计算机基础知识

1.1 计算机概述

人们通常所说的计算机，是指电子数字计算机。自1946年第一台电子计算机诞生以来，计算机技术的发展推动着网络的发展，使得计算机及其应用到社会的各个领域，人类的工作、生活越来越离不开计算机。

1.1.1 电子计算机的发展

世界上第一台数字式电子计算机诞生于1946年2月，由美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利（J.Mauchly）和工程师埃克特（J.P.Eckert）等人共同开发的“电子数值积分计算机”（Electronic Numerical Integrator And Computer，简称ENIAC），中文名译为“埃尼阿克”，根据电子计算机采用的物理器件的发展，一般将电子计算机的发展分成如下四个阶段。

1. 第一代电子管计算机（1946-1957年）

第一代电子计算机采用电子管作为主要电子器件，输入输出都在穿孔的纸带卡片上进行。由于当时技术的限制，每秒运算为几千次至几万次，内存容量仅为几KB。软件处于初始阶段，程序设计使用机器语言和汇编语言。体积庞大，功耗大，运算速度低，可靠性差且维护困难，造价很高，主要用于科学计算。

2. 第二代晶体管计算机（1957-1964年）

第二代电子计算机采用晶体管作为主要电子器件。运算速度每秒达几十万次。与电子管计算机相比，它具有体积小、速度快、功耗低、性能更稳定等特点。计算机软件也有了较大的发展，出现了FORTRAN、COBOL和ALGOL等高级语言。除了计算机科学计算外，它还被用于数据处理、事务处理以及工业控制等方面。 

3. 第三代集成电路计算机（1964-1970年）

第三代电子计算机采用中、小规模集成电路作为主要电子器件。集成电路工艺可以在几平方毫米的单晶硅上集成几十个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路，运算速度达到了每秒几十万次到几百万次。存储器的体积更小，软件方面操作系统逐步完善，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。高级程序设计语言有了很大的发展。计算机同时向标准化，多样化，通用化，机型系统化发展。计算机兼容性更好，成本更低，开始广泛应用在各个领域。

4. 第四代大规模集成电路计算机（1971年至今）

第四代电子计算机采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为主要电子器件。计算机运算速度达到每秒上千万次到十万亿次，在系统结构方面发展了并行处理技术、分布式计算机系统和计算机网络等。在软件方面发展了数据库系统、软件工程标准化系统等，应用软件已成为现代工业的一部分。第四代计算机的应用领域得到了普及，已进入各行各业，并且走进千家万户。我们现在使用的电脑就属于第四代电子计算机。

目前美国、中国及世界其他国家也正在积极研制第五代智能化计算机。第五代计算机把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起，将突破当前计算机的结构模式，更注重于逻辑推理与模拟人的思维，即具有对知识进行处理的模拟能力，同时朝巨型化、微型化、网络化、智能化和多媒体方向发展。

1.1.2 微型计算机的发展

1. 微处理器的发展

美国Intel（英特尔）公司是全球最大半导体芯片制造商，它成立于1968年以来，领导着微处理器产品创新和市场领导的历史。1971年，英特尔推出了全球第一个微处理器4004以来，微处理器发展至今已近四十多年的历史。按照微处理器处理信息的字长，发展经历了4位、8位、16位、32位及64位微处理器等阶段。工艺尺寸的缩小和体系结构的发展促进微处理器性能的不断提升。随着半导体工艺水平的飞速发展，单芯片可以集成更多的晶体管，为芯片设计提供了广阔的空间。多核结构具有良好的性能潜力和实现优势，因此，多核结构为微型计算机发展开辟了空间。生产微处理器的主要公司除Intel公司外，还有AMD公司（美国超微设备公司）。

我国在CPU研制中也不甘落后，相继研制了龙芯、方舟、威盛、星光等系列处理器芯片。

2. 微型计算机的发展

1981年，第一台IBM  PC采用了主频为8MHz的Intel 8088，操作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人电脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC”成为所有个人电脑的代名词。微处理器的快速发展推动了微型计算机的发展。微型计算机发展过程中，如“286电脑”、“386电脑”，“486电脑”、“奔腾电脑”、“酷睿电脑”等称呼均与微处理器产品相关联。 

1.1.3 计算机的特点及性能指标

1. 计算机的特点

电子计算机作为一种计算工具，具有以下几个方面的特点：

（1）运算速度快。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒几千亿次乃至万亿次，大量复杂的科学计算用电子计算机只需几秒钟就可以完成。

（2）精确度高。计算机计算精度可以用增加数字长度的设备来获得，再加上运用计算技巧，使得数值运算越来越精确。

（3）具有“记忆”功能和逻辑判断功能。电子计算机有存储器，可以存储大量的数据。目前计算机的存储容量越来越大，不但可以进行算术运算，也可以进行逻辑运算及逻辑推理。

（4）具有自动运行能力。电子计算机内部操作运算是根据人们事先编制的程序自动控制进行工作的，不需要人工干预，因而自动化程度高。

2. 计算机的性能指标

（1）字长。指计算机能够直接处理二进制数的位数，这直接涉及到计算机的功能、用途和应用范围、领域，标志着计算机的运算精度。所以性能高的计算机的字长一般比性能低的计算机长。其次，字长决定了指令直接寻址的能力，字长越长，存放数据的存储单元数越多，寻找地址的能力越强。计算机的字长分为8位、16位、32位和64位。

（2）主频。指计算机的时钟频率，即中央处理器主时钟在每秒钟内所能产生脉冲信号次数，它在很大程序上决定了计算机的运行速度。主频的单位是兆赫兹（MHz），目前使用的微型计算机已达到了吉赫兹（GHz）。

（3）运行速度。运行速度用每秒能执行多少条指令来表示，即中央处理器在每秒钟内所能完成基本指令数目的平均速度。运行速度的单位一般用MIPS（每秒百万条指令）来表示。但指令的类别有定点加法、浮点加法，现在用各种指令的平均执行时间及相对应的指令运行比例综合计算，即用加权平均法求出等效速度作为衡量计算机运行速度的标准。目前的微型计算机的运算速度可达百万次/s，几千万次/s。

（4）内存储器容量。内存储器中所能存储信息的最大数量，单位是字节（Byte，简称为B）。目前微型计算机的内存容量有1GB、2GB、4GB或8GB。存储容量单位之间的换算公式为：1TB=1024GB=1024*1024MB=1024*1024*1024KB=1024*1024*1024*1024B

（5）存取周期。内存储器的存取周期也是影响整个计算机系统性能的主要指标之一。简单地讲，存取周期就是CPU从内存储器中存取数据所需的时间。目前，半导体存储器存储周期约为几十到几百毫微秒（ns，纳秒）之间。存储周期越短，则存取速度越快。

此外，外存储器容量、计算机的可靠性、可维护性、平均无故障时间和性能价格比也都是计算机的技术指标。

1.1.4 计算机的应用和分类

1. 计算机在各个领域中的应用

计算机的应用已到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的应用主要表现在以下几个方面。

（1）科学计算。科学计算又称为数值计算，是计算机的传统应用领域。在科学研究和工程技术中，有大量复杂计算问题，利用计算机高速运算和大容量存储的能力，可进行浩繁而复杂、人工难以完成或根本无法完成的种种数值计算。它是电子计算机的重要应用领域之一，世界上第一台计算机的研制就是为科学计算而设计的。计算机高速度、高精度的运算解决了人工计算机无法解决的复杂的计算问题。例如，卫星轨迹的计算、大规模天气预报、天文学、量子化学、空气动力学、核物理学等领域中，都需要依靠计算机进行复杂的运算，科学计算的特点是计算量大和数值变化范围广。

（2）数据处理。数据处理又称信息处理，是目前计算机应用的主要领域。所谓数据处理是指用计算机对原始数据进行收集、存储、分类、加工、输出等处理过程，其结果是形成有用的信息。目前，数据处理广泛应用于办公自动化（OA）、企业管理、事务管理，情报检索等，数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。

（3）过程控制。过程控制又称实时控制，是指计算机作为控制部件对单台设备或整个生产过程进行控制，也就是计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制。

现代工业由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益增高。利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，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本、保证产品质量的稳定。计算机过程控制已在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门得到广泛的应用。例如，数控机床，航天飞机升天，工厂中的生产流水线。

（4）计算机辅助系统。计算机辅助系统包括计算机辅助教育CBE（Computer-Based Education）、计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Make）、计算机辅助教学CAI（Computer-Assisted Instruction）、计算机辅助测试CAT（Computer-Aided Test）和计算机管理CMI(Computer-Management Instruction)。

（5）人工智能。人工智能AI(Artificial  Intelligence)一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序让计算机自动探索解题的方法。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。

人工智能的应用主要有机器人、定理证明、模式识别和专家系统等方面。

（6）网络应用。计算机网络通讯技术从20世纪60年代诞生至今，得到了极大的发展，尤其是进入20世纪90年代以来得到了飞速的发展。计算机网络通讯技术正在以人们意想不到的速度迅速发展着，Internet也逐渐应用到人们生活和工作的每一个角落。计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。作为网络技术组成的重要部分，计算机在人类的生活、学习和工作中已成为不可缺少的工具。 

（7）多媒体应用。多媒体技术应用领域集文字、声音、图像、视频、通信等多项技术于一体，采用计算机的数字记录和传输传送方式，对各种媒体进行处理，具有广泛的用途。多媒体应用领域的广泛性得益于计算机技术的发展。任何多媒体应用都离不开高性能的计算机作为基础。

2. 计算机的分类

计算机的分类很多，一般可以从以下几个方面来划分：

（1）按综合性能指标，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。

（2）按信息处理方式，可分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机三类。

（3）按用途，可分为通用计算机和专用计算机。

（4）按字长，可分为4位、8位、16位、32位、64位计算机。