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一、电子计算机的历史和发展1、历史1946年2月14日，世界上第一台电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。全称是“电子数值积分和计算机”，英文名字是“Electronic Numerical Integrator And Computer”简称ENIAC（埃尼阿克）。第二次世界大战期间，美国军方要求宾州大学莫奇来（Mauchly）博士和他的学生爱克特（Eckert） 设计以真空管取代继电器的电子化电脑-电子数字积分器与计算器， 目的是用来计算炮弹弹道。“埃尼阿克”共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立 方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法，比机械式的继电器计算机快1000倍。当“埃尼阿克”公开展出时，一条炮弹的轨道用20秒种就能算出来，比炮弹晒身的飞行速度还快。埃尼阿克的存储器是电子装置，而不是靠转动的“鼓”。它能够在一天内完成几千万次乘法，大约相当天一个人用台式计算机操作40年的工作量。它是按照十进制，而不是按照二进制来操作。但其中也用少量以二进制方式工作的电子管，因此机器在工作中不得不把十进制转换为二进制，而在数据输入，输出时再变回十进制。“埃尼阿克”最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算机。但后来通过改变插入控制板里的接线方式来解决各种不同的问题，而成为一台通用机。“埃尼阿克”程序采用外部插入式，每当进行一项新的计算时，都要重新连接线路。有时几分种或几十分种的计算，要花几小时或12天的时间进行线路连接准备，这是一个致命的弱点。它的另一个弱点是存储量太小，至多只能存20个10位的十进制数。英国无线电工程师协会的蒙巴顿将军把“埃尼阿克”的出现誉为“诞生了一个电子的大脑”，“电脑”的名称由此流传开来。两位发明人莫奇来和爱克特 ENIAC使用的电子管2、发展代别第一代第二代第三代第四代年代1946195619571964196519751975至今电子器件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模、超大规模集成电路内部存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓、半导体存储器半导体存储器外部存储器打孔纸带、磁带磁带磁盘磁盘、闪存运算速度（次/秒）5千4万几十万百万百万几百万几百万亿亿二、计算机的类别和基本结构1、类别按照计算机的体积大小，可划分为超级计算机、大型计算机、小型计算机和微型计算机（简称微机）。超级计算机一般占据数百平方米的地面空间，由几百个机柜模块组成，使用光纤连接，水循环冷却，一般应用于某些科学计算和国防工程。由国防科大研制的天河二号超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全球最快超级计算机。在2014年6月23日公布的全球超级计算机500强榜单中，中国“天河二号”以比第二名美国“泰坦”快近一倍的速度连续第三次获得冠军。大型计算机、小型计算机体积依次减小。小型计算机一般有张桌子大小，一般应用于某些计算中心的机房或大公司的某些特殊用途。小型计算机曾用来表示一种多用户、采用终端/主机模式的计算机，它的规模介于大型计算机和个人电脑之间。有的厂商可能会用其他名称代替。微型计算机简称微机，也就是我们日常使用的个人电脑（PC），包括了小型服务器、台式电脑、笔记本电脑、平板电脑等。尽管看起来一点也不“微型”，但是相对于早期计算机系统和现代的超级计算机系统，个人电脑也称得上微型了。随着技术的发展，还出现了单片机和手持式计算机。单片机是指把组成计算机的各个模块：CPU、内存、存储器、控制器等集中制作在一小块芯片上，专用于实现单一的功能，如电梯控制、自动门、红绿灯控制等。单片机普通包含在各种工业设备和家用电器中，普通家庭里的电视机、冰箱、数码相机里都有它的身影。手持式计算机一般以我们常见的各种科技设备出现，如导航仪、刷卡收银机，最常见的是各种智能手机。2、计算机的基本结构计算机的结构主要分为五个部分： 1. 控制器(Control)：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。 2. 运算器(Datapath)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。注：个人电脑里的中央处理器（CPU）集成了控制器和运算器两大功能。 3. 存储器(Memory)：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。 注意：存储器分为内部存储器和外部存储器两大类，属于计算机五大部分的，是内部存储器。内部存储器又分为只读存储器(ROMRead Only Memory)和随机存储器（RAMRandom Access Memory）。ROM用于存放某些固定程序和数据，如部分系统引导程序等，内容只能被调用，不能用普通方法重写或修改，也不会因断电而消失。RAM用来供系统和用户进行临时暂存程序和数据、中间结果数值等，保存在外部存储器中的程序和数据，需要调入RAM中，才会被计算机处理。RAM中的数据可以被写入和修改，不能永久保存，一旦断电，信息就会消失。4. 输入(Input system)：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合称为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。 5. 输出(Output system)：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示器、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。上面说到，存储器分为内部存储器和外部存储器，其中的内部存储器属于计算机五大部分之一。而外部存储器，是指在五大部分之外的存储设备，用于长久保存程序和数据，在需要运行时，这些程序和数据才会被装载进RAM中。常见的外部存储器有：磁盘（硬盘）、光盘驱动器、闪存（U盘）等。一般把输入设备、输出设备和外部存储器统称为外部设备，简称外设。三、二进制和十六进制计算机由电子电路组成，如果要按人类的十进制进行处理和运算，就要求电子电路必须要有十种状态来代表自然数0到9，这在技术上很难实际。即使强行把电压分为十个等级来代表0到9，当外部电压电流不稳定时，很容易就造成数据错误。而电路最稳定、最容易区分的只有两种状态，如：开关的接通和断开、晶体管的导通和截止、电压的高电平和低电平等。所以，只有采用二进制，电子器件才有可能设计成运算逻辑电路。由于二进制数每个位只有两个可能的数字，当表达一个简单数字时，写出来的内容就很长，例如十进制的36，用二进制表达就是 100100，这不利于程序员进行书写和交流，因为4位二进制数正好对应1位十六进制数，所以很多情况下，把二进制转化为十六进制进行书面表达。十进制、二进制和十六进制对照表：十进制0123456789101112131415二进制01101110010111011110001001101010111100110111101111十六进制0123456789ABCDEF1、十进制的特点一个十进制数1357.89，用(1357.89)10表示，它的含义是：1103 + 3102 + 5101 + 7100 + 8101 + 9102由此归纳出十进制的表述公式：2、二进制数转十进制数一个二进制数1011.01，用(1011.01)2表示，它的含义是：123 + 022 + 121 + 120 + 021 + 122由此得到二进制转十进制的公式：3、十六进制数转十进制数一个十六进制数3D7.A6，用(3D7.A6)16表示，它的含义是：3162 + 13161 + 7160 + 10161 + 6162由此得到十六进制转十进制的公式：4、十进制数转二进制数一个十进制数(215)10，把它转为二进制数：215除2余1107除2余153除2余126除2余013除2余16除2余03除2从下往上排列余数余11除2余10把余数从下往上排列，得到结果：(215)10 = (11010111)25、十进制数转十六进制数一个十进制数(215)10，把它转为十六进制数：215除16余713除16从下往上排列余数余130把余数从下往上排列，得到结果：(215)10 = (D7)166、十六进制转二进制把(3D7.A6)16转为二进制数：因为每位十六进制数对应4位二进制数，可查对照表得出结果：3D7.A6001111010111.10100110注意：对应的每组4位二进制数，不足4位的，在前面补0。结果：(3D7.A6)16 = (1111010111.1010011)27、二进制转十六进制把(1010110.101)2转为十六进制从小数点往前，每4位为一组，不足4位则在前面补0；从小数点往后，每4位为一组，不足4位则在后面补0。01010110.101056.A结果：(1010110.101)2 = (56.A)16四、存储器容量、网络速度和软件硬件的概念1、存储容量的单位二进制的每一个位称为“位”（bit），可用小写的b来表示。每8个二进制位称为一个“字节”（Byte），可用大写的B来表示。计算机的存储器，不论是内存、硬盘、U盘、存储卡，它们的容量都是按字节来算的，一千个字节为1KB（Kilo千），一千个KB为1MB（Mega兆），一千个MB为1GB（Giga吉），一千个GB为1TB（Tera泰），一千个TB为1PB（Peta皮）。对于硬盘和U盘等存储器，生产厂商对其容量的标示，每一级是按十进制的1000来计算的，即：1PB 1000TB 10001000MB 100010001000KB 1000100010001000B然而Windows操作系统对于存储器的容量，每一级是按2101024来计算的，即：1PB 1024TB 10241024MB 102410241024KB 1024102410241024B所以，在Windows系统中看到的磁盘容量，会比磁盘生产厂家的标示容量小一些。下图是120GB的硬盘，在Windows下看到的容量大小。2、网络速度的单位与磁盘容量不同，网络速度是以二进制位来计算的。例如 bps，表示每秒传输多少个二进制位，相应的还有 kbps、Mbps、Gbps等，分别表示每秒传输多少千位、兆位、G位。因为8个二进制位为一字节，所以，要得到每秒的传输字节数，除以8即可。下图是某服务商的宽带上网广告3、硬件系统硬件系统即机器系统，是指计算机主机及其外围设备。包括CPU、内存、主板、磁盘、机箱、显示器、键盘、鼠标、打印机等。硬件系统决定了计算机的性能。4、软件系统软件系统是指决定计算机如何运算的程序及其相关数据文件。用户通过软件系统，才能管理计算机硬件，让硬件发挥出最大设计效能。计算机软件分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件负责直接管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。计算机用户和其他软件将计算机通过系统软件间接操作计算硬件，而不必去管底层具体是如何工作的。 系统软件常见的有：1、操作系统（Operating System，简称OS），例如DOS、Windows、Unix、Linux等；2、数据库系统，例如Access、MS SQL Server等；3、编译软件，用于将编写的程序翻译成机器能执行的二进制代码，例如Visual Basic、Visual C+等。应用软件是专门为实现某一特定功能而编制的软件，例如文字处理、音乐播放、影片播放、电子表格等等。此外，还有一种特殊的系统软件，称为基本输入输出系统（Basic Input Output System，简称BIOS）, 它是由主算机主板生产厂商在出厂时写入ROM芯片上的程序，用户不能通过普通方法对它进行修改和删除。它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。BIOS的设置介面： 系统软件和应用软件的关系：用户应用软件操作系统BIOS硬件五、操作系统的发展1946年第一台计算机诞生到20世纪50年代中期，还未出现操作系统，计算机工作采用手工操作方式。程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。这些将语言内置的电脑只能由操作人员自己编写程序来运行，不利于设备、程序的共用。为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就很好实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理。计算机操作系统的发展经历了两个阶段：第一个阶段为单用户、单任务的操作系统；第二个阶段是多用户、多任务和分时操作系统。单用户、单任务的操作系统，外观特点是以命令行的方式对电脑设备和文件进行管理，只有当一条命令执行完毕后，才能执行下一条命令。典型代表是微软的MS DOS操作系统。下图为MS DOS的界面：多用户、多任务和分时操作系统的外观特点是图像化的界面，输入设备除了键盘之外，还使用鼠标、触控屏进行操作管理，能同时处理多个任务，允许多个用户同时登录操作，典型的代表是Windows、Unix、Linux。1985年11月微软发布的第一代窗口式多任务系统，它使PC机开始进入了所谓的图形用户界面时代。但该操作系统还不能脱离MS DOS而独立存在，直到1995年，Windows95的发布，才使Windows成为一个独立的操作系统。下图为Windows 95的界面：UNIX操作系统，于1969年在AT&T的贝尔实验室开发，具有多用户、多任务的特点，支持多种处理器架构。当时的UNIX拥有者AT&T公司以低廉甚至免费的许可将Unix源码授权给学术机构做研究或教学之用，许多机构在此源码基础上加以扩充和改进，形成了所谓的“Unix变种”，这些变种反过来也促进了Unix的发展。最著名的变种之一是由加州大学柏克莱分校开发的BSD。BSD在发展中也逐渐派生出3个主要的分支：FreeBSD、OpenBSD和NetBSD。Unix因为其安全可靠，高效强大的特点在服务器领域得到了广泛的应用。直到GNU/Linux流行开始前，Unix也是科学计算、大型计算机、超级计算机等所用操作系统的主流。下图为运行在PC机上的BSD和Unix的吉祥物：Linux是目前全球最大的一个自由软件，它是一个可与UNIX和Windows相媲美的操作系统，具有完备的网络功能。Linux最初由芬兰人Linus Torvalds开发，其最重要的特点是免费和源代码公开（开源），任何人都可以在其基础上进行修改。其源程序在Internet网上公布以后，引起了全球电脑爱好者的开发热情，许多人下载该源程序并按自己的意愿完善某一方面的功能，再发回到网上，Linux也因此被雕琢成为一个全球最稳定的、最有发展前景的操作系统。Linux的开源特点，使得多个公司在其基础上开发了多个不同的Linux版本，比较著名的有Red hat、Ubuntu，以及我国的红旗、麒麟操作系统等。此外，Google公司的手机操作系统Android，也是在其基础上修改而来。与Unix系统专用于服务器、大型机、超级计算机不同，Linux的各个版本横跨了从掌上电脑、台式电脑到超级计算机的不同领域。下图为Ubuntu操作系统界面及Linux的标志图案：苹果操作系统Mac OS X是美国苹果公司开发的、封闭式的操作系统，它只能运行于苹果系列电脑上，而不能安装在PC机上。目前最新的系统版本是Mac OS X 10.10 Yosemite，于2014年6月发布。iOS是苹果公司的手机操作系统，同样也是封闭式的，只能运行于苹果公司的iPhone系列手机上。下图为苹果电脑上的Mac OS X 10操作系统和iPhone手机上的iOS操作系统：Android（安卓）操作系统是Google公司在Linux基础上开发的平板电脑和手机操作系统，因其具有免费使用的特点，所以被许多硬件生产厂商安装到出厂的平板电脑和智能手机上，成为近年来最为流行的手机操作系统。因为Android操作系统的应用软件是用JAVA语言写的，相对于其它操作系统用C/C+写的应用软件而言，运行效率要低一些。所以在相同硬件的情况下，Android系统的速度显得稍慢。下图是是安装在平板电脑和智能手机上的Android系统，以及Android标志图像：一般来说，不同的操作系统，只能安装在指定体系架构的电脑上；同样，不同操作系统的应用软件，只能运行在它们各自的操作系统上，而不能运行在其它操作系统上。因此，开发一款应用软件，必须针对具体的某个操作系统。如果需要在不同的操作系统上运行，只能对不同的操作系统，使用不同的开发工具，编写同一个软件的不同版本。虽然软件名称相同，就工作量而言，实际上已经是在开发不同的软件了。下图是不同硬件体系和对应的操作系统：PC机服务器、大型机、超级计算机开放架构智能手机MS DOSWindows 95Windows 98Windows 2000Windows XPWindows 7/8/9UnixLinuxWindows 2000Windows 2003Windows 2008Windows 2012Android苹果电脑Mac OS X苹果手机iOS