【學習要點】
● 計算機發展史、分類與特點
● 計算機的運算基礎
● 計算機的硬體組成
【學習目標】
● 了解計算機發展史、分類與特點
● 了解計算機的特點及分類
● 了解計算機的硬體組成
一、從微電子器件的發展看電子計算機發展史
（一）微電子器件的發展
1、電子管
2023年英國電氣工程師弗萊明（j.fleming）研製出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——「熱離子閥」，從而催生了世界上第一只電子管，也就是人們所說的真空二極體。
2023年，為了提高真空二極體檢波靈敏度，德·福雷斯特在弗萊明的玻璃管內新增了柵欄式的金屬網，形成第三個極。這個「柵極」就像百葉窗那樣，能控制陰極與屏極之間的電子流；只要柵極有微弱電流通過，就可在屏極上獲得較大的電流，而且波形與柵極電流完全一致，標誌著這是一種能夠起放大作用的真空三極體器件。直到真空三極體的發明後，電子管才成為實用的器件。
它的誕生為通訊、廣播、電視等技術的發展鋪平了道路。人們不久還發現，真空三極體除了可以處於放大狀態外，還可充當開關器件，其速度要比繼電器快成千上萬倍。電子管很快受到計算機研製者的青睞，計算機的歷史也由此跨進電子的紀元。
2、電晶體
二戰結束後，貝爾實驗室的科學家肖克利（w.shockley） 、布拉頓（w. brattain）和巴丁（j.
bardeen） 把目光集中在具有半導體特性的晶體。肖克利提出了研究框架，巴丁熟知固體物理學理論，布拉頓最擅長實驗操作，三位科學家珠聯璧合。2023年12月23日，布拉頓和巴丁用實驗證明，只要兩根金屬絲在半導體上的接觸點距離小於0.
4公釐， 就可能引起放大效果。當他們用一些金箔、一些半導體材料和乙個彎曲的別針來展示他們的新發現時，代表數位化革命的一種新的器件誕生了。這種器件被他們命名為「電晶體」。
不久，各種型號的電晶體紛紛湧現，不僅能替代電子管整流、檢波和放大，而且比電子管體積小、壽命長、不發熱、耗電省。為此，肖克利、布拉頓和巴丁分享了2023年諾貝爾物理獎。
3、積體電路
2023年，以諾依斯為首的仙童（fairchild）半導體公司，提出了利用他們已成熟的半導體平面處理技術在矽晶元上整合幾百個，乃至成千上萬個電晶體這一閃光的設想。
幾乎在同一時期，德克薩斯儀器公司（ti）的青年研究人員基爾比（j. kilby）也想到了類似的技術創意。他成功地把電晶體、電阻和電容等整合在微小的平板上，用熱焊方式把元件以極細的導線互連，在不超過4平方公釐的面積上，大約整合了20餘個元件。
2023年2月6日， 基爾比向美國專利局申報專利，這種由半導體元件構成的微型固體組合件，從此被命名為「積體電路」（ic）。
2023年7月30日， 仙童公司採用先進的平面處理技術研製出積體電路，也申請到一項發明專利。
基爾比被譽為「第一塊積體電路的發明家」，而諾依斯被譽為「提出了適合於工業生產的積體電路理論」的人。2023年，美國聯邦法院最後從法律上承認了積體電路是一項「同時的發明」。至此而後，積體電路迅速把計算機推上高速成長的快車道。
（二）計算機的發展史
1、電子管計算機時代（從2023年第一台計算機研製成功到50年代後期）
電子計算機的主要特點是使用電子管作為邏輯元件。它的五個基本部分為運算器，控制器，儲存器，輸入器和輸出器。運算器和控制器採用電子管，儲存器採用電子管和延遲線，這一代計算機的一切操作，包括輸入，輸出在內，都由**處理機集中控制。
這種計算機主要用於科學技術方面的計算。
ibm 700系列計算機
從2023年起，美國的ibm公司開始批量生產應用於科研的大型計算機ibm 700系列，從此電子計算機走上了工業生產階段。
2、電晶體計算機時代（從50年代中期到60年代後期）
在20世紀50年代之前，計算機都採用電子管作元件。電子管元件有許多明顯的缺點。例如，在執行時產生的熱量太多，可靠性較差，運算速度不快，**昂貴，體積龐大，這些都使計算機發展受到限制。
於是，電晶體開始被用來作計算機的元件。電晶體不僅能實現電子管的功能，又具有尺寸小，重量輕，壽命長，效率高，發熱少，功耗低等優點。使用了電晶體以後，電子線路的結構大大改觀，製造高速電子計算機的設想也就更容易實現了。
用電晶體製造的計算機標誌著計算機發展進入了第二代。
3、中、小規模積體電路計算機時代（從60年代中期到70年代前期）
積體電路的發明和應用標誌著計算機進入了第三代，由於採用積體電路，計算速度提高到幾十萬次，甚至上千萬次，記憶體容量達幾百k，結構實現了積木化，磁芯儲存器被大規模積體電路的半導體儲存器取代。因而一台大型機就成為乙個計算中心，中間為**處理機，左邊為印表機，右邊是記憶體儲器和外儲存器，桌上的終端裝置可對儲存器的資訊作檢查或更改，並有控制整個計算機系統的功能。 計算機開始普及到商業管理領域，自動控制行業和科學單位等。
4、大、超大規模積體電路（lsi、vlsi）計算機時代（70年代初到至今）
進入20世紀60年代後，微電子技術發展迅猛。在2023年和2023年，分別出現了大規模積體電路和超大規模積體電路，並立即在電子計算機上得到了應用。由大規模和超大規模積體電路組裝成的計算機，就被稱為***電子計算機。
（三）摩爾定律
2023年，intel公司的創辦人之一摩爾發現了乙個具有歷史意義的現象（摩爾定律）：「在相等面積（製作成本）上，cpu上的電晶體數量以每12-18個月倍增的趨勢增加，執行效能的提公升大體也符合這個趨勢。」
當摩爾提出摩爾定律時，積體電路問世剛剛6年。他所在的實驗室也只能將50個電晶體和電阻整合在乙個晶元上。摩爾當時的**非常具有前瞻性。
在計算機的發展過程中，在摩爾定律提出後的40年中，不斷有專家認為晶元整合的速度已經達到極限。不過事實證明，摩爾的預言總是準確的。儘管翻一番的週期已經從最初的12個月增加到了如今的18個月，但「摩爾定律」依然有效。
「摩爾定律」歸納了資訊科技進步的速度。這40年裡，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，資訊科技由實驗室進入無數個普通家庭，網際網路將全世界聯絡起來，多**視聽裝置豐富著每個人的生活。
二、計算機發展過程中的重要里程碑
（一）第一台電子數字計算機eniac
舉世公認的第一台電子計算機eniac， 誕生在戰火紛飛的二次世界大戰，它的「出生地」是美國馬里蘭州阿貝丁陸軍試炮場。 當時彈道表由人工計算，不僅效率低還經常出錯。參加試驗的賓夕法尼亞大學莫爾學院的兩位青年學者——36歲副教授莫契利（j.
mauchiy）和24歲的工程師埃克特（p.eckert），向負責試驗的軍官戈德斯坦提交了乙份研製電子計算機的設計方案——「高速電子管計算裝置的使用」，他們建議用電子管作為主要元件，製造一台前所未有的計算機，把彈道計算的效率提高成百上千倍。他們的建議被軍方採納並建立了乙個包括30餘名物理學家、數學家和工程師的莫爾學院研製小組，莫契利是總設計師，主持機器的總體設計； 埃克特是總工程師，負責解決複雜而困難的工程技術問題；勃克斯則作為邏輯學家，為計算機設計乘法器等大型邏輯元件。
直到2023年2月14日，世界上第一台電子計算機才研製成功。 這台機器的名字叫「eniac」（埃尼阿克），即「電子數值積分和計算機」 的英文縮寫。埃尼阿克共使用了18000個電子管，另加1500個繼電器以及其它器件，其總體積約90立方公尺，重達30噸，占地170平方公尺，需要用一間30多公尺長的大房間才能存放，是個地地道道的龐然大物。
這台耗電量為140千瓦的計算機，運算速度為每秒5000次加法，或者400次乘法，比機械式的繼電器計算機快1000倍。當「埃尼阿克」公開展出時，一條炮彈的軌道用20秒種就能算出來，比炮彈本身的飛行速度還快。 「埃尼阿克」的成功，是計算機發展史上的一座紀念碑，是人類在發展計算技術的歷程中，到達的乙個新的起點。
標誌著電子計算機的創世，人類社會從此大步邁進了電腦時代的門檻。
（二）儲存程式概念的提出
美籍匈牙利數學家馮·諾依曼（john von naumann）提出了「儲存程式控制計算機結構」，奠定了現代計算機的體系結構。
從2023年起，馮·諾依曼就是阿貝丁試炮場的顧問，當莫爾學院開始研製eniac機器不久，馮· 諾依曼就成為了莫爾小組的實際顧問，與小組成員頻繁地交換意見。年輕人機敏地提出各種設想，馮·諾依曼則運用他淵博的學識，把討論引向深入，並逐步形成電子計算機的系統設計思想。在eniac尚未投入執行前，馮·諾依曼就看出這台機器致命的缺陷，主要弊端是程式與計算兩分離。
程式指令存放在機器的外部電路裡，需要計算某個題目，必須首先用人工接通數百條線路，需要幾十人幹好幾天之後，才可進行幾分鐘運算。馮·諾依曼決定起草乙份新的設計報告，對電子計算機進行脫胎換骨的改造。他把新機器的方案命名為「離散變數自動電子計算機」，英文縮寫是「edvac」。
2023年6月，馮 ·諾依曼與戈德斯坦、勃克斯等人，聯名發表了一篇長達101頁紙的報告，即計算機史上著名的「101頁報告」，直到今天，仍然被認為是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。報告明確規定出計算機的五大部件，並用二進位制替代十進位制運算。edvac方案的革命意義在於「儲存程式」，以便電腦自動依次執行指令。
人們後來把這種「儲存程式」體系結構的機器統稱為「諾依曼機」。
（三）第一台帶有儲存程式結構的電子計算機
最早問世的內儲程式式計算機卻不是edvac，英國劍橋大學威爾克斯（m.wilkes）教授，搶在馮·諾依曼之前捷足先登。 威爾克斯2023年曾到賓夕法尼亞大學參加馮·諾依曼主持的培訓班，完全接受了馮· 諾依曼內儲程式的設計思想。
回國後，他立即抓緊時間，主持新型電腦的研製，並於1949 年5月，製成了一台由3000只電子管為主要元件的計算機，命名為「edsac」（電子儲存程式計算機）。威爾克斯後來還摘取了2023年度計算機世界最高獎——「圖林獎」。 隨後，在2023年1月，由馮·諾伊曼設計的ias電子計算機問世。
終於使諾伊曼的設想在這台機器上得到了圓滿的體現。這台ias計算機總共只採用了2300個電子管，但運算速度卻比擁有18000個電子管的eniac「埃尼阿克」提高了10倍。
（四）電晶體計算機的誕生
2023年，美國貝爾實驗室研製成功第一台使用電晶體線路的計算機，取名「催迪克」（tradic），裝有800個電晶體。
2023年，美國的ibm公司製成了第一台全部使用電晶體的計算機rca501型。由於第二代計算機採用電晶體邏輯元件，及快速磁芯儲存器，計算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，主儲存器的儲存量，從幾千提高到10萬以上。2023年，ibm公司又生產出全部電晶體化的電子計算機ibm 7090。
1958~2023年，電晶體電子計算機經歷了大範圍的發展過程。從印刷電路板到單元電路和隨機儲存器，從運算理論到程式語言，不斷的革新使電晶體電子計算機日臻完善。
（五）第三代計算機的的標誌性產品ibm360系列計算機（圖1-1）
圖1-1 ibm360系列計算機
360系統主設計師是年僅40歲的吉恩·阿姆達爾（g. amdahl），才華橫溢，曾出色地主持過ibm704和ibm709等機器的設計工程。阿姆達爾提出了一種全新的思路：
ibm360必須是一種「相容性」的產品，意味著大中小型360系統電腦， 都能用相同方式處理相同的指令，享用相同的軟體，配置相同的外部裝置，而且能夠相互連線在一起工作。「相容性」是乙個偉大的觀念變革，它給現代電腦發展帶來的技術進步，至今還在發揮巨大作用。 ibm360共有6個型號的大、中、小型電腦和44種新式的配套裝置， 從功能較弱的360/51型小型機，到功能超過51型500倍的360/91型大型機，都是清一色的「相容機」。
360系列取得了難以置信的成功，成為第三代電腦的標誌性產品。5年之內，ibm360系統共售出32300臺，創造了電腦銷售的奇蹟。不久，與360電腦相容的ibm370接踵而至，其中最高檔的370/168機型，運算速度已達到每秒250萬次。
（六）使用超大規模積體電路的***計算機
美國illiac-iv計算機，是第一台全面使用大規模積體電路作為邏輯元件和儲存器的計算機，它標誌著計算機的發展已到了***。ibm公司的370系列、43xx、30xx、es-9000系列、克雷公司的cray系列巨型機、日本富士通公司生產出m系列，是比較有代表性的***計算機。
計算機硬體基礎知識
及簡單的故障維修方法 今天講兩個方面的內容，乙個是計算機的硬體知識，乙個是簡單的故障維修方法。計算機的硬體知識。乙個完整的計算機系統由硬體系統和軟體系統兩大部分組成。什麼是硬體系統？什麼是軟體系統？就好比我們人，是不是摸上去硬棒棒的就是硬體系統，掐上去是軟綿綿的就是軟體系統呢?不是的，人的硬體系統是...
第一章計算機基礎知識
一 計算機的基本組成 1 世界上第一台電子計算機 a 時間 1946年 b 名稱 eniac 埃尼阿克 2 計算機的發展 第一代 1946 1958年 電子管 第二代 1959 1964年 電晶體 第三代 1965 1970年 中小規模積體電路 1971年 今 大規模積體電路 微型計算機誕生於197...
第一章計算機基礎知識
主要內容 計算機發展簡介 計算機的特點與應用領域 計算機系統的組成 計算機中資訊的表示 數制間的轉換 計算機病毒 知識要點 一 計算機發展簡介 計算機 puter 俗稱電腦，世界上第一台計算機eniac誕生於1946年在美國的賓夕法尼亞大學。計算機從誕生到現在，根據構成計算機的主要電子元件的不同，可...