第1章計(jì)算機(jī)概述

第1章

計(jì)算機(jī)概述1問(wèn)題什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)的歷史、發(fā)展、分類、組成計(jì)算機(jī)能做什么？計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、軟件的分類計(jì)算機(jī)怎么做？工作過(guò)程，數(shù)值的表示、存儲(chǔ)、運(yùn)算2本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)的歷史與發(fā)展計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成什么是指令和程序不同進(jìn)制之間數(shù)值轉(zhuǎn)換編碼的不同類型3計(jì)算機(jī)的定義計(jì)算機(jī)是一種可以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、處理、存儲(chǔ)、輸出的電子裝置。計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)可概括為：計(jì)算精度高、處理速度快、存儲(chǔ)容量大、可進(jìn)行邏輯判斷、可靠性高、通用性強(qiáng)。計(jì)算機(jī)4電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程第一代：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946年~20世紀(jì)50年代末）第二代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（20世紀(jì)50年代中期~60年代末）第三代：中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（20世紀(jì)60年代~70年代初期）

第四代：大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（20世紀(jì)70年代初至今）5電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代電子管電子管內(nèi)大多為真空，管內(nèi)一個(gè)金屬絲通過(guò)“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)控制電流是否流經(jīng)電子管6世界上第一臺(tái)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC），誕生于1946年2月14日的美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)

5000次加法/秒體重30噸占地170m218000只電子管1500個(gè)繼電器功率150KWENIAC存在明顯缺點(diǎn)：存儲(chǔ)容量很?。徊捎猛饨泳€路連接的方法設(shè)計(jì)計(jì)算程序。7晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代晶體管晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件可做為電流的開關(guān)，利用電訊號(hào)來(lái)控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，可達(dá)100GHz以上。8第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)

1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)，取名“催迪克”（TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer）集成約800個(gè)晶體管集成超過(guò)10000個(gè)二極管。運(yùn)行速度為1MHz功率小于100瓦晶體管相比電子管的好處：壽命長(zhǎng)耗能小體積小巧可集成度高9中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤，內(nèi)存儲(chǔ)器容量8MB～256MB；運(yùn)算速度1～10億次/秒；軟件有操作系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)等10超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代超大規(guī)模集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤、磁帶、光盤和微處理器，內(nèi)存儲(chǔ)器容量可達(dá)256MB～4096MB；運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到10億次以上/秒；軟件增加專家系統(tǒng)、面向?qū)ο箝_發(fā)工具和支撐環(huán)境等。11電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)巨型化幾萬(wàn)個(gè)或者更多的處理器來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)的并行處理的超高速大型計(jì)算機(jī)。用于天文、氣象、生物工程等領(lǐng)域微型化用于手機(jī)、智能家電及各種民用或者工業(yè)用機(jī)器控制的智能化領(lǐng)域，諸如嵌入式芯片等技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)之間通過(guò)通信線路及專門的外部設(shè)備聯(lián)合在一起，共享計(jì)算資源及數(shù)據(jù)資源。云計(jì)算概念的興起。智能化使用計(jì)算機(jī)模擬人類的思維活動(dòng)，使計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)大的邏輯思維和推理學(xué)習(xí)能力。12計(jì)算機(jī)的分類依據(jù)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、外部設(shè)備、輸入和輸出能力等主要技術(shù)指標(biāo)，大體可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)、工作站和服務(wù)器等幾類。

13巨型計(jì)算機(jī)巨型計(jì)算機(jī)也稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，其主要特征是采用大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)，由幾十上百萬(wàn)顆處理器構(gòu)成圖中這款Sequoia超級(jí)計(jì)算機(jī)，由IBM建造，使用了超過(guò)157萬(wàn)顆計(jì)算內(nèi)核，其運(yùn)行速度達(dá)到了每秒16.32千萬(wàn)億次14大型計(jì)算機(jī)大型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量次于巨型機(jī)，并具有較大的存儲(chǔ)容量以及較好的通用性。用于銀行、鐵路等大型應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)使用處理器一般是幾十到上百個(gè)。支持的內(nèi)存由幾百GB到上千GB支持幾十路網(wǎng)絡(luò)耦合15小型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量都低于大/中型計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)架構(gòu)既含有大型機(jī)的并行架構(gòu)技術(shù)又有微型機(jī)的緊湊架構(gòu)技術(shù)處理器、內(nèi)存容量、磁盤空間與微型計(jì)算機(jī)相似，但仍然采用了部分大型機(jī)的并行處理架構(gòu)及處理器指令集。16微型計(jì)算機(jī)又稱個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）以運(yùn)算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器，輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線構(gòu)成的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低，但又具有一定功能的計(jì)算機(jī)。17工作站基于微型計(jì)算機(jī)的架構(gòu)但將某些能力設(shè)計(jì)增強(qiáng)的一類計(jì)算機(jī)。一般配有大容量的主存，具有高速的運(yùn)算能力和很強(qiáng)的圖形處理能力。18服務(wù)器

高性能計(jì)算機(jī)，用于網(wǎng)絡(luò)管理、運(yùn)行應(yīng)用程序、處理網(wǎng)絡(luò)工作站成員的信息請(qǐng)求等。分為文件服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等。

服務(wù)器機(jī)19計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算解決科學(xué)和研究及工程中不可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)代價(jià)太大的問(wèn)題。數(shù)據(jù)處理對(duì)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)以及社會(huì)科學(xué)研究中的大量數(shù)字或非數(shù)字信息進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換、分類、統(tǒng)計(jì)、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)取＿^(guò)程控制對(duì)生產(chǎn)生活中的各種自動(dòng)裝置、儀表、傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集或分析，。20計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將地理位置不同且具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通信設(shè)備和線路連接起來(lái)，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。多媒體將文字、圖像、動(dòng)畫、視頻、音樂(lè)、音效等數(shù)字資源通過(guò)編程方法整合在一個(gè)交互式的整體中，以圖文并茂、生動(dòng)活潑的動(dòng)態(tài)形式表現(xiàn)。21人工智能研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計(jì)可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計(jì)算系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真以計(jì)算機(jī)和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行模擬科學(xué)試驗(yàn)研究。22計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）等。CAD是以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱。CAM用計(jì)算機(jī)代替人控制和操作設(shè)備（如車床）進(jìn)行生產(chǎn)或加工產(chǎn)品（如零件）。CAI是借助課件系統(tǒng)完成教學(xué)的方法。課件系統(tǒng)是一種教學(xué)輔助軟件。23計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本組成部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。程序和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，并按照存儲(chǔ)器地址訪問(wèn)。程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)表示。24計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)外存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器應(yīng)用軟件內(nèi)存儲(chǔ)器輸出設(shè)備主機(jī)外設(shè)中央處理器(cpu)ROMRAM系統(tǒng)軟件輸入設(shè)備硬磁盤軟磁盤光盤鍵盤鼠標(biāo)顯示器打印機(jī)繪圖儀操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序編輯程序連接程序調(diào)試程序、故障檢查程序監(jiān)控程序、診斷程序各種軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序匯編程序編譯程序解釋程序掃描儀運(yùn)算器硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)外存儲(chǔ)器控制器應(yīng)用軟件內(nèi)存儲(chǔ)器輸出設(shè)備主機(jī)外設(shè)中央處理器(cpu)ROMRAM系統(tǒng)軟件輸入設(shè)備硬磁盤軟磁盤光盤鍵盤鼠標(biāo)顯示器打印機(jī)繪圖儀操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序編輯程序連接程序調(diào)試程序、故障檢查程序監(jiān)控程序、診斷程序各種軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序匯編程序編譯程序解釋程序掃描儀運(yùn)算器25計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置，是一些實(shí)實(shí)在在的，看得見、摸得著的有形實(shí)體。硬件由5大部件，即運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。26運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元，簡(jiǎn)稱ALU，是計(jì)算機(jī)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的部件。數(shù)據(jù)運(yùn)算包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破骺刂破魍ㄟ^(guò)地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器，逐條讀取選中單元的指令，分析指令，根據(jù)指令產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)作用于其他各個(gè)部件，控制其他部件完成指令要求的操作。運(yùn)算器和控制器27存儲(chǔ)器指令和地址指令是能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制編碼地址是存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的編號(hào)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，程序中的指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制代碼形式存儲(chǔ)。存儲(chǔ)器的基本功能就是存儲(chǔ)二進(jìn)制形式的各種信息。存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。28內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）內(nèi)存包含隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。半導(dǎo)體材料訪問(wèn)速度快數(shù)據(jù)是暫時(shí)性存儲(chǔ)價(jià)格高輔助存儲(chǔ)器（外存）外部長(zhǎng)久存儲(chǔ)區(qū)域。輔助存儲(chǔ)器有磁盤、光盤以及U盤等。光、磁材料訪問(wèn)速度慢數(shù)據(jù)永久性價(jià)格低29輸入輸出設(shè)備輸入輸出（I/O）系統(tǒng)的主要功能是對(duì)指定外部設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作。輸入設(shè)備向主機(jī)輸入程序、原始數(shù)據(jù)和操作命令等信息的設(shè)備，常用輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、繪圖板等。30輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理后的信息轉(zhuǎn)換成人們能識(shí)別的形式。常用輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。31計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件是運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)所編制的各種程序和文檔的總和。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件32系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)督和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源的軟件。

管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，指揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)協(xié)調(diào)地運(yùn)行，高效率地工作，是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。?操作系統(tǒng)(OS)操作系統(tǒng)其他軟件DOS硬件33

通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言可以編寫程序，控制計(jì)算機(jī)完成預(yù)定任務(wù)。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言分為機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。如C語(yǔ)言、VB和VC等。?程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言?數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

管理數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件，主要面向解決數(shù)據(jù)處理的非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題。34應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶為了解決某些特定具體問(wèn)題而開發(fā)的各種程序。35計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)字長(zhǎng)字長(zhǎng)是指CPU能夠同時(shí)處理的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù).運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度（平均運(yùn)算速度）是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)。一般用百萬(wàn)次/秒（MIPS）來(lái)描述。時(shí)鐘頻率（主頻）時(shí)鐘頻率是指CPU在單位時(shí)間（秒）內(nèi)能完成的工作周期數(shù)。通常，時(shí)鐘頻率以兆赫（MHz）為單位。36內(nèi)存容量?jī)?nèi)存一般以KB或MB為單位。內(nèi)存容量反映了內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。外存容量外存容量指外部存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，一般以硬盤容量為參照標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代主流PC機(jī)的硬盤容量一般以GB或TB為單位。37計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程，程序的每一個(gè)操作步驟都是告訴計(jì)算機(jī)“做什么”和“如何做”的命令。指令和程序指令是讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)具體操作所發(fā)出的命令。一般以二進(jìn)制代碼的形式表達(dá)。指令一般由操作碼和操作數(shù)兩部分組成38程序則是大量指令的集合。所有指令集合稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。操作碼操作數(shù)指令要完成的操作功能及其特性。操作對(duì)象或其所在的內(nèi)存單元地址。10111000

00001000

00000000；將8存入累加器A中00000101

00000111

00000000；7與A中內(nèi)容相加,存于A如，計(jì)算A=8+7操作碼和操作數(shù)Int

x,y,z；Scanf(“%d%d”,&x,&y);If(x>y)z=x；Elsez=y；39執(zhí)行指令兩個(gè)階段：?取指周期?執(zhí)行周期從內(nèi)存中取出要執(zhí)行的指令送入CPU。

由CPU對(duì)指令進(jìn)行分析譯碼，判斷指令要完成的操作，向各部件發(fā)出控制信號(hào)，完成指令。兩種信息流：?數(shù)據(jù)流?控制流

指原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)和源程序等。

由控制器對(duì)指令進(jìn)行分析、解釋后向各部件發(fā)出的控制命令（信號(hào)）。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程40數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示進(jìn)位計(jì)數(shù)制計(jì)數(shù)制，是指用一組固定的數(shù)字符號(hào)和統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)表示數(shù)值的方法。按進(jìn)位的原則進(jìn)行的計(jì)數(shù)方法稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。數(shù)制的表示主要包括三個(gè)基本要素：數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)。位權(quán)是按所采用的基數(shù)和對(duì)應(yīng)數(shù)位來(lái)表示一個(gè)固定數(shù)?；鶖?shù)是指在某種進(jìn)位計(jì)數(shù)制中所使用的數(shù)碼個(gè)數(shù)。位權(quán)數(shù)碼基數(shù)41任意R進(jìn)制計(jì)數(shù)制同樣有基數(shù)R、位權(quán)Ri和按權(quán)展開的表達(dá)式。R可以是任意正整數(shù)。

用基數(shù)R的i次冪Ri表示。數(shù)碼基數(shù)位權(quán)一個(gè)計(jì)數(shù)制所采用基本符號(hào)的個(gè)數(shù)。=

an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+……+a1×R1+a0+a-1×R-1+a-2×R-2+……+a-m×R-m數(shù)值的按權(quán)展開

:(an-1an-2……a1a0.a-1a-2……a-m)按權(quán)展開表達(dá)式42常用進(jìn)制數(shù)的表示進(jìn)位制二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制規(guī)則逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十進(jìn)一逢十六進(jìn)一基數(shù)r=2 r=8r=10r=16數(shù)符0，10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位權(quán)2i8i10i16i表示符號(hào)BODH43數(shù)制的轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)中，常使用的是二進(jìn)制二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)方法：按權(quán)展開求和。例如：（110.101）B=1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=（6.625）D（73.56）O=7×81+3×80+5×8-1+6×8-2=（59.71875）D（2B.3C）H=2×161+11×160+3×16-1+12×16-2=（43.234375）D44十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)方法：整數(shù)部分采取“除2取余法”，從下往上?。恍?shù)部分采取“乘2取整法”，從上往下取。例如：將十進(jìn)制數(shù)358.375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。因?yàn)椋?58）D=（101100110）B

（0.375）D=（0.011）B 所以將整數(shù)和小數(shù)合并在一起，（358.375）D=（101100110.011）B45具體步驟如下：整數(shù)部分轉(zhuǎn)換：小數(shù)部分轉(zhuǎn)換：余數(shù)

整數(shù)部分

23580

0.37521791

×2

2891

0.75002440×2

22201.5001

2111×2

25111220

11（取１后乘２）46計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的概念在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，各種信息采用二進(jìn)制編碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)中信息常用的單位有位、字節(jié)和字。位（bit）：又稱“比特”，一個(gè)二進(jìn)制位即為一個(gè)“比特”，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的最小單位。一個(gè)二進(jìn)制位只能表示”1”或“0”。47字節(jié)（Byte）：簡(jiǎn)稱為B，是計(jì)算機(jī)