第1講計算機基礎(chǔ)知識

大學計算機基礎(chǔ)21世紀高等學校計算機科學與技術(shù)規(guī)劃教材主編：陳剛課件改編：江漢大學計算中心2010.8.第1講

計算機基礎(chǔ)知識大學計算機基礎(chǔ)第一部分計算機基礎(chǔ)理論本講要點計算機的概念與發(fā)展史什么是計算機計算機發(fā)展4階段，第1臺現(xiàn)代計算機，微機產(chǎn)生和發(fā)展馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機計算機基本功能和分類各種名詞縮寫數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換（本講重點，難點）數(shù)制的概念二進制與十、八、十六進制的轉(zhuǎn)換二進制的計算規(guī)則什么是現(xiàn)代計算機？計算機是一種無須人工干預，能對各種信息進行存儲和快速處理的電子設備。現(xiàn)代計算機是電子驅(qū)動的，其本質(zhì)特征是存儲控制，即將事先編好的“程序”（指令和數(shù)據(jù)）存入“存儲器”中，然后計算機就可以按照程序步驟自動連續(xù)執(zhí)行。思考：計算器和計算機的區(qū)別。1.1計算機的概念與發(fā)展史早期計算工具的發(fā)展現(xiàn)代計算機的產(chǎn)生現(xiàn)代計算機的發(fā)展早期人類追求的計算工具算盤中國唐代第一種手動式計數(shù)器計算尺1622年，英國WilliamOughtred

手動式、減、乘、除、指數(shù)和三角函數(shù)運算加法器1642年，法國BlaisePascal

機械式，只能做加法計算器1673年，德國GottfriedLeibniz

機械式，加、減、乘、除和開方差分機1812年，英國CharlesBabbage

分析機1834年，英國CharlesBabbage早期人類追求的計算工具1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機1833分析機MARKIENIAC電子計算機時代

查爾斯.巴貝奇

1812年差分機1834年分析機

差分機和分析機三部分組成：(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲庫；(2)運算裝置；(3)能對操作順序進行控制，并選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。史料：查爾斯.巴貝奇

HowardAiken博士發(fā)現(xiàn)了查爾斯.巴貝奇的論文在IBM的支持下，用機電方式制造了MARKIMARKII和MARKIII是電子計算機MARKI1944年51尺長重5頓750,000部份合并而成有72個累加器，每一個有自己的算術(shù)部件，及23位數(shù)的寄存器。

ABC計算機1941年電子管數(shù)字計算機

JohnV.Atanasoff和CliffordE.Berry為數(shù)學物理研究研制的，早期計算機為紀念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機博物館于1966年設立了“圖靈獎”計算機是使用相應的程序來完成任何設定好的任務。圖靈機是一種思想模型，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。史料：

阿蘭.圖靈

馮·諾依曼計算機科學奠基人英國科學家阿蘭.圖靈主要貢獻：建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的基礎(chǔ)提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念

電子計算機之父：美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼阿蘭.圖靈和馮.諾依曼美國計算機學會(ACM)1966年設立圖靈獎主要貢獻：與同事研制人類第二臺計算機EDVAC“存儲程序”概念馮·諾依曼計算機奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理1.1.2現(xiàn)代計算機的產(chǎn)生ENIAC馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機世界上第一臺現(xiàn)代計算機ENIAC5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW1946年2月由賓州大學研制的ENIAC電子計算機時代的到來

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計算機重達30噸占地250m2啟動工耗150000瓦18000個電子管每秒5千次加減運算沒有存儲器采用十進制第一款商用計算機：UNIVAL1947年，莫奇萊和?？颂厥妨希耗嫒R和?？颂伛T·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（程序存儲式電子數(shù)字自動計算機方案）——計算機硬件體系結(jié)構(gòu)由五個基本部件：輸入器、輸出器、控制器、運算器和存儲器組成。馮·諾依曼理論要點JohnvonNeumann馮諾依曼存儲程序工作原理計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務為止。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)流控制流取數(shù)存數(shù)地址指令（內(nèi)）存儲器控制器運算器輸出設備輸入設備程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反饋信號響應信號請求信號響應信號請求信號1.1.3現(xiàn)代計算機的發(fā)展現(xiàn)代計算機發(fā)展的5個時代微機的產(chǎn)生現(xiàn)代計算機發(fā)展的5個時代時代年份電路特點第一代1946~1953電子管磁鼓、磁帶第二代1954~1964晶體管磁芯、磁盤第三代1965~1970集成電路終端訪問第四代1971~今大、超大規(guī)模集成電路個人計算機第五代新一代突破馮·諾依曼式的計算機結(jié)構(gòu)

計算機的分代電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路史料：

IBM的發(fā)展史

硅谷人才搖籃仙童半導體公司

HP的發(fā)展史

比爾.蓋茨未來新一代計算機超導計算機量子計算機光子計算機生物計算機神經(jīng)計算機未來新型計算機1．光計算機利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。不同波長的表示不同的數(shù)據(jù)優(yōu)點：超高速缺點：體積龐大2．生物計算機（分子計算機）

20世紀80年代中期開始研制

采用了生物芯片3．量子計算機利用處于多現(xiàn)實態(tài)下的原子進行運算的計算機，這種多現(xiàn)實態(tài)是量子力學的標志。

摩爾定理晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒每18個月芯片能力增長一倍。微型計算機的產(chǎn)生和發(fā)展計算機發(fā)展趨勢：巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化。微處理器集成度發(fā)展示意圖晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片32納米桌面型Clarkdale處理器要點回顧：現(xiàn)代計算機發(fā)展的五個階段第一臺現(xiàn)代計算機ENIAC馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機微機的產(chǎn)生摩爾定理1.2計算機基本功能計算機的主要應用領(lǐng)域計算機的分類1.2.1計算機的主要應用領(lǐng)域科學計算數(shù)據(jù)處理，如管理信息系統(tǒng)（MIS），資源規(guī)劃系統(tǒng)（MRP）和電子信息交換系統(tǒng)（EDI）等。自動控制計算機輔助工程，如計算機輔助設計(CAD)，計算機輔助教學(CAI)，計算機輔助制造(CAM)，計算機輔助測試（CAT)

等。人工智能(AI)計算機在信息社會中的應用

計算機的應用類型

1.科學計算

2.數(shù)據(jù)處理

3.電子商務

4.過程控制

5.CAD/CAM/CIMS

6.多媒體技術(shù)

7.虛擬現(xiàn)實

8.人工智能

計算機的主要應用領(lǐng)域

1.工商：電子商務、CAD/CAM

2.教育：多媒體教育、遠程教育

3.醫(yī)藥：CAT、MRI、遠程醫(yī)療

4.政府：電子政府

5.娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析

7.家庭：家庭信息化

計算機的新技術(shù)1．嵌入式技術(shù)將計算機作為一個信息處理部件，嵌入到應用系統(tǒng)之中的一種技術(shù)。 系統(tǒng)和功能軟件固化起來，類似BIOS的工作方式。應用：各種家電、數(shù)碼相機等2．網(wǎng)格計算利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺的計算機就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”。優(yōu)點：數(shù)據(jù)處理能力超強；充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。示例：圖1.1.6D2OL網(wǎng)格計算3．中間件技術(shù)中間件是介于應用軟件和操作系統(tǒng)之間的系統(tǒng)軟件

1.2.2計算機系統(tǒng)的分類

計算機的分類按綜合性能指標分類高性能計算機（巨型機或大型機）：

速度最快、處理能力最強、中國：天河一號每秒2570萬億次

工作站：介于PC與小型機之間高檔微機系統(tǒng)

高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強微型計算機：

臺式機、筆記本和個人數(shù)字助理(PDA)服務器：網(wǎng)絡環(huán)境中為多個用戶提供服務的計算機系統(tǒng)按用途分類通用機專用機聯(lián)合國教科文組織的定義應用在信息加工和處理中的科學、技術(shù)與工程的訓練方法和管理技巧；上述方面和技巧和應用；計算機及其與人、機的相互作用；與之相應的社會、經(jīng)濟和文化等諸種事物。

信息技術(shù)(InformationTechnology，IT)現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)容1.

信息基礎(chǔ)技術(shù)

微電子技術(shù)

當今世界新技術(shù)革命的基石

光電子技術(shù)

采用光子作為信息的載體

2.

信息系統(tǒng)技術(shù)

信息獲取技術(shù)

傳感技術(shù)、遙測技術(shù)和遙感技術(shù)信息處理技術(shù)

計算機技術(shù)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心信息傳輸技術(shù)

光纖通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等

信息控制技術(shù)利用信息傳遞和反饋來實現(xiàn)信息存貯技術(shù)縮微品、磁盤、光盤 通信技術(shù)(Communication)、計算機技術(shù)(Computer)和控制技術(shù)(Control)合稱為3C。3.

信息應用技術(shù)如信息管理、信息控制、信息決策

要點回顧：名詞：

PC機，PDA，POS，ATM，

MIS，MRP，EDI，

CAD，CAI，CAM，CAT，

AI，SERVER1.3數(shù)制及基本數(shù)據(jù)單位（重點）數(shù)制的概念數(shù)制轉(zhuǎn)換基本數(shù)據(jù)單位1.3.1數(shù)制的概念數(shù)制也稱計數(shù)制度，是指用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。一般情況下，人們習慣于用十進制來表示數(shù)，即用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這十個符號的規(guī)則使用來表達數(shù)。這是因為人類有十個手指，而我們的祖先，乃至我們自己，學會計數(shù)是從數(shù)手指開始的，正所謂“屈指可數(shù)”。然而，我們能不能用0和1這兩個數(shù)來表達數(shù)？還有沒有其它方式來表達數(shù)？數(shù)制數(shù)制在表述數(shù)制的時候，通常我們采用如下方法。1、在數(shù)字的后面，用特定字母表示該數(shù)的進制。二進制B，十進制D(可省略)，八進制Q或O，十六進制H。如16，10000B，20Q，10H。

2、也可以用()基數(shù)的形式表示不同進制的數(shù)，如(16)10，(10000)2，(20)8，(10)16。

1.3.2數(shù)制轉(zhuǎn)換1、r進制轉(zhuǎn)化成十進制

an...a1a0.a-1...a-m(r)

=a*rn+…+a*r1+a*r0+a*r-1+...a*r-m

10101(B)=24+22+1=21 101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75 101(O)=82+1=65 71(O)=78+1=57 101A(H)=163+16+10＝4106數(shù)制轉(zhuǎn)換

2.十進制轉(zhuǎn)化成r進制整數(shù)部分：除以r取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)從右到左排列。小數(shù)部分：乘以r取整數(shù)，整數(shù)從左到右排列。

例100.345=1100100.01011B100=144Q=64H=1100100B~1002502521226232100010010.34520.69021.3802

0.7602

1.52021008128180441100166046161

1.042數(shù)制轉(zhuǎn)換3.八進制和十六進制轉(zhuǎn)化成二進制每一個八進制數(shù)對應二進制的三位。每一個十六進制數(shù)對應二進制的四位。

2C1D(H)=0010

1100

0001

1101(B) 2C1D 7123(O)=111

001

010

011(B)7123

數(shù)制轉(zhuǎn)換4.二進制轉(zhuǎn)化成八進制和十六進制整數(shù)部分：從右向左進行分組。小數(shù)部分：從左向右進行分組。轉(zhuǎn)化成八進制三位一組。轉(zhuǎn)化成十六進制四位一組，不足補零。

11

0110

1110.1101

01(B)=36F.D4(H)36FD4

1

101

101

110.110

101(B)=1556.65(O)155665二進制數(shù)的算術(shù)運算

1.二進制數(shù)的加法運算2.二進制數(shù)的減法運算加法運算法則0+0=00+1=1+0=11+1=0

1101+111011011減法運算法則0-0=1-1=01-0=10-1=111011-11101101二進制數(shù)的算術(shù)運算

3.二進制數(shù)的乘法運算4.二進制數(shù)的除法運算乘法運算法則0×0=00×1=1×0=01×1=1減法運算法則0÷0=00÷1=01÷1=11101×1010000011010000+1101100000101011011111011101111111011100二進制數(shù)的邏輯運算

邏輯非運算

邏輯非的真值表 AF=A0110邏輯與運算

邏輯與的真值表 ABF=A×B000010100111二進制數(shù)的邏輯運算

邏輯或運算

邏輯或的真值表 ABF=A+B000011101111課堂練習1.至今電子數(shù)字式計算機都屬于馮.諾依曼式的，這是由于他們都建立在諾依曼提出的______的核心思想基礎(chǔ)上。A、二進制B、程序順序存儲與執(zhí)行C、采用大規(guī)模集成電路D、計算機分五部分2.許多企事業(yè)單位現(xiàn)在都使用計算機計算、管理職工工資，這屬于計算機的________應用領(lǐng)域。A、科學計算B、數(shù)據(jù)處理C、過程控制D、輔助工程課堂練習3.微型計算機的發(fā)展以________技術(shù)的發(fā)展為主要標志。A、操作系統(tǒng)B、微處理器C、磁盤D、軟件4.不屬于數(shù)據(jù)處理的計算機應用是________。A、管理信息系統(tǒng)B、辦公自動化C、實時控制D、決策支持系統(tǒng)課堂練習5.過程控制的特點是________。A、計算量大，數(shù)值范圍廣B、數(shù)據(jù)輸入輸出量大，計算相對簡單C、進行大量的圖形交互操作D、具有良好的實時性和高可靠性6.我國著名數(shù)學家吳文俊院士應用計算機進行幾何定理的證明，該應用屬于計算機應用領(lǐng)域中的________。A、科學計算B、數(shù)據(jù)處理C、人工智能D、輔助工程課堂練習7.計算機重要應用之一就是計算機輔助工程，其中CAM指___________。A、計算機輔助設計B、計算機輔助測試C、計算機輔助教學D、計算機輔助制造8.在計算機中采用二進制，是因為_________。A、可降低硬件成本B、兩個狀態(tài)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性C、二進制的運算法則簡單D、上述三個原因課堂練習9.有關(guān)二進制的論述，下面_________是錯誤的。A、二進制數(shù)只有0和l兩個數(shù)碼B、二進制運算逢二進一C、二進制數(shù)各位上的權(quán)分別為0，2，4，…

D、二進制數(shù)由二位數(shù)組成10.在進位計數(shù)制中，當某一位的值達到某個固定量時，就要向高位產(chǎn)生進位。這個固定量就是該種進位計數(shù)制的________。A、階碼B、尾數(shù)C、原碼D、基數(shù)課堂練習11.在一個無符號二進制整數(shù)的右邊添加一個0，則新形成的數(shù)是原數(shù)的_______倍。A、2B、8C、10D、1612.1010000101