第1章计算机基础知识Word格式文档下载.docx
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第一代计算机采用电子管作为计算机的主要逻辑元件。
内存储器为磁鼓，外存储器为磁带，运算速度为每秒几千次，内存容量仅几KB，使用机器语言和汇编语言编程，主要应用于科学计算。
第一代计算机运算速度慢、体积大、功耗大、造价高，但已形成了计算机的基本体系结构。
（2）第二代晶体管计算机（1959年~1964年）
第二代计算机采用晶体管作为计算机的主要逻辑元件。
内存储器大量采用磁芯，外存储器开始采用磁盘、磁带，运算速度在每秒几万到几十万次之间，内存容量达到几十KB，使用高级语言（如FORTRAN、COBAL、BASIC等）进行编程，除应用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理。
第二代计算机的运算速度大幅度提搞，体积减小，重量减轻，成本降低，可靠性大大提高。
（3）第三代集成电路计算机（1965年~1970年）
第三代计算机采用集成电路作为计算机的主要逻辑元件。
与晶体管电路相比，集成电路大大缩小了体积，降低了功耗，提高了可靠性。
内存储器有磁芯存储器和半导体存储器，外存储器采用磁盘，运算速度达到每秒几千万次，高级程序设计语言有了很大的发展，出现了会话式语言，计算机开始应用于各个领域。
第三代计算机的运算速度和稳定性有了更大的提高，体积进一步减小，功耗和成本进一步降低。
（4）第四代大规模、超大规模集成电路计算机（1971年~至今）
第四代计算机采用大规模、超大规模集成电路作为计算机的主要逻辑元件。
内存储器采用半导体存储器，集成度越来越高，容量越来越大，外存储器采用磁盘、光盘等，运算速度可达每秒几亿次，操作系统不断完善，计算机的发展进入了网络时代，计算机已深入到人们生活的各个方面。
第五代智能化计算机，能使计算机具有人工智能、自动进行逻辑判断等功能。
2.微型计算机的发展
将计算机的运算器和控制器集成在一起做成的芯片称为微处理器，由微处理器装备起来的计算机称为微型计算机，或称个人计算机（PC）。
微型计算机诞生于20世纪70年代初，它的问世是计算机发展史上的里程碑，其发展之迅速，应用之广泛，影响之深远，大大超过了前期的计算机。
微型计算机的发展已经历了五代。
（1）第一代微型计算机（1971年~1972年）
第一代微型计算机采用4位或低档8位微处理器。
代表产品是Intel公司的Intel4004和由它组成的MCS-4微型机，以及随后推出的改进产品Intel8008和由它组成的MCS-8微型机。
字长为4位或8位，功能比较简单，价格低廉，主要应用于计数器、简单控制等。
（2）第二代微型计算机（1973年~1977年）
第二代微型计算机采用8位微处理器。
代表产品有Intel公司的8080和8085，Motorola公司的MC6800和Zilog公司的Z80等微处理器，AppleⅡ微型计算机等。
字长为8位，功能比较完善，性能稳定，价格便宜，主要用于教学实验、工业控制、智能仪表等。
（3）第三代微型计算机（1978年~1990年）
第三代微型计算机采用16位微处理器。
代表产品有Intel公司的8086和80286，Motorola公司的MC68000和Zilog公司的Z8000等微处理器，IBMPC、PC/XT、PC/AT、286等微型计算机。
字长为16位，各方面的性能比第二代微型计算机提高了一个数量级，这代微型机的功能已经达到或超过20世纪70年代的小型机。
（4）第四代微型计算机（1991年~1993年）
第四代微型计算机采用32位微处理器。
代表产品有Intel公司的80386和80486。
字长为32位，这代微型机已经具有20世纪70年代的大中型机的功能。
（5）第五代微型计算机（1993年~至今）
第五代微型计算机采用64位微处理器。
代表产品有Intel公司的PentiumX、IBM等公司合作生产的PowerPC。
字长为64位，与前几代微型计算机相比体积小，重量轻，功耗低，价格便宜，结构简单，性能可靠，灵活性高，适应性强。
1.1.2计算机的特点
1．运算速度快
计算机的运算速度用MIPS（每秒百万指令）来衡量。
现代计算机每秒的运算次数从几十万次到几百万亿次，甚至更高的速度。
利用计算机可以完成过去人工无法完成的计算工作，如短期天气预报，用人工计算需要一两个星期，甚至更长的时间，而用计算机则只需几分钟甚至更短的时间即可完成。
2．计算精度高
一般计算机有几位到几十位的有效数字，这样就能精确地进行计算并表示数值的计算结果。
这对大数值的计算（如天文航天数据）和精度要求很高的数据（如光学计算）是非常重要的。
3．存储容量大
存储容量的大小标志着计算机记忆功能的强弱。
计算机可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。
一台内存为512M字节的微机可以把25600多万汉字存入内存储器中，一张五英寸（1英寸=25.4mm）的光盘可存储数百万字的百科全书，现代计算机外存储器可把藏书数百万册的图书馆的全部书刊记存在其内。
4．具有逻辑判断的能力
计算机能进行逻辑计算，从而确定下一步的执行命令。
正是因为计算机具有复杂的逻辑能力，使得计算机不仅可以解决数值运算问题，还能解决非数值计算问题，如信息检索、图像识别等。
5．自动化程度高
把任何复杂的脑力工作只要能分解为计算机可执行的基本操作步骤，用计算机能识别的形式表示并存入计算机中，计算机就能完全自动化地按这些步骤去执行，完成复杂的任务。
6．具有网络通信能力
通过通信线路与通信网络互联，构成跨地区跨国界乃至全球的计算机通信网，实现各种资源共享。
1.1.3计算机的分类
1．按处理方式分类
按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式不同分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机。
数字计算机所处理数据都是以0和1表示的二进制数字，是不连续的离散数字，具有运算速度快、准确、存储量大等优点，因此适合科学计算、信息处理、过程控制和人工智能等，具有最广泛的用途。
模拟计算机所处理的数据是连续的，称为模拟量。
模拟量以电信号的幅值来模拟数值或物理量的大小，如电压、电流、温度等都是模拟量。
模拟计算机解题速度快，适于解高阶微分方程，在模拟计算和控制系统中应用较多。
混合计算机则是集数字计算机和模拟计算机的优点于一身，既能高速运算，又便于存储信息。
2．按功能分类
按计算机的功能不同分为通用计算机和专用计算机。
通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等，具有功能多、配置全、用途广、通用性强的特点，市场上销售的计算机多属于通用计算机。
专用计算机是为适应某种特殊需要而设计的计算机，通常增强了某些特定功能，忽略一些次要要求，所以专用计算机能高速度、高效率地解决特定问题，具有功能单纯、使用面窄甚至专机专用的特点。
模拟计算机通常都是专用计算机，在军事控制系统中被广泛地使用，如飞机的自动驾驶仪和坦克上的兵器控制计算机等。
3．按规模分类
按计算机的规模，并参考其运算速度、存储能力等因素将计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机。
（1）巨型机
巨型机又称超级计算机，是指运算速度超过每秒1亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速度最快、软硬件配套最齐备、价格最贵的计算机，主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。
（2）大型机
大型机有很高的运算速度和很大的存储容量，并允许很多用户同时使用。
在规模上不及巨型机，结构上也较巨型机简单，价格相对便宜，因此使用的范围较巨型机普遍，主要应用于事务处理、商业处理、信息管理、大型数据库和数据通信等领域。
（3）小型机
小型机的规模和运算速度比大型机要差，但仍能支持十几个用户同时使用。
小型机具有体积小、价格低、性能价格比高等优点，适合中小企业、事业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业管理以及科学计算等，也可做巨型机或大型机的辅助机。
（4）微型机
微型机是当今使用最普及、产量最大的一类计算机，微型机体积小、功耗低、成本少、灵活性大，性能价格比明显优于其他类型计算机，因而得到了广泛应用。
微型机按结构和性能划分为单片机、单板机、个人计算机等几种类型。
单片机
把微处理器、一定容量的存储器以及输入输出接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机，可见单片机仅是一片特殊的、具有计算机功能的集成电路芯片。
单片机体积小、功耗低、使用方便，但存储容量较小，一般用做专用机或用来控制高级仪表、家用电器等。
单板机
把微处理器、存储器、输入输出接口电路安装在一块印刷电路板上，就成为单板计算机。
一般在这块板上还有简易键盘、液晶和数码管显示器以及外存储器接口等。
单板机价格低廉且易于扩展，广泛用于工业控制、微型机教学和实验，或作为计算机控制网络的前端执行机。
个人计算机
供单个用户使用的微型机一般称为个人计算机（PC），是目前使用最多的一种微型计算机。
个人计算机配置有一个紧凑的机箱、显示器、键盘、打印机以及各种接口，可分为台式个人计算机和便携式个人计算机。
4．按工作模式分类
按照计算机的工作模式，可将计算机分为工作站和服务器
（1）工作站
工作站是介于个人计算机和小型机之间的高档微型计算机，通常配备有大屏幕显示器和大容量存储器，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有操作便利、人机界面友好等特点。
工作站具有很强的图形交互能力，因此在工程设计领域得到广泛使用。
（2）服务器
服务器是一种可供网络用户共享的高性能计算机。
服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部接口，能运行网络操作系统，并要求较高的运行速度，因此很多服务器都配置双CPU。
服务器常用于存放各类资源，为网络用户提供丰富的资源共享服务。
常见的资源服务器有DNS（DomainNameSystem，域名解析）服务器、E-mail（电子邮件）服务器、Web（网页）服务器、BBS（BulletinBoardSystem，电子公告板）服务器等。
1.1.4计算机的应用
目前，计算机已被广泛应用于科学研究、国民经济、工业生产、国防、自动化控制等各个领域，归纳起来大概可以分为以下几个方面。
1．科学计算
这是传统的计算机应用领域。
在科学研究和工程技术方面需要求解大量复杂的数学问题，如求解微分方程、积分方程、高次代数方程组等，这些问题运算复杂，计算量大，特别适合用计算机求解。
有些实际计算问题离开计算机就无法解决，如人造卫星轨迹的计算、机械设备的应力分析和计算等。
在尖端领域，其重要性尤为显著。
2．信息处理
信息处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、统计、加工等一系列的操作。
信息处理包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索等一系列工作。
计算机数据处理的特点是信息处理及时、数据量大、处理速度快，并能给出各种形式的输出格式。
目前计算机应用已深入到经济、金融、保险、商业、教育、法律、行政管理、医疗、社会普查等各个方面。
3．过程控制
过程控制也称实时控制。
利用计算机为中心的控制系统可以及时采集数据、分析数据、检测数据、制定方案，进行自动控制。
采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，还可以减轻劳动强度、提高劳动效率，从而提高产品的质量和产量。
因此，过程控制在冶金、电力、石油、化工、国防军事、工业以及各种自动化部门得到广泛的应用，同时还应用于导弹发射、火箭发射、航空航天、智能化家电仪器仪表等各个领域。
4．计算机辅助系统
计算机辅助系统包括计算机辅助设计、辅助制造、辅助教学、辅助测试等。
计算机辅助设计（CAD）主要应用于飞机、车船、桥梁、建筑、机械、服装设计等。
计算机辅助制造（CAM）主要用于制造模型、验证设计的正确性与合理性。
计算机辅助教学（CAI）是现代教学手段的体现，利用计算机开发各种教学系统，可做到图、文、声并茂。
5．人工智能
人工智能是摸拟人脑进行演绎推理和决策的思维过程，从而使计算机代替人类的某些脑力劳动，它的研究领域包括：
模式识别、景物分析、自然语言理解、自然语言生成、程序设计、专家系统和机器人等。
6．计算机网络与通信
计算机网络与通信是计算机应用最为广泛的领域之一。
它是计算机技术和通信技术的高度发展、密切结合的一门新兴科学。
利用计算机网络，能实现数据通信、资源共享等功能。
计算机网络的用途广泛，如电子邮件、广告板、聊天室、新闻、远程教育、电子商务等。
1.2计算机系统组成
1.2.1计算机系统的基本组成
计算机系统由硬件系统和软件系统组成，如图1-1所示。
1.硬件
计算机硬件是组成计算机的物理设备的总称，由各种器件和电子线路组成，是计算机完成信息处理工作的物质基础。
2.指令
计算机指令是指计算机完成某种操作的命令。
计算机中可有多种多样的指令，如取数指令、加法指令、存数指令、打印输出指令等。
所有指令的集合称为计算机的指令系统，不同的计算机其指令系统也不同，指令的种类和数量越多，计算机的处理能力就越强。
在计算机内指令是用二进制编码来表示的。
一条指令一般包括两个部分：
操作码和操作数。
操作码指明该指令要完成的操作，如加、减、传送、输入等，操作数是指参加运算的数据或数据所在的单元地址。
图1-1计算机系统的组成
3.程序
计算机程序是用户用于指挥计算机执行各种功能以便完成指定任务的指令集合。
计算机的自动处理过程就是执行已存入存储器的一段程序的过程。
4.软件
计算机软件是在计算机硬件设备上运行的各种程序及其相关资料的总称。
硬件与软件是相辅相成的，二者缺一不可。
硬件是计算机的物质基础，没有硬件就无所谓计算机。
软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值。
硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。
1.2.2硬件系统
尽管计算机的发展速度十分惊人，但是当前计算机的基本组成原理仍遵循冯·
诺依曼所提出的原理进行工作。
计算机硬件系统包括计算机的主机和外部设备，由五类功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1-2所示，双线箭头表示数据和指令流，单线箭头表示控制信号流。
它的工作过程为：
通过输入设备输入各种信息，并进入计算机的存储器，然后送到运算器，运算完后把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示处理。
整个过程都在控制器的控制下协调工作，这种工作原理简称存储程序原理。
图1-2计算机硬件的基本组成
下面对计算机的主要部件进行介绍。
1.CPU
CPU（CenterProcessingUnit）也叫中央处理器。
它是采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称为微处理器。
CPU由运算器和控制器组成，是计算机的核心部件，担负着主要的运算和分析任务。
因此，CPU的性能通常代表着计算机的基本性能。
（1）CPU的基本组成
运算器
运算器是计算机对数据进行加工的部件，主要对数据进行算术运算和逻辑运算。
运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器等组成。
计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。
运算器处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。
控制器
控制器是统一指挥和控制计算机各个部件协调操作的中心部件。
控制器一般由指令部件、时序部件和微操作控制部件组成。
其中指令部件由指令寄存器、程序计数器、地址形成器和指令译码器等组成。
控制器从内存储器中取出要执行的指令，然后分析各条指令，并按一定的时序发出控制命令，执行该指令。
（2）CPU的主要性能指标
主频
主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。
一般说来，主频越高，CPU的速度越快。
但由于内部结构不同，并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。
目前，市场上常用的CPU主频已达到2.6GHz以上。
字长
在单位时间内能一次处理的二进制数的位数叫字长，字长的单位是位（bit）。
字长是CPU数据处理能力的重要指标，反映了CPU能够处理的数据宽度、精度和速度。
字长越长，其运算速度也越快。
目前，常用的CPU字长为64位。
缓存
缓存的大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。
实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。
外频
外频是CPU的基准频率，单位是MHz。
CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
前端总线
前端总线频率直接影响着CPU与内存数据的交换速度，其频率越高，CPU的数据传输就越迅速。
（3）主流CPU
计算机的所有工作都要通过CPU来协调处理，而CPU芯片的型号直接决定着计算机档次的高低。
目前，CPU的主流产品主要有Intel公司的Pentium（奔腾系列）、Core（酷睿）系列、Celeron（赛扬）系列，AMD公司的Athlon（速龙）系列、Phenom（羿龙）系列、Sempron（闪龙）系列，威盛的C3、C7系列和国产龙芯（GodSon）二号。
图1-3为几款常用的CPU。
图1-3CPU
2.主板
主板（Mainboard）是计算机中最重要的部件之一，也是计算机中最大的一块电路板，如图1-4所示。
它为CPU、内存、显卡等其他配件提供插槽，并将他们组合成一个整体。
因此，计算机的整体运行速度和稳定性在相当程度上要取决于主板。
主板一般由以下几个部分组成：
（1）芯片
芯片包括芯片组（北桥芯片和南桥芯片）、时钟芯片、I/O芯片、BIOS芯片、声卡芯片等。
（2）插槽
插槽包括CPU插槽、AGP插槽、DIMM插槽（又称内存插槽）、PCI插槽等。
（3）接口
接口包括PS/2接口、USB接口、串行接口、并行接口、IDE接口、S-ATA接口等。
在主板的各部件中，最重要的部分是主板的芯片。
芯片组（Chipset）是主板的核心组成部分，联系着CPU和其他周边设备的运作。
芯片组是主板的灵魂，它几乎决定了主板的功能，影响着到整个计算机系统性能的发挥。
芯片组可分为南桥芯片和北桥芯片。
横跨AGP插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。
南桥多位于PCI插槽的上面，而
CPU插槽旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片。
芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的。
南桥芯片负责硬盘等存储设备和PCI之间的数据流通。
北桥芯片主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通”，由于发热量较大，因而需要散热片散热。
目前，生产主板的主流厂商有ASUS（华硕）、GIGABYTE（技嘉）、MSI（微星）、Intel（英特尔）等，他们各自拥有分别支持Intel和AMD处理器的芯片组。
其主流主板有intel的P55系列、H55系列、P45系列，AMD的785G系列、790GX系列等。
图1-4主板
3.存储器
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。
它根据控制器指定的位置存入和取出信息。
存储器可分为内存储器（主存存储器）和外存储器（辅助存储器）。
（1）内存储器
内存储器（MainMemory）是CPU能直接访问的存储器，它用来存放当前使用的程序和数据以及运算的中间结果。
它的特点是容量小，存取速度快、价格贵。
内存储器按其读写功能，可以分为随机存储器和只读存储器。
随机存储器
随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）的特点是可以读出，也可以写入。
读出时并不损坏原来存储的内容，只有写入时才修改原来存储的内容。
断电后，存储内容立即消失，具有易失性。
RAM可分为动态（DynamicRAM）和静态（StaticRAM）两大类。
DRAM的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器，SRAM的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。
计算机中直接与CPU相联系的程序和数据都存放在RAM中，因此通常所说的计算机内存指的就是RAM。
目前，市场上内存的容量有1GB、2GB等，常用的内存条如图1-5所示。
图1-5内存条
只读存储器
只读存储器（ReadOnlyMemory，简称ROM）的内容是采用掩膜技术由厂家一次性写入的，并永久保存下来。
它的特点是只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。
ROM一般用来存放专用的固定的程序和数据，不会因断电而丢失。
一般来说，系统主板上装有ROM-BIOS，它是固化在ROM芯片中的系统引导程序，完成对系统的加电自检，引导和设置系统基本输入输出接口的功能。
（2）外存储器
外存储器（SecondaryMemory）属于外部设备。
CPU不能像访问内存那样直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。
与内存相比，外存储器存储容量大，成本低，可永久地脱机保存信息，但其存取速度比内存慢。
常用的外存有硬盘、光盘、移动硬盘、U盘等。
硬盘
硬盘（HardDisc）是最重要的外存储器，几乎所有的电脑都要使用到硬盘，如图1-6所示。
硬盘具有存储容量大、存取速度快、存储数据可长期保存等特点。
在计算机系统中，常用于存放操作系统、程序和数据，是主存储器的扩充。
硬盘主要由盘片、磁头、盘片转轴及控制电机、磁头控制器、接口等几个部分组成。
不同容量硬盘的盘片数不等，每个盘片有两面，都可记录信息。
每张盘片的每一面都会配有一个读写磁头，盘片又被划分为若干个磁道（柱面），每个磁道划分为若干个扇区。
磁头数、柱面和扇区构成了硬盘结构的基本参数。
目前市场上常见的硬盘容量为500GB、640GB、750GB、1000GB等。
有时，计算机中显示出来的容量往往比硬盘上标称的容量小，这是因为不同的单位转换关系造成的，硬盘厂家通常是按照1GB=1000MB来计算容量，而在计算
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