计算机基础知识
一.计算机发展史略
世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行, 它的名称叫ENIAC(埃尼阿克), 是电子数值积分计算机(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的缩写。它使用了17468个真空电子管, 耗电174千瓦, 占地170平方米, 重达30吨, 每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机, 但在当时它已是运算速度的绝对冠军, 而且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。以圆周率(π)的计算为例, 中国的古代科学家祖冲之利用算筹, 耗费心血, 才把圆周率计算到小数点后7位数。一千多年后, 英国人香克斯以毕生精力计算圆周率, 才计算到小数点后707位。而使用ENIAC进行计算, 仅用了40秒就达到了这个记录, 还发现香克斯的计算中, 第528位是错误的。
ENIAC奠定了电子计算机的发展基础, 开辟了一个计算机科学技术的新纪元。有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志。
ENIAC诞生后, 数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论, 主要有两点: 其一是电子计算机应该以二进制为运算基础, 其二是电子计算机应采用"存储程序"方式工作, 而且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成: 运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。冯·诺依曼的这些理论的提出, 解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题, 对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天, 绝大部分的计算机还是采用冯·诺依曼方式工作。
ENIAC诞生后短短的几十年间, 计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管, 晶体管, 中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路, 引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小, 功能大大增强, 应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现, 使得计算机迅速普及, 进入了办公室和家庭, 在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。当前, 计算机的应用已扩展到社会的各个领域。
电子计算机还在向以下四个方面发展:
巨型化天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算, 要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量, 这就需要研制功能更强的巨型计算机。
微型化专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭, 但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机, 以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现, 迅速普及。
网络化将地理位置分散的计算机经过专用的电缆或通信线路互相连接, 就组成了计算机网络。网络能够使分散的各种资源得到共享, 使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事, 而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET, 也译为国际互联网)就是一个经过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。经过因特网, 人们足不出户就可获取大量的信息, 与世界各地的亲友快捷通信, 进行网上贸易等等。
智能化当前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动, 因此也常称为"电脑"。可是人们希望计算机具有更多的类似人的智能, 比如: 能听懂人类的语言, 能识别图形, 会自行学习等等, 这就需要进一步进行研究。
二.计算机的应用
(1) 科学计算如: 计算量大、数值变化范围大的天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中的复杂运算。
(2) 数据处理是计算机应用的一个重要方面, 如: 办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等非数值计算的领域。
(3) 过程控制如: 冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等现代工业生产过程中的自动化控制。
(4) 计算机辅助系统
计算机辅助设计 CAD: 如飞机、船舶、建筑、机械、大规模集成电路等的设计。
计算机辅助制造 CAM: 用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。
计算机辅助教育 CBE: 如计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试 CAT、计算机管理教学 CMI
(5) 人工智能 AI 是计算机应用研究的前沿学科。
(6) 信息高速公路(此即”国家信息基础设施” NII 的俗称)
中国已建立的大型计算机应用工程-"金"字工程: 金桥工程(全国经济信息网) 金卡工程(金融信息网) 金关工程(外贸海关信息网) 金智工程(教育科研信息网)
(7)电子商务利用国际互联网Internet 进行网上商务活动, 始于1996年, 现已发展迅速, 全球已有许多企业先后开展了”电子商务”活动。
三.计算机系统的组成
1.计算机的基本结构
冯·诺依曼(美籍匈牙利数学家)对计算机结构提出的设计思想:
(1)计算机应由五个基本部分组成: 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备;
(2) 采用存储程序的方式, 程序和数据存放在同一个存储器中;
(3) 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, 一般按顺序递增, 但可按运算结果或外界条件而改变;
(4) 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经过运算器。
2.计算机工作原理计算机的工作过程其实就是一个执行指令和程序的过程。
指令的执行过程:
第一阶段, 计算机将要执行的指令从内存取到CPU, 此阶段称之为取指周期;
第二阶段, CPU对取入的指令进行分析译码, 判断该指令要完成的操作, 然后向各部件发出完成该操作的控制信号, 完成该指令的功能, 此阶段称之为执行周期。
程序的执行过程: 就是逐条执行指令的过程。取指令→执行指令→取指令→执行指令……
指令: 就是让计算机完成某个操作所发出的命令, 是计算机完成某个操作的依据。它包括操作码和操作数两部分。
操作码: 指明该指令要完成的操作。
操作数: 是指参加运算的数或者数所在的单元地址。
指令的分类: 包括: 数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、位与位串操作指令、控制转移指令、输入/输出指令、其它指令。
指令系统: 指一台计算机的所有指令的集合。不同的计算机其指令系统不一定相同。
程序: 是由一系列指令构成的有序集合。
3. 计算机的硬件系统计算机硬件主要由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备和总线等组成。
其中: 中央处理器、主存储器和总线构成”主机” , 辅助存储器和输入/输出设备构成”外设”。
微机的主机箱内主要有下列部件:
(1) 系统主板是一块集成电路板, 是微机最主要的部件, 它包括微处理器模块、内存模块、基本I/O接口、中断控制器、 DMA(直接存取存储器)控制器及连接其它部件的总线。
微处理器 CPU : 是微机的核心部件, 控制计算机的各项工作。 Pentium 处理器主要由执行单元、指令预取部件、指令译码部件、地址转换与管理部件、指令快存(cache)和数据快存(cache)、总线接口部件和控制器等组成。其核心是执行单元(即运算器), 它的任务是高速完成各种算术和逻辑运算。
CMOS存储器: 用来存放用户对计算机的配置参数。存放在其中的信息能够在计算机开机时进行修改, 关机后可保持设置不变。其中的信息要依靠小电池来维持, 电池放电后, 会使其中的信息全部丢失。
I/O总线: 包括传送数据信号的数据总线DB(是双向的)、传送地址信号的地址总线AB(是单向的)、传送控制信号的控制总线CB 。常见的有PCI(外围设备接口)总线、ISA(工业标准体系结构)总线、 EISA(扩展的工业标准体系结构)总线. 通用串行总线(USB): 能够连接几乎所有外部设备。
输入/输出接口电路: 并行接口、串行接口、软盘接口、 IDE(智能设备电子接口)硬盘接口、键盘接口等
中断控制器、 DMA控制器 (2) 硬盘驱动器 (3) 软盘驱动器 (4) 光盘驱动器 (5) 电源 (6) 显示卡 (7) 其它卡(声卡、视卡、网卡、…)
计算机常见的外部设备有:
(1) 输出设备:
显示器: 常见的有单色CRT(阴极射线管)显示器、彩色CRT显示器、平板显示器。主要技术指标是: 分辨率、彩色数目、屏幕尺寸
打印机: 常见的有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机绘图仪: 常见的有平板式绘图仪、滚筒式绘图仪
音箱
(2) 输入设备:
鼠标: 常见的有机械式、光电式和光机式三类鼠标。笔记本电脑上用跟踪球代替鼠标。
键盘: 常见的有101键盘、 104键盘。扫描仪: 常见的有手持式扫描仪、平板式扫描仪。
其它输入设备: 数字化仪、条形码读入器、磁卡阅读机、话筒、摄象机等
(3)计算机通讯设备——调制解调器(Modem): 在Internet 中, 微机之间常经过电话线来传送数据, 经过电话线传送的信号是模拟信号, 而计算机中的信号是数字信号, Modem的作用就是实现这两种信号的转换。
调制: 将数字信号转换成模拟信号的过程
解调: 将模拟信号转换成数字信号的过程
Modem有外置式、内置式、 PC卡式(是专为笔记本电脑设计的)三种。
4.计算机软件系统
软件: 是利用计算机本身提供的逻辑功能, 合理地组织计算机的工作, 简化或代替人们在使用计算机过程中的各个环节, 提供给用户的一个便于掌握操作的工作环境。不论是支持计算机工作还是支持用户应用的程序都是软件。
(1) 计算机软件的发展机器语言→ 汇编语言→高级语言→ 操作系统→ 网络软件→ 数据库软件
(2)软件分类与简介
几个基本概念:
系统软件: 指那些为整个计算机系统所配置的、不依耐于特定应用的通用软件。系统软件可供所有用户使用。
应用软件: 指用于解决各种不同具体应用问题的专门软件。它包括定制软件(特定用户使用)和通用应用软件。
裸机: 没装任何软件的计算机