1、第1章緒論第1章緒論電子計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最偉大的技術(shù)發(fā)明之一，是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力發(fā)展的結(jié)晶。第一臺計(jì)算機(jī)于1946年誕生至今，已有半個(gè)多世紀(jì)。目前計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，有力的推動(dòng)了整個(gè)信息社會(huì)的發(fā)展。在21世紀(jì)，掌握以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代大學(xué)生必備的基本素質(zhì)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識和應(yīng)用能力是現(xiàn)代大學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。1.1 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1.1.1 電子計(jì)算機(jī)的問世1946年2月，世界上第一臺計(jì)算機(jī)在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，取名為“電子數(shù)值積分器和計(jì)算器(ElectronicNumericalIntegratorAndCalcu

2、lator)”,簡稱埃尼亞克(ENIAC),如圖1-1所示。這臺計(jì)算機(jī)占地167m2,重達(dá)30余噸，運(yùn)算速度只有5000次/秒。這臺計(jì)算機(jī)從1946年2月開始投入使用，到1955年10月最后切斷電源，服役9年多。雖然它每秒只能進(jìn)行5000次加減運(yùn)算，但它預(yù)示了科學(xué)家將從繁重的計(jì)算中解脫出來。至今人們公認(rèn)，ENIAC機(jī)的問世，表明了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來，具有劃時(shí)代意義。圖1-1ENIAC機(jī)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程ENIAC機(jī)本身存在兩大缺點(diǎn)：一是沒有存儲器；二是用布線接板進(jìn)行控制，計(jì)算速度也就被這一工作抵消了。在ENIAC尚未投入運(yùn)行前，被稱為計(jì)算機(jī)之父的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼（圖1-2）就已開始準(zhǔn)

3、備對這臺電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行脫胎換的改造。在短短10個(gè)月里,馮諾依曼迅速把概念變成了方案。他和他的同事研制了人類第二臺計(jì)算機(jī)，新機(jī)器方案命名為“離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)”，英文縮寫EDVAC。1945年6月，馮.諾依曼與戈德斯坦等人，聯(lián)名發(fā)表了一篇長達(dá)101頁紙洋洋萬言的報(bào)告，即計(jì)算機(jī)史上著名的“101頁報(bào)告”。這份報(bào)告奠定了現(xiàn)代電腦體系結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的根基，直到今天，仍然被認(rèn)為是現(xiàn)代電腦科學(xué)發(fā)展里程碑式的文獻(xiàn)。圖1-2馮諾依曼在EDVAC報(bào)告中，馮諾依曼明確規(guī)定出計(jì)算機(jī)的五大部件：運(yùn)算器CA、邏輯控制器CC、存儲器M、輸入裝置I和輸出裝置O,并描述了五大部件的功能和相互關(guān)系。與ENIAC相比，EDVAC的

4、改進(jìn)首先在于馮諾依曼巧妙地想出“存儲程序”的辦法，程序也被他當(dāng)作數(shù)據(jù)存進(jìn)了機(jī)器內(nèi)部，以便電腦能自動(dòng)一條接著一條地依次執(zhí)行指令，再也不必去接通什么線路。其次，他明確提出這種機(jī)器必須采用二進(jìn)制數(shù)制，以充分發(fā)揮電子器件的工作特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)緊湊且更通用化。人們后來把按這一方案思想設(shè)計(jì)的機(jī)器統(tǒng)稱為“諾依曼機(jī)”。自馮諾依曼設(shè)計(jì)的EDVAC計(jì)算機(jī)始，直到今天我們用“奔騰”芯片制作的多媒體計(jì)算機(jī)為止，電腦一代又一代的“傳人”，大大小小千千萬萬臺計(jì)算機(jī)，都沒能夠跳出“諾依曼機(jī)”的掌心。馮諾依曼為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展指明了方向，從這個(gè)意義上講，他是當(dāng)之無愧的“電子計(jì)算機(jī)之父”。當(dāng)然，隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，

5、“諾依曼機(jī)”一統(tǒng)天下的格局已經(jīng)被打破，但馮諾依曼對于發(fā)展電腦做出的巨大功績，永遠(yuǎn)也不會(huì)因此而泯滅其光輝。世界上第一款商用計(jì)算機(jī)是1951年開始生產(chǎn)的UNIVAC計(jì)算機(jī)。1947年，ENIAC的兩個(gè)發(fā)明人莫奇萊和?？颂貏?chuàng)立了自己的計(jì)算機(jī)公司，生產(chǎn)UNIVAC計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)開始作為商品出售。莫奇萊和?？颂匾约八麄兊腢NIVAC計(jì)算機(jī)奠定了計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)。1.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展近60年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。根據(jù)計(jì)算機(jī)采用的物理器件，一般將計(jì)算機(jī)的第1章緒論發(fā)展分為4個(gè)階段。1 .第一代計(jì)算機(jī)一一電子管計(jì)算機(jī)（1946年1957年）第一代計(jì)算機(jī)的基本特征是采用電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯元件；數(shù)

6、據(jù)表示主要是定點(diǎn)數(shù)；用機(jī)器語言或匯編語言編寫程序。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的限制，第一代計(jì)算機(jī)每秒運(yùn)算速度僅為幾千次，內(nèi)存容量僅幾KB。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是：體積龐大，運(yùn)算速度慢，可靠性差,耗電量大且維修困難。第一代計(jì)算機(jī)主要用于軍事和科學(xué)研究工作。2 .第二代計(jì)算機(jī)一一晶體管計(jì)算機(jī)（1958年1964年）第二代計(jì)算機(jī)的基本特征是其邏輯元件逐步由電子管改為半導(dǎo)體晶體管，內(nèi)存所使用的器件大多使用磁芯存儲器。運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾十萬次，內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十KB。與此同時(shí),計(jì)算機(jī)軟件也有了較大發(fā)展，出現(xiàn)了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級編程語言。相對于第一代計(jì)算機(jī)而言，第二代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是：體積減

7、少，重量減輕，耗電量減少，運(yùn)算速度加快，可靠性增強(qiáng)。第二代計(jì)算機(jī)除了用于科學(xué)計(jì)算外，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理。3 .第三代計(jì)算機(jī)一一中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1965年1970年）隨著固體物理技術(shù)的發(fā)展，集成電路工藝已可以在幾mm2的單晶硅片上集成十幾甚至上百個(gè)電子元件組成的邏輯電路。第三代計(jì)算機(jī)的基本特征是其邏輯元件采用小規(guī)模集成電路SSI（SmallScaleIntegration）和中規(guī)模集成電路MSI（MiddleScaleIntegration）。第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾十萬次到幾百萬次。存儲器進(jìn)一步發(fā)展，體積越來越小，價(jià)格越來越低，而軟件越來越完善。其特點(diǎn)是：體積更小，耗電

8、量、價(jià)格等方面進(jìn)一步下降，運(yùn)算速度、可靠性等進(jìn)一步增加。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)開始廣泛應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。4 .第四代計(jì)算機(jī)一一大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971年至今）進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路作為基本器件，其特點(diǎn)是：體積、重量、耗電量、價(jià)格等方面比上一代計(jì)算機(jī)進(jìn)一步下降，運(yùn)算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不斷地向大存儲容量、高速度方面發(fā)展。目前，計(jì)算機(jī)的速度最高可以達(dá)到每秒幾十萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算。操作系統(tǒng)不斷完善，應(yīng)用軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的一部分。1.2 計(jì)算機(jī)的分類1.2.1 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1 .運(yùn)算速度快由于計(jì)算機(jī)是由高速電子器件構(gòu)成，加之能自動(dòng)連續(xù)工作

9、，因而具有很高的運(yùn)算速度。現(xiàn)代巨型計(jì)算機(jī)的速度已達(dá)每秒萬億次，其一秒鐘完成的計(jì)算量，相當(dāng)于一個(gè)人用手工計(jì)算幾十年的工作量。計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算為人們贏得了時(shí)間。2 .計(jì)算精度高計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)的表示方法，其有效位數(shù)越多，精度也就越高，因此計(jì)算精度可用增加位數(shù)（字長）來獲得；另外還可通過算法來提高精度。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程3 .具有很強(qiáng)的“記憶”和邏輯判斷能力計(jì)算機(jī)的存儲器使計(jì)算機(jī)具有“記憶”的功能，它能夠存儲大量信息。計(jì)算機(jī)除了能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算外，還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，做出邏輯判斷，并根據(jù)判斷的結(jié)果自動(dòng)選擇以后應(yīng)執(zhí)行什么操作。4 .程序控制下自動(dòng)操作計(jì)算機(jī)與以前所有計(jì)算工具的本質(zhì)區(qū)別在于它能夠擺脫人

10、的干預(yù)，自動(dòng)、連續(xù)地進(jìn)行各種操作。計(jì)算機(jī)從正式操作開始，到輸出結(jié)果，整個(gè)過程都是在程序控制下自動(dòng)進(jìn)行的。5 .存儲容量大目前的計(jì)算機(jī)配備了大容量的內(nèi)存和外存，如目前標(biāo)準(zhǔn)配置的微型機(jī)內(nèi)存容量已達(dá)512MB;硬盤容量已達(dá)80GB。1.2.2 計(jì)算機(jī)的分類電子計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類：電子模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。電子模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別見表1.1。表1.1數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓計(jì)算方式數(shù)字計(jì)算電壓組合和

11、測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強(qiáng)無電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是以近似于人類的“思維過程”來進(jìn)行工作的，所以有人把它叫做電腦。它的發(fā)明和發(fā)展是20世紀(jì)人類最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。數(shù)字計(jì)算機(jī)又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，它是針對某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用機(jī)適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。通用計(jì)算機(jī)又分巨型機(jī)、微型機(jī)、工作站、服務(wù)器、單片機(jī)等。它們的區(qū)別在于體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲

12、容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格。巨型計(jì)算機(jī)現(xiàn)在又稱為高性能計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度在每秒一萬億次以上，第1章緒論5數(shù)據(jù)存儲容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。其數(shù)量雖然不多，但卻有重要和特殊的用途。在軍事上，可用于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)、大型預(yù)警系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)等；在民用方面，可用于大區(qū)域中長期天氣預(yù)報(bào)、大面積物探信息處理、大型科學(xué)計(jì)算和模擬等。近年來，我國高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)也取得了很大成績，推出了“曙光”、“聯(lián)想”等代表國內(nèi)最高水平的巨型機(jī)系統(tǒng)，并在國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵領(lǐng)域得到了應(yīng)用。微型計(jì)算機(jī)又稱為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer,PC)。1971年Intel公司的工程師成功地在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)

13、了中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)的功能，制成了世界上第一片4位處理器Intel4004,組成了世界上第一臺4位微型計(jì)算機(jī)一一MCS-4,從此揭開了世界計(jì)算機(jī)大發(fā)展的帷幕。自舊M公司于1981年采用Intel微處理器推出舊MPC以來，微型計(jì)算機(jī)因其小、巧、輕、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在過去的20多年里得到迅速發(fā)展，成為計(jì)算機(jī)的主流。今天，微型機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，從工廠生產(chǎn)控制到政府辦公自動(dòng)化，從商店的數(shù)據(jù)處理到家庭的信息管理，幾乎無所不在。微型機(jī)的種類很多，主要分為3類：臺式機(jī)、筆記本和個(gè)人數(shù)字助理PDA。工作站是一種介于微型機(jī)和小型機(jī)之間的高檔微

14、機(jī)系統(tǒng)。自1980年美國Appolo公司推出世界上第一個(gè)工作站DN-100以來，工作站迅速發(fā)展，成為專長處理某類特殊事務(wù)的一種獨(dú)立的計(jì)算機(jī)類型。工作站通常配備有高分辨率的大屏幕顯示器和大容量的內(nèi)、外存儲器，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)、圖形處理能力。服務(wù)器是一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個(gè)用戶提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從硬件上來說，一臺普通的微型機(jī)也可以充當(dāng)服務(wù)器，關(guān)鍵是它要安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各種服務(wù)軟件。服務(wù)器的管理和服務(wù)有：文件、數(shù)據(jù)庫、圖形、圖像以及打印、通信、安全、保密和系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等服務(wù)。根據(jù)所提供的服務(wù)，服務(wù)器可以分為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和通信服務(wù)器等。單片計(jì)算機(jī)是只用一片集成

15、電路做成的計(jì)算機(jī)，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，性能指標(biāo)較低，價(jià)格便宜。主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制。介于巨型機(jī)和單片機(jī)之間的是大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標(biāo)依次遞減。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，今天的小型機(jī)可能是明天的微型機(jī)，而今天的微型機(jī)可能是明天的單片機(jī)。1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用目前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，已滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，從科研、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)到家電的使用，都涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1 .數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算是計(jì)算機(jī)的一個(gè)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，也是應(yīng)用最早、最重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)明計(jì)算機(jī)的最基本目的就是解決工程研究與設(shè)計(jì)中所涉及的各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題的計(jì)算，

16、目前它已廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、建筑等方面。2 .信息處理大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程信息處理是指計(jì)算機(jī)對外部設(shè)備送來的各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、加工、分類、存儲、傳送、檢索等綜合性的處理工作。如生產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理、檔案管理等各種管理中的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，以及辦公自動(dòng)化中的文字處理和文件管理。3 .過程控制生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的另一廣泛領(lǐng)域，即由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索、采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測、自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制，其特點(diǎn)是精度高、速度快、反應(yīng)靈敏。典型的應(yīng)用領(lǐng)域有：生產(chǎn)過程控制、交通自動(dòng)管理、火警自動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)等。4 .計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)包括輔助設(shè)計(jì)、輔助教育、輔助制造等。計(jì)算機(jī)

17、輔助設(shè)計(jì)CAD(Computer-AidedDesign)是利用計(jì)算機(jī)幫助各類設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)，它可以取代傳統(tǒng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)的精度和質(zhì)量，在建筑工程、機(jī)械部件、家電產(chǎn)品和服裝等設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。計(jì)算機(jī)輔助教育CBE(Computer-BasedEducation)包括計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI,計(jì)算機(jī)輔助測試CAT,計(jì)算機(jī)管理教學(xué)CMI。其中CAI是通過人機(jī)交互方式幫助學(xué)生自學(xué)，代替教師提供豐富的教學(xué)資料和進(jìn)行各種問答式教學(xué)，改變了過去傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象、圖文并茂。CAT是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、自我測評等，幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的過程，分析學(xué)習(xí)過程中的不足。

18、隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，遠(yuǎn)程教學(xué)和網(wǎng)上學(xué)習(xí)已越來越普及，為學(xué)習(xí)者提供了更多、更便利的學(xué)習(xí)方式。計(jì)算機(jī)輔助制造CAM(Computer-AidedManufacturing)是利用計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作，它能提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短生產(chǎn)周期，對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。5 .計(jì)算機(jī)通訊與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互連，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的硬件、軟件資源共享，促進(jìn)地區(qū)間、國際間的通信與各種數(shù)據(jù)的傳輸和處理。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)通信的應(yīng)用已達(dá)到前所未有的境界。其中電子商務(wù)是指在Internet上進(jìn)行的商務(wù)交易，它涉及企業(yè)和個(gè)人的各種形式的基于數(shù)字化信息處理和傳輸?shù)纳虡I(yè)活動(dòng)。6 .人工智能人工智能(AI)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展的又一個(gè)前沿方向，它的主要目的是用計(jì)算機(jī)來模擬人類的某些智能活動(dòng)，使其具有“學(xué)習(xí)”、“適應(yīng)能力”、“推理”等功能，在一定程度上具有“思維”能力。AI的應(yīng)用主要包括：模式識別、專家系統(tǒng)、機(jī)器人、智能檢索等。總之，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已非常普及，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用產(chǎn)生了許多新理念，引起了人類社會(huì)從經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)到上