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第一章 計算機基礎知識第 1 章計算機基礎知識計算機是一種能夠自動、高速、精確地存儲和加工信息的電子設備。它是 20 世紀人 類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展使人類文明向前邁進了一大步。隨著社會的發(fā)展和 科技的進步，計算機已經成為現(xiàn)代人類社會活動中不可或缺的工具。1.1 計算機的發(fā)展與應用1.1.1 計算機的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進的計算工具。早在古代，人們就為了計數(shù) 和計算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀 30 年代，英國人威廉奧特瑞發(fā)明了計算尺。1642 年，法國數(shù)學家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機械計算器。機械計算器用純粹機械代替了人類的思考和記錄，標志著人類已 經向自動計算工具邁進了一步。19 世紀初，英國人查爾斯巴貝奇設計了差分機和分析機。設計的理論和現(xiàn)代電子計 算機的理論類似，為現(xiàn)代計算機設計思想的發(fā)展奠定基礎。在計算機發(fā)展史上，機械式的 差分機和分析機占有重要的地位。機械計算機在程序控制、系統(tǒng)結構、輸入輸出和存儲等 方面為現(xiàn)代計算機的產生奠定了技術基礎。1854 年，英國邏輯學家、數(shù)學家喬治布爾設計了一套符號，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運算法則，把形式邏輯歸結成一種代數(shù)運算，從而建立了邏輯代數(shù)。應用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計算機的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計算 機采用二進制奠定了理論基礎。1936 年，英國數(shù)學家圖靈發(fā)表了論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用，給出了現(xiàn) 代電子計算機的數(shù)學模型，從理論上論證了通用計算機產生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼首先提出在計算機中“存儲程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計算機的結構理論。20 世紀 40 年代，隨著火箭、導彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復雜的 數(shù)學問題，原有的計算工具已無法滿足需要。同時，電子學和自動控制技術等領域所取得 的技術成就，也為研制電子數(shù)字計算機（以下簡稱計算機）提供了物質及技術基礎。1946 年，美國賓夕法尼亞大學成功地研制了世界上第一臺由程序控制的電子數(shù)字計算 機，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計算機最初是為了 分析和計算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學的莫克利（john mauchly，1907-1980）在莫爾電氣工程學院任教期間，被委派負責彈道的計算工作。他提出了研制新 型計算機的建議，并于 1943 年 6 月開始實施。歷經兩年多的時間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個電子管，1500 個繼電器，耗電 150kw/h，每秒運算 5000 次，占地170m2，重量達 30t。用它計算彈道只要 3s，比機械計算機快 1000 倍，比人工計算快 20 萬第1頁(共18頁)第18頁（共18頁）倍。也就是說炮彈打出去還沒有落地，彈道就可計算出來。eniac 盡管還存在許多缺點， 還沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計算機發(fā)展史上的里程碑，它標志著 計算機時代的真正到來。1949 年 5 月，英國劍橋大學實驗室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲計算 機 edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺帶有存儲程序結構的 計算機。計算機發(fā)展到今天，無論從數(shù)量、還是從質量上都有了很大的飛躍。計算機從以前的 單純數(shù)字計算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質的變化。從第一臺計算機誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經歷了四代，目前，正向第五代邁進。l 第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計算機。主要特點是：邏輯元件采用電子 管；主存儲器采用延遲線，輔助存儲器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機器語言和匯編語言；應用以科學計算為主。第一代計算機運算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬次，其體積大、耗電多、價格昂貴且可靠性低。第一代計算 機的特點是操作指令是為特定任務而編制的，每種機器有各自不同的機器語言， 功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計算機發(fā)展的技術基礎。l 第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計算機。主要特點是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲器采用磁芯，輔助存儲器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級程序設計語言；其用途除科學計算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產的自動控 制方面。第二代計算機的運算速度為 100 萬次/s，內存容量擴大到幾十萬字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計算機系統(tǒng)專家，與整個軟件產業(yè)由此誕生。l 第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計算機。其特點是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲器仍以磁芯存儲器為主；機種系列化；外部設備不斷增多并 同通訊設備結合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級程序設計語言都有新 的發(fā)展；其應用領域日益擴大。第三代計算機的運算速度已達到 1000 萬次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進一步提高。這一時期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計算機在中心程序的控制協(xié)調下可以同時運行許多不同的程序。l 第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計算機。其特點是：計算機的邏輯元件 和主存儲器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計算機蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價格大幅度下降；其應用范圍已 擴大到國民經濟各個部門和社會生活等領域，并進入以計算機網絡為特征的時 代。第四代計算機無論從硬件還是軟件來看，比第三代計算機都有很大發(fā)展，它 的運算速度已達到每秒種數(shù)億次，而其價格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學技術先進的國家正在研制第五代計算機。新一代計算機由超大規(guī)模集成電路或超導電路組成，它的結構像搭積木一樣由多臺機器組合而成。它的運算速度可 達每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力?，F(xiàn)在，計算機在向微型化和巨型化、多媒體化和網絡化方向發(fā)展。計算機的通信產業(yè) 已經成為新型的高科技產業(yè)。計算機網絡的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學習方式、思 維方式和生活方式。第2頁(共18頁)我國從 1956 年開始研制計算機，1958 年第一臺電子計算機問世，1965 年研制成晶體 管計算機，1970 年研制成集成電路計算機。1997 年我國的“銀河”運算速度達到 130 億次/s，1999 年研制出運算速度 3840 億次/s 的計算機。2001 年的“曙光”機運算速度達 到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計算所宣布中國第一個可以批量投產的通用 cpu “龍芯 1 號”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點字長 32 位，浮 點字長 64 位，最高主頻可達 266mhz。此芯片的邏輯設計與版圖設計具有完全自主的知識 產權。采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務器同時發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔的國家網 格主節(jié)點“深騰 6800”超級計算機正式研制成功，其實際運算速度達到每秒 4.183 萬億次， 當時全球排名第 14 位，運行效率 78.5%。2004 年 6 月 21 日美國能源部勞倫斯伯克利國 家實驗室公布了最新的全球計算機 500 強名單，曙光計算機公司研制的超級計算機“曙光4000a”排名第十，運算速度達 8.061 萬億次。這一切說明，在計算機產業(yè)方面，我國已有 了長足的進步，但發(fā)展的道路任重而道遠。1.1.2 計算機的分類計算機的種類很多，可以按其不同的標志進行分類。從原理上講計算機可以分為兩大 類：電子模擬計算機（analogue computer）和電子數(shù)字計算機（digital computer）。數(shù)字 計算機是通過電信號的有無來表示數(shù)，并利用算術和邏輯運算法則進行計算的。它具有運 算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲等優(yōu)點，因此適合于科學計算、信息處理、實時 控制和人工智能等應用。我們通常所用的計算機，一般都是指的數(shù)字計算機。模擬計算機， 是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進行數(shù)值計算的。其優(yōu)點是速度 快，適合于解高階的微分方程。在模擬計算和控制系統(tǒng)中應用較多，但通用性不強，信息 不易存儲，且計算機的精度受到了設備的限制，因此不如數(shù)字計算機的應用普遍。按照計算機的用途可將其劃分為專用計算機（special purpose computer）和通用計算 機（general purpose computer）。專用計算機。具有單純、使用面窄甚至專機專用的特點， 它是為了解決一些專門的問題而設計制造的。因此，它可以增強某些特定的功能，而忽略 一些次要功能，使得專用計算機能夠達到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地， 模擬計算機通常都是專用計算機。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計算機。通用計 算機。具有功能多、配置全、用途廣、通用性強等特點，我們通常所說的以及本書所介紹 的就是指通用計算機。在通用計算機中，人們又按照計算機的運算速度、字長、存儲容量、軟件配置等多方 面的綜合性能指標將計算機分為巨型機、大型機、小型機、工作站、微型機等幾類。分類 的標準只是粗略劃分，只能就某一時期而言，下面僅舉幾例加以說明。1. 大型通用機“大型通用機”是對一類計算機的習慣稱呼，本身并無十分準確的技術定義。其特點 表現(xiàn)在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在公司、銀行、 政府部門、社會管理機構和制造廠家等，通常人們稱大型機為“企業(yè)級”計算機。在信息化社會里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題， 而這正是大型機的特長。未來將賦予大型機更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應用領第3頁(共18頁)第 1 章 計算機基礎知識域，如大型事務處理、企業(yè)內部的信息管理與安全保護、大型科學與工程計算等。 大型機研制周期長，設計技術與制造技術非常復雜，耗資巨大，需要相當數(shù)量的設計師協(xié)同工作。大型機在體系結構、軟件、外設等方面又有極強的繼承性，因此，國外只有 少數(shù)公司能夠從事大型機的研制、生產和銷售工作。美國的 ibm、dec，日本的富士通、 日立等都是大型機的主要廠商。2. 巨型機研制巨型機是現(xiàn)代科學技術、尤其是國防尖端技術發(fā)展的需要。核武器、反導彈武器、 空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等都要求計算機有很高的速度和很大的容量，一般 大型通用機遠遠不能滿足要求。很多國家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強的超級計 算機。巨型機的研制水平、生產能力及其應用程度已成為衡量一個國家經濟實力和科技水 平的重要標志。目前，巨型機的運算速度可達每秒幾百億次運算。這種巨型機一秒內所做的計算量相 當于一個人用袖珍計算器每秒做一次運算、一天 24 小時、一年 365 天連續(xù)不停地工作 31709 年。這種計算機使研究人員可以研究以前無法研究的問題，例如研究更先進的國防尖端技 術、估算 100 年以后的天氣、更詳盡地分析地震數(shù)據(jù)以及幫助科學家計算毒素對人體的作 用等。巨型機從技術上朝兩個方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時鐘周期，提高單 機性能。目前巨型機的時鐘周期大約在 2ns7ns（ns，納秒）。另一方面是采用多處理器結 構，提高整機性能，如 cray-4 就采用了 64 個處理器。在實踐中，有些科學技術題目需要并行計算。20 世紀 80 年代中期以來，超并行計算 機的發(fā)展十分迅速，這種超并行巨型計算機通常是指由 100 臺以上的處理器所組成的計算 機網絡系統(tǒng)，它是用成百上千甚至上萬臺處理器同時解算一個課題，以達到高速運算的目 的。這類大規(guī)模并行處理的計算機將是巨型計算機的重要發(fā)展方向。3. 小型機小型機機器規(guī)模小、結構簡單、設計試制周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器 由于可靠性高，對運行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護，用戶使用機器不必經過長期的 專門訓練。因此小型機對廣大用戶具有吸引力，加速了計算機的推廣普及。小型機應用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動控制、大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療設備中 的數(shù)據(jù)采集、分析計算等，也用作大型、巨型計算機系統(tǒng)的輔助機，并廣泛運用于企業(yè)管 理以及大學和研究所的科學計算等。dec 公司的 pdp-11 系列是 16 位小型機的早期代表。近年來，隨著基礎技術的進步， 小型機的發(fā)展引人注目，特別是在體系結構上采用 risc 技術，即計算機硬件只實現(xiàn)最常 用的指令集，復雜指令用軟件實現(xiàn)，從而使其具有更高的性能價格比。在系統(tǒng)結構上，小 型機也經常像大型計算機一樣采用多處理機系統(tǒng)，例如采用工業(yè)標準 intel x86 微處理機芯 片的多處理機系統(tǒng)。當前，人們一談到采用 486、586 芯片的機器就認為是微型機，其實這 是一種誤解。486、586 等大規(guī)模集成電路微處理機芯片，既可以用于設計微型機，也可用 來設計小型機，甚至大型機。第4頁(共18頁)那種認為微型機和工作站已全面趕上和超過小型機，小型機將不復存在的看法是不全 面锝，它忽略了兩類計算機技術發(fā)展的時間差。正確的說法是，今天的微型機和工作站的 主要性能已全面趕上和超過十年前的小型機；同樣，今天的小型機已全面趕上和超過十年 前的大、中型機。4. 工作站工作站是一種高檔的微機系統(tǒng)。它具有較高的運算速度，既具有大、中、小型機的多 任務、多用戶能力，又兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它可連接多種輸入、輸 出設備，其最突出的特點是圖形性能優(yōu)越，具有很強的圖形交互處理能力，因此在工程領 域、特別是在計算機輔助設計領域得到了廣泛運用。人們通常認為工作站是專為工程師設 計的機型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網絡接口，采用開放式系統(tǒng)結構，即將機 器的軟、硬件接口公開，并盡量遵守國際工業(yè)界流行標準，以鼓勵其它廠商、用戶圍繞工 作站開發(fā)軟、硬件產品。目前，多媒體等各種新技術已普遍集成到工作站中，使其更具特 色。它的應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業(yè)、金融、辦公領域，并頻頻充 當網絡服務器的角色。5. 微型機（pc 機）微型計算機，又稱 pc（personal computer）機，指個人計算機。pc 機主要有臺式機 和便攜式兩種，廣泛用在辦公室和家庭當中。便攜式便于在流動性的工作中使用，小巧輕 便，功能齊全。目前，pc 機是應用最為廣泛的計算機。由于網絡的發(fā)展以及群集技術的出現(xiàn)，pc 機 能進一步發(fā)揮更大作用。（詳見 1.2.4）6. 網絡計算機（nc，network computer）當計算機最初用于信息管理時，信息的存儲和管理是分散的。這種方式的弱點是數(shù)據(jù) 的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫為標志的一代信息管理技術發(fā)展起 來，同時以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20 世紀 80 年 代 pc 機的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計算機網絡的普及更加劇了這一變化。數(shù) 據(jù)庫技術也相當延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫，客戶機服務器的應用模式出現(xiàn)了。當然，這 不是向分散處理的簡單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著 internet 的迅猛發(fā)展，網絡安全、 軟件維護與更新、多媒體應用等迫使人們再次權衡集中與分散的問題：是否可以把需要共 享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對集中地存放，把經常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶 端的功能僅限于用戶界面與通信功能呢？這就是網絡計算機的由來。從 nc 的角度來看，可以把整個網絡看成是一個巨大的磁盤驅動器，而 nc 可以通過 網絡從服務器上下載大多數(shù)乃至全部應用軟件。這就意味著作為 pc 的使用者，從此可以 不再為 pc 機的軟硬件配置和文件的保存煞費苦心。由于應用軟件和文件都是存儲在服務 器而不是各自的 pc 機上，因此無論是數(shù)據(jù)還是應用軟件，用戶總能獲得最新的版本。目 前，nc 的發(fā)展還沒有達到預期的規(guī)模，但其中的一些思想值得我們借鑒。近年來，隨著 internet 的普及，各種檔次的計算機在網絡中發(fā)揮著各自不同的作用。第5頁(共18頁)1.1.3 計算機的應用計算機最初是為適應科學計算的要求，提高計算的精度與速度而設計的。但這幾十年的.第 1 章計算機基礎知識計算機是一種能夠自動、高速、精確地存儲和加工信息的電子設備。它是 20 世紀人 類最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展使人類文明向前邁進了一大步。隨著社會的發(fā)展和 科技的進步，計算機已經成為現(xiàn)代人類社會活動中不可或缺的工具。1.1 計算機的發(fā)展與應用1.1.1 計算機的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進的計算工具。早在古代，人們就為了計數(shù) 和計算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀 30 年代，英國人威廉奧特瑞發(fā)明了計算尺。1642 年，法國數(shù)學家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機械計算器。機械計算器用純粹機械代替了人類的思考和記錄，標志著人類已 經向自動計算工具邁進了一步。19 世紀初，英國人查爾斯巴貝奇設計了差分機和分析機。設計的理論和現(xiàn)代電子計 算機的理論類似，為現(xiàn)代計算機設計思想的發(fā)展奠定基礎。在計算機發(fā)展史上，機械式的 差分機和分析機占有重要的地位。機械計算機在程序控制、系統(tǒng)結構、輸入輸出和存儲等 方面為現(xiàn)代計算機的產生奠定了技術基礎。1854 年，英國邏輯學家、數(shù)學家喬治布爾設計了一套符號，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運算法則，把形式邏輯歸結成一種代數(shù)運算，從而建立了邏輯代數(shù)。應用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計算機的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計算 機采用二進制奠定了理論基礎。1936 年，英國數(shù)學家圖靈發(fā)表了論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用，給出了現(xiàn) 代電子計算機的數(shù)學模型，從理論上論證了通用計算機產生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼首先提出在計算機中“存儲程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計算機的結構理論。20 世紀 40 年代，隨著火箭、導彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復雜的 數(shù)學問題，原有的計算工具已無法滿足需要。同時，電子學和自動控制技術等領域所取得 的技術成就，也為研制電子數(shù)字計算機（以下簡稱計算機）提供了物質及技術基礎。1946 年，美國賓夕法尼亞大學成功地研制了世界上第一臺由程序控制的電子數(shù)字計算 機，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計算機最初是為了分析和計算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學的莫克利（john mauchly，第6頁(共18頁)1907-1980）在莫爾電氣工程學院任教期間，被委派負責彈道的計算工作。他提出了研制新 型計算機的建議，并于 1943 年 6 月開始實施。歷經兩年多的時間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個電子管，1500 個繼電器，耗電 150kw/h，每秒運算 5000 次，占地170m2，重量達 30t。用它計算彈道只要 3s，比機械計算機快 1000 倍，比人工計算快 20 萬 倍。也就是說炮彈打去還沒有落地，彈道就可計算出來。eniac 盡管還存在許多缺點，還 沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計算機發(fā)展史上的里程碑，它標志著計 算機時代的真正到來。1949 年 5 月，英國劍橋大學實驗室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲計算 機 edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺帶有存儲程序結構的 計算機。計算機發(fā)展到今天，無論從數(shù)量、還是從質量上都有了很大的飛躍。計算機從以前的 單純數(shù)字計算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質的變化。從第一臺計算機誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經歷了四代，目前，正向第五代邁進。l 第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計算機。主要特點是：邏輯元件采用電子 管；主存儲器采用延遲線，輔助存儲器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機器語言和匯編語言；應用以科學計算為主。第一代計算機運算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬次，其體積大、耗電多、價格昂貴且可靠性低。第一代計算 機的特點是操作指令是為特定任務而編制的，每種機器有各自不同的機器語言， 功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計算機發(fā)展的技術基礎。l 第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計算機。主要特點是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲器采用磁芯，輔助存儲器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級程序設計語言；其用途除科學計算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產的自動控 制方面。第二代計算機的運算速度為 100 萬次/s，內存容量擴大到幾十萬字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計算機系統(tǒng)專家，與整個軟件產業(yè)由此誕生。l 第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計算機。其特點是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲器仍以磁芯存儲器為主；機種系列化；外部設備不斷增多并 同通訊設備結合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級程序設計語言都有新 的發(fā)展；其應用領域日益擴大。第三代計算機的運算速度已達到 1000 萬次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進一步提高。這一時期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計算機在中心程序的控制協(xié)調下可以同時運行許多不同的程序。l 第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計算機。其特點是：計算機的邏輯元件 和主存儲器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計算機蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價格大幅度下降；其應用范圍已 擴大到國民經濟各個部門和社會生活等領域，并進入以計算機網絡為特征的時 代。第四代計算機無論從硬件還是軟件來看，比第三代計算機都有很大發(fā)展，它 的運算速度已達到每秒種數(shù)億次，而其價格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學技術先進的國家正在研制第五代計算機。新一代計算機由超大規(guī)模集成電路或超導電路組成，它的結構像搭積木一樣由多臺機器組合而成。它的運算速度可第7頁(共18頁)達每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力。 現(xiàn)在，計算機在向微型化和巨型化、多媒體化和網絡化方向發(fā)展。計算機的通信產業(yè)已經成為新型的高科技產業(yè)。計算機網絡的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學習方式、思 維方式和生活方式。我國從 1956 年開始研制計算機，1958 年第一臺電子計算機問世，1965 年研制成晶體 計算機，1970 年研制成集成電路計算機。1997 年我國的“銀河”運算速度達到 130 億次/s，1999 年研制出運算速度 3840 億次/s 的計算機。2001 年的“曙光”機運算速度達到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計算所宣布中國第一個可以批量投產的通用 cpu“龍芯 1 號”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點字長 32 位，浮點字長64 位，最高主頻可達 266mhz。此芯片的邏輯設計與版圖設計具有完全自主的知識產權。 采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務器同時發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔的國家網格主節(jié) 點“深騰 6800”超級計算機正式研制成功，其實際運算速度達到每秒 4.183 萬億次，當時 全球排名第 14 位，運行效率 78.5%。2004 年 6 月 21 日美國能源部勞倫斯伯克利國家實 驗室公布了最新的全球計算機 500 強名單，曙光計算機公司研制的超級計算機“曙光4000a”排名第十，運算速度達 8.061 萬億次。這一切說明，在計算機產業(yè)方面，我國已有 了長足的進步，但發(fā)展的道路任重而道遠。1.1.2 計算機的分類計算機的種類很多，可以按其不同的標志進行分類。從原理上講計算機可以分為兩大 類：電子模擬計算機（analogue computer）和電子數(shù)字計算機（digital computer）。數(shù)字 計算機是通過電信號的有無來表示數(shù)，并利用算術和邏輯運算法則進行計算的。它具有運 算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲等優(yōu)點，因此適合于科學計算、信息處理、實時 控制和人工智能等應用。我們通常所用的計算機，一般都是指的數(shù)字計算機。模擬計算機， 是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進行數(shù)值計算的。其優(yōu)點是速度 快，適合于解高階的微分方程。在模擬計算和控制系統(tǒng)中應用較多，但通用性不強，信息 不易存儲，且計算機的精度受到了設備的限制，因此不如數(shù)字計算機的應用普遍。按照計算機的用途可將其劃分為專用計算機（special purpose computer）和通用計算 機（general purpose computer）。專用計算機。具有單純、使用面窄甚至專機專用的特點， 它是為了解決一些專門的問題而設計制造的。因此，它可以增強某些特定的功能，而忽略 一些次要功能，使得專用計算機能夠達到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地， 模擬計算機通常都是專用計算機。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計算機。通用計 算機。具有功能多、配置全、用途廣、通用性強等特點，我們通常所說的以及本書所介紹 的就是指通用計算機。在通用計算機中，人們又按照計算機的運算速度、字長、存儲容量、軟件配置等多方 面的綜合性能指標將計算機分為巨型機、大型機、小型機、工作站、微型機等幾類。分類 的標準只是粗略劃分，只能就某一時期而言，下面僅舉幾例加以說明。1. 大型通用機“大型通用機”是對一類計算機的習慣稱呼，本身并無十分準確的技術定義。其特點第8頁(共18頁)表現(xiàn)在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在公司、銀行、 政府部門、社會管理機構和制造廠家等，通常人們稱大型機為“企業(yè)級”計算機。在信息化社會里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題，而這正是大型機的特長。未來將賦予大型機更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應用領 域，如大型事務處理、企業(yè)內部的信息管理與安全保護、大型科學與工程計算等。大型機 研制周期長，設計技術與制造技術非常復雜，耗資巨大，需要相當數(shù)量的設計師協(xié)同工作。 大型機在體系結構、軟件、外設等方面又有極強的繼承性，因此，國外只有少數(shù)公司能夠 從事大型機的研制、生產和銷售工作。美國的 ibm、dec，日本的富士通、日立等都是大 型機的主要廠商。2. 巨型機研制巨型機是現(xiàn)代科學技術、尤其是國防尖端技術發(fā)展的需要。核武器、反導彈武器、 空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等都要求計算機有很高的速度和很大的容量，一般 大型通用機遠遠不能滿足要求。很多國家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強的超級計 算機。巨型機的研制水平、生產能力及其應用程度已成為衡量一個國家經濟實力和科技水 平的重要標志。目前，巨型機的運算速度可達每秒幾百億次運算。這種巨型機一秒內所做的計算量相 當于一個人用袖珍計算器每秒做一次運算、一天 24 小時、一年 365 天連續(xù)不停地工作 31709 年。這種計算機使研究人員可以研究以前無法研究的問題，例如研究更先進的國防尖端技 術、估算 100 年以后的天氣、更詳盡地分析地震數(shù)據(jù)以及幫助科學家計算毒素對人體的作 用等。巨型機從技術上朝兩個方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時鐘周期，提高單 機性能。目前巨型機的時鐘周期大約在 2ns7ns（ns，納秒）。另一方面是采用多處理器結 構，提高整機性能，如 cray-4 就采用了 64 個處理器。在實踐中，有些科學技術題目需要并行計算。20 世紀 80 年代中期以來，超并行計算 機的發(fā)展十分迅速，這種超并行巨型計算機通常是指由 100 臺以上的處理器所組成的計算 機網絡系統(tǒng)，它是用成百上千甚至上萬臺處理器同時解算一個課題，以達到高速運算的目 的。這類大規(guī)模并行處理的計算機將是巨型計算機的重要發(fā)展方向。3. 小型機小型機機器規(guī)模小、結構簡單、設計試制周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器 由于可靠性高，對運行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護，用戶使用機器不必經過長期的 專門訓練。因此小型機對廣大用戶具有吸引力，加速了計算機的推廣普及。小型機應用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動控制、大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療設備中 的數(shù)據(jù)采集、分析計算等，也用作大型、巨型計算機系統(tǒng)的輔助機，并廣泛運用于企業(yè)管 理以及大學和研究所的科學計算等。dec 公司的 pdp-11 系列是 16 位小型機的早期代表。近年來，隨著基礎技術的進步， 小型機的發(fā)展引人注目，特別是在體系結構上采用 risc 技術，即計算機硬件只實現(xiàn)最常 用的指令集，復雜指令用軟件實現(xiàn)，從而使其具有更高的性能價格比。在系統(tǒng)結構上，小第9頁(共18頁)型機也經常像大型計算機一樣采用多處理機系統(tǒng)，例如采用工業(yè)標準 intel x86 微處理機芯 片的多處理機系統(tǒng)。當前，人們一談到采用 486、586 芯片的機器就認為是微型機，其實這 是一種誤解。486、586 等大規(guī)模集成電路微處理機芯片，既可以用于設計微型機，也可用來設計小型機，甚至大型機。那種認為微型機和工作站已全面趕上和超過小型機，小型機將不復存在的看法是不全 面的，它忽略了兩類計算機技術發(fā)展的時間差。正確的說法是，今天的微型機和工作站的 主性能已全面趕上和超過十年前的小型機；同樣，今天的小型機已全面趕上和超過十年前 的大、中型機。4. 工作站工作站是一種高檔的微機系統(tǒng)。它具有較高的運算速度，既具有大、中、小型機的多 任務、多用戶能力，又兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它可連接多種輸入、輸 出設備，其最突出的特點是圖形性能優(yōu)越，具有很強的圖形交互處理能力，因此在工程領 域、特別是在計算機輔助設計領域得到了廣泛運用。人們通常認為工作站是專為工程師設 計的機型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網絡接口，采用開放式系統(tǒng)結構，即將機 器的軟、硬件接口公開，并盡量遵守國際工業(yè)界流行標準，以鼓勵其它廠商、用戶圍繞工 作站開發(fā)軟、硬件產品。目前，多媒體等各種新技術已普遍集成到工作站中，使其更具特 色。它的應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業(yè)、金融、辦公領域，并頻頻充 當網絡服務器的角色。5. 微型機（pc 機）微型計算機，又稱 pc（personal computer）機，指個人計算機。pc 機主要有臺式機 和便攜式兩種，廣泛用在辦公室和家庭當中。便攜式便于在流動性的工作中使用，小巧輕 便，功能齊全。目前，pc 機是應用最為廣泛的計算機。由于網絡的發(fā)展以及群集技術的出現(xiàn)，pc 機 能進一步發(fā)揮更大作用。（詳見 1.2.4）6. 網絡計算機（nc，network computer）當計算機最初用于信息管理時，信息的存儲和管理是分散的。這種方式的弱點是數(shù)據(jù) 的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫為標志的一代信息管理技術發(fā)展起 來，同時以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20 世紀 80 年 代 pc 機的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計算機網絡的普及更加劇了這一變化。數(shù) 據(jù)庫技術也相當延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫，客戶機服務器的應用模式出現(xiàn)了。當然，這 不是向分散處理的簡單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著 internet 的迅猛發(fā)展，網絡安全、 軟件維護與更新、多媒體應用等迫使人們再次權衡集中與分散的問題：是否可以把需要共 享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對集中地存放，把經常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶 端的功能僅限于用戶界面與通信功能呢？這就是網絡計算機的由來。從 nc 的角度來看，可以把整個網絡看成是一個巨大的磁盤驅動器，而 nc 可以通過 網絡從服務器上下載大多數(shù)乃至全部應用軟件。這就意味著作為 pc 的使用者，從此可以 第10頁(共18頁)不再為 pc 機的軟硬件配置和文件的保存煞費苦心。由于應用軟件和文件都是存儲在服務 器而不是各自的 pc 機上，因此無論是數(shù)據(jù)還是應用軟件，用戶總能獲得最新的版本。目 前，nc 的發(fā)展還沒有達到預期的規(guī)模，但其中的一些思想值得我們借鑒。近年來，隨著 internet 的普及，各種檔次的計算機在網絡中發(fā)揮著各自不同的作用。1.1.3 計算機的應用計算機最初是為適應科學計算的要求，提高計算的精度與速度而設計的。但這幾十年 發(fā)展表明，計算機的應用遠遠超出了科學計算的范圍，在文字處理、信息收集與加工、數(shù) 據(jù)庫管理、自動控制等各方面顯示了驚人的能力。歸納起來，主要應用于以下幾個方面：. 科學計算（數(shù)值計算）科學計算就是指數(shù)值計算，是計算機最重要也是最初的應用領域之一。例如在天文學、 核物理學、生物工程、國防軍事科學、工農業(yè)生產、建筑等領域都有大量的數(shù)值計算的課 題。. 數(shù)據(jù)處理（信息處理）數(shù)據(jù)處理是指在計算機上管理、操縱各種形式的數(shù)據(jù)資料。例如，企業(yè)管理、物資管 理、報表統(tǒng)計、帳務計算、信息情報檢索等都是數(shù)據(jù)處理。此外，將微機與儀器儀表結合， 充分利用微機的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲的自動化，可大大提高儀器儀 表測量的精確度和自動化程度。. 過程控制（實時控制）過程控制是指利用計算機對連續(xù)的工業(yè)生產過程進行控制。微型機在工業(yè)控制方面的 應用，大大促進了自動化技術的普及和提高，并且可以節(jié)省勞動力，減輕勞動強度，提高 生產效率，節(jié)省原料，減少能源消耗，降低生產成本。例如，用微機進行機床和其它生產 設備的控制，可完成生產過程的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)自動檢測、自動調節(jié)和自動控制。. 計算機通信現(xiàn)代通信技術與計算機技術相結合，構成聯(lián)機系統(tǒng)和計算機網絡，這是微型機具有廣 闊前途的一個應用領域。計算機網絡的建立，不僅解決了一個地區(qū)、一個國家中計算機之 間的通信和網絡內各種資源的共享，還可以促進和發(fā)展國際間的通信和各種數(shù)據(jù)的傳輸與 處理。. 計算機輔助設計、輔助制造、輔助測試和輔助教學計算機輔助設計（cad）是指利用計算機來幫助設計人員進行工程設計，以提高設計 工作的自動化程度，節(jié)省人力和物力。計算機輔助制造（cam）是指利用計算機來進行生產設備的管理、控制和操作生產過 程，以便提高產品質量，降低成本，縮短生產周期，改善制造人員的工作條件。計算機輔助測試（cat）是指利用計算機來幫助測試。第11頁(共18頁)計算機輔助教學（cai）是指利用計算機來輔助學生學習的自動系統(tǒng)。它將教學內容、 教學方法以及學生學習情況存儲于計算機內，使學生能夠從 cai 系統(tǒng)中學到所需要的知識。. 人工智能人工智能是利用計算機模擬人類某些智能行為（如感知、思維、推理、學習等）的理 論和技術。它是在計算機科學、控制論等基礎上發(fā)展起來的邊緣學科，包括專家系統(tǒng)、機 器翻譯、自然語言理解等等。 計算機的應用范圍非常廣泛，從人造衛(wèi)星到日常生活，從科學計算到兒童玩具都有計算機 的蹤影。但應該認識到，計算機是人設計制造的，要靠人來使用和維護，它不能代替人.the using software is free version, you can upgrade it to the upgrade version. 腦的一切活動。人們只有提高計算機方面的知識水平，才能充分發(fā)揮計算機的作用。1.2 計算機的發(fā)展與應用1.2.1 計算機的發(fā)展概況自從人類文明形成，人類就不斷的追求先進的計算工具。早在古代，人們就為了計數(shù) 和計算的需要發(fā)明了算籌和算盤。17 世紀 30 年代，英國人威廉奧特瑞發(fā)明了計算尺。1642 年，法國數(shù)學家萊斯帕 斯卡發(fā)明了機械計算器。機械計算器用純粹機械代替了人類的思考和記錄，標志著人類已 經向自動計算工具邁進了一步。19 世紀初，英國人查爾斯巴貝奇設計了差分機和分析機。設計的理論和現(xiàn)代電子計 算機的理論類似，為現(xiàn)代計算機設計思想的發(fā)展奠定基礎。在計算機發(fā)展史上，機械式的 差分機和分析機占有重要的地位。機械計算機在程序控制、系統(tǒng)結構、輸入輸出和存儲等 方面為現(xiàn)代計算機的產生奠定了技術基礎。1854 年，英國邏輯學家、數(shù)學家喬治布爾設計了一套符號，表示邏輯理論中的基本 概念，并規(guī)定了運算法則，把形式邏輯歸結成一種代數(shù)運算，從而建立了邏輯代數(shù)。應用 邏輯代數(shù)可以從理論上解決兩種電狀態(tài)的電子管作為計算機的邏輯器件問題，為現(xiàn)代計算 機采用二進制奠定了理論基礎。1936 年，英國數(shù)學家圖靈發(fā)表了論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用，給出了現(xiàn) 代電子計算機的數(shù)學模型，從理論上論證了通用計算機產生的可能性。1945 年，美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼首先提出在計算機中“存儲程序”的概念，奠 定了現(xiàn)代計算機的結構理論。20 世紀 40 年代，隨著火箭、導彈等現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，需要解決一些十分復雜的 數(shù)學問題，原有的計算工具已無法滿足需要。同時，電子學和自動控制技術等領域所取得 第12頁(共18頁)的技術成就，也為研制電子數(shù)字計算機（以下簡稱計算機）提供了物質及技術基礎。1946 年，美國賓夕法尼亞大學成功地研制了世界上第一臺由程序控制的電子數(shù)字計算 機，名為“eniac”（electonic numerical integrator and computer）。該計算機最初是為了 分析和計算炮彈的軌跡而研制的。1942 年，賓夕法尼亞大學的莫克利（john mauchly，1907-1980）在莫爾電氣工程學院任教期間，被委派負責彈道的計算工作。他提出了研制新 型計算機的建議，并于 1943 年 6 月開始實施。歷經兩年多的時間，eniac 終于研制成功。 eniac 共用了 18000 個電子管，1500 個繼電器，耗電 150kw/h，每秒運算 5000 次，占地170m2，重量達 30t。用它計算彈道只要 3s，比機械計算機快 1000 倍，比人工計算快 20 萬 倍。也就是說炮彈打出去還沒有落地，彈道就可計算出來。eniac 盡管還存在許多缺點， 還沒有真正使用程序控制，但是，它的研制成功，是計算機發(fā)展史上的里程碑，它標志著 計算機時代的真正到來。1949 年 5 月，英國劍橋大學實驗室根據(jù)馮諾依曼的思想，研制成電子遲延存儲計算 機 edsac（electronic delay storage automatic calculator），這是一臺帶有存儲程序結構的 計算機。計算機發(fā)展到今天，無論從數(shù)量、還是從質量上都有了很大的飛躍。計算機從以前的 單純數(shù)字計算發(fā)展到了現(xiàn)在的信息處理，發(fā)生了質的變化。從第一臺計算機誕生到現(xiàn)在，它的發(fā)展已經歷了四代，目前，正向第五代邁進。l第一代（1946 年至 1958 年）是電子管計算機。主要特點是：邏輯元件采用電子 管；主存儲器采用延遲線，輔助存儲器采用紙帶、卡片、磁鼓等；軟件主要使用 機器語言和匯編語言；應用以科學計算為主。第一代計算機運算速度很慢，每秒 鐘只有幾千次到幾萬次，其體積大、耗電多、價格昂貴且可靠性低。第一代計算 機的特點是操作指令是為特定任務而編制的，每種機器有各自不同的機器語言， 功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)。 但是，它奠定了計算機發(fā)展的技術基礎。l第二代（1958 年至 1964 年）是晶體管計算機。主要特點是：邏輯元件采用晶體 管；主存儲器采用磁芯，輔助存儲器已開始使用磁盤；軟件開始使用操作系統(tǒng)及 高級程序設計語言；其用途除科學計算外，已用于數(shù)據(jù)處理及工業(yè)生產的自動控 制方面。第二代計算機的運算速度為 100 萬次/s，內存容量擴大到幾十萬字節(jié)。 新的職業(yè)，如程序員、分析員和計算機系統(tǒng)專家，與整個軟件產業(yè)由此誕生。l第三代（1964 年至 1970 年）是集成電路計算機。其特點是：邏輯元件采用小規(guī) 模集成電路；主存儲器仍以磁芯存儲器為主；機種系列化；外部設備不斷增多并 同通訊設備結合起來；軟件逐漸完善，操作系統(tǒng)、多種高級程序設計語言都有新 的發(fā)展；其應用領域日益擴大。第三代計算機的運算速度已達到 1000 萬次/s，它 的體積小，功能增加，可靠性進一步提高。這一時期的發(fā)展還包括使用了操作系 統(tǒng)，使得計算機在中心程序的控制協(xié)調下可以同時運行許多不同的程序。l第四代（1970 年至今）是大規(guī)模集成電路計算機。其特點是：計算機的邏輯元件 和主存儲器都采用了大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；微型計算機蓬勃發(fā) 展，它的體積更小、耗電量少、可靠性更高、其價格大幅度下降；其應用范圍已 擴大到國民經濟各個部門和社會生活等領域，并進入以計算機網絡為特征的時代。第四代計算機無論從硬件還是軟件來看，比第三代計算機都有很大發(fā)展，它 的運算速度已達到每秒種數(shù)億次，而其價格每年以 30%的幅度下降。目前，世界上科學技術先進的國家正在研制第五代計算機。新一代計算機由超大規(guī)模集成電路或超導電路組成，它的結構像搭積木一樣由多臺機器組合而成。它的運算速度可 達每秒鐘千億次以上，并且具有像人一樣能看、能聽、能說和能思考的能力。現(xiàn)在，計算機在向微型化和巨型化、多媒體化和網絡化方向發(fā)展。計算機的通信產業(yè) 已經成為新型的高科技產業(yè)。計算機網絡的出現(xiàn)，改變了人們的工作方式、學習方式、思 維方式和生活方式。我國從 1956 年開始研制計算機，1958 年第一臺電子計算機問世，1965 年研制成晶體 管計算機，1970 年研制成集成電路計算機。1997 年我國的“銀河”運算速度達到 130 億次/s，1999 年研制出運算速度 3840 億次/s 的計算機。2001 年的“曙光”機運算速度達 到 4032 億次/s。2002 年 9 月 28 日中科院計算所宣布中國第一個可以批量投產的通用 cpu “龍芯 1 號”芯片研制成功。其指令系統(tǒng)與國際主流系統(tǒng) mips 兼容，定點字長 32 位，浮 點字長 64 位，最高主頻可達 266mhz。此芯片的邏輯設計與版圖設計具有完全自主的知識 產權。采用該 cpu 的曙光“龍騰”服務器同時發(fā)布。2003 年 12 月 9 日聯(lián)想承擔的國家網 格主節(jié)點“深騰 6800”超級計算機正式研制成功，其實際運算速度達到每秒 4.183 萬億次， 當時全球排名