第1章计算机基础定.docx
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第1章计算机基础定
第1章计算机基础概述
【学习目标】
☞了解计算机的产生、发展及应用。
☞了解计算机中信息的表示方法。
☞了解计算机系统的组成及工作原理。
☞了解并熟悉微型计算机的基本配置。
☞了解互联网的发展趋势。
【知识架构】
1.1计算机的发展及应用
1.1.1计算机的产生及发展
1．计算机的产生
世界上第一台电子数字计算机诞生于1946年，取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分计算机），主要是为了解决弹道计算问题而研制的，由美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的J.W.Mauchly（莫奇莱）和J.P.Eckert（埃克特）主持设计。
ENIAC计算机（如图1-1所示）使用了18000多个电子管，10000多个电容器，7000个电阻，1500多个继电器，耗电150千瓦，重量达30吨，占地面积为170平方米。
它的加法速度为每秒5000次。
ENIAC不能存储程序，只能存20个字长为10位的十进制数。
ENIAC计算机的问世，宣告了电子计算机时代的到来。
图1-1ENIAC—世界上第一台计算机
1944年7月，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼博士在莫尔电气工程学院参观了正在组装的ENIAC计算机。
这台计算机的成功和不足，促使他开始构思一个更完整的计算机体系方案。
1946年，他撰写了一份《关于电子计算机逻辑结构初探》的报告。
该报告首先提出了“存储程序”的全新概念，奠定了存储程序式计算机的理论基础，确立了现代计算机的基本结构，称为冯·诺依曼体系结构。
这份报告是人类计算机发展史上的一个里程碑。
根据冯·诺依曼提出的改进方案，科学家们研制出人类第一台具有存储程序功能的计算机——EDVAC。
EDVAC计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这5个部分组成。
它使用二进制进行运算操作。
指令和数据存储到计算机中，计算机按事先存入的程序自动执行指令。
EDVAC计算机的问世，使冯·诺依曼提出的存储程序的思想和结构设计方案成为现实。
时至今日，现代的电子计算机仍然被称为冯·诺依曼计算机。
2．计算机的发展阶段
从1946年美国研制成功世界上第一台电子数字计算机至今，按计算机所采用的电子器件来划分，计算机的发展经历了以下四个阶段：
第一阶段为1946年至1957年，计算机采用的电子器件是电子管，如图1-2所示。
电子管计算机的体积十分庞大，成本很高，可靠性低，运算速度慢。
第一代计算机的运算速度一般为每秒几千次至几万次。
软件方面仅仅初步确定了程序设计的概念，但尚无系统软件可言。
软件主要使用机器语言，使用者必须用二进制编码的机器语言来编写程序。
其应用领域仅限于军事和科学计算。
图1-2电子管图1-3晶体管
第二阶段为1958年至1964年，计算机采用的电子器件是晶体管，如图1-3所示。
晶体管计算机的体积缩小，重量减轻，成本降低，容量扩大，功能增强，可靠性大大提高。
主存储器采用磁芯存储器，外存储器开始使用磁盘，并提供了较多的外部设备，其运算速度提高到每秒几万次至几十万次。
使用者能够使用接近于自然语言的高级程序设计语言方便地编写程序。
应用领域也扩大到数据处理、事务管理和工业控制等方面。
第三阶段为1965年至1970年，计算机采用了小规模集成电路和中规模集成电路，集成电路芯片如图1-4所示。
计算机的体积大大缩小，成本进一步降低，耗电量更省，可靠性更高，功能更加强大。
其运算速度已达到每秒几十万次至几百万次。
内存容量大幅度增加。
在软件方面，出现了多种高级语言，开始使用操作系统。
操作系统使得计算机的管理和使用更加方便。
图1-4集成电路芯片
第四阶段从1971年起到现在，计算机全面采用大规模集成电路（LargeScalelntegratedCircuit，简称LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，简称VLSI）。
计算机的存储容量、运算速度和功能都有极大的提高，提供的硬件和软件更加丰富和完善。
在这个阶段，计算机向巨型和微型两极发展，出现了微型计算机。
微型计算机的出现使计算机的应用进入了突飞猛进的发展时期。
现在，大多数计算机仍然是冯·诺依曼型计算机。
人们正试图突破冯·诺依曼设计思想，其工作也取得了一些进展，如数据流计算机、智能计算机等，此类计算机统称非冯·诺依曼型计算机。
计算机主要向巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展。
3．微型计算机的发展
微型计算机诞生于20世纪70年代。
人们通常把微型计算机叫做PC（PersonalComputer）机或个人电脑。
微型计算机的体积小，安装和使用十分方便。
一台微型计算机的逻辑结构同样遵循冯·诺依曼体系结构，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
其中运算器和控制器（CPU）被集成在一个芯片上，也被合称为微处理器。
微处理器的性能决定着微型计算机的性能。
世界上生产微处理器的公司主要有Intel、AMD、IBM等。
Intel公司的微处理器的发展历程如下：
1971年，Intel公司成功研制出了世界上第一块微处理器4004，其字长只有4位。
利用这种微处理器组成了世界上第一台微型计算机MCS-4。
该公司于1972年推出了8008，1973年推出了8080，它们的字长均为8位。
1977～1979年，Intel公司先后推出8085、8086、8088。
其中，8086、8088均为16位微处理器。
1981年8月，IBM公司推出第一台PC微机，该计算机采用Intel公司8088微处理器，并配置了微软公司的MS-DOS操作系统。
IBM稍后又推出了带有10M硬盘的IBMPC/XT。
IBMPC和IBMPC/XT成为20世纪80年代初世界微机市场的主流产品。
1982年，Intel80286问世。
它是一种标准的16位微处理器。
IBM公司采用Intel80286推出了微型计算机IBMPC/AT。
1985年，推出32位的微处理器80386。
1989年，Intel80486问世，它是一种完全32位的微处理器。
1993年，推出新一代微处理器Pentium（奔腾）。
虽然它仍然属于32位芯片（32位寻址，64位数据通道），但具有RISC，拥有超级标量运算，双五级指令处理流水线，在配上更先进的PCI总线使性能大为提高。
Intel在Pentium处理器中引进多种新的设计思想，使微处理器的性能提高到一个新的水平。
2000年11月，Intel推出Pentium4（奔腾4）芯片，使个人电脑在网络应用以及图像、语音和视频信号处理等方面的功能得到了新的提升。
2005年，推出IntelCore处理器，向酷睿架构迈进的第一步，酷睿使双核技术在移动平台上第一次得到实现。
2006年，发布全新双核的IntelCore2（酷睿2）和赛扬Duo处理器。
双核处理器（DualCoreProcessor）是指在一个处理器上集成两个运算核心，使得同频率的双核处理器比单核处理器性能要高30%～50%左右，极大地提高了计算能力。
2007年，推出Intel四核心服务器处理器。
2008年11月，发布IntelCorei7处理器，这是一款45nm原生四核处理器，采用LGA1366针脚设计，拥有8MB三级缓存，支持三通道DDR3内存，支持第二代超线程技术，处理器能以八线程运行。
2010年3月，Intel公司宣布推出Intel至强处理器7500系列，该系列处理器可用于构建从双路到最高256路的服务器系统。
在设计者提高处理器内部指令处理流水线的数量、增加缓存容量等方法纷纷用尽以后，似乎残酷的现实告诉设计者们：
单核心处理器已经走到尽头，双核/多核技术是目前提升处理器性能的解决方案。
在单一处理器上安置两个或更多强大的计算核心的创举开拓了一种简单的和全新的提升CPU性能的方式。
工程师们开发了多核芯片，理论上让一个核心完成一个任务，从而实现多任务同步执行，提高性能。
多核技术是处理器发展的必然，近20年来，半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展，推动了微处理器性能不断提高。
半导体工艺技术的每一次进步都为微处理器体系结构的研究提出了新的问题，开辟了新的领域。
体系结构的进展又在半导体工艺技术发展的基础上进一步提高了微处理器的性能。
通过更强的制造工艺，让单芯片中容纳更多的核心，这已经是处理器体系结构发展的一个重要趋势，双核处理器已经普及，四核处理器已经在市面上出现，未来的处理器将向多核方面发展，一代更比一代强。
随着电子技术的发展，微处理器的集成度越来越高，运行速度成倍增长。
微处理器的发展使微型计算机高度微型化、快速化、大容量化和低成本化。
4．计算机的发展趋势
未来的计算机将朝巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。
（1）巨型化是指运算速度更快、存储容量更大、功能更强的超大型计算机。
巨型机的运算速度可达每秒百亿次、千亿次甚至更高，其海量存储能力可以轻而易举地存储一个大型图书馆的全部信息。
（2）微型化是指计算机更加小巧、价廉、软件丰富，功能强大。
随着超大规模集成电路的进一步发展，个人计算机（PC机）将更加微型化。
膝上型、书本型、笔记本型、掌上型、手表型等微型化个人电脑将不断涌现，推动计算机的普及和应用。
（3）网络化是指将不同区域、不同种类的计算机连接起来，实现信息共享，使人们更加方便地进行信息交流。
现代计算机的网络技术应用，已引发了信息产业的又一次革命。
（4）智能化是建立在现代科学基础上的综合性很强的边缘学科。
它是指通过让计算机模仿人的感觉、行为、思维过程的复杂机理，使计算机不仅具有计算、加工、处理等能力，还能够像人一样可以“看”、“说”、“听”、“想”和“做”，具有思维与推理、学习与证明的能力。
未来的智能型计算机将会代替人类某些方面的脑力劳动。
1.1.2计算机的特点及类型
1．计算机的特点
计算机能进行高速运算，具有超强的记忆（存储）功能和灵敏准确的判断能力。
计算机具有以下基本特点：
（1）运行高度自动化——由于计算机能够存储程序，一旦向计算机发出指令，它就能自动快速地按指定的步骤完成任务。
计算机能够高度自动化运行是与其他计算工具的本质区别。
（2）有记忆特性——计算机能把大量数据、程序存入存储器，进行处理和计算，并把结果保存起来。
一般计算器只能存放少量数据，而计算机却能存储大量的数据和信息。
随着计算机的广泛应用，计算机存储器的存储容量越来越大。
（3）运算速度快——计算机的运算速度是标志着计算机性能的重要指标之一。
通常计算机以每秒完成基本加法指令的数目表示计算机的运行速度。
（4）计算精度高——计算机内部采取二进制数字进行运算，可以满足各种计算精度的要求。
例如，利用计算机可以计算出精确到小数点后200万位的π值。
（5）可靠性高——随着大规模和超大规模集成电路的发展，计算机的可靠性也大大提高，计算机连续无故障的运行时间可以达几个月，甚至几年。
2．计算机的类型
计算机的种类很多，可按照计算机的规模以及用途等不同的角度进行分类。
我国计算机界根据计算机的运算速度、存储容量、功能强弱、规模大小以及软件系统的丰富程度等综合性能指标将计算机划分为巨型机（Giantcomputer）、大中型机（Large-scaleorMedium-sizeComputer）、小型机（Minicomputer）、微型机（Microcomputer）和单片机（Singleboardcomputer）。
（1）按照计算机的规模进行分类
①巨型计算机——巨型机是当今体积最大，运行速度最高，功能最强，价格最贵的计算机。
其运行速度达到每秒10亿以上浮点运算，价格200至2000万美元之间。
巨型机可以被许多人同时访问。
它对尖端科学、战略武器、气象预报、社会经济现象模拟等新科技领域的研究都具有极为重要的意义。
②小巨型计算机——这是新发展起来的一类计算机，又称为桌上型超级电脑。
其性能与巨型计算机接近，但采用了大规模集成电路和微处理器并行处理技术，体积大大减小，费用仅是巨型机的1/10。
③大型主机——其运算速度可以达到每秒几千万次浮点运算。
大型主机系统强大的功能足以支持远程终端几百用户同时使用。
④小型计算机——其运算速度为每秒几百万次浮点运算。
与大型主机一样，小型计算机支持多用户。
⑤工作站——是一种功能强大的台式计算机。
常用于图形处理或局域网服务器。
工作站与微机的区别较小，一般工作站比微机有更多的接口、更快的速度、更大的外存。
⑥微型计算机——简称微机，以大规模集成电路芯片制作的微处理器为CPU的个人计算机。
按性能和外形大小，可分为台式计算机、笔记本电脑和掌上电脑。
（2）按照计算机的用途进行分类
①通用计算机——具有广泛的用途和使用范围，可以应用于科学计算、数据处理和过程控制等。
②专用计算机——适用于某一特殊的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的自动控制等。
1.1.3计算机的应用领域
计算机的三大传统应用是科学计算、数据处理和过程控制。
随着计算机技术突飞猛进的发展，计算机的功能越来越强大，应用更加广泛。
计算机的应用领域大致可分为以下几个方面。
1．科学计算
科学计算又称为数值计算，指用于科学技术和工程设计的数学问题的计算。
科学研究对计算能力的需要是无止境的。
现代科学技术工作中的科学计算问题是十分巨大而复杂的。
利用计算机的快速、高精度、连续的运算能力，可以完成各种科学计算，解决人力或其他计算工具无法解决的复杂计算问题，例如同步通讯卫星的发射、卫星轨道计算、天气预报等。
2．信息处理
利用计算机，可以对任何形式的数据（包括文字、数字、图形、图像、声音等）进行加工和处理，例如文字处理、图形处理、图像处理和信号处理等。
信息处理是目前计算机应用最为广泛的领域。
现在越来越多的企业和单位已普遍实现对财务、会计、档案、仓库、统计、医学资料等各方面的信息的计算机处理与管理。
利用计算机进行信息处理，为实现办公自动化和管理自动化创造了有利条件。
3．办公自动化
办公自动化（OfficeAutomation，OA）主要表现即是“无纸办公”。
在计算机、通信与自动化技术飞速发展并相互结合的今天，一个以计算机网络为基础的高效人-机信息处理系统可以全面提高管理和决策水平。
现代的OA系统通过Internet/Intranet平台，为企业员工提供信息共享和交换。
4．生产自动化
生产自动化PA（ProductionAutomation）是计算机在现代生产中的应用。
现介绍其中三个应用领域。
（1）实时控制
实时控制又称为过程控制，指实时采集、检测数据并进行加工后，按最佳值对控制对象进行控制。
应用计算机进行实时控制可大大提高生产自动化水平，提高劳动效率与产品质量，降低生产成本，缩短生产周期，有力促进工业生产的自动化。
（2）计算机辅助设计与计算机辅助制造
计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）是利用计算机提高设计工作的自动化程度和质量的一门技术。
当今的CAD已发展成为一门综合性的技术，所涉及的基础技术主要有图形处理技术，工程分析技术，数据管理技术，软件设计与接口技术等。
计算机辅助制造CAM（ComputerAidedManufacturing）是指利用计算机来进行生产规划、管理和控制产品制造的过程。
利用CAM技术，可实现对工艺流程、生产设备等的管理与生产装置的控制和操作。
CAD/CAM技术推动了几乎一切领域的设计革命，广泛地影响到机械、电子、化工、航天、建筑等行业。
现在我们周围的商品，大到飞机、汽车、轮船、火箭，小到运动鞋、发夹都可能是使用CAD/CAM技术生产的产品。
（3）计算机辅助测试CAT（ComputerAidedTesting）是指利用计算机辅助进行产品测试。
利用计算机进行辅助测试，可以提高测试的准确性、可靠性和效率。
5．人工智能与神经网络计算机技术
人工智能是计算机科学的一个分支。
它是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学，是控制论、计算机科学、仿真技术、心理学等综合起来的一门计算机理论学科，也是一门很有实用远景的应用科学，主要研究感觉和思维模型、神经网络的仿真、图像和声音识别、计算机数学定理证明等。
例如：
计算机下棋，密码破译，语言翻译等。
神经网络计算技术是一项“热门”的前沿技术，有人称为第六代计算技术。
神经网络计算技术要解决人工感觉（包括计算机视觉与听觉等），带有大量需要互相协调动作的智能化机器人以及在较复杂情况下各种因素互相冲突和非规则性的决策问题等。
6．在人类生活中的应用
随着网络建设的进一步完善，计算机越来越成为人类生活的必需品。
主要用于人们的通讯（电子邮件、传真、网络电话）、思想交流（网络会议、专题讨论、聊天、博客）、新闻、电子公告、电子商务、影视娱乐、信息查询、教育等。
在教育领域，除计算机辅助教学外，计算机远程教育发展非常快，已经发展为一种重要的教学形式。
操作模拟系统（如，飞机、舰船、汽车操作模拟系统）大大提高了训练效果，节约了训练经费。
数字投影仪的使用改变了理论课中黑板加粉笔的模式，可以大大提高教学效率。
在商业领域，电子商务早已进入实际应用。
电子商务（EB：
ElectronicBusiness）是利用开放的网络系统进行的各项商务活动。
它采用了一系列以电脑网络为基础的现代电子工具，如电子数据交换（EDI）、电子邮件、电子资金转帐、数字现金、电子密码、电子签名、条形码技术、图形处理技术等。
电子商务可以实现商务过程中的产品广告、合同签订、供货、发运、投保、通关、结算、批发、零售、库存管理等环节的自动化处理。
在艺术领域，有电脑绘画、音乐合成、数字影像合成、虚拟演员等技术应用，在交通及军事领域，卫星定位系统和交通导航系统也得到了较广泛的应用。
总之，计算机已经应用到人类生活、生产及科学研究的各个领域中，以后的应用还将更深入、更广泛，其自动化程度也将会更高。
1.2延伸学习：
计算机中信息的表示
1.2.1计算机中的数制
1．进位计数制
日常生活中，人们最熟悉的是十进制，但是在计算机中，会接触到二进制、八进制、十进制和十六进制，无论是哪种进制，其共同之处都是进位计数制。
所谓进位计数，就是在该进位数制中，可以使用的数字符号个数。
R进制数的基数为R，能用到的数字符号个数为R个，即0、1、2、……、R-1。
R进制数中能使用的最小数字符号是0，最大数字符号是R-1。
2．二、八、十六进制
计算机中常用到二、八、十和十六进制，它们的基本符号集如表1-1所示。
表1-1几种进位数制
进制
计数原则
基本符号
二进制
逢二进一
0，1
八进制
逢八进一
0，1，2，3，4，5，6，7
十进制
逢十进一
0，1，2，3，4，5，6，7，8，9
十六进制
逢十六进一
0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F
注：
十六进制的数符A～F分别对应十进制的10～15。
1.2.2各计数制的相互转换
1．十进制数转换成二进制数
把十进制整数转换成二进制整数的规则是“除2取余”，即：
将十进制数除以2，得到一个商数和余数；再将其商数除以2，又得到一个商数和余数；以此类推，直到商数等于零为止。
每次所得的余数（0或1）就是对应二进制数的各位数字。
在最后得到二进制数时，将第一次得到的余数作为二进制数的最低位，最后一次得到的余数作为二进制数的最高位。
【例1-1】将十进制整数56转换成二进制数。
256...............余数为0二进制数的最低位
228...............余数为0倒
214...............余数为0序
27...............余数为1取
23...............余数为1余
21...............余数为1二进制数的最高位
0...............商数为0，转换结束。
因此，十进制数56的二进制数是111000。
2．十进制数转换成八进制数
将十进制整数转换成八进制数与转换成二进制数的方法相似，但采用的规则是“除8取余”。
八进制数计数的原则是“逢八进一”。
在八进制数中不可能出现数字符号8和9。
【例1-2】将十进制数59转换成八进制数。
将十进制数59转换成八进制数的过程如下：
859...............余数为3
87...............余数为7
0...............商数为0，转换结束。
十进制数59转换成八进制数是73。
3．十进制数转换成十六进制数
将十进制整数转换成十六进制整数的规则是“除16取余”。
十六进制数计数的原则是“逢十六进一”。
在十六进制数中，用A表示10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15。
【例1-3】将十进制数89转换成十六进制数。
将十进制数89转换成十六进制数的过程如下：
1689...............余数为9
166...............余数为5
0...............商数为0，转换结束。
十进制数89转换成十六进制数是59。
4．将二进制数转换成十、八与十六进制数
（1）将二进制数转换成十进制数
【例1-4】将二进制数1111100转换成十进制数。
（1111100）2＝1×26＋1×25＋1×24＋1×23＋1×22＋0×21＋0×20
＝64+32+16+8+4＝（124）10
二进制数1111100的十进制数为124。
（2）将二进制数转换成八进制数
将一个二进制整数转换为八进制数的方法是：
将该二进制数从右向左每三位分成一组，组间用逗号分隔。
每一组代表一个0～7之间的数。
表1-2中表示二进制数与八进制数的对应关系。
表1-2进制的对应关系
二进制数
八进制数
000
0
001
1
010
2
011
3
100
4
101
5
110
6
【例1-5】将二进制数110100转换成八进制数。
将二进制数110100转换成八进制数的方法如下：
110，100
↓↓
64
二进制数110100转换成八进制数是64。
（3）将二进制数转换成十六进制数
将一个二进制数转换为十六进制数的方法是:
将该二进制数从右向左每四位分成一组，组间用逗号分隔。
每一组代表一个0～9、A、B、C、D、E、F之间的数。
表1-3中列出了二进制数与十六进制数的对应关系。
表1-3二进制数与十六进制数的对应关系
二进制数
十六进制数
二进制数
十六进制数
0000
0
1000
8
0001
1
1001
9
0010
2
1010
A
0011
3
1011
B
0100
4
1100
C
0101
5
1101
D
0110
6
1110
E
0111
7
1111
F
【例1-6】将二进制数111010011转换成十六进制数。
将二进制数111010011转换成十六进制数的方法如下：
0001，1101，0011
↓↓↓
1D3
二进制数111010011转换成十六进制数是1D3。
5．八、十六进制数转换成十进制数
【例1-7】将八进制数413转换成十进制数。
将八进制数413转换成十进制数的方法如下：
（413）8＝4×82＋1×81＋3×80＝256＋8＋3＝（2
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