1.1　計算機基本原理和分類

計算機具有強大的存儲能力、快速的計算能力以及精確地按照命令執行任務的能力，這就決定了計算機擅長于執行快速計算、數據分類及在具有海量信息的大型信息庫中檢索信息，而且可以做得更快和更精確。

1.1.1　計算機基本原理

1.計算機系統結構

根據馮·諾依曼理論，目前計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大邏輯結構組成，如圖1-1-1所示。

（1）控制器是計算機的主控部件，是計算機的指揮中心，計算機的各個部件在控制器的控制下有條不紊地協調工作。

（2）運算器又稱為算術邏輯單元，可用于算術運算和邏輯運算，是計算機進行數據運算的部件。控制器、運算器與一些必需的存儲部件（寄存器及緩存等）通常制作在同一塊半導體芯片中，稱為中央處理單元（Central Processing Unit），即CPU。

（3）存儲器是計算機中的記憶部件，用于存放程序、數據以及程序運算結果。

（4）輸入設備負責將待處理的程序和數據讀入計算機中。

（5）輸出設備用于將計算機處理后的結果轉化為字符、聲音、圖像等內容輸出。

2.計算機四個基本功能

計算機對程序和數據進行處理的工作流程如圖1-1-1所示。可以看到，程序與數據（統稱信息）通過輸入設備輸入到存儲器中，控制器從存儲器中按一定順序讀取程序指令，對指令進行解析并發出相應的控制信號；在控制器的控制下，運算器從存儲器讀取數據，對其進行運算，并將運算結果（包括運算的中間結果）傳回存儲器中；最后，在控制器的控制下，將運算的最終結果通過輸出設備輸出。由此構成了以存儲器為中心的現代計算機體系結構。可見，計算機具有輸入、處理、存儲和輸出信息四個基本功能。

（1）輸入：將數據輸入到計算機中。數據是用來描述人、事件、事物和思想的文字、數字、圖像等，數據的輸入有多種方式，如圖1-1-2所示。例如，通過鍵盤輸入數據和來自網絡中另一臺計算機的輸入等。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、數碼照相機和話筒等。

（2）處理：計算機以多種方式操作數據并將其轉換成有用信息，通常稱這種操作為“處理”。計算機處理數據的方式包括數學計算、數據分類和查詢、數據修改等。

計算機中的處理單元稱為中央處理單元（CPU），負責從內存中獲取數據，對數據進行處理，并將結果存放到內存中。中央處理器與內存的關系最為密切，通常把這兩者和一些必需的電子器件統稱為計算機的主機。

（3）存儲：輸入的數據在進行處理之前先被存儲到計算機的存儲單元中。存儲單元用于將輸入的數據、處理中的臨時數據、處理后的結果數據進行存儲。眾多的存儲單元集合起來，就形成了計算機中的存儲設備——存儲器。存儲器可分為內存和外存。

①內存也稱為內存儲器，其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與外部存儲器交換的數據。內存的特點是存取速率快，但是一旦關機則暫存在內存中的數據會丟失。

②外存也稱為外存儲器，是指除計算機內存及CPU緩存以外的存儲器，此類存儲器在斷電后仍然能保存數據。常見的外存儲器有硬盤、光盤、U盤等。外存的特點是能長期保存信息，并且不依賴于供電來保存信息。硬盤、光盤由機械部件帶動，讀取數據速度與內存和U盤相比就顯得慢一些。

（4）輸出：數據在處理完成后通常需要輸出結果，可以輸出數據處理結果的設備稱為輸出設備。常見的輸出設備包括顯示器、打印機、音箱、投影儀、繪圖儀等，如圖1-1-2所示。另外，外存儲器及觸摸屏等設備都是既可輸入又可輸出的外設。

1.1.2　計算機的特點和分類

1.計算機的特點

計算機的英文名稱是Computer，它是一種以程序控制操作過程、高速進行運算、內部存儲數據的信息自動處理電子設備。它具有強大的存儲能力、快速的計算能力以及精確地按照命令執行任務的能力，擅長快速計算、數據分類、存儲大量信息，并可以快速和精確地檢索信息。計算機的特點主要可以歸納為以下幾個方面：

（1）精確的計算能力：計算機的計算精度可以達到幾十位有效數字。

（2）高速的運算能力：目前計算機的運算速度已經達到每秒萬萬億次以上，使大量的復雜的科學計算問題得到解決。

（3）準確的邏輯判斷能力：計算機可以進行邏輯判斷，根據判斷結果來確定下一步執行的工作。

（4）強大的存儲能力：不管是主存儲器（內存）還是輔助存儲器（外存）的存儲量都不斷大幅度提高，可以保存的各種信息越來越多。

（5）自動功能：計算機可以執行人們預先設計好的程序，并在程序的控制下自動工作，不需要外部人的干預，直到完成整個工作。

（6）適用范圍廣：計算機的應用范圍越來越廣，通用性越來越強，不但可以用于科學計算，還可以進行多媒體處理、各種類型信息的檢索，以及網絡通信等。

2.計算機的分類

按照計算機處理數據的類型劃分，有模擬計算機、數值計算機和數字模擬計算機。按計算機用途劃分，有通用計算機和專用計算機，PC（Personal Computer，個人計算機）就是通用計算機。按照計算機的性能劃分，可以分為以下幾種，簡介如下：

（1）巨型計算機（Super Computer）：人們通常把最大、性能最好、運算速度最快、價格最高的計算機稱為巨型計算機（超級計算機）。巨型機主要用于大型計算任務，比如科學研究、戰略武器設計、天氣預報、分子模型和密碼破譯等。世界上只有少數幾個國家能生產巨型計算機。2010年，我國成功研制出了千萬億次巨型機“天河一號”。

（2）大型通用機（Mainframe）：大型通用機具有高可靠性、高數據安全性和中央控制等特點，它通常包括多個處理單元。用來同時執行多個程序。它適合于處理管控大型機構的資料，例如航空公司、銀行、政府、大學等。生產大型主機的公司有IBM、DEC等。隨著微機與網絡的發展，許多計算機中心的大型通用機正在被高檔微機群取代。

（3）小型計算機（Minicomputer）系統：它簡稱為小型機，比大型機存儲容量小，且功能弱很多，一般為中小型企事業單位或某一部門所有。隨著集成電路的發展，小型計算機已被配置較高的微型計算機取代。

（4）微型計算機：也稱微型機，早在20世紀70年代就有了微型計算機。近10多年來發展速度迅猛，1～2年產品就更新換代一次，平均每兩年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，價格降低一半。根據微型機是否由最終端用戶使用，可以分為獨立式微機（即人們通常所用的臺式計算機、筆記本式計算機和掌上計算機等）和嵌入式微機（或稱嵌入式系統）。獨立式微型計算機（即個人計算機）應用于辦公自動化、數據庫管理、圖像識別、語音識別、多媒體技術等領域，已成為家庭的常規電器。嵌入式微機作為信息處理部件安裝在應用設備當中，例如電冰箱、醫療設備、洗衣機和手機等。

微型計算機按照結構可分為單片機、單板機（是嵌入式微機）、多芯片和多板機。

（5）工作站（Workstation）：它是介于微型計算機和小型計算機之間的一種高檔微型計算機。工作站具有較強的數據處理能力和高性能的圖形功能。它主要用于圖像處理、計算機輔助設計（CAD）等領域。

（6）服務器（Server）：服務器是網絡環境中的高性能計算機，它偵聽網絡上的其他計算機（客戶機）提交的服務請求，并提供相應的服務。服務器的高性能主要體現在高速度的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數據吞吐能力等方面。服務器的構成與微機基本相似，有處理器、硬盤、內存、系統總線等，它們是針對具體的網絡應用特別制定的，因而服務器與微機在處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面存在很大差異。服務器通常可分為文件服務器（能使用戶在其他計算機訪問文件）、數據庫服務器和應用程序服務器。

隨著計算機技術的發展，各類計算機之間的界限并不十分明顯，例如現在的個人計算機的容量、速度、性能已大大超過了前幾年的大型機。

1.1.3　微型計算機系統和主要性能指標

微型計算機系統包括微型計算機的硬件系統和軟件系統。硬件系統包括中央處理器、存儲器、總線和計算機外圍設備等，軟件系統可分為系統軟件和應用軟件。

1.計算機硬件系統

1）中央處理器、存儲器和總線

（1）中央處理器：在真實的計算機系統中，控制器、運算器與一些必需部件（寄存器及緩存等）常制作在同一塊半導體芯片中，稱為中央處理單元，即通常所說的CPU。在計算機中，CPU負責執行指令、處理數據，是計算機硬件系統的核心部件。因為計算機類型不同，所以其CPU也有所不同。大型機的CPU通常包含多個集成電路和電路板。而在微型計算機系統中，中央處理單元就是一個稱為微處理器的單個集成電路。

所謂計算機的升級換代，實際上主要是指中央處理器的升級換代。微型計算機升級換代的最重要標志是主頻的提高和字長的增大。

（2）存儲器：計算機中用于存儲數據的部件稱為存儲器（Memory），它用于存放程序、數據以及程序運算的結果。在計算機系統中存儲器按其性能和用途的不同，分為內存和外存，如圖1-1-3所示。內存又分為隨機存儲器和只讀存儲器，簡介如下：

①隨機存儲器（RAM）：RAM是計算機系統中用于存儲正在運行的程序和等待進行處理的數據、數據處理的中間結果及等待輸出的最終數據等內容的部件。例如，當需要處理一份Word電子文檔時，該文檔及相應的處理程序（Word）都被調入RAM中，等待對相應數據進行處理。

RAM只有在通電的情況下才能存儲和修改數據，一旦斷電，其中的數據就會永久丟失。因此要在斷電前將其內的數據轉存到能長期保存數據的外存儲器中。

②只讀存儲器（ROM）：ROM保存一個稱為BIOS的小型指令集合。開機時，先執行BIOS中的指令來進行一系列的開機自檢，對計算機中的基本硬件進行檢測，檢測完成后，中央處理器再執行BIOS中的指令來搜索磁盤上的操作系統文件，將這些文件調入隨機存儲器中，再進行后續其他工作。

ROM中的指令和數據是永久保存的，斷電后不會丟失，也不可以更改其內的數據。

（3）總線：是計算機內部各個部件之間傳輸數據的公共通道，它包括控制總線、數據總線和地址總線。控制總線負責傳遞控制信號，指揮各個部件進行調協工作；數據總線負責傳輸數據；地址總線則負責傳送數據的地址，計算機依賴這個地址來尋找需要處理的數據。衡量總線性能指標的主要因素有以下幾項：

①總線寬度：它的單位是位（bit），數據總線寬度即計算機的字長。地址總線的寬度決定了計算機CPU可以訪問的物理地址的大小。如果地址總線的寬度為32位，則最多可以直接訪問的物理空間為232字節，即4096MB。

②總線速度：是指在某一給定時間（通常是1s）內總線能傳輸數據的次數，因此又稱為總線頻率，它的單位是赫茲（Hz），即每秒多少次。目前的總線頻率通常在百萬赫茲以上，常用單位為MHz。例如：一個總線速度為100MHz，總線寬度為32位的總線，能每秒發送100000000次數據，每次為32位，則理論上在1s內總共可以發送的數據為32億（3200000000）位數據。

③傳輸速率：它用于衡量一秒內有多少數據從一個設備傳輸到另一個設備，單位為Mbit/s（Million bits persecond），即每秒多少兆位。

2）計算機外圍設備

（1）硬盤：操作系統、程序、數據文件通常都存儲在硬盤中。雖然比RAM慢很多，但它的存儲量很大，速度比光盤驅動器要快很多。為了能在磁盤片上的指定區域讀寫數據，必須將磁盤劃分為若干個有編號的記錄信息的同心圓區域，稱為磁道，如圖1-1-4所示。磁道從外向內依次編號，最外一條磁道為0磁道。每條磁道又分為若干扇區。

每個盤片有兩個盤面，也稱為記錄面，記錄面也依次編號為0面和1面。經這樣的約定后，就可用n記錄面、i磁道、j扇區所表示的盤面地址去找到磁盤上相應的記錄區。扇區是磁盤地址的最小單位，各扇區可記錄等量的數據，一般每個扇區的容量是512B。與主機交換信息是以扇區為單位進行的。磁盤的存儲容量可用如下公式計算：

容量=磁道數×扇區數×扇區內字節數×面數×磁盤片數

硬盤一般由多個硬盤片組成，每個盤片有上、下兩個磁頭，磁頭同時作徑向運動進行尋道，因此稱所有盤片的同一磁道為一個柱面，并用磁頭號區分同一柱面上的不同磁道。一般硬盤都固定在機箱內，還有一種可以放在機箱外邊，通常把它稱作移動硬盤。

硬盤的訪問速度和傳輸速度通常都較慢，不能被處理器直接訪問。

（2）光盤驅動器和光盤：光盤（Optical Disc）是使用激光掃描的方式記錄和讀出保存信息的一種介質。光盤驅動器（簡稱光驅）是用來讀寫光盤內容的機器。目前最常用的光盤種類包括CD、DVD和藍光光盤。

①CD（Compact Disc）是一種用以存儲數字資料的光學碟片，原被開發用作存儲數碼音樂，其后被用作存儲資料，稱為CD-ROM。可錄式光盤隨后面世，包括只可錄寫一次的CD-R及可重復錄寫的CD-RW。CD是個人計算機領域最為廣泛采用的存儲媒體之一。

②DVD是一種光盤存儲器，通常用來播放標準電視機清晰度的電影、高質量的音樂及作大容量存儲數據之用。DVD盤片外形和尺寸與CD光盤很接近，但DVD的密度遠高于CD，訪問DVD和CD的激光波長也完全不同。DVD-ROM是數字視頻只讀光盤驅動器，DVD+RW和DVD-RAM是可擦寫格式的DVD光盤技術。

③藍光光盤（Blu-ray Disc，BD）是DVD之后的下一代光盤格式之一，用以存儲高品質的影音以及大容量的數據。

（3）U盤（閃存）：由于閃存的數據是存放在芯片中的，因此一般都具備100萬次的擦寫能力，數據可保存10年。它還具備抗震、防潮、讀寫速度快、體積和重量很小等優點。閃存的附加功能有啟動、引導功能等。絕大多數閃存采用USB接口，無須外接電源。采用USB 3.0接口以后，閃存的讀寫速度可達4.8Gbit/s，比USB 2.0接口快10倍。

（4）鍵盤：它由一組按陣列方式裝配在一起的按鍵開關組成。每按下一個鍵相當于接通了相應的開關電路，把該鍵的字符轉換為計算機可以識別的編碼，通過接口電路送入主機。鍵盤多使用鍵盤專用串行接口與主機相連。

微型計算機所配置的標準鍵盤共有101個按鍵，分為主鍵盤區、副鍵盤區、功能鍵區和小鍵盤區4個區域，如圖1-1-5所示。鍵盤的種類較多，新增了許多實用的按鍵，但基本的按鍵仍和標準鍵盤一樣分為4個區域。

（5）鼠標：它主要用來進行光標定位或用來完成某種特定的輸入。在一些用戶界面十分友好和完善的大型軟件和系統軟件中，用鼠標來繪制圖形也更加直觀明了，操作變得十分方便、生動，大大提高了工作效率。一般來說，當使用鼠標的軟件系統啟動后，在計算機的顯示屏中會顯示一個“指針光標”，其形狀一般為—個箭頭狀。鼠標的種類很多，常用的鼠標有機械式和光電式兩種。

鼠標的基本操作有5種：移動、單擊、雙擊、右擊、拖動。使用鼠標的明顯優點是操作簡單、直觀、移動速度快。當需要計算機做一項工作時，只需要把鼠標指針移動到屏幕上相應的位置，然后再單擊、雙擊、拖動或右擊等，即可向計算機發出執行工作的命令。這要比用鍵盤輸入命令更簡單、更直觀，也更不容易出錯。

（6）顯示器與顯卡：它們構成了計算機的顯示系統，是重要的輸出設備。顯卡負責將數字信號轉化為圖像和文字信號輸出到顯示器，顯示器負責顯示圖像和文字。

顯示器種類很多，目前主要由LCD顯示器（液晶顯示器）和LED顯示器（發光二極管顯示器）。LCD顯示器輕薄、環保、輻射低，缺點是圖像不夠細膩，視角不開闊。LED顯示器與LCD顯示器相比較，在色彩、亮度、可視角度、屏幕更新速度和功耗等方面都具有優勢，視角在160°以上，屏幕更新速度更快。

顯卡又稱為顯示適配器，它是主機與顯示器之間連接的“橋梁”，其工作就是控制計算機的圖形輸出。可以將顯卡大致分為兩大類型，即“獨立顯卡”和“集成顯卡”。顯示芯片是顯卡的大腦，它負責處理各種各樣的圖像函數。如果把顯卡比作一臺小型計算機的話，顯示芯片則相當于CPU，它大致決定了該顯卡的性能。顯卡上除了顯示芯片外，最重要的元件就是顯存，它用于存儲顯示芯片處理后的數據。

（7）聲卡與音箱：聲卡的出現標志著多媒體計算機時代的開始。它使計算機可以看電影、聽音樂。沒有聲卡，再好的聲音也出不來。聲卡通過一個名為“模數轉換器”（A/D）的元件，用麥克風等設備將聲音（模擬信號）輸入A/D中，然后將聲音轉換成數字信號；當需要播放這段聲音時，聲卡再通過“數模轉換器”（D/A）將數字信號還原為模擬信號，最后傳輸到音箱播放出來。聲卡可分為獨立聲卡、集成聲卡兩大類。

音箱分為有源音箱和無源音箱兩類。有源音箱就是音箱和放大器是組裝在一起的，也是我們在市面上看到的計算機多媒體音箱，而無源音箱的放大器是獨立于音箱外的。最簡單的音響系統包括音源、功率放大器和音箱3個環節。

（8）機箱與電源：機箱與電源也是計算機中的重要設備。機箱最前面的是“前面板”，前面板上有電源開關、復位開關等按鈕，另外還有電源指示燈和硬盤工作指示燈。

機箱兩側的兩塊大擋板是可以拆下來的，打開側面的擋板后可以看到機箱內部結構。機箱內部有電源安裝支架，有若干個5英寸和3英寸（1英寸=2.54厘米）驅動器支架，還可以安裝主板。

對于電源而言，功率的大小代表的是電源的工作能力——電源的工作就是為其他硬件輸送電力，而功率的大小則代表電源能夠輸送出去的電源功率。電源的參數包括額定功率、最大功率（輸出功率）、峰值功率等。

（9）打印機：它用于將文字或圖像打印到紙張、膠片上，可脫離計算機單獨使用。其性能指標通常包括速度（單位ppm）和最大分辨率（單位dpi）。常見的打印機分為3種：點陣打印機、噴墨打印機和激光打印機，簡介如下：

①點陣打印機也稱擊打式打印機，它的打印速度慢，不能打印清晰的圖案，因此，除了有特殊需求的票據打印等還用它外，其他地方基本上已不再使用。

②噴墨打印機：它是當前市場占有率較高的打印機，其特點是打印的圖像清晰，打印機便宜，但耗材較貴，速度較快。

③激光打印機：它提供了最好的打印質量，最快的打印速度，其價格較高，但是它的平均打印成本卻是最低的，適用于經常大量打印。

（10）掃描儀：它用于將圖案或文字掃描到計算機文件中，如果是文字內容，還可以進一步通過OCR軟件將文字識別出來，進行加工編輯。

2.計算機軟件系統

軟件讓計算機具有強大的功能，能夠處理文檔和播放視頻等。軟件在硬件基礎之上創建了一個友好的使用環境。它一方面與用戶進行交互，獲取用戶輸入的數據；另一方面與硬件進行交互，指揮硬件對數據進行處理，并將處理結果以用戶所需形式返給用戶，如圖1-1-6所示。

軟件可分為系統軟件和應用軟件，系統軟件直接與計算機硬件打交道，負責將應用軟件的命令解釋成硬件指令，指揮硬件完成工作。應用軟件在用戶的指導下完成具體任務。應用軟件是為解決實際問題而編制的計算機應用程序和有關資料。對于一般使用者來說，只要選擇合適的應用軟件并學會使用該軟件，就可以完成自己的工作任務了。系統軟件和應用軟件的分類如圖1-1-7所示。

系統軟件和應用軟件的簡介如下：

（1）系統軟件：可分為操作系統、支撐系統與編程軟件等類型。其中，操作系統負責與硬件打交道，管理計算機資源，提供良好的界面等功能；支撐系統包括可以維護、支持計算機進行正常工作的各種驅動程序、錯誤診斷軟件等；編程軟件則提供了對計算機應用的開發能力，程序設計者可以通過編程語言編寫特定的軟件，對計算機功能進行擴充。

操作系統是系統軟件中最重要的一類，也是絕大多數的軟件能夠得以運行的基礎。操作系統負責管理軟/硬件資源，控制程序執行，組織計算機的各個部分協調工作，為用戶使用計算機提供友善的人機交互界面。操作系統是用戶與計算機硬件之間的接口。操作系統對計算機硬件系統的功能進行第一次擴充，在硬件基礎上提供了許多新的方法和功能，從而使用戶能夠方便、可靠、安全、高效地操作計算機硬件和運行自己的程序。經過操作系統改造和擴充后的計算機功能增強了，并將硬件的復雜性與用戶之間隔離開來，使用也更為方便，用戶和應用程序可以直接調用操作系統所提供的功能來操作計算機硬件，而無須知道硬件的具體操作細節。當前使用的操作系統多是圖形界面的操作系統，這些操作系統均采用鼠標/鍵盤操作，界面是我們熟悉的窗口、菜單形式，易學易用。目前，常見的操作系統有DOS、Windows、Mac、Linux等多個系列。

（2）應用軟件：可分為辦公、圖像/多媒體、家用/娛樂、網絡通信等多種類型，每一類型又可分為相關的多種類型。應用軟件是實現計算機絕大多數功能的主要工具。

由于應用軟件必須運行在操作系統平臺上，對于不同的操作系統，具體的處理方法也不一樣，在Windows操作系統下運行的應用程序就無法運行在命令行界面的DOS操作系統中，也無法運行在圖形界面的Mac操作系統中。

①商務辦公軟件：這一類軟件主要用于商務處理、辦公文檔等方面，包括文字處理軟件、電子表格軟件、演示文稿軟件、財務管理軟件等。目前使用比較多的文字處理軟件是微軟的Microsoft Word和金山的WPS。電子表格軟件主要用于制作各種電子表格，進行數據計算和分析等。目前，常用的電子表格軟件有Microsoft Excel和Loutes。演示文稿軟件用于制作各種演示幻燈片，主要用于展會演講、產品推廣、商務計劃、教學課件等。目前，常用的演示文稿軟件主要有Microsoft PowerPoint。

②圖像與動畫軟件：這一類軟件主要用于圖像處理、三維動畫與計算機輔助設計等。圖像處理軟件主要用于圖像繪制、廣告制作、照片編輯等。圖像可分為位圖圖像與矢量圖像兩類，因此，圖像處理軟件也可以分為位圖處理與矢量圖處理兩大類。處理位圖的軟件主要有Photoshop等。處理矢量圖像的軟件主要有CorelDRAW、Illustrator等。此外，還有可用于制作矢量動畫的Flash。三維動畫制作軟件有Maya、3ds Max等。計算機輔助設計（CAD）軟件和計算機輔助制造（CAM）軟件用于建筑制圖、景觀設計、產品設計、工程制圖等。常用的計算機輔助設計軟件有AutoCAD。

③網絡通信軟件：這一類軟件用于網絡和通信方面的應用。常用的網絡通信軟件有網頁瀏覽軟件IE（Internet Explorer）和Chrome、郵件管理軟件OutLook和Foxmail、下載軟件FlashGet、即時通信軟件QQ和MSN、網頁設計軟件Dreamweaver等。此外，還有查殺毒軟件、加密/解密軟件、系統優化軟件等專用的實用工具軟件。

3.計算機基本性能指標

（1）位：計算機是以二進制工作的，二進制數是以電信號電平高低來表示的。1個高電平或低電平（即0或1）代表1位，單位為bit。8位（即8個二進位數）為1個字節，單位為B。例如，10101010為1個字節，其中每個數字為1位。

（2）字長：字長是指處理器一次能夠處理的二進制數據寬度。即處理器把一組二進制數據作為一個整體，并行參加運算、存儲或傳送。例如，字長為64位的計算機，可以直接進行64位二進制數的運算，存儲器的一個單元可以存放64位二進制數，傳輸數據中可以同時并行傳送64位二進制數。可以看出，字長直接關系到計算機的計算精度、功能和速度。字長越長，計算機一次能處理的信息越多，計算機的性能越高。

（3）主頻：主頻也稱時鐘頻率，單位是MHz和GHz。計算機由一個系統時鐘電路用來定時發出脈沖以控制各部分電路有序、協調地工作。系統時鐘決定了數據傳輸和指令執行的速度或頻率，決定了計算機在單位時間內所能執行的指令數。主頻只是系統整體性能的一方面，主頻高的計算機整體性能并非就一定高。

（4）運算速度：通常所說的計算機的運算速度（平均運算速度），是指每秒所能執行的加法指令的條數。一般用百萬次/秒（MIPS）來描述。

（5）存儲容量：它是指存儲器所能容納的信息量。內存的存儲容量稱內存容量，外存的存儲容量稱外存容量。存儲容量以字節為單位，在實際應用中以KB（千字節）、MB（兆字節）、GB（吉字節）和TB（太字節）為單位進行計算，1KB=210B=1024B，1GB=210KB=1024KB，1TB=210GB=1024GB。當前主流計算機系統內存的存儲容量使用MB或GB來衡量，能達到4GB以上。

（6）數據寬度與內存帶寬：數據寬度表示內存可以同時傳輸數據的位數，以bit為單位。數據寬度越高，則可以同時傳輸的數據越多。內存帶寬指內存的數據傳輸速率，以MB/s為單位。傳輸速率越高，則同一時間內可傳輸的次數越多，傳輸速度也越快。

（7）存取周期：也稱為內存訪問速度，是指處理器發出指令后，需要多少時間才能從內存中讀/寫所需的數據。由于處理器工作速度很快，如果要它等待從內存中取數據，就會導致處理器速度下降。因此內存的存取周期越短，則處理器的等待時間就越少，計算機的性能就越高。現在計算機內存的訪問速度都以納秒（ns）為單位進行計算。當前計算機的內存訪問速度一般是在幾納秒（1納秒為1秒的十億分之一）。

以上只是一些主要性能指標。不能根據一兩項指標來評定一種微型機性能的優劣，需要綜合考慮。此外，還要考慮到配置合理、使用方便和性價比等方面。

1.1.4　計算機的發展和應用

1.計算機的發展

1）第1代計算機（1946—1959年）

1946年，世界上第一臺由電子管構成的數字式電子計算機ENIAC（全稱叫“電子數值積分計算機”）問世于美國賓夕法尼亞大學，如圖1-1-8所示。ENIAC電子計算機由18000多個電子管組成，占地170m2，總重量為30t，耗電150kW，運算速度為每秒能進行5000次加法、300次乘法。其是計算機發展歷史上的一個里程碑。

第1代計算機的體積大，運算速度慢，存儲容量小，價格昂貴，使用不方便。主要用于科學計算，只在重要部門或科學研究部門使用。

2）第2代計算機（1959—1964年）

它也稱為晶體管計算機，其硬件以晶體管為基本邏輯電路元件，主存儲器全部采用磁心存儲器，外存儲器采用磁鼓和磁帶。計算機的體系結構也從第1代的以運算器為中心改為以存儲器為中心，從而使計算機的速度提高、體積減小、功耗降低、可靠性增強。

3）第3代計算機（1964—1972年）

它也稱為集成電路計算機，其硬件采用中、小規模集成電路為主要邏輯電路元件，主存儲器從磁心存儲器逐步過渡到半導體存儲器，使得計算機體積進一步減小，運算速度、運算精度、存儲容量以及可靠性等主要性能指標大為改善。

4）第4代計算機（1972年至今）

計算機進入了超大規模集成電路時代，其硬件采用大規模和超大規模集成電路，主存儲器采用半導體存儲器。伴隨超大規模集成電路集成度的不斷提高，微處理器不斷發展，微型計算機也隨之迅速發展。微處理器是一種超小型化的電子器件，它把計算機的運算器、控制器等核心部件集成在一個集成電路芯片上。微處理器的出現開辟了計算機的新紀元。世界第一臺微型計算機Apple II如圖1-1-9所示。在此期間，計算機外圍設備和軟件業得到迅猛發展，出現了面向對象的程序設計思想，廣泛應用數據庫技術、發展網絡技術。隨著超大規模集成電路的廣泛應用，計算機在存儲容量、運算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。

在這一階段中，計算機主要在以下幾個方面不斷發展：

（1）微型化：是指計算機的體積更小、功能更強、可靠性更高和價格更低。

（2）巨型化：是指運算速度更高（千萬億次以上）、存儲量更大的巨型計算機。

（3）智能化：是指模擬人的感覺和思維的能力，例如語音識別、指紋識別等。

（4）網絡化：是將計算機技術和現代通信技術相結合，它有非常廣泛的發展前景。

2.計算機的應用

計算機的高速度、高精度、大存儲量等特點使其被廣泛應用于社會的各個領域，計算機的應用主要可概括為以下幾個方面：

（1）科學研究和科學計算：發明計算機的主要目的就是用于科學計算，輔助科學研究。由于計算機具有遠高于人類的運算速度和精度，因此可以完成大量用手工無法完成的計算，從而節省科學研究的時間和人力、物力資源。例如：使用軟件MATLAB可以進行數值分析、矩陣運算和繪圖；使用Gaussian可以進行原子軌道域計算等。

（2）生產和管理自動化：使用計算機對生產過程中的特定信號自動進行檢測和采集，再將采集的數據傳送到計算機中進行處理，然后反饋到特定的儀器中進行相應操作，這是生產管理自動化的主要手段和技術。例如，在導彈的發射中，用計算機隨時檢測和采集導彈的空中位置，一旦偏離預定的軌道，立刻通過無線信號精確調整。工業自動化使勞動生產效率大大提高，勞動強度減輕，能源消耗減少，生產成本降低。

（3）信息傳輸和信息處理：因為計算機強大的數據處理功能，所以人們普遍利用計算機獲取、編輯、存儲和管理各種形式的數據資料。當今社會信息無處不在，符號、文字、圖形、圖像、聲音、動畫和視頻都是信息。網絡技術迅猛發展使利用計算機處理信息更加快捷和方便，信息資源被廣泛共享。例如：交互式應答系統可以使用戶通過語音指令或任何電話終端來獲取所需信息；Adobe公司出品的Photoshop是一款功能強大應用廣泛的專業圖片編輯和處理軟件；甲骨文公司的Oracle軟件系列是數據庫管理和應用軟件，它具有網格計算功能，能夠使數據庫利用網絡上的計算資源。

（4）輔助工程設計和制造：計算機可以輔助工程中的計算、設計、制造和測試等多方面。例如：輔助設計電路、機器和服裝等，管理生產設備和產品制造過程，以及對機器性能的測試等許多方面。

相應的計算機輔助軟件也有很多。在計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）領域，最常用的是美國Autodesk出品的AutoCAD。它提供了多種功能幫助用戶繪制圖形、減少繪圖錯誤和管理繪圖文件。

計算機輔助測試（CAT）軟件是利用計算機進行各種復雜、大量的測試工作。其軟件種類繁多，例如化學計算軟件就有上百種之多。

計算機輔助制造（CAM）軟件是利用計算機進行生產設備的管理、控制與操作，從而提高產品質量、降低生產成本、縮短生產周期，改善工作條件。

（5）輔助教學：計算機輔助教育（CAI）是指使用計算機部分代替教師教授知識，實現自動教學系統。把教學內容、教授過程和習題測驗等存儲在計算機中，學生通過人機交互模式可以個性化和自主化地學習科學知識。計算機輔助教學軟件是一種針對具體學科的學習內容而開發設計的教學軟件，它可以激發學生學習的積極性，更好地實施以學生為主體的教學模式，并能提高學生的創造性，擴展學生的知識面。

計算機模擬是用計算機軟件模擬真實的教學設備，來完成教學任務。例如：在電子與電工學的教學中，用計算機軟件（例如：EWB）來模擬電子線路試驗器，完成各種電子與電工的試驗；用計算機軟件來模擬汽車，完成汽車駕駛的訓練。

多媒體教室是利用多媒體計算機和相應的設備建立的教室，可以演示文字、圖像、動畫、聲音和視頻等，為教師提供有力和方便的教學手段，使課堂教學變得生動直觀。

利用計算機網絡進行遠程教育可以將教學過程傳送到校園內外的各個地方，使更多的人能有機會接受教育。

（6）生活和娛樂：隨著計算機軟件的發展，個人計算機和平板計算機等計算機的普及和互聯網的出現，計算機成為生活和娛樂不可缺少的組成部分。例如：動畫特技效果、歌曲的錄制合成、數字照片保存、朋友間通信和網絡游戲等都不能沒有計算機的參與。

3.計算機新技術

（1）人工智能：人工智能主要是研究如何讓計算機來完成過去只有人才可以做的智能工作，核心目標是賦予計算機人腦一樣的智能。使計算機能具有手寫輸入識別、圖像識別、指紋識別、語音識別處理、模式識別、自動程序設計、智能學習系統、博弈能力。人工智能的一個重要研究方向是制作各種類型的機器人。

（2）網絡計算：它是專門針對復雜科學計算的新型計算模式。它可以利用因特網將分散在不同地點的多臺計算機組成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的計算機都是一個“結點”，整個超級計算機就是由這些成千上萬的“結點”組成的，它們形成一個網，共同來完成一項巨大的計算任務，因此將這種計算方式叫網絡計算。

顯然“虛擬的超級計算機”具有數據處理能力強和充分利用網絡限制資源兩個優勢。網絡計算具有應用程序的互聯互通和資源共享、協同工作、基于國際開發技術標準、網絡提供動態服務以適應變化四個特點。

（3）中間件技術：它是介于應用軟件和操作系統之間的系統軟件。它們是通用的，都基于某一個標準，可以被重用，其他應用程序可以使用它們所提供的應用程序接口調用組件，完成所需的操作任務。

（4）云計算：它是基于因特網的相關服務的增加、使用和交付模式。美國國家標準與技術研究院（NIST）定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式可以提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算機資源（包括網絡、服務器、存儲、應用軟件和服務）共享池，這些資源都能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。云計算的特點是：超大規模、虛擬化、高可靠性、高可擴展性、按需服務和價格低廉。利用云計算，數據在云端，不怕丟失，不必備份，可以進行任意點的恢復；軟件在云端，不必下載自動升級；在任何時間、任何地點，使用任何設備登錄后，都可以進行計算服務，具有無限空間和無限速度。

4.未來新型計算機

硅芯片技術高速發展的同時，也意味著硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的模糊計算機、生物計算機、光子計算機、超導計算機、量子計算機等，將會在21世紀走進人們的生活，遍布各個領域。

（1）生物計算機：生物計算機又稱仿生計算機，它用生物芯片取代在半導體硅片上集成數以萬計的晶體管制成的計算機。1986年日本開始研究生物芯片，研究有關大腦和神經元網絡結構的信息處理、加工原理，建立全新的生物計算機原理，探討適于制作芯片的生物大分子的結構和功能，以及如何通過生物工程來組裝生物分子功能元件。

生物計算機具有體積小、功效高、有自我修復功能、很高的可靠性等特點。當前，美國、日本、德國和俄羅斯的科學家正在積極開展生物芯片的開發研究。生物計算機一旦研制成功，可能會在計算機領域內引起一場劃時代的革命。

（2）神經元計算機：神經元計算機可模仿人的大腦判斷能力和適應能力，可并行處理多種數據，可以判斷對象的性質與狀態，并能采取相應的行動，而且可以同時并行處理實時變化的大量數據，并引出結論。日本科學家開發的神經電子計算機使用大規模集成電路芯片，在1.5cm正方形的硅片上可設置400個神經元和40000個神經鍵，這種芯片能實現每秒2億次的運算速度。美國研究出由左腦和右腦兩個神經塊連接而成的神經電子計算機。右腦為經驗功能部分，有1萬多個神經元，適于圖像識別；左腦為識別功能部分，含有100萬個神經元，用于存儲單詞和語法規則。

（3）模糊計算機：雖然會有很多事情是清晰而精確的，但還有大量的事情卻是模糊的。錯綜復雜的事情使系統很難作出精確描述，對系統起作用的因素有許多，倘若我們抓住了其中的主導因素，便會忽略次要的，這在數學上很容易使概念由精確變得模糊。反過來，如果把次要的當成主要的，則會使概念更加模糊。要解決這種模糊性問題，只能通過模糊推理得出結果，這種本領只有人類大腦具有。現有的計算機，甚至將來的神經元網絡計算機都沒有這種功能，只有模糊計算機才有。

（4）光子計算機：它利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。由于光速遠遠大于電子的運動速度，因此光子計算機的運算速度將在目前基礎之上呈指數上升，產生的熱量也非常小。

（5）超導計算機：目前制成的超導開關器件的開關速度，已達到幾微微秒（0.000000000001秒）的高水平。這是當今所有電子、半導體、光電器件都無法比擬的，比集成電路要快幾百倍。超導計算機運算速度比現在的電子計算機快100倍，而電能消耗僅是電子計算機的千分之一，如果目前一臺大中型計算機，每小時耗電10千瓦，那么，同樣一臺的超導計算機只需一節干電池就可以工作了。

（6）量子計算機：量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。量子計算機的存儲量比電子計算機大許多，其運算速度可能比目前的計算機快10億倍。量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

（7）激光計算機：激光計算機的核心部分處理機是用激光產生的光波代替電波進行0和1的轉換。在激光計算機中，輸送信息的是光子，運動速度等于光速（每秒30萬千米），要比電子運動速度快得多。而且，光子攜帶和傳遞信息的能力也遠遠強于電子，而且不易受外界干擾，在傳導途中可以同其他光波交叉，但又不會使它處理的數據或資料遭到破壞。由此可見，激光計算機的資料處理與再處理能力以及儲存量等，都大大超過傳統的電子計算機了。預計在最近10年內，將開發出超級光計算機，運算速度至少比現有的電子計算機快1000倍。

（8）納米計算機：納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品。現在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發揮電子開關、放大器和晶體管的功能。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

（9）分子計算機：分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其他分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存儲容量，1m3的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進入實用階段。

（10）DNA計算機：未來高性能的非傳統計算機設想中最具神秘色彩的是DNA計算機。懂得一些生物知識的人應該知道DNA中基本的單位是脫氧核苷酸，而組成脫氧核苷酸的堿基有4種，不同堿基組成的脫氧核酸總共有4種。多個脫氧核苷酸一個連一個，就成為脫氧核苷酸鏈。在一定條件下，雙螺旋的DNA分子會解旋和復制。復制過程是堿基的匹配過程。利用生物技術可以制備某種設定的單鏈DNA，在外加酶的作用下可以匹配形成新的DNA鏈。如果我們把4種脫氧核苷酸的復雜序列看成是某種信息的編碼，并且擁有可以隨心所欲裁剪設計多個DNA鏈的復制、合成、分解的酶，那么我們豈不是找到了一種可以利用DNA分子進行計算的計算機嗎？