計算機發(fā)展簡史和計算機特點

計算機發(fā)展簡史和計算機特點第1頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四2計算機發(fā)展簡史

1.早期的計算工具東方的創(chuàng)造：算籌、算盤西方的靈感：機械式計算工具機械-電動式計算機第2頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四31642法帕斯卡機械加法器Pascaline1670德萊布尼茲改進Pascaline，加入乘法、除法和平方根運算，并提出二進制計算德概念，使高速自動運算成為可能1822英巴貝奇設(shè)計差分機利用機器編制數(shù)表1834完成分析機設(shè)計方案，可以做數(shù)值運算和邏輯運算1888美霍勒瑞斯機電式穿孔卡系統(tǒng)－制表機，將機械設(shè)計原理與信息自動比較和分析方法結(jié)合起來的統(tǒng)計分析機1896創(chuàng)辦制表機公司，1911年組建計算機制表記錄公司，1924年改為國際商用機器公司，IBM1938德朱斯第一臺二進制計算機Z-1，Z-3第一臺通用程序控制的機電計算機1944美艾肯通用型機電計算機MARK-I,1947年MARK-II第3頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四4計算機發(fā)展簡史

2.電子計算機的誕生

1946年2月,美國賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家莫克利和電氣工程師?？颂匮兄瞥晒α耸澜缟系谝慌_通用電子數(shù)字計算機(ENIAC)。第4頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四5ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)電子數(shù)值積分計算機電子管:18800只電阻:70000個電容:10000只繼電器:1500個耗電:140kW/h占地:170m2重量:30噸速度:5000次/秒第5頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四6計算機發(fā)展簡史3、存貯程序式計算機—

馮·諾依曼機 （EDSACElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)

美籍匈牙利人馮·偌依曼（JohnVonNeumann）教授于1946年6月提出了“存貯程序”的設(shè)想：將組成解題程序的一條條指令，象數(shù)據(jù)一樣采用二進制編碼方式事先存入計算機中，運行時只須順序取出這些指令，經(jīng)譯碼后執(zhí)行相應(yīng)的操作即可。從而可以實現(xiàn)真正的全自動運算。

1949.5第一臺EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer離散變量自動電子計算機)

誕生在英國劍橋大學(xué)。第6頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四7圖靈(Turing)與現(xiàn)代計算機的設(shè)計思想①1946年6月發(fā)表“電子計算機裝置邏輯

結(jié)構(gòu)初探”論文②采用電子元件的計算機應(yīng)使用二進制③程序應(yīng)保存在存儲器中(存儲程序)④EDVAC(離散變量自動電子計算機)①1936年提出“理想計算機”，論文題目是論可計算數(shù)及其在判定問題的應(yīng)用②加、減和比較運算能完成許多數(shù)學(xué)計算③通用圖靈機是現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型，它把程序和數(shù)據(jù)都以數(shù)碼形式存儲，屬“存儲程序”型計算機馮·諾依曼(VonNeumann)與計算機結(jié)構(gòu)理論第7頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四8計算機發(fā)展簡史4、電子計算機的發(fā)展階段第8頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四9計算機發(fā)展簡史

5.計算機的發(fā)展趨勢⑴巨型化(功能巨型化)

巨型化是指具有高速運算、大存儲容量和功能強大的巨型計算機系統(tǒng),百億次每秒。如ILLIAC-IV、銀河機。⑵微型化(體積微型化)

包括臺式微機、筆記本電腦、掌上電腦。⑶網(wǎng)絡(luò)化(資源網(wǎng)絡(luò)化)

網(wǎng)絡(luò)化是指利用通信技術(shù)和計算機技術(shù)，把分散在不同地點的計算機互聯(lián)起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，以使所有用戶第9頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四10

均可共享軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源的目的。如，Internet。

⑷智能化(處理智能化)

智能化就是要求計算機能模擬人的感覺和思維能力。如專家系統(tǒng)和智能機器人，“深藍(lán)”戰(zhàn)勝卡斯帕羅夫。

6.未來第五代計算機的展望（基本元件創(chuàng)新）

⑴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機：神經(jīng)元⑵生物計算機：生物芯片⑶光子計算機：光子代替電子 ⑷超導(dǎo)計算機：超導(dǎo)元件和電路組成第10頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四11計算機發(fā)展簡史7、微型計算機的發(fā)展階段（屬第四代計算機） 由集成電路構(gòu)成的中央處理器，稱作微處理器。第一代微型機(1971年,4位)，Intel4004第二代微型機(1972--1977年,8位,6m)，Intel8080,Motorola6800,Zilog80第三代微型機(1978--1983年,16位,4m)，Intel8086/80286,M68000,Z8000第四代微型機(1984--,32位,2m)，Intel80386/80486,M68020,HP-32,MAC-32第五代微型機(1993--現(xiàn)在,64位)，Pentium第11頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四12第1章

計算機基礎(chǔ)知識第12頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四13

1.1計算機概述

1.1.1什么是計算機計算機是一種能對各種信息進行存儲和高速處理的工具或電子機器。提高人類腦力勞動的效能對上述定義要強調(diào)兩點： ①計算機不僅是一個計算工具，而且還是一個信息處理機。 ②計算機不同于其它任何機器，它能存儲程序，并按程序的引導(dǎo)自動存取和處理數(shù)據(jù)。第13頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四141.1.2計算機的分類

1.按處理對象分類

(1)數(shù)字：處理非連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，輸入、存儲、處理和輸出的數(shù)據(jù)均為數(shù)字量。運算精度高、存儲量大、通用性強。

(2)模擬：連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，基本部件為運算放大器構(gòu)成的微分器、積分器、通用函數(shù)運算器等運算電路組成。速度快，精度不高，通用性差，用于解微分方程霍自控系統(tǒng)設(shè)計中的參數(shù)模擬。

(3)混和信號的處理：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計困難。

2.按計算機用途分類⑴通用計算機：它是為了能解決多種類型問題，具有較強的通用性而設(shè)計的計算機⑵專用計算機：它是為了解決一個特定的問題而專門設(shè)計的計算機。第14頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四15

3.按計算機性能分類⑴巨型機(GiantComputer)

速度達(dá)萬億次每秒，用于復(fù)雜的科學(xué)計算及軍事等專用領(lǐng)域。⑵大型機(Large-ScaleComputer)

它是指運算速度在每秒100萬次～幾千萬次的計算機,如IBM,DEC,日立等都是大型機廠商。⑶中型機(Medium-ScaleComputer)⑷小型機(Minicomputer)DECPDP-11,VAX-II,DJS-130⑸微型機(Microcomputer)IBMPC/XT/AT,386,486,Pentium第15頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四16第16頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四17第17頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四18第18頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四19深超-21C峰值速度達(dá)15000億次/秒(1.5TeraFlops)。根據(jù)國際上標(biāo)準(zhǔn)測試程序LINPACK測試值為830.1Gflops采用集群式的超級計算機結(jié)構(gòu)由128個計算節(jié)點組成，每個計算節(jié)點為雙CPU的SMP服務(wù)器節(jié)點之間用三種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互相連接支持LINUX和WINDOWS

NT操作系統(tǒng)第19頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四20176PublicSector

China/2003xSeriesClusterXeon2.4GHz-Gig-E/622

IBMIBMCluster

xSeriesClusterXeon-GigEGovernment

1255.99

2985.6221XinJiangOil

China/2003BladeCenterClusterXeon2.4GHz,Gig-Ethernet/448

IBMIBMCluster

xSeriesClusterXeon-GigEIndustry

Geophysics1040

2150.4195000317ShenzhenUniversity

China/2003

DeepSuper-21C,P4Xeon3.06/2.8GHz,Myrinet/256

Self-madeNOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-MyrinetAcademic

830.1

1500.16117200

32300365ShanDongHighPerformanceComputingCenter

China/2004NOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-InfinibandNOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-InfinibandAcademic

749

1075.2141000

35000388LASG/InstituteofAtmosphericPhysics,CAS

China/2002DeepComp1800-P4Xeon2.4GHz-Myrinet/256

LenovoLegend

DeepComp1800Academic

735.8

1228114920

28000400DigitalChinaLtd.

China/2004SuperDome875MHz/HyperPlex/416

HPHPSPP

SuperDomeHyperPlexIndustry

713

1456

492HuapuInformationTechnology

China/2004SuperDome875MHz/HyperPlex/320

HPHPSPP

SuperDomeHyperPlexIndustry

Database638

1120第20頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四211.1.3計算機的特點運算速度快計算精度高取決與機器字長存儲功能強便于存儲檢索具有邏輯判斷能力具有自動運行能力完成枯燥乏味的重復(fù)性勞動第21頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四221.1.4計算機的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計算—

數(shù)學(xué)計算如火箭運行軌跡、地質(zhì)勘探、計算機仿真數(shù)據(jù)處理—

如對信息進行收集、存儲、整理、查詢和傳播過程檢測與控制—

實時采集檢測數(shù)據(jù)，按最優(yōu)方案對生產(chǎn)過程進行自動控制計算機輔助設(shè)計及輔助教學(xué)—

CAD、CAM、CAI人工智能—

機器人和專家系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能—

計算機之間的通信、資源共享，廣泛應(yīng)用第22頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四23

1.2計算機運算基礎(chǔ)1.2.1數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

?什么是進位計數(shù)制：⑴非進位計數(shù)制其特點是：表示數(shù)值大小的數(shù)碼與它在數(shù)中的位置無關(guān)。典型的非進位計數(shù)制是羅馬數(shù)字，例如,羅馬數(shù)字中:Ⅰ,Ⅱ,┄,Ⅹ⑵進位計數(shù)制其特點是：表示數(shù)值大小的數(shù)碼與它在數(shù)中的位置有關(guān)。例如，十進制數(shù)123.45

⑶定義:用一組固定的數(shù)字和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)的方法稱為數(shù)制。按照進位方式計數(shù)的數(shù)制叫做進位計數(shù)制。第23頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四24

?

任何進位計數(shù)制的要素：

①基數(shù)：它是指各種進位計數(shù)制中允許選用基本數(shù)碼的個數(shù)。例，如十進制的數(shù)碼有：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

則十進制的基數(shù)為10。

②位權(quán)值：每個數(shù)碼所表示的數(shù)值等于該數(shù)碼乘以一個與數(shù)碼所在位置相關(guān)的常數(shù)，這個常數(shù)叫做權(quán)值，也稱為該位的位權(quán)。例如：

123.4=1×102+2×101+3×100

+4×10-1 ③進制：N進制必須是逢N進一。第24頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四25例題：（進制與權(quán)）

⑴十進制數(shù)的特點是逢十進一：

(1010)10＝1×103＋0×102＋1×101＋0×100 ⑵二進制數(shù)的特點是逢二進一:(1010)2＝1×23＋0×22＋1×21＋0×20＝(10)10 ⑶八進制數(shù)的特點是逢八進一:(1010)8＝1×83＋0×82＋1×81＋0×80＝(520)10 ⑷十六進制數(shù)的特點是逢十六進一: (BAD)16＝11×162＋10×161＋13×160＝(2989)10第25頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四26?幾種常用數(shù)制第26頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四27八進制和十六進制是為了彌補二進制數(shù)字長過長而出現(xiàn)在計算機中的，它們主要用來描述存儲單元的地址?為什么要用八進制和十六進制？第27頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四28?各種常用數(shù)制的對應(yīng)關(guān)系第28頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四29總結(jié)：（數(shù)制的基本概念）對于N進制數(shù)，整數(shù)部分第i位的位權(quán)為

Ni-1對于N進制數(shù)，小數(shù)部分第j位的位權(quán)為

N-j基數(shù)位權(quán)第29頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四30?不同進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換①二進制—>十進制▲方法：按權(quán)展開求和

例如：(101.1)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1=(5.5)10(或：101.1B=1×22+0×21+1×20+1×2-1=5.5D) ②十進制－>二進制 ▲方法:整數(shù)部分采用除2取余法 小數(shù)部分采用乘2取整法

(215.6875)10=(?)21.二進制與十進制數(shù)的互換第30頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四31第31頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四32第32頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四33練習(xí)一： (110001011)2=(?)10 (1011000100)2=(?)10第33頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四34練習(xí)二： (1050.2625)10=(?)2

(357.113)10=(?)2第34頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四35①二進制—>八進制▲方法：三位并一位

以小數(shù)點為起點向左右兩端，每三位一組，不足三位的分別在兩端補0，每組二進制數(shù)合并為一位八進制數(shù)。

(1011100.00101011)2=(?)8(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8

或=(134.126)o

(

134.126)o ②八進制－>二進制 ▲方法:一位拆三位

(123.56)8=(?)2(

123.56)8(001,010,011.101,110)2

=(1010011.10111)22.二進制與八進制數(shù)的互換第35頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四36①二進制—>十六進制▲方法：四位并一位

以小數(shù)點為起點向左右兩端，每四位一組，不足四位的分別在兩端補0，每組二進制數(shù)合并為一位十六進制數(shù)。

(1011100.00101011)2=(?)16 5C.2B (0101,1100.0010,1011)2=(5C.2B)16=(5C.2B)H ②十六進制－>二進制 ▲方法:一位拆四位

(1A2.DC)16=(?)2

(

1A2.DC)16(0001,1010,0010.1101,1100)2

=110100010.110111)23.二進制與十六進制數(shù)的互換第36頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四37練習(xí)三： (11110001010110)2=(?)8

(3BF6.A1)16=(?)2第37頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四38練習(xí)四： (11110001010110)2=(?)16

(3746.21)8=(?)2第38頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四39使用特定的后綴字母，可以表示不同的數(shù)制：

十進制數(shù)D:512D或512二進制數(shù)B:1011B

八進制數(shù)Q:127Q十六進制數(shù)H:A8H4.計算機采用二進制的原因計算機采用的是二進制——它只有0和1兩個數(shù)字符號, 運算規(guī)則是：逢2進1

在物理上很容易實現(xiàn)： 電路的導(dǎo)通或截止 磁性材料的正極或反極 在邏輯上容易判斷： “真”與“假”，“有”與“無”二進制的特點——電路簡單，可靠性高，運算簡便，邏 輯性強第39頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四405.

二進制數(shù)的算術(shù)運算：加法：

0011+）0+）1+）0+）10111011011011100111101第40頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四41減法：

0110-）0-）1-）0-）1001111100001100101101011101110101第41頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四42乘法：

0011×）0×）1×）0×）10001

被乘數(shù)

1110

乘數(shù)

1101────────

1110

部分積

0000

11101110即：拷貝、移位、加法────────乘積

10110110第42頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四43

除法：

0÷1=01÷1=1110

除數(shù)-----110100110------被除數(shù)

-)110───────0111-)110───────0010---------余數(shù)第43頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四44

2.字節(jié)(Byte)

字節(jié)是信息處理的基本單位，一個字節(jié)由八位二進制數(shù)組成，即1Byte=8bit。計算機存儲器容量大小是以字節(jié)數(shù)來度量的，所以字節(jié)也常被成為存儲單位，常用的單位有KB、MB、GB和TB。1.2.2數(shù)據(jù)的存儲單位1.位(bit)

位是計算機存儲信息的最小單位，表示一位二進制數(shù)據(jù)，“1”或“0”兩種狀態(tài)。第44頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四45

1KB=1024B＝210B(千字節(jié)) 1MB=1024×1024B=220B(兆字節(jié)) 1GB=1024×1024×1024B=230B(吉字節(jié)

) 1TB=1024×1024×1024×1024B＝240B(太字節(jié))

3.字(Word)

字是CPU通過數(shù)據(jù)總線一次存取、加工和傳送數(shù)據(jù)的長度。一個字通常由一個或若干個字節(jié)組成，字長越長，計算機的性能越強。常用的字長有8位、16位、32位、64位、128位。2.字節(jié)(Byte)第45頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四461.2.3計算機中數(shù)的表示1.機器數(shù)與真值在計算機中，數(shù)值型數(shù)據(jù)是用二進制數(shù)來表示的。數(shù)值型數(shù)據(jù)有正、負(fù)之分，通常人們在數(shù)字前面冠以“+”或“-”符號來表示數(shù)的正負(fù)，而在計算機內(nèi)部“+”號和“-”號也需要數(shù)碼化，用一位二進制表示。一般規(guī)定：用“0”表示“+”號，用“1”表示“-”號。因此，數(shù)值型數(shù)據(jù)的最高位用來表示數(shù)值的正負(fù)，這一位稱為符號位。在計算機內(nèi)部數(shù)字和正負(fù)號都用二進制數(shù)碼表示，兩者結(jié)合在一起構(gòu)成數(shù)值型數(shù)據(jù)的機內(nèi)表示形式。把這種連同數(shù)字和符號組合在一起的二進制數(shù)稱為機器數(shù)，由機器數(shù)所表示的實際值稱為真值。第46頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四471.2.3計算機中數(shù)的表示例如：(+45)10＝(+101101)2＝(00101101)機器數(shù)；

(-45)10

＝(-101101)2＝(10101101)機器數(shù)；

在計算機中，機器數(shù)可以用不同的碼制來表示。常用的碼制有：原碼表示法、反碼表示法和補碼表示法。下面以整數(shù)為例介紹原碼、反碼和補碼。第47頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四481.2.3計算機中數(shù)的表示2.原碼、反碼和補碼⑴原碼原碼：用符號位和數(shù)值位兩部分表示一個帶符號數(shù)，設(shè)字長為n位，最高位為符號位，正數(shù)的符號位用0表示，負(fù)數(shù)的符號位用1表示，其余n-1位數(shù)值部分用二進制形式表示。數(shù)X的原碼記為[X]原。例如:若機器字長為8位，(+1011101)2,(-1011101)2

的原碼分別為:0101110111011101。原碼表示法對加、減法來說運算比較復(fù)雜，不能用它直接對兩個同號數(shù)相減或兩個異號數(shù)相加。為計算機中方便進行加減法而引入反碼和補碼。第48頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四491.2.3計算機中數(shù)的表示⑵反碼反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同;負(fù)數(shù)的反碼是對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反，即0變1，1變0。數(shù)X的反碼記為[X]反。例如:若機器字長為8位，+1011101-1011101

的原碼分別為:

(01011101)原

(11011101)原

其反碼分別為(01011101)反

(10100010)反。零的反碼表示有兩種，即：

[+0]反＝00000000[-0]反＝11111111可以驗證，任何一個數(shù)的反碼的反碼即是原碼本身。通常反碼作為求補過程的中間形式。第49頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四501.2.3計算機中數(shù)的表示⑶補碼補碼：正數(shù)的補碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補碼是對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反，最末位加1，即求反加1。數(shù)X的補碼記為[X]補。例:若機器字長為8位，+1011101，-1011101的原碼分別為:

(01011101)(11011101)

其補碼分別為（01011101）補（10100011）補零的補碼表示是惟一的，即：

[+0]補＝00000000[-0]補＝00000000第50頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四511.2.3計算機中數(shù)的表示[例1-2]假設(shè)字長為8，求十進制數(shù)+78和-78的補碼。

(78)10＝(1001110)2[+78]原＝01001110[+78]補＝01001110[-78]原＝11001110[-78]補＝10110010可以驗證，任何一個數(shù)的補碼的補碼即是原碼本身。引入補碼后，加減法運算都可以用加法來實現(xiàn)，也就是說減法變?yōu)榧臃▉磉\算，并且兩數(shù)“和”的補碼等于兩數(shù)的補碼之“和”。即

[X＋Y]補＝[X]補＋[Y]補

[X－Y]補＝[X＋(-Y)]補＝[X]補＋[-Y]補在計算機中加減法運算基本上都采用統(tǒng)一化成補碼的加法運算，其符號位也參與運算。第51頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四52練習(xí)五寫出二進制數(shù)1010的原碼、補碼和反碼寫出二進制數(shù)-1010的原碼、補碼和反碼已知[X]補=11100，求X(真值)[1010]原

=01010

[1010]補

=01010[1010]反

=01010[-1010]原

=11010

[-1010]補

=10110[-1010]反

=10101X=-0100正數(shù)的原碼、補碼和反碼均相同負(fù)數(shù)的原碼符號位為1，其余各位不變；反碼的符號位為1，其余各位0變1，1變0；補碼的符號位為1，其余各位0變1，1變0，并在最末位加1X的補碼的補碼，即為X真值第52頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四531.2.3計算機中數(shù)的表示3.定點數(shù)與浮點數(shù)⑴定點數(shù)定點小數(shù)：指小數(shù)點隱含固定在最高數(shù)值位的左邊，符號位右邊，參與運算的數(shù)是純小數(shù)，其絕對值小于1。

符號位數(shù)值部分·

小數(shù)點位置圖1-1定點小數(shù)的格式定點整數(shù)：指小數(shù)點隱含固定在整個數(shù)值的最右端，符號位右邊所有的位數(shù)表示的是一個純整數(shù)。

·

小數(shù)點位置圖1-2定點整數(shù)的格式符號位數(shù)值部分第53頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四54定點數(shù)的表示方法:任意定點數(shù)X=X1X2…Xn

在定點機中的表示形式若X表示純小數(shù),則小數(shù)點位于X0

和X1

之間,數(shù)的表示范圍為0|x|1-2-n若X表示純整數(shù),則小數(shù)點位于Xn的右邊,此時數(shù)的表示范圍為0|x|2n-1X0X1X2…Xn-1Xn符號位尾數(shù)第54頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四55⑵浮點數(shù)任意浮點數(shù)N=RE*M在計算機中的表示形式M為尾數(shù),是純小數(shù),尾數(shù)通常用規(guī)格化形式表示Ms是尾數(shù)的符號位,也就是浮點數(shù)N的符號位E為階碼,通常為整數(shù),其最高位E0為階符,表示正階或負(fù)階R為階的基數(shù),為一常數(shù)(2、8、16等),R不需要表示出來數(shù)符階碼MsE0E1E2…EnM1M2…Mm尾數(shù)是指小數(shù)點位置不固定，根據(jù)需要而浮動的數(shù)，它既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分第55頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四56浮點數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式

(IEEE754)32位浮點數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式如下：64位浮點數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式如下：MsEMb31b30b23b22b0MsEMb63b62b52b51b0182311152第56頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四571.2.3計算機中數(shù)的表示

⑵浮點數(shù)當(dāng)計算機中參與運算的數(shù)超出了浮點數(shù)的表示范圍時稱為溢出。如果一個數(shù)的階碼大于計算機所能表示的最大階碼，則稱為上溢。反之，若小于最小階碼，則稱為下溢。上溢時計算機將停止運算，轉(zhuǎn)溢出中斷處理程序進行溢出處理，下溢時計算機將該數(shù)作為機器零來處理.第57頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四581.2.4計算機中的信息編碼

1.ASCII碼

ASCII碼是AmericanStandardCodeforInformationInterchange,即美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼的簡稱,它被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO采納為國際通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼,稱為ISO646。

ASCII碼是用七位二進制表示一個字符,它可表示128個不同的字符，即0000000→1111111第58頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四59ASCII碼表(7位)高三位b6b5b4低四位b3b2b1b0第59頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四60一個字節(jié)中ASCII編碼位的使用編碼位奇偶校驗位[例]將China五個字符的ASCII碼查出并存放在內(nèi)存中。第60頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四61字符數(shù)據(jù)的表示西文字符的編碼與表示美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼—ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)漢字的編碼與表示國標(biāo)碼GB2312–80,其中包含一級漢字3755個,二級漢字3008個,圖形符號682個大字符集ISO/IEC10646.1,它對世界各國使用的諸多文字統(tǒng)一編碼,其中收入中國漢字17000個b0b1b2b3b4b5b6b7816第61頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四622.漢字編碼?各種漢字編碼的關(guān)系

漢字編碼轉(zhuǎn)換需要各自的轉(zhuǎn)換程序來實現(xiàn)。

交換碼(國標(biāo)碼)

字形碼

機內(nèi)碼顯示漢字打印漢字流水編碼字音編碼字形編碼漢字庫漢字輸入法漢字交換碼漢字機內(nèi)碼漢字字形碼

正是由于國標(biāo)碼的存在，才使得用戶可以使用不同的漢字輸入法。第62頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四63漢字編碼GB2312包含漢字7445個,用9494碼表描述;每一行為一個區(qū);每一列為一位;每個漢字用其區(qū)碼和位碼的編號來描述;一級漢字按拼音排列;二級漢字按部首排列.b0b0b7b7256256010194(位)(區(qū))94區(qū)位碼表內(nèi)碼—漢字在計算機中存儲或操作時使用的編碼輸出碼—字形信息庫,供顯示、打印用輸入碼—用戶從鍵盤輸入漢字時使用的編碼第63頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四64國標(biāo)碼與機內(nèi)碼機內(nèi)碼區(qū)位碼漢字在計算機中用機內(nèi)碼存儲機內(nèi)碼采用16進制,區(qū)碼+A0H,或國標(biāo)碼高位+80H位碼+A0H,或國標(biāo)碼低位+80H“啊”的內(nèi)碼B0A1“深”的內(nèi)碼C9EE國標(biāo)碼采用16進制,區(qū)碼+20H位碼+20H“啊”的區(qū)位碼3021“深”的區(qū)位碼496E國標(biāo)碼ASCII01H21HA1H01H21HA1H第64頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四65

以16*16點陣為例,把一個方塊橫向和縱向都分為16格。若用1表示黑點,用0表示白點,則一個16*16的點陣漢字可用256位二進制數(shù)來表示，存儲時占用32B。漢字“寶”的16*16點陣的數(shù)字化信息可用下列一串十六進制數(shù)表示。02H00H01H04H7FHFEH40H04H80H08H00H00H3FHF8H01H00H01H00H1FHF0H01H00H01H40H01H20H01H20H7FHFCH00H00H

所有不同字體、字號的漢字字形碼的集合構(gòu)成漢字庫。第65頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四661.3.1邏輯代數(shù)基礎(chǔ)

2.基本邏輯運算

邏輯代數(shù)的基本運算有與、或、非三種。

下圖給出了三個指示燈的控制電路。在圖(a)電路中，只有當(dāng)兩個開關(guān)同時閉合時，指示燈才會亮；在圖(b)電路中，只要有任何一個開關(guān)閉合，指示燈就亮；而在圖(c)電路中，開關(guān)斷開時燈亮，開關(guān)閉合時燈反而不亮。(a)(b)(c)第66頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四67與運算A∧B=C(A∩B=C,A×B=C,A·B=C)K1K2ABC=A∧B000010100111A∧B真值表67第67頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四68或運算A∨B=C(A∪B=C,A+B=C)ABC=A∨B000011101111A∨B真值表K1K268第68頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四69非運算C=A(C=A)

真值表AC=A011069

第69頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四701.4圖靈機與馮·諾依曼機?計算模型可計算理論起源于對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)問題的研究,從20世紀(jì)30年代開始，為了討論所有問題是否都有求解的算法，數(shù)學(xué)家從不同角度提出了幾種不同的算法精確化定義。例如：

A.Church于1935年提出了λ-轉(zhuǎn)換演算

K.Godel于1936年定義了遞歸函數(shù)

A.Turing于1936年提出了圖靈機；第70頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四71圖靈(Alan.Turing,1912-1954)1936年發(fā)表論文“論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用”,論述一種“圖靈機”,從理論上證明了通用計算機存在的可能性1950年發(fā)表論文“機器能思考嗎”,首次提出檢驗機器智能的“圖靈試驗”,奠定了人工智能的基礎(chǔ)通用圖靈機是現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型┄bb10100010bb┄狀態(tài)q1讀寫頭控制指令第71頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四721.4.1圖靈機 ?圖靈機的特征①圖靈機由一條兩端可無限延長的帶子、一個讀寫頭以及一組控制讀寫頭工作的命令組成。┄bb10100010bb┄狀態(tài)q1讀寫頭控制器

讀寫頭可以沿帶子方向左右移動，并可以在每個方格上進行讀寫。第72頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四73

②寫在帶子上的符號為一個有窮字母表：{S0,S1,S2,¨¨,Sp}

可以認(rèn)為這個有窮字母表僅有S0,S1兩個字符，其中S0可以看作是0，S1看作是1。③機器的控制狀態(tài)為：{q1,q2,¨,qm}。將圖靈機初始狀態(tài)設(shè)為q1,結(jié)束狀態(tài)為qw。一個給定機器的程序認(rèn)為是機器內(nèi)五元組(qiSjSkR(LN)ql)的指令集，它定義了機器在特定狀態(tài)下讀入一個特定字符時所采取的動作。第73頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四74

五元組元素的含義如下：

☆qi表示機器目前所處的狀態(tài)；

☆Sj表示機器從方格中讀入的符號；

☆Sk表示機器用來代替Sj寫入方格的符號

☆R、L、N分別表示右移一格、左移一格、不移動；

☆ql表示下一步機器的狀態(tài)。?圖靈機的工作原理

計算結(jié)果是從機器停止時帶子上的信息得到的。注意避免指令死循環(huán)和二義性。

機器從給定帶子上的某起始點出發(fā)，其動作完全由其初始狀態(tài)及機內(nèi)五元組來決定。第74頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四75

?實例設(shè)b表示空格,q1表示機器的初始狀態(tài),q4表示機器的結(jié)束狀態(tài)，如果帶子上的輸入信息為10100010，讀入頭位對準(zhǔn)最右邊第一個為0的方格，狀態(tài)為q1。按照以下規(guī)則執(zhí)行后，輸出正確的計算結(jié)果。第75頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四76q101Lq2q110Lq3q1bbNq4q200Lq2q211Lq2q2bbNq4q301Lq2q310Lq3q3bbNq4┄bb10100010bb┄q1命令計算是函數(shù)：S(x)=x+1第76頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四77馮?諾依曼(JohnVonNeumann,1903-1957)數(shù)學(xué)家,生于匈牙利,普林斯頓大學(xué)教授是賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電子計算機研制小組的顧問1946年提出EDVAC設(shè)計方案,至今仍被認(rèn)為是現(xiàn)代電腦科學(xué)發(fā)展的里程碑式的文獻(xiàn)EDVAC—ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer五大部件—運算、控制、存儲器、輸入、輸出采用二進制運算計算機依次執(zhí)行指令英國劍橋大學(xué)威爾克斯(M.Wilkes)教授1949年率先研制出“內(nèi)儲程序式”計算機EDSAC(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)1.4.2馮·諾依曼的設(shè)計思想稱這種具有“存儲程序”設(shè)計思想的計算機為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機。第77頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四781.5計算機結(jié)構(gòu)及工作原理計算機的基本組成：硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)——各功能部件的集合，是構(gòu)成計算機的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實實在在的有形實體。（中央處理器、存儲器、I/O設(shè)備）。 軟件系統(tǒng)——各種程序與有關(guān)數(shù)據(jù)的集合。有了軟件，用戶可以不必了解計算機本身就能使用計算機，因此軟件是用戶和計算機的接口。 （系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件）第78頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四79△計算機硬件有五大功能部件：

運算器(ArithmeticLogicUnit，簡稱ALU)

控制器(Controller)

存儲器(Memory)

輸入設(shè)備(InputDevice)

輸出設(shè)備(OutputDevice)中央處理器CentralProcessingUnit,簡稱CPU內(nèi)存儲器外存儲器1.5.1計算機的硬件結(jié)構(gòu)第79頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四80△計算機硬件結(jié)構(gòu)的重要特點：

——總線(Bus)結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)將信號線分成三大類：

數(shù)據(jù)總線（DateBus）

地址總線（AddressBus）

控制總線（ControlBus）

（便于計算機部件的模塊化生產(chǎn)）第80頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四81微型計算機總線化硬件結(jié)構(gòu)第81頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四82

⑴

運算器(ArithmeticLogicUnit--ALU)——

算術(shù)邏輯單元。 進行數(shù)據(jù)運算和處理的部件，包括算術(shù)運算和邏輯運算。運算器的主要技術(shù)指標(biāo)是運算速度，其單位是MIPS(百萬條指令每秒)⑵

控制器(Controller)——

計算機的指令系統(tǒng)。 控制器是計算機的指揮中心，負(fù)責(zé)對指令進行分析、判斷，發(fā)布控制命令。計算機系統(tǒng)的各個部件都是在控制器的控制下協(xié)調(diào)工作的。第82頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四83

⑶

存儲器

(Memory)

計算機的記憶或暫存部件，用來存放大量程序和數(shù)據(jù)?？煞譃閮?nèi)部和外部存儲器兩大類。 內(nèi)存特點：存取速度快、存儲容量小;可與各部件交換數(shù)據(jù)

外存特點：存取速度慢、存儲容量大。只能與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)注：內(nèi)存在斷電后數(shù)據(jù)會丟失，外存則不會。

⑷輸入設(shè)備(InputDevice)

輸入設(shè)備是用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的形式存放的內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、觸摸屏、光筆、磁盤機等。第83頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四84

⑸輸出設(shè)備(OutputDevice)

輸出設(shè)備是用來將處理結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兓颥F(xiàn)場所能接受的形式。

常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀、磁盤機等。

中央處理器(CPU)=運算器+控制器

主機=CPU+內(nèi)部存儲器

外部設(shè)備=輸入設(shè)備+輸出設(shè)備第84頁，共97頁，2023年，2月20日，星期四85工作原理：馮諾依曼