大学计算机基础教程

第1章绪论

电子计算机是20世纪人类最伟大的技术发明之一，是科学技术和生产力发展的结晶。第一台计算机于1946年诞生至今，已有半个多世纪。目前计算机及其应用已经渗透到社会生活的各个领域，有力的推动了整个信息社会的发展。在21世纪，掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识和应用技术已经成为现代大学生必备的基本素质，计算机基础知识和应用能力是现代大学生知识结构的重要组成部分。

1.1 计算机的产生和发展

1.1.1 电子计算机的问世

1946年2月，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为“电子数值积分器和计算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，简称埃尼亚克（ENIAC），如图1-1所示。这台计算机占地167m2 ，重达30余吨，运算速度只有5000次/秒。这台计算机从1946年2月开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，服役9年多。虽然它每秒只能进行5000次加减运算，但它预示了科学家将从繁重的计算中解脱出来。至今人们公认，ENIAC 机的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。

图1-1 ENIAC机

ENIAC机本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了。在ENIAC尚未投入运行前，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（图1-2）就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换的改造。在短短10个月里，冯·诺依曼迅速把概念变成了方案。他和他的同事研制了人类第二台计算机，新机器方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写EDV AC。1945年6月，冯·诺依曼与戈德斯坦等人，联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。

图1-2 冯·诺依曼

在EDV AC报告中，冯·诺依曼明确规定出计算机的五大部件：运算器CA、逻辑控制器CC、存储器M、输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。与ENIAC 相比，EDV AC的改进首先在于冯·诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。

自冯·诺依曼设计的EDV AC计算机始，直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的“传人”，大大小小千千万万台计算机，都没能够跳出“诺依曼机”的掌心。冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向，从这个意义上讲，他是当之无愧的“电子计算机之父”。当然，随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但冯·诺依曼对于发展电脑做出的巨大功绩，永远也不会因此而泯灭其光辉。

世界上第一款商用计算机是1951年开始生产的UNIV AC计算机。1947年，ENIAC的两个发明人莫奇莱和埃克特创立了自己的计算机公司，生产UNIV AC计算机。计算机开始作为商品出售。莫奇莱和埃克特以及他们的UNIV AC计算机奠定了计算机工业的基础。

1.1.2 计算机的发展

近60年来，计算机技术的发展突飞猛进。根据计算机采用的物理器件，一般将计算机的

发展分为4个阶段。

1．第一代计算机——电子管计算机（1946年～1957年）

第一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，第一代计算机每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。这个时期计算机的特点是：体积庞大，运算速度慢，可靠性差，耗电量大且维修困难。第一代计算机主要用于军事和科学研究工作。

2．第二代计算机——晶体管计算机（1958年～1964年）

第二代计算机的基本特征是其逻辑元件逐步由电子管改为半导体晶体管，内存所使用的器件大多使用磁芯存储器。运算速度可达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。与此同时，计算机软件也有了较大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级编程语言。相对于第一代计算机而言，第二代计算机的特点是：体积减少，重量减轻，耗电量减少，运算速度加快，可靠性增强。第二代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理。

3．第三代计算机——中、小规模集成电路计算机（1965年～1970年）

随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几mm2的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代计算机的基本特征是其逻辑元件采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）。第三代计算机的运算速度可达每秒几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件越来越完善。其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算速度、可靠性等进一步增加。这一时期，计算机开始广泛应用在社会的各个领域。

4．第四代计算机——大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今）

进入20世纪70年代以来，计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。目前，计算机的速度最高可以达到每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已经成为现代工业的一部分。

1.2 计算机的分类

1.2.1 计算机的特点

1．运算速度快

由于计算机是由高速电子器件构成，加之能自动连续工作，因而具有很高的运算速度。现代巨型计算机的速度已达每秒万亿次，其一秒钟完成的计算量，相当于一个人用手工计算几十年的工作量。计算机的快速运算为人们赢得了时间。

2．计算精度高

计算机内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越多，精度也就越高，因此计算精度可用增加位数（字长）来获得；另外还可通过算法来提高精度。