计算机基础-第1章

第1章 计算机基础知识

1.1 计算机概论

1.1.1 计算机的发展概况

自从1 9 4 6年第一台电子计算机问世以来，计算机科学与技术已成为本世纪发展最快的一门学科，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，使计算机的应用渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息社会的发展。多年来，人们以计算机物理器件的变革作为标志，把计算机的发展划分为四代。

第一代( 1 9 4 6年～1 9 5 8年)是电子管计算机，计算机使用的主要逻辑元件是电子管，也称电子管时代。主存储器先采用延迟线，后采用磁鼓磁芯，外存储器使用磁带。软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。这个时期计算机的特点是，体积庞大、运算速度低(一般每秒几千次到几万次) 、成本高、可靠性差、内存容量小。这个时期的计算机主要用于科学计算，从事军事和科学研究方面的工作。其代表机型有：E N I A C、I B M 6 5 0 (小型机)、I B M

7 0 9 (大型机)等。

第二代( 1 9 5 9年～1 9 6 4年)是晶体管计算机，这个时期计算机使用的主要逻辑元件是晶体管，也称晶体管时代。主存储器采用磁芯，外存储器使用磁带和磁盘。软件方面开始使用管理程序，后期使用操作系统并出现了 F O RT R A N、C O B O L、A L G O L等一系列高级程序设计语言。这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。计算机的运行速度已提高到每秒几十万次，体积已大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高。其代表机型有：I B M 7 0 9 0、 I B M 7 0 9 4、C D C 7 6 0 0等。

第三代( 1 9 6 5年～1 9 7 0年)是集成电路计算机，这个时期的计算机用中小规模集成电路代替 了分立元件，用半导体存储器代替了磁芯存储器，外存储器使用磁盘。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言数量增多，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。计算机的运行速度也提高到每秒几十万次到几百万次，可靠性和存储容量进一步提高，外部设备种类繁多，计算机和通信密切结合起来，广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域。其代表机器有： I B M 3 6 0系列、富士通F 2 3 0系列等。

第四代( 1 9 7 1年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机。这个时期的计算机主要逻辑元件是大规模和超大规模集成电路，一般称大规模集成电路时代。存储器采用半导体存储器， 外存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘。软件方面，操作系统不断发展和完善，同时发展了数据库管理系统、通信软件等。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的运行速度可达到每秒上千万次到万亿次，计算机的存储容量和可靠性又有了很大提高，功能更加完备。这个时期计算机的类型除小型、中型、大型机外，开始向巨型机和微型机(个人计算机)两个方面发展。使计算机开始进入了办公室、学校和家庭。

目前新一代计算机正处在设想和研制阶段。新一代计算机是把信息采集、存储处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统，也就是说，新一代计算机由处理数据信息为主，转向处理知识信息为主，如获取、表达、存储及应用知识等，并有推理、联想和学习(如理解能力、适应能力、思维能力等)等人工智能方面的能力，能帮助人类开拓未知的领域和获取新的知识。

计算机的发展日新月异。1 9 8 3年我国湖南国防科大研制成功“银河—Ⅰ”巨型计算机，运行速度达每秒一亿次。 1 9 9 2年，国防科技大学计算机研究所研制的巨型计算机“银河—Ⅱ” 通过鉴定，该机运行速度为每秒1 0亿次。目前我国又研制成功了“银河—Ⅲ”巨型计算机，运行速度已达到每秒 1 3 0亿次，其系统的综合技术已达到当前国际先进水平，填补了我国通用巨型计算机的空白，标志我国计算机的研制技术已进入世界先进行列。

1.1.2 计算机的特点

我们通常所说的计算机，全称应叫电子计算机。它可以存储各种信息，会按人们事先设计的程序自动完成计算、控制等许多工作。计算机又称作电脑，这是因为计算机不仅是一种计算工具，而且还可以模仿人脑的许多功能，代替人脑的某些思维活动。

实际上，电脑是人脑的延伸，是一种脑力劳动工具。计算机与人脑有许多相似之处，如人脑有记忆细胞，计算机有可以存储数据和程序的存储器；人脑有神经中枢处理信息并控制人的动作，计算机有中央处理器，可以处理信息并发出控制指令；人靠眼、耳、鼻、四肢感受信息并传递至神经中枢，计算机靠输入设备接收数据；人靠五官、四肢做出反应，计算机靠输出设备处理结果。

计算机具有以下特点：

快速的运算能力

电子计算机的工作基于电子脉冲电路原理，由电子线路构成其各个功能部件，其中电场的传播扮演主要角色。我们知道电磁场传播的速度是很快的，现在高性能计算机每秒能进行几百亿次以上的加法运算。如果一个人在一秒钟内能作一次运算，那么一般的电子计算机一小时的工作量，一个人得做100多年。很多场合下，运算速度起决定作用。例如，计算机控制导航，要求“运算速度比飞机飞的还快”；气象预报要分析大量资料，如用手工计算需要十天半月，失去了预报的意义。而用计算机，几分钟就能算出一个地区内数天的气象预报。

足够高的计算精度

电子计算机的计算精度在理论上不受限制，一般的计算机均能达到15位有效数字，通过一定的技术手段，可以实现任何精度要求。历史上有个著名数学家挈依列，曾经为计算圆周率π，整整花了15年时间，才算到第707位。现在将这件事交给计算机做，几个小时内就可计算到10万位。

超强的记忆能力

计算机中有许多存储单元，用以记忆信息。内部记忆能力，是电子计算机和其他计算工具的一个重要区别。由于具有内部记忆信息的能力，在运算过程中就可以不必每次都从外部去取数据，而只需事先将数据输入到内部的存储单元中，运算时即可直接从存储单元中获得数据，从而大大提高了运算速度。计算机存储器的容量可以做得很大，而且它记忆力特别强。

复杂的逻辑判断能力

人是有思维能力的。思维能力本质上是一种逻辑判断能力，也可以说是因果关系分析能力。借助于逻辑运算，可以让计算机做出逻辑判断，分析命题是否成立，并可根据命题成立与否做出相应的对策。例如，数学中有个“四色问题”，说是不论多么复杂的地图，使相邻区域颜色不同，最多只需四种颜色就够了。100多年来不少数学家一直想去证明它或者推翻它，却一直没有结果，成了数学中著名的难题。1976年两位美国数学家终于使用计算机进行了非常复杂的逻辑推理验证了这个著名的猜想。

按程序自动工作的能力

一般的机器是由人控制的，人给机器一个指令，机器就完，成一个操作。计算机的操作也是受人控制的，但由于计算机具有内部存储能力，可以将指令事先输入到计算机存储起来，在计算机开始工作以后，从存储单元中依次去取指令，用来控制计算机的操作，从而使人们可以不必干预计算机的工作，实现操作的自动化。这种工作方式称为程序控制方式。

电子计算机一般分为处理模拟信号的模拟计算机和处理数字信号的数字计算机两大类，目前使用的大都为数字计算机。模拟式电子计算机内部表示和处理数据所使用的电信号，是模拟自然界的实际信号。如它可以用电信号模拟随时间连续变化的温度、湿度等。这种模拟自然界实际信号的电信号称为“模拟电信号”，其主要特点是“随时间连续变化”。数字式电子计算机内部处理的是一种称为符号信号或数字信号的电信号，这种信号的主要特点是“离散”，即在相邻的两个符号之间不可能有第三个符号。我们通常所说的计算机指的是数字式电子计算机。

电子计算机从规模上可分为巨型、大型、中型、小型、微型和单片型。计算机中的“巨型”，并非从外观、体积上衡量，主要是从性能方面定义的。20世纪70年代初期，国际上常以运算速度在每秒1 000万次以上，存储容量在1 000万位以上，价格在1 000万美元以上的所谓“三个1 000万以上”来衡量一台计算机是否为“巨型”。到了80年代中期，巨型机的标准是运算速度为每秒l亿次以上，字长达64位，主存储器的容量达4～16 MB。这一标准还在逐年增长，目前，运算速度为每秒100亿～100000亿次。按80年代中期的标准，大型机运算速度为每秒100万～1 000万次，字长32—64位，主存储器的容量为0.5～8 MB；中型机运算速度为每秒10万～100万次，字长一般为32位，主存储器的容量在1MB左右。小型机和微型机很难有严格的界限。特别是微型计算机发展最快、应用最广，大家所熟悉的486、586、奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ等PC机都属于微型计算机。目前，Intel公司采用超线程技术使处理器的实际工作频率已经提升到了3.06GHz。

单片机在结构上与上述几类计算机有很大的差别，它是在制作时就已经将计算机中的所有功能部件集成在一起，形成外观上仅仅是一片集成电路的计算机。

1.1.3 计算机的应用

早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域。如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。

过程检测与控制。

利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统。特别是仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。

信息管理（数据处理）。

信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、帐目计算、信息情报检索等。近年来，国内许多机构纷纷建设自己的管理信息系统（MIS）；生产企业也开始采用制造资源规划软件（MRP），商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统（EDI），即所谓无纸贸易。

计算机辅助系统

计算机辅助设计、制造、测试（CAD／CAM／CAT）。用计算机辅助进行工程设计、产品制造、性能测试。②办公自动化：用计算机处理各种业务、商务；处理数据报表文件；进行各类办公业务的统计、分析和辅助决策。③经济管理 ：国民经济管理，公司企业经济信息管理，计划与规划，分析统计，预测，决策；物资、财务、劳资、人事等管理。④情报检索：图书资料、历史档案、科技资源、环境等信息检索自动化；建立各种信息系统。⑤自动控制：工业生产过程综合自动化，工艺过程最优控制，武器控制，通信控制，交通信号控制。⑥模式识别：应用计算机对一组事件或过程进行鉴别和分类，它们可以是文字、声音、图像等具体对象，也可以是状态、程度等抽象对象。

应用系统开发

分析阶段

根据计算机用户对于输入、处理过程和输出特性的需要，对原有系统的现状进行调查分析，并在此基础上提出建立新系统或改造旧系统的初步建议，即对新系统的目标、功能、成本、效益、人员、进度等作出预测和描述。这一阶段也称为可行性研究阶段。