計算機原理

1943——1946年美國賓夕法尼亞大學研製的電子數字積分器和計算機ENIAC（Electronic Numerical And Computer）是世界上第一台電子多用途計算機。一般認為它是現代計算機的始祖。

與ENIAC計算機研製的同時，馮·諾依曼（Von Neumann）與莫爾小組合作研製EDVAC計算機，採用了存儲程序方案，其後開發的計算機都採用這種方式，稱為馮·諾依曼計算機。

Von Neumann具有以下特點：

（1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。

（2）採用存儲程序的方式，程序和數據放在同一個存儲器中，指令和數據一樣可以送到運算器運算，即由指令組成的程序是可以修改的。

（3）數據以二進制代碼表示。

（4）指令由操作碼和地址碼組成。

（5）指令在存儲器中按執行順序存放，由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界條件而改變。

（6）機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。

現代計算機系統結構有了很大新發展，但原則上變化不大，習慣上仍稱之為馮·諾依曼機。

根據計算機所採用的物理器件的發展，一般把電子計算機的發展分成四個階段，習慣上稱為四代。

電子管計算機時代（從1946年到50年代後期），其主要特點是採用電子管作為基礎器件。代表機型IBM公司的IBM650。

晶體管計算機時代（從50年代中期到60年代後期），採用的主要器件逐步由電子管改為晶體管，縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，降低了價格。代表機型控制數據公司（CDC）的大型計算機系統CDC6600.

集成電路計算機時代（從60年代中期到70年代前期），計算機採用集成電路作為基本器件，功耗、體積、價格進一步下降，速度和可靠性相應的提高。代表機型IBM公司的IBM360.

大規模集成電路計算機時代（從70年代初至今），70年代初，半導體存儲器問世，迅速取代了磁芯存儲器，並不斷向大容量、高速度發展。1984年內含2300個晶體管的Intel4004芯片問世，開啓了現代計算機的篇章。

大型機是反映各個時期先進計算技術的大型通用計算機，其中以IBM公司的大型機系列影響最大。60年代的IBM360系統，70年代和80年代的IBM370系統曾佔領大型機的主要市場。90年代IBM推出的大型機系列為IBMS/390系列，都是大型機的代表之作。

現代科學技術，尤其是國防技術的發展，需要有很高運算速度、很大存儲容量的計算機，一般大型通用計算機不能滿足要求。集成電路的進展，為製造巨型機提供了條件。微處理器的發展為陣列結構的巨型機發展帶來了希望。如古德伊爾公司為美國宇航局（NASA）研製了一台處理衞星圖像的計算機系統MPP，該機由16384個微處理器組成128*128方陣。

小型機規模小、結構簡單所以設計試製週期短，便於及時採用先進工藝，生產量大，硬件成本低。小型機的出現打開了再控制領域應用計算機的局面，許多大型分析儀器、測量儀器使用小型機進行數據採集、整理、分析、計算等。

微型機的出現與發展，掀起計算機大普及的浪潮，利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS-4是世界上第一台微型機，它於1971年問世。我們工作學習生活中用的PC就是微型機。1978年Intel成功開發了16位微處理器Intel8086。1981年32位微處理器Intel80386問世。隨着技術的不斷髮展，已經進入64位雙核微處理器時代。其它還有工程工作站、聯機系統和計算機網絡，這些就不再贅述，有興趣的讀者可以自己搜索資料。

這裏所説的計算機原理，主要以微型機為主，因為微型機與我們的生活關係最為密切。

1、科學計算

2、過程控制

3、信息管理

4、計算機網絡與通信

5、計算機輔助教學、設計、製造

6、儀器儀表與家電控制

7 電子遊戲，看視頻，購物

計算機的主要應用

數據可分為數值數據和非數值數據兩大類。從計算機所處理數據的類型這個角度來看，計算機的應用原則上應該分成科學計算和非數值計算兩大類。後者包括信息處理、過程控制、計算機輔助設計、計算機輔助教學、人工智能等，其應用範圍遠遠超過前者。計算機的應用已形成了一門專門的學科，它主要包括以下幾方面的內容：

1.科學計算即純數值計算，主要是解決科學研究領域的一些複雜的數學問題，計算量大而且精度要求高。例如：氣象預報、人造衞星軌道的計算等都屬於這方面的應用。

2.過程控制

過程控制是指利用計算機對生產或其他過程中的數據及時採集，並按最佳方案實現自動化。過程控制可以提高自動化程度，減輕勞動強度、提高生產效率、降低生產成本，保證產品質量的穩定。

3.信息處理

信息處理是計算機應用最廣泛的領域之一。信息處理是指用計算機對各種形式的信息（如文字、圖像、聲音等）收集、存儲、加工、分析和傳送的過程。當今社會，計算機在信息處理領域的應用，對辦公自動化、管理自動化乃至社會信息化都起着積極的促進作用。

4.計算機輔助系統

1）計算機輔助設計

計算機輔助設計簡稱為CAD（ComputerAidedDesign），它是利用計算機幫助人們進行各種工程和複雜產品的設計。CAD技術不僅提高了設計質量，而且也提高了自動化程度，大大縮短了新產品的設計與試製週期，從而成為生產現代化的重要手段。

2）計算機輔助製造計算機輔助製造簡稱為CAM（ComputerAidedManufacturing）。它是利用計算機直接控制零件的加工，實現無圖紙加工。

3）計算機輔助教學

計算機輔助教學簡稱為CAI（ComputerAssistedInstruction）。它是指利用多媒體和網絡技術，使得網上教學和遠程教學得以實現。利用CAI，可將課程內容編成圖文並茂的軟件，使教學過程更加形象化。對於不同程度的學生可以自主選擇不同的教學內容和教學進度，改變了教學的單一模式。

計算機系統構成

由上圖我們可以看出，計算機系統包含硬件系統和軟件系統，硬件系統是計算機的基礎，軟件系統是計算機的上層建築。一個完整的計算機系統必須包含硬件系統和軟件系統，只有硬件系統沒有軟件系統的機器叫裸機。

硬件系統一般包括：微處理器（CPU）、內存儲器、輸入/輸出接口、系統總線、外部設備。

其中，各部件之間的信號傳輸要通過系統總線來完成。

1、微處理器（CPU） CPU是電腦系統的心臟，電腦特別是微型電腦的快速發展過程，實質上就是CPU從低級向高級、從簡單向複雜發展的過程。

CPU（Central Processing Unit）又叫中央處理器，其主要功能是進行運算和邏輯運算，內部結構大概可以分為控制單元、算術邏輯單元和存儲單元等幾個部分。按照其處理信息的字長可以分為：八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。

主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生產提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。

2、內存儲器和輔助存儲器

內存儲器簡單的説就是我們通常説的內存。輔助存儲器簡單的説就是指硬盤和光驅。

內存

3、輸入/輸出接口

IDE接口，一般用於連接硬盤和光驅，這個接口逐漸被SATA接口所代替；SCSI接口主要是用作連接SCSI接口的硬盤；USB接口一種通用萬能插口，支持熱插拔；IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率，同時也支持熱插拔。AGP接口，主要是用來連接顯卡，但是隨着技術的發展，逐漸被PCI-E接口所取代。

4、系統總線

總線一般有兩類：一類是連接計算機內部各模塊的總線，如連接CPU、存儲器和I/O接口的總線，常用的有ISA總線、EISA總線、PCI總線等；另一類為系統之間或系統與外部設備之間連接的總線，常用的有EIA-RS232C串行總線和IEEE-488並行總線等。

5、外部設備

外部設備 一般包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。

6、運算器

運算器又稱算術邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。運算器的主要任務是執行各種算術運算和邏輯運算。算術運算是指各種數值運算，比如：加、減、乘、除等。邏輯運算是進行邏輯判斷的非數值運算，比如：與、或、非、比較、移位等。計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的，根據指令規定的尋址方式，運算器從存儲或寄存器中取得操作數，進行計算後，送回到指令所指定的寄存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個寄存器，加法器用於運算，寄存器用於存儲參加運算的各種數據以及運算後的結果。

軟件系統包括：系統軟件和應用軟件

1、系統軟件

Windows系列、 Linux系列等

系統軟件包括：操作系統、服務型程序、語言處理程序。

2、應用軟件

應用軟件包括：定製應用軟件和通用應用軟件。

可以簡單概括為輸入、處理、輸出和存儲4個過程。

1.輸入是指接受由輸入設備（如鍵盤）提供的信息；

2.處理是對信息進行加工處理的過程，並按一定方式進行轉換；

3.輸出是將處理結果在輸出設備上（如顯示器等）顯示或打印等操作；

4.存儲是將原始數據或處理結果進行保存以便再次使用。

這4個步驟組成一個循環過程。輸入、處理、輸出和存儲並不一定按照上述的順序操作。在程序的指揮下，計算機根據需要決定採取哪一個步驟。個人計算機的工作過程是通過輸入設備（鍵盤或鼠標等）輸入用户的操作命令或數據，計算機的處理單元（微處理器）接受到輸入命令後，進行處理並將結果在計算機的輸出設備（顯示器或打印機等）上輸出，也可以將結果保存在計算機的存儲器（硬盤或軟盤）上。因此，計算機對於某種輸入命令所要進行的對應操作，是由事先保存在計算機中的程序決定的。

計算機工作過程

PC一般由主機和輸入輸出設備組成。主機一般由CPU、主板、內存、硬盤、顯卡、光驅、電源、機箱、散熱器等組成；輸入設備一般包括鍵盤、鼠標等，輸出設備一般包括顯示器、打印機等。這樣由主機和輸入輸出設備組成了一台裸機，只有再安裝好操作系統和應用軟件以後，才稱得上一台真正的計算機。