1.1　计算机基本原理和分类

计算机具有强大的存储能力、快速的计算能力以及精确地按照命令执行任务的能力，这就决定了计算机擅长于执行快速计算、数据分类及在具有海量信息的大型信息库中检索信息，而且可以做得更快和更精确。

1.1.1　计算机基本原理

1.计算机系统结构

根据冯·诺依曼理论，目前计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大逻辑结构组成，如图1-1-1所示。

（1）控制器是计算机的主控部件，是计算机的指挥中心，计算机的各个部件在控制器的控制下有条不紊地协调工作。

（2）运算器又称为算术逻辑单元，可用于算术运算和逻辑运算，是计算机进行数据运算的部件。控制器、运算器与一些必需的存储部件（寄存器及缓存等）通常制作在同一块半导体芯片中，称为中央处理单元（Central Processing Unit），即CPU。

（3）存储器是计算机中的记忆部件，用于存放程序、数据以及程序运算结果。

（4）输入设备负责将待处理的程序和数据读入计算机中。

（5）输出设备用于将计算机处理后的结果转化为字符、声音、图像等内容输出。

2.计算机四个基本功能

计算机对程序和数据进行处理的工作流程如图1-1-1所示。可以看到，程序与数据（统称信息）通过输入设备输入到存储器中，控制器从存储器中按一定顺序读取程序指令，对指令进行解析并发出相应的控制信号；在控制器的控制下，运算器从存储器读取数据，对其进行运算，并将运算结果（包括运算的中间结果）传回存储器中；最后，在控制器的控制下，将运算的最终结果通过输出设备输出。由此构成了以存储器为中心的现代计算机体系结构。可见，计算机具有输入、处理、存储和输出信息四个基本功能。

（1）输入：将数据输入到计算机中。数据是用来描述人、事件、事物和思想的文字、数字、图像等，数据的输入有多种方式，如图1-1-2所示。例如，通过键盘输入数据和来自网络中另一台计算机的输入等。常用的输入设备有键盘、鼠标、数码照相机和话筒等。

（2）处理：计算机以多种方式操作数据并将其转换成有用信息，通常称这种操作为“处理”。计算机处理数据的方式包括数学计算、数据分类和查询、数据修改等。

计算机中的处理单元称为中央处理单元（CPU），负责从内存中获取数据，对数据进行处理，并将结果存放到内存中。中央处理器与内存的关系最为密切，通常把这两者和一些必需的电子器件统称为计算机的主机。

（3）存储：输入的数据在进行处理之前先被存储到计算机的存储单元中。存储单元用于将输入的数据、处理中的临时数据、处理后的结果数据进行存储。众多的存储单元集合起来，就形成了计算机中的存储设备——存储器。存储器可分为内存和外存。

①内存也称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与外部存储器交换的数据。内存的特点是存取速率快，但是一旦关机则暂存在内存中的数据会丢失。

②外存也称为外存储器，是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器，此类存储器在断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、光盘、U盘等。外存的特点是能长期保存信息，并且不依赖于供电来保存信息。硬盘、光盘由机械部件带动，读取数据速度与内存和U盘相比就显得慢一些。

（4）输出：数据在处理完成后通常需要输出结果，可以输出数据处理结果的设备称为输出设备。常见的输出设备包括显示器、打印机、音箱、投影仪、绘图仪等，如图1-1-2所示。另外，外存储器及触摸屏等设备都是既可输入又可输出的外设。

1.1.2　计算机的特点和分类

1.计算机的特点

计算机的英文名称是Computer，它是一种以程序控制操作过程、高速进行运算、内部存储数据的信息自动处理电子设备。它具有强大的存储能力、快速的计算能力以及精确地按照命令执行任务的能力，擅长快速计算、数据分类、存储大量信息，并可以快速和精确地检索信息。计算机的特点主要可以归纳为以下几个方面：

（1）精确的计算能力：计算机的计算精度可以达到几十位有效数字。

（2）高速的运算能力：目前计算机的运算速度已经达到每秒万万亿次以上，使大量的复杂的科学计算问题得到解决。

（3）准确的逻辑判断能力：计算机可以进行逻辑判断，根据判断结果来确定下一步执行的工作。

（4）强大的存储能力：不管是主存储器（内存）还是辅助存储器（外存）的存储量都不断大幅度提高，可以保存的各种信息越来越多。

（5）自动功能：计算机可以执行人们预先设计好的程序，并在程序的控制下自动工作，不需要外部人的干预，直到完成整个工作。

（6）适用范围广：计算机的应用范围越来越广，通用性越来越强，不但可以用于科学计算，还可以进行多媒体处理、各种类型信息的检索，以及网络通信等。

2.计算机的分类

按照计算机处理数据的类型划分，有模拟计算机、数值计算机和数字模拟计算机。按计算机用途划分，有通用计算机和专用计算机，PC（Personal Computer，个人计算机）就是通用计算机。按照计算机的性能划分，可以分为以下几种，简介如下：

（1）巨型计算机（Super Computer）：人们通常把最大、性能最好、运算速度最快、价格最高的计算机称为巨型计算机（超级计算机）。巨型机主要用于大型计算任务，比如科学研究、战略武器设计、天气预报、分子模型和密码破译等。世界上只有少数几个国家能生产巨型计算机。2010年，我国成功研制出了千万亿次巨型机“天河一号”。

（2）大型通用机（Mainframe）：大型通用机具有高可靠性、高数据安全性和中央控制等特点，它通常包括多个处理单元。用来同时执行多个程序。它适合于处理管控大型机构的资料，例如航空公司、银行、政府、大学等。生产大型主机的公司有IBM、DEC等。随着微机与网络的发展，许多计算机中心的大型通用机正在被高档微机群取代。

（3）小型计算机（Minicomputer）系统：它简称为小型机，比大型机存储容量小，且功能弱很多，一般为中小型企事业单位或某一部门所有。随着集成电路的发展，小型计算机已被配置较高的微型计算机取代。

（4）微型计算机：也称微型机，早在20世纪70年代就有了微型计算机。近10多年来发展速度迅猛，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。根据微型机是否由最终端用户使用，可以分为独立式微机（即人们通常所用的台式计算机、笔记本式计算机和掌上计算机等）和嵌入式微机（或称嵌入式系统）。独立式微型计算机（即个人计算机）应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、多媒体技术等领域，已成为家庭的常规电器。嵌入式微机作为信息处理部件安装在应用设备当中，例如电冰箱、医疗设备、洗衣机和手机等。

微型计算机按照结构可分为单片机、单板机（是嵌入式微机）、多芯片和多板机。

（5）工作站（Workstation）：它是介于微型计算机和小型计算机之间的一种高档微型计算机。工作站具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。它主要用于图像处理、计算机辅助设计（CAD）等领域。

（6）服务器（Server）：服务器是网络环境中的高性能计算机，它侦听网络上的其他计算机（客户机）提交的服务请求，并提供相应的服务。服务器的高性能主要体现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。服务器的构成与微机基本相似，有处理器、硬盘、内存、系统总线等，它们是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在很大差异。服务器通常可分为文件服务器（能使用户在其他计算机访问文件）、数据库服务器和应用程序服务器。

随着计算机技术的发展，各类计算机之间的界限并不十分明显，例如现在的个人计算机的容量、速度、性能已大大超过了前几年的大型机。

1.1.3　微型计算机系统和主要性能指标

微型计算机系统包括微型计算机的硬件系统和软件系统。硬件系统包括中央处理器、存储器、总线和计算机外围设备等，软件系统可分为系统软件和应用软件。

1.计算机硬件系统

1）中央处理器、存储器和总线

（1）中央处理器：在真实的计算机系统中，控制器、运算器与一些必需部件（寄存器及缓存等）常制作在同一块半导体芯片中，称为中央处理单元，即通常所说的CPU。在计算机中，CPU负责执行指令、处理数据，是计算机硬件系统的核心部件。因为计算机类型不同，所以其CPU也有所不同。大型机的CPU通常包含多个集成电路和电路板。而在微型计算机系统中，中央处理单元就是一个称为微处理器的单个集成电路。

所谓计算机的升级换代，实际上主要是指中央处理器的升级换代。微型计算机升级换代的最重要标志是主频的提高和字长的增大。

（2）存储器：计算机中用于存储数据的部件称为存储器（Memory），它用于存放程序、数据以及程序运算的结果。在计算机系统中存储器按其性能和用途的不同，分为内存和外存，如图1-1-3所示。内存又分为随机存储器和只读存储器，简介如下：

①随机存储器（RAM）：RAM是计算机系统中用于存储正在运行的程序和等待进行处理的数据、数据处理的中间结果及等待输出的最终数据等内容的部件。例如，当需要处理一份Word电子文档时，该文档及相应的处理程序（Word）都被调入RAM中，等待对相应数据进行处理。

RAM只有在通电的情况下才能存储和修改数据，一旦断电，其中的数据就会永久丢失。因此要在断电前将其内的数据转存到能长期保存数据的外存储器中。

②只读存储器（ROM）：ROM保存一个称为BIOS的小型指令集合。开机时，先执行BIOS中的指令来进行一系列的开机自检，对计算机中的基本硬件进行检测，检测完成后，中央处理器再执行BIOS中的指令来搜索磁盘上的操作系统文件，将这些文件调入随机存储器中，再进行后续其他工作。

ROM中的指令和数据是永久保存的，断电后不会丢失，也不可以更改其内的数据。

（3）总线：是计算机内部各个部件之间传输数据的公共通道，它包括控制总线、数据总线和地址总线。控制总线负责传递控制信号，指挥各个部件进行调协工作；数据总线负责传输数据；地址总线则负责传送数据的地址，计算机依赖这个地址来寻找需要处理的数据。衡量总线性能指标的主要因素有以下几项：

①总线宽度：它的单位是位（bit），数据总线宽度即计算机的字长。地址总线的宽度决定了计算机CPU可以访问的物理地址的大小。如果地址总线的宽度为32位，则最多可以直接访问的物理空间为232字节，即4096MB。

②总线速度：是指在某一给定时间（通常是1s）内总线能传输数据的次数，因此又称为总线频率，它的单位是赫兹（Hz），即每秒多少次。目前的总线频率通常在百万赫兹以上，常用单位为MHz。例如：一个总线速度为100MHz，总线宽度为32位的总线，能每秒发送100000000次数据，每次为32位，则理论上在1s内总共可以发送的数据为32亿（3200000000）位数据。

③传输速率：它用于衡量一秒内有多少数据从一个设备传输到另一个设备，单位为Mbit/s（Million bits persecond），即每秒多少兆位。

2）计算机外围设备

（1）硬盘：操作系统、程序、数据文件通常都存储在硬盘中。虽然比RAM慢很多，但它的存储量很大，速度比光盘驱动器要快很多。为了能在磁盘片上的指定区域读写数据，必须将磁盘划分为若干个有编号的记录信息的同心圆区域，称为磁道，如图1-1-4所示。磁道从外向内依次编号，最外一条磁道为0磁道。每条磁道又分为若干扇区。

每个盘片有两个盘面，也称为记录面，记录面也依次编号为0面和1面。经这样的约定后，就可用n记录面、i磁道、j扇区所表示的盘面地址去找到磁盘上相应的记录区。扇区是磁盘地址的最小单位，各扇区可记录等量的数据，一般每个扇区的容量是512B。与主机交换信息是以扇区为单位进行的。磁盘的存储容量可用如下公式计算：

容量=磁道数×扇区数×扇区内字节数×面数×磁盘片数

硬盘一般由多个硬盘片组成，每个盘片有上、下两个磁头，磁头同时作径向运动进行寻道，因此称所有盘片的同一磁道为一个柱面，并用磁头号区分同一柱面上的不同磁道。一般硬盘都固定在机箱内，还有一种可以放在机箱外边，通常把它称作移动硬盘。

硬盘的访问速度和传输速度通常都较慢，不能被处理器直接访问。

（2）光盘驱动器和光盘：光盘（Optical Disc）是使用激光扫描的方式记录和读出保存信息的一种介质。光盘驱动器（简称光驱）是用来读写光盘内容的机器。目前最常用的光盘种类包括CD、DVD和蓝光光盘。

①CD（Compact Disc）是一种用以存储数字资料的光学碟片，原被开发用作存储数码音乐，其后被用作存储资料，称为CD-ROM。可录式光盘随后面世，包括只可录写一次的CD-R及可重复录写的CD-RW。CD是个人计算机领域最为广泛采用的存储媒体之一。

②DVD是一种光盘存储器，通常用来播放标准电视机清晰度的电影、高质量的音乐及作大容量存储数据之用。DVD盘片外形和尺寸与CD光盘很接近，但DVD的密度远高于CD，访问DVD和CD的激光波长也完全不同。DVD-ROM是数字视频只读光盘驱动器，DVD+RW和DVD-RAM是可擦写格式的DVD光盘技术。

③蓝光光盘（Blu-ray Disc，BD）是DVD之后的下一代光盘格式之一，用以存储高品质的影音以及大容量的数据。

（3）U盘（闪存）：由于闪存的数据是存放在芯片中的，因此一般都具备100万次的擦写能力，数据可保存10年。它还具备抗震、防潮、读写速度快、体积和重量很小等优点。闪存的附加功能有启动、引导功能等。绝大多数闪存采用USB接口，无须外接电源。采用USB 3.0接口以后，闪存的读写速度可达4.8Gbit/s，比USB 2.0接口快10倍。

（4）键盘：它由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。每按下一个键相当于接通了相应的开关电路，把该键的字符转换为计算机可以识别的编码，通过接口电路送入主机。键盘多使用键盘专用串行接口与主机相连。

微型计算机所配置的标准键盘共有101个按键，分为主键盘区、副键盘区、功能键区和小键盘区4个区域，如图1-1-5所示。键盘的种类较多，新增了许多实用的按键，但基本的按键仍和标准键盘一样分为4个区域。

（5）鼠标：它主要用来进行光标定位或用来完成某种特定的输入。在一些用户界面十分友好和完善的大型软件和系统软件中，用鼠标来绘制图形也更加直观明了，操作变得十分方便、生动，大大提高了工作效率。一般来说，当使用鼠标的软件系统启动后，在计算机的显示屏中会显示一个“指针光标”，其形状一般为—个箭头状。鼠标的种类很多，常用的鼠标有机械式和光电式两种。

鼠标的基本操作有5种：移动、单击、双击、右击、拖动。使用鼠标的明显优点是操作简单、直观、移动速度快。当需要计算机做一项工作时，只需要把鼠标指针移动到屏幕上相应的位置，然后再单击、双击、拖动或右击等，即可向计算机发出执行工作的命令。这要比用键盘输入命令更简单、更直观，也更不容易出错。

（6）显示器与显卡：它们构成了计算机的显示系统，是重要的输出设备。显卡负责将数字信号转化为图像和文字信号输出到显示器，显示器负责显示图像和文字。

显示器种类很多，目前主要由LCD显示器（液晶显示器）和LED显示器（发光二极管显示器）。LCD显示器轻薄、环保、辐射低，缺点是图像不够细腻，视角不开阔。LED显示器与LCD显示器相比较，在色彩、亮度、可视角度、屏幕更新速度和功耗等方面都具有优势，视角在160°以上，屏幕更新速度更快。

显卡又称为显示适配器，它是主机与显示器之间连接的“桥梁”，其工作就是控制计算机的图形输出。可以将显卡大致分为两大类型，即“独立显卡”和“集成显卡”。显示芯片是显卡的大脑，它负责处理各种各样的图像函数。如果把显卡比作一台小型计算机的话，显示芯片则相当于CPU，它大致决定了该显卡的性能。显卡上除了显示芯片外，最重要的元件就是显存，它用于存储显示芯片处理后的数据。

（7）声卡与音箱：声卡的出现标志着多媒体计算机时代的开始。它使计算机可以看电影、听音乐。没有声卡，再好的声音也出不来。声卡通过一个名为“模数转换器”（A/D）的元件，用麦克风等设备将声音（模拟信号）输入A/D中，然后将声音转换成数字信号；当需要播放这段声音时，声卡再通过“数模转换器”（D/A）将数字信号还原为模拟信号，最后传输到音箱播放出来。声卡可分为独立声卡、集成声卡两大类。

音箱分为有源音箱和无源音箱两类。有源音箱就是音箱和放大器是组装在一起的，也是我们在市面上看到的计算机多媒体音箱，而无源音箱的放大器是独立于音箱外的。最简单的音响系统包括音源、功率放大器和音箱3个环节。

（8）机箱与电源：机箱与电源也是计算机中的重要设备。机箱最前面的是“前面板”，前面板上有电源开关、复位开关等按钮，另外还有电源指示灯和硬盘工作指示灯。

机箱两侧的两块大挡板是可以拆下来的，打开侧面的挡板后可以看到机箱内部结构。机箱内部有电源安装支架，有若干个5英寸和3英寸（1英寸=2.54厘米）驱动器支架，还可以安装主板。

对于电源而言，功率的大小代表的是电源的工作能力——电源的工作就是为其他硬件输送电力，而功率的大小则代表电源能够输送出去的电源功率。电源的参数包括额定功率、最大功率（输出功率）、峰值功率等。

（9）打印机：它用于将文字或图像打印到纸张、胶片上，可脱离计算机单独使用。其性能指标通常包括速度（单位ppm）和最大分辨率（单位dpi）。常见的打印机分为3种：点阵打印机、喷墨打印机和激光打印机，简介如下：

①点阵打印机也称击打式打印机，它的打印速度慢，不能打印清晰的图案，因此，除了有特殊需求的票据打印等还用它外，其他地方基本上已不再使用。

②喷墨打印机：它是当前市场占有率较高的打印机，其特点是打印的图像清晰，打印机便宜，但耗材较贵，速度较快。

③激光打印机：它提供了最好的打印质量，最快的打印速度，其价格较高，但是它的平均打印成本却是最低的，适用于经常大量打印。

（10）扫描仪：它用于将图案或文字扫描到计算机文件中，如果是文字内容，还可以进一步通过OCR软件将文字识别出来，进行加工编辑。

2.计算机软件系统

软件让计算机具有强大的功能，能够处理文档和播放视频等。软件在硬件基础之上创建了一个友好的使用环境。它一方面与用户进行交互，获取用户输入的数据；另一方面与硬件进行交互，指挥硬件对数据进行处理，并将处理结果以用户所需形式返给用户，如图1-1-6所示。

软件可分为系统软件和应用软件，系统软件直接与计算机硬件打交道，负责将应用软件的命令解释成硬件指令，指挥硬件完成工作。应用软件在用户的指导下完成具体任务。应用软件是为解决实际问题而编制的计算机应用程序和有关资料。对于一般使用者来说，只要选择合适的应用软件并学会使用该软件，就可以完成自己的工作任务了。系统软件和应用软件的分类如图1-1-7所示。

系统软件和应用软件的简介如下：

（1）系统软件：可分为操作系统、支撑系统与编程软件等类型。其中，操作系统负责与硬件打交道，管理计算机资源，提供良好的界面等功能；支撑系统包括可以维护、支持计算机进行正常工作的各种驱动程序、错误诊断软件等；编程软件则提供了对计算机应用的开发能力，程序设计者可以通过编程语言编写特定的软件，对计算机功能进行扩充。

操作系统是系统软件中最重要的一类，也是绝大多数的软件能够得以运行的基础。操作系统负责管理软/硬件资源，控制程序执行，组织计算机的各个部分协调工作，为用户使用计算机提供友善的人机交互界面。操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统对计算机硬件系统的功能进行第一次扩充，在硬件基础上提供了许多新的方法和功能，从而使用户能够方便、可靠、安全、高效地操作计算机硬件和运行自己的程序。经过操作系统改造和扩充后的计算机功能增强了，并将硬件的复杂性与用户之间隔离开来，使用也更为方便，用户和应用程序可以直接调用操作系统所提供的功能来操作计算机硬件，而无须知道硬件的具体操作细节。当前使用的操作系统多是图形界面的操作系统，这些操作系统均采用鼠标/键盘操作，界面是我们熟悉的窗口、菜单形式，易学易用。目前，常见的操作系统有DOS、Windows、Mac、Linux等多个系列。

（2）应用软件：可分为办公、图像/多媒体、家用/娱乐、网络通信等多种类型，每一类型又可分为相关的多种类型。应用软件是实现计算机绝大多数功能的主要工具。

由于应用软件必须运行在操作系统平台上，对于不同的操作系统，具体的处理方法也不一样，在Windows操作系统下运行的应用程序就无法运行在命令行界面的DOS操作系统中，也无法运行在图形界面的Mac操作系统中。

①商务办公软件：这一类软件主要用于商务处理、办公文档等方面，包括文字处理软件、电子表格软件、演示文稿软件、财务管理软件等。目前使用比较多的文字处理软件是微软的Microsoft Word和金山的WPS。电子表格软件主要用于制作各种电子表格，进行数据计算和分析等。目前，常用的电子表格软件有Microsoft Excel和Loutes。演示文稿软件用于制作各种演示幻灯片，主要用于展会演讲、产品推广、商务计划、教学课件等。目前，常用的演示文稿软件主要有Microsoft PowerPoint。

②图像与动画软件：这一类软件主要用于图像处理、三维动画与计算机辅助设计等。图像处理软件主要用于图像绘制、广告制作、照片编辑等。图像可分为位图图像与矢量图像两类，因此，图像处理软件也可以分为位图处理与矢量图处理两大类。处理位图的软件主要有Photoshop等。处理矢量图像的软件主要有CorelDRAW、Illustrator等。此外，还有可用于制作矢量动画的Flash。三维动画制作软件有Maya、3ds Max等。计算机辅助设计（CAD）软件和计算机辅助制造（CAM）软件用于建筑制图、景观设计、产品设计、工程制图等。常用的计算机辅助设计软件有AutoCAD。

③网络通信软件：这一类软件用于网络和通信方面的应用。常用的网络通信软件有网页浏览软件IE（Internet Explorer）和Chrome、邮件管理软件OutLook和Foxmail、下载软件FlashGet、即时通信软件QQ和MSN、网页设计软件Dreamweaver等。此外，还有查杀毒软件、加密/解密软件、系统优化软件等专用的实用工具软件。

3.计算机基本性能指标

（1）位：计算机是以二进制工作的，二进制数是以电信号电平高低来表示的。1个高电平或低电平（即0或1）代表1位，单位为bit。8位（即8个二进位数）为1个字节，单位为B。例如，10101010为1个字节，其中每个数字为1位。

（2）字长：字长是指处理器一次能够处理的二进制数据宽度。即处理器把一组二进制数据作为一个整体，并行参加运算、存储或传送。例如，字长为64位的计算机，可以直接进行64位二进制数的运算，存储器的一个单元可以存放64位二进制数，传输数据中可以同时并行传送64位二进制数。可以看出，字长直接关系到计算机的计算精度、功能和速度。字长越长，计算机一次能处理的信息越多，计算机的性能越高。

（3）主频：主频也称时钟频率，单位是MHz和GHz。计算机由一个系统时钟电路用来定时发出脉冲以控制各部分电路有序、协调地工作。系统时钟决定了数据传输和指令执行的速度或频率，决定了计算机在单位时间内所能执行的指令数。主频只是系统整体性能的一方面，主频高的计算机整体性能并非就一定高。

（4）运算速度：通常所说的计算机的运算速度（平均运算速度），是指每秒所能执行的加法指令的条数。一般用百万次/秒（MIPS）来描述。

（5）存储容量：它是指存储器所能容纳的信息量。内存的存储容量称内存容量，外存的存储容量称外存容量。存储容量以字节为单位，在实际应用中以KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）为单位进行计算，1KB=210B=1024B，1GB=210KB=1024KB，1TB=210GB=1024GB。当前主流计算机系统内存的存储容量使用MB或GB来衡量，能达到4GB以上。

（6）数据宽度与内存带宽：数据宽度表示内存可以同时传输数据的位数，以bit为单位。数据宽度越高，则可以同时传输的数据越多。内存带宽指内存的数据传输速率，以MB/s为单位。传输速率越高，则同一时间内可传输的次数越多，传输速度也越快。

（7）存取周期：也称为内存访问速度，是指处理器发出指令后，需要多少时间才能从内存中读/写所需的数据。由于处理器工作速度很快，如果要它等待从内存中取数据，就会导致处理器速度下降。因此内存的存取周期越短，则处理器的等待时间就越少，计算机的性能就越高。现在计算机内存的访问速度都以纳秒（ns）为单位进行计算。当前计算机的内存访问速度一般是在几纳秒（1纳秒为1秒的十亿分之一）。

以上只是一些主要性能指标。不能根据一两项指标来评定一种微型机性能的优劣，需要综合考虑。此外，还要考虑到配置合理、使用方便和性价比等方面。

1.1.4　计算机的发展和应用

1.计算机的发展

1）第1代计算机（1946—1959年）

1946年，世界上第一台由电子管构成的数字式电子计算机ENIAC（全称叫“电子数值积分计算机”）问世于美国宾夕法尼亚大学，如图1-1-8所示。ENIAC电子计算机由18000多个电子管组成，占地170m2，总重量为30t，耗电150kW，运算速度为每秒能进行5000次加法、300次乘法。其是计算机发展历史上的一个里程碑。

第1代计算机的体积大，运算速度慢，存储容量小，价格昂贵，使用不方便。主要用于科学计算，只在重要部门或科学研究部门使用。

2）第2代计算机（1959—1964年）

它也称为晶体管计算机，其硬件以晶体管为基本逻辑电路元件，主存储器全部采用磁心存储器，外存储器采用磁鼓和磁带。计算机的体系结构也从第1代的以运算器为中心改为以存储器为中心，从而使计算机的速度提高、体积减小、功耗降低、可靠性增强。

3）第3代计算机（1964—1972年）

它也称为集成电路计算机，其硬件采用中、小规模集成电路为主要逻辑电路元件，主存储器从磁心存储器逐步过渡到半导体存储器，使得计算机体积进一步减小，运算速度、运算精度、存储容量以及可靠性等主要性能指标大为改善。

4）第4代计算机（1972年至今）

计算机进入了超大规模集成电路时代，其硬件采用大规模和超大规模集成电路，主存储器采用半导体存储器。伴随超大规模集成电路集成度的不断提高，微处理器不断发展，微型计算机也随之迅速发展。微处理器是一种超小型化的电子器件，它把计算机的运算器、控制器等核心部件集成在一个集成电路芯片上。微处理器的出现开辟了计算机的新纪元。世界第一台微型计算机Apple II如图1-1-9所示。在此期间，计算机外围设备和软件业得到迅猛发展，出现了面向对象的程序设计思想，广泛应用数据库技术、发展网络技术。随着超大规模集成电路的广泛应用，计算机在存储容量、运算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。

在这一阶段中，计算机主要在以下几个方面不断发展：

（1）微型化：是指计算机的体积更小、功能更强、可靠性更高和价格更低。

（2）巨型化：是指运算速度更高（千万亿次以上）、存储量更大的巨型计算机。

（3）智能化：是指模拟人的感觉和思维的能力，例如语音识别、指纹识别等。

（4）网络化：是将计算机技术和现代通信技术相结合，它有非常广泛的发展前景。

2.计算机的应用

计算机的高速度、高精度、大存储量等特点使其被广泛应用于社会的各个领域，计算机的应用主要可概括为以下几个方面：

（1）科学研究和科学计算：发明计算机的主要目的就是用于科学计算，辅助科学研究。由于计算机具有远高于人类的运算速度和精度，因此可以完成大量用手工无法完成的计算，从而节省科学研究的时间和人力、物力资源。例如：使用软件MATLAB可以进行数值分析、矩阵运算和绘图；使用Gaussian可以进行原子轨道域计算等。

（2）生产和管理自动化：使用计算机对生产过程中的特定信号自动进行检测和采集，再将采集的数据传送到计算机中进行处理，然后反馈到特定的仪器中进行相应操作，这是生产管理自动化的主要手段和技术。例如，在导弹的发射中，用计算机随时检测和采集导弹的空中位置，一旦偏离预定的轨道，立刻通过无线信号精确调整。工业自动化使劳动生产效率大大提高，劳动强度减轻，能源消耗减少，生产成本降低。

（3）信息传输和信息处理：因为计算机强大的数据处理功能，所以人们普遍利用计算机获取、编辑、存储和管理各种形式的数据资料。当今社会信息无处不在，符号、文字、图形、图像、声音、动画和视频都是信息。网络技术迅猛发展使利用计算机处理信息更加快捷和方便，信息资源被广泛共享。例如：交互式应答系统可以使用户通过语音指令或任何电话终端来获取所需信息；Adobe公司出品的Photoshop是一款功能强大应用广泛的专业图片编辑和处理软件；甲骨文公司的Oracle软件系列是数据库管理和应用软件，它具有网格计算功能，能够使数据库利用网络上的计算资源。

（4）辅助工程设计和制造：计算机可以辅助工程中的计算、设计、制造和测试等多方面。例如：辅助设计电路、机器和服装等，管理生产设备和产品制造过程，以及对机器性能的测试等许多方面。

相应的计算机辅助软件也有很多。在计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）领域，最常用的是美国Autodesk出品的AutoCAD。它提供了多种功能帮助用户绘制图形、减少绘图错误和管理绘图文件。

计算机辅助测试（CAT）软件是利用计算机进行各种复杂、大量的测试工作。其软件种类繁多，例如化学计算软件就有上百种之多。

计算机辅助制造（CAM）软件是利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，改善工作条件。

（5）辅助教学：计算机辅助教育（CAI）是指使用计算机部分代替教师教授知识，实现自动教学系统。把教学内容、教授过程和习题测验等存储在计算机中，学生通过人机交互模式可以个性化和自主化地学习科学知识。计算机辅助教学软件是一种针对具体学科的学习内容而开发设计的教学软件，它可以激发学生学习的积极性，更好地实施以学生为主体的教学模式，并能提高学生的创造性，扩展学生的知识面。

计算机模拟是用计算机软件模拟真实的教学设备，来完成教学任务。例如：在电子与电工学的教学中，用计算机软件（例如：EWB）来模拟电子线路试验器，完成各种电子与电工的试验；用计算机软件来模拟汽车，完成汽车驾驶的训练。

多媒体教室是利用多媒体计算机和相应的设备建立的教室，可以演示文字、图像、动画、声音和视频等，为教师提供有力和方便的教学手段，使课堂教学变得生动直观。

利用计算机网络进行远程教育可以将教学过程传送到校园内外的各个地方，使更多的人能有机会接受教育。

（6）生活和娱乐：随着计算机软件的发展，个人计算机和平板计算机等计算机的普及和互联网的出现，计算机成为生活和娱乐不可缺少的组成部分。例如：动画特技效果、歌曲的录制合成、数字照片保存、朋友间通信和网络游戏等都不能没有计算机的参与。

3.计算机新技术

（1）人工智能：人工智能主要是研究如何让计算机来完成过去只有人才可以做的智能工作，核心目标是赋予计算机人脑一样的智能。使计算机能具有手写输入识别、图像识别、指纹识别、语音识别处理、模式识别、自动程序设计、智能学习系统、博弈能力。人工智能的一个重要研究方向是制作各种类型的机器人。

（2）网络计算：它是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。它可以利用因特网将分散在不同地点的多台计算机组成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机都是一个“结点”，整个超级计算机就是由这些成千上万的“结点”组成的，它们形成一个网，共同来完成一项巨大的计算任务，因此将这种计算方式叫网络计算。

显然“虚拟的超级计算机”具有数据处理能力强和充分利用网络限制资源两个优势。网络计算具有应用程序的互联互通和资源共享、协同工作、基于国际开发技术标准、网络提供动态服务以适应变化四个特点。

（3）中间件技术：它是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。它们是通用的，都基于某一个标准，可以被重用，其他应用程序可以使用它们所提供的应用程序接口调用组件，完成所需的操作任务。

（4）云计算：它是基于因特网的相关服务的增加、使用和交付模式。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式可以提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算机资源（包括网络、服务器、存储、应用软件和服务）共享池，这些资源都能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。云计算的特点是：超大规模、虚拟化、高可靠性、高可扩展性、按需服务和价格低廉。利用云计算，数据在云端，不怕丢失，不必备份，可以进行任意点的恢复；软件在云端，不必下载自动升级；在任何时间、任何地点，使用任何设备登录后，都可以进行计算服务，具有无限空间和无限速度。

4.未来新型计算机

硅芯片技术高速发展的同时，也意味着硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的模糊计算机、生物计算机、光子计算机、超导计算机、量子计算机等，将会在21世纪走进人们的生活，遍布各个领域。

（1）生物计算机：生物计算机又称仿生计算机，它用生物芯片取代在半导体硅片上集成数以万计的晶体管制成的计算机。1986年日本开始研究生物芯片，研究有关大脑和神经元网络结构的信息处理、加工原理，建立全新的生物计算机原理，探讨适于制作芯片的生物大分子的结构和功能，以及如何通过生物工程来组装生物分子功能元件。

生物计算机具有体积小、功效高、有自我修复功能、很高的可靠性等特点。当前，美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。

（2）神经元计算机：神经元计算机可模仿人的大脑判断能力和适应能力，可并行处理多种数据，可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且可以同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。日本科学家开发的神经电子计算机使用大规模集成电路芯片，在1.5cm正方形的硅片上可设置400个神经元和40000个神经键，这种芯片能实现每秒2亿次的运算速度。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电子计算机。右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。

（3）模糊计算机：虽然会有很多事情是清晰而精确的，但还有大量的事情却是模糊的。错综复杂的事情使系统很难作出精确描述，对系统起作用的因素有许多，倘若我们抓住了其中的主导因素，便会忽略次要的，这在数学上很容易使概念由精确变得模糊。反过来，如果把次要的当成主要的，则会使概念更加模糊。要解决这种模糊性问题，只能通过模糊推理得出结果，这种本领只有人类大脑具有。现有的计算机，甚至将来的神经元网络计算机都没有这种功能，只有模糊计算机才有。

（4）光子计算机：它利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。由于光速远远大于电子的运动速度，因此光子计算机的运算速度将在目前基础之上呈指数上升，产生的热量也非常小。

（5）超导计算机：目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到几微微秒（0.000000000001秒）的高水平。这是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。超导计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一，如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。

（6）量子计算机：量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。量子计算机的存储量比电子计算机大许多，其运算速度可能比目前的计算机快10亿倍。量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。

（7）激光计算机：激光计算机的核心部分处理机是用激光产生的光波代替电波进行0和1的转换。在激光计算机中，输送信息的是光子，运动速度等于光速（每秒30万千米），要比电子运动速度快得多。而且，光子携带和传递信息的能力也远远强于电子，而且不易受外界干扰，在传导途中可以同其他光波交叉，但又不会使它处理的数据或资料遭到破坏。由此可见，激光计算机的资料处理与再处理能力以及储存量等，都大大超过传统的电子计算机了。预计在最近10年内，将开发出超级光计算机，运算速度至少比现有的电子计算机快1000倍。

（8）纳米计算机：纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。美国正在研制一种连接纳米管的方法，用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大器和晶体管的功能。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

（9）分子计算机：分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其他分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存储容量，1m3的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进入实用阶段。

（10）DNA计算机：未来高性能的非传统计算机设想中最具神秘色彩的是DNA计算机。懂得一些生物知识的人应该知道DNA中基本的单位是脱氧核苷酸，而组成脱氧核苷酸的碱基有4种，不同碱基组成的脱氧核酸总共有4种。多个脱氧核苷酸一个连一个，就成为脱氧核苷酸链。在一定条件下，双螺旋的DNA分子会解旋和复制。复制过程是碱基的匹配过程。利用生物技术可以制备某种设定的单链DNA，在外加酶的作用下可以匹配形成新的DNA链。如果我们把4种脱氧核苷酸的复杂序列看成是某种信息的编码，并且拥有可以随心所欲裁剪设计多个DNA链的复制、合成、分解的酶，那么我们岂不是找到了一种可以利用DNA分子进行计算的计算机吗？