计算机基础知识
2020-01-18 · 技术研发知识服务融合发展。
中地数媒
一、计算机的发展
电子计算机是一种能够自动、高速地进行算术和逻辑运算的电子设备。它是20世纪科学技术发展最伟大的发明创造之一，是人类在第三次工业革命中取得的最辉煌成就。
1.世界上第一台电子计算机的诞生
人类在同大自然斗争中，创造并逐步发展了计算工具，早在公元前3000年，中国人就发明了算筹和竹筹计数，唐末创造出算盘，南宋1274年已有算盘和歌诀的记载，算盘是同时具有“算”和“存”的计算工具。1633年，奥芙特德（Oughtred）发明了计算尺。1642年，法国数学家帕斯卡制成第一台齿轮加减法器，是世界最早的用于计算的机器。1671年，德国数学家莱布尼茨发明了可以进行四则运算的机械计算机器。1822年英国数学家查尔斯·巴贝奇设计出差分机，这是世界上第一台真正意义上的机械式计算机。1834年，巴贝奇又设计出分析机，这个由存储数据的“仓库”、数据运算的“工厂”和调度机器运算的“控制桶”构成的设计，已经奠基了计算机的基本结构框架，因此，巴贝奇被称为“计算机之父”。第二次世界大战中，由于新武器研制中的弹道问题涉及许多复杂运算，急需一种能高速、自动计算的机器，因此，在美国陆军部的资助下，由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约翰·莫齐利和工程师普雷斯伯·埃克特领导下，从1943年开始，经过三年的努力，终于在1946年研制成功世界上第一台电子计算机，取名为ENIAC。ENIAC约占170m2，重约30 t，共使用了17456只电子管，1500个继电器，7000多个电阻，10000多个电容及其他多种电器元件，运行时耗电约150 kW。这样一个庞然大物，仅能存储20个字长10位的十进制数，运算速度也仅为每秒5000次加法运算。尽管如此，ENIAC却开创了人类计算机科学发展的新时代。
为了克服ENIAC的缺点，人们始终没有停顿探索的脚步，许多专家、学者就此发表了研究论文。在普林斯顿大学任教的美国数学家冯·诺依曼发表了题为《电子计算机逻辑结构初探》的报告，提出了程序存储方式，即在计算机中设置存储器，把符号化的计算过程放入其中，执行时依次将存储内容取出并译码，然后按译码结果进行计算，从而实现计算机工作的自动化。冯·诺依曼在研制EDVAC计算机过程中，改进了内存部件，并将计算机内部的十进制编码改为二进制编码。“存储程序”的设想确立为冯氏结构机的设计体系，从此，采用程序存储方式的计算机统称为冯·诺依曼式计算机。
2.计算机发展的重要阶段
从第一台电子计算机诞生至今，它走过了50多年的发展历程，开创了人类社会信息发展史的三个新纪元，即计算机发展的三个重要阶段。
（1）计算机发展的初级阶段 这个阶段大约以ENIAC诞生为标志到个人计算机开始普及之前。尽管那时计算机及其相关外围设备的价格十分昂贵，其应用的领域基本局限于军事、科学计算和大型工业企业的数据处理，但却开创了人类开始用机器代替部分脑力劳动的新纪元。
这一阶段，计算机取得了飞速发展，多次更新换代。计算机划代一般是以计算机核心部件采用的逻辑元件的种类为依据的。
第一代（1946—1956），以电子管为主要逻辑元件，运算速度在5000～40000（次/秒）。体积大、能耗高、速度慢、容量小、价格贵，仅限于军事和科学计算的应用。
第二代（1957—1964），以晶体管为主要逻辑元件，并采用了监控程序，运算速度在几十万至上百万（次/秒）。与第一代计算机相比，体积小、成本低、速度快、功能强、可靠性高，应用领域扩展到工程设计、数据处理和事务管理等方面。
第三代（1965—1970），以中、小规模集成电路为主要逻辑元件，运算速度在百万至几百万（次/秒）。这一代计算机以1964年4月IBM公司推出IBM360计算机为标志，具备了通用化、系列化、标准化的特点。
第四代（1971—20世纪80年代初），以大、超大规模集成电路为主要逻辑元件，运算速度在几百万至几亿（次/秒）。采用了集成度更高的半导体存储器作为主存储器，发展了并行处理技术、分布式系统和计算机网络。在软件方面，发展了分布式操作系统、数据库系统、高级语言及软件工程标准化等，并逐渐形成软件产业。
（2）计算机广泛普及应用阶段 微型计算机的开发应该是在20世纪70年代中期，1975年，美国MITS公司利用Intel8080处理器开发了Altair8800微电脑，得到电子爱好者的推崇，推动了个人计算机软硬件的发展。1976年，美国苹果公司推出Apple个人计算机并得到极大发展。1980年，IBM公司涉足个人计算机领域，为与苹果公司竞争市场，将PC计算机的结构框架公诸于世，并与比尔·盖茨的微软公司合作推出PC-DOS操作系统，使众多廉价的兼容机问世。微型机以DOS为操作系统，以其低廉的价格使之迅速普及并得到广泛应用。从此，计算机不再为少数专业人员所拥有和使用，计算机的发展走向了普及化的新纪元，并为向计算机文化阶段发展奠定了基础。
（3）计算机文化阶段 计算机文化阶段是计算机普及应用到一定程度才出现的。计算机硬件功能不断提高，价格更加低廉；信息压缩与全数字化带来了丰富多彩的多媒体技术；以多媒体技术为基础的虚拟现实技术、3S（GIS，GPS，RS）技术实现的电子地图系统、卫星遥感定位跟踪监控系统等提高了人类认识世界的能力，造福于人类；无处不在的Internet拉近了世界各国的距离，依靠计算机网络技术实现的远程教育、远程医疗诊断系统、数字化图书馆、数字化智能小区已经向我们走来；无线接入技术（蓝牙技术、WAP）实现了手机上网、无线局域网（WLAN）；电脑卡已由早期的光电卡、条码卡、磁卡发展到今天的IC卡、射频卡，带给人们便捷。这一切不断拓展了计算机的应用空间，计算机已经成为一种个人的信息机器，改变着人们的生活。当计算机的应用覆盖到人们社会生活的各个方面时，必然导致人们在思维方式、行为方式、生活方式等方面产生重大变革，这种因具有人脑部分功能的计算机的普遍使用带来的文化变迁形成了计算机文化。从20世纪90年代初开始，多媒体计算机和因特网“信息高速公路”的诞生标志着计算机的发展进入了崭新的阶段，开创了最大限度实现资源共享的新纪元。
3.我国计算机的发展概况
新中国诞生为我国科学技术的发展，也为计算机技术的发展开辟了广阔的发展道路。
1952年，在清华大学成立了以电机系教授闵大可为组长的中国第一个计算机三人研究小组，1954年，小组经扩充和调整，并入以物理学家钱三强为领导的中国科学院近代物理研究所，开始了我国计算机研究的起步。1956年，国家制定科学技术12年远景规划时，把计算机技术列为四大技术之首，成立了计算机技术工作小组，开始进行实质性研发。1958年，我国研制成功第一台电子管计算机（103机）；1959年，研制成功每秒1万次的大型通用电子计算机（104机），从而填补了我国计算机技术领域的空白。华罗庚教授是我国计算机技术的奠基人和我国第一台电子计算机的主要创始人之一。1960年，我国第一台自行设计的通用电子计算机（107机）研制成功并投入运行。1964年，我国开始推出第二代晶体管计算机，如“108”机、“109”机等。1971年，我国研制成功第三代集成电路计算机“150机”，到1973年形成了DJS-100系列国产机。1974～1982年实现了从小规模集成电路计算机到大规模集成电路计算机跨越。1983年，我国研制成功每秒向量运算1000万次的757大型向量计算机。
巨型机是一个国家科学技术水平的标志。从20世纪80年代初开始，我国开始进行巨型机的研制。1983年，向量运算亿次的巨型电子计算机“银河”诞生；1992年，10亿次的“银河”Ⅱ号投入使用；1996年，投入运行的“银河”Ⅲ号机速度为每秒百亿次。1995年曙光1000研制成功，1998年“曙光”2000-I诞生，其峰值运算速度达每秒200亿次浮点运算，打破了国外在大规模并行机技术方面的封锁和垄断；1999年“曙光”2000Ⅱ问世，其峰值运算速度达每秒1117亿次浮点运算，内存高达50GB，成为国家863计划的重大成果。1999年“神威”并行计算机研制成功，其峰值运算速度高达每秒3840亿次浮点运算。“银河”、“曙光”、“神威”计算机的研制成功标志着我国成为世界上具备独立研制高性能计算机能力的少数国家之一。
微型机是一个国家科学技术普及应用水平的标志。20世纪90年代以来，我国在微机方面也取得迅速发展。2001年10月13日，我国第一款通用CPU芯片——“龙芯”诞生，使我国成为能够研究制造计算机芯片的少数国家之一。
在计算机应用领域，我国也取得了辉煌的成就。北京大学王选教授的激光照排技术开创了出版印刷的新时代，这一发明获得了欧洲专利和8项中国专利。王选率领他的团队推出了处于国内外领先地位的“华光”、“方正”电子出版系统，取得了重大的经济和社会效益，使我国的印刷业告别了“铅与火”的历史，进入了“电与光”的时代，王选也被誉为“激光照排之父”。多种汉字键盘输入方法以及汉字扫描输入、手写输入和语音识别输入软件使汉字可以轻松地进入计算机；众多国产多媒体软件的开发，推动了计算机的普及应用；国家“信息高速公路”建设取得突出进展，“金”字工程，如“三金”工程包括国家公用信息网（金桥）、外贸企业间信息系统（金关）、金融业电子货币（金卡）的完成，加快了社会信息化进程。据2002年7月23日CNNIC公布，平均每周至少上网1小时的中国公民人数已超过4580万，排世界第三位。
4.计算机的发展趋势
计算机已经实现了从“数字计算”到“信息处理”的转变。目前，电子计算机的发展趋势，可以概括为“巨型”、“微型”、“网络”、“智能”四个方面。虽然目前我们还不能对未来计算机的发展提出十分确切的时间表，但其发展趋势已经很明朗，即发展高性能计算和提高计算性能。
发展高性能计算可以有两条途径，一是基于现有的半导体集成电路技术和微处理机技术，通过提高并行处理能力来实现；二是突破硅半导体器件的物理限制，发展非传统的新技术，包括超导计算、量子计算、生物计算与光计算等。
提高计算性能也可以有两条途径，一是硬件方面，即研制超高性能器件或部件，如量子器件、超导芯片、光互连和光存储部件、生物分子部件等；二是计算模型和算法设计方面，从根本上突破冯·诺依曼计算机和电子技术的局限，如量子计算和DNA计算模型，都为求解复杂问题开辟了崭新的思路。
5.计算机科学的研究领域
计算机科学注重理论和抽象，计算机工程注重抽象和设计，实际上两者之间本质上没有区别。从研究的范畴，统称为计算机学科。目前，研究所涉及的领域十分广泛，包括：计算机系统结构、程序设计科学与方法论、软件工程理论、人工智能与知识处理、网络和数据库、计算机辅助技术、理论计算机科学和计算机科学史的研究等。计算机科学与技术对人类社会的影响，超过数学作为基本文化基础给人类文化带来的影响和物理学对近代工业革命产生的人类文明带来的影响。可以预见，计算机的发展必然给人类社会带来更加美好的未来。
二、计算机的分类
计算机种类繁多，可以按处理数据的形态、使用范围、规模和功能等不同角度分类。
1.按处理数据的形态分类
（1）数字计算机 数字计算机以二进制数据0和1作为处理对象，是不连续的数字量，处理结果也是以数字形式输出。优点是精度高、存储量大、通用性强。我们通常使用的计算机大多是数字计算机。
（2）模拟计算机 模拟计算机以连续的数据作为处理对象，是以电信号幅值来模拟数值或物理量的大小，如电压、电流、温度等，处理结果也是以连续的数据输出。模拟计算机解题速度快，但不如数字计算机精度高、且通用性差。模拟计算机通常以绘图或量表形式输出结果。
（3）混合计算机 混合计算机是集数字计算机模拟计算机功能优点为一身的计算机。
2.按使用范围分类
（1）通用计算机
（2）专用计算机
3.按规模和功能分类
（1）超级计算机（Supercomputer）
（2）大型计算机（Mainframe）
（3）小型计算机（Minicomputer）
（4）微型计算机（Microcomputer）
三、计算机的特点
（1）运算速度快
（2）计算精度高
（3）存储容量大
（4）自动化程度高
（5）逻辑判断能力强
（6）具有广泛的通用性
四、计算机的主要用途
计算机的用途大概可以归纳为以下几个方面：
（1）数值计算 在科学研究、技术开发、工程设计等进行的科学计算。
（2）数据处理 实现对数值、文字、图表等信息数据及时地加以记录、整理、检索、分类、统计、综合和传递。适用于事务处理、办公自动化、电子数据交换、信息管理、决策支持中的数据处理。
（3）过程控制 包括工业自动监测、自动控制、智能控制等实时控制。
（4）计算机辅助设计（CAD-Computer Aided Design）包括计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助教学（CAI）等，可提高设计质量和自动化程度，缩短设计周期、降低生产成本。
（5）人工智能（AI-Artificial Intelligence）用于复杂系统的模拟仿真，实现自然语言理解与生成、定理机器证明、自动程序设计、自动翻译、图像识别、声音识别、疾病诊断，以及各种专家系统和机器人构造等。近年来人工智能的研究开始走向实用化，成为计算机应用研究的前沿学科。
（6）计算机网络及网络通信 提供地区间、国际间的通信与各种数据的传递与处理，实现软件、硬件信息资源共享。
（7）多媒体技术 实现集声、文、图、像一体化，更接近人类习惯的信息交流方式，广泛应用于文化、教育、娱乐、家庭应用等领域。
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2、由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类，较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。
3、计算机发明者约翰·冯·诺依曼。计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步，由此引发了深刻的社会变革，计算机已遍及一般学校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。
4、计算机的应用在中国越来越普遍，改革开放以后，中国计算机用户的数量不断攀升，应用水平不断提高，特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用取得了不错的成绩。1996年至2009 年，计算机用户数量从原来的630万增长至6710 万台，联网计算机台数由原来的2.9万台上升至5940万台。互联网用户已经达到3.16 亿，无线互联网有6.7 亿移动用户，其中手机上网用户达1.17 亿，为全球第一位。
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计算机是现代一种用于快速计算的电子计算机，它具备数值计算、逻辑计算和存储记忆能力，能够按照设定的程序规则自动、高速处理数据的现代智能电子设备。我们一般称为“电脑”。
计算机是在20世纪由“约翰·冯·诺依曼”发明，“约翰·冯·诺依曼”也被称为“计算机之父”。
计算机大概经历以下几个更新换代阶段（参考百度百科，了解即可）：
第1代：电子管数字机（1946—1958年）
逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线电子管、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是磁带。软件方面采用的是机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主
特点：体积大、功耗高、可靠性差。速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础
