第1章
计算机基础知识
1.1  计算机系统组成与应用领域
1.1.1  计算机的发展
1．计算机的发展历程
计算机（computer）是20世纪人类最伟大的发明之一，世界上第一台全自动“电子数字积分器和计算器”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）由美国宾夕法尼亚大学于1946年研制成功。
根据计算机主机所使用的主要元器件的变化，把计算机的发展分为以下4代。
第劳动用品1代（约1946年至1957年）：电子管计算机。采用电子管作为运算和逻辑元件，数据表示主要是定点数，用机器语言和汇编语言编写程序，主要用于科学和工程计算。其代表性的计算机是美国数学家Von Neumann（冯•诺依曼）和他的同事们于1946年在普林斯顿研
究所设计的存储程序计算机IAS捡尸门，它的逻辑结构（冯•诺依曼结构）对后来计算机的发展产生了深远的影响。
第2代（约1958年至1964年）：晶体管计算机。用晶体管代替电子管作为运算和逻辑元件；主存储器采用钛金磁芯；外存储器采用磁带和磁盘；软件方面有了很大发展，出现了FORTRAN、ALGOL和COBOL等一系列高级程序设计语言，简化了程序设计，还出现了以批处理为主的操作系统，主要用于科学计算和数据处理领域，并开始用于过程控制。
第3代（约1965年至1970年）：中、小规模集成电路计算机。采用中、小规模的集成电路（SSI、MSI）作为逻辑元件；主存储器采用半导体存储器，中央处理器采用了微程序控制技术；软件逐渐完善，操作系统日益成熟，功能逐渐强化，分时操作系统，会话式语言等多种高级语言都有了新的发展。这一时期计算机在科学计算、数据处理、过程控制等方面都得到了广泛应用。
第4代（约1971年至今）：大规模集成电路和超大规模集成电路计算机。逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）；软件方面，发展了数据库系统、分布式操作系
统、通信软件等，这时计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠性极高的阶段。随着大规模集成电路技术的迅速发展，计算机除了向巨型机方向发展外，还朝着超小型机和微型机方向飞跃发展，特别是20世纪80年代开始，个人计算机异军突起，计算机网络也有了很大的发展，计算机的应用领域更为广泛。
2．计算机的分类
计算机的分类有两种方法。一种是按计算机的性能和作用分类，这也是目前国际上沿用的计算机分类方法，是由美国电气和电子工程师协会（IEEE）于1989年11月提出的分类标准，把计算机分为巨型计算机（Supercomputer）、小巨型计算机（Mini Supercomputer）、大型主机（Super mainframe）、超小型计算机（Super minicomputer）、工作站（Workstation）和个人计算机（Personal Computer）6大类。
另一种是从工作原理上划分，把计算机分为模拟计算机和数字计算机两大类。模拟计算机以电流、电压等连续变化的物理量来进行计算，其特点是运行速度快，抗干扰能力强，但运算精度低，信息存储困难。适用于过程控制和模拟，如计算机仿真研究等。数子计算机以数字电路为基础，用离散的数值“0”、“1”表示所有的信息，具有计算速度快、精度高、通
用性强等特点。
3．计算机的发展趋势
自1946年第一台计算机诞生起，在短短的50多年里，计算机在提高速度、增加功能、缩小体积、降低成本和开拓应用等方面取得了巨大的发展。进入20世纪90年代之后，计算机主要有以下发展方向。
（1）超高速化
随着用户需求的不断增长，如何提高计算机的计算能力和速度，一直是计算机的发展动力之一。20世纪90年代的计算机具有明显的高速化、超高速化的发展趋势，代表计算技术顶峰的巨型计算机正迈向万亿次（TFLOPS）级；被许多部门广泛应用的大型计算机的计算能力大约5~8年就提高10倍以上，如IBM公司的新机型S/390的速度可达送给女朋友得18件礼物325MIPS；微型计算机沿用大型机的结构体系，又有大规模集成电路（VLSI）、微型组装技术的支持，其计算速度直追大型机，如Intel Pentium Pro的计算能力达到300MIPS。
（2）微型化
随着大规模集成电路技术的发展和半导体集成电路集成度的不断提高，计算机的体积趋向微型化，并且它的计算能力、功能特性和安全可靠性等性能也会越来越高，越来越先进。
（3）普及化
计算机在性能不断提高，功能不断增强和可靠性大大改善的同时，价格一直下降。例如，1991年以Intel i486为基础的PC，每MIPS合225美元，而1995年Pentium微处理器大量生产后，PC每MIPS的成本已不到10美元。
（4）网络化
计算机数据通信网络（简称计算机网络）的发展与应用，几乎与计算机的发展是同步进行的。20世纪90年代已进入了网络计算时代，用户不单单使用计算机进行信息处理，还从网络获得解决问题所需要的硬件、软件和数据资源。
（5）多媒体化
从应用的角度来看，计算机已从单一的计算功能转向多种信息处理功能，包括数据处理、
文字处理、图形图像处理、声音、动画、视频等。计算机的界面越来越友好，越来越贴近人类的感知习惯。
（6）智能化
第5代计算机具有与人类似的思维能力，其线路结构模拟人脑的神经元，处理器具有模糊化和并行化的特点，也叫做大规模集成电路或超大规模集成电路智能计算机。
丁俊晖打过几次1471.1.2  计算机系统的组成
一个完整的计算机系统是由软件系统和硬件系统两部分组成的。硬件是计算机系统有形的物理装置，软件是实现计算机功能、在软件平台上运行的程序和相关的数据及文档。
1．计算机的硬件系统
计算机硬件是指组成计算机系统的设备实体，如电子器件、各种线路等物理装置，其基本功能是通过计算机的程序控制实现数据的输入、运算和输出等一系列基本操作。计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5大部分组成，其中运算器和控制器是计算机的核心部分，称为中央处理器（CPU），它们通过系统总线相互连接。
（1）中央处理器（CPU）
迄今为止，我们所使用的计算机都是基于“存储程序控制”的原理进行工作的，即一个问题的解算方案（程序），连同它所处理的数据，均存储在存储器中。工作时，中央处理器从存储器中取出程序中的一条条指令，按指令的要求对数据进行运算，直到该程序执行完毕为止。计算机中能够按照各种指令的要求完成对数据进行运算处理的部件称为“处理器”。
处理器主要由运算器和控制器两部分组成。运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算，它也称为执行单元。控制器是指挥中心，它能解释指令的含义，控制运算器及其他部件的工作，记录内部状态等。另外，为了暂存运算的中间结果，处理器中还包含几十个甚至上百个寄存器，用来临时存放正在处理的数据。
大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都能集成在一块半导体芯片上，这样的处理器称为微处理器。例如Intel公司的Pentium（奔腾）处理器。
一台计算机中可能包含多个微处理器，它们各有不同的任务。其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU），它是任何一台计算机必备的核心部件。
好的二本大学推荐常用的PC，其CPU仅由一个处理器组成。为了提高计算机的速度，CPU也可以由2个、4个、8个甚至几百个、几千个处理器组成，这种具有多个处理器同时执行程序的计算机系统称为多处理器系统。依靠多个处理器并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向，称为“并行处理”。
（2）主存储器和辅助存储器
计算机系统的一个重要特性是具有强大的记忆功能，它能够把大量数据（包括原始数据、中间结果与最终结果等）和程序存储起来，具有这种功能的部件就是存储器。
计算机中的存储器分为两大类：主存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存）。主存是存取速度快而容量相对较小（因容量太大，成本将十分昂贵）的一类存储器，辅存则是存取速度较慢但容量很大的一类存储器。
主存储器也称为内存储器（简称内存），它直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存内。CPU工作时，所执行的指令及操作数都是从主存中取出的，处理的结果也存放在主存中。
辅助存储器也称为外存储器（简称外存），其存储容量很大，存放着计算机系统中几乎所有的信息。计算机执行程序和加工处理数据时，辅存中的信息需要先传送入主存后才能被CPU使用。
计算机的辅存（外存）具有相当大的存储容量（通常可存放几十到几百GB，甚至更大），主要由磁表面存储器和光盘存储器等设备组成。磁表面存储器还可分为磁盘和磁带两大类。其中硬盘容量很大，存取速度相对较快，是目前计算机系统中最主要的外存设备。
通常，存取速度越快的存储器成本越高，因此只能配备较小的存储容量。例如，存取速度最高的静态随机存储器芯片（SRAM），其存取周期可以在10 ns以下，因此将这类芯片用作快存（cache）。快存也称为高速缓冲存储器，直接供CPU存取数据，以保证CPU发挥最高的效率（Pentium等处理器芯片中已集成了一部分快存在其内部）。而速度最慢但容量极大的存储器，可称为海量存储器，又叫后备存储器，较早采用磁带库，目前已逐步使用光盘库组成。
由此可知，一台计算机中可以有寄存器—cache—主存—辅存吴钟赫—海量存储器这5个层次的不同类型的存储器，它们组成了一个存储器体系。
（3）输入/输出设备
输入/输出设备简称I/O（Input/Output）设备，这些设备是计算机与外界（人或其他设备，包括另一台计算机）联系和沟通的桥梁，用户通过输入/输出设备与计算机系统互相通信。
输入是把信息送入计算机的过程。输入设备是指用户能向计算机输入信息的设备。按照输入信息的类型，输入设备有多种，例如，命令输入设备（键盘、鼠标器等），数字和文字输入设备（键盘、写字板等），图形输入设备（扫描仪、数码相机等），声音输入设备（麦克风、MIDI演奏器等），视频输入设备（摄像机）等。
输出是从计算机送出信息的过程。输出设备一般是指能从计算机中输出人们可以直接识别的信息的设备。例如，在PC系统中，显示器（在屏幕上输出信息）、打印机（在纸张上打印出信息）、绘图仪（在纸张上绘制出图形）等都是常用的输出文字和图形的设备，音箱是输出语音和音乐的设备，显示器也是输出视频信息的设备。
由于有机械传动或物理移位等动作过程，相对而言，输入/输出设备是计算机系统中运转速度最慢的部件。