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计算机基础知识

一、计算机的发展与应用

1.1 计算机的概念与发展

1.1.1、内容要点

1、计算机工作原理：

1）什么是计算机

计算机（Computer）是一种能接收和存储信息，并按照存储在其内部的程序（这些程

序是人们意志的体现）对输入的信息进行加工、处理，然后把处理结果输出的高度自动化

的电子设备。

2）计算机工作原理——冯·诺依曼原理（又称为存储程序原理）

（1）组成计算机的物理设备（硬件）包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出

设备五部分；

（2）所有程序和数据都以二进制形式存储在存储器中；

（3）计算机系统在程序控制下自动运行。

2、计算机的发展：

1）计算机的发展：

计算机从诞生发展到今天，已经经历了四个阶段，现正向第五代过渡。见下表。

计算机发展的四个阶段

代次

起止年份

所用电子元器件

数据处理方式

运算速度

应用领域

第一代

1946~1957

电子管（真空管）

汇编语言、代码程序

几千~几万次/秒

国防及高科技

第二代

1958~1964

晶体管

高级程序设计语言

几万~几十万次/秒

工程设计、数据处理

第三代

1965~1970

中、小规模集成电

路

结构化、模块化程序

设计，实时控制

几十万~几百万次/

秒

工业控制、数据处理

第四代

1970~今

在规模、超大规模

集成电路

分时、实时数据处理，

计算机网络

几百万~上亿条指令

/秒

工业、生活等各方面

2）微型计算机的发展：

上世纪 70 年代初，美国 Intel 公司等采用先进的微电子技术将运算器和控制器集成

到一块芯片中，称之为微处理器（MPU）。其发展大约经历了六个阶段，如下表。

微机的六个发展阶段

代次

起止年份

典型 CPU

数据位数

主频

第一代

1971~1973

Intel 4004、8008

4 位、8 位

1MHz

第二代

1973~1975

Intel 8080

8 位

2MHz

第三代

1975~1978

Intel 8085

8 位

2~5MHz

第四代

1978~1981

Intel 8086

16 位

>5MHz

第五代

1981~1993

Intel 80386、80486

32 位

>25MHz

第六代

1993~今

Pentium 系列

64 位

60MHz~2GHz

3）我国计算机的发展情况

我国的计算机事业始于 20 世纪 50 年代。

1952 年我国的第一个电子计算机科研小组在中科院数学所内成立。

1960 年，我国第一台自行研制的通用电子计算机 107 机问世。

1964 年，我国研制了大型通用电子计算机 119 机，用于我国第一颗氢弹研制工作的计

算任务。

20 世纪 70 年代以后，我国生产的计算机进入了集成电路计算机时期。

1974 年，我国设计的 DJS-130 机通过了鉴定并投入批量生产。

进入 20 世纪 80 年代，我国又研制成功了巨型机。

1982 年，我国独立研制成功了银河 I 型巨型计算机，运算速度为每秒 1 亿次。

1997 年 6 月研制成功的银河Ⅲ型巨型计算机，运算速度为每秒 130 亿次。这些机器的

出现，标志着我国的计算机技术水平踏上了一个新的台阶。

1999 年，银河四代巨型机研制成功。

2000 年，我国自行研制成功高性能计算机“神威Ｉ”，其主要技术指标和性能达到国

际先进水平。我国成为继美国、日本之后世界上第三个具备研制高性能计算机能力的国家。

2005 年 4 月 18 日，完全由我国科学界自行研发、拥有自主知识产权的中国首款六十

四位高性能通用 CPU 芯片 CPU———“龙芯二号”芯片正式发布。这款芯片性能经检测已

达到英特尔“奔 3”水平，比 2002 年 9 月 28 日发布的“龙芯一号”提高了 10 倍。

3、计算机的特点：

计算机是高度自动化的信息处理设备。主要特点有处理速度快、计算精度高、记忆能

力强、可靠的逻辑判断能力、可靠性高、通用性强。

1）处理速度快：计算机的运算速度用 MIPS（每秒钟执行多少百万条指令）来衡量。

2）计算精度高：数的精度主要由表示这个数的二进制码的位数决定。

3）记忆能力强：存储器能存储大量的数据和计算机的程序。

4）可靠的逻辑判断能力：具有可靠的逻辑判断能力是计算机的一个重要特点，是计

算机能实现信息处理自动化的重要原因。

5）可靠性高，通用性强。

4、计算机的性能指标：

计算机的主要技术性能指标有主频、字长、内存容量、存取周期、运算速度及其他指

标。

1）主频（时钟频率）：是指计算机 CPU 在单位时间内输出的脉冲数。它在很大程度上

决定了计算机的运行速度。单位 MHz。

2）字长：是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长决定运算精

度。

3）内存容量：是指内存贮器中能存贮的信息总字节数。通常以 8 个二进制位(bit)作

为一个字节（Byte）。

4）存取周期：存贮器连续二次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，单位来

纳秒（ns,1ns=10

-9

s）。存储器完成一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问

时间（或读写时间）。

5）运算速度：是一个综合性的指标，单位为 MIPS（每秒百万条指令）。影响运算速度

的因素，主要是主频和存取周期，字长和存储容量也有影响。

6）其他指标：机器的兼容性（包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备

兼容）、系统的可靠性（平均无故障工作时间 MTBF）、系统的可维护性（平均修复时间

MTTR）、机器允许配置的外部设备的最大数目、计算机系统的汉字处理能力、数据库管理

系统及网络功能等、性能/价格比是一个综合性评价计算机性能的指标。

5、计算机的发展趋势：

计算机的发展趋势是智能化、巨型化、微型化、网络化、多媒体化。

1.2 计算机的类型

1.2.1 内容要点

计算机可按用途、规模或处理对象等多方面进行划分。

1、按用途划分，可分为：

1）通用机：适用解决多种一般问题，该类计算机使用领域广泛、通用性较强，在科

学计算、数据处理和过程控制等多种用途中都能适应。

2）专用机：用于解决某个特定方面的问题，配有为解决某问题的软件和硬件，如在

生产过程自动化控制、工业智能仪表等专门应用。

2、按规模划分，依据 IEEE（美国电气和电子工程师协会）的划分标准，可分为：

1）巨型机

也称为超级计算机，在所有计算机类型中价格最贵、功能最强、其浮点运算速度

最快。多用于战略武器的设计、空间技术、石油勘探等领域。巨型机的研制水平、生产能

力及其应用程度，已成为衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。

2）小巨型机

是小型超级电脑或称桌上型超级计算机，功能略低于巨型机，但价格仅巨型机十

分之一。

3）大型主机

或称大型电脑，特点是大型、通用，具有很强的处理和管理能力，主要用于大银

行、大公司、规模较大的高校和科研院所。在计算机向网络迈进和时代，仍有大型主机的

生存空间。

4）小型机

结构简单，可靠性高，成本较低，对于广大中、小用户，比昂贵的大型主机具有

更大的吸引力。

5）工作站

介于 PC 机和小型机之间的一种高档机，其运算速度比微机快，且具有较强的联网

功能。主要用于特殊的专业领域，如图像处理、计算机辅助设计等。

6）微型机

或称这 PC 机，以其设计先进、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有广大

的用户。PC 机除了台式机，还有膝上型、笔记本、掌上型、手表型等。

3、按处理对象划分，可分为

1）数字计算机：计算机处理时输入和输出的数值都是数字量。

2）模拟计算机：处理的数据对象直接为连续的电压、温度、速度等模拟数据。

3）数字模拟混合计算机：输入输出既可是数字也可是模拟数据。

1.3 计算机的应用领域

1.3.1 知识要点

计算机的应用范围，按其应用特点可分为科学计算、信息处理、过程控制、计算机辅

助系统、多媒体技术、计算机通信、人工智能。

1、科学计算：

指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。一般要

求计算机速度快、精度高，存储容量相对大。科学计算是计算机最早的应用方面。

2、信息处理：

信息处理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分

类、排序、检索和发布等一系列工作。信息处理包括办公自动化（OA）、企业管理、情报

检索、报刊编排处理等。特点是要处理的原始数据量大，而算术运算较简单，有大量的逻

辑运算与判断，结果要求以表格或文件形式存储、输出。要求计算机的存储容量大，速度

则不怎么要求。信息处理目前应用最广，占所有应用的 80％左右。

3、过程控制：

把计算机用于科学技术、军事领域、工业、农业等各个领域的过程控制。且计算机控

制系统中，需有专门的数字—模拟转换设备和模拟—数字转换设备（称为 D/A 转换和 A/D

转换）。由于过程控制一般都是实时控制，有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性

高、响应及时。

4、计算机辅助系统：

有计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机

辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。

5、多媒体技术：

把数字、文字、声音、图形、图像和动画等多种媒体有机组合起来，利用计算机、通

信和广播电视技术，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理（包括对这些媒体的录入、

压缩和解压缩、存储、显示和传输等）的技术。目前多媒体计算机技术的应用领域正在不

断拓宽，除了知识学习、电子图书、商业及家庭应用外，在远程医疗、视频会议中都得到

了极大的推广。

6、计算机通信：

是计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将处在不同地域的计算

机用通讯线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。

7、人工智能：

研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科。其主要任务是建立智能信

息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。人工智能学科包括：

知识工程、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人和神经计算等多方面的研究。

1.4 计算机安全使用与病毒防治

1.4.1 内容要点

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