计算机基础知识——认识计算机-优快云博客

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计算机基础——正式稿

计算机（Computer）俗称电脑，包括主机电脑、便携式计算机（笔记本电脑）。计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。计算机是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的一种现代化智能电子设备，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成为裸机。计算机一般分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机和嵌入式计算机五类，较为先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

一、计算机历史

1946年2月14日，由美国军方定制的世界第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（Electronic Numerical And Calculator，ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学问世，缺图

ENIAC（中文名：埃尼阿克）是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制的。这台计算器使用了17840支电子管，大小：80英尺（Ft）X8英尺，重：28t（吨），功耗：170kW，运算速度：5000 次/秒的加法运算，造造价：≈487000美元（$)。ENIAC的问世具有划时代的意义，表明电子计算机时代的到来。

往后的60多年，计算机技术以惊人的速度发展，没有任何一样技术的性能价格比（性价比）能在30年内增长6个数量级。在现实生活中，如果没有特别标注一般说的数量级都是以10为底数（10的多少次幂）。

1946年6月，美籍数学家冯•诺伊曼（Von Neumann）提出一个利用“二进制”数进行“存储程序”的计算机设计方案。这个方案确定：以二进制形式表示数据和指令；指令和数据同时存放在存储器中；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。奠基了计算机的结构理论体系。

根据计算机构成主要元器件的不同，将计算机发展历程分为4个阶段。

1.第一阶段：电子管数字计算机（1946年——1958年）

从硬件方面，逻辑元件采用真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。软件方面采用机器语言、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万次）、价格昂贵。但为后来计算机发展奠定了基础。

2. 第二阶段：晶体管数字计算机（1958年——1964年）

硬件方面，逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。软件方面出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及编译程序。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点：体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。

3.第三阶段：集成电路数字计算机（1964年——1970年）

硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI)，为主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点：速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

4.第四阶段：大规模集成电路计算机（1970年至今）

硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI、VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。特点：1971年世界第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代，应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

在我国，计算机技术的发展深刻地影响着人们生产和生活。特别是随着微型处理器结构的微型化，计算机从之前的应用于国防军事领域开始向社会各个行业发展，如教育系统、商业领域、家庭生活等。

世界第一个微处理器芯片是1971年11月，英特尔公司的特德 • 霍夫（Ted Hoff）设计的 Intel 4004。Intel 4004 CPU使用8位指令处理4位数据，指令和数据是分开的，分别有4096个4位宽的指令存储单元和1KB 4位宽的数据存储单元，最大寻址范围是：640字节。Intel 4004 CPU有46条指令，工作时钟为：108kHz，核心大小为3X4mm，有2250个晶体管，晶体管的线宽为10μm，每秒运算6万次，市场售价200美元左右。

在微处理器外，加上随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、I/O、总线接口，就可以构成微型计算机（简称微机）。最早的微型计算机诞生于20世纪70年代，APPLE Ⅱ 型和中华学习机就是其中的典型代表。目前国内市场上主流产品时PC系列微型计算机，起源于 IBM 公司于1980年推出IBM PC ，以及随后推出的IBM PC/XT 和 IBM PC/AT。

由于IBM公司生产的PC 机采用了“开放式体系结构”，并且公开了其技术资料，因此其他公司先后为IBM 系列PC 机推出了不同版本的系统软件和丰富多样的应用软件，以及硬件配套产品。有些公司又推出与IBM 系列PC 机相兼容的各种兼容机，从而促使IBM 系列的PC 机迅速发展，并成为20世纪微型计算机中的主流产品。现在的PC 机采用模块化的标准插卡结构，可以方便地从市场上买到所有配件，根据需要自己组装一台任意档次的微型计算机。导致微型计算机市场竞争激烈，品种繁多，同时价格迅速下降，在一定程度上对微型计算机的大量普及和应用起到了积极作用。在IBM首创的台式PC 基础上，便携式笔记本计算机、平板式计算机也不断发展，大有取代台式计算机的趋势。同时随着互联网络的告诉发展，也使微型计算机朝着小型化、便携化、互联网化的方向迅猛发展和普及。

二、计算机的发展

计算机出现至今，经历了机器语言、程序语言、简单操作系统和Linux、Macos、BSD、Windows等现代操作系统四代，运行速度得到大幅提升，第四代计算机的运算速度已经达到每秒几十亿次。计算机也由原来的仅供军事科研使用发展到人人拥有，计算机强大的应用功能，产生巨大市场需求，未来计算机性能应向着微型化、网络化、智能化和巨型化的方向发展。

①巨型化。巨型化是指为了适应尖端科学技术的需要，发展高速度，大存储容量和功能强大的超级计算机。随着人们对计算机的依赖性越来越强，特别是在军事和科研教育方面对计算机的存储空间和运行速度的要求会越来越高。此外计算机的功能更加多元化。

②微型化。随着微型处理器（CPU）的产生，计算机中开始使用微型处理器，使计算机体积缩小了，成本降低了。另一方面，软件行业的飞速发展提高了计算机内部操作系统的便捷度，计算机外部设备的趋于完善。计算机理论和技术上的不断完善，促使微型计算机很快渗透到全社会的各个行业和部门中，并成为人们生活和学习的必需品。近40年来，计算机的体积不断缩小，台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑体积逐步微型化，为人们提供便捷的服务。因此未来计算机仍会不断趋于微型化，体积将越来越小。

③网络化。互联网将世界各地的计算机连接在一起，从此进入了互联网时代。计算机网络化彻底改变了人类世界，人们通过互联网进行沟通、交流（QICQ、微博等），教育资源共享（文献查阅、远程教育等）、信息查阅共享（百度、Google）等，特别是无线网络的出现，极大的提高了人们使用网络的便捷性，未来计算机将会进一步向网络化方面发展。

④人工智能化。计算机人工智能化是未来发展的必然趋势。现代计算机具有强大的功能和运行速度，但与人脑相比，其智能化和逻辑能力仍有待提高。人类在不断探索如何让计算机能够更好的反映人类思维，使计算机能够具有人类的逻辑思维判断能力。可以通过思考与人类沟通交流，抛弃以往的通过编码程序。来运行计算机的方法，直接对计算机发出指令。

⑤多媒体化。传统的计算机处理的信息主要是字符和数字。事实上人们更习惯的是图片、文字、声音、影像等多种形式的多媒体信息。多媒体技术可以及图形、图像、音频、视频、文字为一体。使信息处理的对象和内容更加推进真实世界。

三、计算机特点和性能

1.计算机的特点

①运算速度快。计算机内部运算由数字逻辑电路组成，可以高速准确地完成各种算术运算。

②计算精确度高。科学技术发展特别是尖端科学技术的发展，需要高精确的计算。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具望尘莫及的。

③逻辑运算能力强。计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，可以对信息进行比较和判断。计算机能将参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令以供用户（User）随时调用。

④ 存储容量大。计算机内部存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息。不仅包括各类数据，还包括加工这些数据的程序。

⑤ 自动化程度高。因计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序组纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。

2.计算机的性能

计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标决定的，而是由他的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。大部分普通用户，可以从以下几点大体评价计算机的性能。

①运算速度。运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所执行的指令条数，一般用“百万条指令/秒”（Million Instruction Per Second，MIPS）来描述。同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因次对运算速度的描述通常采用不同的方法。常用的有 CPU 时钟频率（主频）、每秒平均执行指令数（ips）等。微型计算机一般采用主频来描述运算速度。一般来说主频越高运算速度就越快。

②字长。计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。早期计算机的字长一般是8和16位，586（Pentium，Pentium Pro，Pentium Ⅱ，Pentium Ⅲ，Pentium 4)大多是32位，现在的大多数用户都装64位的了。

③内存储器的容量。内存储器也称为主存，是CPU 可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。内存储器容量的大小反映计算机及时存储信息的能力。随着操作系统的升级，应用软件的不断丰富及其功能的不断扩展，人们对计算机内存容量的需求不断提高。运行Windows XP 需要128 MB 以上的内存容量；运行Windows 7 需要512 MB 以上的内存容量；运行Windows 10 需要1 GB 以上的内存容量。内存容量越大系统功能就越强大，能处理的数据量就越大。

④外存储器的容量。外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。硬盘容量一般为10~60 GB，120 GB，随着发展常见硬盘规格为：128GB、256GB、512GB、1T、2T、4T等。（建议个人使用容量1T 以上的硬盘）

除上述主要性能指标外，微型计算机还有其他一些性能指标以及配置系统软件的情况等。各项性能指标之间不是独立的，需要将各项性能指标综合起来考虑。

四、计算机用途和应用领域

1.计算机的用途

在现代社会中，计算机已经广泛应用到军事、科研、经济、文化等各个领域。在科研领域，人们使用计算机进行各种复杂的运算及大量数据的处理。在学校和政府机关每天涉及大量数据的统计与分析，有了计算机工作效率大大提高。工厂计算机为工程师们在设计产品时提供了有效的辅助手段。在生产中用计算机控制生产过程的自动化操作。

2.计算机的应用领域

信息管理是以数据库管理系统为基础，辅助管理者提高决策水平，改善运营策略的计算机技术。信息处理具体包括数据的采集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作。信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，80%以上的计算机主要应用于信息管理，成为计算机应用的主导方向。信息管理广泛应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各行各业。

①科学计算。科学计算是计算机最早的应用领域，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数值计算问题。在现代科学技术中，科学计算的任务是大量的和复杂的。利用计算机的运算速度高，存储容量大和连续运算的能力。可以解决人工无法完成的各种科学计算问题。

②过程控制。过程控制是利用计算机实时采集数据、分析数据，按最优值迅速的对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，还可提高控制的时效性和准确性。从而改善劳动条件，提高产量及合格率。因此计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、电力等部门得到广泛应用。

③辅助技术技术。计算机辅助技术包括CAD、CAM 和CAI。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。CAD技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。采用计算机辅助设计可缩短设计时间，提高工作效率。节省人力、物力和财力，更重要的是提高设计质量。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是利用计算机系统进行产品的加工控制过程,输入的信息是零件的工艺路线和工程内容，输出的信息是刀具的运行轨迹。将CAD 和CAM 技术集成可以实现设计产品生产的自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统。有些国家已把CAD 的计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助测试（Computer Aided Test）及计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）组成一个集成系统，是设计、制造、测试和管理有机的组成为一体，形成高度的自动化系统，因此产生了自动化生产线和无人工厂。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是利用计算机系统进行课堂教学，教学课件可以用Powerpoint 或flash 等制作。CAI 不仅能减轻教师的负担，还能使教学内容生动、课件形象逼真，能够动态演示实验原理或操作过程激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供有效方法。

其他计算机辅助系统：利用计算机作为工具辅助产品测试的计算机辅助测试（CAI）；利用计算机对学生的教学、训练和对教学事务进行管理的计算机辅助教育（CAE）；利用计算机对文字、图像等信息进行处理、编辑、排版的计算机辅助出版系统（CAP）等。

④计算机翻译。1947年美国数学家工程师沃伦•韦弗与英国物理学家工程师安德鲁•布思提出了以计算机进行翻译，（简称“机译”）的设想，机译从此步入历史舞台。并走过一条曲折漫长的发展道路，机译被列为21世纪世界十大科技难题。与此同时，机译技术拥有巨大的应用需求。机译消除了不同文字和语言间的隔阂，堪称高科技造福人类之举。但机译的译文质量长期以来一直是难题，其现有成就与理想目标仍相差甚远。中国数学家，语言学家周海中教授认为在人类尚未明了大脑是如何进行语言的模糊识别和逻辑判断的情况下，机译要想达到“信、达、雅”的程度是不可能的，这一观点恐怕道出制约译文质量的瓶颈所在。

⑤人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用，诸如感知、判断、理解、学习、问题的求解和图像识别等。人工智能是计算机应用的一个新的领域。这方面的研究和应用正处于发展阶段，在医疗诊断、定理证明、模式识别、智能检索、语言翻译、机器人等方面已有显著成效。

⑥多媒体应用。随着电子技术的发展，特别是通信和计算机技术，人们已经有能力将文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念——“多媒体”（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、军事、行政管理、工业、广播、交流和出版等领域中，多媒体的应用发展迅速。

五、现代计算机的主要类型

通常人们“分代”表示计算机在纵向的历史中的发展情况，用“分类”表示计算机在横向的地域上的发展、分布和使用情况。我国（中国）计算机界通常把计算机分为：巨、大、中、小、微5个类别。国内外多数书刊也采用国际通用的分类方法，根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）1989年提出的标准来划分，将计算机分成巨型机、小巨型机、大型主机、小型主机、工作站和个人计算机等6类。

①巨型机（Supercomputer）。巨型机也称为超级计算机，在所有计算机类型中占地最大，价格最贵，功能最强，其浮点运算速度最快（1998年达到3.9TELOPS），即每秒3.9万亿次，只有少数国家的几家公司能够生产。多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、中长期天气预报以及社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度，成为衡量一个国家经济实力和科技水平重要标志。

②小巨型机（Minisupercomputer）。小型超级电脑或称桌上型超级计算机，出现在20世纪80年代中期，功能低于巨型机，速度达到1TELOPS，即每秒10亿次，价格只有巨型机的十分之一。

③大型主机（Mainframe）。大型机或称作大型电脑，覆盖国内通常说的大、中型机。特点：大型、通用，征集处理速度高达300~750 MIPS，具有很强的处理和管理能力，主要用于大银行、大公司、规模较大的高效和科研院所。

④小型主机（Minicomputer，or：Minis）。小巨型机结构简单，可靠性高，成本较低，不需要经过长期培训即可维护和使用，对于广大的中小用户较为适用。

⑤工作站（Workstation）。介于PC 和小型机之间的一种高档微机（是机器而不是地方），运算速度快，具有较强的联网的功能，用于特殊领域，如图像处理、计算机辅助设计等。他与网络系统中的“工作站”，在用词上相同，含义不同。网络上的“工作站”泛指联网用户的结点，以区别网络服务器，常由一般PC 充当。

⑥个人计算机（Personal Computer）。通常所说的电脑、微机或计算机，一般指PC。出现在20世纪70年代，以设计先进（总是率先采用高性能的微处理器MPU）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势拥有广大用户，因此推动计算机的普及应用。PC 的主流公司IBM 在1981年推出的PC 系列以及其众多的兼容机。PC包括台式机、膝上型、笔记本、掌上机、手表型等多种类型。

六、计算机与信息化技术发展的关系

随着电子技术的发展，特别是通信和计算机技术，人们已经有能力将文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念——“多媒体”（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、军事、行政管理、工业、广播、交流和出版等领域中，多媒体的应用发展迅速。

七、计算机常见名词

1.数据单位

①位（bit）。音译为“比特”，是计算机内信息的最小容量单位。计算机中最直接、最基本的操作就是对二进制位的操作。一个二进制可表示两种状态（0或1）。两个二进制位可表示4种状态（00,01,10,11）。位数越多，所表示的状态就越多。

②字节（Byte）。表示人读取中的所有字符（字母、数字以及各种专用符号，大约有256个），需要用7位或8位二进制数。人们选定8位为一个字节（Byte）通常用B 表示。1个字节由8个二进制数位组成，即1B=8bit。

字节是计算机中用来表示存储空间大小的最基本的容量单位。计算机内存的存储容量、磁盘的存储容量等都是以字节为单位表示。一个字节可以存储一个字符，两个字节可以存储一个汉字。除用字节为单位表示存储容量外，还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）以及吉字节（GB）等表示存储容量。

千字节 1KB=2¹⁰=1024B

兆字节 1MB=2²⁰=1024KB

吉字节 1GB=2³⁰=1024MB

太字节 1TB=2⁴⁰=1024GB

③字和字长。计算机处理数据时，一次抓取、加工和传送的数据称为字。一个字通常由一个或若干个字节组成（通常取字节的整倍数）。字是计算机进行数据存储和数据处理的基本运算单位。字长是计算机性能的重要标志，他是计算机字所包含的二进制的个数。字长越长，计算机的数据处理速度越快。微型计算机的字长有8位、16位、32位和64位几种。