第1章 绪论

1.1 计算机的基本概念

1. 什么是计算机

计算机（Computer）：是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。

• 计算机包括软件和硬件两大部分

计算机能够完成的基本操作及其主要功能：

• 输入：接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描仪等）提供的数据。
• 处理：对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换。
• 输出：将处理所产生的的结果等数据送到相关输出设备。
• 存储：存储程序和数据。

2. 计算机分类

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

　 (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

(1) 巨型计算机（超级计算机）：应用于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达每秒千万亿次，研制巨型机是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。

• 体积最大、速度最快、功能最强、价格也最高
• 主要为国家安全、空间技术、天气预报、石油勘探、生命科学等领域的高强度计算服务
• 美国的Summit、我国的神威·太湖之光都属于超级计算机

(2) 大、中型计算机：具有较高的运算速度，每秒可以执行几千万条指令，而且有较大的存储空间。往往用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用。

• 高性能大容量的通用计算机，标准化的体系结构和批量生产。
• 在银行、税务、大型企业、大型工程设计等领域得到广泛应用。
• IBM eServer z900、zEnterprise EC12等是代表机型。

(3) 小型计算机：规模较小、结构简单、运行环境要求较低，一般应用于工业自动控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面。小型机在用作巨型计算机系统的辅助机方面也起了重要作用。　

• 介于微型计算机和大型计算机之间的一种计算机。

• PDP系列、VAX-11系列等是小型机的代表机型。

• 被高性能微机取代。

  (4) 微型计算机：中央处理器（CPU）采用微处理器芯片，体积小巧轻便，广泛用于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处理。

• 微型计算机主要包括 台式计算机、笔记本计算机、平板电脑，2018年全球销售总量超过4亿台

(5) 工作站：工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。

• 配备有大屏幕显示器、大容量存储器和图形加速卡的微型计算机。

(6) 嵌入式计算机（可归纳为微型计算机）

嵌入到其他设备中并控制其工作的计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的环境。

(7) 服务器：在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。

• 通过网络为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机。
• 强调高速的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力。

3). 按处理对象划分

(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。

3、计算机的特点

1）运算速度快

• 现代计算机一诞生就显示了其在运算速度上的优势，第一台通用电子计算机（ENIAC）的运算速度是每秒5000 次加法，虽然现在看起来是非常慢的，但在当时却是世界上运算速度最快的计算工具。现在世界上最快的计算机的运算速度已达到每秒20亿亿次浮点运算。
• 在国防建设、石油勘探、航空航天和天气预报等领域，快速的高性能计算机有着特殊重要的作用

2) 运算精度高

• 我国古代著名数学家祖冲之用算筹计算出圆周率π的值在3.1415926～3.1415927之间，算出这个精度比西方早了一千多年。
• 英国数学家威廉·尚克斯整整花了15年的时间，才把圆周率π的值计算到小数点后707位。
• 2019年3月14日，谷歌宣布圆周率现已计算到小数点后31.4万亿位

3) 记忆能力强

• 如果按纯文本方式存储，目前常用的1TB的硬盘可以存储50万册100万字的大部头书籍

4) 判断能力好

• 计算机和人下棋/机器人足球比赛/无人驾驶汽车等。

5) 存储程序

• 由于可以存储程序，从而在程序控制下自动运行，无须人工干预，这也是计算机最本质的特点。
• 火星探测器/月球探测器/宇宙飞船等

4、计算机的用途

• 算题（科学计算）
• 制作图案
• 处理文字
• 记录事实
• 控制其他机器
• 游戏
• 发送消息

• 识别语音

• 画图

• 帮助人进行决策
• 模拟世界上的事物
• 制作影视特技
• 帮助人进行设计
• 帮助人制定计划
• … …

5、计算机应用领域

1）科学计算

• 大型工程设计、航空航天、石油勘探、核能利用、地震监测预报和天气预报等。

2）信息处理

• 各种信息管理系统和办公自动化系统

3）过程控制

• 火星探测器、宇宙飞船、汽车自动装配、数控机床、无人机、导弹的巡航飞行等都需要计算机控制。
• 失之毫厘，差之千里。

4) 人工智能

• 1997年IBM公司研制的深蓝计算机系统战胜国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。
• 2016年谷歌公司开发的阿尔法围棋程序（AlphaGo）战胜围棋世界冠军李世石。
• 人工智能在计算机视觉、语音识别、机器翻译、智能安检、智慧医疗等领域得到广泛应用

5）计算机辅助系统

计算机辅助设计（CAD)、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助软件工程（CASE）

6）网络应用

• 根据中国互联网信息中心的统计，截至 2020年3月，中国网民规模达到 9.04 亿，普及率达到 64.5%。
• 即时通信、搜索引擎、网络新闻、网络购物、网上支付、网上银行、旅行预订、网上外卖、微博、网约专车、在线教育、短视频等已广泛融入我们的日常工作与生活中。

6、计算机的发展

1） 计算机的诞生

​ 世界上第一台计算机ENIAC ( Electonic Numerical Integrator And Computer) ,于1946年诞生于美国宾西法尼亚大学，占地170m2,重达30吨，耗电150千瓦，耗资40万美元，可谓“庞然大物”。人民公认，它的问世标志着计算机时代的到来，它的出现具有划时代的伟大意义。

使用了18 000个电子管，1500个继电器以及其他器件,只能存放20个10位的十进制数。运算速度为5000次加法

2）计算机发展的几个阶段

a) 第一代: 电子管

• 采用电子管作为计算机的逻辑元器件，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅数KB。其数据表示主要是定点数，使用机器语言或汇编语言编写程序。
• 第一代电子计算机体积庞大，造价昂贵，用于军事和科学研究工作。
  • 其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。
  • 采用二进制形式存储数据。
  • 程序设计语言为机器语言与汇编语言

b) 第二代：晶体管

• 主要特点：

  • 用晶体管代替了电子管。
    • 采用磁芯存储器作主存、磁盘与磁带作辅存。
    • 出现了 Fortran 等高级语言，出现了操作系统的雏形—监控程序
    • 出现了超级计算机

  c) 第三代：集成电路

• 主要特点

  • 用集成电路取代了晶体管，体积大为缩小。
  • 用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。
  • 走向了系列化、通用化和标准化。
  • 操作系统有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计方法。
  • 出现了价格便宜的小型计算机，拓展了计算机的应用范围。

d) 第四代：大规模/超大规模集成电路

• 主要特点

  • 用微处理器或超大规模集成电路取代了普通集成电路。

  • 存储容量进一步扩大。

  • 高级程序设计语言得到广泛应用。

  • 微型计算机进入了千家万户

  • 互联网广泛应用，形成所谓的地球村。
  • 超级计算机也得到快速发展。
  • 移动互联网、大数据、人工智能、云计算等现代信息技术广泛应用于人们的日常工作与生活中

• 应用领域

  • 几乎覆盖到人类生活的各个领域。

• 代表机型

  • IBM 4300系列、3080系列、3090系列、eServer z900系列、eServer z990系列、zEnterprise EC12系列。
  • 联想、惠普、戴尔的台式机/笔记本，苹果的iPad。

e) 第五代计算机

(1) 研究目标

• 使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，实现接近人的思维方式。
• 由于各种因素的制约，并没有完全实现预期的研究目标，所以目前的计算机仍属于第四代计算机
• 虽然第五代计算机的研制没有达到预期目标，但人们一直在探索研制新型计算机。
• 量子计算机/超导计算机/光计算机/生物计算机。
• 新型计算机的共同特点：速度更快、存储容量更大、更节能，但要达到实用还需要时间。

（2）生物计算机（用蛋白质分子替代晶体管，速度是当今的10万倍，耗能是普通计算机的十亿分子一）

（3）量子计算机（理查德·费曼提出，半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子计算机则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。 ）

（4）智能计算机

3）计算机的发展趋势

（1）巨型化

• 巨型化是指计算机存储容量特别大、运算速度特别快、功能特别强，当然体积也大、成本也高。
• 巨型机可以解决一些特别复杂的高强度计算难题，如中长期天气预报、地震监测预报、地质勘探等。
• 巨型机一般安装在超级计算中心
  • 目前世界上运算速度最快的计算机是IBM公司研制的名为Summit的超级计算机，其浮点运算速度可达每秒20亿亿次。
  • Summit由4608台计算服务器组成，历时4年研制成功，耗资2亿美元，占地面积相当于两个网球场大小

（2）微型化

• 在保持计算机功能的前提下，使其体积越来越小。
• 台式机、笔记本、平板电脑、智能手机等都是微型化的计算机

（3）网络化

• 实现网络化，才能真正做到即时通信、资源共享、协同工作，计算机才能发挥更大的作用，给人们的日常工作和生活带来更大的便利。

（4）智能化

• 计算机处理过程化的计算工作及事务处理工作已经达到了相当高的水平，是人力望尘莫及的。
• 如何让计算机具有人脑的智能，模拟人的推理、联想、思维等功能，是一个重要发展方向。
• 近几年人脸识别、语音识别、机器翻译、智慧医疗等领域都有实用产品出现