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第一章     计算机基础知识

第一节   计算机的定义

计算机（computer）在早期定义为能自动、高速进行大量计算的电子机器，随着计算机技术的发展，计算机的功能已不仅仅是进行计算了。今天的计算机是一种能快速而高效地完成信息处理的数字化电子设备，它能按照人们编写的程序对原始输入数据进行加工处理、存储或传送，以便获得所期望的输出信息，从而利用这些信息来提高社会生产率，并改善人民的生活质量。所以，确切地说，现在的计算机应该称为电脑（electronic brain）。

当然，科技会继续发展，电脑的概念也将会继续发展，也许不久的将来，就会出现光脑、仿生脑等。

第二节    计算机的分类

计算机通常分为六大类：

1、大型主机（Mainframe），包括通常所说的大型机和中型机。一般用于大中型企事业单位的计算中心，如IBM360、370、4300、3090、9000系列，日本的富士通，NEC公司也生产。

2、小型机（Minicomputer），一般用于中小型企事业单位，如美国DEC公司的VAX系列，DG公司的MV系列，IBM公司的AS/400系列，富士通公司的K系列等。

3、微型机（Microcomputer），又称个人电脑（PC机），是面向个人或家庭的。目前我国各单位办公及家庭使用的基本上是这类机。

4、工作站（Workstation）

工作站与高档微机之间界限并不非常明确，而且高档工作站的性能也有接近于小型机，甚至低档大型机的。有时，个人计算机或终端也作为工作站使用，但工作站一般要求配备大屏幕显示器、大容量存储器和较强的网络通信功能，主要用于特殊的专业领域，如图像处理、计算机辅助设计（CAD）等，它是建立在RISC/UNIX平台上的计算机。

工作站可分为初级工作站、工程工作站、超级工作站以及超级绘图工作站等，较典型的有：HP-Apollo工作站、Sun工作站。

5、巨型机（Supercomputer），又称为超级电脑，是最大、最快、最贵的主机，世界上只有少数几个公司能生产，如美国克雷公司的Cray-1、Cray-2、Cray-3，中国的银河Ⅰ型亿次机、银河Ⅱ型十亿次机、银河Ⅲ型百亿次机等。它们对尖端科学、战略武器、社会及经济模拟等新领域的研究具有极其重要的意义。

6、小巨型机（Minisupercomputer），也称桌上型超级电脑。它是为挑战高价格的巨型机而发展起来的，如美国Convex公司的C系列，Alliant公司的FX系列。

严格地说，计算机的分类还应包括计算器、游戏机、机器人及其它可编程、可存储的电器，如PC1500、PLC等，还应包括具有相同功能的非电子类产品。

第三节     计算机发展简史

古代人们用结绳、木棍、竹棍（筹）、石子（码）等进行计算。我国唐、宋时期发明了算盘，并配有算盘歌（口诀），元、明时期算盘传到日本和欧洲，成为世界上最早的计算工具之一。从十七世纪后，欧洲相继出现了计算尺、手摇计算机、电动机械计算机等。1946年出现电子计算机，1981年出现微型计算机，1964年出现计算机远程终端互联。

具体地说，大致可分为三个阶段：

１、近代计算机阶段

1642年，法国物理学家帕斯卡（Blaise Pascal）发明了机械式加减法器，1673年，德国数学家莱布尼兹(G. W. von Leibniz)在此基础上增加了乘除法器，制成了一台能进行四则运算的机械式计算器。在这个阶段，自17世纪以来，人们除了研究机械式计算器外，还研究了机械式逻辑器，以及机械式输入和输出装置，为完整的机械式计算机的出现打下了基础。英国数学家、剑桥大学教授查尔斯·巴贝奇，为了解决当时用人工计算数学用表所产生的误差，在1822年开始设计差分机，希望能用它计算六次多项式并能有20位有效数字。1834年他又转向设计一台更完善的分析机。

分析机的重要贡献在于，它已经具有计算机的五个基本部分：输入、处理、存储、控制及输出装置。

巴贝奇的思想超越了他的时代，在当时的技术条件下，这种以几千个齿轮和杠杆精确配合、以蒸汽为动力的机器是无法完成的。

1936年，美国哈佛大学数学教授霍华德·艾肯（Howard Aiken）读了巴贝奇的文章后，提出用机电方法来实现分析机，在IBM总裁老沃森的帮助下，1944年MarkⅠ计算机在哈佛大学投入运行。MarkⅠ用了大量的继电器作开关元件，用十进制计数齿轮组作存储器，用穿孔纸带进行程序控制。艾肯教授说：“MarkⅠ使巴贝奇的梦想变成了现实。”

２、传统大型机阶段

            第一代计算机（1946年～1958年）

1939年，美籍保加利亚人，依阿华大学阿塔诺索夫教授和他的研究生伯瑞共同研制出最早的电子计算机ABC（Atanasoff-Berry Computer）。受此启发，1946年2月，宾西法尼亚大学莫奇莱(John W. Mauchly)教授和埃克特(J. Presper Echert. Jr)博士设计制造成功第一台大型电子数字积分计算机ENIAC（The Electronic Numerical Integraor and Computer），被称为现代计算机的始祖。

ENIAC共用了18000多只电子管、1500个继电器、重130多吨、占地170m²、耗电150KW·h，运行速度每秒5000多次加法运算，要求恒温恒湿，还专门配备了一台30多吨重的冷却装置。

此后，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）在研制EDVAC（电子离散变量计算机）、EDSAC（电子延迟存储自动计算器）、UNIVAC（通用自动计算机）的过程中不断提出改进方案，最终形成了计算机研制的冯·诺依曼模式：

       计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。

       采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

       数据以二进制码表示。

       指令由操作码和地址码组成。

       指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，指令地址一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。

       机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

1951年UNIVAC交付美国人口统计局使用，标志着人类进入了计算机时代。

第一代计算机的特点：

       采用电子管作开关元件。

       所有指令和数据都用“1”和“0”来表示（机器语言），分别对应于电子器件的“通”、“断”。

       可以存储程序，但存储设备比较落后。

       输入输出主要用穿孔卡，速度很慢。

          第二代计算机（1959年～1964年），为晶体管计算机。

主要特点：

       用晶体管代替电子管，体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、寿命长、价格低、功能强，使机器的结构和性能都发生了新的飞跃。

       普遍采用磁心存储器作内存，并采用磁盘和磁带作外存，使存储容量增大，可靠性提高，为系统软件的发展创造了条件。

       计算机体系结构发生变化，出现了变址寄存器、浮点数据表示、中断、I/O处理等。

       汇编语言取代了机器语言，并出现了FORTRAN、COBOL等高级语言。

       计算机的应用范围扩大，开始进入过程控制等领域。

          第三代计算机（1965年～1970年）

特点：

      用集成电路取代晶体管，使体积更小、耗电更省、功能更强、寿命更长。

      用半导体存储器取代磁心存储器，使存储器集成电路化，内存容量大幅度增加，为建立存储体系和存储管理创造了条件。

      普遍采用微程序技术，开始走向系列化、通用化、标准化，为确立富有继承性的体系结构发 挥了重要作用。

      系统软件与应用软件都有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计方法。

          第四代计算机（1971年～现在）

      采用超大规模集成电路。

      体系结构继续扩展和延伸。

      并行处理与多处理领域加强，如图像处理领域、人工智能与机器人领域、超级计算领域等。

      微处理器的出现使微型机异军突起、独树一帜。

          新一代计算机（FGCS）

在日本、美国、欧洲，从上世纪80年代开始研究，目前仍未见有突破性进展。

３、微机及网络阶段

1981年8月IBM公司推出个人计算机IBM-PC，使计算机走进了千家万户。1964年IBM公司与美国航空公司建立了第一个联机订票系统。自1968年美国ARPANET运行以来，计算机通信网技术迅速发展。1993年美国提出了“国家信息基础建设”计划NII（National Information Infrastructure），使人类进入信息、网络时代。

第四节   计算机的特点

从古到今，人类发明了数不清的机器，几乎所有的机器都是人类的体能的一种延伸，唯独计算机是人脑的延伸，在一定条件下可以代替人脑自动工作，具有有别于其它机器的特点。

        运算能力

计算机的运算由运算器承担，它由一些数字逻辑电路构成。计算机的出现使过去无法实现的许多工程计算、控制导航、气象预报等成为现实。

        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，如计算圆周率∏，可达10万位以上。

        记忆能力

计算机中承担记忆职能的部件为存储器，可以存储大量的数据信息和程序，随着技术的无限发展，存储信息的容量和时间也在无限发展。

        逻辑判断能力

由于计算机超强的计算能力，使得人类运用自己的大脑难以完成的判断分析可以通过计算机轻易完成，如“四色”问题等。

        自动执行程序的能力

计算机是个自动化电子装置，能自动执行存放在存储器中的程序，人类可以利用计算机的这一特点，去完成人类不易完成的高强度的、重复性的、有毒的、有害的、人类无法涉及的等劳动。

第五节   计算机的应用

现在，计算机的应用已广泛而深入地渗透到人类社会的各个领域，从科研、生产、国防、文化、教育、卫生直到家庭生活，都离不开计算机提供的服务。

            科学计算

在自然科学中，如数学、物理、化学、天文、地理等领域；在工程技术中，如航天、汽车、造船、建筑等领域，计算工作量是很大的，必须通过计算机来进行。计算机还可以促使学科理论上发生某种突破，如建筑设计中的“有限单元法”。

            信息处理

现在计算机80%以上主要用于信息处理，这类工作量大面广，成为计算机应用的主流。现代社会信息量急剧膨胀，信息已经和物质、能量一起被列为人类社会活动的三大支柱。信息处理是指对各种信息进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称，目前主要应用于办公自动化、计算机辅助管理与决策、文字处理、文档管理、情报检索、激光照排、动画设计、会计电算化、图书管理、医疗诊断等各行各业。

            计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）

上世纪60年代开始计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM），应用计算机图形方法学，对产品结构、部件、和零件进行计算、分析、比较和制图。其优点有：可以随时更改参数，反复迭代，优化设计，输出零部件表、材料表及数控机床加工用 的纸带或磁带，还可以直接把设计产品加工出来。

            过程控制

工业生产过程自动控制能有效地提高劳动生产率。微机控制系统还可用于交通、邮电、卫星通讯等领域。

            人工智能

人工智能是利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断专家系统、推理证明等各方面。