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第3章 见证“电脑”——电子计算机揭秘(1)

1.电子计算机的特点

(1)有逻辑判断能力

随着电子计算机技术的发展,可存储记忆的信息越来越多,计算机存储容量的不断增大。最初计算机只能用于计算,现在不仅可以计算,还能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来,让使用者随时调用。除此之外,计算机还可以对各种信息(如语言、图像、文字、图形、音乐等)通过编码技术进行算术运算和逻辑运算,甚至进行推理和证明。

计算机编程

(2)有自动控制能力

计算机的操作也是受人控制的,但由于计算机具有内部存储能力,可以将指令事先输入到计算机存储起来,在计算机开始工作以后,从存储单元中依次去取指令,用来控制计算机的操作,这时候人们可以不必干预计算机的工作,实现操作的自动化。

超市中自动结账的计算机

(3)计算精确度高

计算机的计算精确度是让人类叹为观止的。在1949年,美国制造的世上首部电脑-ENIAC在亚伯丁试验场启用了。次年,里特韦斯纳、冯纽曼和梅卓普利斯利用这部电脑,计算出π的2037个小数位。一般计算机可以有十几位甚至几十位(二进制)有效数字,计算精度可由千分之几到百万分之几,是任何计算工具不能比拟的。

计算机计算出来的圆周率

(4)运算速度快

大型水坝的计算、卫星轨道的计算、24小时天气预报的计算等,过去人工计算需要几年、几十年,而自从有了计算机,这些计算只需几天甚至几分钟就可完成。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次,微机也可达每秒亿次以上。爱丁堡大学的超级计算机全名为“High-End Computing Terascale Resource”,即“高端计算太拉级资源”,简称“Hector”,每秒运算速度达到670亿次!这是人类不可想象的速度。

计算机合成的太空图片

知识卡片:

高计算精度

高精度运算,是指参与运算的数(加数、减数、因子等)范围大大超出了标准数据类型(整型、实型)能表示的范围的运算。例如,求两个200位的数的和。这时,就要用到高精度算法了。

2.电子计算机的发展历史

(1)大型主机阶段

20世纪40~50年代,是第一代电子管计算机。经历了电子管数字计算机、晶体管数字计算机、集成电路数字计算机和大规模集成电路数字计算机的发展历程,计算机技术逐渐走向成熟。

大型计算机

(2)小型计算机阶段

20世纪60~70年代,是对大型主机进行的第一次“缩小化”,可以满足中小企业事业单位的信息处理要求,成本较低,价格可被接受。

小型计算机

(3)微型计算机阶段

20世纪70~80年代,是对大型主机进行的第二次“缩小化”,1976年美国苹果公司成立,1977年就推出了AppleII计算机,大获成功。1981年IBM推出IBM-PC,此后它经历了若干代的演进,占领了个人计算机市场,使得个人计算机得到了很大的普及。

微型计算机

(4)客户机/服务器

客户机/服务器是计算定义一种体系结构,在该结构中,程序逻辑分布在客户机系统和服务器系统之间。客户机/服务器计算是20世纪80年代的各种趋势形成的结果,它使用通过LAN连接到后端数据库服务器或应用程序服务器的功能强大的计算机来装备台式计算机。设计这种模型是为了替换主机计算模型,在主机计算模型中所有的处理都是由一个集中式系统完成的。

客户端/服务器模式图

(5)因特网阶段

也称互联网阶段。互联网即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。互联网于1969年出现,是在ARPA(美国国防部研究计划署)制定的协定下将美国西南部的史坦福大学研究学院、加利福尼亚大学、和犹他州大学的四台主要的计算机连接起来。此后经历了文本到图片,到现在语音、视频等阶段,宽带越来越快,功能越来越强。互联网具有全球性、海量性、匿名性、交互性等多个特点。它已经渐渐成为我们生活中不可缺少的一部分。

网络时代

(6)云计算时代

从2008年起,云计算概念逐渐流行起来,它正在成为一个通俗和大众化(Popular)的词语。云计算是一种以因特网为基础的超级计算模式,在远程的数据中心,几万甚至几千万台电脑和服务器连接成一片。因此,云计算甚至可以让你体验每秒超过10万亿次的运算能力,如此强大的运算能力几乎无所不能。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心,按各自的需求进行存储和运算。

云计算时代

知识卡片:

云计算

是基于互联网的服务的增加、使用和交付模式,通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式,指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源;广义云计算指服务的交付和使用模式,指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关,也可是其他服务。

它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。云其实是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网,后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。

3.电子计算机的分类

(1)工业控制计算机

是一种采用总线结构,对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的计算机系统总称。简称控制机。是用于实现工业生产过程控制和管理的计算机。它是自动化技术工具中最重要的设备。在工业控制方面,计算机最早用在模拟控制系统中起监控作用。它对过程变量进行周期扫描,向操作人员显示全过程的信息,并通过计算为模拟量调节器设置给定值。目前工控机的主要类别有:IPC(PC总线工业电脑)、PLC(可编程控制系统)、DCS(分散型控制系统)、FCS(现场总线系统)及CNC(数控系统)五种。

工业控制计算机

①IPC

也就是以PC总线为基础的工业电脑。据2000年IDC统计目前PC机已占到通用计算机的95%以上,因它价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富,已被广大的技术人员所熟悉和认可,这正是工业电恼热的基础。它主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成,如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网,双正压风扇等设计及EMC技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。

②PLC

PLC英文全称Programmable Logic Controller,中文全称为可编程逻辑控制器。是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于它内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

③DCS

是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品,可以构成各种独立的控制系统、分散控制系统DCS、监控和数据采集系统(SCADA),能满足各种工业领域对过程控制和信息管理的需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能力,能广泛用于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。

④FCS

是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。FCS是由DCS与PLC发展而来,FCS不仅具备DCS与PLC的特点,而且跨出了革命性的一步。而目前,新型的DCS与新型的PLC,都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能;而新型的PLC,在处理闭环控制方面也不差,并且两者都能组成大型网络,DCS与PLC的适用范围,已有很大的交叉。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。

⑤CNC

现代数控系统是采用微处理器或专用微机的数控系统,由事先存放在存储器里系统程序(软件)来实现控制逻辑,实现部分或全部数控功能,并通过接口与外围设备进行联接,称为计算机数控,简称CNC系统。

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品;这个技术范围覆盖多个领域。

(2)个人计算机

个人计算机英文为personal computer,即人们常说的PC。个人计算机一词源自于1978年IBM的第一部桌上型计算机型号PC,在此之前有Apple II的个人用计算机。今天,个人计算机一词是泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。个人计算机在大小、性能以及价位等多个方面适合于个人使用,并由最终用户直接操控的计算机的统称。它与批处理计算机或分时系统等一般同时由多人操控的大型计算机相对。

个人计算机

按它的外形分类,个人计算机可分为以下几种类型:

①桌面电脑机(Desktop)

也叫台式机,是一种独立相分离的计算机,完完全全跟其它部件无联系,相对于笔记本和上网本体积较大,主机、显示器等设备一般都是相对独立的,一般需要放置在电脑桌或者专门的工作台上。因此命名为台式机。为现在非常流行的微型计算机,多数人家里和公司用的机器都是台式机。台式机的性能相对较笔记本电脑要强。

②电脑一体机

电脑一体机,是由一台显示器、一个电脑键盘和一个鼠标组成的电脑。它的芯片、主板与显示器集成在一起,显示器就是一台电脑,因此只要将键盘和鼠标连接到显示器上,机器就能使用。随着无线技术的发展,电脑一体机的键盘、鼠标与显示器可实现无线链接,机器只有一根电源线。这就解决了一直为人诟病的台式机线缆多而杂的问题。有的电脑一体机还具有电视接收、AV功能。

③笔记本电脑(Notebook或Laptop)

也称手提电脑或膝上型电脑,是一种小型、可携带的个人电脑,通常重1-3公斤。笔记本电脑是台式PC的微缩与延伸,也是现代社会对电脑的一种需求。与台式机相比,它们是完全便携的,而且消耗的电能和产生的噪音都比较少。但是,它们的速度通常稍慢一点,而且对图形和声音的处理能力也比台式机稍逊一筹。此外,笔记本电脑的价格也比台式机昂贵。

特殊用途的笔记本电脑是服务于专业人士,可以在酷暑、严寒、低气压、高海拔、强辐射、战争等恶劣环境下使用的机型,有的较笨重,比如奥运会前期在“华硕珠峰大本营IT服务区”使用的华硕笔记本电脑。

④掌上电脑(PDA)

掌上电脑是一种运行在嵌入式操作系统和内嵌式应用软件之上的、小巧、轻便、易带、实用、价廉的手持式计算设备。它无论在体积、功能和硬件配备方面都比笔记本电脑简单轻便。

正如“掌上电脑”这个名字一样,它在许多方面和我们的台式机相像。比如它同样有CPU、存储器、显示芯片以及操作系统等。并且正如个人电脑有Mac和Windows阵营之分,PDA也有Palm和PPC之分,它的主要区别就在于操作系统的不同。尽管如此,PDA的功能大体是一样的,主要可以用来记事、文档编辑、玩游戏、播放多媒体、通过内置或外置无线网卡上网等。并且通过许多第三方软件,还可以看电子书、图像处理、外接GPS卡导航等。

⑤平板电脑

平板电脑是一款无须翻盖、没有键盘、大小不等、形状各异,却功能完整的电脑。它的构成组件与笔记本电脑基本相同,但它是利用触笔在屏幕上书写,而不是使用键盘和鼠标输入,并且打破了笔记本电脑键盘与屏幕垂直的J 型设计模式。它除了拥有笔记本电脑的所有功能外,还支持手写输入或语音输入,移动性和便携性更胜一筹。平板电脑由比尔·盖茨提出,至少应该是X86架构,从微软提出的平板电脑概念产品上看,平板电脑就是一款无须翻盖、没有键盘、小到足以放入女士手袋,但却功能完整的PC。

(3)网络计算机

网络计算机是在一定应用领域中和网络环境下,应用程序运行和数据存储都在服务器上,本身没有硬盘、软驱、光驱,并具有PC功能的一种低成本、免升级、免维护、便操作、权管理、强安全、高可靠的终端客户机。它能满足管理者和大众对信息处理和信息访问的需求,是各行业信息化应用细分的必然产物。

网络计算机

网络计算机按性能细分为以下五类:

①路由器(Router)

路由器是一种负责寻径的网络设备,它在互联网络中从多条路径中寻找通讯量最少的一条网络路径提供给用户通信。路由器是互联网络的枢纽、"交通警察"。目前路由器已经广泛应用于各行各业,各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由器用于连接多个逻辑上分开的网络,为用户提供最佳的通信路径,路由器利用路由表为数据传输选择路径,路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单,路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径,路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径。

路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型第二层(数据链路层),而路由发生在第三层,即网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需使用不同的控制信息,所以两者实现各自功能的方式是不同的。

②交换机(Switch)

交换机是按照通信两端传输信息的需要,用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。在计算机网络系统中,交换概念的提出改进了共享工作模式。

广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备,它是集线器的升级换代产品,外观上与集线器非常相似,它的作用与集线器大体相同。但是两者在性能上有区别:集线器采用的是共享带宽的工作方式,而交换机采用的是独享带宽方式。即交换机上的所有端口均有独享的信道带宽,以保证每个端口上数据的快速有效传输,交换机为用户提供的是独占的、点对点的连接,数据包只被发送到目的端口,而不会向所有端口发送,其它节点很难侦听到所发送的信息,这样在机器很多或数据量很大时,不容易造成网络堵塞,也确保了数据传输安全,同时大大的提高了传输效率,两者的差别就比较明显了。