任务一 计算机基础知识
【情境】
某学校新生入学，为在新生中普及计算机基础知识，将开设一门计算机基础知识选修课程。为了使新生能够全面了解并吸收该课程的内容，任课老师需从计算机发展简史、计算机的分类、计算机的用途、计算机系统组成等方面进行备课。
【相关知识】
1.1 计算机发展简史
计算机诞生至今，已经历了60多年的发展历程。在这期间，计算机经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路（IC）和大规模集成电路（VLSI）四个发展阶段，目前正在向第五个阶段过渡。随着计算机制造工艺的不断进步，系统结构不断优化，计算机每个阶段的性能较上一个阶段都有明显的进步。
1.1.1 第一代计算机：电子管计算机
电子管计算机的代表是ENIAC（Electronic Numerical Internal and Calculator），它是世界上第一台电子计算机，于1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生。这台计算机共用了18000多个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，每小时耗电140千瓦，计算速度为每秒5000次加法运算。尽管功能较弱，但ENIAC的出现，使信息处理技术进入了一个崭新的时代，奠定了21世纪信息时代的发展基调。第一代计算机的主要特征有：
（1）采用电子管元件，体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。
（2）运算速度慢，一般为每秒钟1000～10000次。
（3）使用机器语言，没有系统软件。
（4）采用磁鼓、小磁芯作为存储器，存储空间有限。
（5）输入/输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片。
（6）主要用于科学计算。
1.1.2 第二代计算机：晶体管计算机
随着晶体管技术的诞生、发展、成熟，晶体管成为制造第二代计算机采用的主要元件，称为晶体管计算机。与此同时，计算机软件有了较大发展，出现了诸如监控程序等现代操作系统雏形的程序。第二代计算机有如下特征：
（1）采用晶体管元件作为计算机的器件，体积大大缩小，可靠性增强，寿命延长。
（2） 运算速度加快，达到每秒几万次到几十万次。
（3）提出了操作系统的概念，开始出现了汇编语言，产生了如FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言和批处理系统。
（4）普遍采用磁芯作为内存储器，磁盘、磁带作为外存储器，容量大大提高。
（5）计算机应用领域扩大，从军事研究、科学计算扩大到数据处理和实时过程控制等领域，并开始进入商业市场。
1.1.3 第三代计算机：中小规模集成电路计算机
随着半导体工艺的发展，出现了集成电路元件，集成电路可在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。人们开始采用中小规模的集成电路元件制造计算机，用集成电路制造的计算机比晶体管计算机体积更小，耗电更少，功能更强，寿命更长，综合性能也得到了进一步提高。第三代计算机的主要特征有：
（1）采用中小规模集成电路元件，体积进一步缩小，寿命更长。
（2）内存储器使用半导体存储器，性能优越，运算速度加快，每秒可达几百万次。
（3）外围设备开始出现多样化。
（4）高级语言进一步发展。操作系统的出现，使计算机功能更强，提出了结构化程序的设计思想。
（5）计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。
1.1.4 第四代计算机：大规模集成电路计算机
随着集成电路制造技术的飞速发展，产生了大规模集成电路元件，推动计算机技术发展进入了一个崭新的时代，即大规模和超大规模集成电路计算机时代。这一时期的计算机的体积、重量、功耗进一步减少，运算速度、存储容量、可靠性有了大幅度的提高。其主要特征有：
（1）采用大规模和超大规模集成电路逻辑元件，体积与第三代相比进一步缩小，可靠性更高，寿命更长。
（2）运算速度加快，每秒可达几千万次到几十亿次。
（3）系统软件和应用软件获得了巨大的发展，软件配置丰富，程序设计部分自动化。
（4）计算机网络技术、多媒体技术、分布式处理技术有了很大的发展，微型计算机大量进入家庭，产品更新速度加快。
（5）计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和专家系统等各个领域得到应用，电子商务已开始进入家庭，计算机的发展进入一个新的历史时期。
1.1.5 新一代计算机
从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家和地区都宣布开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型化、网络化发展。
1.2 计算机的特点
1.2.1 运算速度快
运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。运算速度快是计算机的一个突出特点。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次（如ENIAC每秒钟仅可完成5000次定点加法）发展到现在的最高可达每秒几千亿次乃至万亿次。
1.2.2 计算精度高
在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字（如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等），而计算机对数据的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，根据需要甚至可达到任意的精度。
1.2.3 存储容量大
计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。目前计算机的存储容量越来越大，已高达千兆数量级的容量。计算机具有“记忆”这一功能，是与传统计算工具的一个重要区别。
1.2.4 具有逻辑判断功能
计算机的运算器除了能够完成基本的运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。
1.2.5 自动化程度高，通用性强
由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内，工作时按程序的规定操作，一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所不具备的。
1.3 计算机的分类
按照不同的标准，计算机有多种分类方法，主要的分类有：
1.3.1 按照处理的数据类型分类
按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机。
（1）模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。
（2）数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。
（3）混合计算机的主要特点是：可以进行数字信息和模拟物理量处理，通过数模转换器和模数转换器将数字计算机和模拟计算机连接在一起，构成完整的混合计算机系统。
1.3.2 按照运算速度分类
按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法，可分为大型机、巨型机、小型机、工作站和微型机。
（1）大型机具有极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面。在一台大型机中可以使用几十台微机或微机芯片，用以完成特定的操作。可同时支持上万个用户，可支持几十个大型数据库。主要应用在政府部门、银行、大公司、大企业等。
（2）巨型机有极高的速度、极大的容量。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。目前这类机器的运算速度可达每秒百亿次。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能；二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由100台以上的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一个课题，来达到高速运算的目的。
（3）小型机的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。它们已广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。近年来，小型机的发展也引人注目。特别是RISC （Reduced Instruction Set Computer，缩减指令系统计算机）体系结构，顾名思义是指令系统简化、缩小了的计算机，而过去的计算机则统属于CISC （Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机）。RISC的思想是把那些很少使用的复杂指令用子程序来取代，将整个指令系统限制在数量甚少的基本指令范围内，并且绝大多数指令的执行都只占一个时钟周期，甚至更少，优化编译器，从而提高机器的整体性能。
（4）微型机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每2～3个月就有新产品出现，1～2年产品就更新换代一次。平均每两年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格降低一半。目前还有加快的趋势。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统、多媒体技术等领域，并且开始成为城镇家庭的一种常规电器。
1.4 计算机的用途
计算机用途广泛，归纳起来有以下几个方面：
1.数值计算
数值计算即科学计算。数值计算是指应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算。应用计算机进行科学计算，如卫星运行轨迹、水坝应力、气象预报、油田布局、潮汐规律等等，可为问题求解带来质的进展，使往往需要几百名专家几周、几个月甚至几年才能完成的计算，只要几分钟就可得到正确结果。
2.信息处理
信息处理是对原始数据进行收集、整理、分类、选择、存储、制表、检索、输出等的加工过程。信息处理是计算机应用的一个重要方面，涉及的范围和内容十分广泛。如自动阅卷、图书检索、财务管理、生产管理、医疗诊断、编辑排版、情报分析等等。
3.实时控制
实时控制是指及时搜集检测数据，按最佳值对事物进程的调节控制，如工业生产的自动控制。利用计算机进行实时控制，既可提高自动化水平，保证产品质量，也可降低成本，减轻劳动强度。
4.辅助设计
计算机辅助设计为设计工作自动化提供了广阔的前景，受到了普遍的重视。利用计算机的制图功能，实现各种工程的设计工作，称为计算机辅助设计，即CAD。如桥梁设计、船舶设计、飞机设计、集成电路设计、计算机设计、服装设计等等。当前，人们已经把计算机辅助设计、辅助制造（CAM）和辅助测试（CAT）联系在一起，组成了设计、制造、测试的集成系统，形成了高度自动化的“无人”生产系统。
5.智能模拟
智能模拟亦称人工智能。利用计算机模拟人类智力活动，以替代人类部分脑力劳动，这是一个很有发展前途的学科方向。第五代计算机的开发，将成为智能模拟研究成果的集中体现；具有一定“学习、推理和联想”能力的机器人的不断出现，正是智能模拟研究工作取得进展的标志。智能计算机作为人类智能的辅助工具，将被越来越多地应用到人类社会的各个领域。
1.5 计算机系统组成
计算机硬件系统由中央处理器、内存储器、外存储器和输入/输出设备组成。软件系统分为两大类，即计算机系统软件和应用软件。
1.5.1 计算机硬件系统
计算机硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是计算机系统中那些看得见、摸得着的实际物理设备。它包括计算机的主机和外部设备，具体由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部分相互配合，协同工作。现代计算机的工作原理由著名应用数学家冯·诺依曼（Von Neumann）与其他专家于1945年为改进ENIAC而提出，即计算机系统首先由输入设备接收外界信息（程序和数据），控制器发出指令将数据送入（内）存储器，然后向内存储器发出取指令命令；在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器；控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令及运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内；最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果，按照上述原理设计制造的计算机称为冯·诺依曼机，具体如图1-1所示。
图1-1 计算机简单工作原理
概括起来，冯·诺依曼计算机系统结构有3条重要的设计思想：
（1）计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，每个部分都有一定的功能。
（2）以二进制的形式表示数据和指令。二进制是计算机的基本语言。
（3）程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。
1.5.2 计算机软件系统
计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。
1.系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：
（1）操作系统软件，如DOS、Windows 98、Windows NT、Linux、Netware等。
（2）各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序等。
（3）各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等。
（4）各种数据库管理系统，如SQL Sever、Oracle、Informix、Foxpro等。
2.应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种：
（1）用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包。
（2）文字处理软件包，如WPS、Word、Office 2000。
（3）图像处理软件包，如Photoshop、3DS MAX。
（4）各种财务管理、税务管理、工业控制、辅助教育等专业软件。
1.5.3 硬件和软件的关系
（1）硬件与软件是相辅相成的，硬件是计算机的物质基础，没有硬件就无所谓计算机。
（2）软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值。
（3）硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。
【习题】
简述计算机硬件和软件之间的关系。