第章計(jì)算機(jī)的發(fā)展與組成

第章計(jì)算機(jī)的發(fā)展與組成延時(shí)符Contents目錄計(jì)算機(jī)的起源與歷史計(jì)算機(jī)的基本組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)計(jì)算機(jī)硬件組成詳解計(jì)算機(jī)軟件組成詳解延時(shí)符01計(jì)算機(jī)的起源與歷史最早的計(jì)算工具之一，由一框架和滑動(dòng)或固定在框架上的算子組成，由0至9數(shù)字構(gòu)成，用于進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算。算盤一種模擬計(jì)算機(jī)，通常由三個(gè)互相鎖定的有刻度的長(zhǎng)條或滑塊組成，用于執(zhí)行乘除運(yùn)算和求平方根等。計(jì)算尺由德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨在17世紀(jì)發(fā)明的一種可以進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械計(jì)算器。萊布尼茨輪早期計(jì)算工具與思想19世紀(jì)初由英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇設(shè)計(jì)的一種機(jī)械式計(jì)算機(jī)，用于計(jì)算多項(xiàng)式函數(shù)。巴貝奇差分機(jī)分析機(jī)馬克一號(hào)巴貝奇的另一項(xiàng)偉大發(fā)明，是一種通用計(jì)算機(jī)，可以執(zhí)行任何數(shù)學(xué)運(yùn)算。20世紀(jì)40年代由哈佛大學(xué)研制的機(jī)械式計(jì)算機(jī)，用于教學(xué)和科研。030201機(jī)械式計(jì)算機(jī)時(shí)代20世紀(jì)40年代由英國(guó)科學(xué)家圖靈設(shè)計(jì)的電子管計(jì)算機(jī)，用于破譯德軍密碼。巨像計(jì)算機(jī)1946年誕生于美國(guó)，是世界上第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)，使用了18000個(gè)電子管。ENIAC1951年由美國(guó)雷明頓蘭德公司推出，是第一臺(tái)商用電子計(jì)算機(jī)。UNIVAC電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代

晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代晶體管1947年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組發(fā)明的，是電子技術(shù)的歷史性突破。TRADIC1954年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)使用晶體管的計(jì)算機(jī)，成為第二代計(jì)算機(jī)的代表。IBM7090IBM公司于1959年推出的晶體管計(jì)算機(jī)，是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的大型計(jì)算機(jī)之一。延時(shí)符02計(jì)算機(jī)的基本組成與結(jié)構(gòu)執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，處理數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)的“大腦”。中央處理器（CPU）分為內(nèi)存和外存，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器如鍵盤、鼠標(biāo)等，用于將數(shù)據(jù)和命令輸入到計(jì)算機(jī)中。輸入設(shè)備如顯示器、打印機(jī)等，用于將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果輸出給用戶。輸出設(shè)備硬件系統(tǒng)組成如操作系統(tǒng)、編譯器等，是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件。系統(tǒng)軟件如辦公軟件、游戲等，是基于系統(tǒng)軟件開發(fā)的，用于滿足用戶的各種需求。應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)組成將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，以運(yùn)算器為中心，通過控制器控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。將程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器中，使得取指和取數(shù)能同時(shí)進(jìn)行，提高了數(shù)據(jù)處理速度。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存中，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地按照人們預(yù)先編寫的程序進(jìn)行工作?？刂圃硗ㄟ^控制器控制程序的執(zhí)行流程，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的各種功能?？刂破鞲鶕?jù)指令的要求，發(fā)出各種控制信號(hào)，使得計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)程序控制原理延時(shí)符03計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用領(lǐng)域定義巨型計(jì)算機(jī)是指運(yùn)算速度極高、存儲(chǔ)容量極大、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，通常用于科學(xué)計(jì)算、氣象預(yù)報(bào)、地震模擬等大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和計(jì)算領(lǐng)域。特點(diǎn)巨型計(jì)算機(jī)通常采用高性能的處理器和大量的內(nèi)存儲(chǔ)器，具有極高的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，巨型計(jì)算機(jī)通常采用分布式處理技術(shù)，以提高整體性能。應(yīng)用領(lǐng)域巨型計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算、氣象預(yù)報(bào)、地震模擬、核能模擬等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，天氣預(yù)報(bào)需要處理大量的氣象數(shù)據(jù)，而巨型計(jì)算機(jī)能夠快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模擬，為天氣預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。巨型計(jì)算機(jī)定義大型計(jì)算機(jī)是指具有較高的運(yùn)算速度、較大的存儲(chǔ)容量和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)，通常用于企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理和決策支持等領(lǐng)域。特點(diǎn)大型計(jì)算機(jī)通常采用高性能的處理器和大容量的內(nèi)存儲(chǔ)器，能夠滿足企業(yè)級(jí)應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求。同時(shí)，大型計(jì)算機(jī)通常具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠保證企業(yè)級(jí)應(yīng)用的連續(xù)運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全。應(yīng)用領(lǐng)域大型計(jì)算機(jī)在企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理和決策支持等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，銀行、保險(xiǎn)等金融機(jī)構(gòu)需要處理大量的交易數(shù)據(jù)和客戶信息，而大型計(jì)算機(jī)能夠提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)服務(wù)。大型計(jì)算機(jī)010203定義小型計(jì)算機(jī)是指體積較小、價(jià)格適中、功能較為全面的計(jì)算機(jī)，通常用于部門級(jí)或工作組級(jí)的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域。特點(diǎn)小型計(jì)算機(jī)通常采用較為先進(jìn)的處理器和適量的內(nèi)存儲(chǔ)器，能夠滿足部門級(jí)或工作組級(jí)應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求。同時(shí)，小型計(jì)算機(jī)通常具有較好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，方便用戶進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)。應(yīng)用領(lǐng)域小型計(jì)算機(jī)在部門級(jí)或工作組級(jí)的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)、企業(yè)的財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等都可以采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行搭建。小型計(jì)算機(jī)定義微型計(jì)算機(jī)是指體積小巧、價(jià)格相對(duì)較低、功能較為全面的計(jì)算機(jī)，通常用于個(gè)人使用或小型組織的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域。特點(diǎn)微型計(jì)算機(jī)通常采用微處理器和微量的內(nèi)存儲(chǔ)器，能夠滿足個(gè)人使用或小型組織對(duì)于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求。同時(shí)，微型計(jì)算機(jī)通常具有較好的便攜性和易用性，方便用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行使用。應(yīng)用領(lǐng)域微型計(jì)算機(jī)在個(gè)人使用或小型組織的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，個(gè)人用戶可以使用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行文檔編輯、圖像處理、視頻制作等操作；小型組織可以使用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行日常辦公、財(cái)務(wù)管理等操作。微型計(jì)算機(jī)延時(shí)符04計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)硬件極限的挑戰(zhàn)隨著元器件尺寸的不斷縮小，量子效應(yīng)、熱效應(yīng)等問題逐漸凸顯，硬件行業(yè)面臨著技術(shù)極限的挑戰(zhàn)。新材料與新技術(shù)為突破硬件極限，業(yè)界正在探索新材料（如碳納米管、二維材料等）和新技術(shù)（如光計(jì)算、生物計(jì)算和光量子計(jì)算等）。摩爾定律的提出與影響摩爾定律指出，集成電路上可容納的元器件數(shù)量每18個(gè)月翻一倍，但由于物理學(xué)的限制，集成電路的技術(shù)極限已接近。摩爾定律與硬件極限123量子計(jì)算利用量子疊加、量子糾纏等特性，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，具有在某些特定問題上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的潛力。量子計(jì)算原理及優(yōu)勢(shì)生物計(jì)算借鑒生物大腦處理信息的方式，通過模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)并行分布式處理，為計(jì)算機(jī)發(fā)展提供了新的思路。生物計(jì)算的啟示量子計(jì)算有望在密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，而生物計(jì)算有望推動(dòng)人工智能、模式識(shí)別等領(lǐng)域的發(fā)展。量子計(jì)算與生物計(jì)算的應(yīng)用前景量子計(jì)算與生物計(jì)算03云計(jì)算與邊緣計(jì)算的融合未來，云計(jì)算將與邊緣計(jì)算深度融合，形成云邊協(xié)同的計(jì)算模式，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。01云計(jì)算的普及與發(fā)展云計(jì)算通過互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且虛擬化的資源，已成為企業(yè)和個(gè)人數(shù)據(jù)處理的主要方式。02邊緣計(jì)算的崛起隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理和分析放在網(wǎng)絡(luò)邊緣，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和成本。云計(jì)算與邊緣計(jì)算計(jì)算機(jī)視覺與自然語(yǔ)言處理計(jì)算機(jī)視覺和自然語(yǔ)言處理是人工智能的重要分支，它們的發(fā)展推動(dòng)了人工智能在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。人工智能與計(jì)算機(jī)的融合未來，人工智能將與計(jì)算機(jī)更緊密地融合，推動(dòng)計(jì)算機(jī)的智能化發(fā)展，改變?nèi)藗兊纳罘绞胶凸ぷ鞣绞?。人工智能的發(fā)展歷程人工智能經(jīng)歷了從符號(hào)主義到連接主義再到深度學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程，已在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域取得顯著成果。人工智能與計(jì)算機(jī)的未來延時(shí)符05計(jì)算機(jī)硬件組成詳解指揮計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作的部件，是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞和指揮中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要?？刂破饔?jì)算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件。運(yùn)算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運(yùn)算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術(shù)邏輯部件（ALU）。運(yùn)算器中央處理器（CPU）隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，也叫主存，是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。它可以隨時(shí)讀寫（刷新時(shí)除外），而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。RAM工作時(shí)可以隨時(shí)從任何一個(gè)指定的地址寫入（存入）或讀出（取出）信息。只讀存儲(chǔ)器（ROM）ROM所存數(shù)據(jù)，一般是裝入整機(jī)前事先寫好的，整機(jī)工作過程中只能讀出，而不像隨機(jī)存儲(chǔ)器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數(shù)據(jù)穩(wěn)定，斷電后所存數(shù)據(jù)也不會(huì)改變；其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，讀出較方便，因而常用于存儲(chǔ)各種固定程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM）VS硬盤是電腦主要的存儲(chǔ)媒介之一，由一個(gè)或者多個(gè)鋁制或者玻璃制的碟片組成。碟片外覆蓋有鐵磁性材料。硬盤有固態(tài)硬盤（SSD盤，新式硬盤）、機(jī)械硬盤（HDD傳統(tǒng)硬盤）、混合硬盤（HHD一塊基于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤誕生出來的新硬盤）。SSD固態(tài)硬盤（SolidStateDisk或SolidStateDrive，簡(jiǎn)稱SSD），又稱固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤。硬盤外存儲(chǔ)器（硬盤、SSD等）鍵盤01鍵盤是最常用也是最主要的輸入設(shè)備，通過鍵盤可以將英文字母、漢字、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等輸入到計(jì)算機(jī)中，從而向計(jì)算機(jī)發(fā)出命令、輸入數(shù)據(jù)等。鼠標(biāo)02鼠標(biāo)的使用是為了使計(jì)算機(jī)的操作更加簡(jiǎn)便快捷，來代替鍵盤那繁瑣的指令。顯示器03顯示器是屬于電腦的I/O設(shè)備，即輸入輸出設(shè)備。它可以分為CRT、LCD等多種。它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設(shè)備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具。輸入/輸出設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等）延時(shí)符06計(jì)算機(jī)軟件組成詳解操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，提供用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。常見的操作系統(tǒng)有Windows、Linux、macOS等。編譯器將高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序翻譯成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言程序的軟件。編譯器的作用是將人類可讀的代碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的代碼。系統(tǒng)工具軟件包括診斷程序、調(diào)試程序、排錯(cuò)程序等，用于維護(hù)和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。010203系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、編譯器等）圖像處理軟件用于對(duì)圖像進(jìn)行編輯、處理、合成等操作的軟件，如AdobePhotoshop、GIMP等。辦公軟件用于處理文字、數(shù)據(jù)、圖表等信息的軟件，如MicrosoftOffice、WPSOffice等。多媒體軟件用于處理音頻、視頻等多媒體信息的軟件，如VLC媒體播放器、WindowsMediaPlayer等。應(yīng)用軟件（辦公軟件、圖像處理軟件等）用于編寫計(jì)算機(jī)程序的語(yǔ)言，如C、Java、Python等。編程語(yǔ)言分為低級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言，低級(jí)語(yǔ)言接近計(jì)算機(jī)硬件，而高級(jí)語(yǔ)言更接近人類語(yǔ)言。編程語(yǔ)言是一組解決問題的清晰指令，代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機(jī)制。算法能夠執(zhí)行計(jì)算、數(shù)