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第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識
1.1 計(jì)算機(jī)概述
現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)簡稱計(jì)算機(jī)，俗稱為電腦，是一種能夠按照程序自動運(yùn)行、能夠存儲并高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備，是20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，它的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的軍事科研應(yīng)用擴(kuò)展到社會的各個(gè)領(lǐng)域，改變了人類現(xiàn)有的生活方式，對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了極其重要的影響，成為信息社會中必不可少的工具。
計(jì)算機(jī)的應(yīng)用在中國越來越普遍，可以說遍布生活的各個(gè)角落，工商、教育、醫(yī)藥、政府、娛樂、科研、家庭都離不開計(jì)算機(jī)的幫助�，F(xiàn)代社會，網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，為計(jì)算機(jī)的普及提供了非常重要的外部條件。改革開放以后，中國計(jì)算機(jī)用戶的數(shù)量不斷攀升，應(yīng)用水平不斷提高，特別是在互聯(lián)網(wǎng)、通信、多媒體等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了不錯的成績。截至2013年12月，中國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到6.38億，互聯(lián)網(wǎng)普及率為45.8%。
1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展
從1946年2月14日，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制的世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)“電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)”(Electronic Numerical And Calculator，ENIAC)至今，如圖1-1所示，計(jì)算機(jī)技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，根據(jù)所用電子器件的不同，計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程可分為4個(gè)階段。

圖1-1 第一臺電子計(jì)算機(jī)
第1代：電子管時(shí)代(1946～1958年)
硬件方面，電子器件采用的是真空電子管，電子管計(jì)算機(jī)體積大、功耗高、可靠性差、速度慢(一般為每秒數(shù)千次至數(shù)萬次)、價(jià)格昂貴。軟件方面，采用的是機(jī)器語言、匯編語言。應(yīng)用領(lǐng)域以軍事和科學(xué)計(jì)算為主。

第2代：晶體管時(shí)代(1958～1964年)
硬件方面，電子器件采用晶體管，晶體管計(jì)算機(jī)體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運(yùn)算速度提高(一般為每秒數(shù)10萬次，可高達(dá)300萬次)。主存儲器采用磁芯存儲器，外存儲器開始使用磁盤，并提供了較多的外部設(shè)備。軟件方面，開始有了系統(tǒng)軟件，提出了操作系統(tǒng)概念，使用Fortran、Cobol和Algol等高級程序設(shè)計(jì)語言編寫程序。應(yīng)用領(lǐng)域以科學(xué)計(jì)算和事務(wù)處理為主，并開始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。
第3代：集成電路時(shí)代(1964～1970年)
硬件方面，電子器件采用中、小規(guī)模集成電路(MSI、SSI)，計(jì)算機(jī)的體積更小，速度更快(一般為每秒數(shù)百萬次至數(shù)千萬次)，功能更強(qiáng)大，價(jià)格更低，耗電量更省，可靠性更高。軟件方面，出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)化、規(guī)�；绦蛟O(shè)計(jì)方法。應(yīng)用領(lǐng)域開始進(jìn)入文字處理和圖形圖像處理領(lǐng)域。
第4代：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代(1970年至今)
硬件方面，電子器件采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(LSI和VLSI)。計(jì)算機(jī)的存儲容量、運(yùn)算速度和功能都有極大的提高，提供的硬件和軟件更加豐富和完善。在這個(gè)階段，計(jì)算機(jī)向巨型和微型兩極發(fā)展，出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的發(fā)展時(shí)期，特別是微型計(jì)算機(jī)與多媒體技術(shù)的結(jié)合，將計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用推向了新的高潮。
1.1.2 計(jì)算機(jī)的分類
計(jì)算機(jī)的種類很多，而且分類的方法也很多，常用的分類方法有兩種，一種是按用途劃分，一種是按規(guī)模劃分。
1．按用途劃分
1)通用計(jì)算機(jī)
廣泛適用于一般科學(xué)運(yùn)算、學(xué)術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等，具有功能多、配置全、用途廣、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，市場上銷售的計(jì)算機(jī)多屬于通用計(jì)算機(jī)。
2)專用計(jì)算機(jī)
是為用于某種特殊需要而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，通常增強(qiáng)了某些特定功能，忽略一些次要要求，所以專用計(jì)算機(jī)能高速度、高效率地解決特定問題，具有功能單純、使用面窄甚至專機(jī)專用的特點(diǎn)。
2．按規(guī)模劃分
根據(jù)計(jì)算機(jī)的規(guī)模和性能不同，通常把計(jì)算機(jī)分為以下6大類。
1)超級計(jì)算機(jī)或稱巨型機(jī)
超級計(jì)算機(jī)通常是指運(yùn)算速度超過每秒1億次的高性能計(jì)算機(jī)，它是目前功能最全、速度最快、軟硬件配套齊備、價(jià)格最貴的計(jì)算機(jī)。例如目前世界上運(yùn)行最快的超級機(jī)速度為每秒5.49億億次浮點(diǎn)運(yùn)算。生產(chǎn)巨型機(jī)的公司有美國的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等。我國研制的銀河機(jī)也屬于巨型機(jī)，銀河Ⅰ型為億次機(jī)，銀河Ⅱ型為10億次機(jī)。
2)小超級機(jī)或稱小巨型機(jī)
小超級機(jī)又稱桌上型超級電腦，與巨型機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在基本原理方面相差不大，但使用了更加先進(jìn)的大規(guī)模集成電路，在技術(shù)上采用高性能的微處理器組成并行多處理器系統(tǒng)，使巨型機(jī)小型化，因而體積小、成本低，甚至可以作為桌面機(jī)形式。典型產(chǎn)品有美國Convex公司的C-1、C-2、C-3等；Alliant公司的FX系列等。
3)大型主機(jī)
通常所說的大、中型計(jì)算機(jī)一般具有大容量內(nèi)、外存儲器，多種類型的I/O通道，支持批處理和分時(shí)處理等多種工作方式，最新出現(xiàn)的大型主機(jī)還支持并行處理技術(shù)。主要應(yīng)用于集中處理海量數(shù)據(jù)的部門，如銀行或某些大型企業(yè)。IBM公司在大型主機(jī)市場一直處于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生產(chǎn)大型主機(jī)。不過隨著微機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，大型主機(jī)正在走下坡路。許多計(jì)算中心的大型機(jī)正在被高檔微機(jī)群取代。
4)小型機(jī)
小型機(jī)是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的一類計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度可達(dá)到每秒100萬次。與大型主機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于使用和維護(hù)，可供中小企事業(yè)單位使用。典型的小型機(jī)是美國DEC公司的PDP系列計(jì)算機(jī)、IBM公司的AS/400系列計(jì)算機(jī)，以及我國的DJS-130計(jì)算機(jī)等。
5)工作站
工作站就是一臺高檔微機(jī)，其特點(diǎn)是易于聯(lián)網(wǎng)、能大容量存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、配備大屏幕顯示器和較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能。工作站主要適用于企業(yè)辦公自動化控制，例如用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、圖像處理、軟件工程以及大型控制中心。
6)個(gè)人計(jì)算機(jī)
個(gè)人計(jì)算機(jī)或稱微型機(jī)或PC機(jī)，它的核心是微處理器，這是目前發(fā)展最快的領(lǐng)域。今天所說的個(gè)人計(jì)算機(jī)一般泛指所有的個(gè)人計(jì)算機(jī)，比如桌上型電腦、筆記本電腦、掌上電腦等。個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可謂無處不在，應(yīng)用于社會的各個(gè)領(lǐng)域。
1.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成
一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，如圖1-2所示。

圖1-2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成
1．計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合，具體地說，硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。直觀地看，計(jì)算機(jī)硬件是一大堆設(shè)備，它們都是看得見摸得著的，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是計(jì)算機(jī)軟件發(fā)揮作用、施展技能的舞臺。
1)運(yùn)算器
運(yùn)算器是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，它的任務(wù)是對信息進(jìn)行加工處理。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元、累加器、狀態(tài)寄存器和通用寄存器組等組成。
算術(shù)邏輯單元是用于完成加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，與、或、非等邏輯運(yùn)算及移位、求補(bǔ)等操作的部件。累加器用于暫存操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果。狀態(tài)寄存器也稱為標(biāo)志寄存器，用于存放算術(shù)邏輯單元在工作中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。通用寄存器組是一組寄存器，運(yùn)算時(shí)用于暫存操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址。
算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄存器的位數(shù)決定了CPU的字長，字長通常和算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄存器的長度是一致的。例如在32位字長的CPU中，算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄存器都是32位。
2)控制器
控制器是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞。它按照主頻的節(jié)拍產(chǎn)生各種控制信號，以指揮整機(jī)工作，即決定在什么時(shí)間、根據(jù)什么條件、執(zhí)行什么動作，使整個(gè)計(jì)算機(jī)能夠有條不紊地自動執(zhí)行程序。
控制器要從內(nèi)存中按順序取出各條指令。每取出一條指令，就分析這條指令，然后根據(jù)指令的功能向各部件發(fā)出控制命令，控制它們執(zhí)行這條指令中規(guī)定的任務(wù)。當(dāng)各部件執(zhí)行完控制器發(fā)出的命令之后，都會發(fā)出對執(zhí)行情況的“反饋信息”。當(dāng)控制器得知一條指令執(zhí)行完后，會自動順序取出下一條要執(zhí)行的指令，重復(fù)上面的工作過程，只不過對不同的指令發(fā)出不同的控制命令而已。
3)存儲器
計(jì)算機(jī)的工作過程就是在程序的控制下對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理的過程。因此，計(jì)算機(jī)中必須有存放程序和數(shù)據(jù)的部件，這個(gè)部件就是存儲器。存儲器的主要功能是保存信息。它的作用類似一臺錄音機(jī)，使用時(shí)可以取出原記錄內(nèi)容而不破壞其信息，這種取數(shù)的操作稱為存儲器的“讀”。也可以把原來保存的內(nèi)容抹去，重新記錄新的內(nèi)容，這種存數(shù)的操作稱為存儲器的“寫”。
根據(jù)作用上的不同，存儲器分為兩大類：內(nèi)存儲器和外存儲器。
(1)內(nèi)存儲器。內(nèi)存用來存放當(dāng)前正在使用的或者隨時(shí)要使用的程序或數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)運(yùn)算之前，程序和數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送入內(nèi)存。運(yùn)算開始后，內(nèi)存不僅要為其他部件提供必需的信息，也要保存運(yùn)算的中間結(jié)果及最后結(jié)果�？傊�，它要和各個(gè)部件直接打交道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此，為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，要求內(nèi)存能進(jìn)行快速的存數(shù)和取數(shù)操作。對于內(nèi)存，CPU直接對它進(jìn)行訪問。目前，計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的都是半導(dǎo)體存儲器。
(2)外存儲器。由于價(jià)格和技術(shù)方面的原因，內(nèi)存的存儲容量受到限制。為了滿足存儲大量信息的需要，必須采用價(jià)格便宜的輔助存儲器，又稱外存儲器。常用的外存儲器有磁帶存儲器、磁盤存儲器、光盤存儲器等。外存用來存放“暫時(shí)不用”的程序或數(shù)據(jù)。外存容量要比內(nèi)存大得多，但它存取信息的速度要比內(nèi)存慢。通常外存不與計(jì)算機(jī)內(nèi)其他部件交換數(shù)據(jù)，只與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，而且不是按單個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，而是按成批數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。
外存與內(nèi)存有許多不同之處。一是外存不怕停電，磁盤上的信息可保存數(shù)年之久；二是外存的容量不像內(nèi)存那樣受多種限制，可以很大，如磁盤的容量有10GB、40GB等；三是外存的價(jià)格也較便宜。
由于外存儲器設(shè)置在計(jì)算機(jī)外部，所以也可歸屬于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。
4)輸入設(shè)備
輸入設(shè)備的任務(wù)是輸入操作者提供的原始信息，并將它變?yōu)闄C(jī)器能識別的信息，然后存放在內(nèi)存中。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、圖形掃描儀、數(shù)字化儀、條形碼輸入器等。
(1)鍵盤是計(jì)算機(jī)最常用的輸入設(shè)備，用戶的各種命令、程序和數(shù)據(jù)都可以通過鍵盤輸入計(jì)算機(jī)，所以鍵盤起著人與計(jì)算機(jī)之間信息交流的橋梁作用。
(2)鼠標(biāo)是一種手持式的坐標(biāo)定位部件，可替代光標(biāo)移動鍵進(jìn)行光標(biāo)定位操作和替代回車鍵操作。在各種軟件的支持下，通過鼠標(biāo)器上的按鈕可完成特定的功能。目前使用的鼠標(biāo)有機(jī)械鼠標(biāo)、光學(xué)鼠標(biāo)和光學(xué)機(jī)械鼠標(biāo)，它通過RS-232C串行口和主機(jī)相連接。
(3)圖形掃描儀是一種圖形、圖像的專用輸入設(shè)備。利用它可以迅速地將圖形、圖像、照片、文本從外部環(huán)境輸入計(jì)算機(jī)中。
(4)條形碼是一種用線條和線條間的間隔按一定規(guī)則表示數(shù)據(jù)的條形符號。它具有準(zhǔn)確、可靠、靈活、實(shí)用、制作容易、輸入速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于物資管理、商場、銀行、醫(yī)院等部門。
閱讀條形碼要用專門的條形碼閱讀器在條形碼上掃描，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)譯碼后輸入計(jì)算機(jī)。
(5)光筆是用來在顯示屏幕上作圖的輸入設(shè)備，與相應(yīng)的硬件和軟件配合，可實(shí)現(xiàn)在屏幕上作圖、改圖及進(jìn)行圖形放大、移動、旋轉(zhuǎn)等操作。
(6)觸摸屏是一種快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的工具。一般是在熒光屏前安裝一塊特殊的玻璃屏幕，當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，引起觸點(diǎn)正反面間電容值或電阻發(fā)生變化，控制器將這種變化翻譯成(x， y)坐標(biāo)值，再傳送給計(jì)算機(jī)。

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