5.1.1　计算机的基础知识

世界上第1台数字式电子计算机诞生于1946年2月，它是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ENIAC，ENIAC采用了电子管和电子线路，大大提高了运算速度，主要缺陷在于不能存储程序，如图5-1所示。

图5-1　ENIAC

1．计算机的发展

经过60多年的发展，计算机的运算能力、外形结构及应用领域等都发生了极大的变化。计算机是20世纪人类最重要的科学技术发明之一，它的诞生、发展和应用彻底改变了人类社会的生产和生活方式。在人类科技史上还没有一种学科可以与电子计算机的发展速度相提并论。根据使用的电子器件的不同，可将计算机划分为电子管、晶体管、集成电路（中小规模）和大规模超大规模集成电路4代。

（1）第1代（1946—1958年）：电子管数字计算机

计算机的逻辑元件采用电子管，主存储器采用卡片、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带，主要采用机器语言、汇编语言编写程序，应用以科学计算为主。其特点是体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂、没有操作系统，但它奠定了以后计算机技术的基础。

（2）第2代（1958—1964年）：晶体管数字计算机

晶体管的发明推动了计算机的发展，逻辑元件采用了晶体管以后，计算机的体积大大缩小，耗电有所减少，可靠性也得到提高，性能比第1代计算机有很大的提高。

第2代计算机主存储器采用磁芯，而外存储器已开始使用更先进的磁盘。其软件有了很大发展，出现了各种各样的高级语言及其编译程序，还出现了以批处理为主的操作系统，应用以科学计算和各种事务处理为主，并开始用于工业控制。

（3）第3代（1964—1971年）：中小规模集成电路数字计算机

20世纪60年代，计算机的逻辑元件采用中小规模集成电路，计算机的体积更加小型化、耗电量更少、可靠性更高，性能比第2代计算机又有了很大的提高，小型机应用领域日益扩大。

第3代计算机主存储器仍采用磁芯，软件逐渐完善，分时操作系统、会话式语言等多种高级语言都有新的发展。

（4）第4代（1971年以后）：大规模集成电路数字计算机

计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成1000～2000个以上晶体管的集成电路，其集成度比中小规模的集成电路提高了1～2个以上的数量级。这时计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段。大规模集成电路使军事工业、空间技术、原子能技术得到发展，这些领域的蓬勃发展对计算机提出了更高的要求，有力地促进了计算机工业的空前大发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展，计算机除了向巨型机方向发展外，还朝着超小型机和微型机方向飞越前进。1971年年末，世界上第1台微处理器和微型计算机在美国旧金山南部的硅谷应运而生，它开创了微型计算机的新时代。此后各种各样的微处理器和微型计算机如雨后春笋般地研制出来，并潮水般地涌向市场，成为当时首屈一指的畅销品。这种势头直至今天仍然方兴未艾。特别是1981年IBM-PC系列机诞生以后，几乎一统世界微型机市场，各种各样的兼容机也相继问世。

2．计算机的特点

电子计算机是能够高速、精确、自动地进行科学计算及信息处理的现代化电子设备。它与过去的计算工具相比，主要有以下几个特点。

（1）运算速度快

电子计算机能以极高的速度进行运算和逻辑判断，这是电子计算机最显著的特点。从本质上讲，计算机是通过一系列非常简单的算术运算、逻辑运算及逻辑判断来解决各种复杂问题的。由于计算机运算速度快，而使得许多过去无法快速处理好的问题能够及时得到解决。如天气预报，需要迅速分析、处理大量的气象数据资料，用手摇计算机则要花一两个星期的时间，以致达不到预报的目的，而使用一台中型电子计算机，只需几分钟就完成了。

（2）计算精度高

电子计算机具有过去计算工具所无法比拟的计算精度，一般可达到十几位，甚至几十位、几百位以上的有效数字的精度。事实上，计算机的计算精度可由实际需要而定。这是因为在计算机中是用二进制表示数，采用的二进制位数越多越精确，因此人们可以用增加位数的方法来提高计算精度。当然，这将使设备变得复杂，或使运算速度降低。

（3）存储容量大

计算机的存储器可以存储大量的数据和信息，目前微机的内存容量通常在2～8GB，甚至更大。计算机还可以通过外部存储器（如磁盘、光盘等）存储信息和数据，具有不易丢失、易查询等特点。

（4）可靠性高

随着微电子技术和计算机科学技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达几万、几十万小时以上。也就是说，它能连续几个月甚至几年工作而不出差错，具有极高的可靠性。如安装在宇宙飞船、人造卫星上的计算机，能长时间可靠地运行，以控制宇宙飞船和人造卫星的工作。

（5）自动化工作

计算机在程序的控制下可以自动工作，不需要人工干预，程序是人们预先编制好的指令序列，计算机根据指令执行相应的操作。

（6）适用范围广

计算机可以应用于军事、学校、企事业单位及个人家庭。通过为不同应用范围或领域编制相应的应用程序，可以使计算机的应用范围无限扩展，计算机已经成为现代社会信息时代的基本工具。

3．计算机的分类

计算机种类很多，可以从不同的角度对计算机进行分类。

（1）按照计算机原理分类

按照计算机工作原理可以将计算机分为数字式电子计算机、模拟式电子计算机和混合式电子计算机。

1）数字式电子计算机

数字式电子计算机是用不连续的数字量，即“0”和“1”来表示信息，其基本运算部件是数字逻辑电路。数字式电子计算机的精度高、存储量大、通用性强，能胜任科学计算、信息处理、实时控制、智能模拟等方面的工作。人们通常所说的计算机就是指数字式电子计算机。

2）模拟式电子计算机

模拟式电子计算机是用连续变化的模拟量，即电压来表示信息，其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。模拟式电子计算机解题速度极快，但精度不高、信息不易存储、通用性差，它一般用于解微分方程或自动控制系统设计中的参数模拟。

3）数字模拟混合式电子计算机

数字模拟混合式电子计算机是综合了上述两种计算机的长处而设计出来的，它既能处理数字量，又能处理模拟量。但是这种计算机结构复杂，设计困难。

（2）按照计算机功能用途分类

当前，人们一般把它们分为服务器、工作站、个人计算机、便携笔记本和手持设备。

1）服务器

服务器是一种提供服务的计算机的统称，这个名称实际上有些含糊，因为所有的计算机，只要它为其他计算机或者设备提供服务，都可以称为服务器。

人们通常所说的服务器是一种基于网络的、面向大量的个人计算机提供某种服务的计算机，这些服务包括数据库服务、电子邮件服务、文件和打印服务等。

2）工作站

在外形上看，工作站和个人计算机没有太大的不同，它们拥有更大、更精细的屏幕，以及优秀的图形显示卡、专业的图像图形软件。它主要应用于集成电路设计、机械设计、土木工程设计等计算机辅助设计中。工作站定位于大负载、对稳定性要求很高的工程设计工作。一般采用精简指令的中央处理器、SCSI接口的硬盘、专业的图形设备。

3）个人计算机

个人计算机是我们使用最多、最常见的计算机，个人计算机名称来源于IBM公司当年对这种放在工作台上的机器的命名。个人计算机已经得到了广泛应用，它已经不仅仅是科学计算的工具，还成为商业公司处理文档、数据加工的首选工具。在家用方面，个人计算机在多媒体方面的不断发展，使它在家用的学习和娱乐上也得到了广泛的应用。

4）便携笔记本

笔记本电脑和普通计算机功能相同，不同之处在于它体积小、重量轻、能够随身携带。笔记本电脑已经越来越普遍，它不仅仅在商务办公上得到了普遍使用，而且越来越多的家庭也选择了笔记本。

5）手持设备

手持设备在这些年得到了迅猛发展，功能也从单一变为丰富，现在手持设备的应用越来越广泛。

4．计算机的常见名词

在计算机中，还需要熟悉以下名词。

·位：计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一位，记为bit。

·字节：在对二进制数据进行存储时，以8位二进制代码为一个单元存放在一起，称为一个字节，记为Byte。字节是计算机中最小的存储容量单位。在内存储器中，给每个字节编上一个号码，称为地址（Address）。

·字：一条指令或一个数据信息称为一个字。字是计算机进行信息交换、处理、存储的基本单元。

·字长：CPU中每个字所包含的二进制代码的位数称为字长。字长是衡量计算机性能的一个重要指标。

·指令：指挥计算机执行某种基本操作的命令称为指令。一条指令规定一种操作，由一系列有序指令组成的集合称为程序。

·存储容量：存储容量是衡量计算机存储能力常用的一个名词，主要指存储器所能存储信息的字节数。常用的容量单位有B、KB、MB、GB，它们之间的关系如下。

1KB=1024B=2¹⁰ B

1MB=1024KB=2²⁰ B

1GB=1024MB=2³⁰ B

5．计算机的应用

计算机早期主要被应用于科学计算、事务与数据处理和过程控制等领域。随着计算机技术的不断发展，计算机的应用已经渗透到社会生活的方方面面。当前，计算机的应用领域可划分为科学计算、事务处理、过程控制、计算机辅助系统、人工智能、网络应用和多媒体应用等多个方面。

（1）科学计算

最早的计算机是为了快速计算弹道而发明的，现实和科学研究中存在大量需要进行繁重计算的领域，这些领域需要计算机所具有的快速而精确的计算能力。

（2）事务处理

事务处理包括简单的文字处理、填写报表、数据检索、情报管理等内容，并不涉及复杂的数学问题，但数据量大、实时性强。事务处理已经成为计算机应用中工作量最大的领域之一。

（3）过程控制

利用过程控制技术，计算机可以对工业生产过程中各种参数进行连续、实时的控制。这类控制对计算机的要求不高，常利用微控制芯片或者低档（4位、8位）微处理器芯片做成嵌入式装置。只有在特殊情况下，才使用高级的独立计算机进行控制。

（4）计算机辅助系统

在工业设计中，设计和制作人员使用计算机进行设计和制造，这就是计算机辅助设计CAD和计算机辅助制造CAM。它能够缩短产品的设计制造周期，加快产品的更新换代，降低成本。计算机辅助设计和计算机辅助制造发展很快，而且派生出许多新的技术分支，例如，计算机辅助测试CAT、教学CAI、计算机辅助工艺规划CAPP等。

（5）人工智能

人工智能是指由计算机模拟人的思维判断的技术，使计算机能够具备判断、推理等功能，还能够积累经验，独立解决问题。

（6）网络应用

现在，网络的飞速发展使得计算机越来越无法离开网络，网络已经改变了人类的生产和生存方式。

（7）多媒体应用

目前，多媒体的应用领域不断拓宽，在文化教育、技术培训、电子图书、观光旅游、商用及家庭应用等方面，已经出现了不少多媒体电子出版物。