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中国电信计算机基础知识培训
第八章计算机基础知识
第一节计算机概论
1.1计算机发展史
科学技术的飞速发展,导致了计算机的诞生。
计算机与其他机器一样,是人类长期研究自然界的发展变化以及从事各项社会活动的工具。
计算机之所以被称为“电脑”,是因为它具有强大的计算能力并且可以根据人类的指令进行模拟现实、分析问题、协助操纵机器等工作,它被看成人脑的延伸,是一种具有“思维”能力的机器。
计算机最早应用于计算,它也因此而得名。
可是目前,电子计算机并不仅仅用于数学计算,更广泛地应用于信息处理、自动控制、辅助设计、辅助制造、辅助教学、人工智能和现代通信等领域。
计算机是一种能按照人们事先编写的程序连续、自动地工作,能对输入的数据信息进行加工、存储、传送,由电子和机械部件组成的电子设备。
1.2计算机的发展与阶段
1945年由美国生产了第一台全自动“电子数字积分计算机”(ENIAC,ElectronicNumericalIntegratorandCalculator),它共服役了9年,其采用了电子管作为计算机的基本元件,每秒进行5000次加减运算,共占地170平方米,重30吨,是一个名副其实的“庞然大物”。
ENIAC机的问世具有划时代的意义,表明了计算机时代的到来。
在这以后的50多年里,计算机技术发展异常迅速,在人类科技史上还没有哪一种学科可以与电子计算机的发展速度来相提并论。
计算机的发展经历了5个重要阶段。
1.大型计算机阶段
(1)第0代—机械计算机(1642年~1945年)
建造出第一台能工作的计算机的是法国人,这个机器只能作加法和减法。
从此以后的180年间,计算机没有大的发展,直到出现了微分机。
这台机械设备是为海军导航计算数据表而设计的。
但只能运行一种算法。
它的输出是用钢模子刻在铜面上,这是后来一次性书写的存储介质。
之后出现的第一台成型的计算机是1944年,在哈佛完成。
它有72个字,每个字有23个十进制,指令周期为6s,用穿孔纸带进行输入输出。
在这以后,电子计算机时代开始了。
(2)第一代—电子管计算机(1945年~1955年)
这个时期的主要特点是采用电子管作为逻辑元件。
主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯;外存储器采用磁带;软件主要采用机器语言、汇编语言;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。
但它奠定了以后电子计算机技术的基础。
数字计算机的基础是由世界第一台存储程序的计算机(冯·诺依曼)奠定的。
如图1-1所示。
冯·诺依曼机由5个部分组成:
存储器,运算器(算术逻辑部件ALU),控制器以及输入输出设备。
图1-1存储程序的计算机
(3)第二代—晶体管计算机(1955年~1965年)
到了20世纪50年代,电子管计算机就已经过时了。
这时期的计算机的逻辑元件逐步由电子管改为晶体管,因而缩小了体积、降低了功耗、提高了速度和可靠性。
主存储器采用磁芯器,外存储器已采用先进的磁盘,这时出现了各种各样的高级语言及编译程序,还出现了以批处理为主的操作系统。
计算机开始应用于工业控制,以科学计算和各种事务处理为主。
第一台晶体管计算机被制造出来。
这时的计算机出现了总线。
总线是用来连接计算机各个部件的平行导线。
如图1-2所示。
图1-2晶体管计算机示意图
(4)第三代—集成电路计算机(1965年~1980年)
20世纪60年代,计算机的逻辑元件采用小、中规模集成电路(SSI、MSI),这种硅集成电路使得在单个芯片可集成几十个晶体管。
对晶体管的这种封装,使研制比晶体管计算机更小、更快、更便宜的计算机成为可能,小型机也蓬勃发展起来,主存仍采用磁芯,出现了分时操作系统及会话式语言等多种高级语言。
而且实现了多道程序(内存中同时可以有多个程序),当其中一个等待输入/输出时,另一个可以进行计算。
(5)第四代—大规模集成电路(1980年~至今)
到20世纪80年代,计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路(LSL)。
大规模集成电路的出现,使得在一个芯片上集成几十万甚至几百万个晶体管成为可能,其集成度比中、小规模集成电路提高了1~2个以上数量级。
这时计算机发展到了微型化、耗电少、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跃前进。
1971年末,世界上第一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。
到1980年,计算机的价格降低到个人能承受的地步,个人计算机(PC)时代开始了。
2.小型计算机阶段
小型计算机(Minicomputer)能满足中小型企事业单位的信息处理要求,而且成本较低,其价格能被中小企业接受。
3.微型计算机阶段
微型计算机(Microcomputer)简称微机或PC机,是对大型主机进行的第二次“缩小化”。
它的一个突出特点是将运算器和控制器制作在一块集成电路芯片上,一般称为微处理器(MPU)。
微型计算机具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、对使用环境要求不严格、价格低廉、易于成批生产等特点,当前流行的PentiumIII和PentiumIV等都属于微型计算机。
4.计算机网络阶段
随着微型机的发展,20世纪70年代出现了在局部范围内把计算机连在一起的趋势,这样连起来的网络称为局域网。
在局域网中,如果每台计算机在逻辑上都是平等的,不存在主从关系,就称为对等网络。
但是,大多数局域网不是对等网络,而是非对等网络。
在非对等网络中,存在主从关系,即个别计算机是扮演主角的服务器,其他计算机则是充当配角的客户机。
早期的服务器主要是为其他客户机提供资源共享的磁盘服务与文件服务,后来的服务器主要是数据库服务器、应用服务器等。
客户机-服务器结构模式是对大型主机结构模式的又一次挑战。
由于客户机-服务器结构灵活,适应面广,成本较低,因此得到广泛的应用。
如果服务器的处理能力强而客户机的处理能力弱,就称它为瘦客户机/胖服务器。
反之,那就称为胖客户机/瘦服务器。
5.国际互联网阶段
自1969年美国国防部的ARPAnet运行以来,计算机广域网开始逐步发展。
1983年,TCP/IP传输控制与网际互联协议正式成为ARPAnet的协议标准,这使网际互联网有了突飞猛进的发展。
以ARPAnet为主干发展起来的Internet到1990年已经连接了3000多个网络和20万台计算机。
20世纪90年代后,Internet继续迅猛扩展。
时至今日,Internet已成为人们生活的重要组成部分。
1.3计算机的功能与分类
1.计算机功能
(1)运算速度快
现在高性能计算机每秒能进行超过10亿次的加减运算。
例如:
气象、水情预报要分析大量资料,用手工计算需10多天才能完成,失去了预报的意义。
现在利用计算机的快速运算能力,10多分钟就能作出一个地区的气象、水情预报。
(2)计算精度高
在计算机内部采用二进制数字进行运算,表示二进制数值的位数越多,精度就越高。
因此,可以用增加表示数字的设备和运用计算技巧的方法,使数值计算的精度越来越高。
电子计算机的计算精度在理论上不受限制,一般的计算机均能达到15位有效数字,通过技术处理可以达到任何精度要求。
(3)记忆能力强
计算机可以存储大量的数据、资料,这是人脑所无法比拟的。
在计算机中有一个承担记忆职能的部件,即存储器。
存储器的容量可以做得非常大,能记忆大量信息。
既能记忆各类数据信息,又能记忆处理加工这些数据信息的程序。
(4)复杂的逻辑判断能力
计算机具有逻辑判断能力,可以根据判断结果,自动决定以后执行的命令。
1997年5月在美国纽约举行的“人机大战”,国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫输给了国际商用机器公司IBM的超级计算机“深蓝”,“深蓝”的运算速度不算最快,但具有强大的计算能力,能快速读取所存储的10亿个棋谱,每秒钟能模拟2亿步棋,它的快速分析和判断能力是取胜的关键。
当然,这种能力是通过编制程序,由人赋予计算机的。
(5)具有执行程序的能力
计算机是一个自动化程度极高的电子装置,在工作过程中不需人工干预,能自动执行存放在存储器中的程序。
程序是人经过周密设计好的,设计好的机器语言程序被输入计算机后,计算机就会不知疲倦地执行下去,计算机适合去完成那些枯燥乏味令人厌烦的重复性劳动,也适合控制以及深入到人类难以胜任的、有毒的、有害的作业场所。
2.计算机类型
随着大规模集成电路的迅速发展,计算机进入大发展时期。
根据人类对计算机功能需求的不断细化,通用机、巨型机、小型机、微型机以及工作站都得到了发展。
(1)巨型机
巨型机运算速度超过一亿次/秒,存储容量大,主存容量甚至超过几千兆字节。
其结构复杂,价格昂贵,研制这类巨型机是现代科学技术,尤其是国防尖端技术发展的需要。
核武器、反导弹武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等都要求计算机具有很高的速度、很大的容量,一般的计算机远远不能满足要求。
(2)大型机
大型机的运算速度一般在100万次/秒至几千万次/秒,字长32~64位,主存容量在几百兆字节以上。
它有比较完善的指令系统,丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。
其特点是通用,有极强的综合处理能力,主要应用于大银行、政府部门、大型制造厂家等。
(3)小型机
小型机规模小、结构简单,所以设计试制周期短,便于及时采用先进工艺、生产量大、硬件成本低。
同时由于软件比大型机简单,所以软件成本也低。
小型机打开了在控制领域应用计算机的局面,小型机应用于数据的采集、整理、分析、计算等方面。
(4)微型机
微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组装,使得微型机具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格便宜、可靠性高、使用方便等特点。
微型计算机已经极大地普及到家庭,促进着人们的学习、交流和社会的发展。
(5)工程工作站
工程工作站是20世纪80年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统,其性能介于小型计算机和微型计算机之间。
一般具有高分辨率显示器、交互式的用户界面和功能齐全的图形软件。
(6)网络计算机
应用于网络上的计算机,该种机器简化了普通PC的外部存储器等支持计算机独立工作的部件,设计目标是依赖于网络服务器提供的各种能力支持以尽可能地降低制造成本。
这种计算机简称为“NC”。
按适用范围还可分为通用计算机和专用计算机。
专用计算机是根据特殊需求定制的满足专门使用目的的计算机。
如银行的ATM自动取款机等。
1.4计算机的应用领域
1.工业应用
(1)过程控制
在现代化工厂里,计算机普遍用于生产过程的自动控制。
在生产过程中,采用计算机进行自动控制,可以大大提高产品的产量和质量,提高劳动生产率,改善人们工作条件,节省原材料的消耗,降低生产成本等。
用于生产过程自动控制的计算机,一般都是实时控制。
它们对计算机的速度要求不高,但可靠性要求很高,否则将生产出不合格的产品,甚至发生重大设备事故或人身事故。
用于控制的计算机,要经过模/数转换将电压温度等转换成数字量,计算机的处理结果是数字量,一般要将它们转换成模拟量去控制对象,称为数/模转换。
(2)CAD/CAM
计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)是借助计算机进行设计的一项实用技术,采用计算机辅助设计过程实现自动化或半自动化,不仅可以大大缩短设计周期,加速产品的更新换代,降低生产成本,节省人力物力,而且对保证产品质量有重要作用。
由于计算机有快速的数值计算,较强的数据处理以及模拟的能力,因而在船舶、飞机等设计制造中,CAD/CAM占有越来越高的地位。
在超大规模集成电路的设计和生产过程中,其中复杂的多道工序是人工难以解决的。
使用已有的计算机辅助设计新的计算机,达到自动化或半自动化程度,从而减轻人的劳动强度并提高设计质量。
(3)企业管理
现代计算机更加广泛地应用于企业管理。
由于计算机强大的存储能力和计算能力,现代化企业充分利用计算机的这种能力对生产要素的大量信息进行加工和处理,进而形成了基于计算机的现代化企业管理的概念。
对于生产工艺复杂、产品与原料种类繁多的现代化企业,计算机辅助管理的意义是与企业在激烈的市场竞争中能否生存这个概念紧密相连的。
(4)辅助决策
计算机辅助决策系统是计算机在人类预先建立的模型基础上,根据对所采集的大量数据的科学计算而产生出可以帮助人类进行判断的软件系统。
计算机辅助决策系统可以节约人类大量的宝贵时间并可以帮助人类进行“知识存储”。
2.科学计算
科学计算一直是电子计算机的重要应用领域之一。
在天文学、核物理学、量子化学等领域中,都需要依靠计算机进行复杂的运算。
3.商业应用
用计算机对数据及时地加以记录、整理和运算,加工成人们所要求的形式,称为数据处理。
数据处理系统具有输入/输出数据量大而计算却很简单的特点。
在商业数据处理领域中,计算机广泛应用于财会统计与经营管理中。
(1)电子银行
“自助银行”是20世纪产生的电子银行的代表,完全由计算机控制的“银行自助营业所”可以为用户提供24小时的不间断服务。
(2)电子交易
所谓“电子交易”,是指通过计算机和网络进行商务活动。
电子交易是在Internet的广阔联系与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上相互关联的动态商务活动,是在Internet上展开的。
4.教育应用
(1)远程教学
用计算机的通信功能利用互联网实现的远程教学是当今教育发展的重要技术手段之一。
远程教育可以解决教育资源的短缺和知识交流的问题。
(2)模拟教学
对于代价很高的实验教学和现场教学,可以用计算机的模拟能力在屏幕上展现教学环节,既达到教学目的又节约开支。
(3)多媒体教学
多媒体技术的应用使得计算机与人类的沟通变得亲切许多。
多媒体教学就是将原本呆板的文稿配上优美的声音、图像等,使教学效果更加完美。
(4)数字图书馆
数字图书馆是将传统意义上的图书“数字化”。
经过“数字化”的图书存放在计算机中,通过计算机网络可以同时为更多的读者服务。
5.生活领域应用
(1)数字社区
“数字社区”特指现代化的居住社区。
连接了高速网络的社区为拥有计算机的住户提供互联网服务,真正实现了“足不出户”就可以漫游网络世界的美好现实。
(2)信息服务
信息服务行业是21世纪的新兴产业,遍布世界的信息服务企业为人们提供着住房、旅游、医疗等诸多方面的信息服务。
这些服务都是依靠计算机的存储、计算以及信息交换能力来实现的。
6.人工智能
人工智能是将人脑中进行演绎推理的思维过程、规则和所采取的策略、技巧等变成计算机程序,在计算机中存储一些公理和推理规则,然后让机器去自动探索解题的方法,让计算机具有一定的学习和推理功能,能够自己积累知识,并且独立地按照人类赋予的推理逻辑来解决问题。
综上所述,计算机的应用范围非常广泛。
但是我们必须清楚地认识到:
计算机本身是人设计制造的,还要靠人来维护,人只有提高计算机的知识水平,才能充分发挥计算机的作用。
第二节计算机的基本组成与工作原理
2.1计算机的硬件系统
计算机硬件系统是由中央处理器、存储器和输出/输入设备组成的。
输入设备是用来输入原始数据和处理这些数据的设备。
输入的信息有数字、符号、字母、图像、声音和控制符等。
输出设备用来输出计算机的处理结果,输出的可以是字母、数字、表格和图形等。
常用输出设备为打印机及显示器。
常用的输入设备为键盘、鼠标、扫描仪等。
存储器用来存放程序和数据,是计算机各种信息的存储和交流中心。
存储器又有主存储器与辅存储器之分。
计算机正在运行的程序和数据是存放在主存储器中的,主存储器是高速、暂存性存储器;辅助存储器用来存放大量的、需要长期保存的数据。
当计算机需要处理存放在辅助存储器中的数据时,需要将数据从外部存储器调入主存储器。
中央处理器又称CPU,由运算器和控制器组成。
运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件,控制器主要实现计算机本身运行过程的自动化。
在早期的计算机内它们是分开的,由于电路集成度的提高,现在已把它们集成在一个芯片里。
在计算机中,各部件间来往的信号可分成3种:
地址、数据和控制信号。
通常这些信号是通过总线传递的。
如图1-3所示。
图1-3硬件系统示意图
CPU发出的控制信号,经控制总线送到存储器和输入/输出设备,控制这些部件完成预定的操作。
与此同时,CPU经地址总线向存储器或输入/输出设备发送地址,使得计算机各个部件中的数据能根据需要互相传送。
如图1-4所示。
图1-4各部件数据互相传送
1.运算器
运算器是计算机的核心部件,是对信息进行加工、运算的部件,它的速度几乎决定了计算机的计算速度。
运算器的主要功能是对二进制编码进行算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算。
参加运算的数(称之为操作数)由控制器指示从存储器或寄存器内取到运算器。
实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能,这些功能是由运算器内部的一个被称之为算术与逻辑运算部件(ALU)完成的,ALU往往也是运算器内部传送数据的重要通路。
逻辑运算不仅要给出参加运算的一或两个操作数的运算结果的值,往往还要求给出结果值的某些特征,如算术运算时,结果的符号为正还是为负,最高位是否给出了进位信号等等。
这要求相应的线路给出这些特征结果,以便在完成本次运算后,将其保存到相应的标志寄存器(FlagRegister)中。
运算器的第二项功能,是暂时存放参加运算的数据和某些中间结果。
为此,运算器内包含一定数目的寄存器,它们的数目、配置与连接关系和功能分配与具体使用方式等,在不同的设计、不同的计算机中可以有较明显的差异。
但它们都具有存放数据或可以由机器指令(程序员)访问与使用的功能,这些功能是寄存器的共同特点,通常称它们为通用寄存器,以区别那些计算机内部设定的、不能为汇编程序直接访问的专用寄存器。
运算器一般包括算术逻辑运算单元,一组通用寄存器和专用寄存器及一些控制门。
算术逻辑运算单元(ALU)通过算术运算或逻辑运算选择来进行算术逻辑运算。
通用寄存器可提供参与运算的操作数,并存放运算结果。
哪些数参与运算,常由输入选择门的控制条件决定。
输出门可实现移位传送。
如图1-5所示。
2.存储器
存储器是计算机的一个重要组成部分,它用来保存计算机工作所必需的程序和数据。
CPU直接从内部存储器取指令或存取数据。
存储器的基本容量计算单位是二进制位(bit),8个二进制位叫做一个字节(Byte),1024(210)字节叫做1KB,1024KB叫做1GB,1024GB叫做1TB。
计算机中常用的存储部件,按它们的物理介质不同,分为半导体存储器、磁表面存储器、光电存储器以及光盘存储器。
在半导体存储器中,RAM是易失性存储器,这种存储器一旦去掉其电源,则所有的信息全部被丢失,ROM属于非易失性存储器,当去掉其电源后,所保存的信息仍保持不变。
目前,绝大多数计算机使用的是半导体存储器。
(1)按存储器的存取方式分类
按照存储器的存取方式可分为只读存储器、随机访问存取存储器。
①只读存储器(ROM)
ROM是一种对其内容只能读不能写入的存储器,即预先一次写入的存储器。
它主要由地址译码器和存储单元体组成。
工作原理是:
地址译码器根据输入地址选择某条输出(字线),由它再去驱动该字线的各位线,以便读出字线上各存储单元所储存的代码。
图1-6表示的是ROM的结构。
ROM存放的内容只能读,不能改变或擦除,ROM中的数据在生产芯片时,通过将感光材料在一个包含有要被装入的数据存放模式的面罩下曝光,然后将曝光(或未曝光)表面蚀刻而成。
但随着半导体技术的发展,后来又出现了可编程ROM(PROM),其编程原理是:
多数PROM内部包含有许多小熔丝组成的阵列,先选定行和列,然后在芯片的特定管脚上加上高电平,被选中的熔丝烧断。
后来又出现了可擦除ROM(EPROM),它不但可以现场编程,还可以现场擦除,采用石英作为材料。
比EPROM更好一点的是EEPROM,对它的擦除只需加上一定的脉冲,而不用放到特定的容器中用强紫外光照射,但是它的空间不大,速度也不高,价格却很高。
EEPROM最新的类型是闪存,闪存可以按块进行擦除和重写。
图1-6ROM结构
②随机访问存储器(RAM)
RAM在工作过程中可以按需要随时把信息存进去,也可以随时取出来使用。
它可分为静态RAM和动态RAM。
静态RAM(SRAM)使用的是触发器,只要不对它断电,存放在里面的数据就可以永久保存,它的速度很快,访问时间很短。
动态RAM(DRAM)使用的是晶体管和小电容组成的存储单元构成的阵列来存放数据,通过电容的充电和放电来存放0和1。
由于存放在电容中的电荷会泄漏,动态RAM中的每一位在几个毫秒的时间内都需刷新一次,以防止数据丢失。
现在最新型的动态RAM是扩展数据输出(EDO),它允许在前一个内存访问周期结束之前启动第二个内存访问周期。
(2)按存储器在计算机中的作用分类
按在计算机中的作用分类可以分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)、缓冲存储器等。
①主存储器
主存储器是计算机用于直接存取程序和数据的地方,因此计算机在执行程序前必须将程序装入内存中。
当前内存是由半导体组成,没有机械装置,所以内存的速度远远高于外存,它速度高、但容量小、每位价格较高。
②辅助存储器
磁盘、光盘、磁带等存储器称为外存,速度慢、容量大、每位价格低。
必须将它的数据送到内存后才能由CPU进行处理。
外存又称辅助存储器(辅存)。
外存储器的容量一般都比较大,而且可以移动,便于不同计算机之间进行信息交流。
在微型计算机中,常用的外存有磁盘、光盘和磁带等。
目前最常用的是磁盘。
磁盘又分为硬盘和软盘。
● 硬盘硬盘是由若干片硬盘片组成的盘片组,一般被固定在计算机机箱内。
与软盘相比,硬盘的容量要大得多,存取信息的速度也快得多。
目前生产的硬盘容量一般在40GB以上,甚至达到几百GB。
在使用硬盘时,应保持良好的工作环境,如适宜的温度和湿度、防尘、防震等,不要随意拆卸。
图1-7所示的是硬盘的结构。
● 软盘软盘的一般尺寸为3.5in,容量为1.44MB。
在3.5in软盘的一个角上有一个滑动块,如果移动该滑动块而露出一个小孔(称为写保护孔),则该软盘上的信息只能被读出而不能再写入。
在使用软盘时也应注意防潮、防磁与防尘,并且对软盘不要重压与弯曲,当软盘在驱动器中正在进行读写时,不要做插拔操作。
图1-8所示的是软盘的结构。
图1-7硬盘结构图1-8软盘结构
● 光盘用于计算机系统的光盘主要有3类:
只读性光盘、一次写入性光盘与可擦写性光盘。
目前在微机系统中使用最广泛的是只读性光盘。
只读性光盘(CD-ROM)只能读出信息而不能写入信息。
光盘上已有的信息是在制造时由厂家根据用户要求写入的,写好后就永久保留在光盘上。
CD-ROM中的信息要通过光盘驱动器才能读取。
目前,CD-ROM的存储容量约为650MB,适合于存储如百科全书、文献资料、图书目录等信息量比较大的内容。
在多媒体计算机中,CD-ROM已成为基本配置。
图1-9所示的就是光盘。
图1-9光盘
③缓冲存储器
缓冲存储器用在两个不同工作速度的部件之间,在交换信息过程中起缓冲作用。
3.控制器
控制器的作用是控制程序的执行,控制器一般是由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。
它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。
所谓执行指令就是,控制器首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令,并对指令进行分析,然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令,控制它们执行这条指令所规定的功能。
这样逐一执行一系列指令,就是计算机能够按照一系列指令组
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