1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用與組成

1、1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用與組成1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ENIAC于1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，人們習(xí)慣于以計(jì)算機(jī)主機(jī)所使用的元器件為著眼點(diǎn)，把計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分成為四代。表1.1是第一代至第四代計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)的對比。表1.1  第一代至第四代計(jì)算機(jī)的對比代別 年代 使用的主要元器件 使用的軟件類型 主要應(yīng)用領(lǐng)域 第一代   20世紀(jì)40年代中期50年代末期 GPU:電子管內(nèi)存：磁鼓   使用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序 科學(xué)和工程計(jì)算 第二代 20世紀(jì)50年代中、后期60年代中期 GPU:晶體管內(nèi)存：磁芯  

2、; 使用FORTRAN等高級程序設(shè)計(jì)語言   開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域 第三代   20世紀(jì)60年代中期70年代初期 GPU:SSI、MSI內(nèi)存：SSI、MAI的半導(dǎo)體存儲器 操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用   在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 第四代   20世紀(jì)70年代中期以來 GPU:LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VISI的半導(dǎo)體存儲器 軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用   深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計(jì)算機(jī) 2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢 1. 計(jì)算機(jī)性能不斷提高 2. 計(jì)算機(jī)體積不斷縮小 3.

3、計(jì)算機(jī)價(jià)格持續(xù)下降 4. 計(jì)算機(jī)信息處理功能走向多媒化 5. 計(jì)算機(jī)與通信相結(jié)合，計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算時(shí)代” 1.1.2 計(jì)算機(jī)的分類與PC的組成1. 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類有多種方法。從技術(shù)角度可以按其邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，如單處理機(jī)與多處理機(jī)（并行機(jī)）、16位機(jī)、32位機(jī)或64位計(jì)算機(jī)等。從應(yīng)用角度可以按其性能和價(jià)格進(jìn)行分類，把計(jì)算機(jī)分成下面的5大類。巨型計(jì)算機(jī)（supercomputer），也稱為超級計(jì)算機(jī)，它采用大規(guī)模并行處理的體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)以百計(jì)、千計(jì)甚至萬計(jì)的CPU共同完成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的運(yùn)行任務(wù)，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，速度達(dá)到每秒數(shù)萬億次以上。 大型計(jì)算機(jī)（mainfram

4、e），指運(yùn)算速度快、存儲容量大、通信連網(wǎng)功能完善、可靠性高、安全性好、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)，通常含有4、8、16、32甚至更多個CPU。 小型計(jì)算機(jī)（minicomputer），是一種供部門使用的計(jì)算機(jī)，以IBM公司AS/400為代表。近些年來，小型機(jī)逐步被高性能的服務(wù)器（部門級服務(wù)器）所取代。 個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer,PC），也稱為個人電腦或微型計(jì)算機(jī)，它們是20世紀(jì)80年代初由于單片微處理器的出現(xiàn)而開發(fā)成功的。個人計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，使用方便，軟件豐富，性能不斷提高，適合辦公或家庭使用。 有一種特殊的個人計(jì)算機(jī)，稱為工程工作站或簡稱工作站（work

5、station），它們具有高速的運(yùn)算能力和強(qiáng)大的圖形處理功能，通常運(yùn)行UNIX操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用。 嵌入式計(jì)算機(jī)（embedded computer），是安裝在其他設(shè)備中的計(jì)算機(jī)，例如安裝在智能儀表、電子玩具、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、家用電器、汽車、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等產(chǎn)品中，它們執(zhí)行著特定的任務(wù)。2.PC的組成無論系統(tǒng)多么復(fù)雜，任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件和軟件組成的。 計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱。 計(jì)算機(jī)軟件則是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔，其中程序是指計(jì)算機(jī)硬件完成特定功能的指令序列，數(shù)據(jù)則為程序處理的對象。 PC的硬件主要包括中央處理器（

6、central processing unit,CPU）、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，它們通過總線互相連接。 （1）中央處理器（CPU） 迄今為止，我們所使用的計(jì)算機(jī)都是基于“存儲程序”的原理進(jìn)行工作的，計(jì)算機(jī)中能夠按照各種指令的要求完成對數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的部件稱為處理器。 處理器主要由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。運(yùn)算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，它也稱為執(zhí)行單元。控制器是指揮中心，它能解釋指令的含義，控制運(yùn)算器及其他部件的工作。 PC中通常包含多個不同的微處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)，其中承擔(dān)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理器稱為CPU，它是任何一臺計(jì)算機(jī)必不可少的核心部件

7、。（2）內(nèi)存儲器和外存儲器計(jì)算機(jī)中的存儲器分為兩大類：內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存）和外存儲器（簡稱外存）。內(nèi)存是存取速度快而容量相較?。ㄒ蛉萘刻?，成本將十分昂貴）的一類存儲器，外存則是存取速度慢而容量相對很大的一類存儲器。內(nèi)存直接與CPU相連接，是計(jì)算機(jī)中的工作存儲器，當(dāng)前正在運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)都必須存儲在內(nèi)存中。CPU工作時(shí)，所執(zhí)行的指令及操作數(shù)都是從內(nèi)存中取出的，處理的結(jié)果也存放在內(nèi)存中。外存儲器也稱為輔助存儲器，其存儲容量很大，存放著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時(shí)，外存中的信息需要先調(diào)入內(nèi)存后才能被CPU使用。（3）輸入設(shè)備輸入（input）是把信息送入計(jì)算機(jī)的過程，作為

8、名詞使用時(shí)，指的是向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容。輸入可以由人、外部環(huán)境或其他計(jì)算機(jī)來完成。用來向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備通稱為輸入設(shè)備。輸入設(shè)備有多種，例如鼠標(biāo)器、鍵盤、掃描儀、麥克風(fēng)等。不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計(jì)算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位（0和1）來表示。（4）輸出設(shè)備輸出（output）表示把信息送出計(jì)算機(jī)，作為名詞使用時(shí)，指的是計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的輸出可以是文本、語音、音樂、圖像、動畫等多種形式。（5）總線總線（bus）是連接計(jì)算機(jī)中CPU、內(nèi)存、外存、各種輸入/輸出控制部件的一組信號線及其相關(guān)的控制電路，它是計(jì)算機(jī)中用于在各部件間運(yùn)載信息的公共設(shè)拖。 3. 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類有多種

9、方法。從技術(shù)角度可以按其邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，如單處理機(jī)與多處理機(jī)（并行機(jī)）、16位機(jī)、32位機(jī)或64位計(jì)算機(jī)等。從應(yīng)用角度可以按其性能和價(jià)格進(jìn)行分類，把計(jì)算機(jī)分成下面的5大類。巨型計(jì)算機(jī)（supercomputer），也稱為超級計(jì)算機(jī)，它采用大規(guī)模并行處理的體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)以百計(jì)、千計(jì)甚至萬計(jì)的CPU共同完成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的運(yùn)行任務(wù)，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，速度達(dá)到每秒數(shù)萬億次以上。大型計(jì)算機(jī)（mainframe），指運(yùn)算速度快、存儲容量大、通信連網(wǎng)功能完善、可靠性高、安全性好、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)，通常含有4、8、16、32甚至更多個CPU。小型計(jì)算機(jī)（minicomputer）

10、，是一種供部門使用的計(jì)算機(jī)，以IBM公司AS/400為代表。近些年來，小型機(jī)逐步被高性能的服務(wù)器（部門級服務(wù)器）所取代。個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer,PC），也稱為個人電腦或微型計(jì)算機(jī)，它們是20世紀(jì)80年代初由于單片微處理器的出現(xiàn)而開發(fā)成功的。個人計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，使用方便，軟件豐富，性能不斷提高，適合辦公或家庭使用。有一種特殊的個人計(jì)算機(jī)，稱為工程工作站或簡稱工作站（workstation），它們具有高速的運(yùn)算能力和強(qiáng)大的圖形處理功能，通常運(yùn)行UNIX操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用。嵌入式計(jì)算機(jī)（embedded computer），是安裝在其他設(shè)備中的計(jì)算

11、機(jī)，例如安裝在智能儀表、電子玩具、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、家用電器、汽車、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等產(chǎn)品中，它們執(zhí)行著特定的任務(wù)。2. PC的組成無論系統(tǒng)多么復(fù)雜，任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件和軟件組成的。計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱。計(jì)算機(jī)軟件則是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔，其中程序是指計(jì)算機(jī)硬件完成特定功能的指令序列，數(shù)據(jù)則為程序處理的對象。 PC的硬件主要包括中央處理器（central processing unit,CPU）、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，它們通過總線互相連接。（1）中央處理器（CPU）迄今為止，我們所使用的計(jì)算機(jī)都是基于“存儲程序”的

12、原理進(jìn)行工作的，計(jì)算機(jī)中能夠按照各種指令的要求完成對數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的部件稱為處理器。處理器主要由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。運(yùn)算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，它也稱為執(zhí)行單元。控制器是指揮中心，它能解釋指令的含義，控制運(yùn)算器及其他部件的工作。PC中通常包含多個不同的微處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)，其中承擔(dān)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理器稱為CPU，它是任何一臺計(jì)算機(jī)必不可少的核心部件。（2）內(nèi)存儲器和外存儲器計(jì)算機(jī)中的存儲器分為兩大類：內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存）和外存儲器（簡稱外存）。內(nèi)存是存取速度快而容量相較?。ㄒ蛉萘刻螅杀緦⑹职嘿F）的一類存儲器，外存則是存取速度慢而容量相對很大的一

13、類存儲器。內(nèi)存直接與CPU相連接，是計(jì)算機(jī)中的工作存儲器，當(dāng)前正在運(yùn)行的程序與數(shù)據(jù)都必須存儲在內(nèi)存中。CPU工作時(shí)，所執(zhí)行的指令及操作數(shù)都是從內(nèi)存中取出的，處理的結(jié)果也存放在內(nèi)存中。外存儲器也稱為輔助存儲器，其存儲容量很大，存放著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時(shí)，外存中的信息需要先調(diào)入內(nèi)存后才能被CPU使用。（3）輸入設(shè)備輸入（input）是把信息送入計(jì)算機(jī)的過程，作為名詞使用時(shí)，指的是向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容。輸入可以由人、外部環(huán)境或其他計(jì)算機(jī)來完成。用來向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備通稱為輸入設(shè)備。輸入設(shè)備有多種，例如鼠標(biāo)器、鍵盤、掃描儀、麥克風(fēng)等。不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計(jì)

14、算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位（0和1）來表示。（4）輸出設(shè)備輸出（output）表示把信息送出計(jì)算機(jī)，作為名詞使用時(shí)，指的是計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的輸出可以是文本、語音、音樂、圖像、動畫等多種形式。（5）總線總線（bus）是連接計(jì)算機(jī)中CPU、內(nèi)存、外存、各種輸入/輸出控制部件的一組信號線及其相關(guān)的控制電路，它是計(jì)算機(jī)中用于在各部件間運(yùn)載信息的公共設(shè)拖。3. PC的性能參數(shù)（1） CPU的性能計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上依賴于CPU。CPU的性能主要體現(xiàn)為它的運(yùn)算速度。測量CPU運(yùn)算速度的傳統(tǒng)方法是看它每秒鐘能執(zhí)行多少條指令。由于不同類型的指令所需要的執(zhí)行時(shí)間不同，因而運(yùn)算速度的計(jì)算比較復(fù)雜，也有

15、許多不同的方法。例如，可以以單字長定點(diǎn)指令的平均執(zhí)行時(shí)間來計(jì)算，單位是MIPS（million instructions per second），也可以以單字長浮點(diǎn)指令的平均執(zhí)行速度來衡量，單位是MFLOPS（million floating instructions per second）。CPU的運(yùn)算速度與它的工作頻率、cache容量、指令系統(tǒng)、運(yùn)算器的邏輯結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。CPU的工作頻率也稱為CPU的主頻，它決定著CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的每一步的快慢。（2） 內(nèi)存容量與速度計(jì)算機(jī)中內(nèi)存的容量是越大越好，速度是越快越好。內(nèi)存的速度用存取周期來衡量。存儲器執(zhí)行一次完整的讀（寫）操作所需

16、要的時(shí)間稱為存取周期，通常情況下也就是從存儲器中連續(xù)存（寫）或?。ㄗx）兩個字所用的最小時(shí)間間隔。（3） 硬盤存儲器性能磁盤存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)是磁盤的存儲容量和平均訪問時(shí)間。（4） 總線的傳輸速率總線的傳輸速度直接影響到計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個部件相互間傳輸數(shù)據(jù)的速度，它與總線中的數(shù)據(jù)線寬度、總線工作頻率、每次數(shù)據(jù)傳輸需要的總線周期數(shù)目等有關(guān)，以MBps或GBps為單位。（5） 系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)的可靠性常常用平均無故障時(shí)間（mean rime between failures,MTBF）、平均故障修復(fù)時(shí)間（mean time to repair,MTTR）來表示，它們的單位是“小時(shí)”。若MTBF值很高，

17、且MTTR值很低，則稱該計(jì)算機(jī)具有高的可用性（availability）。1.1.3 PC軟件1.軟件的功能與分類目前絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都是按照馮諾依曼“存儲程序”的思想設(shè)計(jì)的。軟件大致劃分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。2.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件中最重要的是操作系統(tǒng)、語言處理程序、實(shí)用程序與工具軟件等。（1）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（operationg system,OS）是直接運(yùn)行在裸機(jī)上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。它已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的基本組成部分。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各類資源（包括硬件與軟件資源）進(jìn)行統(tǒng)一控制、管理、調(diào)度和監(jiān)督，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程（

18、故被稱為操作系統(tǒng)），其目的是提高各類資源的利用率，方便用戶使用，并為其他軟件的開發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口。（2）程序設(shè)計(jì)語言及其處理程序計(jì)算機(jī)硬件可以直接執(zhí)行的指令是由0和1所組成的一串二進(jìn)位代碼，這是硬件唯一能直接理解的語言，稱為機(jī)器語言。所謂匯編語言，是一種與計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言相當(dāng)接近的符號語言，其本質(zhì)是采用有助于人們記憶的文字符號來表示機(jī)器語言，再加上一些用來控制程序執(zhí)行和便于定義數(shù)據(jù)的命令。匯編語言通常依賴于特定計(jì)算機(jī)的指令集，受到了計(jì)算機(jī)指令的限制，它與機(jī)器語言一樣，還是一種低級語言。所謂高級程序設(shè)計(jì)語言，是指比較接近于人們?nèi)粘Ｋ褂玫臅嬲Z言（英語）的用來編制程序的一類語言。比如已流行多年的FORTRAN、COBOL、BASIC、Pascal、C等程序設(shè)計(jì)語言都是高級語言。任何一個語言處理系統(tǒng)通常包含一個翻譯程序，它把一種語言的程序翻譯成等價(jià)的另一種語言的程序。被翻譯的語言和程序分別稱為源語言和源程序，而翻譯生成的語言和程序分別稱為目標(biāo)語言和目標(biāo)程序。按照不同的翻譯處理