 劳动的效能，发挥和激发了人类的创造力，标志着人类文明的发展进入了一 个崭新的阶段。同任何先进的科学技术的发展一样，计算机也是社会生产和 科学技术发展到一定阶段的产物，计算机技术也随着社会生产和科学技术的 进一步发展而不断发展。1.1计算机的发展和应用1.1.1计算机的产生1. 第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC (electronicumericalintegratoand calculator即“电子数字积分计算机”于1946年2月诞
2、生在美国宾夕法 尼亚大学。ENIAC以电子管为基本部件，其体积约85m 3,重达30t,使用 了 18 000个电子管，1500个继电器，70 000个电阻，10 000个电容，功率 为140kW，占地170m2,真可谓是“庞然大物”它每秒可进行五千多次加 法运算。ENIAC产生后立即用于军事计算。原先，美国陆军部用人工计算 发射弹道需七个多小时，而用ENIAC来计算只需3s,速度提高了 8400倍， 显示了巨大的威力。至今人们仍公认，ENIAC的问世表明了电子数字计算 机时代的到来，具有划时代的伟大意义。2. 存储程序式计算机虽然ENIAC的研制成功把世界带入了一个新的时代，但是ENIAC在
3、 计算题目时，需事先根据计算步骤花费几天时间连接好外部线路。而且每换 一个题目又得重新连线，所以只有少数专家才能使用。美籍匈牙利人冯诺依曼(John von Neumann)教授针对ENIAC应用 中的问题，于1946年6月发表的论文中提出了“存储程序”的设想。按照这种设想，将组成解题程序的一条条指令像数据一样事先存入计算机中，运 行时，只须顺序取出这些指令，经译码后执行相应的操作即可，从而可以实现真正的全 自动运算。冯诺依曼的“存储程序”的思想成了后来计算机设计的主要依据。半个多 世纪以来，计算机技术有了飞速的发展，但是其工作原理还是没有跳出“存储程序”这 个范围。基于以上原因，有时也将以“
4、存储程序”方式工作的计算机称为冯诺依曼机。 第一台存储程序计算机是EDSAC（electronic delay storage automatic calculator 电子延时 存储自动计算机），在英国剑桥大学研制成功，1949年5月投入运行。1.1.2电子计算机的发展半个多世纪以来，根据电子计算机所采用的电子器件，一般将电子计算机的发展分 成以下几个阶段，其主要性能见表1-1。表1-1各代电子计算机比较第一代（19461956 年）第二代（19571964 年）第三代（19651970 年）第四代（1971年至今）电子器件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模、超大规模集 成电路主存储器磁芯
5、、磁鼓磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓、 半导体存储器半导体存储器辅助存储器磁带、磁鼓磁带、磁鼓、磁盘磁带、磁鼓、磁盘磁盘、磁带、光盘处理方式机器语言汇编语言作业连续处理编译语言多道程序实时处理网络结构实时、分时处理运算速度/（次 s-）50004 万几十万百万百万几百万几百万几十亿代表机种ENIAC、EDVAC、IBM 705IBM 7090、CDC 6600IBM 360、PDP 11、NOVA 1200IBM370、CRAY II、VAX11、IBM PC1. 第一代电子计算机电子管（又称真空管）是1913年发明的，起初用于雷达等电子设备中。它于1946 年才被用于ENIAC及其之后的电子计算机。电
6、子器件是电子管的计算机被统称为第一 代电子计算机，开创了电子数字计算机的新时代。2. 第二代电子计算机第二代电子计算机的特点是用晶体管代替了电子管。半导体晶体管于1948年由贝 尔实验室研制出来，从1956年开始用于制作电子计算机部件。晶体管的优点是体积小、 发热少、耗电少、寿命长、价格低，特别是工作速度比电子管更快。另外，第二代计算机普遍采用磁芯存储器作内存，采用磁盘与磁带作外存，使存储 容量增大，可靠性提高，加快了汇编语言取代机器语言的步伐，并为FORTRAN和COBOL 等高级语言的应用提供了条件。3. 第三代电子计算机第三代电子计算机的主要特征是以中、小规模集成电路取代了晶体管。集成电
7、路 （IC）是将许多个晶体管和电子元件集中制造在同一块很小的硅片上。集成电路的体积更小，耗电更少，功能更强，存储器开始集成电路化，内存容量大幅增加。随着计算机硬 件技术的更新，系统软件和应用软件也有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计 方法，为电子数字计算机进一步快速发展奠定了基础。第三代计算机的典型机型有IBM 360系统、PDP 11系列等。其主存储器容量达1 4MB，运算速度达200万次/s。4. 第四代电子计算机第四代电子计算机的主要特点就是用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路 (VLSI)取代中、小规模集成电路。由于微电子学理论和计算机控制工艺方面的发展， 为集成电路的集
8、成度大幅度提高创造了条件。在这个过程中出现了微处理器，从而产生了微型计算机，由于微型计算机的突出优 点，使其得以迅速发展和普及，开始形成信息时代的特征。第四代电子计算机的代表机种有IBM 370、CRAY II等。从20世纪80年代开始，日、美等国家开展了新一代称为“智能计算机”的计算机 系统的研究，并将其称为第五代电子计算机。实际上，目前计算机的发展有如下四个重要的方向。(1) 巨型化。用于天气预报、军事计算、飞机设计、工艺系统模拟等。运算速度达 千亿次每秒以上。(2) 微型化。微型计算机已从台式发展到便携式、掌上型。主要满足人们日常生活 和学习娱乐的要求等。(3) 网络化。计算机网络技术的
9、发展，使得单个计算机的实际效用得到很大的提高。(4) 智能化。使计算机具有更多的类似人的智能，包括学习能力和逻辑推理能力及 感情表达能力等。1.1.3微型计算机的发展20世纪70年代计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。微型计算机开发的先驱是美国Intel公司年轻的工程师马西安霍夫(M.E.Hoff)1969 年，他接受日本一家公司的委托，设计台式计算器系统的整套电路。他大胆地提出了一 个设想，把计算机的全部电路做在四个芯片上，即中央处理器芯片、随机存取存储器芯 片、只读存储器芯片和寄存器电路芯片。这就是一片4位微处理器Intel 4004、一片320 位(40B)的随机存
10、取存储器、一片256B存储空间的只读存储器和一片10位的寄存器， 通过总线把它们连接起来，就组成了世界上第一台4位微型电子计算机MCS-4。1971 年诞生的微型计算机揭开了世界微型计算机发展的序幕。1. 第一代微处理器1972年，Intel公司研制成功8位微处理器Intel 8008，它主要采用工艺技术简单、 速度较低的P沟道MOS (metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)电路。这就是 人们通常称作的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。2. 第二代微处理器1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，称为第二代微 处
11、理器。具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085、Motorola公司的M6800、Zilog公 司的Z80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型计算机及其 外围设备都得到了迅速发展。由第二代微处理器装备起来的微型计算机称为第二代微型 计算机。3. 第三代微处理器1978年，16位微处理器的出现，标志着微处理器进入第三代。首先开发成功16位 微处理器的Intel公司，由于采用了 H-MOS(H-High performance)新工艺，使新的微处 理器Intel 8086比第二代的Intel 8085在性能上又提高了将近10倍。类似的16位微处理 器还有Z800
12、0、M68000等。采用了第三代微处理器装备起来的微型计算机称第三代微 型计算机。4. 第四代微处理器1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器问世，标志着第四代微处理器的 诞生，如Intel公司的Intel 80386、惠普公司的HP-32、NS公司的NS-16032等。用第四 代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。1993年，Intel公司推出32 位微处理器芯片Pentium系列，它的外部数据总线为64位，工作频率为66200MHz。 之后，又有了 PII、PIII的发展历程。现在流行的P4微处理器的工作频率达到了 2.4GHz。1.1.4计算机的特点1. 运算速度快
13、计算机的运算速度已从几千次每秒(加法运算)发展到现在高达几千亿次每秒。如 此高的计算速度，不仅极大地提高了工作效率，而且使许多极复杂的科学问题得以解决。 例如，外国的一位数学家花了 15年的时间把圆周率兀的值算到小数点后707位，而用现 代计算机计算不到1小时就完成了。2 .计算精度高尖端科学技术的发展往往需要高度准确的计算能力，只要电子计算机内用以表示数 值的位数足够多，就能提高运算精度。一般的计算工具只有几位有效数字，而计算机的 有效数字可以精确到十几位、几十位，甚至数百位，这样就能精确地进行数据计算和表 示数据的计算结果。3. 存储功能强计算机具有存储“信息”的存储装置，可以存储大量的数
14、据，当需要时又可准确无 误地取出来。计算机这种存储信息的“记忆”能力，使它能成为信息处理的有力工具。4. 具有逻辑判断能力计算机既可以进行数值运算，也可以进行逻辑运算，可以对文字或符号进行判断和 比较，进行逻辑推理和证明，这是其他任何计算工具无法相比的。5. 具有自动运行能力计算机不仅能存储数据，还能存储程序。由于计算机内部操作是按照人们事先编制 的程序一步一步自动地进行的，不需要人工操作和干预。这是计算机与其他计算工具最 本质的区别。可以说，计算机以上几个方面的特点是促使计算机迅速发展并获得极其广泛应用的 最根本原因。1.1.5计算机的应用领域目前，计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改
15、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，计算机的应用主要表现在以下几个方面。1 .科学计算科学计算又称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计 算。它是电子计算机的重要应用领域之一，世界上第一台计算机就是为科学计算而设计 的。随着科学技术的发展，使得各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决 这些复杂的计算问题。例如，在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报 等领域中，都需要依靠计算机进行高速和高精度的运算。科学计算的特点是计算量大且 数值变化范围大。2. 数据处理数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，例如，分析、合并、 分类、统计等，最后形成有用的信息。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量一般 很大。人类在很长一段时间内，只能用自身的感官去收集信息，用大脑存储和加工信息， 用语言交流信息。当今社会正从工业社会进入信息社会，面对积聚起来的浩如烟海的各 种信息，为了全面、深入、精确地认识和掌握这些信息所反映的事物本质，就必须借助 于计算机进行处理。目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情 报检索等，数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。3. 过程控制过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按
