計算機應(yīng)用基礎(chǔ)

1 1 計算機的歷史計算機的歷史 計算機技術(shù)的發(fā)展歷史是人類文明史的一個縮影 從古至今 由簡單的石 塊 貝殼計數(shù) 到唐代的算盤 到歐洲的手搖計算器 以后又相繼出現(xiàn)了計算尺 袖珍計算器等 直到今天的電子計算機 記錄了人類計算工具的發(fā)展 因此 電子 計算機是人類計算技術(shù)的繼承和發(fā)展 是計算機工具發(fā)展至當(dāng)今時代的具體形式 是現(xiàn)代人類社會中不可缺少的基本工具 1 1 1 計算機的發(fā)展歷史計算機的發(fā)展歷史 1946 年 美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺名為 ENIAC 的電子計算 機 宣告了人類計算機世道的到來 ENIAC 電子數(shù)字積分計算機的簡稱 英文全稱為 Electronic Numerical Integrator And Computer 大 約使用了 18800 個電子管 1500 個繼電器 重 30t 占地面積約 170 每能秒能 完成 5000 次加 減運算 主要用途是進行彈道計算的數(shù)值分析 ENIAC 的功能雖 遠不如今天的計算機 但是它的誕生宣告了計算機時代的開始 無疑是人類科學(xué)與 文化史上輝煌的一筆 在 ENIAC 誕生后的短短 50 多年中 計算機所采用的基本電子元件已經(jīng)經(jīng) 歷了電子管 晶體管 集成電路 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路 4 個發(fā)展階 段 通常成為計算機發(fā)展進程中的 4 個時代 見表 1 1 表表 1 1 計算機發(fā)展的計算機發(fā)展的 4 個時代個時代 發(fā)展 階段 時間電子元 器件 存儲器內(nèi)存容 量 運算速度軟件 第一 代 1946 1958 年 電子管內(nèi)存采用水銀延遲 線 外存采用磁鼓 紙帶 卡片等 幾千字 節(jié) 每秒幾千次 到幾萬次基 本運算 機器語言 匯編語 言 第二 代 1956 1964 年 晶體管磁芯 磁盤 磁帶 等 幾十萬 字節(jié) 每秒幾十到 幾百萬次基 本運算 FORTRAN ALGOL 60 COBOL 第三 代 1965 1970 年 集成電 路 半導(dǎo)體存儲器幾百萬 字節(jié) 每秒幾百萬 到千萬次基 本運算 操作系統(tǒng)逐漸成熟 第四 代 1971 年 至今 大規(guī)模 集成電 路 集成度很高的半導(dǎo) 體存儲器 幾百兆 字節(jié) 每秒幾百萬 次甚至數(shù)百 億次基本運 算 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 分布 式操作系統(tǒng)等應(yīng)用 軟件 1 第一代 1946 1958 年 第一代是電子管時代 這代計算機因采用段子管而體積大 耗電多 運算速度低 存儲容量小 可靠性差及造價昂貴 同時 它幾乎沒有什么軟件配置 編制程序用機器語 言 主要用于科學(xué)計算和軍事應(yīng)用方面 2 第二代 1959 1964 年 第二代是晶體管時代 這代計算機采用晶體管 內(nèi)存儲器普遍使用磁芯存儲器 性能比第一代提高了數(shù)十倍 速度一般可達每秒 10 萬次 有的甚至高達每秒幾百萬次 同 時軟件配置開始出現(xiàn) 一些高級程序設(shè)計語言相繼問世 并開始采用監(jiān)控程序 出科學(xué)計 算與軍事應(yīng)用外 開始了數(shù)據(jù)處理 工程設(shè)計 過程控制等方面的應(yīng)用 3 第三代 1965 1970 第三代是集成電路時代 集成電路實在一塊幾平方毫米的芯片上集成很多個電子 元件 使計算機的體積和耗電量有了顯著減小 計算速度顯著提高 存儲容量大幅增加 同時 計算機的軟件技術(shù)也有了較大的發(fā)展 出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng) 以及更多的高 級程序設(shè)計語言 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面有了很大改進 機種多樣化 系統(tǒng)化 并和通信技術(shù)結(jié)合 起來 使計算機應(yīng)用到更多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域 4 第四代 1971 年至今 第四代是大規(guī)模 超大規(guī)模集成電路時代 硬件上采用大規(guī)模 超大規(guī)模集成電 路作為主要功能部件 內(nèi)存儲器使用集成度更高的半導(dǎo)體存儲器 計算速度高達每秒幾百 萬次至數(shù)百億次 在這個時期 計算機體系結(jié)構(gòu)有了較大發(fā)展 并行處理 多機系統(tǒng) 計 算機網(wǎng)絡(luò)等都已進入實用階段 軟件方面更加豐富 出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系 統(tǒng)以及各種實用軟甲 其應(yīng)用范圍也更加廣泛 幾乎滲透了人類社會的各個領(lǐng)域 1 1 2 計算機的類別計算機的類別 1 巨型計算機 機型計算機簡稱巨型機 是綜合性能最好 功能最強 運算速度最快 同時占地 面積也最大 價格也最高的一類計算機 它的運算速度可達到每秒十萬億次以上 主要用 于航天 氣象 軍事等尖端科學(xué)領(lǐng)域 2 大型計算機 大型計算機又叫大型機 它的綜合性能指標沒有巨型計算機那樣高 但它具有如 下特點 通用性強 綜合處理能力強 性能覆蓋面廣 可用于大公司 大銀行 大型科研 機構(gòu)和高等院校等 3 小型機 對廣大的中 小用戶來說 小型機是較好的選擇 小型機成本較低 結(jié)構(gòu)簡單 經(jīng)短期培訓(xùn)即可維護和使用 所以更易推廣和普及 4 微型計算機 微型計算機又稱個人計算機 簡稱微機 微型計算機雖然問世較晚 但卻是目前 最為普及的機種 初學(xué)者接觸和學(xué)習(xí)計算機多是從微型機開始的 微型機具有輕 小 廉 價 易 用 的特點 且性能價格比高 兼容性好 因而備受廣大用戶青睞 20 世紀 80 年代初 IBM 在數(shù)年中連續(xù)推出了 IBMPC PC XT PC AT 等機型 形成了微型機的主流系列 許多廠家紛紛向 IBM 靠攏 先 后推出了一些與 IBM PC 相兼容的微型機 從而鞏固和造就了 IBM 藍色巨人的光輝形象 微型機的應(yīng)用已遍及社會的各個領(lǐng)域 幾乎無處不在 5 工作站 工作站是介于微型計算機和小型機之間的一種高等計算機 它通常陪有高分辨率 的大屏幕顯示器和大容量的內(nèi) 外存儲器 具有較強的數(shù)據(jù)處理能力與圖形處理功能 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下 人們習(xí)慣將網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺微形計算機或終端稱為一個工作站 它是網(wǎng)絡(luò)中的一個用戶節(jié)點 雖然與這里所說的工作站用詞相同 但含義不同 兩者切勿 混淆 6 網(wǎng)絡(luò)計算機 網(wǎng)絡(luò)計算機是專為計算機網(wǎng)絡(luò)作為客戶機使用的計算機 簡稱 NC 它是在互聯(lián)網(wǎng) 充分普及和 Java 語言推出的情況下提出的一種全新概念的計算機 根據(jù) IBM 和 Oracle 和 Sun 公司共同制定的網(wǎng)絡(luò)計算機參考標準 NC 是一種基于 Java 技術(shù)的瘦客戶機系統(tǒng) 它提 供了一個混合系統(tǒng) 在這個混合系統(tǒng)中 根據(jù)不同的建立方式 將某些應(yīng)用在服務(wù)器上執(zhí) 行 某些應(yīng)用在客戶機上執(zhí)行 1 1 3 計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢 1 1 4 計算機的特點計算機的特點 1 處理速度高 2 運算精度高 3 記憶能力強 4 具有邏輯判斷能力 5 具有友好的人機交互界面 1 1 5 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域計算機的應(yīng)用領(lǐng)域 1 科學(xué)計算 2 數(shù)據(jù)處理 3 自動控制 4 計算機輔助技術(shù) 5 人工智能 6 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 1 2 數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)據(jù)在計算機中的表示 計算機的基本功能是對數(shù)據(jù)進行加工和處理 數(shù)據(jù)在計算機中是以器件的物理狀 態(tài)來表示的 一個器件的兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)就可以用來表示一位二進制數(shù) 因此 二進 制數(shù)的表示最簡單而且可靠 另外 二進制的運算規(guī)則也最簡單 所以計算機中的數(shù)據(jù)用 二進制 0 和 1 表示 1 2 1 數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制轉(zhuǎn)換 1 進位計數(shù)制 按進位的原則進行的技數(shù)方法稱為進位計數(shù)制 在采用進位計數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)中 如果用 r 個基本字符 例如 0 1 2 r 1 表示數(shù)值 則稱其為基 r 數(shù)制 Radix r Number System r 稱為該數(shù)制的基 Radix 如日常生活中 常用的十進制數(shù) 就是 r 10 即基本符號為 0 1 2 9 如取 r 2 即基本符號為 0 1 則為二進制數(shù) 對于不同的數(shù)制 它們的共同特點是 1 每一種數(shù)制都有固定的符號集 如十進制數(shù)制 其符號有 10 個 0 1 2 9 二進制數(shù)制 其符號有兩個 0 和 1 2 都是用位置表示法 即處于不同位置的數(shù)符所代表的值不同 與所在位置的 權(quán)值有關(guān) 例如 十進制可表示為 5 555 555 5 103 5 102 5 101 5 100 5 10 1 5 10 2 5 10 3 可以看出 各種進位計數(shù)制中的權(quán)的值恰好是基數(shù)的某次冪 因此 對任何一種 進位計數(shù)制表示的數(shù)都可以寫出按其權(quán)展開的多項式之和 任意一個 r 進制數(shù) N 可表示為 N dm 1rm 1 dm 2rm 2 d1r d0r0 d 1r 1 d 2r 2 dk 1rk 1 dkrk 式中的 di為該數(shù)制采用的基本數(shù)符 ri是位權(quán) 權(quán) r 是基數(shù) 表示不同的進制 數(shù) m 為整數(shù)部分的位數(shù) k 為小數(shù)部分的位數(shù) 在十進位計數(shù)制中 是根據(jù) 逢十進一 的原則進行計數(shù)的 一般地 在基數(shù)為 r 的進位計數(shù)制中 是根據(jù) 逢 r 進一 的原則進行計數(shù)的 在微機中 常用的是二進制 八進制和十六進制 見表 1 2 其中 二進制用得最 為廣泛 表表 1 2 計算機中常用的幾種進制數(shù)的表示計算機中常用的幾種進制數(shù)的表示 進位制二進制八進制十進制十六進制 規(guī)則逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一 基數(shù)r 2r 8r 10r 16 符號0 10 1 70 1 90 1 9 A F 位權(quán)2i8i10i16i 表示形式B Binary System O Octal System D Decimal System H Hexadecimal System 2 r 進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù) r 進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)只要將各位數(shù)碼乘以各自的權(quán)值累加即可 例如 1 100 11 2 1 23 1 22 0 21 0 20 1 2 1 1 2 2 8 4 0 0 5 0 25 12 75 10 50 6 8 5 81 0 80 0 21 6 8 1 40 75 10 4B A 16 4 161 B 160 A 16 1 75 625 10 3 十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進制數(shù) 1 十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進制整數(shù) 除 r 取余法 將十進制整數(shù)不斷除以 r 取余數(shù) 直到商為 0 余數(shù)從右到左排列 首次取得的 余數(shù)放到最右邊 2 十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進制整數(shù) 乘 r 取余法 將十進制整數(shù)不斷乘以 r 取余數(shù) 直到小數(shù)部分為 0 或達到所求的精度為止 小 數(shù)部分可能永遠不會得到 0 所得整數(shù)從小數(shù)點自左向右排列 首次取得的余數(shù)放到最 左邊 3 如果一個數(shù)既有整數(shù)又有小數(shù) 可以分別轉(zhuǎn)換后再合并 例如 把十進制數(shù) 101 687 5 轉(zhuǎn)換成二進制數(shù) 整數(shù)部分 小數(shù)部分 101 2 50 余數(shù)為 1 50 2 25 余數(shù)為 0 0 687 5 2 1 375 0 整數(shù)位為 1 25 2 12 余數(shù)為 1 0 375 0 2 0 750 0 整數(shù)位為 0 12 2 6 余數(shù)為 0 0 750 0 2 1 500 0 整數(shù)位為 1 6 2 3 余數(shù)為 0 0 500 0 2 1 000 0 整數(shù)位為 1 3 2 1 余數(shù)為 1 1 2 0 余數(shù)為 1 轉(zhuǎn)換結(jié)果 101 687 5 10 1 100 101 101 1 2 4 r 進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 由于二進制 八進制和十六進制之間存在特殊關(guān)系 1 位八進制數(shù)相當(dāng)于 3 位二 進制數(shù) 1 位十六進制數(shù)相當(dāng)于 4 位二進制數(shù) 因此轉(zhuǎn)換方法比較容易 見表 1 3 表表 1 3 二進制與八進制 十六進制之間的關(guān)系二進制與八進制 十六進制之間的關(guān)系 八進制對應(yīng)二進制十六進制對應(yīng)二進制十六進制對應(yīng)二進制 00000000081000 10011000191001 201020010A1010 301130011B1011 410040100C1100 510150101D1101 611060110E1110 711170111F1111 根據(jù)表中的關(guān)系 二進制轉(zhuǎn)換為八進制時 以 3 位