1.2 计算机的基本概念

在了解了计算机的发展后，下面对计算机的定义、特点、分类、应用领域、结构和原理等知识进行讲解。

1.2.1 计算机的定义和特点

随着科学技术的发展，计算机已被广泛应用于各个领域，在人们的生活和工作中起着重要的作用，那么什么是计算机，以及计算机有哪些特点呢？

1．计算机的定义

广义地讲，计算机是能够辅助或自动计算的工具。早期的计算工具属于辅助计算的工具，机械计算机、电动计算机和电子计算机属于自动计算的工具。狭义地讲，计算机是指现代电子数学计算机，即基本部件由电子器件构成、内部能存储二进制信息，处理过程由内部存储的程序自动控制的计算工具。

2．计算机的特点

计算机之所以具有如此强大的功能，是由它的特点所决定的。计算机主要有以下6个特点。

• 运算速度快：计算机的运算速度指的是单位时间内所能执行指令的条数，一般以每秒能执行多少条指令来描述。早期的计算机由于技术的原因，工作频率较低，而随着集成电路技术的发展，计算机的运算速度得到飞速提升，目前世界上已经有超过每秒亿亿次运算速度的计算机。

• 计算精度高：计算机的运算精度取决于采用机器码的字长（二进制码），即常说的8位、16位、32位和64位等，字长越长，有效位数就越多，精度就越高。如果将10位十进制数转换成机器码，便可以轻而易举地取得几百亿分之一的精度。

• 准确的逻辑判断能力：除了计算功能外，计算机还具备数据分析和逻辑判断能力，高级计算机还具有推理、诊断和联想等模拟人类思维的能力，因此计算机俗称为“电脑”。而具有准确、可靠的逻辑判断能力是计算机能够实现信息处理自动化的重要原因之一。

• 强大的存储能力：计算机具有许多存储记忆载体，可以将运行的数据、指令程序和运算的结果存储起来，供计算机本身或用户使用，还可即时输出为文字、图像、声音和视频等各种信息。例如，要在一个大型图书馆使用人工查阅书目可能会如大海捞针，而采用计算机管理后，所有的图书目录及索引都存储在计算机中，这时查找一本图书只需要几秒钟。

• 自动化程度高：计算机内具有运算单元、控制单元、存储单元和输入输出单元，计算机可以按照编写的程序（一组指令）实现工作自动化，不需要人的干预，而且还可反复执行。例如，企业生产车间及流水线管理中的各种自动化生产设备，正是因为植入了计算机控制系统才使工厂生产自动化成为可能。

• 具有网络与通信功能：通过计算机网络技术，可以将不同城市、不同国家的计算机连在一起形成一个计算机网，在网上的所有计算机用户可以共享资料和交流信息，从而改变了人类的交流方式和信息获取方式。

1.2.2 计算机的性能指标和分类

为了进一步了解计算机的相关知识，下面介绍计算机的性能指标和计算机的分类。

1．计算机的性能指标

计算机的性能指标就是衡量一台计算机强弱的指标，通常有以下5个指标。

• 字长：计算机在同一时间内能处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。字长的单位是“位”。字长直接体现了一台计算机的数的表示范围和计算精度，在其他指标相同时，字长越大，计算机处理数据的速度就越快。

• 运算速度：微型计算机的运算速度用每秒钟能执行的指令条数来衡量，单位为MIPS（每秒百万条指令）。大型计算机的运算速度用每秒钟能执行的浮点运算次数来衡量，其单位为MFLOPS（每秒百万次浮点运算）。

• 存储容量：计算机的存储容量包括内存容量和外存容量。存储容量的单位是字节（byte），1个字节是8个二进制位。内存容量是指内存储器能够存储数据的总字节数，内存容量的大小体现了计算机工作时存储程序和数据能力的大小，容量越大，性能越高。外存容量是指外存储器所能存储数据的总字节数。外存容量的大小体现了计算机长期存储程序和数据能力的大小，容量越大，性能越高。

• 外部设备的配置：计算机的外部设备是指主机外的大部分硬件设备，简称外设。外部设备的主要功能是输入输出数据。计算机所配置的外部设备的多少和好坏，也是衡量计算机综合性能的重要指标。

• 软件的配置：软件就是计算机所运行的程序及其相关的数据和文档，计算机所配置的软件的多少，决定了计算机能完成哪些工作，这也是衡量计算机综合性能的重要指标。

2．计算机的分类

计算机的种类非常多，划分的方法也有很多种。

按计算机的用途可将其分为专用计算机和通用计算机两种。其中，专用计算机是指为适应某种特殊需要而设计的计算机，如计算导弹弹道的计算机等。因为这类计算机都增强了某些特定功能，忽略了一些次要要求，所以有高速度、高效率、使用面窄和专机专用的特点。通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等领域，具有功能多、配置全、用途广、通用性强等特点，目前市场上销售的计算机大多属于通用计算机。

按计算机的性能、规模和处理能力，可以将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5类，具体介绍如下。

• 巨型机：巨型机也称超级计算机或高性能计算机，是速度最快、处理能力最强的计算机，是为少数部门的特殊需要而设计的，如图1-1所示。通常，巨型机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，现有的超级计算机运算速度大多可以达到每秒一太（trillion，万亿）次以上。2014年6月，在德国莱比锡市发布的世界超级计算机500强排行榜上，中国超级计算机系统“天河二号”位居榜首，其浮点运算速度达到每秒33.86千万亿次。

• 大型机：大型机也称大型主机，其特点是运算速度快、存储量大、通用性强，如图1-2所示，主要针对计算量大、信息流通量多、通信能力高的用户，如银行、政府部门和大型企业等。目前，生产大型主机的公司主要有IBM等。

• 中型机：中型机的性能低于大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业和公司。

• 小型机：小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于微型机服务器和大型机之间的一种高性能64位计算机。小型机的特点是结构简单、可靠性高、维护费用低，常用于中小型企业。随着微型计算机的飞速发展，小型机被微型机取代的趋势已非常明显。

• 微型机：微型计算机简称微机，是应用最普及的机型，占了计算机总数中的绝大部分，而且价格便宜、功能齐全，被广泛应用于机关、学校、企事业单位和家庭中。微型机按结构和性能可以划分为单片机、单板机、个人计算机（PC机）、工作站和服务器等，其中个人计算机又可分为台式计算机和便携式计算机（如笔记本电脑）两类，分别如图1-3和图1-4所示。

提示

工作站是一种高端的通用微型计算机，具有比个人计算机更强大的性能，通常配有高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内存储器和外部存储器；还具有极强的信息和高性能的图形、图像处理功能；主要用于图像处理和计算机辅助设计领域。服务器是提供计算服务的设备，它可以是大型机、小型机或高档微机。在网络环境下，服务器根据提供的服务类型不同，可分为文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和Web服务器等。

1.2.3 计算机的应用领域和工作模式

在计算机诞生的初期，计算机主要应用于科研和军事等领域，负责大型的高科技研发活动。近年来，随着社会的发展和科技的进步，计算机的性能不断上升，在社会的各个领域都得到了广泛应用。下面讲解计算机的应用领域和工作模式。

1．计算机的应用领域

计算机的应用可以概括为以下7个方面。

• 科学计算：科学计算即通常所说的数值计算，计算机可以完成科学研究和工程设计中提出的一系列复杂的数学问题的计算。计算机不仅能进行数值运算，还可以解答微积分方程以及不等式。由于计算机具有较高的运算速度，对于以往人工难以完成甚至无法完成的数值计算，计算机都可以完成，如气象资料分析和卫星轨道的测算等。目前，基于互联网的云计算，甚至可以体验每秒10万亿次的超强运算能力。

• 数据处理和信息管理：对大量的数据进行分析、加工和处理等工作早已开始使用计算机来完成。这些数据不仅包括“数”，还包括文字、图像和声音等数据形式。由于现代计算机运算速度快、存储容量大，使得计算机在数据处理和信息加工方面的应用十分广泛，如企业的财务管理、事物管理、资料和人事档案的文字处理等。利用计算机进行信息管理，为实现办公自动化和管理自动化创造了有利条件。

• 过程控制：过程控制也称为实时控制，是一种控制方式，计算机可对生产过程和其他过程自动监测以及自动控制设备的工作状态。计算机被广泛应用于各种工业环境中，并替代人在危险、有害的环境中作业，不受疲劳等因素的影响，并可完成人所不能完成的有高精度和高速度要求的操作，节省了大量的人力物力，并大大提高了经济效益。

• 人工智能：人工智能（Artificial Intelligence,AI）是指设计有智能性的计算机系统，让计算机具有人才具有的智能特性，让计算机模拟人类的某些智力活动，如“学习”“识别图形和声音”“推理过程”和“适应环境”等。目前，人工智能主要应用在智能机器人、机器翻译、医疗诊断、故障诊断、案件侦破和经营管理等方面。

• 计算机辅助：计算机辅助也称为计算机辅助工程应用，是指利用计算机协助人们完成各种设计工作。计算机的辅助功能是目前正在迅速发展并不断取得成果的重要应用领域，主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）、计算机辅助教育（CAE）、计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction,CAI）和计算机辅助测试（Computer Aided Testing,CAT）等。

• 网络通信：网络通信是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。网络通信是指利用计算机网络实现信息传递的功能。随着Internet技术的快速发展，人们可以在不同地区和国家间进行数据的传递，并可通过计算机网络进行各种商务活动。

• 多媒体技术：多媒体技术（Multimedia Technology）是指通过计算机对文字、数据、图形、图像、动画和声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于教育、广告宣传、视频会议、服务业和文化娱乐业等。

2．计算机的工作模式

计算机的工作模式也称为计算模式，是指计算应用系统中数据和应用程序的分布方式。计算模式主要有单机模式和网络模式两种。

• 单机模式：以单台计算机构成的应用模式，在计算机网络出现前，计算机的工作模式都是单机模式。

• 网络模式：多台计算机连成计算机网络，多台计算机互相分工合作，完成应用系统的功能。网络模式有客户机/服务器模式和浏览器服务器模式两种类型。客户机/服务器模式是客户机/服务器（C/S）模式中，应用系统的数据存放在服务器（数据库服务器系统，文件服务器）中，应用系统的程序通常存放在每一台客户机上。客户机上的应用程序对数据进行采集和初次处理，再将数据传递到服务器端。用户必须使用客户端应用程序才能对数据进行操作。浏览器/服务器（B/S）模式是在C/S模式的基础上发展而来的。由原来的两层结构（客户/服务器）变成三层结构：浏览器/Web服务器/数据库服务器。B/S模式的系统以服务器为核心，程序处理和数据存储基本上都在服务器端完成，用户无需安装专门的客户端软件，只需要一个浏览器软件即可，大大方便了系统的部署。

提示

在计算机网络中，计算机被分为两大类：一是向其他计算机提供各种服务（主要有数据库服务，打印服务等）的计算机，称为服务器；二是享受服务器提供服务的计算机，称为客户机。

1.2.4 计算机的结构与原理

要更深入地了解计算机，需要了解计算机的结构和计算机原理。

1．计算机的结构

计算机的结构就是计算机各功能部件之间的相互连接关系。计算机的结构是不断发展与完善的，经历了3个发展阶段：以运算器为核心的结构、以存储器为核心的结构、以总线为核心的结构。

• 以运算器为核心的结构：以运算器为核心的结构如图1-5所示，运算器是整个系统的核心，控制器、存储器、输入设备和输出设备都与运算器相连。这种结构具有两个特点，输入输出都要经过运算器。运算器承载过多的负载，利用率低。

• 以存储器为核心的结构：以存储器为核心的结构如图1-6所示，存储器是整个系统的核心，运算器、控制器、输入设备和输出设备都与存储器相连。这种结构具有两个特点，输入输出不经过运算器，各部件各司其职，CPU利用率高。

• 以总线为核心的结构：总线（bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。总线传送4类信息：数据、指令、地址和控制信息。计算机的总线有3种：数据总线、地址总线和控制总线。CPU读写内存时，必须指定内存单元的地址，地址信息就是内存单元的地址。总线结构有4个特点：①各部件都与总线相连接，或通过接口与总线相连接；②总线结构便于模块化结构设计，简化系统设计；③总线结构便于系统的扩充和升级；④总线结构便于故障的诊断和维修。

2．计算机的工作原理

计算机的工作原理是“存储程序”原理，是冯·诺依曼在EDVAC方案中提出的。计算机的工作原理包括两方面：①将编写好的程序和原始的数据存储在计算机的存储器中，即“存储程序”；②计算机按照存储的程序逐条取出指令加以分析，并执行指令所规定的操作，即“程序控制”。指令是由CPU中的控制器执行的，控制器执行一条指令有取指令、分析指令、执行指令3个步骤。

提示

控制器根据程序计数器的内容（即指令在内存中的地址），把指令从内存中取出，保存到控制器的指令寄存器中。然后程序计数器的内容自动加“1”形成下一条指令的地址。控制器将指令寄存器中的指令送到指令译码器，指令译码器翻译出该指令对应的操作，把操作控制信号传输给操作控制器。