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第一章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)第 1 章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)、高速、精確地存儲(chǔ)和加工信息的電子設(shè)備。它是 20 世紀(jì)人 類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展使人類文明向前邁進(jìn)了一大步。隨著社會(huì)的發(fā)展和 科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會(huì)活動(dòng)中不可或缺的工具。1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進(jìn)的計(jì)算工具。早在古代，人們就為了計(jì)數(shù) 和計(jì)算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀(jì) 30 年代，英國(guó)人威廉奧特瑞發(fā)明了計(jì)算尺。1642 年，法國(guó)數(shù)學(xué)家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機(jī)械計(jì)算器。機(jī)械計(jì)算器用純粹機(jī)械代替了人類的思考和記錄，標(biāo)志著人類已 經(jīng)向自動(dòng)計(jì)算工具邁進(jìn)了一步。19 世紀(jì)初，英國(guó)人查爾斯巴貝奇設(shè)計(jì)了差分機(jī)和分析機(jī)。設(shè)計(jì)的理論和現(xiàn)代電子計(jì) 算機(jī)的理論類似，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，機(jī)械式的 差分機(jī)和分析機(jī)占有重要的地位。機(jī)械計(jì)算機(jī)在程序控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入輸出和存儲(chǔ)等 方面為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1854 年，英國(guó)邏輯學(xué)家、數(shù)學(xué)家喬治布爾設(shè)計(jì)了一套符號(hào)，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運(yùn)算法則，把形式邏輯歸結(jié)成一種代數(shù)運(yùn)算，從而建立了邏輯代數(shù)。應(yīng)用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)采用二進(jìn)制奠定了理論基礎(chǔ)。1936 年，英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈發(fā)表了論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用，給出了現(xiàn) 代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從理論上論證了通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼首先提出在計(jì)算機(jī)中“存儲(chǔ)程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)理論。20 世紀(jì) 40 年代，隨著火箭、導(dǎo)彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復(fù)雜的 數(shù)學(xué)問題，原有的計(jì)算工具已無(wú)法滿足需要。同時(shí)，電子學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域所取得 的技術(shù)成就，也為研制電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)）提供了物質(zhì)及技術(shù)基礎(chǔ)。1946 年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)成功地研制了世界上第一臺(tái)由程序控制的電子數(shù)字計(jì)算 機(jī)，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計(jì)算機(jī)最初是為了 分析和計(jì)算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學(xué)的莫克利（john mauchly，1907-1980）在莫爾電氣工程學(xué)院任教期間，被委派負(fù)責(zé)彈道的計(jì)算工作。他提出了研制新 型計(jì)算機(jī)的建議，并于 1943 年 6 月開始實(shí)施。歷經(jīng)兩年多的時(shí)間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個(gè)電子管，1500 個(gè)繼電器，耗電 150kw/h，每秒運(yùn)算 5000 次，占地170m2，重量達(dá) 30t。用它計(jì)算彈道只要 3s，比機(jī)械計(jì)算機(jī)快 1000 倍，比人工計(jì)算快 20 萬(wàn)第1頁(yè)(共18頁(yè))第18頁(yè)（共18頁(yè)）倍。也就是說炮彈打出去還沒有落地，彈道就可計(jì)算出來。eniac 盡管還存在許多缺點(diǎn)， 還沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑，它標(biāo)志著 計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正到來。1949 年 5 月，英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲(chǔ)計(jì)算 機(jī) edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺(tái)帶有存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)的 計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，無(wú)論從數(shù)量、還是從質(zhì)量上都有了很大的飛躍。計(jì)算機(jī)從以前的 單純數(shù)字計(jì)算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質(zhì)的變化。從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，目前，正向第五代邁進(jìn)。l 第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用電子 管；主存儲(chǔ)器采用延遲線，輔助存儲(chǔ)器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主。第一代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬(wàn)次，其體積大、耗電多、價(jià)格昂貴且可靠性低。第一代計(jì)算 機(jī)的特點(diǎn)是操作指令是為特定任務(wù)而編制的，每種機(jī)器有各自不同的機(jī)器語(yǔ)言， 功能受到限制，速度也慢。另一個(gè)明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計(jì)算機(jī)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。l 第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲(chǔ)器采用磁芯，輔助存儲(chǔ)器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；其用途除科學(xué)計(jì)算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控 制方面。第二代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度為 100 萬(wàn)次/s，內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬(wàn)字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專家，與整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)由此誕生。l 第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲(chǔ)器仍以磁芯存儲(chǔ)器為主；機(jī)種系列化；外部設(shè)備不斷增多并 同通訊設(shè)備結(jié)合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都有新 的發(fā)展；其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)到 1000 萬(wàn)次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進(jìn)一步提高。這一時(shí)期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)在中心程序的控制協(xié)調(diào)下可以同時(shí)運(yùn)行許多不同的程序。l 第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)的邏輯元件 和主存儲(chǔ)器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計(jì)算機(jī)蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價(jià)格大幅度下降；其應(yīng)用范圍已 擴(kuò)大到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門和社會(huì)生活等領(lǐng)域，并進(jìn)入以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的時(shí) 代。第四代計(jì)算機(jī)無(wú)論從硬件還是軟件來看，比第三代計(jì)算機(jī)都有很大發(fā)展，它 的運(yùn)算速度已達(dá)到每秒種數(shù)億次，而其價(jià)格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學(xué)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在研制第五代計(jì)算機(jī)。新一代計(jì)算機(jī)由超大規(guī)模集成電路或超導(dǎo)電路組成，它的結(jié)構(gòu)像搭積木一樣由多臺(tái)機(jī)器組合而成。它的運(yùn)算速度可 達(dá)每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)在向微型化和巨型化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)的通信產(chǎn)業(yè) 已經(jīng)成為新型的高科技產(chǎn)業(yè)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學(xué)習(xí)方式、思 維方式和生活方式。第2頁(yè)(共18頁(yè))我國(guó)從 1956 年開始研制計(jì)算機(jī)，1958 年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世，1965 年研制成晶體 管計(jì)算機(jī)，1970 年研制成集成電路計(jì)算機(jī)。1997 年我國(guó)的“銀河”運(yùn)算速度達(dá)到 130 億次/s，1999 年研制出運(yùn)算速度 3840 億次/s 的計(jì)算機(jī)。2001 年的“曙光”機(jī)運(yùn)算速度達(dá) 到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計(jì)算所宣布中國(guó)第一個(gè)可以批量投產(chǎn)的通用 cpu “龍芯 1 號(hào)”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國(guó)際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點(diǎn)字長(zhǎng) 32 位，浮 點(diǎn)字長(zhǎng) 64 位，最高主頻可達(dá) 266mhz。此芯片的邏輯設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)具有完全自主的知識(shí) 產(chǎn)權(quán)。采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務(wù)器同時(shí)發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔(dān)的國(guó)家網(wǎng) 格主節(jié)點(diǎn)“深騰 6800”超級(jí)計(jì)算機(jī)正式研制成功，其實(shí)際運(yùn)算速度達(dá)到每秒 4.183 萬(wàn)億次， 當(dāng)時(shí)全球排名第 14 位，運(yùn)行效率 78.5%。2004 年 6 月 21 日美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó) 家實(shí)驗(yàn)室公布了最新的全球計(jì)算機(jī) 500 強(qiáng)名單，曙光計(jì)算機(jī)公司研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)“曙光4000a”排名第十，運(yùn)算速度達(dá) 8.061 萬(wàn)億次。這一切說明，在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)已有 了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但發(fā)展的道路任重而道遠(yuǎn)。1.1.2 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的種類很多，可以按其不同的標(biāo)志進(jìn)行分類。從原理上講計(jì)算機(jī)可以分為兩大 類：電子模擬計(jì)算機(jī)（analogue computer）和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（digital computer）。數(shù)字 計(jì)算機(jī)是通過電信號(hào)的有無(wú)來表示數(shù)，并利用算術(shù)和邏輯運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算的。它具有運(yùn) 算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此適合于科學(xué)計(jì)算、信息處理、實(shí)時(shí) 控制和人工智能等應(yīng)用。我們通常所用的計(jì)算機(jī)，一般都是指的數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)， 是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。其優(yōu)點(diǎn)是速度 快，適合于解高階的微分方程。在模擬計(jì)算和控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但通用性不強(qiáng)，信息 不易存儲(chǔ)，且計(jì)算機(jī)的精度受到了設(shè)備的限制，因此不如數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普遍。按照計(jì)算機(jī)的用途可將其劃分為專用計(jì)算機(jī)（special purpose computer）和通用計(jì)算 機(jī)（general purpose computer）。專用計(jì)算機(jī)。具有單純、使用面窄甚至專機(jī)專用的特點(diǎn)， 它是為了解決一些專門的問題而設(shè)計(jì)制造的。因此，它可以增強(qiáng)某些特定的功能，而忽略 一些次要功能，使得專用計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地， 模擬計(jì)算機(jī)通常都是專用計(jì)算機(jī)。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì) 算機(jī)。具有功能多、配置全、用途廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，我們通常所說的以及本書所介紹 的就是指通用計(jì)算機(jī)。在通用計(jì)算機(jī)中，人們又按照計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、軟件配置等多方 面的綜合性能指標(biāo)將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站、微型機(jī)等幾類。分類 的標(biāo)準(zhǔn)只是粗略劃分，只能就某一時(shí)期而言，下面僅舉幾例加以說明。1. 大型通用機(jī)“大型通用機(jī)”是對(duì)一類計(jì)算機(jī)的習(xí)慣稱呼，本身并無(wú)十分準(zhǔn)確的技術(shù)定義。其特點(diǎn) 表現(xiàn)在通用性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應(yīng)用在公司、銀行、 政府部門、社會(huì)管理機(jī)構(gòu)和制造廠家等，通常人們稱大型機(jī)為“企業(yè)級(jí)”計(jì)算機(jī)。在信息化社會(huì)里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題， 而這正是大型機(jī)的特長(zhǎng)。未來將賦予大型機(jī)更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應(yīng)用領(lǐng)第3頁(yè)(共18頁(yè))第 1 章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)域，如大型事務(wù)處理、企業(yè)內(nèi)部的信息管理與安全保護(hù)、大型科學(xué)與工程計(jì)算等。 大型機(jī)研制周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)非常復(fù)雜，耗資巨大，需要相當(dāng)數(shù)量的設(shè)計(jì)師協(xié)同工作。大型機(jī)在體系結(jié)構(gòu)、軟件、外設(shè)等方面又有極強(qiáng)的繼承性，因此，國(guó)外只有 少數(shù)公司能夠從事大型機(jī)的研制、生產(chǎn)和銷售工作。美國(guó)的 ibm、dec，日本的富士通、 日立等都是大型機(jī)的主要廠商。2. 巨型機(jī)研制巨型機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、尤其是國(guó)防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。核武器、反導(dǎo)彈武器、 空間技術(shù)、大范圍天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等都要求計(jì)算機(jī)有很高的速度和很大的容量，一般 大型通用機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。很多國(guó)家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強(qiáng)的超級(jí)計(jì) 算機(jī)。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水 平的重要標(biāo)志。目前，巨型機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算。這種巨型機(jī)一秒內(nèi)所做的計(jì)算量相 當(dāng)于一個(gè)人用袖珍計(jì)算器每秒做一次運(yùn)算、一天 24 小時(shí)、一年 365 天連續(xù)不停地工作 31709 年。這種計(jì)算機(jī)使研究人員可以研究以前無(wú)法研究的問題，例如研究更先進(jìn)的國(guó)防尖端技 術(shù)、估算 100 年以后的天氣、更詳盡地分析地震數(shù)據(jù)以及幫助科學(xué)家計(jì)算毒素對(duì)人體的作 用等。巨型機(jī)從技術(shù)上朝兩個(gè)方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時(shí)鐘周期，提高單 機(jī)性能。目前巨型機(jī)的時(shí)鐘周期大約在 2ns7ns（ns，納秒）。另一方面是采用多處理器結(jié) 構(gòu)，提高整機(jī)性能，如 cray-4 就采用了 64 個(gè)處理器。在實(shí)踐中，有些科學(xué)技術(shù)題目需要并行計(jì)算。20 世紀(jì) 80 年代中期以來，超并行計(jì)算 機(jī)的發(fā)展十分迅速，這種超并行巨型計(jì)算機(jī)通常是指由 100 臺(tái)以上的處理器所組成的計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是用成百上千甚至上萬(wàn)臺(tái)處理器同時(shí)解算一個(gè)課題，以達(dá)到高速運(yùn)算的目 的。這類大規(guī)模并行處理的計(jì)算機(jī)將是巨型計(jì)算機(jī)的重要發(fā)展方向。3. 小型機(jī)小型機(jī)機(jī)器規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)試制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)工藝。這類機(jī)器 由于可靠性高，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護(hù)，用戶使用機(jī)器不必經(jīng)過長(zhǎng)期的 專門訓(xùn)練。因此小型機(jī)對(duì)廣大用戶具有吸引力，加速了計(jì)算機(jī)的推廣普及。小型機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動(dòng)控制、大型分析儀器、測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療設(shè)備中 的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算等，也用作大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助機(jī)，并廣泛運(yùn)用于企業(yè)管 理以及大學(xué)和研究所的科學(xué)計(jì)算等。dec 公司的 pdp-11 系列是 16 位小型機(jī)的早期代表。近年來，隨著基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步， 小型機(jī)的發(fā)展引人注目，特別是在體系結(jié)構(gòu)上采用 risc 技術(shù)，即計(jì)算機(jī)硬件只實(shí)現(xiàn)最常 用的指令集，復(fù)雜指令用軟件實(shí)現(xiàn)，從而使其具有更高的性能價(jià)格比。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，小 型機(jī)也經(jīng)常像大型計(jì)算機(jī)一樣采用多處理機(jī)系統(tǒng)，例如采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) intel x86 微處理機(jī)芯 片的多處理機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前，人們一談到采用 486、586 芯片的機(jī)器就認(rèn)為是微型機(jī)，其實(shí)這 是一種誤解。486、586 等大規(guī)模集成電路微處理機(jī)芯片，既可以用于設(shè)計(jì)微型機(jī)，也可用 來設(shè)計(jì)小型機(jī)，甚至大型機(jī)。第4頁(yè)(共18頁(yè))那種認(rèn)為微型機(jī)和工作站已全面趕上和超過小型機(jī)，小型機(jī)將不復(fù)存在的看法是不全 面锝，它忽略了兩類計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的時(shí)間差。正確的說法是，今天的微型機(jī)和工作站的 主要性能已全面趕上和超過十年前的小型機(jī)；同樣，今天的小型機(jī)已全面趕上和超過十年 前的大、中型機(jī)。4. 工作站工作站是一種高檔的微機(jī)系統(tǒng)。它具有較高的運(yùn)算速度，既具有大、中、小型機(jī)的多 任務(wù)、多用戶能力，又兼具微型機(jī)的操作便利和良好的人機(jī)界面。它可連接多種輸入、輸 出設(shè)備，其最突出的特點(diǎn)是圖形性能優(yōu)越，具有很強(qiáng)的圖形交互處理能力，因此在工程領(lǐng) 域、特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。人們通常認(rèn)為工作站是專為工程師設(shè) 計(jì)的機(jī)型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即將機(jī) 器的軟、硬件接口公開，并盡量遵守國(guó)際工業(yè)界流行標(biāo)準(zhǔn)，以鼓勵(lì)其它廠商、用戶圍繞工 作站開發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。目前，多媒體等各種新技術(shù)已普遍集成到工作站中，使其更具特 色。它的應(yīng)用領(lǐng)域也已從最初的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)擴(kuò)展到商業(yè)、金融、辦公領(lǐng)域，并頻頻充 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的角色。5. 微型機(jī)（pc 機(jī)）微型計(jì)算機(jī)，又稱 pc（personal computer）機(jī)，指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)。pc 機(jī)主要有臺(tái)式機(jī) 和便攜式兩種，廣泛用在辦公室和家庭當(dāng)中。便攜式便于在流動(dòng)性的工作中使用，小巧輕 便，功能齊全。目前，pc 機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)。由于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及群集技術(shù)的出現(xiàn)，pc 機(jī) 能進(jìn)一步發(fā)揮更大作用。（詳見 1.2.4）6. 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（nc，network computer）當(dāng)計(jì)算機(jī)最初用于信息管理時(shí)，信息的存儲(chǔ)和管理是分散的。這種方式的弱點(diǎn)是數(shù)據(jù) 的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫(kù)為標(biāo)志的一代信息管理技術(shù)發(fā)展起 來，同時(shí)以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20 世紀(jì) 80 年 代 pc 機(jī)的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及更加劇了這一變化。數(shù) 據(jù)庫(kù)技術(shù)也相當(dāng)延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶機(jī)服務(wù)器的應(yīng)用模式出現(xiàn)了。當(dāng)然，這 不是向分散處理的簡(jiǎn)單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著 internet 的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全、 軟件維護(hù)與更新、多媒體應(yīng)用等迫使人們?cè)俅螜?quán)衡集中與分散的問題：是否可以把需要共 享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對(duì)集中地存放，把經(jīng)常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶 端的功能僅限于用戶界面與通信功能呢？這就是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的由來。從 nc 的角度來看，可以把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看成是一個(gè)巨大的磁盤驅(qū)動(dòng)器，而 nc 可以通過 網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上下載大多數(shù)乃至全部應(yīng)用軟件。這就意味著作為 pc 的使用者，從此可以 不再為 pc 機(jī)的軟硬件配置和文件的保存煞費(fèi)苦心。由于應(yīng)用軟件和文件都是存儲(chǔ)在服務(wù) 器而不是各自的 pc 機(jī)上，因此無(wú)論是數(shù)據(jù)還是應(yīng)用軟件，用戶總能獲得最新的版本。目 前，nc 的發(fā)展還沒有達(dá)到預(yù)期的規(guī)模，但其中的一些思想值得我們借鑒。近年來，隨著 internet 的普及，各種檔次的計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著各自不同的作用。第5頁(yè)(共18頁(yè))1.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)最初是為適應(yīng)科學(xué)計(jì)算的要求，提高計(jì)算的精度與速度而設(shè)計(jì)的。但這幾十年的.第 1 章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)、高速、精確地存儲(chǔ)和加工信息的電子設(shè)備。它是 20 世紀(jì)人 類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展使人類文明向前邁進(jìn)了一大步。隨著社會(huì)的發(fā)展和 科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會(huì)活動(dòng)中不可或缺的工具。1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進(jìn)的計(jì)算工具。早在古代，人們就為了計(jì)數(shù) 和計(jì)算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀(jì) 30 年代，英國(guó)人威廉奧特瑞發(fā)明了計(jì)算尺。1642 年，法國(guó)數(shù)學(xué)家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機(jī)械計(jì)算器。機(jī)械計(jì)算器用純粹機(jī)械代替了人類的思考和記錄，標(biāo)志著人類已 經(jīng)向自動(dòng)計(jì)算工具邁進(jìn)了一步。19 世紀(jì)初，英國(guó)人查爾斯巴貝奇設(shè)計(jì)了差分機(jī)和分析機(jī)。設(shè)計(jì)的理論和現(xiàn)代電子計(jì) 算機(jī)的理論類似，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，機(jī)械式的 差分機(jī)和分析機(jī)占有重要的地位。機(jī)械計(jì)算機(jī)在程序控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入輸出和存儲(chǔ)等 方面為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1854 年，英國(guó)邏輯學(xué)家、數(shù)學(xué)家喬治布爾設(shè)計(jì)了一套符號(hào)，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運(yùn)算法則，把形式邏輯歸結(jié)成一種代數(shù)運(yùn)算，從而建立了邏輯代數(shù)。應(yīng)用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)采用二進(jìn)制奠定了理論基礎(chǔ)。1936 年，英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈發(fā)表了論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用，給出了現(xiàn) 代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從理論上論證了通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼首先提出在計(jì)算機(jī)中“存儲(chǔ)程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)理論。20 世紀(jì) 40 年代，隨著火箭、導(dǎo)彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復(fù)雜的 數(shù)學(xué)問題，原有的計(jì)算工具已無(wú)法滿足需要。同時(shí)，電子學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域所取得 的技術(shù)成就，也為研制電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)）提供了物質(zhì)及技術(shù)基礎(chǔ)。1946 年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)成功地研制了世界上第一臺(tái)由程序控制的電子數(shù)字計(jì)算 機(jī)，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計(jì)算機(jī)最初是為了分析和計(jì)算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學(xué)的莫克利（john mauchly，第6頁(yè)(共18頁(yè))1907-1980）在莫爾電氣工程學(xué)院任教期間，被委派負(fù)責(zé)彈道的計(jì)算工作。他提出了研制新 型計(jì)算機(jī)的建議，并于 1943 年 6 月開始實(shí)施。歷經(jīng)兩年多的時(shí)間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個(gè)電子管，1500 個(gè)繼電器，耗電 150kw/h，每秒運(yùn)算 5000 次，占地170m2，重量達(dá) 30t。用它計(jì)算彈道只要 3s，比機(jī)械計(jì)算機(jī)快 1000 倍，比人工計(jì)算快 20 萬(wàn) 倍。也就是說炮彈打去還沒有落地，彈道就可計(jì)算出來。eniac 盡管還存在許多缺點(diǎn)，還 沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑，它標(biāo)志著計(jì) 算機(jī)時(shí)代的真正到來。1949 年 5 月，英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲(chǔ)計(jì)算 機(jī) edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺(tái)帶有存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)的 計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，無(wú)論從數(shù)量、還是從質(zhì)量上都有了很大的飛躍。計(jì)算機(jī)從以前的 單純數(shù)字計(jì)算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質(zhì)的變化。從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，目前，正向第五代邁進(jìn)。l 第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用電子 管；主存儲(chǔ)器采用延遲線，輔助存儲(chǔ)器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主。第一代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬(wàn)次，其體積大、耗電多、價(jià)格昂貴且可靠性低。第一代計(jì)算 機(jī)的特點(diǎn)是操作指令是為特定任務(wù)而編制的，每種機(jī)器有各自不同的機(jī)器語(yǔ)言， 功能受到限制，速度也慢。另一個(gè)明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計(jì)算機(jī)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。l 第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲(chǔ)器采用磁芯，輔助存儲(chǔ)器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；其用途除科學(xué)計(jì)算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控 制方面。第二代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度為 100 萬(wàn)次/s，內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬(wàn)字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專家，與整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)由此誕生。l 第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲(chǔ)器仍以磁芯存儲(chǔ)器為主；機(jī)種系列化；外部設(shè)備不斷增多并 同通訊設(shè)備結(jié)合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都有新 的發(fā)展；其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)到 1000 萬(wàn)次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進(jìn)一步提高。這一時(shí)期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)在中心程序的控制協(xié)調(diào)下可以同時(shí)運(yùn)行許多不同的程序。l 第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)的邏輯元件 和主存儲(chǔ)器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計(jì)算機(jī)蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價(jià)格大幅度下降；其應(yīng)用范圍已 擴(kuò)大到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門和社會(huì)生活等領(lǐng)域，并進(jìn)入以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的時(shí) 代。第四代計(jì)算機(jī)無(wú)論從硬件還是軟件來看，比第三代計(jì)算機(jī)都有很大發(fā)展，它 的運(yùn)算速度已達(dá)到每秒種數(shù)億次，而其價(jià)格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學(xué)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在研制第五代計(jì)算機(jī)。新一代計(jì)算機(jī)由超大規(guī)模集成電路或超導(dǎo)電路組成，它的結(jié)構(gòu)像搭積木一樣由多臺(tái)機(jī)器組合而成。它的運(yùn)算速度可第7頁(yè)(共18頁(yè))達(dá)每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力。 現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)在向微型化和巨型化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)的通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為新型的高科技產(chǎn)業(yè)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學(xué)習(xí)方式、思 維方式和生活方式。我國(guó)從 1956 年開始研制計(jì)算機(jī)，1958 年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世，1965 年研制成晶體 計(jì)算機(jī)，1970 年研制成集成電路計(jì)算機(jī)。1997 年我國(guó)的“銀河”運(yùn)算速度達(dá)到 130 億次/s，1999 年研制出運(yùn)算速度 3840 億次/s 的計(jì)算機(jī)。2001 年的“曙光”機(jī)運(yùn)算速度達(dá)到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計(jì)算所宣布中國(guó)第一個(gè)可以批量投產(chǎn)的通用 cpu“龍芯 1 號(hào)”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國(guó)際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點(diǎn)字長(zhǎng) 32 位，浮點(diǎn)字長(zhǎng)64 位，最高主頻可達(dá) 266mhz。此芯片的邏輯設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)具有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務(wù)器同時(shí)發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔(dān)的國(guó)家網(wǎng)格主節(jié) 點(diǎn)“深騰 6800”超級(jí)計(jì)算機(jī)正式研制成功，其實(shí)際運(yùn)算速度達(dá)到每秒 4.183 萬(wàn)億次，當(dāng)時(shí) 全球排名第 14 位，運(yùn)行效率 78.5%。2004 年 6 月 21 日美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí) 驗(yàn)室公布了最新的全球計(jì)算機(jī) 500 強(qiáng)名單，曙光計(jì)算機(jī)公司研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)“曙光4000a”排名第十，運(yùn)算速度達(dá) 8.061 萬(wàn)億次。這一切說明，在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)已有 了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但發(fā)展的道路任重而道遠(yuǎn)。1.1.2 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的種類很多，可以按其不同的標(biāo)志進(jìn)行分類。從原理上講計(jì)算機(jī)可以分為兩大 類：電子模擬計(jì)算機(jī)（analogue computer）和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（digital computer）。數(shù)字 計(jì)算機(jī)是通過電信號(hào)的有無(wú)來表示數(shù)，并利用算術(shù)和邏輯運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算的。它具有運(yùn) 算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此適合于科學(xué)計(jì)算、信息處理、實(shí)時(shí) 控制和人工智能等應(yīng)用。我們通常所用的計(jì)算機(jī)，一般都是指的數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)， 是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。其優(yōu)點(diǎn)是速度 快，適合于解高階的微分方程。在模擬計(jì)算和控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但通用性不強(qiáng)，信息 不易存儲(chǔ)，且計(jì)算機(jī)的精度受到了設(shè)備的限制，因此不如數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普遍。按照計(jì)算機(jī)的用途可將其劃分為專用計(jì)算機(jī)（special purpose computer）和通用計(jì)算 機(jī)（general purpose computer）。專用計(jì)算機(jī)。具有單純、使用面窄甚至專機(jī)專用的特點(diǎn)， 它是為了解決一些專門的問題而設(shè)計(jì)制造的。因此，它可以增強(qiáng)某些特定的功能，而忽略 一些次要功能，使得專用計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地， 模擬計(jì)算機(jī)通常都是專用計(jì)算機(jī)。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì) 算機(jī)。具有功能多、配置全、用途廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，我們通常所說的以及本書所介紹 的就是指通用計(jì)算機(jī)。在通用計(jì)算機(jī)中，人們又按照計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、軟件配置等多方 面的綜合性能指標(biāo)將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站、微型機(jī)等幾類。分類 的標(biāo)準(zhǔn)只是粗略劃分，只能就某一時(shí)期而言，下面僅舉幾例加以說明。1. 大型通用機(jī)“大型通用機(jī)”是對(duì)一類計(jì)算機(jī)的習(xí)慣稱呼，本身并無(wú)十分準(zhǔn)確的技術(shù)定義。其特點(diǎn)第8頁(yè)(共18頁(yè))表現(xiàn)在通用性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應(yīng)用在公司、銀行、 政府部門、社會(huì)管理機(jī)構(gòu)和制造廠家等，通常人們稱大型機(jī)為“企業(yè)級(jí)”計(jì)算機(jī)。在信息化社會(huì)里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題，而這正是大型機(jī)的特長(zhǎng)。未來將賦予大型機(jī)更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應(yīng)用領(lǐng) 域，如大型事務(wù)處理、企業(yè)內(nèi)部的信息管理與安全保護(hù)、大型科學(xué)與工程計(jì)算等。大型機(jī) 研制周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)非常復(fù)雜，耗資巨大，需要相當(dāng)數(shù)量的設(shè)計(jì)師協(xié)同工作。 大型機(jī)在體系結(jié)構(gòu)、軟件、外設(shè)等方面又有極強(qiáng)的繼承性，因此，國(guó)外只有少數(shù)公司能夠 從事大型機(jī)的研制、生產(chǎn)和銷售工作。美國(guó)的 ibm、dec，日本的富士通、日立等都是大 型機(jī)的主要廠商。2. 巨型機(jī)研制巨型機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、尤其是國(guó)防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。核武器、反導(dǎo)彈武器、 空間技術(shù)、大范圍天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等都要求計(jì)算機(jī)有很高的速度和很大的容量，一般 大型通用機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。很多國(guó)家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強(qiáng)的超級(jí)計(jì) 算機(jī)。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水 平的重要標(biāo)志。目前，巨型機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算。這種巨型機(jī)一秒內(nèi)所做的計(jì)算量相 當(dāng)于一個(gè)人用袖珍計(jì)算器每秒做一次運(yùn)算、一天 24 小時(shí)、一年 365 天連續(xù)不停地工作 31709 年。這種計(jì)算機(jī)使研究人員可以研究以前無(wú)法研究的問題，例如研究更先進(jìn)的國(guó)防尖端技 術(shù)、估算 100 年以后的天氣、更詳盡地分析地震數(shù)據(jù)以及幫助科學(xué)家計(jì)算毒素對(duì)人體的作 用等。巨型機(jī)從技術(shù)上朝兩個(gè)方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時(shí)鐘周期，提高單 機(jī)性能。目前巨型機(jī)的時(shí)鐘周期大約在 2ns7ns（ns，納秒）。另一方面是采用多處理器結(jié) 構(gòu)，提高整機(jī)性能，如 cray-4 就采用了 64 個(gè)處理器。在實(shí)踐中，有些科學(xué)技術(shù)題目需要并行計(jì)算。20 世紀(jì) 80 年代中期以來，超并行計(jì)算 機(jī)的發(fā)展十分迅速，這種超并行巨型計(jì)算機(jī)通常是指由 100 臺(tái)以上的處理器所組成的計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是用成百上千甚至上萬(wàn)臺(tái)處理器同時(shí)解算一個(gè)課題，以達(dá)到高速運(yùn)算的目 的。這類大規(guī)模并行處理的計(jì)算機(jī)將是巨型計(jì)算機(jī)的重要發(fā)展方向。3. 小型機(jī)小型機(jī)機(jī)器規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)試制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)工藝。這類機(jī)器 由于可靠性高，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護(hù)，用戶使用機(jī)器不必經(jīng)過長(zhǎng)期的 專門訓(xùn)練。因此小型機(jī)對(duì)廣大用戶具有吸引力，加速了計(jì)算機(jī)的推廣普及。小型機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動(dòng)控制、大型分析儀器、測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療設(shè)備中 的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算等，也用作大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助機(jī)，并廣泛運(yùn)用于企業(yè)管 理以及大學(xué)和研究所的科學(xué)計(jì)算等。dec 公司的 pdp-11 系列是 16 位小型機(jī)的早期代表。近年來，隨著基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步， 小型機(jī)的發(fā)展引人注目，特別是在體系結(jié)構(gòu)上采用 risc 技術(shù)，即計(jì)算機(jī)硬件只實(shí)現(xiàn)最常 用的指令集，復(fù)雜指令用軟件實(shí)現(xiàn)，從而使其具有更高的性能價(jià)格比。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，小第9頁(yè)(共18頁(yè))型機(jī)也經(jīng)常像大型計(jì)算機(jī)一樣采用多處理機(jī)系統(tǒng)，例如采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) intel x86 微處理機(jī)芯 片的多處理機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前，人們一談到采用 486、586 芯片的機(jī)器就認(rèn)為是微型機(jī)，其實(shí)這 是一種誤解。486、586 等大規(guī)模集成電路微處理機(jī)芯片，既可以用于設(shè)計(jì)微型機(jī)，也可用來設(shè)計(jì)小型機(jī)，甚至大型機(jī)。那種認(rèn)為微型機(jī)和工作站已全面趕上和超過小型機(jī)，小型機(jī)將不復(fù)存在的看法是不全 面的，它忽略了兩類計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的時(shí)間差。正確的說法是，今天的微型機(jī)和工作站的 主性能已全面趕上和超過十年前的小型機(jī)；同樣，今天的小型機(jī)已全面趕上和超過十年前 的大、中型機(jī)。4. 工作站工作站是一種高檔的微機(jī)系統(tǒng)。它具有較高的運(yùn)算速度，既具有大、中、小型機(jī)的多 任務(wù)、多用戶能力，又兼具微型機(jī)的操作便利和良好的人機(jī)界面。它可連接多種輸入、輸 出設(shè)備，其最突出的特點(diǎn)是圖形性能優(yōu)越，具有很強(qiáng)的圖形交互處理能力，因此在工程領(lǐng) 域、特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。人們通常認(rèn)為工作站是專為工程師設(shè) 計(jì)的機(jī)型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即將機(jī) 器的軟、硬件接口公開，并盡量遵守國(guó)際工業(yè)界流行標(biāo)準(zhǔn)，以鼓勵(lì)其它廠商、用戶圍繞工 作站開發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。目前，多媒體等各種新技術(shù)已普遍集成到工作站中，使其更具特 色。它的應(yīng)用領(lǐng)域也已從最初的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)擴(kuò)展到商業(yè)、金融、辦公領(lǐng)域，并頻頻充 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的角色。5. 微型機(jī)（pc 機(jī)）微型計(jì)算機(jī)，又稱 pc（personal computer）機(jī)，指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)。pc 機(jī)主要有臺(tái)式機(jī) 和便攜式兩種，廣泛用在辦公室和家庭當(dāng)中。便攜式便于在流動(dòng)性的工作中使用，小巧輕 便，功能齊全。目前，pc 機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)。由于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及群集技術(shù)的出現(xiàn)，pc 機(jī) 能進(jìn)一步發(fā)揮更大作用。（詳見 1.2.4）6. 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（nc，network computer）當(dāng)計(jì)算機(jī)最初用于信息管理時(shí)，信息的存儲(chǔ)和管理是分散的。這種方式的弱點(diǎn)是數(shù)據(jù) 的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫(kù)為標(biāo)志的一代信息管理技術(shù)發(fā)展起 來，同時(shí)以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20 世紀(jì) 80 年 代 pc 機(jī)的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及更加劇了這一變化。數(shù) 據(jù)庫(kù)技術(shù)也相當(dāng)延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶機(jī)服務(wù)器的應(yīng)用模式出現(xiàn)了。當(dāng)然，這 不是向分散處理的簡(jiǎn)單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著 internet 的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全、 軟件維護(hù)與更新、多媒體應(yīng)用等迫使人們?cè)俅螜?quán)衡集中與分散的問題：是否可以把需要共 享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對(duì)集中地存放，把經(jīng)常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶 端的功能僅限于用戶界面與通信功能呢？這就是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的由來。從 nc 的角度來看，可以把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看成是一個(gè)巨大的磁盤驅(qū)動(dòng)器，而 nc 可以通過 網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上下載大多數(shù)乃至全部應(yīng)用軟件。這就意味著作為 pc 的使用者，從此可以 第10頁(yè)(共18頁(yè))不再為 pc 機(jī)的軟硬件配置和文件的保存煞費(fèi)苦心。由于應(yīng)用軟件和文件都是存儲(chǔ)在服務(wù) 器而不是各自的 pc 機(jī)上，因此無(wú)論是數(shù)據(jù)還是應(yīng)用軟件，用戶總能獲得最新的版本。目 前，nc 的發(fā)展還沒有達(dá)到預(yù)期的規(guī)模，但其中的一些思想值得我們借鑒。近年來，隨著 internet 的普及，各種檔次的計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著各自不同的作用。1.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)最初是為適應(yīng)科學(xué)計(jì)算的要求，提高計(jì)算的精度與速度而設(shè)計(jì)的。但這幾十年 發(fā)展表明，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)計(jì)算的范圍，在文字處理、信息收集與加工、數(shù) 據(jù)庫(kù)管理、自動(dòng)控制等各方面顯示了驚人的能力。歸納起來，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：. 科學(xué)計(jì)算（數(shù)值計(jì)算）科學(xué)計(jì)算就是指數(shù)值計(jì)算，是計(jì)算機(jī)最重要也是最初的應(yīng)用領(lǐng)域之一。例如在天文學(xué)、 核物理學(xué)、生物工程、國(guó)防軍事科學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑等領(lǐng)域都有大量的數(shù)值計(jì)算的課 題。. 數(shù)據(jù)處理（信息處理）數(shù)據(jù)處理是指在計(jì)算機(jī)上管理、操縱各種形式的數(shù)據(jù)資料。例如，企業(yè)管理、物資管 理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、帳務(wù)計(jì)算、信息情報(bào)檢索等都是數(shù)據(jù)處理。此外，將微機(jī)與儀器儀表結(jié)合， 充分利用微機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)的自動(dòng)化，可大大提高儀器儀 表測(cè)量的精確度和自動(dòng)化程度。. 過程控制（實(shí)時(shí)控制）過程控制是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。微型機(jī)在工業(yè)控制方面的 應(yīng)用，大大促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)的普及和提高，并且可以節(jié)省勞動(dòng)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高 生產(chǎn)效率，節(jié)省原料，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本。例如，用微機(jī)進(jìn)行機(jī)床和其它生產(chǎn) 設(shè)備的控制，可完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制。. 計(jì)算機(jī)通信現(xiàn)代通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成聯(lián)機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這是微型機(jī)具有廣 闊前途的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建立，不僅解決了一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國(guó)家中計(jì)算機(jī)之 間的通信和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種資源的共享，還可以促進(jìn)和發(fā)展國(guó)際間的通信和各種數(shù)據(jù)的傳輸與 處理。. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助測(cè)試和輔助教學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）是指利用計(jì)算機(jī)來幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì) 工作的自動(dòng)化程度，節(jié)省人力和物力。計(jì)算機(jī)輔助制造（cam）是指利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作生產(chǎn)過 程，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，改善制造人員的工作條件。計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（cat）是指利用計(jì)算機(jī)來幫助測(cè)試。第11頁(yè)(共18頁(yè))計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（cai）是指利用計(jì)算機(jī)來輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的自動(dòng)系統(tǒng)。它將教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法以及學(xué)生學(xué)習(xí)情況存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，使學(xué)生能夠從 cai 系統(tǒng)中學(xué)到所需要的知識(shí)。. 人工智能人工智能是利用計(jì)算機(jī)模擬人類某些智能行為（如感知、思維、推理、學(xué)習(xí)等）的理 論和技術(shù)。它是在計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的邊緣學(xué)科，包括專家系統(tǒng)、機(jī) 器翻譯、自然語(yǔ)言理解等等。 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，從人造衛(wèi)星到日常生活，從科學(xué)計(jì)算到兒童玩具都有計(jì)算機(jī) 的蹤影。但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，計(jì)算機(jī)是人設(shè)計(jì)制造的，要靠人來使用和維護(hù)，它不能代替人.the using software is free version, you can upgrade it to the upgrade version. 腦的一切活動(dòng)。人們只有提高計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)水平，才能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用。1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1.2.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進(jìn)的計(jì)算工具。早在古代，人們就為了計(jì)數(shù) 和計(jì)算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀(jì) 30 年代，英國(guó)人威廉奧特瑞發(fā)明了計(jì)算尺。1642 年，法國(guó)數(shù)學(xué)家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機(jī)械計(jì)算器。機(jī)械計(jì)算器用純粹機(jī)械代替了人類的思考和記錄，標(biāo)志著人類已 經(jīng)向自動(dòng)計(jì)算工具邁進(jìn)了一步。19 世紀(jì)初，英國(guó)人查爾斯巴貝奇設(shè)計(jì)了差分機(jī)和分析機(jī)。設(shè)計(jì)的理論和現(xiàn)代電子計(jì) 算機(jī)的理論類似，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，機(jī)械式的 差分機(jī)和分析機(jī)占有重要的地位。機(jī)械計(jì)算機(jī)在程序控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入輸出和存儲(chǔ)等 方面為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1854 年，英國(guó)邏輯學(xué)家、數(shù)學(xué)家喬治布爾設(shè)計(jì)了一套符號(hào)，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運(yùn)算法則，把形式邏輯歸結(jié)成一種代數(shù)運(yùn)算，從而建立了邏輯代數(shù)。應(yīng)用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)采用二進(jìn)制奠定了理論基礎(chǔ)。1936 年，英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈發(fā)表了論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用，給出了現(xiàn) 代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從理論上論證了通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼首先提出在計(jì)算機(jī)中“存儲(chǔ)程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)理論。20 世紀(jì) 40 年代，隨著火箭、導(dǎo)彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復(fù)雜的 數(shù)學(xué)問題，原有的計(jì)算工具已無(wú)法滿足需要。同時(shí)，電子學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域所取得 第12頁(yè)(共18頁(yè))的技術(shù)成就，也為研制電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)）提供了物質(zhì)及技術(shù)基礎(chǔ)。1946 年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)成功地研制了世界上第一臺(tái)由程序控制的電子數(shù)字計(jì)算 機(jī)，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計(jì)算機(jī)最初是為了 分析和計(jì)算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學(xué)的莫克利（john mauchly，1907-1980）在莫爾電氣工程學(xué)院任教期間，被委派負(fù)責(zé)彈道的計(jì)算工作。他提出了研制新 型計(jì)算機(jī)的建議，并于 1943 年 6 月開始實(shí)施。歷經(jīng)兩年多的時(shí)間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個(gè)電子管，1500 個(gè)繼電器，耗電 150kw/h，每秒運(yùn)算 5000 次，占地170m2，重量達(dá) 30t。用它計(jì)算彈道只要 3s，比機(jī)械計(jì)算機(jī)快 1000 倍，比人工計(jì)算快 20 萬(wàn) 倍。也就是說炮彈打出去還沒有落地，彈道就可計(jì)算出來。eniac 盡管還存在許多缺點(diǎn)， 還沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑，它標(biāo)志著 計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正到來。1949 年 5 月，英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲(chǔ)計(jì)算 機(jī) edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺(tái)帶有存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)的 計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，無(wú)論從數(shù)量、還是從質(zhì)量上都有了很大的飛躍。計(jì)算機(jī)從以前的 單純數(shù)字計(jì)算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質(zhì)的變化。從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，目前，正向第五代邁進(jìn)。l第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用電子 管；主存儲(chǔ)器采用延遲線，輔助存儲(chǔ)器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主。第一代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬(wàn)次，其體積大、耗電多、價(jià)格昂貴且可靠性低。第一代計(jì)算 機(jī)的特點(diǎn)是操作指令是為特定任務(wù)而編制的，每種機(jī)器有各自不同的機(jī)器語(yǔ)言， 功能受到限制，速度也慢。另一個(gè)明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計(jì)算機(jī)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。l第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲(chǔ)器采用磁芯，輔助存儲(chǔ)器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；其用途除科學(xué)計(jì)算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控 制方面。第二代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度為 100 萬(wàn)次/s，內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬(wàn)字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專家，與整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)由此誕生。l第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲(chǔ)器仍以磁芯存儲(chǔ)器為主；機(jī)種系列化；外部設(shè)備不斷增多并 同通訊設(shè)備結(jié)合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都有新 的發(fā)展；其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)到 1000 萬(wàn)次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進(jìn)一步提高。這一時(shí)期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)在中心程序的控制協(xié)調(diào)下可以同時(shí)運(yùn)行許多不同的程序。l第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)的邏輯元件 和主存儲(chǔ)器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計(jì)算機(jī)蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價(jià)格大幅度下降；其應(yīng)用范圍已 擴(kuò)大到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門和社會(huì)生活等領(lǐng)域，并進(jìn)入以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的時(shí)代。第四代計(jì)算機(jī)無(wú)論從硬件還是軟件來看，比第三代計(jì)算機(jī)都有很大發(fā)展，它 的運(yùn)算速度已達(dá)到每秒種數(shù)億次，而其價(jià)格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學(xué)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家正在研制第五代計(jì)算機(jī)。新一代計(jì)算機(jī)由超大規(guī)模集成電路或超導(dǎo)電路組成，它的結(jié)構(gòu)像搭積木一樣由多臺(tái)機(jī)器組合而成。它的運(yùn)算速度可 達(dá)每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)在向微型化和巨型化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)的通信產(chǎn)業(yè) 已經(jīng)成為新型的高科技產(chǎn)業(yè)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學(xué)習(xí)方式、思 維方式和生活方式。我國(guó)從 1956 年開始研制計(jì)算機(jī)，1958 年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世，1965 年研制成晶體 管計(jì)算機(jī)，1970 年研制成集成電路計(jì)算機(jī)。1997 年我國(guó)的“銀河”運(yùn)算速度達(dá)到 130 億次/s，1999 年研制出運(yùn)算速度 3840 億次/s 的計(jì)算機(jī)。2001 年的“曙光”機(jī)運(yùn)算速度達(dá) 到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計(jì)算所宣布中國(guó)第一個(gè)可以批量投產(chǎn)的通用 cpu “龍芯 1 號(hào)”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國(guó)際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點(diǎn)字長(zhǎng) 32 位，浮 點(diǎn)字長(zhǎng) 64 位，最高主頻可達(dá) 266mhz。此芯片的邏輯設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)具有完全自主的知識(shí) 產(chǎn)權(quán)。采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務(wù)器同時(shí)發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔(dān)的國(guó)家網(wǎng) 格主節(jié)點(diǎn)“深騰 6800”超級(jí)計(jì)算機(jī)正式研制成功，其實(shí)際運(yùn)算速度達(dá)到每秒 4.183 萬(wàn)億次， 當(dāng)時(shí)全球排名