第1講 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1、主編：陳剛主編：陳剛課件改編：江漢大學(xué)計(jì)算中心課件改編：江漢大學(xué)計(jì)算中心2010.8.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 第一部分計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論第一部分計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論1642 Blaise Pascal 1822 1822 差分機(jī)差分機(jī)1833 1833 分析機(jī)分析機(jī)電子計(jì)算機(jī)時(shí)代電子計(jì)算機(jī)時(shí)代 查爾斯查爾斯. .巴貝奇巴貝奇 1812年差分機(jī)年差分機(jī) 1834年分析機(jī)年分析機(jī) 差分機(jī)和分析機(jī)差分機(jī)和分析機(jī)三部分組成：三部分組成：(1)(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)；由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)；(2)(2)運(yùn)算裝置；運(yùn)算裝置；(3)(3)能對(duì)操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的能對(duì)操作順

2、序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。史料：史料：查爾斯查爾斯.巴貝奇巴貝奇 Howard Aiken博士博士發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了查爾斯查爾斯.巴貝奇的論文巴貝奇的論文在在IBM的支持下，用機(jī)電方式制造了的支持下，用機(jī)電方式制造了MARK IMARK II和和 MARK III是電子計(jì)算機(jī)是電子計(jì)算機(jī)MARK I 1944年年51尺長(zhǎng)尺長(zhǎng)重重5頓頓750,000部份合并而成部份合并而成有有72個(gè)累加器，每一個(gè)個(gè)累加器，每一個(gè)有自己的算術(shù)部件，及有自己的算術(shù)部件，及23位數(shù)的寄存器。位數(shù)的寄存器。 ABC計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 1941年年 電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)

3、John V.Atanasoff和和Clifford E.Berry為數(shù)學(xué)物理研究研制的，為數(shù)學(xué)物理研究研制的，為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)，為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)，美國(guó)計(jì)算機(jī)博物館于美國(guó)計(jì)算機(jī)博物館于1966年年設(shè)立了設(shè)立了“圖靈獎(jiǎng)圖靈獎(jiǎng)”計(jì)算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來(lái)完成任何設(shè)定好計(jì)算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來(lái)完成任何設(shè)定好的任務(wù)。的任務(wù)。圖靈機(jī)是一種思想模型，圖靈機(jī)是一種思想模型，它由三部分組成：它由三部分組成：一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀寫頭。移動(dòng)的讀寫頭。史料：史料： 阿蘭阿蘭.圖靈圖靈 馮馮諾依曼諾依曼計(jì)算機(jī)科學(xué)

4、奠基人計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人英國(guó)科學(xué)家英國(guó)科學(xué)家 阿蘭阿蘭. .圖靈圖靈主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) 提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念念 電子計(jì)算機(jī)之父：電子計(jì)算機(jī)之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家美籍匈牙利數(shù)學(xué)家 馮馮. .諾依曼諾依曼美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)1966(ACM)1966年設(shè)立圖靈年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)獎(jiǎng)主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 與同事研制人類第二臺(tái)計(jì)算機(jī)與同事研制人類第二臺(tái)計(jì)算機(jī)EDVAC “存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”概念概念 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原奠定了現(xiàn)代

5、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理理5000次加法次加法/秒秒體重體重28噸噸占地占地170m218800只電子管只電子管1500個(gè)繼電器個(gè)繼電器功率功率150KW1946年年2月由賓州大學(xué)研制的月由賓州大學(xué)研制的ENIAC電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái) Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)史料：史料：莫奇萊和?？颂啬嫒R和?？颂豃ohn von Neumann馮馮 諾依曼諾依曼數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流控制流控制流取數(shù)存數(shù)地址指令（控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器輸出輸出設(shè)備設(shè)備輸入輸入設(shè)備設(shè)備程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反

6、饋信號(hào)響應(yīng)信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)響應(yīng)信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路史料：史料： IBMIBM的發(fā)展史的發(fā)展史 硅谷人才搖籃仙童半導(dǎo)體公司硅谷人才搖籃仙童半導(dǎo)體公司 HPHP的發(fā)展史的發(fā)展史 比爾比爾. .蓋茨蓋茨1光計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī) 利用光子取代電子進(jìn)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。 不同波長(zhǎng)的表示不同不同波長(zhǎng)的表示不同的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) 優(yōu)點(diǎn)：超高速優(yōu)點(diǎn)：超高速 缺點(diǎn)：體積龐大缺點(diǎn)：體積龐大2生物計(jì)算機(jī)（分生物計(jì)算機(jī)（分子計(jì)算機(jī)）子計(jì)算機(jī)） 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中年代中期開始研制期開始研制 采用了生物芯片采用了生物芯片

7、3量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī) 利用處于多現(xiàn)實(shí)態(tài)下的原子進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，利用處于多現(xiàn)實(shí)態(tài)下的原子進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)， 這種多現(xiàn)實(shí)態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。這種多現(xiàn)實(shí)態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。 晶晶體體管管數(shù)數(shù)單單位位時(shí)時(shí)間間執(zhí)執(zhí)行行的的指指令令數(shù)數(shù)百萬(wàn)條百萬(wàn)條/每秒每秒每每18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍。時(shí)時(shí) 代代時(shí)時(shí) 間間位位 數(shù)數(shù)代代 表表 性性 芯芯 片片第 一 代1972年8位Intel 8008第 二 代1973年8位Intel 8085M 6800(M otorola)Z80(Zilog)第 三 代1978年16位Intel 8086M 68000(M otorola)Z8000(Zil

8、og)第 四 代1985年 起32位Intel 80836Z80000H P-32N S-16032Pentium 系 列計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。晶晶體體管管數(shù)數(shù)目目4004奔騰奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片32納米桌面型Clarkdale處理器 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用類型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用類型1. 科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算2. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理3. 電子商務(wù)電子商務(wù)4. 過程控制過程控制5. CAD/CAM/CIMS6. 多媒體技術(shù)多媒體技術(shù) 7. .虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)8. 人工智能人工智能 計(jì)

9、算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域1. 工商：工商：電子商務(wù)、電子商務(wù)、CAD/CAM2. 教育：教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育多媒體教育、遠(yuǎn)程教育3. 醫(yī)藥：醫(yī)藥：CAT、MRI、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療4. 政府：政府：電子政府電子政府5. 娛樂：娛樂：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技 6. 科研：科研：數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析7. 家庭：家庭：家庭信息化家庭信息化 1嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù) 將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一種技術(shù)。種技術(shù)。系統(tǒng)和功能軟件固化起來(lái)，類似系統(tǒng)和功能軟件固化起來(lái)，類似BIOS的工作方

10、式。的工作方式。 應(yīng)用：各種家電、數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)用：各種家電、數(shù)碼相機(jī)等2網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算 利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)，其中每一臺(tái)的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)是由成千上萬(wàn)個(gè)“節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)”組成的組成的“一張網(wǎng)格一張網(wǎng)格”。 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。 示例：示例：圖1.1.6 D2OL網(wǎng)格計(jì)算3中間件技術(shù)中間件技術(shù) 中間件是介于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間的系統(tǒng)軟

11、件中間件是介于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間的系統(tǒng)軟件 按綜合性能按綜合性能指標(biāo)分類指標(biāo)分類高性能計(jì)算機(jī)（高性能計(jì)算機(jī)（巨型機(jī)或大型機(jī)巨型機(jī)或大型機(jī)）：）： 速度最快、處理能力最強(qiáng)、速度最快、處理能力最強(qiáng)、 中國(guó)：中國(guó)：天河一號(hào)天河一號(hào) 每秒每秒2570萬(wàn)億次萬(wàn)億次 工作站工作站：介于介于PCPC與小型機(jī)之間高檔微機(jī)系統(tǒng)與小型機(jī)之間高檔微機(jī)系統(tǒng) 高分辨率、大容量?jī)?nèi)外存，圖形功能較強(qiáng)高分辨率、大容量?jī)?nèi)外存，圖形功能較強(qiáng)微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)： 臺(tái)式機(jī)、筆記本和個(gè)人數(shù)字助理臺(tái)式機(jī)、筆記本和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)(PDA)服務(wù)器服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個(gè)用戶提供服務(wù)的：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個(gè)用戶提供服務(wù)的 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

12、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按用途分類按用途分類通用機(jī)通用機(jī)專用機(jī)專用機(jī)聯(lián)合國(guó)教科文組織的定義聯(lián)合國(guó)教科文組織的定義 應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)、技術(shù)與工程的訓(xùn)應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)、技術(shù)與工程的訓(xùn)練方法和管理技巧；上述方面和技巧和應(yīng)用；計(jì)算機(jī)及練方法和管理技巧；上述方面和技巧和應(yīng)用；計(jì)算機(jī)及其與人、機(jī)的相互作用；與之相應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化其與人、機(jī)的相互作用；與之相應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化等諸種事物。等諸種事物。 信息技術(shù)信息技術(shù)(Information Technology，IT)1. 信息基礎(chǔ)技術(shù)信息基礎(chǔ)技術(shù) 微電子技術(shù)微電子技術(shù) 當(dāng)今世界新技術(shù)革命的基石當(dāng)今世界新技術(shù)革命的基石 光電子技術(shù)光電子技術(shù)

13、 采用光子作為信息的載體采用光子作為信息的載體 2. 信息系統(tǒng)技術(shù)信息系統(tǒng)技術(shù) 信息獲取技術(shù)信息獲取技術(shù) 傳感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)和遙感技術(shù)傳感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)和遙感技術(shù) 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心計(jì)算機(jī)技術(shù)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心 信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù) 光纖通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等光纖通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等 信息控制技術(shù)信息控制技術(shù) 利用信息傳遞和反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)利用信息傳遞和反饋來(lái)實(shí)現(xiàn) 信息存貯技術(shù)信息存貯技術(shù) 縮微品、磁盤、光盤縮微品、磁盤、光盤 通信技術(shù)通信技術(shù)( (Communication) )、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)( (Computer) )和和控制技術(shù)控

14、制技術(shù)( (Control) )合稱為合稱為3C3C。3. 信息應(yīng)用技術(shù)信息應(yīng)用技術(shù)如信息管理、信息控制、信息決策如信息管理、信息控制、信息決策 十進(jìn)制十進(jìn)制(D)二進(jìn)制二進(jìn)制(B)八進(jìn)制八進(jìn)制(O)十六進(jìn)制十六進(jìn)制(H)0123456789101112131415011011100101110111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789abcdef例 100.345=1100100.01011B100=144Q=64H=1100100B1002502521226232100010010.34520.69021.3802 0.760 2 1.520 2 1008128180441100166046161 1.0421.1.二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算2.2.二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算加法運(yùn)算法則加法運(yùn)算法則0+0=00+0=00+1=1+0=10+1=1+0=11+1=01+1=0 1101+ 1110 11011減法運(yùn)算法則法運(yùn)算法則0-0=1-1=00-0=1-1=01-0=11-0=10-1=10-1=1 11011- 1110 11013.3.二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算 4.4.二進(jìn)制數(shù)的除法運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的除法運(yùn)算乘