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计算机基础知识大全
第1章计算机应用基础知识
1.1计算机的发展概述
世界上第一台电子计算机于1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为ENIAC（读作“埃尼克”），即ElectronicNumericalInternalAndCalculator的缩写。
电子计算机的产生和迅速发展是当代科学技术最伟大的成就之一。
自1946年美国研制的第一台电子计算机ENIAC以来，在半个世纪的时间里，计算机的发展取得了令人瞩目的成就。
计算机从诞生到现在，已走过了60年的发展历程，在这期间，计算机的系统结构不断发生变化。
人们根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展划分为几个阶段，下面就来具体介绍。
1.1.1计算机发展简史
电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，至今已经历了四代，目前正在向第五代过渡。
每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
1．第一代（1946～1957年），电子管计算机
它是一台电子数字积分计算机，取名为ENIAC。
这台计算机是个庞然大物，共用了18 000多个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，每小时耗电140千瓦，计算速度为每秒5000次加法运算。
尽管它的功能远不如今天的计算机，但ENIAC作为计算机大家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河，使信息处理技术进入了一个崭新的时代。
其主要特征如下：
（1）电子管元件，体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。
（2）运算速度慢，一般为每秒钟1千次到1万次。
（3）使用机器语言，没有系统软件。
（4）采用磁鼓、小磁芯作为存储器，存储空间有限。
（5）输入/输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片。
（6）主要用于科学计算。
2．第二代（1958～1964年），晶体管计算机
晶体管的发明给计算机技术带来了革命性的变化。
第二代计算机采用的主要元件是晶体管，称为晶体管计算机。
计算机软件有了较大发展，采用了监控程序，这是操作系统的雏形。
第二代计算机有如下特征：
（1）采用晶体管元件作为计算机的器件，体积大大缩小，可靠性增强，寿命延长。
（2）运算速度加快，达到每秒几万次到几十万次。
（3）提出了操作系统的概念，开始出现了汇编语言，产生了如FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言和批处理系统。
（4）普遍采用磁芯作为内存储器，磁盘、磁带作为外存储器，容量大大提高。
（5）计算机应用领域扩大，从军事研究、科学计算扩大到数据处理和实时过程控制等领域，并开始进入商业市场。
3．第三代（1965～1969年），中小规模集成电路计算机
20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，已制造出了集成电路元件。
集成电路可在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。
计算机开始采用中小规模的集成电路元件，这一代计算机比晶体管计算机体积更小，耗电更少，功能更强，寿命更长，综合性能也得到了进一步提高。
具有如下主要特征：
（1）采用中小规模集成电路元件，体积进一步缩小，寿命更长。
（2）内存储器使用半导体存储器，性能优越，运算速度加快，每秒可达几百万次。
（3）外围设备开始出现多样化。
（4）高级语言进一步发展。
操作系统的出现，使计算机功能更强，提出了结构化程序的设计思想。
（5）计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。
4．第四代（1971年至今），大规模集成电路计算机
随着20世纪70年代初集成电路制造技术的飞速发展，产生了大规模集成电路元件，使计算机进入了一个新的时代，即大规模和超大规模集成电路计算机时代。
这一时期的计算机的体积、重量、功耗进一步减少，运算速度、存储容量、可靠性有了大幅度的提高。
其主要特征如下：
（1）采用大规模和超大规模集成电路逻辑元件，体积与第三代相比进一步缩小，可靠性更高，寿命更长。
（2）运算速度加快，每秒可达几千万次到几十亿次。
（3）系统软件和应用软件获得了巨大的发展，软件配置丰富，程序设计部分自动化。
（4）计算机网络技术、多媒体技术、分布式处理技术有了很大的发展，微型计算机大量进入家庭，产品更新速度加快。
（5）计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和专家系统等各个领域得到应用，电子商务已开始进入到了家庭，计算机的发展进入到了一个新的历史时期。
1.1.2计算机的特点
1．自动地运行程序
计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。
由于采用存储程序控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，启动计算机后，就能自动地执行下去直至完成任务。
这是计算机最突出的特点。
2．运算速度快
计算机能以极快的速度进行计算。
现在普通的微型计算机每秒可执行几十万条指令，而巨型机则达到每秒几十亿次甚至几百亿次。
随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。
例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需十几分钟就可以完成。
3．运算精度高
电子计算机具有以往计算机无法比拟的计算精度，目前已达到小数点后上亿位的精度。
4．具有记忆和逻辑判断能力
人是有思维能力的。
而思维能力本质上是一种逻辑判断能力。
计算机借助于逻辑运算，可以进行逻辑判断，并根据判断结果自动地确定下一步该做什么。
计算机的存储系统由内存和外存组成，具有存储和“记忆”大量信息的能力，现代计算机的内存容量已达到上百兆甚至几千兆，而外存也有惊人的容量。
如今的计算机不仅具有运算能力，还具有逻辑判断能力，可以使用其进行诸如资料分类、情报检索等具有逻辑加工性质的工作。
5．可靠性高
随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。
例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。
计算机应用在管理中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。
另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。
用同一台计算机能解决各种问题，应用于不同的领域。
微型计算机除了具有上述特点外，还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易操作、功能强、使用灵活、价格便宜等特点。
计算机还能代替人做许多复杂繁重的工作。
1.1.3计算机的应用
进入20世纪90年代以来，计算机技术作为科技的先导技术之一得到了飞跃发展，超级并行计算机技术、高速网络技术、多媒体技术、人工智能技术等相互渗透，改变了人们使用计算机的方式，从而使计算机几乎渗透到人类生产和生活的各个领域，对工业和农业都有极其重要的影响。
计算机的应用范围归纳起来主要有以下6个方面。
1．科学计算
亦称数值计算，是指用计算机完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题。
计算机作为一种计算工具，科学计算是它最早的应用领域，也是计算机最重要的应用之一。
在科学技术和工程设计中存在着大量的各类数字计算，如求解几百乃至上千阶的线性方程组、大型矩阵运算等。
这些问题广泛出现在导弹实验、卫星发射、灾情预测等领域，其特点是数据量大、计算工作复杂。
在数学、物理、化学、天文等众多学科的科学研究中，经常遇到许多数学问题，这些问题用传统的计算工具是难以完成的，有时人工计算需要几个月、几年，而且不能保证计算准确，使用计算机则只需要几天、几小时甚至几分钟就可以精确地解决。
所以，计算机是发展现代尖端科学技术必不可少的重要工具。
2．数据处理
数据处理又称信息处理，它是指信息的收集、分类、整理、加工、存储等一系列活动的总称。
所谓信息是指可被人类感受的声音、图像、文字、符号、语言等。
数据处理还可以在计算机上加工那些非科技工程方面的计算，管理和操纵任何形式的数据资料。
其特点是要处理的原始数据量大，而运算比较简单，有大量的逻辑与判断运算。
据统计，目前在计算机应用中，数据处理所占的比重最大。
其应用领域十分广泛，如人口统计、办公自动化、企业管理、邮政业务、机票订购、情报检索、图书管理、医疗诊断等。
3．计算机辅助设计
（1）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是指使用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品和工程设计。
它能使设计过程自动化，设计合理化、科学化、标准化，大大缩短设计周期，以增强产品在市场上的竞争力。
CAD技术已广泛应用于建筑工程设计、服装设计、机械制造设计、船舶设计等行业。
使用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。
（2）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）是指利用计算机通过各种数值控制生产设备，完成产品的加工、装配、检测、包装等生产过程的技术。
将CAD进一步集成形成了计算机集成制造系统CIMS，从而实现设计生产自动化。
利用CAM可提高产品质量，降低成本和降低劳动强度。
（3）计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，CAI）是指将教学内容、教学方法以及学生的学习情况等存储在计算机中，帮助学生轻松地学习所需要的知识。
它在现代教育技术中起着相当重要的作用。
除了上述计算机辅助技术外，还有其他的辅助功能，如计算机辅助出版、计算机辅助管理、辅助绘制和辅助排版等。
4．过程控制
亦称实时控制，是用计算机及时采集数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或采用自动调节。
利用计算机进行过程控制，不仅大大提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性。
过程控制的特点是及时收集并检测数据，按最佳值调节控制对象。
在电力、机械制造、化工、冶金、交通等部门采用过程控制，可以提高劳动生产效率、产品质量、自动化水平和控制精确度，减少生产成本，减轻劳动强度。
在军事上，可使用计算机实时控制导弹根据目标的移动情况修正飞行姿态，以准确击中目标。
5．人工智能
人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是用计算机模拟人类的智能活动，如判断、理解、学习、图像识别、问题求解等。
它涉及到计算机科学、信息论、仿生学、神经学和心理学等诸多学科。
在人工智能中，最具代表性、应用最成功的两个领域是专家系统和机器人。
计算机专家系统是一个具有大量专门知识的计算机程序系统。
它总结了某个领域的专家知识构建了知识库。
根据这些知识，系统可以对输入的原始数据进行推理，做出判断和决策，以回答用户的咨询，这是人工智能的一个成功的例子。
机器人是人工智能技术的另一个重要应用。
目前，世界上有许多机器人工作在各种恶劣环境，如高温、高辐射、剧毒等。
机器人的应用前景非常广阔。
现在有很多国家正在研制机器人。
6．计算机网络
把计算机的超级处理能力与通信技术结合起来就形成了计算机网络。
人们熟悉的全球信息查询、邮件传送、电子商务等都是依靠计算机网络来实现的。
计算机网络已进入到了千家万户，给人们的生活带来了极大的方便。
1.1.4电子计算机的分类
一般情况下，电子计算机有多种分类方法，但在通常情况下采用3种分类标准。
1．按处理的对象分类
电子计算机按处理的对象分可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和混合计算机。
电子模拟计算机所处理的电信号在时间上是连续的（称为模拟量），采用的是模拟技术。
电子数字计算机所处理的电信号在时间上是离散的（称为数字量），采用的是数字技术。
计算机将信息数字化之后具有易保存、易表示、易计算、方便硬件实现等优点，所以数字计算机已成为信息处理的主流。
通常所说的计算机都是指电子数字计算机。
混合计算机是将数字技术和模拟技术相结合的计算机。
2．按性能规模分类
按性能规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。
（1）巨型机
研究巨型机是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。
巨型机的特点是运算速度快、存储容量大。
目前世界上只有少数几个国家能生产巨型机。
我国自主研发的银河I型亿次机和银河II型十亿次机都是巨型机。
主要用于核武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。
（2）大型机
大型机的特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，主要应用在公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂家等，通常人们称大型机为企业计算机。
大型机在未来将被赋予更多的使命，如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全保护、科学计算等。
（3）中型机
中型机是介于大型机和小型机之间的一种机型。
（4）小型机
小型机规模小，结构简单，设计周期短，便于及时采用先进工艺。
这类机器由于可靠性高，对运行环境要求低，易于操作且便于维护。
小型机符合部门性的要求，为中小型企事业单位所常用。
具有规模较小、成本低、维护方便等优点。
（5）微型计算机
微型机又称个人计算机（PersonalComputer，PC），它是日常生活中使用最多、最普遍的计算机，具有价格低廉、性能强、体积小、功耗低等特点。
现在微型计算机已进入到了千家万户，成为人们工作、生活的重要工具。
（6）工作站
工作站是一种高档微机系统。
它具有较高的运算速度，具有大小型机的多任务、多用户功能，且兼具微型机的操作便利和良好的人机界面。
它可以连接到多种输入/输出设备。
它具有易于联网、处理功能强等特点。
其应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并充当网络服务器的角色。
3．按功能和用途分类
按功能和用途可分为通用计算机和专用计算机。
通用计算机具有功能强、兼容性强、应用面广、操作方便等优点，通常使用的计算机都是通用计算机。
专用计算机一般功能单一，操作复杂，用于完成特定的工作任务。
1.2计算机系统的组成
1.2.1计算机系统概述
现在，计算机已发展成为一个庞大的家族，其中的每个成员，尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大的差别，但是它们的基本结构是相同的。
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
硬件系统由中央处理器、内存储器、外存储器和输入/输出设备组成。
软件系统分为两大类，即计算机系统软件和应用软件。
计算机通过执行程序而运行，计算机工作时，软、硬件协同工作，两者缺一不可。
计算机系统的组成框架如图1-1所示。
1．硬件系统概述
硬件系统是构成计算机的物理装置，是指在计算机中看得见、摸得着的有形实体。
在计算机的发展史上做出杰出贡献的著名应用数学家冯·诺依曼（VonNeumann）与其他专家于1945年为改进ENIAC，提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案。
这个方案规定了新机器由5个部分组成：
运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出。
并描述了这5个部分的职能和相互关系。
这个方案与ENIAC相比，有两个重大改进：
一是采用二进制；二是提出了“存储程序”的设计思想，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令，使程序的执行可自动地从一条指令进入到下一条指令。
这个概念被誉为计算机史上的一个里程碑。
计算机的存储程序和程序控制原理被称为冯·诺依曼原理，按照上述原理设计制造的计算机称为冯·诺依曼机。
图1-1计算机的组成框架
概括起来，冯·诺依曼结构有3条重要的设计思想：
（1）计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成，每个部分有一定的功能。
（2）以二进制的形式表示数据和指令。
二进制是计算机的基本语言。
（3）程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。
硬件是计算机运行的物质基础，计算机的性能如运算速度、存储容量、计算和可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。
仅有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。
在裸机上只能运行机器语言程序，使用很不方便，效率也低。
所以早期只有少数专业人员才能使用计算机。
2．计算机的基本工作原理
1）计算机的指令系统
指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。
一条指令通常由如下两个部分组成：
（1）操作码：
它是指明该指令要完成的操作，如存数、取数等。
操作码的位数决定了一个机器指令的条数。
当使用定长度操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2n条。
（2）操作数：
它指操作对象的内容或者所在的单元格地址。
操作数在大多数情况下是地址码，地址码有0～3位。
从地址代码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。
2）计算机的工作原理
计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。
当计算机在工作时，有两种信息在流动，一种是数据流，另一种是控制流。
数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。
控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，用于指挥各部件协调地工作。
下面，以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。
计算机的指令执行过程分为如下几个步骤：
（1）取指令。
从内存储器中取出指令送到指令寄存器。
（2）分析指令。
对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电信号，并由地址码确定操作数的地址。
（3）执行指令。
它是由操作控制线路发出的完成该操作所需要的一系列控制信息，以完成该指令所需要的操作。
（4）为执行下一条指令作准备。
形成下一条指令的地址，指令计数器指向存放下一条指令的地址，最后控制单元将执行结果写入内存。
上述完成一条指令的执行过程叫做一个“机器周期”。
指令的执行过程如图1-2所示。
计算机在运行时，CPU从内存读取一条指令到CPU内执行，指令执行完，再从内存读取下一条指令到CPU执行。
CPU不断地取指令，分析指令，执行指令，再取下一条指令，这就是程序的执行过程。
总之，计算机的工作就是执行程序，即自动连续地执行一系列指令，而程序开发人员的工作就是编制程序，使计算机不断地工作。
图1-2指令的执行过程
3．软件系统概述
软件系统是指使用计算机所运行的全部程序的总称。
软件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。
有了软件，人们可以不必过多地去了解机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机，从而使计算机有效地为人类工作、服务。
随着计算机应用的不断发展，计算机软件在不断积累和完善的过程中，形成了极为宝贵的软件资源。
它在用户和计算机之间架起了桥梁，给用户的操作带来极大的方便。
在计算机的应用过程中，软件开发是个艰苦的脑力劳动过程，软件生产的自动化水平还很低。
所以，许多国家投入大量人力从事软件开发工作。
正是有了内容丰富、种类繁多的软件，使用户面对的不仅是一部实实在在的计算机，而且还包含许多软件的抽象的逻辑计算机（称之为虚拟机），这样，人们可以采用更加灵活、方便、有效的手段使用计算机。
从这个意义上说，软件是用户与计算机的接口。
在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。
一般来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件执行的指令也能够用软件来完成。
硬件和软件有一定的等价性，例如，如图像的解压，以前低档微机是用硬件解压，现在高档微机则用软件来实现。
软件和硬件之间的界线是经常变化的。
要从价格、速度、可靠性等多种因素综合考虑，来确定哪些功能用硬件实现合适，哪些功能由软件实现合适。
1.2.2硬件系统的组成
计算机的硬件由主机和外设组成，主机由CPU、内存储器、主板（总线系统）构成，外部设备由输入设备（如键盘、鼠标等）、外存储器（如光盘、硬盘、U盘等）、输出设备（如显示器、打印机等）组成。
计算机硬件结构如图1-3所示。
图1-3计算机硬件的组成
微机与传统的计算机没有本质的区别，它也是由运算机、控制器、存储器、输入和输出设备等部件组成。
不同之处是微机把运算器和控制器集成在一片芯片上，称之为CPU。
下面以微机为例说明计算机各部分的作用。
1．CPU
CPU是计算机的核心部件，它完成计算机的运算和控制功能。
运算器又称算术逻辑部件（ArithmeticalLogicUnit，ALU），主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。
控制器（ControlUnit，CU）是整个计算机的指挥中心，根据事先给定的命令，发出各种控制信号，指挥计算机各部分工作。
它的工作过程是负责从内存储器中取出指令并对指令进行分析与判断，并根据指令发出控制信号，使计算机的有关设备有条不紊地协调工作，在程序的作用下，保证计算机能自动、连续地工作。
CPU外形如图1-4所示。
2．存储器
存储器（Memory）是计算机存储信息的“仓库”。
所谓“信息”是指计算机系统所要处理的数据和程序。
程序是一组指令的集合。
存储器是有记忆能力的部件，用来存储程序和数据，存储器可分为两大类：
内存储器和外存储器。
内存储器简称内存，也叫随机存储器（RAM），这种存储器允许按任意指定地址的存储单元进行随机地读出或写入数据。
由于数据是通过电信号写入存储器的，因此在计算机断电后，RAM中的信息就会随之丢失。
内存条外形如图1-5所示，它的特点是存取速度快，可与CPU处理速度相匹配，但价格较贵，能存储的信息量较少。
外存储器（简称外存）又称辅助存储器，主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序或数据。
如软盘、硬盘、光盘等都叫外存储器。
存放在外存中的程序必须调入内存才能运行，外存的存取速度相对来说较慢，但外存价格比较便宜，可保存的信息量大。
常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。
图1-4CPU外形图图1-5内存条外形图
CPU和内存储器构成计算机主机。
外存储器通过专门的输入/输出接口与主机相连。
外存与其他的输入输出设备统称外部设备。
如硬盘驱动器、软盘驱动器、打印机、键盘都属外部设备。
现代计算机中内存普遍采取半导体器件，按其工作方式不同，可分为动态随机存取器（DRAM）、静态随机存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）。
对存储器存入信息的操作称为写入（Write），从存储器取出信息的操作称为读出（Read）。
执行读出操作后，原来存放的信息并不改变，只有执行了写入操作，写入的信息才会取代原先存入的内容。
所以RAM中存放的信息可随机地读出或写入，通常用来存入用户输入的程序和数据等。
计算机断电后，RAM中的内容随之丢失。
DRAM和SRAM两者都叫随机存储器，断电后信息会丢失，不同的是，DRAM存储的信息要不断刷新，而SRAM存储的信息不需要刷新。
ROM中的信息只可读出而不能写入，通常用来存放一些固定不变的程序。
计算机断电后，ROM中的内容保持不变，当计算机重新接通电源后，ROM中的内容仍可被读出。
为了便于对存储器内存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。
通常计算机按字节编址。
地址与存储单元为一对一的关系，是存储单元的惟一标志。
存储单元的地址、存储单元和存储单元的内容是3个不同的概念。
地址相当于旅馆的房间编号，存储单元相当于旅馆的房间，存储单元的内容相当于房间中的旅客。
在存储器中，CPU对存储器的读写操作都是通过地址来进行的。
外存储器目前使用得最多的是磁表面存储器和光存储器两大类。
磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片基体上形成记录介质，并在磁头与记录介质的相对运动中存取信息。
现代计算机系统中使用的磁表面仪器有磁盘和磁带两种。
硬盘结构如图1-6所示。
用于计算机系统的光存储器主要是光盘（OpticalDisk），现在通常称为CD（CompactDisk）。
光盘用光学方式读写信息，存储的信息量比磁盘存储器存储的信息量大得多，因此受到广大用户的青睐。
所有外存的存储介质（盘片或磁带）都必须通过机电装置才能存取信息，这些机电装置称之为“驱动器”，如常用的软盘驱动器、硬盘驱动器和光盘驱动器等。
目前外存储器的容量不断增大，从MB级到GB级，还有海量存储器等。
图1-6硬盘内部结构图
3．输入设备
输入设备是将外界的各种信息（如程序、数据、命令等）送入到计算机内部的设备。
常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、条形码读入器等。
4．输出设备
输出设备是将计算机处理后的信息以人们能够识别的形式（如文字、图形、数值、声音等）进行显示和输出的设备。
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