第一章 計算機的基本概念
1．1什么是計算機
在人類歷，計算工具的發(fā)明和創(chuàng)造走過了漫長的道路。在原始社會，人們曾使用繩結、壘石或枝條作為計數(shù)和計算的工具。我國在春秋戰(zhàn)國時期有了籌算法的記載，到了唐朝已經有了至今仍在使用的計算工具——算盤。歐洲16世紀出現(xiàn)了對數(shù)計算尺和機械計算機。
在20世紀50年代之前，人工手算一直是主要的計算方法，算盤、對數(shù)計算尺、手搖或電動的機械計算機一直是人們使用的主要計算工具。到了20世紀40年代，一方面由于近代科學技術的發(fā)展，對計算量、計算精度、計算速度的要求不斷提高，原有的計算工具已經滿足不了應用的需要，另一方面，計算理論、電子學以及自動控制技術的發(fā)展，也為現(xiàn)代電子計算機的出現(xiàn)提供了可能，在20世紀40年代中期誕生了第一代電子計算機。
對計算機(Computer)人們往往從不同角度提出不同的見解,有多種描述:“計算機是一種可以自動進行信息處理的工具”；“計算機是一種能快速而高效地自動完成信息處理的電子設備”；“計算機是一種能夠高速運算、具有內部存儲能力、由程序控制其操作過程的電子裝置”等等。
第一臺計算機的誕生
1946年2月，正式交付使用的、由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator即電子積分計算機）標志著第一代電子計算機的誕生。它是為了解決新武器彈道問題中的許多復雜計算而研制的。它采用電子管作為計算機的基本元件，由18000多個電子管，1500多個繼電器，10000多只電容器和7000多只電阻構成，占地170m2，重量30噸，每小時耗電30萬千瓦,是一個龐然大物，每秒能進行5000次加法運算。由于它使用電子器件來代替機械齒輪或電動機械進行運算，并且能在運算過程中不斷進行判斷，作出選擇，過去需要100多名工程師花費1年才能解決的計算問題，它只需要2個小時就能給出答案。
計算機的特點
計算機不同于以往任何計算工具，其主要特點如下：
第一，在處理對象上，它已不再局限于數(shù)值信息，而是可以處理包括數(shù)字、文字、符號、圖形、圖像乃至聲音等一切可以用數(shù)字加以表示的信息。
第二，在處理內容上，它不僅能做數(shù)值計算，也能對各種信息做非數(shù)值處理，例如進行信息檢索、圖形處理；不僅可以做加、減、乘、除算術運算，也可以做是、非邏輯判斷。
第三，在處理方式上，只要人們把處理的對象和處理問題的方法步驟以計算機可以識別和執(zhí)行的“語言”事先存儲到計算機中，計算機就可以完全自動地對這些數(shù)據(jù)進行處理。
第四，在處理速度上，它運算高速。目前一般計算機的處理速度都可以達到每秒百萬次的運算，巨型機可以達到每秒近千億次運算。
第五，它可以存儲大量數(shù)據(jù)。目前一般微型機都可以存儲幾十萬、幾百萬、幾千萬到上億個數(shù)據(jù)。計算機存儲的數(shù)據(jù)量越大，可以記住的信息量也就越大。需要時，計算機可以從浩如煙海的數(shù)據(jù)中找到這些信息，這也是計算機能夠進行自動處理的原因之一。
第六，多個計算機借助于通信網絡互連起來，可以超越地理界限，互發(fā)電子郵件，進行網上通訊，共享遠程信息和資源。
計算機具有超強的記憶能力、高速的處理能力、很高的計算精度和可靠的判斷能力。人們進行的任何復雜的腦力勞動，如果可以分解成計算機可以執(zhí)行的基本操作，并以計算機可以識別的形式表示出來，存放到計算機中，計算機就可以模仿人的一部分思維活動，代替人的部分腦力勞動，按照人們的意愿自動地工作，所以有人也把計算機稱為“電腦”，以強調計算機在功能上和人腦有許多相似之處，例如人腦的記憶功能、計算功能、判斷功能。電腦終究不是人腦，它也不可能完全代替人腦；但是說電腦不能模擬人腦的功能也是不對的，盡管電腦在很多方面遠遠比不上人腦，但它也有超越人腦的許多性能，人腦與電腦在許多方面有著互補作用
1．2 計算機的組成和工作原理
計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。
計算機硬件指的是計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和設備，其基本功能是接受計算機程序的控制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、運算、數(shù)據(jù)輸出等一系列操作。
計算機五大組成部分功能:
輸入設備的功能是將要加工處理的外部信息轉換為計算機能夠識別和處理的內部形式，以便于處理；輸出設備的功能是將信息從計算機的內部形式轉換為使用者所要求的形式，以便能為人們識別或被其它設備所接收；存儲器的功能是用來存儲以內部形式表示的各種信息；運算器的功能是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算；控制器的功能則是產生各種信號，控制計算機各個功能部件協(xié)調一致地工作。
運算器和控制器在結構關系上非常密切，它們之間有大量信息頻繁地進行交換，共用一些寄存單元，因此將運算器和控制器合稱為中央處理器(CPU)，將中央處理器和內存儲器合稱為主機，將輸入設備和輸出設備稱為外部設備。由于外存儲器不能直接與CPU交換信息，而它與主機的連接方式和信息交換方式與輸出設備和輸入設備沒有很大差別，因此，一般地把它列入外部設備的范疇，外部設備包括輸入設備、輸出設備和外存儲器；但從外存在整個計算機的功能看，它屬于存儲系統(tǒng)的一部分，稱之為外存儲器或輔助存儲器。
計算機軟件指的是為了告訴計算機做些什么和按什么方法、步驟去做，以計算機可以識別和執(zhí)行的操作表示的處理步驟和有關文檔。在計算機術語中，計算機可以識別和執(zhí)行的操作表示的處理步驟稱為程序。計算機軟件是計算機程序和有關文檔。
在計算機中，硬件和軟件的結合點是計算機的指令系統(tǒng)。計算機的一條指令是計算機硬件可以執(zhí)行的一步操作。計算機可以執(zhí)行的指令的全體稱為該機的指令系統(tǒng)。任何程序，必須轉換成該機的硬件能夠執(zhí)行的一系列指令。
現(xiàn)代計算機的基本工作原理（由馮·諾依曼提出）
·計算機的指令和數(shù)據(jù)均采用二進制表示；
·由指令組成的程序和要處理的數(shù)據(jù)一起存放在存儲器中。機器一啟動，控制器按照程序中指令的邏輯順序，把指令從存儲器中讀出來，逐條執(zhí)行；
·由輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器、控制器五個基本部件組成計算機的硬件系統(tǒng)，在控制器的統(tǒng)一控制下，協(xié)調一致地完成由程序所描述的處理工作。
在計算機中，硬件和軟件是不可缺少的兩個部分。硬件是組成計算機系統(tǒng)的各部件的總稱，它是計算機系統(tǒng)快速、可靠、自動工作的物質基礎，是計算機系統(tǒng)的執(zhí)行部分。在這個意義上講，沒有硬件就沒有計算機，計算機軟件也不會產生任何作用。但是一臺計算機之所以能夠處理各種問題，具有很大的通用性，能夠代替人們進行一定的腦力勞動，是因為人們把要處理這些問題的方法，分解成為計算機可以識別和執(zhí)行的步驟，并以計算機可以識別的形式存儲到了計算機中。也就是說，在計算機中存儲了解決這些問題的程序。目前所說的計算機一般都包括硬件和軟件兩個部分，而把不包括軟件的計算機稱為“*機”。計算機軟件就是計算機程序及其有關文檔。
1．3計算機的發(fā)展
電子計算機的發(fā)展，像任何新生事物一樣，也經歷了一個不斷完善的過程。1938年J．阿諾索夫首先制成了電子計算機的運算部件。1943年，英國外交部通訊處制成了“巨人”計算機專門用于密碼分析。1946年2月美國賓夕法尼亞大學制成的ENIAC最初也專門用于火炮彈道計算，后經多次改進才成為能進行各種科學計算的通用計算機，這就是人們常常提到的世界上第一臺電子計算機。但是，這種計算機的程序仍然是外加式的，存儲容量也太小，尚未完全具備現(xiàn)代計算機的主要特征。在計算機發(fā)展上再一次重大突破是由數(shù)學家馮·諾依曼領導的設計小組完成的。他們提出的存儲程序原理，即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起放在存儲器中，機器一經開動，就能按照程序指令的邏輯順序．把指令從存儲器中讀出來，逐條執(zhí)行，自動完成由程序所描述的處理工作，這是計算機發(fā)展的一個里程碑，也是計算機與—切其它計算工具的根本區(qū)別。真正實現(xiàn)內存儲程序式原理的第一臺計算機EDSAC于1949年5月在英國制成。
根據(jù)計算機所采用的物理器件，一般把電子計算機的發(fā)展分成幾個時期，也稱為幾代，分別代表了時間順序發(fā)展過程。
第一代計算機是采用電子管作為邏輯元件，用陰極射線管或汞延遲線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設計主要使用機器指令或符號指令，應用領域主要是科學計算。
第二代計算機用晶體管代替了電子管，主存儲器均采用磁芯存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言，計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理、工程設計等多個方面。
第三代計算機采用中小規(guī)模的集成電路塊代替了晶體管等分立元件，半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發(fā)展時期，計算機的管理、使用方式也由手工操作完全改變?yōu)樽詣庸芾?，使計算機的使用效率顯著提高。
第四代計算機采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。70年代以后，計算機使用的集成電路迅速從中、小規(guī)模發(fā)展到大規(guī)模、超大規(guī)模的水平，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器是將傳統(tǒng)的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片上，作為中央處理單元(CPU)。以微處理器為核心，再加上存儲器和接口等芯片以及輸入輸出設備便構成了微型計算機。微處理器自1971年誕生以來幾乎每隔二至三年就要更新?lián)Q代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統(tǒng)已達到和超過了傳統(tǒng)超級小型計算機水平，其運算速度可以達到每秒數(shù)億次。由于微型計算機體積小、功耗低、成本低，其性能價格比占有很大優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應用。微處理器和微型計算機的出現(xiàn)不僅深刻地影響著計算機技術本身的發(fā)展，同時也使計算機技術滲透到了社會生活的各個方面，極大地推動了計算機的普及。隨著微電子、計算機和數(shù)字化聲像技術的發(fā)展，多媒體技術也得到了迅速發(fā)展。這里所說的媒體是指表示和傳播信息的載體，例如文字、聲音、圖像都是媒體。在80年代以前人們使用計算機處理的主要是文字信息，80年代開始用于處理圖形和圖像。隨著數(shù)字化音頻和視頻技術的突破，逐步形成了集聲、文、圖、像一體化的多媒體計算機系統(tǒng)。它不僅使計算機應用更接近人類習慣的信息交流方式，而且將開拓許多新的應用領域。計算機與通訊技術的結合使計算機應用從單機走向網絡，由獨立網絡走向互聯(lián)網絡。
總之，計算機從第一代發(fā)展到第四代，已由僅僅包含硬件的系統(tǒng)發(fā)展到包括硬件和軟件兩大部分的計算機系統(tǒng)。計算機的種類也一再分化，發(fā)展成微型計算機、小型計算機、通用計算機(包括巨型、大型、中型計算機)以及各種專用機等。由于技術的更新和應用的推動，計算機一直處在飛速發(fā)展之中。依據(jù)信息技術發(fā)展功能價格比的莫爾定律（Moore’Law）,計算機芯片的功能每18個月翻一番，而價格減一半。該定律的作用從60年代以來，已持續(xù)30多年，預計還會持續(xù)近20年。集處理文字、圖形、圖像、聲音為一體的多媒體計算機的發(fā)展正方興未艾。各國都在計劃建設自己的“信息高速公路”。通過各種通信渠道，包括有線網和無線網，把各種計算機互聯(lián)起來，已經實現(xiàn)了信息在全球范圍內的傳遞。用計算機來模仿人的智能，包括聽覺、視覺和觸覺以及自學習和推理能力是當前計算機科學研究的一個重要方向。與此同時，計算機體系結構將會突破傳統(tǒng)的馮.諾依曼提出的原理，實現(xiàn)高度的并行處理。為了解決軟件發(fā)展方面出現(xiàn)的復雜程度高、研制周期長和正確性難于保證的“軟件危機”而產生的軟件工程也出現(xiàn)新的突破。新一代計算機的發(fā)展將與人工智能、知識工程和專家系統(tǒng)等研究緊密相聯(lián)，并為其發(fā)展提供新的基礎。
表1-1 計算機發(fā)展階段示意表
年代
器件
第一代
1946-1957
第二代
1958-1964
第三代
1965-1969
第四代
1970-至今
電子器件
電子管
晶體管
中、小規(guī)模集成電路
大規(guī)模和超大
規(guī)模集成電路
主存儲器
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓、
半導體存儲器
半導體存儲器
外部輔助存儲器
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓、磁盤
磁帶、磁盤、光盤
處理方式
機器語言
匯編語言
監(jiān)控程序
連續(xù)處理作業(yè)
高級語言編譯
多道程序
實時處理
實時、分時處理
網絡操作系統(tǒng)
運算速度
5千-3萬次/秒
幾十萬-百萬次/秒
百萬-幾百萬次/秒
幾百萬-千億次/秒
1．4計算機與社會
在人類歷，以生產工具為標志的技術進步已經經歷了手工工具和大機器生產兩個時期。自從能源代替人成為機器動力以后，人類的體力勞動得到了解放。電子計算機的出現(xiàn)不但使人類的技術進步開始向自動化過渡，擴大了人類的智力，而且使用機器代替人的部分腦力勞動的愿望成為現(xiàn)實，為人類智力解放的時代揭開了序幕。
在計算機誕生初期，計算機主要用于科學計算，在彈道計算上顯示了它的巨大威力：當時，用ENIAC計算炮彈從發(fā)射到彈道軌道40個點的位置只用了3秒，代替了7個小時的人工計算，速度提高了8400倍。到了60年代，計算機的應用從科學計算擴展到了生產過程的自動控制和事務處理，科學計算、過程控制、事務處理成為計算機應用的三個主要領域。70年代以后，隨著微處理器和微型計算機的出現(xiàn)以及計算機網絡的發(fā)展，計算機的應用已經遍及科學技術、工業(yè)、交通、財貿、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事以及人們日常生活等各個方面。從解決數(shù)學難題到譜寫樂曲，從宇宙飛船的上天到電子游戲機，從軍事指揮系統(tǒng)到電冰箱的自動控制，從銀行自動取款機到電視、電影中的特技畫面，從氣象預報到機器人，到處都可以看到計算機的應用蹤跡。計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)、計算機輔助教學(CAI)等計算機輔助技術的應用和計算機在金融、保險、公共交通、商業(yè)、服務業(yè)的應用，正在對人類社會的產業(yè)結構、就業(yè)結構，乃至家庭生活和教育等各個方面產生深遠的影響。
計算機在生產過程中的應用和發(fā)展，將使傳統(tǒng)的機械工業(yè)生產技術從數(shù)控機床、智能機器人的局部應用，發(fā)展到全面高度自動化的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)，使社會生產力實現(xiàn)巨大飛躍；計算機輔助設計、輔助制造、輔助測試技術的構成和計算機網絡的建立，將使企業(yè)規(guī)模的小型化和生產布局的分散化成為可能；計算機在工業(yè)企業(yè)的廣泛使用將使眾多的勞動密集型和資本密集型的產業(yè)逐步轉變成知識密集型和技術密集型的產業(yè)；伴隨著企業(yè)類型的轉變，社會勞動結構也將發(fā)生變化，從事第一產業(yè)和第二產業(yè)的人數(shù)將會相對減少，信息產業(yè)將會從第三產業(yè)中分化出來而在未來社會中占據(jù)主導地位。
計算機技術的發(fā)展，也為社會和經濟的管理和決策提供了新的技術手段，使辦公自動化這一門綜合的科學技術提高到了一個新的水平。它將大大提高行政部門的辦公效率，提高領導部門的決策水平。在國家、部門、地區(qū)、企業(yè)范圍內建立起來的計算機管理信息系統(tǒng)(MIS)將會使管理部門及時、準確、全面地得到有關信息，使政府、企業(yè)的管理從定性管理進入定量管理，輔助各級管理部門做出預測和控制。能夠綜合利用各種數(shù)據(jù)、信息、知識、人工智能、模擬技術建立起的決策支持系統(tǒng)(DSS)，將會為決策部門解決各種復雜問題提供一個方便有效的工具。它們的實現(xiàn)和廣泛使用將會打破許多傳統(tǒng)的辦公方式。
今天在發(fā)達國家，計算機的應用已經普及到了社會和家庭。到銀行存款、取款可以使用現(xiàn)金卡，到商店購物可以使用信用卡，到醫(yī)院看病可以使用醫(yī)療卡；人們可以在家庭終端上了解哪些商品有貨和在不同商店的售價，然后通過終端定購；記者將新聞送入計算機，讀者可以在家中通過網絡終端閱讀；人們攜帶著筆記本計算機，可以走到哪里就在哪里“辦公”；一部小說，它的文字、插圖，乃至改編的電影都可以存入計算機，供你閱讀、觀看；國際互聯(lián)網 Internet和多媒體技術的發(fā)展已使人們能夠以光的速度在全球范圍相互傳輸信息，敖游廣闊的世界，它將極大地推動全球范圍科技、文化的交流，推動金融、電子商務的發(fā)展，促使傳統(tǒng)產業(yè)發(fā)生巨大的變化，人們將生存在一個無所不在的數(shù)字化世界中。計算機的應用已從少數(shù)專家掌握的技術變成了普通人可以參與的活動。沒有計算機知識、不會使用計算機的人將很難適應信息社會的要求。
計算機作為輔助人類進行腦力勞動的工具，已經對人類社會發(fā)展做出了巨大貢獻。據(jù)統(tǒng)計，1982年美國200萬臺計算機在1年內完成的工作量相當于4千億人年的工作量。目前的計算機雖然已具有計算、記憶、通訊的能力，但識別事物和邏輯判斷的能力還很不完善，人們正在設法研制具有更強智能能力的計算機。如果說過去人類技術的進步在很大程度上依賴于生產工具的材料和能源的變革，那么今天將在很大程度上依賴于知識和信息。計算機將會在信息與知識社會中發(fā)揮更大的作用。
1．1什么是計算機
在人類歷，計算工具的發(fā)明和創(chuàng)造走過了漫長的道路。在原始社會，人們曾使用繩結、壘石或枝條作為計數(shù)和計算的工具。我國在春秋戰(zhàn)國時期有了籌算法的記載，到了唐朝已經有了至今仍在使用的計算工具——算盤。歐洲16世紀出現(xiàn)了對數(shù)計算尺和機械計算機。
在20世紀50年代之前，人工手算一直是主要的計算方法，算盤、對數(shù)計算尺、手搖或電動的機械計算機一直是人們使用的主要計算工具。到了20世紀40年代，一方面由于近代科學技術的發(fā)展，對計算量、計算精度、計算速度的要求不斷提高，原有的計算工具已經滿足不了應用的需要，另一方面，計算理論、電子學以及自動控制技術的發(fā)展，也為現(xiàn)代電子計算機的出現(xiàn)提供了可能，在20世紀40年代中期誕生了第一代電子計算機。
對計算機(Computer)人們往往從不同角度提出不同的見解,有多種描述:“計算機是一種可以自動進行信息處理的工具”；“計算機是一種能快速而高效地自動完成信息處理的電子設備”；“計算機是一種能夠高速運算、具有內部存儲能力、由程序控制其操作過程的電子裝置”等等。
第一臺計算機的誕生
1946年2月，正式交付使用的、由美國賓夕法尼亞大學研制的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator即電子積分計算機）標志著第一代電子計算機的誕生。它是為了解決新武器彈道問題中的許多復雜計算而研制的。它采用電子管作為計算機的基本元件，由18000多個電子管，1500多個繼電器，10000多只電容器和7000多只電阻構成，占地170m2，重量30噸，每小時耗電30萬千瓦,是一個龐然大物，每秒能進行5000次加法運算。由于它使用電子器件來代替機械齒輪或電動機械進行運算，并且能在運算過程中不斷進行判斷，作出選擇，過去需要100多名工程師花費1年才能解決的計算問題，它只需要2個小時就能給出答案。
計算機的特點
計算機不同于以往任何計算工具，其主要特點如下：
第一，在處理對象上，它已不再局限于數(shù)值信息，而是可以處理包括數(shù)字、文字、符號、圖形、圖像乃至聲音等一切可以用數(shù)字加以表示的信息。
第二，在處理內容上，它不僅能做數(shù)值計算，也能對各種信息做非數(shù)值處理，例如進行信息檢索、圖形處理；不僅可以做加、減、乘、除算術運算，也可以做是、非邏輯判斷。
第三，在處理方式上，只要人們把處理的對象和處理問題的方法步驟以計算機可以識別和執(zhí)行的“語言”事先存儲到計算機中，計算機就可以完全自動地對這些數(shù)據(jù)進行處理。
第四，在處理速度上，它運算高速。目前一般計算機的處理速度都可以達到每秒百萬次的運算，巨型機可以達到每秒近千億次運算。
第五，它可以存儲大量數(shù)據(jù)。目前一般微型機都可以存儲幾十萬、幾百萬、幾千萬到上億個數(shù)據(jù)。計算機存儲的數(shù)據(jù)量越大，可以記住的信息量也就越大。需要時，計算機可以從浩如煙海的數(shù)據(jù)中找到這些信息，這也是計算機能夠進行自動處理的原因之一。
第六，多個計算機借助于通信網絡互連起來，可以超越地理界限，互發(fā)電子郵件，進行網上通訊，共享遠程信息和資源。
計算機具有超強的記憶能力、高速的處理能力、很高的計算精度和可靠的判斷能力。人們進行的任何復雜的腦力勞動，如果可以分解成計算機可以執(zhí)行的基本操作，并以計算機可以識別的形式表示出來，存放到計算機中，計算機就可以模仿人的一部分思維活動，代替人的部分腦力勞動，按照人們的意愿自動地工作，所以有人也把計算機稱為“電腦”，以強調計算機在功能上和人腦有許多相似之處，例如人腦的記憶功能、計算功能、判斷功能。電腦終究不是人腦，它也不可能完全代替人腦；但是說電腦不能模擬人腦的功能也是不對的，盡管電腦在很多方面遠遠比不上人腦，但它也有超越人腦的許多性能，人腦與電腦在許多方面有著互補作用
1．2 計算機的組成和工作原理
計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。
計算機硬件指的是計算機系統(tǒng)中由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和設備，其基本功能是接受計算機程序的控制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、運算、數(shù)據(jù)輸出等一系列操作。
計算機五大組成部分功能:
輸入設備的功能是將要加工處理的外部信息轉換為計算機能夠識別和處理的內部形式，以便于處理；輸出設備的功能是將信息從計算機的內部形式轉換為使用者所要求的形式，以便能為人們識別或被其它設備所接收；存儲器的功能是用來存儲以內部形式表示的各種信息；運算器的功能是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算；控制器的功能則是產生各種信號，控制計算機各個功能部件協(xié)調一致地工作。
運算器和控制器在結構關系上非常密切，它們之間有大量信息頻繁地進行交換，共用一些寄存單元，因此將運算器和控制器合稱為中央處理器(CPU)，將中央處理器和內存儲器合稱為主機，將輸入設備和輸出設備稱為外部設備。由于外存儲器不能直接與CPU交換信息，而它與主機的連接方式和信息交換方式與輸出設備和輸入設備沒有很大差別，因此，一般地把它列入外部設備的范疇，外部設備包括輸入設備、輸出設備和外存儲器；但從外存在整個計算機的功能看，它屬于存儲系統(tǒng)的一部分，稱之為外存儲器或輔助存儲器。
計算機軟件指的是為了告訴計算機做些什么和按什么方法、步驟去做，以計算機可以識別和執(zhí)行的操作表示的處理步驟和有關文檔。在計算機術語中，計算機可以識別和執(zhí)行的操作表示的處理步驟稱為程序。計算機軟件是計算機程序和有關文檔。
在計算機中，硬件和軟件的結合點是計算機的指令系統(tǒng)。計算機的一條指令是計算機硬件可以執(zhí)行的一步操作。計算機可以執(zhí)行的指令的全體稱為該機的指令系統(tǒng)。任何程序，必須轉換成該機的硬件能夠執(zhí)行的一系列指令。
現(xiàn)代計算機的基本工作原理（由馮·諾依曼提出）
·計算機的指令和數(shù)據(jù)均采用二進制表示；
·由指令組成的程序和要處理的數(shù)據(jù)一起存放在存儲器中。機器一啟動，控制器按照程序中指令的邏輯順序，把指令從存儲器中讀出來，逐條執(zhí)行；
·由輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器、控制器五個基本部件組成計算機的硬件系統(tǒng)，在控制器的統(tǒng)一控制下，協(xié)調一致地完成由程序所描述的處理工作。
在計算機中，硬件和軟件是不可缺少的兩個部分。硬件是組成計算機系統(tǒng)的各部件的總稱，它是計算機系統(tǒng)快速、可靠、自動工作的物質基礎，是計算機系統(tǒng)的執(zhí)行部分。在這個意義上講，沒有硬件就沒有計算機，計算機軟件也不會產生任何作用。但是一臺計算機之所以能夠處理各種問題，具有很大的通用性，能夠代替人們進行一定的腦力勞動，是因為人們把要處理這些問題的方法，分解成為計算機可以識別和執(zhí)行的步驟，并以計算機可以識別的形式存儲到了計算機中。也就是說，在計算機中存儲了解決這些問題的程序。目前所說的計算機一般都包括硬件和軟件兩個部分，而把不包括軟件的計算機稱為“*機”。計算機軟件就是計算機程序及其有關文檔。
1．3計算機的發(fā)展
電子計算機的發(fā)展，像任何新生事物一樣，也經歷了一個不斷完善的過程。1938年J．阿諾索夫首先制成了電子計算機的運算部件。1943年，英國外交部通訊處制成了“巨人”計算機專門用于密碼分析。1946年2月美國賓夕法尼亞大學制成的ENIAC最初也專門用于火炮彈道計算，后經多次改進才成為能進行各種科學計算的通用計算機，這就是人們常常提到的世界上第一臺電子計算機。但是，這種計算機的程序仍然是外加式的，存儲容量也太小，尚未完全具備現(xiàn)代計算機的主要特征。在計算機發(fā)展上再一次重大突破是由數(shù)學家馮·諾依曼領導的設計小組完成的。他們提出的存儲程序原理，即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起放在存儲器中，機器一經開動，就能按照程序指令的邏輯順序．把指令從存儲器中讀出來，逐條執(zhí)行，自動完成由程序所描述的處理工作，這是計算機發(fā)展的一個里程碑，也是計算機與—切其它計算工具的根本區(qū)別。真正實現(xiàn)內存儲程序式原理的第一臺計算機EDSAC于1949年5月在英國制成。
根據(jù)計算機所采用的物理器件，一般把電子計算機的發(fā)展分成幾個時期，也稱為幾代，分別代表了時間順序發(fā)展過程。
第一代計算機是采用電子管作為邏輯元件，用陰極射線管或汞延遲線作主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等，程序設計主要使用機器指令或符號指令，應用領域主要是科學計算。
第二代計算機用晶體管代替了電子管，主存儲器均采用磁芯存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的外存儲器，程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言，計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理、工程設計等多個方面。
第三代計算機采用中小規(guī)模的集成電路塊代替了晶體管等分立元件，半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發(fā)展時期，計算機的管理、使用方式也由手工操作完全改變?yōu)樽詣庸芾?，使計算機的使用效率顯著提高。
第四代計算機采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。70年代以后，計算機使用的集成電路迅速從中、小規(guī)模發(fā)展到大規(guī)模、超大規(guī)模的水平，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器是將傳統(tǒng)的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片上，作為中央處理單元(CPU)。以微處理器為核心，再加上存儲器和接口等芯片以及輸入輸出設備便構成了微型計算機。微處理器自1971年誕生以來幾乎每隔二至三年就要更新?lián)Q代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統(tǒng)已達到和超過了傳統(tǒng)超級小型計算機水平，其運算速度可以達到每秒數(shù)億次。由于微型計算機體積小、功耗低、成本低，其性能價格比占有很大優(yōu)勢，因而得到了廣泛的應用。微處理器和微型計算機的出現(xiàn)不僅深刻地影響著計算機技術本身的發(fā)展，同時也使計算機技術滲透到了社會生活的各個方面，極大地推動了計算機的普及。隨著微電子、計算機和數(shù)字化聲像技術的發(fā)展，多媒體技術也得到了迅速發(fā)展。這里所說的媒體是指表示和傳播信息的載體，例如文字、聲音、圖像都是媒體。在80年代以前人們使用計算機處理的主要是文字信息，80年代開始用于處理圖形和圖像。隨著數(shù)字化音頻和視頻技術的突破，逐步形成了集聲、文、圖、像一體化的多媒體計算機系統(tǒng)。它不僅使計算機應用更接近人類習慣的信息交流方式，而且將開拓許多新的應用領域。計算機與通訊技術的結合使計算機應用從單機走向網絡，由獨立網絡走向互聯(lián)網絡。
總之，計算機從第一代發(fā)展到第四代，已由僅僅包含硬件的系統(tǒng)發(fā)展到包括硬件和軟件兩大部分的計算機系統(tǒng)。計算機的種類也一再分化，發(fā)展成微型計算機、小型計算機、通用計算機(包括巨型、大型、中型計算機)以及各種專用機等。由于技術的更新和應用的推動，計算機一直處在飛速發(fā)展之中。依據(jù)信息技術發(fā)展功能價格比的莫爾定律（Moore’Law）,計算機芯片的功能每18個月翻一番，而價格減一半。該定律的作用從60年代以來，已持續(xù)30多年，預計還會持續(xù)近20年。集處理文字、圖形、圖像、聲音為一體的多媒體計算機的發(fā)展正方興未艾。各國都在計劃建設自己的“信息高速公路”。通過各種通信渠道，包括有線網和無線網，把各種計算機互聯(lián)起來，已經實現(xiàn)了信息在全球范圍內的傳遞。用計算機來模仿人的智能，包括聽覺、視覺和觸覺以及自學習和推理能力是當前計算機科學研究的一個重要方向。與此同時，計算機體系結構將會突破傳統(tǒng)的馮.諾依曼提出的原理，實現(xiàn)高度的并行處理。為了解決軟件發(fā)展方面出現(xiàn)的復雜程度高、研制周期長和正確性難于保證的“軟件危機”而產生的軟件工程也出現(xiàn)新的突破。新一代計算機的發(fā)展將與人工智能、知識工程和專家系統(tǒng)等研究緊密相聯(lián)，并為其發(fā)展提供新的基礎。
表1-1 計算機發(fā)展階段示意表
年代
器件
第一代
1946-1957
第二代
1958-1964
第三代
1965-1969
第四代
1970-至今
電子器件
電子管
晶體管
中、小規(guī)模集成電路
大規(guī)模和超大
規(guī)模集成電路
主存儲器
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓、
半導體存儲器
半導體存儲器
外部輔助存儲器
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓、磁盤
磁帶、磁盤、光盤
處理方式
機器語言
匯編語言
監(jiān)控程序
連續(xù)處理作業(yè)
高級語言編譯
多道程序
實時處理
實時、分時處理
網絡操作系統(tǒng)
運算速度
5千-3萬次/秒
幾十萬-百萬次/秒
百萬-幾百萬次/秒
幾百萬-千億次/秒
1．4計算機與社會
在人類歷，以生產工具為標志的技術進步已經經歷了手工工具和大機器生產兩個時期。自從能源代替人成為機器動力以后，人類的體力勞動得到了解放。電子計算機的出現(xiàn)不但使人類的技術進步開始向自動化過渡，擴大了人類的智力，而且使用機器代替人的部分腦力勞動的愿望成為現(xiàn)實，為人類智力解放的時代揭開了序幕。
在計算機誕生初期，計算機主要用于科學計算，在彈道計算上顯示了它的巨大威力：當時，用ENIAC計算炮彈從發(fā)射到彈道軌道40個點的位置只用了3秒，代替了7個小時的人工計算，速度提高了8400倍。到了60年代，計算機的應用從科學計算擴展到了生產過程的自動控制和事務處理，科學計算、過程控制、事務處理成為計算機應用的三個主要領域。70年代以后，隨著微處理器和微型計算機的出現(xiàn)以及計算機網絡的發(fā)展，計算機的應用已經遍及科學技術、工業(yè)、交通、財貿、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事以及人們日常生活等各個方面。從解決數(shù)學難題到譜寫樂曲，從宇宙飛船的上天到電子游戲機，從軍事指揮系統(tǒng)到電冰箱的自動控制，從銀行自動取款機到電視、電影中的特技畫面，從氣象預報到機器人，到處都可以看到計算機的應用蹤跡。計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)、計算機輔助教學(CAI)等計算機輔助技術的應用和計算機在金融、保險、公共交通、商業(yè)、服務業(yè)的應用，正在對人類社會的產業(yè)結構、就業(yè)結構，乃至家庭生活和教育等各個方面產生深遠的影響。
計算機在生產過程中的應用和發(fā)展，將使傳統(tǒng)的機械工業(yè)生產技術從數(shù)控機床、智能機器人的局部應用，發(fā)展到全面高度自動化的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)，使社會生產力實現(xiàn)巨大飛躍；計算機輔助設計、輔助制造、輔助測試技術的構成和計算機網絡的建立，將使企業(yè)規(guī)模的小型化和生產布局的分散化成為可能；計算機在工業(yè)企業(yè)的廣泛使用將使眾多的勞動密集型和資本密集型的產業(yè)逐步轉變成知識密集型和技術密集型的產業(yè)；伴隨著企業(yè)類型的轉變，社會勞動結構也將發(fā)生變化，從事第一產業(yè)和第二產業(yè)的人數(shù)將會相對減少，信息產業(yè)將會從第三產業(yè)中分化出來而在未來社會中占據(jù)主導地位。
計算機技術的發(fā)展，也為社會和經濟的管理和決策提供了新的技術手段，使辦公自動化這一門綜合的科學技術提高到了一個新的水平。它將大大提高行政部門的辦公效率，提高領導部門的決策水平。在國家、部門、地區(qū)、企業(yè)范圍內建立起來的計算機管理信息系統(tǒng)(MIS)將會使管理部門及時、準確、全面地得到有關信息，使政府、企業(yè)的管理從定性管理進入定量管理，輔助各級管理部門做出預測和控制。能夠綜合利用各種數(shù)據(jù)、信息、知識、人工智能、模擬技術建立起的決策支持系統(tǒng)(DSS)，將會為決策部門解決各種復雜問題提供一個方便有效的工具。它們的實現(xiàn)和廣泛使用將會打破許多傳統(tǒng)的辦公方式。
今天在發(fā)達國家，計算機的應用已經普及到了社會和家庭。到銀行存款、取款可以使用現(xiàn)金卡，到商店購物可以使用信用卡，到醫(yī)院看病可以使用醫(yī)療卡；人們可以在家庭終端上了解哪些商品有貨和在不同商店的售價，然后通過終端定購；記者將新聞送入計算機，讀者可以在家中通過網絡終端閱讀；人們攜帶著筆記本計算機，可以走到哪里就在哪里“辦公”；一部小說，它的文字、插圖，乃至改編的電影都可以存入計算機，供你閱讀、觀看；國際互聯(lián)網 Internet和多媒體技術的發(fā)展已使人們能夠以光的速度在全球范圍相互傳輸信息，敖游廣闊的世界，它將極大地推動全球范圍科技、文化的交流，推動金融、電子商務的發(fā)展，促使傳統(tǒng)產業(yè)發(fā)生巨大的變化，人們將生存在一個無所不在的數(shù)字化世界中。計算機的應用已從少數(shù)專家掌握的技術變成了普通人可以參與的活動。沒有計算機知識、不會使用計算機的人將很難適應信息社會的要求。
計算機作為輔助人類進行腦力勞動的工具，已經對人類社會發(fā)展做出了巨大貢獻。據(jù)統(tǒng)計，1982年美國200萬臺計算機在1年內完成的工作量相當于4千億人年的工作量。目前的計算機雖然已具有計算、記憶、通訊的能力，但識別事物和邏輯判斷的能力還很不完善，人們正在設法研制具有更強智能能力的計算機。如果說過去人類技術的進步在很大程度上依賴于生產工具的材料和能源的變革，那么今天將在很大程度上依賴于知識和信息。計算機將會在信息與知識社會中發(fā)揮更大的作用。