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第一章计算机基础知识 要想了解一门学科 最好的办法是先读读它的历史 学习目标 了解计算机工作原理 学习计算机的信息表示方法 掌握常用的软硬件知识 为计算机采购 组装与维护打下良好的基础 了解计算机的发展简况 对计算机操作系统有一个大致的了解 主要内容 电子计算机的发展阶段 1 1计算机的发展 计算机的分类 未来新型计算机 数制 信息编码 基本运算 1 2数制和信息编码 主要内容 CPU 1 3PC机硬件配置 存储器 输入设备 键盘的使用 鼠标的使用 显示器的使用 1 4PC机外设的使用 输出设备 打印机的使用 主要内容 计算机软件概述 程序设计语言 操作系统的形成与发展 1 5计算机软件系统 1 1计算机的发展 1 1 1电子计算机的发展阶段 1946年 在美国宾西法尼亚大学世界上第一台电子数字计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 电子数值积分和计算机 诞生了 如图所示 它标志着计算机时代的到来 人们根据计算机的性能和使用主要元器件的不同 将计算机的发展划分成几个阶段 大型机 Mainframe 经历了四代的发展 第一代计算机1946 20世纪50年代末 电子管时代计算机 主要特点 采用电子管作为计算机的主要逻辑部件体积大 耗电量大 寿命短 成本高 电子管如图所示 这一时期的典型机器 国外的 ENIAC UNIVAC 国内的 103 104等 第二代计算机1958 1964年 晶体管计算机时代 主要特点 采用晶体管作为计算机的主要逻辑部件 体积减小 重量减轻 成本下降 能耗降低 晶体管如图1 3所示 这一时期的典型机器 国外的 IBM7090等 如图所示 国内的 441B等 第三代计算机1964 1972年 集成电路计算机时代 主要特点 采用中 小规模集成电路做主要逻辑部件 从而使计算机体积更小 重量更轻 耗电更省 寿命更长 成本更低 运算运算速度有了更大的提高 集成电路如图所示 这一时期的典型机器 国外的 IBM 360等 国内的 709等 第四代计算机1972年至今 大规模 超大规模集成电路计算机时代 主要特点 采用大规模 超大规模集成电路作基本逻辑部件 使计算机体积 重量和成本大幅度的降低 运算速度和可靠性大幅度的提高 大规模集成电路如图所示 这一时期典型机器 国外 IBM 370等 国内 银河等 1 1计算机的发展 小型计算机 Minicomputer 能满足中小型企事业单位的信息处理要求 而且成本较低 其价格能被中小部门接受 1959年DEC公司推出PDP 1 首次对大型主机进行了 缩小化 1965年推出PDP 8小型机获得成功 1975年又推出VAX 11系列小型机 使其成为名副其实的小型机霸主 DG公司 IBM公司 HP公司 如图 富士通公司都生产过小型机 微型计算机 Microcomputer 是对大型计算机进行的第二次 缩小化 1976年苹果计算机公司成立 1977年推出APPLE 微型机大获成功 使它成为个人及家庭能买得起的计算机 1981年IBM公司推出IBMPC 此后它又经历了若干代的演变 逐渐占领了庞大的个人电脑市场 1 1计算机的发展 20世纪70年代出现了在局部范围内 例如在一座大楼内 把计算机连在一起的趋势 称为局域网 在局域网中 又有对等网络和非对等网络 客户机一服务器结构模式是对大型主机结构模式的又一次挑战 由于客户机一服务器结构灵活 适应面广 成本较低 因此得到广泛的应用 自1969年美国国防部的ARPAnet运行以来 计算机广域网开始逐步发展 1983年 TCP IP 传输控制与网际互联协议 正式成为ARPAnet的协议标准 这使网际互联有了突飞猛进的发展 1991年6月我国第一条与国际互联网连接的专线建成 它从中科院高能物理研究所接到美国斯坦福大学的直线加速器中心 到1994年 我国才实现了采用TCP IP的国际互联网的全功能连接 可通过四大主干网接入网际互联网 1 过去的计算机教材 在介绍计算机发展史时 只谈第一代电子管计算机 第二代晶体管计算机 第三代集成电路计算机 第四代超大规模集成电路计算机 这实际上只是大型机本身的历史 不能全面反映60年来计算机世界发生的翻天覆地的变化 本书划分的5个发展阶段比较全面地反映了信息技术突飞猛进的发展 2 此外 各个阶段不是串接式的取代关系 而是并行式的共存关系 也就是说 并没有在某一个年代大型机全部变成了小型机 小型机并没有使大型机全部消失 微型机也没有完全取代小型机 直到今天它们仍然在特定的领域发挥着各自的优势 说明 1 1计算机的发展 1 1 2计算机的分类 专用计算机 通用计算机 工业控制计算机 科学计算与工程计算计算机 数据计算机 1 1计算机的发展 小型计算机 巨型计算机 微型计算机 巨型计算机 SuperComputer 人们通常把最快 最大 最昂贵的计算机称为巨型机 超级计算机 巨型机一般用在国防和尖端科学领域 世界上只有少数几个国家能生产巨型机 著名巨型机如 美国的克雷系列 Cray 1 Cray 2 Cray 3 Cray 4等 我国自行研制的银河 I 每秒运算1亿次以上 银河 II 每秒运算了10亿次以上 和银河 III 每秒运算100亿次以上 也都是巨型机 如图示 目前 计算机运算速度最高的是日本NEC的EarthSimulator 地球模拟器 它实测运算速度可达到每秒35万亿次浮点运算 峰值运算速度可达到每秒40万亿次浮点运算 大型主机 Mainframe 大型主机包括大型机和中型机 价格比较贵 运算速度没有巨型机那样快 一般只有大中型企事业单位才有必要配置和管理它 美国IBM公司生产的IBM360 IBM370 IBM9000系列 就是国际上有代表性的大型主机 小型计算机 Minicomputer 小型计算机一般为中小型企事业单位或某一部门所用 例如高等院校的计算机中心都以一台小型机为主机 配以几十台甚至上百台终端机 我国生产的太极系列机都是小型计算机的代表 小巨型计算机 Minisupers 也称为桌上型超级电脑 其发展非常迅速 例如 美国Convex公司的C系列机等 就是比较成功的小巨型机 微型计算机 MicroComputer 微型计算机又称个人计算机 PersonalComputer PC 是第四代计算机时期出现的一个新机种 特点是轻 小 价廉 易用 工作站 Workstation 工作站是介于个人计算机 PC机和小型计算机之间的一种高档微型机 如图所示 工作站通常配有高档CPU 高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内外存储器 具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能 它主要用于图像处理 计算机辅助设计 CAD 等领域 服务器 Server 服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统 如图所示 从硬件上来说 一台普通的微型机也可以充当服务器 关键是它要安装网络操作系统 网络协议和各种服务软件 根据提供的服务 服务器可以分为文件服务器 数据库服务器 应用服务器和通信服务器等 嵌入式计算机 嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件 嵌入到应用系统之中的计算机 嵌入式计算机与通用型计算机最大的区别是运行固化的软件 用户很难或不能改变 嵌入式计算机应用最广泛 数量超过微型机 目前广泛用于各种家用电器之中 如电冰箱 自动洗衣机 数字电视机和数码照相机等 1 1计算机的发展 1 1 3未来新型计算机 光子计算机利用光子取代电子进行数据运算 传输和存储 在光子计算机中 不同波长的光表示不同的数据 可快速完成复杂的计算工作 与传统的硅芯片计算机相比 光子计算机有下列优点 超高速的运算速度 强大的并行处理能力 大存储量 非常强的抗干扰能力 与人脑相似的容错性等 目前几乎所有的计算机都被称为冯 诺依曼计算机 从目前的研究情况看 未来新型计算机将可能在下列几个方面取得革命性的突破 1 1计算机的发展 生物计算机在20世纪80年代中期开始研制 其最大的特点是采用了生物芯片 它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成 在这种芯片中 信息以波的形式传播 速度快 能量耗低 并拥有巨大的存储能力 由于蛋白质分子能够自我组合 再生新的微型电路 使得生物计算机具有生物体的一些特点 能够自动修复芯片发生的故障 还能模仿人脑的思考机制 1 1计算机的发展 所谓量子计算机 是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机 这种多现实态是量子力学的标志 在某种条件下 原子世界存在着多现实态 即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处和彼处 可以同时表现出高速和低速 可以同时向上和向下运动 与传统的电子计算机相比 量子计算机具有 解题速度快 存储量大 搜索功能强和安全性较高等优点 1 2数制和信息编码 1 2 1数制 所谓数制 就是人们利用符号来计数的科学方法 又称为计数制 数制有很多种 例如最常使用的十进制 钟表的六十进制 每分钟60秒 每小时60分钟 年月的十二进制 一年12个月 等 无论哪种数制 都包含两个基本要素 基数和位权 基数 在一个计数制中 表示每个数位上可用字符的个数称为该计数制的基数 例如 可使用0 1 9 共10个数 十进制 基数为10 逢十进一 可使用0 1 共2个数 二进制 基数为2 逢二进一 可使用0 1 7 共8个数 八进制 基数为8 逢八进一 可使用0 1 9 A F 共16个数 十六进制 基数为16 逢十六进一 位权 是以基数为底 数码所在位置的序号为指数的整数次幂 问题的提出 一个数码处在不同位置所代表的值是不同的 例如十进制中 数字5在个位 十位 小数点后1位分别代表5 50和0 5 这是为什么呢 回