大学计算机基础

第1章计算机基础
1.1计算机发展概况
在人类文明发展的历史长河中，计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，从*初的手指计数，到后来“结绳记事”的绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。它们在不同的历史时期发挥了各自的作用，也孕育了电子计算机设计思想的雏形。
计算机作为人类20世纪*伟大的发明创造之一，短短的几十年里，得到了突飞猛进地发展，并深刻地改变着人们传统的工作、学习、生活，甚至是思维方式，推动了社会的发展。掌握计算机基础知识和运用计算机解决实际问题的技能是当代大学生**的知识和能力。
1.1.1什么是计算机
顾名思义，计算机（computer）这个词和计算（computation）是密切相关的，*初的计算机的确是为了完成庞大的计算量而设计的。但计算机并非是一个单纯作为计算工具使用的“计算机器”，而是可以进行数据处理的机器，它可以帮助人们完成各种计算外的工作，如科学研究、工程和艺术设计、图像及视频处理，甚至娱乐与通信。
1. 数据处理机
计算机所进行的工作都和数据相关，这里的数据是广义的，它可以是数字、数值；可以是一组代码，如银行账号、身份证代码；也可以是一种标志，如图形、符号等。从这个认知角度，我们可以把计算机简单地定义为能够处理数据的机器或装置。
在不考虑计算机内部具体结构的情况下，计算机可被看做是一个特殊的黑盒子：它可以接收数据，进行处理并输出处理结果数据，如图1-1所示。
图1-1计算机作为数据处理机的模型
数据处理机模型是计算机原理的经典模型，它的特点是如果输入同样的数据，将得到同样的输出结果。但是有些问题在这个模型中没有考虑到，它不能给出所处理的数据的类型和基于这个模型的计算机能够完成的操作类型和数量。
2. 具有程序能力的数据处理机
在数据处理机模型基础上，考虑一个改进的计算机模型，如图1-2所示。该模型增加了一个部分——程序。程序（program）是指完成特定功能的计算机指令的集合，它控制计算机按照一定的步骤进行工作。
图1-2具有程序能力的数据处理机模型
在这个改进的模型中，计算机的数据处理所得到的输出，除了需要输入数据还取决于程序，即如果程序不同，即使输入的数据相同可能输出数据也不同。同样地，对不同的数据采用不同的程序也可能产生相同的输出。
由于增加了“程序功能”，计算机处理数据的能力大大提高了，同时程序使其具有的另一个重要特性是灵活，因为它能够按照“程序”进行工作，而程序可以事先编制好并存放在计算机内部。理解计算机，要了解计算机是如何实现这种灵活性，即学习程序原理。
无论计算机是进行简单的计算或者进行复杂的视频处理，“程序”始终在控制着整个过程。我们可以通过不同的“程序”使计算机完成不同的任务。因此，现代计算机才成为一种能够应用在许多领域的重要工具。
3. 计算机的定义
由此可见，计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。
计算机有别于单纯的计算工具：单纯的计算工具没有存储程序的能力，不能自动完成数据的处理任务，而计算机可以通过预先编好的程序来自动存取和处理数据，将输入的原始数据经过处理后，输出有用的信息。
计算机俗称为“电脑”。在本书中，主要使用专业名词“计算机”，但有时对这两个词不加区别地使用。
1.1.2计算机的发展历史〖*2〗
1. 早期的计算工具
*早的计算工具要追溯到我国祖先公元前770年左右发明的算筹及公元8世纪的算盘，如图1-3所示。
图1-3算筹和算盘
随着科学的发展，商业、航海和天文学都提出了许多复杂的计算问题，对计算工具提出了更高的要求，计算工具的发展因而得到越来越多的关注。各种台式机械和较大机械式计算机相继出现；采用继电器作为计算机电路元件的机电式计算机也得到了较大发展。1642年，法国数学家和物理学家帕斯卡发明的**台机械式加法器，解决了自动进位这一关键问题；1674年，德国数学家和哲学家莱布尼茨设计完成了**台可进行完整四则运算的通用计算机；1822年，英国数学家巴贝奇设计了一台差分机，1834年他又完成了分析机的设计方案，在差分机的基础上做了较大的改进，不仅可以做数字运算，还可以做逻辑运算，其设计思想已具有现代计算机的概念；1938年，德国科学家朱斯成功制造了**台二进制z-1型计算机，此后他又研制了z系列计算机。其中，z-3型计算机是**台通用程序控制机电式计算机（图1-4），它不仅全部采用继电器，同时采用了浮点记数法、带数字存储地址的指令形式等；1944年，美国麻省理工学院科学家艾肯研制成功了一台机电式计算机，它被命名为自动顺序控制计算器mark-ⅰ。
图1-4z-3型计算机及其研制者朱斯
2. 现代计算机
由于电子管技术的进步，电子计算机的发展开始取得重大进展。
1945年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院莫克利和埃克特小组研制出世界上公认的**台电子数字计算机eniac（electronic numerical integrator and calculator），并于次年交付使用，如图1-5所示。它采用电子管作为计算机的基本元件，每秒仅可进行5000次加法运算。eniac一共使用了18000多只电子管、10000多只电容器、7000多只电阻，占地170m3，重达30t，每小时耗电140k～150kw。
图1-5eniac计算机及其研制者
莫克利(左)和埃克特(右)
eniac没有显示器，没有键盘和鼠标，更没有硬盘、光盘，但有30多个操作台。这些操作台上到处是密密麻麻的开关、按钮，东缠西绕的各类导线，忽明忽暗的指示灯。当它启动后，就得有一组工程师通过操纵各种开关给它下命令，并随时检查它的工作状态，保证它能正常工作。
虽然现在任何一台计算机甚至很多计算器的功能都要比eniac强得多。但在当时，它每秒5000次的运算速度的确是一个了不起的成就（是手工运算的成千上万倍）。eniac的成功，是计算机发展史上的一座里程碑，是人类在发展计算技术的历程中达到的一个新的起点，它标志着电子计算机时代的到来。
继eniac问世之后的半个多世纪以来，微电子技术的快速发展对计算机的飞速发展产生了重要的影响，起到了极大的推动作用，计算机的主要元器件从电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路，从而使计算机的体积减小、电耗大大降低，而可靠性和功能却大大增强。另外，计算机系统结构和计算机软件技术的发展也对计算机的发展起了重要作用。
计算机行业很快成为一个产业，它的服务对象也迅速地从军事、科研扩展到工业、商业等各个领域。
3. 计算机的发展阶段
按照计算机主要功能部件所采用的电子器件（逻辑元件）的不同，一般将计算机的发展划分为电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路四个阶段，习惯上称为四代（两代计算机之间时间上有重叠），每一个阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。各阶段计算机的特点见表1-1。
表1-1各阶段计算机的特点
从20世纪80年代开始，日本、美国等国投入大量人力、物力研制新一代计算机，其目标是要使计算机具有像人一样能听、看、说甚至思考的能力。有专家认为，新一代计算机应具有知识库管理功能，能利用已有知识进行推理判断，具有联想和学习的能力。新一代计算机想要达到的目标相当高，涉及许多高新技术领域，像微电子学、计算机体系结构、高级信息处理、软件工程方法、知识工程和知识库、人工智能和人机界面（自然语言理解、处理声光像的交互）等。从研究成果来看，目前尚无突破性的进展，但可以预见，新一代计算机的实现将对人类社会的发展产生深远的影响。
4. 微型计算机的发展
微型计算机是指以中央处理器为核心，面向普通个人用户的计算机，所以微型计算机又称为个人计算机（personal computer，pc）。微型计算机主要有两大系列：ibm pc机和mac苹果机，如图1-6所示。
图1-6imb pc（左）和mac（右）微型计算机
ibm pc机是目前使用*广的个人计算机，*早的ibm pc机是美国ibm公司于1981年设计生产的，它采用美国英特尔（intel）公司生产的中央处理器（cpu）、美国微软（microsoft）公司开发的dos操作系统。后来也有别的公司生产类似的pc机，称为兼容机。目前的pc机一般使用微软的windows操作系统。
mac（macintosh）个人微机仅由美国苹果（apple）公司生产，苹果个人计算机的问世比ibm pc机提早了5年，曾是卖得*好的个人计算机。mac机带图形用户界面gui（graphical user interface），使用苹果公司的专用操作系统mac os x。苹果机与ibm pc机上使用的软件一般是不能通用的。
人们通常以中央处理器为标志来划分微型计算机，如286机、386机、486机、pentium机、pⅱ机、pⅲ机、p4机等。微型计算机的发展史实际上就是中央处理器的发展史。中央处理器的发展一直按照摩尔（moore）定律，其性能以平均每18个月提高1倍的速度发展着。intel公司的芯片发展史从一个侧面反映了中央处理器和微型计算机的发展史，宏观上可划分为80×86时代和pentium时代。
仅仅20多年的时间，微型机已发展到了intel酷睿2双核/3.0ghz、酷睿2四核/2.33ghz机型，与*初的ibm pc相比，其性能已不可同日而语。在21世纪，微型机将会变得更小、更快、更人性化，在人们的工作、学习和生活中发挥更大的作用。
5. 我国计算机技术的发展概况
我国从1956年开始研制计算机，1958年研制成功**台电子管计算机103机，1959年夏研制成功运行速度为每秒1万次的104机。104机是我国研制的**台大型通用电子数字计算机。103机和104机的研制成功，填补了我国在计算机技术领域的空白，为促进我国计算机技术的发展做出了贡献。1964年研制成功晶体管计算机，1971年研制成功以集成电路为主要器件的djs系列计算机。在微型计算机方面，研制开发了长城系列、紫金系列、联想系列等微型计算机，并取得了迅速发展。
在国际高科技竞争日益激烈的今天，高性能计算机技术及应用水平已成为显示综合国力的一种标志。几十年来，在我国计算机专家的不懈努力下，我国巨型机的研究取得了丰硕的成果。1983年年底，我国**台亿次型巨型电子计算机“银河”诞生，至2009年由国防科学技术大学研制成功千万亿次“天河一号”超级计算机，中国成为继美国、日本之后能够采用自主cpu构建千万亿次计算机的国家。
6. 计算机发展趋势
展望未来，计算机将是半导体技术、超导技术、光学技术、纳米技术和仿生技术相互结合的产物。从发展上看，它将向巨型化和微型化方向发展；从应用上看，它将向系统化、网络化、智能化方向发展。未来的计算机将具备更多的智能成分，虚拟现实技术将在生活中完美呈现，让你产生身临其境的感觉。
1） 巨型化
巨型化是指发展高速、大存储容量和强功能的超大型计算机。这既是诸如天文、气象、宇航、核反应等尖端科学以及进一步探索新兴科学，诸如基因工程、生物工程的需要，也是为了能让计算机具有人脑学习、推理的复杂功能。
2） 微型化
因为微型机可渗透到诸如仪表、家用电器、导弹弹头等中、小型机无法进入的领域，所以20世纪80年代以来发展异常迅速，预计性能指标将持续提高，而价格将持续下降。当前微型机的标志是运算部件和控制部件集成在一起，今后将逐步发展到对存储器、通道处理机、高速运算部件、图形卡、声卡的集成，进一步将系统的软件固化，达到整个微型机系统的集成。
3） 多媒体化
多媒体是“以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通信等融为一体的信息环境”的总称。多媒体技术的目标是无论在什么地方，只需要简单的设备，就能自由自在地以接近自然的交互方式收发所需要的各种媒体信息。
4） 网络化
计算机网络是计算机技术发展中崛起的又一重要分支，是现代通信技术与计算机技术结合的产物。从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。
5） 智能化
智能化是建立在现代化科学基础之上、综合性很强的边缘学科。它