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EDVAC 。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。

在EDVAC 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，EDVAC 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EDVAC 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。

3．具有很强的“记忆”和逻辑判断能力计算机的存储器使计算机具有“记忆”的功能，它

能够存储大量信息。计算机除了能进行算术运算外，还能进行逻辑运算，做出逻辑判断，并根据

判断的结果自动选择以后应执行什么操作。

4．程序控制下自动操作

计算机与以前所有计算工具的本质区别在于它能够摆脱人的干预，自动、连续地进行各种操作。计算机从正式操作开始，到输出结果，整个过程都是在程序控制下自动进行的。

5．存储容量大目前的计算机配备了大容量的内存和外存，如目前标准配置的微型机内存容量已达512MB ；硬盘容量已达80GB 。