【精品】多媒體制作專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1、第章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)是人類最偉人的發(fā)明之一，它廣泛的應(yīng)川于社會(huì)的各個(gè)角落，改變了社會(huì)的而貌，推動(dòng)社會(huì)的發(fā) 展，對(duì)人類社會(huì)有著巨大而深遠(yuǎn)的彩響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)h.功能強(qiáng)人微型計(jì)算機(jī)的普及，多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的廣泛應(yīng)川。 計(jì)算機(jī)已經(jīng)走入t家萬(wàn)戶，改變著我們?cè)畹纳罘绞?、工作模式，成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的工具，計(jì)算 機(jī)知識(shí)成為所有現(xiàn)代人必備的基本技能。木章將以通俗、易懂的語(yǔ)吉來闡述計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。讓讀者系統(tǒng)的學(xué)握計(jì)算機(jī)的概念定義、發(fā)展過 程、組成結(jié)構(gòu)、分類、工作特點(diǎn)及發(fā)展方向。消除對(duì)計(jì)算機(jī)的迷惑、恐懼與概念的混亂，使讀者真正明h 計(jì)算機(jī)的原理及工作模式，為深入的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的

2、慕礎(chǔ)。第一節(jié)什么是計(jì)算機(jī)?（注：冇一種分類方式，將計(jì)算機(jī)分為電子計(jì)算機(jī)與機(jī)械計(jì)算機(jī)兩種，而機(jī)械計(jì)算機(jī)已基木退出歷史舞臺(tái)，我們平時(shí)所講與 本書出現(xiàn)的“計(jì)算機(jī)”如不做特殊說明，全部指電子計(jì)算機(jī)，我們俗稱電腦。）1.1.1 計(jì)算機(jī)的概念眾所周知計(jì)算機(jī)有著強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力并口涉 及領(lǐng)域非常廣泛。這就為其蒙上了神秘的面紗，為何它 會(huì)有如此非凡的能力與眾多功能呢？其至有人認(rèn)為它無 所不能，科幻電影中往往將其描繪成深不可測(cè)，凌駕于 人類智栽z上的的神秘機(jī)器！這其實(shí)是對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)不 了解產(chǎn)生的誤解與概念的混淆，以及藝術(shù)夸張、科幻想 像的結(jié)果。那計(jì)算機(jī)到底是是什么呢？其實(shí)計(jì)算機(jī)是一種能夠按照人們所編寫的程序，

3、自 動(dòng)的、高速的、精確的進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算及信息處理的電子 設(shè)備。簡(jiǎn)單的說計(jì)算機(jī)是-種有程序能運(yùn)算的電子設(shè) 備。（圖1：生活中最常見的計(jì)算機(jī)一pc機(jī)）其定義中有三點(diǎn)要素:1 計(jì)算機(jī)要進(jìn)行工作必須要有人所編寫的程序，沒有程序，計(jì)算機(jī)根本無法運(yùn)行。2. 只有在程序的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)才可以口動(dòng)、高速、精確的進(jìn)行運(yùn)算和處理。3. 計(jì)算機(jī)是一種電子設(shè)備。由于計(jì)算機(jī)使川范圍非常廣泛，不同工作領(lǐng)域的特點(diǎn)與要求也不盡相同，造成外形與操作方式的巨人 差異，比如用于科學(xué)計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)亜達(dá)數(shù)十噸，而進(jìn)行自動(dòng)化控制的微控計(jì)算機(jī)只有豆粒般大小！所 以我們千萬(wàn)不能通過外形與操作方式來判斷是否它是計(jì)算機(jī)，而是看其是否符合三點(diǎn)要素

4、。而我們經(jīng)常使 用的pc機(jī)（圖1）,也只是計(jì)算機(jī)大家庭的很小一部分而己。（注：pc機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一種機(jī)型是我們最常用的計(jì)算機(jī)，它們一般使用inlel及兼容處理器，使用windows操作系統(tǒng), 在后面的章節(jié)將詳細(xì)介紹。）1丄2特殊的計(jì)算機(jī)有一類計(jì)算機(jī)比較特殊，一iii牛就規(guī)定了特殊的使用范圍和封閉固定的功能，外形與操作方式也為了 適應(yīng)其固定功能發(fā)牛了很大變化，它們就是為了實(shí)現(xiàn)其特定功能而設(shè)計(jì)牛產(chǎn)的。由于功能的固定，人們不再叫它計(jì)算機(jī)，而稱它固定功能的名稱，比如專門進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的我們叫訃算器，專門用于游戲娛樂的游 戲機(jī)，專門為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由功能的路由器，雖然這些專用計(jì)算機(jī)外形、功能、特點(diǎn)、速度、

5、操作方式等千 差萬(wàn)別但內(nèi)在工作原理與我們經(jīng)常使用的pc機(jī)是基本一致的。它們都符合計(jì)算機(jī)的三要素，是一類特殊 的專用計(jì)算機(jī)。有的專用計(jì)算機(jī)在經(jīng)過軟、駛件技術(shù)改造后，其至可以止常運(yùn)行pc計(jì)算機(jī)的程序（圖1）。（圖1 ：正衣運(yùn)行windows 95的psp游戲機(jī)）有些計(jì)算機(jī)可能只有豆粒般大小，如在各種數(shù)字家電、通訊設(shè)備、程控設(shè)施、電子儀器的控制電路中 的單片計(jì)算機(jī)、微控計(jì)算機(jī)（圖2）,它們通過預(yù)先寫入的程序來 控制這些設(shè)備自動(dòng)的、高速的、粘確的完成人們所交付的任務(wù)。指揮交通的信號(hào)燈，工廠屮自動(dòng)作業(yè)的數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人都是它們的杰作。例：全口動(dòng)洗衣機(jī)，它的控制電路中就存在著微控計(jì)算機(jī)， 在出廠前人們

6、將編寫好輕柔洗衣，快速洗衣，預(yù)約洗衣等各種控 制程序?qū)懭氲娇刂齐娐分?，在工作時(shí)我們只需輕輕按下開關(guān)，微 控計(jì)算機(jī)就根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)的控制洗衣機(jī)完成我們所交付的任 務(wù)，而冃可以偵測(cè)整個(gè)過程并對(duì)發(fā)生的情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，比 如水量不足時(shí)的口動(dòng)補(bǔ)水；非正常情況的停轉(zhuǎn)保護(hù)等。這些任務(wù) 都是由微控計(jì)算機(jī)控制完成的。（圖2：意法公司的32位微控計(jì)算機(jī)）以上的例子不難看出，不同的計(jì)算機(jī)外形與操作方式千差萬(wàn)別，它們有著各自的特點(diǎn)與工作領(lǐng)域，存 在于人類社會(huì)的每個(gè)角落，各司其職提供著各種服務(wù)，推動(dòng)著人類社會(huì)的發(fā)展。而我們經(jīng)常使川的pc機(jī) 也只是這個(gè)人家庭屮的一員，我們千萬(wàn)不能以貌取人，而是看它是否符合計(jì)算機(jī)的三

7、點(diǎn)要素。由于這些專川計(jì)算機(jī)功能上的局限、使川范圍的固定以及構(gòu)造的特殊性。這一類計(jì)算機(jī)不作為本書的 主要研究對(duì)象。本節(jié)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的定義三要素以及實(shí)際判斷能力。本節(jié)出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)與需要查詢的資料：計(jì)算機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、機(jī)械計(jì)算機(jī)、程序、pc機(jī)、單片機(jī)、專 用計(jì)算機(jī)、微控計(jì)算機(jī)。思考：通過查閱資并結(jié)合學(xué)習(xí)的知識(shí)，分析它們是不是計(jì)算機(jī)？（圖15）（圖1：多普達(dá)838智能手機(jī)）（圖2： neuron音兀合成器）（圖3：微軟xbox游戲機(jī)）（圖4：蘋杲apple tv客廳影音系統(tǒng)）（圖5：運(yùn)行windows ce系統(tǒng)的紐曼影咅土 mp4）第二節(jié) 計(jì)算機(jī)的起源與發(fā)展人類在很早z前就渴望發(fā)明一種能幫助我們進(jìn)行

8、腦力勞動(dòng)的計(jì)算工具，從原始計(jì)算工具到計(jì)算尺，從 機(jī)械計(jì)算機(jī)到手搖計(jì)算機(jī)，從電動(dòng)計(jì)算機(jī)到電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過先人不斷的努力為嘗試，計(jì)算機(jī)的演變經(jīng)歷 了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程。1.2.1 原始的計(jì)算機(jī)公元前5世紀(jì)，中國(guó)人發(fā)明了算盤，廣泛應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易中，算盤被認(rèn)為是最早的原始計(jì)算工具，并 一直使川至今。直到17世紀(jì)，計(jì)算設(shè)備才有了第二次重要的進(jìn)步。1642年，法國(guó)科學(xué)家帕斯卡發(fā)明了自動(dòng)進(jìn)位機(jī)械加法器。1694年，徳國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨加以 改進(jìn)，使z可以計(jì)算乘法。后來，法國(guó)人査爾斯發(fā)明了可 以進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械計(jì)算器。各種機(jī)械式計(jì)算機(jī)不斷的 被發(fā)明。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的真正起源于英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇。他制造 出了第一臺(tái)機(jī)

9、械形式的差分機(jī)，它可以處理3個(gè)不同的5 位數(shù)，計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)。并開始設(shè)計(jì)包含現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)慕木組成部分的機(jī)械式分析機(jī)（圖1）,并最先提出現(xiàn)代 計(jì)算機(jī)皋木設(shè)計(jì)思想。他的助手，英國(guó)著名詩(shī)人拜倫的獨(dú) 生女阿達(dá)奧古斯塔為分析機(jī)編制了人類歷史上最早的原 始計(jì)算機(jī)程序。止是他們的研究與先進(jìn)思想為今后計(jì)算機(jī) 的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)（圖1：被后人復(fù)原的巴貝奇分析機(jī)）1.2.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生（圖2：技術(shù)人員止在操作eniac）1946年，世界第一臺(tái)真正意義上的電子計(jì)算機(jī) 也是第一臺(tái)數(shù)字通用電子計(jì)算機(jī)eniac （圖2）在 美國(guó)賓四法尼亞大學(xué)誕牛了，它是為美國(guó)陸軍軍械 部進(jìn)行彈道計(jì)算與氫彈研究而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。這

10、臺(tái)計(jì) 算機(jī)總共安裝了 18800只電子管,7200個(gè)二極管, 70000多個(gè)電阻器，10000多只電容器和6000只繼 電器，電路的焊接點(diǎn)多達(dá)5（）萬(wàn)個(gè)，機(jī)器被安裝在一排 2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右, 總重量達(dá)到30噸,功耗達(dá)到了 150千瓦。其運(yùn)算速 度只有每秒5000次加法，并且可以進(jìn)行平方和立方 運(yùn)算，計(jì)算止弦和余弦籌三角函數(shù)值及英它一些更 復(fù)雜的運(yùn)算。雖然enia的性能與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)有非常大的差距（截止到2007年，世界墳快的計(jì)算機(jī)是美國(guó)洛斯阿拉 莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)“roadiwner”，其速度對(duì)以達(dá)到t力億次每秒。），功能也很落示，操作原始 且效率低卜一

11、，讀取結(jié)果也非常的困難。但它仍然具有劃時(shí)代的意義，它的誕生宣布著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到 來，整個(gè)人類社會(huì)的進(jìn)程也將因此而改變。1.2.3電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展自enia誕生的的6（）多年間，隨著技術(shù)的進(jìn)步，重要的科技成果不斷應(yīng)川在計(jì)算機(jī)上，使其得到了極 大的發(fā)展。它們的體積越來越小，功能變得異常強(qiáng)大，價(jià)格低廉，軟件極度豐富，口容易操作，應(yīng)用非常 廣泛。在60多年的發(fā)展過程中，人們按電子計(jì)算機(jī)所采用的邏輯電子元器件將其劃分為四代。（注：邏輯電子元器件簡(jiǎn)單來說就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)邏輯運(yùn)算和操作的電子元器件，它是計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵所在。）第一代 電子管計(jì)算機(jī)（1945-1956）代表計(jì)算機(jī)：enia第一代計(jì)算機(jī)使用電子

12、管作為主要邏 輯元件，存儲(chǔ)器使用磁芯、磁鼓、卡片、紙 帶等，運(yùn)算速度只有幾千次，效率低下，操 作非常復(fù)雜而但價(jià)格昂貴，由于電子管發(fā)熱 量與耗電量巨人，所以極易損壞。這些計(jì)算 機(jī)都是為軍事研究、科學(xué)計(jì)算等特定工作設(shè) 計(jì)牛產(chǎn)的，其操作指令與機(jī)器語(yǔ)言各不相 同，編程語(yǔ)言一般只能使用機(jī)器語(yǔ)言。電子管是一種古老的電子元器件，隨著 技術(shù)的更新?lián)Q代，它已經(jīng)退出了我們的視 線，兒乎所用的廠商都己經(jīng)停止生產(chǎn)，在現(xiàn) 代的電子設(shè)備中已難覓其蹤。但一部分音頻發(fā)燒友依然對(duì)它情有獨(dú)鐘，使用電子管來制模擬信號(hào)放人設(shè)備, 這種使用電子管進(jìn)行功率放大的設(shè)備一般俗稱為“膽機(jī)”（圖1）,造價(jià)一般也比較昂貴。（圖1:仍在使用電子管的

13、“膽機(jī)”）第二代 晶體管計(jì)算機(jī)（1956-1963）代表計(jì)算機(jī)：ibm 14011947年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊、巴丁和布拉頓三位科學(xué)家成功研制出晶體管。晶體管很快代替 了體積龐大，耗電量、發(fā)熱量巨大且易損壞的電子管，成為第二代計(jì)算機(jī)的邏輯電子元器件。晶體管技術(shù) 極大的推動(dòng)了計(jì)算機(jī)業(yè)的發(fā)展，第三代與第四代計(jì)算機(jī)技術(shù)也與之密不可分，它的的發(fā)明是計(jì)算機(jī)業(yè)發(fā)展 的最關(guān)鍵技術(shù)之一，因此晶體管的三位發(fā)明者在1956年共同獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1956年，晶體管開始代替電子管在計(jì)算機(jī)中使用，山于晶體管的加入，計(jì)算機(jī)的體積變得更小，造 價(jià)更低，穩(wěn)定性與性能也迅速提升，運(yùn)算速度達(dá)到兒萬(wàn)次每秒；計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)

14、器開始使用磁帶、磁盤，并 出現(xiàn)了鍵盤、打印機(jī)等現(xiàn)代輸入輸出設(shè)備；計(jì)算機(jī)的程序語(yǔ)言從機(jī)器語(yǔ)言發(fā)展到匯編語(yǔ)言，并岀現(xiàn)了早期 的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言：fortran語(yǔ)言和cobol語(yǔ)言；由于價(jià)格的卜-降功能的提升計(jì)算機(jī)的使用范圍不斷 擴(kuò)大，商業(yè)領(lǐng)域、大學(xué)與政府機(jī)關(guān)開始使用計(jì)算機(jī)。第三代 集成電路計(jì)算機(jī)（1964-1971）代表計(jì)算機(jī):ibm-360品體管計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的體枳的確小了不少，但仍然不能滿足許多行業(yè)的要求，他們需要體積 更小、性能更好、造價(jià)更低廉的計(jì)算機(jī)，例如航天工業(yè)要求在狹小的飛行倉(cāng)內(nèi)放入高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備。 這就迫切需要新的計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)。1958年美國(guó)徳州儀器公司的工程師基爾比發(fā)明了

15、集成電路技術(shù)。所謂的集成電路就是將一定功能的 電子元器件與電路制作在半導(dǎo)體基片上的技術(shù)，人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)精密的半導(dǎo)體基片，往往為它封裝了一層保 護(hù)外売，這就形成了我們見到的各種各樣的芯片（圖1）。細(xì)小芯片可以將千萬(wàn)的電子元器件與復(fù)雜電路制 作在口己體內(nèi)，完成以前一大堆設(shè)備才可以完成的功能，但它往往只有指卬蓋大小。由于芯片中的半導(dǎo)體 基片一般都是由單晶硅（圖2）制作的，所以人們也稱它們?yōu)椤肮栊酒薄，F(xiàn)有的所有電子電器設(shè)備都是基 于集成電路技術(shù)的產(chǎn)物,它為計(jì)算機(jī)業(yè)的騰飛插上了翅膀，因此棊爾比獲得了 2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖1:電子設(shè)備上的使用的各種芯片）（圖2：制作芯片的單晶硅）山于半導(dǎo)體技術(shù)的加

16、入，計(jì)算機(jī)的體積大幅減小，人們可以放入更多的電子元器件所以計(jì)算機(jī)的性能 也有了質(zhì)的提升，價(jià)格確成倍的下降；在存儲(chǔ)方而開始使用半導(dǎo)體技術(shù)的存儲(chǔ)芯片，極人的提升了計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)模塊的速度；軟件方面，計(jì)算機(jī)開始使用操作系統(tǒng)為人們捉供了更加便利軟硬件管理平臺(tái)。大量的中 小企業(yè)及教育機(jī)構(gòu)開始規(guī)模的使用計(jì)算機(jī)。第四代 大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971今） 代表計(jì)算機(jī)：遍布全球的pc電腦70年代以后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，制造工藝的成熟，小小的芯片町以容納數(shù)萬(wàn)個(gè)品體管及其它電子元器件。人們開始嘗試著將計(jì)算機(jī)兩個(gè)最重要的部分,）運(yùn)算器電路和控制器電路制作在一塊芯片內(nèi),從而產(chǎn)生了微處理器-cpu,也就是

17、說cpu是運(yùn)算器與控制器的組合體，其主要功能是進(jìn)行運(yùn)算與控制。1971年第一塊真正的微型處理器cpu-4004 （圖1-2）在美國(guó)的intel公司誕生了，在它體內(nèi)集成了 2000多個(gè)晶體管與其它電子元件；而現(xiàn)在丄流的酷睿2處理器競(jìng)集成有數(shù)億個(gè)晶體管，可見集成電路技 術(shù)發(fā)展之快。正如摩爾定律說的那樣:“集成電路中的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一倍，性能提高一倍而價(jià)格 下降一半?！保ㄗⅲ?965年4月19日，時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾應(yīng)邀為電子學(xué)雜志35周年專刊寫了一篇評(píng) 論報(bào)告，摩爾應(yīng)這家雜志的耍求對(duì)未來十年間半導(dǎo)體元件工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)言。）（圖1:lntel 4004微處理器）（圖2： 4004的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)）隨著各個(gè)部