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计算机的基础知识
计算机的基础知识
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第一章
计算机基础知识
计算机是人类最伟大的发明之一,它广泛的应用于社会的各个角落，改变了社会的面貌，推动社会的发展，对人类社会有着巨大而深远的影响。
随着计算机技术的发展，廉价且功能强大微型计算机的普及，多媒体技术与网络信息技术的广泛应用。
计算机已经走入千家万户，改变着我们原有的生活方式、工作模式，成为现代社会不可或缺的工具，计算机知识成为所有现代人必备的基本技能。
本章将以通俗、易懂的语言来阐述计算机的基础知识。
让读者系统的掌握计算机的概念定义、发展过程、组成结构、分类、工作特点及发展方向。
消除对计算机的迷惑、恐惧与概念的混乱，使读者真正明白计算机的原理及工作模式，为深入的学习奠定坚实的基础。
第一节什么是计算机？
（注：
有一种分类方式，将计算机分为电子计算机与机械计算机两种，而机械计算机已基本退出历史舞台，我们平时所讲与本书出现的“计算机”如不做特殊说明，全部指电子计算机，我们俗称电脑。
）
1.1.1计算机的概念
众所周知计算机有着强大的运算处理能力并且涉及领域非常广泛。
这就为其蒙上了神秘的面纱，为何它会有如此非凡的能力与众多功能呢？
甚至有人认为它无所不能，科幻电影中往往将其描绘成深不可测，凌驾于人类智慧之上的的神秘机器！
这其实是对计算机知识不了解产生的误解与概念的混淆，以及艺术夸、科幻想像的结果。
那计算机到底是是什么呢？
其实计算机是一种能够按照人们所编写的程序，自动的、高速的、精确的进行数据运算及信息处理的电子设备。
简单的说计算机是一种有程序能运算的电子设备。
（图1：
生活中最常见的计算机—PC机）
其定义中有三点要素：
1.计算机要进行工作必须要有人所编写的程序，没有程序，计算机根本无法运行。
2.只有在程序的基础上，计算机才可以自动、高速、精确的进行运算和处理。
3.计算机是一种电子设备。
由于计算机使用围非常广泛，不同工作领域的特点与要求也不尽相同，造成外形与操作方式的巨大差异，比如用于科学计算的超级计算机重达数十吨，而进行自动化控制的微控计算机只有豆粒般大小！
所以我们千万不能通过外形与操作方式来判断是否它是计算机，而是看其是否符合三点要素。
而我们经常使用的PC机（图1），也只是计算机大家庭的很小一部分而已。
（注：
PC机是微型计算机的一种机型是我们最常用的计算机，它们一般使用Intel及兼容处理器，使用Windows操作系统，在后面的章节将详细介绍。
）
1.1.2特殊的计算机
有一类计算机比较特殊，一出生就规定了特殊的使用围和封闭固定的功能，外形与操作方式也为了适应其固定功能发生了很大变化，它们就是为了实现其特定功能而设计生产的。
由于功能的固定，人们不再叫它计算机，而称它固定功能的名称，比如专门进行数字计算的我们叫计算器，专门用于游戏娱乐的游
戏机,专门为了实现网络路由功能的路由器，虽然这些专用计算机外形、功能、特点、速度、操作方式等千差万别但在工作原理与我们经常使用的PC机是基本一致的。
它们都符合计算机的三要素，是一类特殊的专用计算机。
有的专用计算机在经过软、硬件技术改造后，甚至可以正常运行PC计算机的程序（图1）。
（图1：
正在运行Windows95的PSP游戏机）
有些计算机可能只有豆粒般大小，如在各种数字家电、通讯设备、程控设施、电子仪器的控制电路中的单片计算机、微控计算机（图2），它们通过预先写入的程序来控制这些设备自动的、高速的、精确的完成人们所交付的任务。
指挥交通的信号灯，工厂中自动作业的数控机床、工业机器人都是它们的杰作。
例：
全自动洗衣机，它的控制电路中就存在着微控计算机，在出厂前人们将编写好轻柔洗衣，快速洗衣，预约洗衣等各种控制程序写入到控制电路中，在工作时我们只需轻轻按下开关，微控计算机就根据预设程序自动的控制洗衣机完成我们所交付的任务，而且可以侦测整个过程并对发生的情况进行相应的处理，比如水量不足时的自动补水；非正常情况的停转保护等。
这些任务都是由微控计算机控制完成的。
（图2：
意法公司的32位微控计算机）
以上的例子不难看出，不同的计算机外形与操作方式千差万别，它们有着各自的特点与工作领域，存在于人类社会的每个角落，各司其职提供着各种服务，推动着人类社会的发展。
而我们经常使用的PC机也只是这个大家庭中的一员，我们千万不能以貌取人，而是看它是否符合计算机的三点要素。
由于这些专用计算机功能上的局限、使用围的固定以及构造的特殊性。
这一类计算机不作为本书的主要研究对象。
本节重点：
计算机的定义三要素以及实际判断能力。
本节出现的专业术语与需要查询的资料：
计算机、电子计算机、机械计算机、程序、PC机、单片机、专用计算机、微控计算机。
思考：
通过查阅资并结合学习的知识，分析它们是不是计算机？
（图1-5）
（图1：
多普达838智能手机）（图2：
Neuron音乐合成器）
（图3：
微软XBOX游戏机）（图4：
苹果AppleTV客厅影音系统）
（图5：
运行WindowsCE系统的纽曼影音王MP4）
第二节计算机的起源与发展
人类在很早之前就渴望发明一种能帮助我们进行脑力劳动的计算工具，从原始计算工具到计算尺，从机械计算机到手摇计算机，从电动计算机到电子计算机，经过先人不断的努力与尝试，计算机的演变经历了一个漫长的发展过程。
1.2.1原始的计算机
公元前5世纪，中国人发明了算盘，广泛应用于商业贸易中，算盘被认为是最早的原始计算工具，并一直使用至今。
直到17世纪，计算设备才有了第二次重要的进步。
1642年，法国科学家帕斯卡发明了自动进位机械加法器。
1694年，德国数学家莱布尼茨加以改进，使之可以计算乘法。
后来，法国人查尔斯发明了可以进行四则运算的机械计算器。
各种机械式计算机不断的被发明。
现代计算机的真正起源于英国数学家巴贝奇。
他制造出了第一台机械形式的差分机，它可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。
并开始设计包含现代计算机基本组成部分的机械式分析机（图1），并最先提出现代计算机基本设计思想。
他的助手，英国著名诗人拜伦的独生女阿达.奥古斯塔为分析机编制了人类历史上最早的原始计算机程序。
正是他们的研究与先进思想为今后计算机的发展奠定了理论基础
（图1：
被后人复原的巴贝奇分析机）
1.2.2现代计算机的诞生
1946 年，世界第一台真正意义上的电子计算机也是第一台数字通用电子计算机ENIAC（图2）在美国宾西法尼亚大学诞生了，它是为美国陆军军械部进行弹道计算与氢弹研究而设计生产的。
这台计算机总共安装了18800只电子管，7200个二极管，70000多个电阻器，10000多只电容器和6000只继电器，电路的焊接点多达50万个,机器被安装在一排2.75米高的金属柜里，占地面积为170平方米左右，总重量达到30吨，功耗达到了150千瓦。
其运算速度只有每秒5000次加法，并且可以进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数值及其它一些更复杂的运算。
（图2：
技术人员正在操作ENIAC）
虽然ENIA的性能与现代计算机有非常大的差距（截止到2007年，世界最快的计算机是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超级计算机“Roadrunner”，其速度可以达到千万亿次每秒。
），功能也很落后，操作原始且效率低下，读取结果也非常的困难。
但它仍然具有划时代的意义，它的诞生宣布着电子计算机时代的到来，整个人类社会的进程也将因此而改变。
1.2.3电子计算机的发展
自ENIA诞生的的60多年间，随着技术的进步，重要的科技成果不断应用在计算机上，使其得到了极大的发展。
它们的体积越来越小，功能变得异常强大，价格低廉，软件极度丰富，且容易操作，应用非常广泛。
在60多年的发展过程中，人们按电子计算机所采用的逻辑电子元器件将其划分为四代。
（注：
逻辑电子元器件简单来说就是实现数字信号逻辑运算和操作的电子元器件，它是计算机的关键所在。
）
第一代电子管计算机（1945-1956）
代表计算机：
ENIA
第一代计算机使用电子管作为主要逻辑元件，存储器使用磁芯、磁鼓、卡片、纸带等，运算速度只有几千次，效率低下，操作非常复杂而且价格昂贵，由于电子管发热量与耗电量巨大，所以极易损坏。
这些计算机都是为军事研究、科学计算等特定工作设计生产的，其操作指令与机器语言各不相同，编程语言一般只能使用机器语言。
电子管是一种古老的电子元器件，随着技术的更新换代，它已经退出了我们的视线，几乎所用的厂商都已经停止生产，在现代的电子设备中已难觅其踪。
但一部分音频发烧友依然对它情有独钟，使用电子管来制模拟信号放大设备，这种使用电子管进行功率放大的设备一般俗称为“胆机”（图1），造价一般也比较昂贵。
（图1:
仍在使用电子管的“胆机”）
第二代晶体管计算机（1956-1963）
代表计算机：
IBM1401
1947年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿三位科学家成功研制出晶体管。
晶体管很快代替了体积庞大，耗电量、发热量巨大且易损坏的电子管，成为第二代计算机的逻辑电子元器件。
晶体管技术极大的推动了计算机业的发展，第三代与第四代计算机技术也与之密不可分，它的的发明是计算机业发展的最关键技术之一，因此晶体管的三位发明者在1956年共同获得了的诺贝尔物理学奖。
1956年，晶体管开始代替电子管在计算机中使用，由于晶体管的加入，计算机的体积变得更小，造价更低，稳定性与性能也迅速提升，运算速度达到几万次每秒；计算机的存储器开始使用磁带、磁盘，并出现了键盘、打印机等现代输入输出设备；计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言，并出现了早期的高级计算机语言：
FORTRAN语言和COBOL语言；由于价格的下降功能的提升计算机的使用围不断扩大，商业领域、大学与政府机关开始使用计算机。
第三代集成电路计算机（1964-1971）
代表计算机：
IBM-360
晶体管计算机的出现，计算机的体积的确小了不少，但仍然不能满足许多行业的要求，他们需要体积更小、性能更好、造价更低廉的计算机，例如航天工业要求在狭小的飞行仓放入高性能的计算机设备。
这就迫切需要新的计算机技术出现。
1958年美国仪器公司的工程师基尔比发明了集成电路技术。
所谓的集成电路就是将一定功能的电子元器件与电路制作在半导体基片上的技术，人们为了保护精密的半导体基片，往往为它封装了一层保护外壳，这就形成了我们见到的各种各样的芯片（图1）。
细小芯片可以将千万的电子元器件与复杂电路制作在自己体，完成以前一大堆设备才可以完成的功能，但它往往只有指甲盖大小。
由于芯片中的半导体基片一般都是由单晶硅（图2）制作的，所以人们也称它们为“硅芯片”。
现有的所有电子电器设备都是基于集成电路技术的产物,它为计算机业的腾飞插上了翅膀，因此基尔比获得了2000年诺贝尔物理学奖
（图1：
电子设备上的使用的各种芯片）（图2：
制作芯片的单晶硅）
由于半导体技术的加入，计算机的体积大幅减小，人们可以放入更多的电子元器件所以计算机的性能也有了质的提升，价格确成倍的下降；在存储方面开始使用半导体技术的存储芯片，极大的提升了计算机存储模块的速度；软件方面，计算机开始使用操作系统为人们提供了更加便利软硬件管理平台。
大量的中小企业及教育机构开始规模的使用计算机。
第四代大规模及超大规模集成电路计算机（1971-今）
代表计算机：
遍布全球的PC电脑
70年代以后，随着集成电路技术的发展，制造工艺的成熟，小小的芯片可以容纳数万个晶体管及其它电子元器件。
人们开始尝试着将计算机两个最重要的部分，暨运算器电路和控制器电路制作在一块芯片，从而产生了微处理器—CPU，也就是说CPU是运算器与控制器的组合体，其主要功能是进行运算与控制。
1971年第一块真正的微型处理器CPU—4004（图1-2）在美国的Intel公司诞生了，在它体集成了2000多个晶体管与其它电子元件；而现在主流的酷睿2处理器竟集成有数亿个晶体管，可见集成电路技术发展之快。
正如摩尔定律说的那样：
“集成电路中的晶体管数量每18个月翻一倍，性能提高一倍而价格下降一半。
”
（注：
1965年4月19日，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇评论报告，摩尔应这家杂志的要求对未来十年间半导体元件工业的发展趋势作出预言。
）
（图1:
Intel4004微处理器）（图2：
4004的芯片部结构）
随着各个部件的高度集成化微型化，其生产成本也直线下降，各计算机厂商开始推出面向家庭与普通用户的微型计算机，多媒体技术的加入，网络技术的应用，各种外部设备与软件的异常丰富，更加促进它进入千家万户，遍布社会的各个角落，微型计算机完全颠覆了我们的生活方式与工作模式；过去那些遥不可及的行业，那些昂贵的专业设备，那些复杂的操作流程…..现在小小的微机就能实现我们的梦想。
本节重点：
计算机的发展过程。
世界第一台真正意义的电子计算机ENIA。
CPU的定义与组成部分。
本节出现的专业术语与需要查询的资料：
晶体管、电子管、集成电路技术、微型计算机。
第三节微型计算机
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