第1講計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)21世紀(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃教材主編：陳剛課件改編：江漢大學(xué)計(jì)算中心2010.8.第1講

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第一部分計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論本講要點(diǎn)計(jì)算機(jī)的概念與發(fā)展史什么是計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)發(fā)展4階段，第1臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，微機(jī)產(chǎn)生和發(fā)展馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)基本功能和分類(lèi)各種名詞縮寫(xiě)數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換（本講重點(diǎn)，難點(diǎn)）數(shù)制的概念二進(jìn)制與十、八、十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制的計(jì)算規(guī)則什么是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種無(wú)須人工干預(yù)，能對(duì)各種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和快速處理的電子設(shè)備。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是電子驅(qū)動(dòng)的，其本質(zhì)特征是存儲(chǔ)控制，即將事先編好的“程序”（指令和數(shù)據(jù)）存入“存儲(chǔ)器”中，然后計(jì)算機(jī)就可以按照程序步驟自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行。思考：計(jì)算器和計(jì)算機(jī)的區(qū)別。1.1計(jì)算機(jī)的概念與發(fā)展史早期計(jì)算工具的發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展早期人類(lèi)追求的計(jì)算工具算盤(pán)中國(guó)唐代第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器計(jì)算尺1622年，英國(guó)WilliamOughtred

手動(dòng)式、減、乘、除、指數(shù)和三角函數(shù)運(yùn)算加法器1642年，法國(guó)BlaisePascal

機(jī)械式，只能做加法計(jì)算器1673年，德國(guó)GottfriedLeibniz

機(jī)械式，加、減、乘、除和開(kāi)方差分機(jī)1812年，英國(guó)CharlesBabbage

分析機(jī)1834年，英國(guó)CharlesBabbage早期人類(lèi)追求的計(jì)算工具1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機(jī)1833分析機(jī)MARKIENIAC電子計(jì)算機(jī)時(shí)代

查爾斯.巴貝奇

1812年差分機(jī)1834年分析機(jī)

差分機(jī)和分析機(jī)三部分組成：(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)；(2)運(yùn)算裝置；(3)能對(duì)操作順序進(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。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(jī)電方式制造了MARKIMARKII和MARKIII是電子計(jì)算機(jī)MARKI1944年51尺長(zhǎng)重5頓750,000部份合并而成有72個(gè)累加器，每一個(gè)有自己的算術(shù)部件，及23位數(shù)的寄存器。

ABC計(jì)算機(jī)1941年電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)

JohnV.Atanasoff和CliffordE.Berry為數(shù)學(xué)物理研究研制的，早期計(jì)算機(jī)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1966年設(shè)立了“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)定好的任務(wù)。圖靈機(jī)是一種思想模型，它由三部分組成：一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀寫(xiě)頭。史料：

阿蘭.圖靈

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人英國(guó)科學(xué)家阿蘭.圖靈主要貢獻(xiàn)：建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論的基礎(chǔ)提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念

電子計(jì)算機(jī)之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼阿蘭.圖靈和馮.諾依曼美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)1966年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)主要貢獻(xiàn)：與同事研制人類(lèi)第二臺(tái)計(jì)算機(jī)EDVAC“存儲(chǔ)程序”概念馮·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)和工作原理1.1.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生ENIAC馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)ENIAC5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個(gè)繼電器功率150KW1946年2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)

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)重達(dá)30噸占地250m2啟動(dòng)工耗150000瓦18000個(gè)電子管每秒5千次加減運(yùn)算沒(méi)有存儲(chǔ)器采用十進(jìn)制第一款商用計(jì)算機(jī)：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(jì)算機(jī)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（程序存儲(chǔ)式電子數(shù)字自動(dòng)計(jì)算機(jī)方案）——計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)由五個(gè)基本部件：輸入器、輸出器、控制器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器組成。馮·諾依曼理論要點(diǎn)JohnvonNeumann馮諾依曼存儲(chǔ)程序工作原理計(jì)算機(jī)的兩個(gè)基本能力：一是能夠存儲(chǔ)程序，二是能夠自動(dòng)地執(zhí)行程序。計(jì)算機(jī)是利用“存儲(chǔ)器”（內(nèi)存）來(lái)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(chǔ)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(wù)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(chǔ)器控制器運(yùn)算器輸出設(shè)備輸入設(shè)備程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反饋信號(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)1.1.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的5個(gè)時(shí)代微機(jī)的產(chǎn)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的5個(gè)時(shí)代時(shí)代年份電路特點(diǎn)第一代1946~1953電子管磁鼓、磁帶第二代1954~1964晶體管磁芯、磁盤(pán)第三代1965~1970集成電路終端訪問(wèn)第四代1971~今大、超大規(guī)模集成電路個(gè)人計(jì)算機(jī)第五代新一代突破馮·諾依曼式的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)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(dǎo)體公司

HP的發(fā)展史

比爾.蓋茨未來(lái)新一代計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)神經(jīng)計(jì)算機(jī)未來(lái)新型計(jì)算機(jī)1．光計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。不同波長(zhǎng)的表示不同的數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：超高速缺點(diǎn)：體積龐大2．生物計(jì)算機(jī)（分子計(jì)算機(jī)）

20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始研制

采用了生物芯片3．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)，這種多現(xiàn)實(shí)態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。

摩爾定理晶體管數(shù)單位時(shí)間執(zhí)行的指令數(shù)百萬(wàn)條/每秒每18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍。微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展計(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。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(diǎn)回顧：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的五個(gè)階段第一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)ENIAC馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)微機(jī)的產(chǎn)生摩爾定理1.2計(jì)算機(jī)基本功能計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的分類(lèi)1.2.1計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)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(dòng)控制計(jì)算機(jī)輔助工程，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)，計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT)

等。人工智能(AI)計(jì)算機(jī)在信息社會(huì)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用類(lèi)型

1.科學(xué)計(jì)算

2.數(shù)據(jù)處理

3.電子商務(wù)

4.過(guò)程控制

5.CAD/CAM/CIMS

6.多媒體技術(shù)

7.虛擬現(xiàn)實(shí)

8.人工智能

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.工商：電子商務(wù)、CAD/CAM

2.教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育

3.醫(yī)藥：CAT、MRI、遠(yuǎn)程醫(yī)療

4.政府：電子政府

5.娛樂(lè)：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技

6.科研：數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析

7.家庭：家庭信息化

計(jì)算機(jī)的新技術(shù)1．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)之中的一種技術(shù)。 系統(tǒng)和功能軟件固化起來(lái)，類(lèi)似BIOS的工作方式。應(yīng)用：各種家電、數(shù)碼相機(jī)等2．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)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“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。示例：圖1.1.6D2OL網(wǎng)格計(jì)算3．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)軟件

1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)按綜合性能指標(biāo)分類(lèi)高性能計(jì)算機(jī)（巨型機(jī)或大型機(jī)）：

速度最快、處理能力最強(qiáng)、中國(guó)：天河一號(hào)每秒2570萬(wàn)億次

工作站：介于PC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)微型計(jì)算機(jī)：

臺(tái)式機(jī)、筆記本和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)服務(wù)器：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)按用途分類(lèi)通用機(jī)專(zhuān)用機(jī)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)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(dāng)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(cè)技術(shù)和遙感技術(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(lái)實(shí)現(xiàn)信息存貯技術(shù)縮微品、磁盤(pán)、光盤(pán) 通信技術(shù)(Communication)、計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer)和控制技術(shù)(Control)合稱為3C。3.

信息應(yīng)用技術(shù)如信息管理、信息控制、信息決策

要點(diǎn)回顧：名詞：

PC機(jī)，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(diǎn)）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(jì)數(shù)制度，是指用一組固定的符號(hào)和統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)表示數(shù)值的方法。一般情況下，人們習(xí)慣于用十進(jìn)制來(lái)表示數(shù)，即用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這十個(gè)符號(hào)的規(guī)則使用來(lái)表達(dá)數(shù)。這是因?yàn)槿祟?lèi)有十個(gè)手指，而我們的祖先，乃至我們自己，學(xué)會(huì)計(jì)數(shù)是從數(shù)手指開(kāi)始的，正所謂“屈指可數(shù)”。然而，我們能不能用0和1這兩個(gè)數(shù)來(lái)表達(dá)數(shù)？還有沒(méi)有其它方式來(lái)表達(dá)數(shù)？數(shù)制數(shù)制在表述數(shù)制的時(shí)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(jìn)制。二進(jìn)制B，十進(jìn)制D(可省略)，八進(jìn)制Q或O，十六進(jìn)制H。如16，10000B，20Q，10H。

2、也可以用()基數(shù)的形式表示不同進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)化成十進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)化成r進(jìn)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(jìn)制和十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制每一個(gè)八進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的三位。每一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)二進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)化成八進(jìn)制和十六進(jìn)制整數(shù)部分：從右向左進(jìn)行分組。小數(shù)部分：從左向右進(jìn)行分組。轉(zhuǎn)化成八進(jìn)制三位一組。轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制四位一組，不足補(bǔ)零。

11

0110

1110.1101

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

1

101

101

110.110

101(B)=1556.65(O)155665二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

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

1101+111011011減法運(yùn)算法則0-0=1-1=01-0=10-1=111011-11101101二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

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

邏輯非運(yùn)算

邏輯非的真值表 AF=A0110邏輯與運(yùn)算

邏輯與的真值表 ABF=A×B000010100111二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算

邏輯或運(yùn)算

邏輯或的真值表 ABF=A+B000011101111課堂練習(xí)1.至今電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)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(jìn)制B、程序順序存儲(chǔ)與執(zhí)行C、采用大規(guī)模集成電路D、計(jì)算機(jī)分五部分2.許多企事業(yè)單位現(xiàn)在都使用計(jì)算機(jī)計(jì)算、管理職工工資，這屬于計(jì)算機(jī)的________應(yīng)用領(lǐng)域。A、科學(xué)計(jì)算B、數(shù)據(jù)處理C、過(guò)程控制D、輔助工程課堂練習(xí)3.微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展以________技術(shù)的發(fā)展為主要標(biāo)志。A、操作系統(tǒng)B、微處理器C、磁盤(pán)D、軟件4.不屬于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用是________。A、管理信息系統(tǒng)B、辦公自動(dòng)化C、實(shí)時(shí)控制D、決策支持系統(tǒng)課堂練習(xí)5.過(guò)程控制的特點(diǎn)是________。A、計(jì)算量大，數(shù)值范圍廣B、數(shù)據(jù)輸入輸出量大，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單C、進(jìn)行大量的圖形交互操作D、具有良好的實(shí)時(shí)性和高可靠性6.我國(guó)著名數(shù)學(xué)家吳文俊院士應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行幾何定理的證明，該應(yīng)用屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的________。A、科學(xué)計(jì)算B、數(shù)據(jù)處理C、人工智能D、輔助工程課堂練習(xí)7.計(jì)算機(jī)重要應(yīng)用之一就是計(jì)算機(jī)輔助工程，其中CAM指___________。A、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)B、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試C、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)D、計(jì)算機(jī)輔助制造8.在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，是因?yàn)開(kāi)________。A、可降低硬件成本B、兩個(gè)狀態(tài)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性C、二進(jìn)制的運(yùn)算法則簡(jiǎn)單D、上述三個(gè)原因課堂練習(xí)9.有關(guān)二進(jìn)制的論述，下面_________是錯(cuò)誤的。A、二進(jìn)制數(shù)只有0和l兩個(gè)數(shù)碼B、二進(jìn)制運(yùn)算逢二進(jìn)一C、二進(jìn)制數(shù)各位上的權(quán)分別為0，2，4，…

D、二進(jìn)制數(shù)由二位數(shù)組成10.在進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，當(dāng)某一位的值達(dá)到某個(gè)固定量時(shí)，就要向高位產(chǎn)生進(jìn)位。這個(gè)固定量就是該種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的________。A、階碼B、尾數(shù)C、原碼D、基數(shù)課堂練習(xí)11.在一個(gè)無(wú)符號(hào)二進(jìn)制整數(shù)的右邊添加一個(gè)0，則新形成的數(shù)是原數(shù)的_______倍。A、2B、8C、10D、1612.1010000101