計(jì)算機(jī)導(dǎo)論教學(xué)課件整本書電子教案全套教學(xué)教程電子教案

第1章緒論

19九月20242主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.3計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)1.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和分類1.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.6計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)19九月20243本章知識(shí)結(jié)構(gòu)：19九月20244學(xué)習(xí)目標(biāo):了解計(jì)算機(jī)發(fā)展過程和發(fā)展趨勢；了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的體系和方法論；掌握計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)；理解計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與分類。

1.1緒論1.1.1圖靈機(jī)模型1.1.2第一臺(tái)計(jì)算機(jī)1.1.3馮·諾依曼機(jī)模式19九月202461.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生推動(dòng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的最重要原因是人類社會(huì)的需求。隨著現(xiàn)代社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對新型的計(jì)算工具提出了更為強(qiáng)烈的需求。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史中，圖靈機(jī)模型、第一臺(tái)計(jì)算機(jī)和馮·諾依曼機(jī)模式是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生過程中重要的三個(gè)事件。19九月202471.1.1圖靈機(jī)模型

1936年，英國劍橋大學(xué)著名數(shù)學(xué)家圖靈在研究解決數(shù)學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)理論問題時(shí)，發(fā)表了著名的“理想計(jì)算機(jī)”的論文。在該文中提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型。這種理論機(jī)器被稱為圖靈機(jī)。圖靈分析和證明了這種圖靈機(jī)可達(dá)到的功能。在理論上，圖靈機(jī)的功能和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能基本類似。在隨后的幾十年時(shí)間里，圖靈機(jī)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、電子工程師研制實(shí)際計(jì)算機(jī)時(shí)，視其為在功能方面要達(dá)到的目標(biāo)。另外，圖靈在分析和證明圖靈機(jī)功能時(shí)所使用的形式化證明方法，也為計(jì)算機(jī)科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。19九月202481.1.2第一臺(tái)計(jì)算機(jī)1946年2月，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，即“電子數(shù)字積分式計(jì)算機(jī)”，在美國賓西法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院研制成功。ENIAC是二次大戰(zhàn)時(shí)應(yīng)美國軍方快速計(jì)算導(dǎo)彈彈道的需求研制的，但它正式完工時(shí)已是1945年年底。ENIAC主要由電子管和繼電器組成，計(jì)算速度為5千次秒，這樣的計(jì)算速度比當(dāng)時(shí)的計(jì)算工具有了很大的提高。在此以前，對新的計(jì)算工具研制的主流是機(jī)械式實(shí)現(xiàn)方法，ENIAC的出現(xiàn)，引導(dǎo)眾多科學(xué)家和工程師把自己的注意力重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了電子實(shí)現(xiàn)方法，這為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。19九月202491.1.3馮·諾依曼機(jī)模式

馮·諾依曼出生于匈牙利，以后移居美國，成為普林斯特大學(xué)的數(shù)學(xué)教授。在J·普雷斯泊·埃克特與約翰·馮。諾依曼的一次偶然會(huì)面中，他們討論了ENIAC的工作原理和操作中的問題。馮·諾依曼經(jīng)過認(rèn)真思考，提出了一個(gè)全新的電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案。這個(gè)方案的核心是存儲(chǔ)程序方法。并且，馮·諾依曼和賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院合作，于1952年按照這種方案設(shè)計(jì)完成了取名為EDVAC(電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)的英文縮寫)的電子計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼提出的存儲(chǔ)程序方法，就是設(shè)計(jì)一個(gè)包括存儲(chǔ)部件和處理部件的機(jī)器，程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)部件中，處理部件按照存儲(chǔ)的程序有序地執(zhí)行。存儲(chǔ)程序方法是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是采用存儲(chǔ)程序方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的。通常把采用0、1符號編碼方法和存儲(chǔ)程序方法設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。把具有馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特征簡稱為馮·諾依曼機(jī)特征。19九月2024101.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.2.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡史1.2.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢19九月2024111.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史是一面鏡子，學(xué)習(xí)它，將給你新的啟迪。通過計(jì)算機(jī)發(fā)展史的學(xué)習(xí)，可以了解到計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大生命力，以及人類對其寄予的厚望。

19九月2024121.2.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史從第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生至今已有六十多年歷史，發(fā)展速度是突飛猛進(jìn)，給人類社會(huì)帶來巨大的變化。計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了4代發(fā)展歷程，每一代計(jì)算機(jī)的變革在技術(shù)上都是一次新的突破，在性能上都是一次質(zhì)的飛躍。根據(jù)制造電子計(jì)算機(jī)采用的物理器件的不同，可以將計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程分成如下幾個(gè)階段。19九月2024131．第一代計(jì)算機(jī)(1946年一1957年)

第一代計(jì)算機(jī)的硬件主要采用電子管，一個(gè)電子管的體積和成人一個(gè)指頭的體積近似，而一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要許多許多的電子管，所以這時(shí)的計(jì)算機(jī)體積非常龐大、價(jià)格也很高，運(yùn)算速度每秒僅幾千次。使用機(jī)器語言與符號語言編制程序。計(jì)算機(jī)只能在少數(shù)尖端領(lǐng)域中應(yīng)用，主要用于軍事和科學(xué)計(jì)算。雖然第一代計(jì)算機(jī)與今天的計(jì)算機(jī)無法相比，但是它的誕生奠定了計(jì)算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，對以后計(jì)算機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。19九月2024142．第二代計(jì)算機(jī)(1958年一1964年)

第二代計(jì)算機(jī)的硬件主要采用晶體管，外設(shè)采用磁盤、磁帶，運(yùn)算速度每秒幾十萬次。晶體管的體積較電子管的體積小，因此，晶體管計(jì)算機(jī)的體積較電子管計(jì)算機(jī)的體積小了很多。體積的縮小及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶來了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，存儲(chǔ)容量的增大，功耗的降低以及可靠性的提高。晶體管是用半導(dǎo)體材料制造的，半導(dǎo)體材料便于控制并且功耗很低，集成度的提高有很大的發(fā)展空間，因此，這一時(shí)代為未來計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展鋪平了道路。在軟件方面提出了操作系統(tǒng)的概念，開始使用FORTRAN,COBOL,ALGOL等高級程序語言，第二代計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。19九月2024153．第三代計(jì)算機(jī)(1965年一1971年)

第三代計(jì)算機(jī)的硬件主要采用中、小規(guī)模集成電路，用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替了磁心存儲(chǔ)器。運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾十萬次到幾百萬次。集成電路是把若干個(gè)元件集成在一個(gè)指關(guān)節(jié)大小的半導(dǎo)體基片上，并進(jìn)行封裝，具有一定功能的電子電路。開始時(shí)，集成電路的集成度比較低，稱為小規(guī)模集成電路。隨后集成電路的集成度提高了很多，稱為中規(guī)模集成電路。在這個(gè)時(shí)期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件也有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和會(huì)話式語言以及結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法。計(jì)算機(jī)向標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和通用化方向發(fā)展，并開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。19九月2024164．第四代計(jì)算機(jī)(1972年至今)

第四代計(jì)算機(jī)的硬件主要采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。單就集成度來說，這一時(shí)代和第3代相比，除集成度進(jìn)一步提高外，沒有太大的差別。但是，由于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以把整個(gè)處理器制造在一個(gè)指關(guān)節(jié)大小的芯片上，因此計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)成方式有了很大的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的各種性能都得到了大幅度的提高，運(yùn)算速度從每秒幾百萬次到億萬次以上。操作系統(tǒng)不斷完善，計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，層出不窮，計(jì)算機(jī)不斷進(jìn)人人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。微型機(jī)的產(chǎn)生為計(jì)算機(jī)的普及奠定了基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)人了以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的時(shí)代。

19九月2024171.2.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢計(jì)算機(jī)的應(yīng)用有力地推動(dòng)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)也對計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了更高的要求，從而促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，未來的計(jì)算機(jī)將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。19九月2024181.3計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)評價(jià)計(jì)算機(jī)性能主要有下述基本技術(shù)指標(biāo)。1.3.1主頻主頻是計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)之一，主頻決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，主頻的單位是兆赫茲（MHZ），例如Intel8086為非5MHZ，80286為8MHZ，奔騰（Pentium）芯片已達(dá)到GHZ。19九月2024191.3.2字長字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)。字長標(biāo)志著計(jì)算的精度，微型計(jì)算機(jī)的字長有8位、16位、32位等，Pentium芯片已達(dá)64位。運(yùn)算精度與字長有關(guān)。字長越長，精度越高，當(dāng)k位十進(jìn)制數(shù)與k位二進(jìn)制數(shù)相比較時(shí)，有如下關(guān)系：10k=2c兩邊取對數(shù)后，有下式：

C/K=ln10/ln2=3.3上式說明要保持k位十進(jìn)制數(shù)的精度，至少要3.3倍c位二進(jìn)制數(shù)位數(shù)。

19九月2024201.3計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)1.3.3存儲(chǔ)容量以字為單位的計(jì)算機(jī)可用字?jǐn)?shù)乘以字長來表示存儲(chǔ)容量，例如4096ⅹ16表示有4096個(gè)單元，每個(gè)單元字長為16位。1.3.4運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)對執(zhí)行不同的操作所需的時(shí)間可能不同，因而計(jì)算速度存在不同的計(jì)算方法。現(xiàn)在通常采用下述兩種方法：①指明加減、乘、除各需要多少時(shí)間；②給出每秒執(zhí)行的機(jī)器指令條數(shù)。19九月2024211.3計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)1.3.5外圍設(shè)備配置允許配置外圍設(shè)備的最大數(shù)量和輸入輸出處理能力等。

1.3.6指令系統(tǒng)的功能計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大與否，也是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)。此外，系統(tǒng)軟件的配置情況、診斷能力和容錯(cuò)能力等也是衡量計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)。

19九月2024221.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和分類1.4.1計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1.4.2計(jì)算機(jī)的分類19九月2024231.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和分類雖然計(jì)算機(jī)種類繁多，而且不同類型的計(jì)算機(jī)的功能和性能不同。但各種類型的計(jì)算機(jī)具有相同的特點(diǎn)，下面將介紹計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)和分類。1.4.1計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

19九月2024241．運(yùn)算速度快

運(yùn)算速度是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度通常用每秒鐘執(zhí)行定點(diǎn)加法的次數(shù)或平均每秒鐘執(zhí)行指令的條數(shù)來衡量。運(yùn)算速度快是計(jì)算機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已由早期的每秒幾千次（如ENIAC機(jī)每秒鐘僅可完成5000次定點(diǎn)加法）發(fā)展到現(xiàn)在的最高可達(dá)每秒幾千億次乃至萬億次。計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算的能力極大地提高了工作效率，把人們從浩繁的腦力勞動(dòng)中解放出來。過去用人工曠日持久才能完成的計(jì)算，而計(jì)算機(jī)在瞬間即可完成。對于許多數(shù)學(xué)問題，由于計(jì)算量太大，數(shù)學(xué)家們終其畢生也無法完成，使用計(jì)算機(jī)則可輕易地解決。19九月2024252．計(jì)算精度高

在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中，對計(jì)算的結(jié)果精度有很高的要求。一般的計(jì)算工具只能達(dá)到幾位有效數(shù)字（如過去常用的四位數(shù)學(xué)用表、八位數(shù)學(xué)用表等），而計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)的結(jié)果精度可達(dá)到十幾位、幾十位有效數(shù)字，根據(jù)需要甚至可達(dá)到任意的精度。19九月2024263．存儲(chǔ)容量大計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，目前計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量越來越大，已高達(dá)千兆數(shù)量級的容量。這是與傳統(tǒng)計(jì)算工具的一個(gè)重要區(qū)別。4．具有邏輯判斷功能

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器除了能夠完成基本的算術(shù)運(yùn)算外，還具有進(jìn)行比較、判斷等邏輯運(yùn)算的功能。這種能力是計(jì)算機(jī)處理邏輯推理問題的前提。5．自動(dòng)化程度高，通用性強(qiáng)

由于計(jì)算機(jī)的工作方式是將程序和數(shù)據(jù)先存放在機(jī)內(nèi)，工作時(shí)按程序規(guī)定的操作，一步一步地自動(dòng)完成，一般無須人工干預(yù)，因而自動(dòng)化程度高。計(jì)算機(jī)通用性的特點(diǎn)能能求解科學(xué)中各種類型的問題，并廣泛地應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域。19九月2024271.4.2計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的種類很多，分類如下。

1．基于信息的形式和處理方式的分類（1）數(shù)字計(jì)算機(jī)，是通過電信號的有無來表示數(shù)，并利用算術(shù)和邏輯運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算的。它具有運(yùn)算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此適合于科學(xué)計(jì)算、信息處理、實(shí)時(shí)控制和人工智能等應(yīng)用。目前我們所用的計(jì)算機(jī)，一般都是數(shù)字計(jì)算機(jī)。（2）模擬計(jì)算機(jī)，是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，適合于解高階的微分方程。在模擬計(jì)算和控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但通用性不強(qiáng)，信息不易存儲(chǔ)，且計(jì)算機(jī)的精度受到了設(shè)備的限制。因此，不如數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普遍。19九月2024281.4.2計(jì)算機(jī)的分類2．基于用途的分類（1）專用計(jì)算機(jī)，它是為了解決一些專門的問題而設(shè)計(jì)制造的。因此，它可以增強(qiáng)某些特定的功能，而忽略一些次要功能，使得專用計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地，模擬計(jì)算機(jī)通常都是專用計(jì)算機(jī)。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計(jì)算機(jī)。（2）通用計(jì)算機(jī)，具有功能多、配置全、用途廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，我們通常所說的就是指通用計(jì)算機(jī)。19九月2024291.4.2計(jì)算機(jī)的分類3．按照計(jì)算機(jī)規(guī)模，并參考其運(yùn)算速度、輸入輸出能力、存儲(chǔ)能力等因素劃分，通常將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等幾類。（1）巨型機(jī)巨型機(jī)運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，主要用于尖端科學(xué)研究領(lǐng)域，如：核武器、反導(dǎo)彈武器、空間技術(shù)、大范圍天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等領(lǐng)域。巨型機(jī)從技術(shù)上朝兩個(gè)方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時(shí)鐘周期，提高單機(jī)性能。目前巨型機(jī)的時(shí)鐘周期大約在2ns~7ns。另一方面是采用多處理器結(jié)構(gòu)，提高整機(jī)性能，如CRAY-4就采用了64個(gè)處理器。研制巨型機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、尤其是國防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。很多國家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志。19九月2024301.4.2計(jì)算機(jī)的分類（2）大型機(jī)大型機(jī)規(guī)模次于巨型機(jī)，有比較完善的指令系統(tǒng)和豐富的外部設(shè)備，其特點(diǎn)表現(xiàn)在通用性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型計(jì)算中心中，如：公司、銀行、政府部門、社會(huì)管理機(jī)構(gòu)和制造廠家等，如IBM4300機(jī)等。在信息化社會(huì)里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題，而這正是大型機(jī)的特長。未來將賦予大型機(jī)更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應(yīng)用領(lǐng)域，如大型事務(wù)處理、企業(yè)內(nèi)部的信息管理與安全保護(hù)、大型科學(xué)與工程計(jì)算等。19九月2024311.4.2計(jì)算機(jī)的分類（3）小型機(jī)小型機(jī)規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)試制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)工藝。這類機(jī)器由于可靠性高，對運(yùn)行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護(hù)，用戶使用機(jī)器不必經(jīng)過長期的專門訓(xùn)練。因此小型機(jī)對廣大用戶具有吸引力，加速了計(jì)算機(jī)的推廣普及。小型機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動(dòng)控制、大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算等，也用作大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助機(jī)，并廣泛運(yùn)用于企業(yè)管理以及大學(xué)和研究所的科學(xué)計(jì)算等。19九月2024321.4.2計(jì)算機(jī)的分類（4）微型機(jī)微型機(jī)采用微處理器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和輸入輸出接口等芯片組成，使得它較之小型機(jī)體積更小、價(jià)格更低、靈活性更好，可靠性更高，使用更加方便。目前許多微型機(jī)的性能已超過以前的大中型機(jī)。1971年，美國的Intel公司成功地在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上第一片4位微處理器MPU（microprocessingunit），也稱Intel4004，并由它組成了第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)MCS-4，由此揭開了微型計(jì)算機(jī)大普及的序幕。隨后，許多公司，如Motorola、Zilog等也爭相研制微處理器，相繼推出了8位、16位、32位微處理器。芯片內(nèi)的主頻和集成度也在不斷提高，芯片的集成度幾乎每18個(gè)月就提高一倍，而由它們構(gòu)成的微型機(jī)在功能上也不斷完善。19九月2024331.4.2計(jì)算機(jī)的分類美國IBM公司采用Intel微處理器芯片，自1981年推出IBMPC（personalcomputer）微型個(gè)人機(jī)后，又推出IBMPCXT、IBMPC286、386等一系列微型計(jì)算機(jī)，由于其功能齊全、軟件豐富、價(jià)格便宜，很快占據(jù)了微型計(jì)算機(jī)市場的主導(dǎo)地位。目前，在微機(jī)領(lǐng)域，IBM已不再獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，許多國內(nèi)外廠商都生產(chǎn)各種兼容的采用PentiumIII、K7等先進(jìn)CPU的個(gè)人計(jì)算機(jī)。19九月2024341.4.2計(jì)算機(jī)的分類（5）網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NC，networkcomputer）當(dāng)計(jì)算機(jī)最初用于信息管理時(shí)，信息的存儲(chǔ)和管理是分散的。這種方式的弱點(diǎn)是數(shù)據(jù)的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫為標(biāo)志的一代信息管理技術(shù)發(fā)展起來，同時(shí)以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20世紀(jì)80年代PC機(jī)的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及更加劇了這一變化。數(shù)據(jù)庫技術(shù)也相當(dāng)延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫，客戶機(jī)—服務(wù)器的應(yīng)用模式也應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)然，這不是面向分散處理的簡單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著Internet的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全、軟件維護(hù)與更新、多媒體應(yīng)用等迫使計(jì)算機(jī)工作者再次權(quán)衡集中與分散的問題，如是否可以把需要共享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對集中地存放，把經(jīng)常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶端的功能僅限于用戶界面與通信功能等問題，這就導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。19九月2024351.4.2計(jì)算機(jī)的分類從NC的角度來看，可以把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看成是一個(gè)巨大的磁盤驅(qū)動(dòng)器，而NC可以通過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上下載大多數(shù)乃至全部應(yīng)用軟件。這就表明PC的使用者，從此可以不再為PC機(jī)的軟硬件配置和文件的保存煞費(fèi)苦心。由于應(yīng)用軟件和文件都是存儲(chǔ)在服務(wù)器而不是各自的PC機(jī)上，因此無論是數(shù)據(jù)還是應(yīng)用軟件，用戶總能獲得最新的版本。19九月2024364．基于工作模式分類（1）服務(wù)器服務(wù)器是一種可供網(wǎng)絡(luò)用戶共享的高性能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器一般具有大容量的存儲(chǔ)設(shè)備和豐富的外部設(shè)備，其上運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，要求較高的運(yùn)行速度，因此，很多服務(wù)器都配置了雙CPU，服務(wù)器上的資源可供網(wǎng)絡(luò)用戶共享。19九月2024371.4.2計(jì)算機(jī)的分類（2）工作站工作站是一種高檔的微機(jī)系統(tǒng)。它具有較高的運(yùn)算速度，既具有大、中、小型機(jī)的多任務(wù)、多用戶能力，又兼具微型機(jī)的操作便利和良好的人機(jī)界面。它可連接多種輸入、輸出設(shè)備，其最突出的特點(diǎn)是圖形性能優(yōu)越，具有很強(qiáng)的圖形交互處理能力，因此在工程領(lǐng)域、特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，可以說，工作站是專為工程師設(shè)計(jì)的機(jī)型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網(wǎng)絡(luò)接口，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即公開計(jì)算機(jī)的軟、硬件接口，并遵守國際工業(yè)界流行標(biāo)準(zhǔn)，以鼓勵(lì)其他廠商、用戶圍繞工作站開發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。目前，多媒體等各種新技術(shù)已普遍集成到工作站中，其應(yīng)用領(lǐng)域也已從最初的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)擴(kuò)展到商業(yè)、金融、辦公領(lǐng)域，并可作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。19九月2024381.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域19九月2024391.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)用途廣泛,歸納起來有以下幾個(gè)方面。

19九月2024401.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.5.1數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算即科學(xué)計(jì)算，是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理科學(xué)研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學(xué)計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,如衛(wèi)星運(yùn)行軌跡,水壩應(yīng)力,氣象預(yù)報(bào),油田布局,潮汐規(guī)律等等,可為問題求解帶來質(zhì)的進(jìn)展,使需要幾百名專家?guī)字?、幾月甚至幾年才能完成的?jì)算,只要幾分鐘就可得到正確結(jié)果。1.5.2信息處理

信息處理是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分類、選擇、存儲(chǔ)、制表、檢索、輸出等的加工過程。信息處理是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方面,涉及的范圍和內(nèi)容十分廣泛。如自動(dòng)閱卷、圖書檢索、財(cái)務(wù)管理、生產(chǎn)管理、醫(yī)療診斷、編輯排版、情報(bào)分析等等。19九月2024411.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.5.3實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制是指及時(shí)搜集檢測數(shù)據(jù),按最佳值對事物進(jìn)程的調(diào)節(jié)控制,如工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,既可提高自動(dòng)化水平,保證產(chǎn)品質(zhì)量,也可降低成本,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。1.5.4輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作自動(dòng)化提供了廣闊的前景。利用計(jì)算機(jī)的制圖功能,實(shí)現(xiàn)各種工程的設(shè)計(jì)工作,稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。即CAD。如橋梁設(shè)計(jì)、船舶設(shè)計(jì)、飛機(jī)設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)等等。當(dāng)前,人們已經(jīng)把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造(CAM)和輔助測試(CAT)聯(lián)系在一起,組成了設(shè)計(jì)、制造、測試的集成系統(tǒng),形成了高度自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。19九月2024421.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.5.5智能模擬智能模擬亦稱人工智能。利用計(jì)算機(jī)模擬人類智力活動(dòng),以替代人類部分腦力勞動(dòng),這是一個(gè)很有發(fā)展前途的學(xué)科方向。第五代計(jì)算機(jī)的開發(fā),將成為智能模擬研究成果的集中體現(xiàn)。具有一定學(xué)習(xí)、推理和聯(lián)想能力的機(jī)器人的不斷出現(xiàn),正是智能模擬研究工作取得進(jìn)展的標(biāo)志。智能計(jì)算機(jī)作為人類智能的輔助工具,將被越來越多地應(yīng)用到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。19九月2024431.6計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科1.6.1當(dāng)前計(jì)算機(jī)學(xué)科特點(diǎn)1.6.2學(xué)科體系1.6.3方法論19九月2024441.6計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科簡稱為計(jì)算機(jī)學(xué)科。計(jì)算機(jī)學(xué)科是對描述和變換信號的算法過程，包括對其理論、分析、設(shè)計(jì)、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等進(jìn)行的系統(tǒng)研究。19九月2024451.6.1當(dāng)前計(jì)算機(jī)學(xué)科特點(diǎn)計(jì)算機(jī)學(xué)科呈現(xiàn)學(xué)科內(nèi)涵寬泛化、分支相對獨(dú)立化、社會(huì)需求多樣化、專業(yè)規(guī)模巨大化和計(jì)算教育大眾化的特點(diǎn)。19九月2024461.6.1當(dāng)前計(jì)算機(jī)學(xué)科特點(diǎn)(1)內(nèi)涵寬泛化當(dāng)今社會(huì)趨向于信息化，計(jì)算機(jī)專業(yè)顯現(xiàn)動(dòng)態(tài)和泛化的特性。動(dòng)態(tài)是指知識(shí)體膨脹快，內(nèi)容更新快。泛化是大眾化。(2)分支相對獨(dú)立化計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)分解為更多的、更具體的分支。教育部本科招生目錄中的與計(jì)算機(jī)相關(guān)的專業(yè)有：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、計(jì)算機(jī)軟件、網(wǎng)絡(luò)工程、信息安全、電子商務(wù)、信息與計(jì)算科學(xué)、智能科學(xué)與技術(shù)等。(3)社會(huì)需求多樣化對計(jì)算機(jī)專業(yè)本科人才需求與信息化的目標(biāo)和進(jìn)程密切相關(guān)，學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用的寬泛化導(dǎo)致人才需求的多樣化，計(jì)算機(jī)市場很大程度上決定了計(jì)算機(jī)人才的層次結(jié)構(gòu)、就業(yè)去向、能力與素質(zhì)等方面的具體要求。19九月2024471.6.1當(dāng)前計(jì)算機(jī)學(xué)科特點(diǎn)(4)專業(yè)規(guī)模巨大化計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是信息化的核心技術(shù)，信息化建設(shè)需要大量人才，計(jì)算機(jī)專業(yè)是規(guī)模最大的專業(yè)，高校專業(yè)點(diǎn)最多時(shí)為771個(gè)；學(xué)生人數(shù)最多達(dá)44萬；計(jì)算機(jī)專業(yè)是情況最復(fù)雜的專業(yè)；學(xué)科涵蓋面和應(yīng)用面寬、應(yīng)用層次跨度大；辦學(xué)條件差異大；學(xué)生跨度最大。(5)計(jì)算機(jī)教育大眾化計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、存儲(chǔ)、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)側(cè)重研究對象、揭示規(guī)律，計(jì)算機(jī)技術(shù)側(cè)重于研制計(jì)算機(jī)和研究使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法與技術(shù)手段。科學(xué)是從特殊到一般的歸納過程，而技術(shù)是從一般到特殊的演繹過程?？茖W(xué)是技術(shù)的依據(jù)，技術(shù)是科學(xué)的體現(xiàn)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)具有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐結(jié)合的特征。19九月2024481.6.2學(xué)科體系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)等學(xué)科分支。1．計(jì)算機(jī)科學(xué)科學(xué)具有規(guī)律性，計(jì)算機(jī)科學(xué)尋找是什么能夠被有效地自動(dòng)計(jì)算。從國家根本利益出發(fā)，計(jì)算機(jī)科學(xué)培養(yǎng)從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論與核心技術(shù)的研究的科學(xué)型人才。主要的知識(shí)領(lǐng)域包括14個(gè)，簡述如下。19九月2024491.6.2學(xué)科體系（1）離散結(jié)構(gòu)（2）程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（3）算法與復(fù)雜性（4）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織（5）操作系統(tǒng)（6）網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算（7）程序設(shè)計(jì)語言（8）人機(jī)交互（9）圖形學(xué)與可視化計(jì)算（10）智能系統(tǒng)（11）信息系統(tǒng)（12）社會(huì)和職業(yè)問題（13）軟件工程19九月2024501.6.2學(xué)科體系2．計(jì)算機(jī)工程計(jì)算機(jī)工程研究如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如何低成本、高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，即計(jì)算機(jī)的理論、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、開發(fā)和應(yīng)用，培養(yǎng)從事開發(fā)滿足國家需求的計(jì)算機(jī)工程產(chǎn)品的工程型人才。主要的知識(shí)領(lǐng)域包括18個(gè)，簡述如下。19九月202451（1）算法與復(fù)雜性（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程（4）電路與信號（5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（6）數(shù)字邏輯（7）數(shù)字信號處理（8）電子學(xué)（9）嵌入式系統(tǒng)（10）人機(jī)交互（11）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（12）操作系統(tǒng)（13）程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（14）社會(huì)和職業(yè)問題（15）軟件工程（16）時(shí)序邏輯電路（17）離散結(jié)構(gòu)（18）概率與統(tǒng)計(jì)19九月2024521.6.2學(xué)科體系3．軟件工程軟件工程是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)的一門學(xué)科。它采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法，把經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)而證明是正確的管理技術(shù)和當(dāng)前能夠得到的最好的技術(shù)方法結(jié)合起來，用于開發(fā)與維護(hù)軟件。軟件工程研究實(shí)現(xiàn)服務(wù)方法，如何方便有效地利用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，培養(yǎng)IT企業(yè)需要的、從事開發(fā)滿足國家需求的軟件產(chǎn)品的工程型人才。軟件工程學(xué)科方向的10個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)如下：19九月2024531.6.2學(xué)科體系（1）軟件需求軟件需求解決現(xiàn)實(shí)世界某個(gè)問題的軟件問題的軟件產(chǎn)品及對軟件產(chǎn)品的約束。（2）軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是軟件工程最核心的內(nèi)容，包括軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩部分組成。（3）軟件構(gòu)造軟件構(gòu)造除了要符合設(shè)計(jì)功能外，還要控制和降低程序復(fù)雜性、預(yù)計(jì)變更、進(jìn)行程序驗(yàn)證和制定軟件構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)。（4）軟件測試軟件測試是軟件生存周期的重要部分，涉及測試標(biāo)準(zhǔn)、測試技術(shù)、測試度量測試過程。測試的目的是標(biāo)識(shí)缺陷和問題，改善軟件質(zhì)量。測試圍繞軟件整個(gè)開發(fā)和維護(hù)過程。19九月2024541.6.2學(xué)科體系（5）軟件維護(hù)軟件維護(hù)是軟件生存周期的組成部分，軟件產(chǎn)品交付后，需要改正軟件缺陷，提高軟件性能或其他屬性，進(jìn)而使軟件產(chǎn)品適應(yīng)新的環(huán)境。軟件維護(hù)是軟件進(jìn)化的繼續(xù)，支持系統(tǒng)地快速敏捷地滿足新的要求。（6）軟件配置管理為了系統(tǒng)地控制配置變更，維護(hù)軟件生命周期中一致性和可追蹤性，必須按時(shí)管理軟件的不同培植，主要包括配置管理過程的管理、軟件配置鑒別、配置管理控制、配置管理狀態(tài)記錄、配置管理審計(jì)、軟件發(fā)布和交付使用等。（7）軟件工程管理運(yùn)用管理活動(dòng)，例如計(jì)劃、協(xié)調(diào)、度量、監(jiān)控、控制和報(bào)告等，確保軟件開發(fā)和維護(hù)是系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的。19九月2024551.6.2學(xué)科體系（8）軟件工程過程管理軟件工程過程的目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的或更好的過程。軟件工程過程關(guān)注軟件過程定義、實(shí)現(xiàn)、評估、測量、管理、變更、改進(jìn)、及過程和產(chǎn)品的度量。（9）工具與方法軟件開發(fā)工具是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，用于輔助軟件生存周期過程。軟件工程方法支持存在于整個(gè)軟件工程活動(dòng)，是軟件開發(fā)更為系統(tǒng)，主要方法包括：啟發(fā)式方法、基于數(shù)學(xué)的形式化方法、原形方法等。（10）軟件質(zhì)量軟件質(zhì)量軟件生存周期，涉及軟件質(zhì)量需求、軟件質(zhì)量度量、軟件屬性檢測、軟件質(zhì)量管理和過程等。19九月2024561.6.2學(xué)科體系4．信息技術(shù)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)，研究如何方便有效地利用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，培養(yǎng)企事業(yè)、國家IS的建設(shè)與運(yùn)行(主流需求)的信息化技術(shù)應(yīng)用型人才。19九月2024571.6.3方法論計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論是計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過程中的一般方法、性質(zhì)、及內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)問，是認(rèn)知計(jì)算學(xué)科的方法和工具，也是計(jì)算學(xué)科認(rèn)識(shí)領(lǐng)域的理論體系。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論主要包括學(xué)科形態(tài)、基本概念和典型方法三方面的內(nèi)容。19九月2024581.6.3方法論1.學(xué)科形態(tài)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科具有抽象、理論和設(shè)計(jì)三個(gè)形態(tài)。（1）抽象抽象是人類在認(rèn)識(shí)復(fù)雜現(xiàn)象的過程中使用的最強(qiáng)有力的思維工具。在現(xiàn)實(shí)世界中的事物、狀態(tài)或過程之間存在著某些共性。把這些共性集中，并去掉它們之間的差異和具體的物理描述，這就是抽象。抽象就是抽出事物的本質(zhì)特性而忽略它們的細(xì)節(jié)。抽象的結(jié)果是概念、符號和模型。19九月2024591.6.3方法論（2）理論計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中的理論與數(shù)學(xué)方法相類似，主要要素是定義、公理、定理、證明和結(jié)構(gòu)的解釋。通過上述過程建立和理解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的數(shù)學(xué)原理，具有構(gòu)造性數(shù)學(xué)特征。（3）設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)源于工程學(xué)，主要用于開發(fā)求解問題的系統(tǒng)和設(shè)備。主要要素為需求說明、規(guī)格說明、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法、測試和分析等。19九月2024601.6.3方法論2.基本概念在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中常用到基本概念總結(jié)為下述的12個(gè)基本概念。（1）綁定通過把一個(gè)抽象概念和附加特性相聯(lián)系，使抽象概念具體化的過程。也就是說，具體問題的合理抽象描述和抽象描述對具體問題的恰當(dāng)表示。（2）大問題的復(fù)雜性問題的復(fù)雜性隨問題規(guī)模的增大而非線性增加，這是區(qū)分和選擇各種方法的重要因素，并依此來度量不同的數(shù)據(jù)規(guī)模、問題空間和程序規(guī)模。19九月2024611.6.3方法論（3）概念與形式化模型對一個(gè)想法或問題形式化、特征化、可視化和思維的各種方法是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)問題求解的最典型、最有效的途徑。（4）一致性和完備性一致性和完備性包括正確性、魯棒性和可靠性等相關(guān)概念，一致性和完備性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所追求的目標(biāo)。（5）效率在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，要考慮空間、時(shí)間、人才和財(cái)力等資源的使用與度量。（6）演化演化是指變更的實(shí)施和它的意義。其中包括在變更時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)的各層次所造成的影響，也包括面對變更的事實(shí)，抽象、技術(shù)和系統(tǒng)的適應(yīng)性和充分性等。19九月2024621.6.3方法論（7）抽象層次抽象層次是指在計(jì)算中的抽象的本質(zhì)和使用。在處理復(fù)雜事物、構(gòu)造系統(tǒng)、隱藏細(xì)節(jié)和獲取重復(fù)模式方面使用了抽象，通過不同層次的細(xì)節(jié)和指標(biāo)的抽象來表達(dá)一個(gè)實(shí)體和系統(tǒng)。（8）按空間排序按空間排序是指事件排序的空間概念。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中，存在局部性和近鄰性的概念，這種概念主要表現(xiàn)在物理上的定位、組織方式上的定位和概念上的定位。例如在網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)中存在物理上的定位，在處理機(jī)進(jìn)程、類型定義和有關(guān)操作中存在組織關(guān)系的定位，在軟件的轄域、偶合和內(nèi)聚中，存在概念定位。局部性和近鄰性可以用按空間排序來表示。（9）按時(shí)間排序按時(shí)間排序是指事件排序的時(shí)間概念。包括在形式概念中把時(shí)間作為參數(shù)，把時(shí)間作為分布于空間的進(jìn)程的同步手段，作為算法執(zhí)行的基本要素。19九月2024631.6.3方法論（10）重用在新的情況和環(huán)境下，系統(tǒng)中各類實(shí)體、技術(shù)、概念等可被再次使用的能力。如軟件庫和硬件部件的重用等。（11）安全性安全性是指軟件和硬件系統(tǒng)對合適的請求的響應(yīng)，并抗拒不合適的、非預(yù)期的請求，以保護(hù)自己的能力；系統(tǒng)承受災(zāi)難事件的能力。（12）折衷與結(jié)論折衷是指為滿足系統(tǒng)可實(shí)施性，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)、方案所作出的一種合理的取舍。結(jié)論是折衷的結(jié)論，即選擇一種方案代替另一種方案所產(chǎn)生的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、文化及其他方面的影響。折衷是存在于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)各層次的基本事實(shí)。例如在算法的研究中，要考慮空間和時(shí)間的折衷；對于互相矛盾的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要考慮易用性和完備性、靈活性和簡單性、低成本和高可靠性等方面所采取折衷等。19九月2024641.6.3方法論3.典型方法計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的典型方法主要包括數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)科學(xué)方法。（1）數(shù)學(xué)方法數(shù)學(xué)方法是指以數(shù)學(xué)為工具的科學(xué)研究方法，用數(shù)學(xué)語言表達(dá)事物的狀態(tài)、關(guān)系和過程，并經(jīng)過推導(dǎo)形成解釋和判斷。這種方法的基本特征是高度抽象、高度精確、具有普遍意義。數(shù)學(xué)語言是科學(xué)研究的簡潔精確形式化語言。19九月2024651.6.3方法論（2）系統(tǒng)科學(xué)方法系統(tǒng)科學(xué)方法是將研究的對象看成一個(gè)整體，并且使思維對應(yīng)于適當(dāng)?shù)某橄蠹墑e。一般遵循整體性、動(dòng)態(tài)性、最優(yōu)化和模型化原則。常用的系統(tǒng)科學(xué)方法有：系統(tǒng)分析法、黑箱法、功能模擬法、整體優(yōu)化法和信息分析法等。19九月202466小結(jié)本章主要介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展史、計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科體系和方法論等方面的內(nèi)容，通過本章的學(xué)習(xí)，可以對本學(xué)科的內(nèi)容有基本的了解，為以后各章節(jié)的學(xué)習(xí)建立初步的基礎(chǔ)。19九月202467習(xí)題1

1．計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段？2．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有哪些主要的指標(biāo)？3．計(jì)算機(jī)有那些特點(diǎn)？可以分為幾類？4．簡述計(jì)算機(jī)學(xué)科的內(nèi)容和特點(diǎn)。5.簡述計(jì)算機(jī)學(xué)科方法論。第2章計(jì)算機(jī)工作原理

19九月202469主要內(nèi)容2.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)的表示2.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.3計(jì)算機(jī)的基本工作過程19九月202470本章知識(shí)結(jié)構(gòu)：19九月202471學(xué)習(xí)目標(biāo):理解數(shù)制與轉(zhuǎn)換、數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示；了解計(jì)算機(jī)的工作原理；掌握指令執(zhí)行過程。程序存儲(chǔ)是馮·諾依曼機(jī)的最基本特征。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)計(jì)算，必須先根據(jù)問題的要求，選擇算法和程序語言，設(shè)計(jì)出解決該問題的程序，并通過輸入設(shè)備將該程序存入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，然后計(jì)算機(jī)運(yùn)行這個(gè)程序，就可獲得計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算機(jī)中，程序及數(shù)據(jù)是用二進(jìn)制代碼表示的，計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)并識(shí)別二進(jìn)制代碼表示的程序和數(shù)據(jù)，這是馮·諾依曼機(jī)的另一個(gè)主要特征。2.1計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)的表示2.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換2.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示2.1.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.1.4運(yùn)算規(guī)則19九月2024732.1計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示

計(jì)算機(jī)的內(nèi)部的信息分為兩大類型，即控制信息和數(shù)據(jù)信息?？刂菩畔⑹强刂朴?jì)算機(jī)進(jìn)行一系列的操作的信息，數(shù)據(jù)信息是計(jì)算機(jī)加工處理的對象。指令是主要控制信息，數(shù)據(jù)信息包括數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)能表示大小，可以在數(shù)軸上找到確定的點(diǎn)。非數(shù)值數(shù)據(jù)沒有確定的數(shù)值，例如字符、漢字、圖形、圖像、聲音等，又稱符號數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)。通常有兩種方法來確定小數(shù)點(diǎn)的位置：一種是規(guī)定小數(shù)點(diǎn)位置固定不變，稱為定點(diǎn)數(shù)；另一種是小數(shù)點(diǎn)的位置不固定，可以浮動(dòng)，稱為浮點(diǎn)數(shù)。一般來說，定點(diǎn)格式容許的數(shù)值范圍有限，要求的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單；浮點(diǎn)格式容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比較復(fù)雜。在計(jì)算機(jī)中，通常是用定點(diǎn)數(shù)來表示整數(shù)和純小數(shù)，分別稱為定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。對于既有整數(shù)部分、又有小數(shù)部分的數(shù)，一般用浮點(diǎn)數(shù)表示。19九月2024742.1計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，無論哪一種數(shù)據(jù)，都以二進(jìn)制形式表示。它們的從屬關(guān)系如下所示。19九月2024752.1計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)信息是由不同位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)組成，為了表示位數(shù)的多少，引入了“位”、“字節(jié)”和“字”的概念。位（bit）：位是指一位二進(jìn)制的代碼，它只具有“0”、“1”兩個(gè)狀態(tài)。字節(jié)（byte）：把8位二進(jìn)制代碼稱為一個(gè)字節(jié)，它是表示二進(jìn)制代碼長度的一種單位。字（word）：字由字節(jié)構(gòu)成，一般為字節(jié)的整數(shù)倍。19九月2024762.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換

在十進(jìn)制系統(tǒng)中，進(jìn)位原則是逢十進(jìn)一；在二進(jìn)制系統(tǒng)中，進(jìn)位原則是逢二進(jìn)一；在八進(jìn)制系統(tǒng)中，進(jìn)位原則是逢八進(jìn)一；在十六進(jìn)制系統(tǒng)中，進(jìn)位原則是逢十六進(jìn)一。在十進(jìn)制數(shù)中，每一項(xiàng)的數(shù)字都可以用0～9十個(gè)數(shù)字中的一個(gè)來表示；二進(jìn)制數(shù)中每一項(xiàng)的數(shù)字都可以用0,1表示；八進(jìn)制中可以使用0～7；十六進(jìn)制中可使用0～9,A,B,C,D,E,F。為了比較二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制系統(tǒng)，表2-1給出了四種進(jìn)位制的對應(yīng)關(guān)系。19九月2024772.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換19九月2024782.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換1、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)（1）十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)將已知的十進(jìn)制整數(shù)反復(fù)除2，余數(shù)為1，相應(yīng)位為1；余數(shù)為0，相應(yīng)位為0。從低位向高位逐次進(jìn)行，一直到用2去除后，商為0時(shí)為止。例1：將十進(jìn)制數(shù)22轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)19九月2024792.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換（2）十進(jìn)制純小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)首先將十進(jìn)制純小數(shù)反復(fù)乘以2，每次乘2之后所得的數(shù)的整數(shù)部分若為1，則二進(jìn)制小數(shù)的相應(yīng)位也為1；如果整數(shù)部分為0，則相應(yīng)位為0。從高位向低位逐次進(jìn)行，直到滿足精度要求為止。19九月2024802.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換2、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的方法極為簡單，只要將二進(jìn)制數(shù)按位展開，并計(jì)算出結(jié)果，便可以得到相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。19九月2024812.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換3、非十進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換1位八進(jìn)制數(shù)對應(yīng)3位二進(jìn)制數(shù)，而1位十六進(jìn)制數(shù)對應(yīng)4位二進(jìn)制數(shù)。因此，二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)之間、二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換十分容易。（1）八進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的互換將每一位八進(jìn)制數(shù)直接寫成相應(yīng)的3位二進(jìn)制數(shù)即可。反之，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法是：以小數(shù)點(diǎn)為界，向左或向右將每3位二進(jìn)制數(shù)分成一組，若不足3位，則用0補(bǔ)足3位。然后，將每一組二進(jìn)制數(shù)直接寫成相應(yīng)的1位八進(jìn)制數(shù)。19九月2024822.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換（2）十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的互換將每一位十六進(jìn)制數(shù)直接寫成相應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)。而二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法則是：以小數(shù)點(diǎn)為界，向左或向右將每4位二進(jìn)制數(shù)分成一組，若不足4位，則用0補(bǔ)足4位。然后，將每一組二進(jìn)制數(shù)直接寫成相應(yīng)的1位十六進(jìn)制數(shù)。在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制比用十進(jìn)制優(yōu)越，主要表現(xiàn)：數(shù)的狀態(tài)簡單，容易表示，在二進(jìn)制中只有兩個(gè)狀態(tài)，很容易實(shí)現(xiàn)；運(yùn)算規(guī)則簡單；邏輯判斷方便：二進(jìn)制的“1”和“0”兩個(gè)數(shù)碼正好與邏輯命題中的兩個(gè)值“是”和“否”，或者“真”和“假”相對應(yīng)，這不僅為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和程序中的邏輯判斷提供了便利條件，而且也可以將邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具應(yīng)用于邏輯線路的設(shè)計(jì)中。19九月2024832.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示

要把一個(gè)數(shù)值在計(jì)算機(jī)中表示出來，必須明確指明：符號如何表示，小數(shù)點(diǎn)的位置如何表示。在計(jì)算機(jī)中，表示一個(gè)數(shù)值的符號的方法是：占用一位二進(jìn)制數(shù)位，用1表示負(fù)號，用0表示正號。也就是說，對數(shù)值的符號編碼化。定點(diǎn)整數(shù)用ｎ位二進(jìn)制表示一個(gè)數(shù)，一般選擇最左邊一位為符號位，其值為1，表示該數(shù)為負(fù)數(shù)；其值為0，表示該數(shù)為正數(shù)。小數(shù)點(diǎn)固定在最低位之后，因而它所表示的數(shù)都為整數(shù)。定點(diǎn)小數(shù)所表示的都為小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)的位置在數(shù)值位的最左端，即在符號位之后。那么各位的位權(quán)值分別為：第1位為2–1，第2位為2–2……所以定點(diǎn)小數(shù)表示的只能是小數(shù)。19九月2024842.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示在科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)常需要處理和計(jì)算非常大或者非常小的數(shù)值。定點(diǎn)表示法不能夠精確地完成這種數(shù)值的表示。為了表示更大取值范圍的數(shù)，可以采用下式所示的表示方法：f＝m.re其中f表示數(shù)，m和e為帶符號的定點(diǎn)數(shù)，e稱之為階、m為尾數(shù)、r為基。尾數(shù)m可以是整數(shù)，也可以是小數(shù)。目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)都把m規(guī)定為純小數(shù)，階碼e為整數(shù)。從上式可以看出，m中的小數(shù)點(diǎn)可以隨e值的變化而左右浮動(dòng)。所以把這種表示法叫做數(shù)的浮點(diǎn)表示法。19九月2024852.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示在計(jì)算機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作時(shí)，符號位如何表示呢？是否也同數(shù)值位一起參加運(yùn)算操作呢？為了妥善的處理好這些問題，就產(chǎn)生了把符號位和數(shù)值位一起編碼來表示相應(yīng)的數(shù)的各種表示方法，如原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼等。機(jī)器數(shù)就是數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式，為了表示通常的數(shù)與機(jī)器數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，可將通常的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)的真值。因此，在計(jì)算機(jī)中只有機(jī)器數(shù)，不存在數(shù)的真值。19九月2024862.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示1．原碼原碼是一種簡單的機(jī)器數(shù)表示法，用最高位表示數(shù)的正、負(fù)，0表示正，1表示負(fù)，數(shù)值部分按二進(jìn)制書寫。例3：二進(jìn)制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù)-1000110的原碼表示為：110001100在原碼中有兩種表示形式，可以認(rèn)為是（+0），也可以認(rèn)為是（-0），即19九月2024872.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示原碼表示簡單易懂，而且與真值的轉(zhuǎn)換也方便，在做乘除法運(yùn)算時(shí)，可將符號位和數(shù)值位分開處理。結(jié)果數(shù)的符號可用參加操作的兩個(gè)操作數(shù)符號進(jìn)行異或運(yùn)算求得，結(jié)果數(shù)的數(shù)值可由操作數(shù)原碼的數(shù)值部分按乘除規(guī)則運(yùn)算得到。因此，原碼適合乘除法運(yùn)算。但是原碼做減法運(yùn)算極為不便。其過程如下：當(dāng)兩個(gè)數(shù)相加時(shí)，如果是同號，則數(shù)值相加；如果是異號，則數(shù)值部分相減，這就需要比較兩個(gè)數(shù)的絕對值大小，用絕對值大的數(shù)減去絕對值小的數(shù)，所得的差的符號與絕對值大的數(shù)同號。為了解決用原碼做減法運(yùn)算的不便，提出了補(bǔ)碼表示法。19九月2024882.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示2．補(bǔ)碼可以用鐘表對時(shí)為例說明補(bǔ)碼的概念。假設(shè)現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為4點(diǎn)整；而有一只表已經(jīng)7點(diǎn)了，為了校準(zhǔn)時(shí)間，可以采用兩種方法：一是將時(shí)針退7-4=3格；一是將時(shí)針向前撥12-3=9格。這兩種方法都能對準(zhǔn)到4點(diǎn)，由此可以看出，減3和加9是等價(jià)的，就是說9是(-3)對12的補(bǔ)碼。在補(bǔ)碼中，真值0有唯一的表達(dá)形式。正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是它的原碼除符號位外逐位取反（即0變1，1變0），在末位加1。例4：二進(jìn)制數(shù)+1000110的補(bǔ)碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù)-1000110的補(bǔ)碼表示為：1111101019九月2024892.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示補(bǔ)碼是一種很好的機(jī)器數(shù)表示法，補(bǔ)碼可以把負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為正數(shù)，使減法轉(zhuǎn)化為加法，從而使正負(fù)數(shù)的加減運(yùn)算轉(zhuǎn)化為單純的正數(shù)相加的運(yùn)算，進(jìn)而提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度并節(jié)省了設(shè)備。所以補(bǔ)碼是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)器數(shù)表示方法。采用補(bǔ)碼表示法進(jìn)行減法運(yùn)算就比原碼方便得多了。因?yàn)椴徽摂?shù)是正還是負(fù),機(jī)器總是做加法,減法運(yùn)算可變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算。但根據(jù)補(bǔ)碼定義,求負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼要用2減去|x|。為了用加法代替減法,結(jié)果還得在求補(bǔ)碼時(shí)作一次減法,這顯然是不方便的。下面介紹的反碼表示法可以解決負(fù)數(shù)的求補(bǔ)問題。19九月2024902.1.2數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示3．反碼正數(shù)的反碼與其本身相同，負(fù)數(shù)的反碼是將它的原碼除符號位外逐位取反,也就是1變0，0變1。例5：二進(jìn)制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù)-1000110的反碼表示為：111110010在反碼中也有兩種表示方法：19九月2024912.1.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)，除了數(shù)值數(shù)據(jù)之外，還有邏輯數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)。邏輯數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)是不含有“值”的數(shù)據(jù)，這兩類數(shù)據(jù)又統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。邏輯數(shù)據(jù)是由若干位無符號的二進(jìn)制數(shù)碼組成，每位之間獨(dú)立不相關(guān)，每位沒有數(shù)值概念，僅有邏輯值。僅用1表示“真”和用0表示“假”。在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用中，大量的工作是對字符和專用符號進(jìn)行操作。例如在辦公室系統(tǒng)中的姓名、年齡和性別，企業(yè)管理系統(tǒng)中的制表、圖書管理系統(tǒng)中的圖書編號及其分類等等，都需要利用字符或者符號來表示。這些符號包括：英文字符：A,B,C,……,X,Y,Z,a,b,c,…,x,y,z專用符號：$，@，#，”，+，－，/，＝上述的這些符號不能直接裝入計(jì)算機(jī)，必須將其編碼、數(shù)字化處理之后，以字符數(shù)據(jù)的形式裝入計(jì)算機(jī)中。目前國際上普遍采用的字符系統(tǒng)是ASCII碼(美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼),它包括10個(gè)十進(jìn)制數(shù)碼,26個(gè)英文字母和一定數(shù)量的專用符號,如$,%,＋,＝等，共128個(gè)元素。19九月2024922.1.4運(yùn)算規(guī)則

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較和數(shù)據(jù)傳送。其中算術(shù)運(yùn)算就是指二進(jìn)制數(shù)的加減乘除運(yùn)算；邏輯運(yùn)算包括邏輯與、邏輯或、邏輯非運(yùn)算；數(shù)據(jù)比較是指常見的大于、小于、等于、不等于、大于等于、小于等于；數(shù)據(jù)傳送是指輸入、輸出和賦值，下面給出算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)則：加法0+0=00+1=11+0=11+1=0（進(jìn)位）減法0-0=01-0=11-1=00-1=1(借位）乘法0x0=01x0=00x1=01x1=1除法與十進(jìn)制類似邏輯“與”運(yùn)算0x1=01x0=00x0=01x1=1邏輯“或”運(yùn)算0+0=00+1=11+0=11+1=1邏輯“非”運(yùn)算Not0=1Not1=019九月2024932.2計(jì)算機(jī)的硬件組成2.2.1運(yùn)算器2.2.2存儲(chǔ)器2.2.3中央處理器2.2.4外部設(shè)備19九月2024942.2計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)的硬件是由電子器件等構(gòu)成的，它包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入和輸出設(shè)備。通常將運(yùn)算器和控制器稱為CPU（CentralProcessingUnit），而將CPU和存儲(chǔ)器稱為主機(jī)。存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行，這是馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的工作原理，也是計(jì)算機(jī)自動(dòng)化工作的關(guān)鍵。舉個(gè)例子來講：當(dāng)我們用一個(gè)算盤，一張紙，一支筆來計(jì)算一道算術(shù)題時(shí)用到了：紙：用于存儲(chǔ)解題的原始信息；算盤：用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算；筆：用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，以及寫出運(yùn)算結(jié)果；人腦和手：用于控制解題步驟。19九月2024952.2計(jì)算機(jī)的硬件組成同樣的，計(jì)算機(jī)也需要相應(yīng)部件:存儲(chǔ)器：在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件；運(yùn)算器：在計(jì)算機(jī)中相當(dāng)于算盤功能的部件；輸入設(shè)備和輸出設(shè)備：相當(dāng)于筆，把原始解題信息送到計(jì)算機(jī)或把運(yùn)算結(jié)果顯示出來的設(shè)備；控制器：相當(dāng)于大腦，能夠自動(dòng)控制整個(gè)計(jì)算過程。19九月2024962.2計(jì)算機(jī)的硬件組成數(shù)字計(jì)算機(jī)主要組成部分如圖2-1所示。19九月2024972.2.1運(yùn)算器運(yùn)算器就好比一個(gè)由電子線路構(gòu)成的算盤，能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，還可進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算?？紤]到電子器件的特性，計(jì)算機(jī)中通常采用二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)就是以2為基數(shù)來計(jì)數(shù)，即逢二進(jìn)一。就像十進(jìn)制中只有0～9共十個(gè)獨(dú)立的數(shù)符一樣，在二進(jìn)制中只有0和1兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應(yīng)起來，容易實(shí)現(xiàn)。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)律非常簡單，在電子線路中比較容易實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)備也最省。在運(yùn)算中，二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)一樣，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)，計(jì)算的精度就越高，但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多。19九月2024982.2.1運(yùn)算器運(yùn)算器由核心部件，即算術(shù)邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）和寄存器、總線等組成。運(yùn)算器的設(shè)計(jì)，主要是圍繞邏輯運(yùn)算部件ALU和寄存器同數(shù)據(jù)總線之間如何傳送操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行的?？偩€是一組由多個(gè)部件分時(shí)共享的傳送線路，共享是指總線上可以掛接多個(gè)部件，它們之間可以通過這一組公共總線傳送信息；分時(shí)是指一組總線在同一時(shí)刻只能提供給掛接在上面的兩個(gè)部件之間傳送信息，否則會(huì)發(fā)生沖突。運(yùn)算器的設(shè)計(jì)，需要考慮數(shù)據(jù)傳送的方便性和操作速度，在微型機(jī)和單片機(jī)中還要考慮在硅片上制作總線的工藝。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形式。19九月2024992.2.1運(yùn)算器1.單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器把所有部件都接到同一總線上，所以數(shù)據(jù)可以在任何兩個(gè)寄存器之間，或者在任一個(gè)寄存器和ALU之間傳送。對這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器來說，在同一時(shí)間內(nèi)，只能有一個(gè)操作數(shù)放在單總線上。如果要把兩個(gè)操作數(shù)輸入到ALU，需要分兩次來做，而且還需要兩個(gè)緩沖寄存器A和B，如圖2-2所示。例如，執(zhí)行一次加法操作：首先把第一個(gè)操作數(shù)經(jīng)總線送入A緩沖寄存器；接著把第二個(gè)操作數(shù)經(jīng)總線送入B緩沖寄存器；最后ALU執(zhí)行加法，把結(jié)果通過總線送入目的寄存器。19九月20241002.2.1運(yùn)算器這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是操作速度較慢。但由于它只控制一條總線，故控制電路比較簡單。19九月20241012.2.1運(yùn)算器2.雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器雙總線結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)操作數(shù)同時(shí)加到ALU進(jìn)行運(yùn)算,只需一次操作控制，而且馬上就可以得到運(yùn)算結(jié)果。兩條總線各自把其數(shù)據(jù)送至ALU的輸入端，如圖2-3。特殊寄存器分為兩組，它們分別與一條總線交換數(shù)據(jù)。這樣，通用寄存器中的數(shù)據(jù)就可進(jìn)入到任一組特殊寄存器中去，從而使數(shù)據(jù)傳送更為靈活。ALU的輸出不能直接加到總線上去，這是因?yàn)?，?dāng)形成操作結(jié)果輸出時(shí)，兩條總線都被輸入數(shù)占據(jù)，因而必須在ALU輸出端設(shè)置緩沖寄存器。例如，執(zhí)行一次加法操作操作的控制要分兩步完成：第一，在ALU的兩個(gè)輸入端輸入操作數(shù)，形成結(jié)果并送入緩沖寄存器；第二，把結(jié)果送入目的寄存器。19九月20241022.2.1運(yùn)算器19九月20241032.2.1運(yùn)算器3.三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器在三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器中，ALU的兩個(gè)輸入端分別由兩條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連，如圖2-4。這樣，算術(shù)邏輯操作就可以在一步控制之內(nèi)完成。另外，設(shè)置了一個(gè)總線旁路器。設(shè)置總線旁路器的目的是：如果一個(gè)操作數(shù)不需要修改，而直接從總線2傳送到總線3，那么可以通過控制總線旁路器把數(shù)據(jù)傳出；如果一個(gè)操作數(shù)傳送時(shí)需要修改，那么就借助于ALU。很顯然，三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器的特點(diǎn)是操作時(shí)間快，但需要總線多。19九月20241042.2.1運(yùn)算器19九月20241052.2.2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。當(dāng)利用計(jì)算機(jī)完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，事先把解決問題的程序和所需數(shù)據(jù)存于存儲(chǔ)器中，在執(zhí)行程序時(shí)再由存儲(chǔ)器快速地提供給處理機(jī)。顯然，存儲(chǔ)器的功能是存儲(chǔ)信息，保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。不論是數(shù)據(jù)，還是解題步驟，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的全是0或1表示的二進(jìn)制代碼。用一個(gè)具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件表示二進(jìn)制0和1，這種器件稱為記憶元或記憶單元，它所表示的是二進(jìn)制數(shù)的一位。位是二進(jìn)制數(shù)的最基本單位，也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位。一個(gè)二進(jìn)制數(shù)由若干位組成，當(dāng)一個(gè)數(shù)作為一個(gè)整體存入或讀出時(shí)，這個(gè)數(shù)稱為存儲(chǔ)字。程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存放在存儲(chǔ)體中，它是存儲(chǔ)器的核心部分。為了區(qū)分存儲(chǔ)體中的所有單元，必須講它們逐一編號。19九月20241062.2.2存儲(chǔ)器目前采用半導(dǎo)體器件來作為存儲(chǔ)器，一個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器可以記憶一個(gè)二進(jìn)制代碼，一個(gè)數(shù)假定用16位二進(jìn)制代碼表示，那么就需要有16個(gè)觸發(fā)器來保存這些代碼。在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號稱為地址。存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)容量。通常用單位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存儲(chǔ)容量越大，表示計(jì)算機(jī)能夠儲(chǔ)存的信息就越多。19九月20241072.2.2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體和它周圍的邏輯控制線路組成存儲(chǔ)器，從信息流通的角度看，存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，它由四部分構(gòu)成：存儲(chǔ)體、存儲(chǔ)器地址寄存器、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器和讀/寫控制線路。19九月20241082.2.2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器有兩種基本的操作：一種是讀操作；一種是寫操作。讀操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將讀命令加載到讀寫控制線路上，在讀命令的作用下，存儲(chǔ)器將按照地址寄存器中的地址從相應(yīng)的單元中讀出內(nèi)容送到數(shù)據(jù)寄存器中。寫操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將要寫的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)寄存器中，然后將寫命令加載到讀寫控制線路上，在寫命令的作用下，存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)寫入地址寄存器所指定的對應(yīng)單元中去。根據(jù)存儲(chǔ)材料及使用方法不同，存儲(chǔ)器有各種不同的分類方法。19九月20241092.2.2存儲(chǔ)器1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類凡是明顯具有兩種狀態(tài)的物質(zhì)和元器件，都可以用來記憶二進(jìn)制代碼“0”和“1”。通常把這些物質(zhì)和元器件稱為存儲(chǔ)介質(zhì)。（1）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。一種是雙極型存儲(chǔ)單元，這種存儲(chǔ)器存取速度快，但是功耗較大，集成度較低；另一種是MOS存儲(chǔ)單元，其特點(diǎn)是集成度高，功耗小，工藝簡單。雙極型存儲(chǔ)單元多用作快速、小容量的存儲(chǔ)器。MOS存儲(chǔ)單元多用作大容量的主存。（2）磁表面存儲(chǔ)器：用磁性材料做成的存儲(chǔ)器。在磁表面存儲(chǔ)器中，信息記錄在一薄層磁性材料表面上，隨著載體做高速直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中用磁頭進(jìn)行讀寫。特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，而且價(jià)格低、存取速度慢?；谶@些特點(diǎn)，常用磁表面存儲(chǔ)器作為大容量、存取速度低的外存儲(chǔ)器。例如磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器和磁鼓存儲(chǔ)器等。外存儲(chǔ)器的主要功能是用于存放等待運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。19九月20241102.2.2存儲(chǔ)器2.按存儲(chǔ)方式分類

（1）隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器：訪問存儲(chǔ)器的任一單元所用的時(shí)間都相同，即存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器特點(diǎn)是讀寫是隨機(jī)的，即可讀出又可寫入，存取時(shí)間是相同的，固定不變的。隨機(jī)主要用作主存，也用作高速緩沖存儲(chǔ)器。（2）只讀存儲(chǔ)器：特點(diǎn)是在工作時(shí)只能讀出信息，而不能寫入新的內(nèi)容。所以它用來存放固定不變的系統(tǒng)程序，比較可靠。隨著集成電路工藝發(fā)展和用戶要求，已經(jīng)出現(xiàn)了可編程只讀存儲(chǔ)器，簡稱PROM。它在制作時(shí)不寫入信息，可由用戶在需要時(shí)再寫入要存儲(chǔ)的內(nèi)容，一旦寫入信息后就不能再改變了。后來出現(xiàn)了可改寫只讀存儲(chǔ)器，簡稱EPROM。19九月20241112.2.2存儲(chǔ)器（3）順序存儲(chǔ)器：只能按某種順序來存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。這種存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的字和記錄塊在信息載體上沒有唯一對應(yīng)的地址，而是完全按順序進(jìn)行存放或讀出。特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，每位價(jià)格低，但存取速度慢。因此它只適用作輔存。（4）直接存取存儲(chǔ)器：既不像隨機(jī)存取器那樣隨機(jī)的選擇存儲(chǔ)地址進(jìn)行存儲(chǔ)，也不像順序存儲(chǔ)器那樣純粹的順序存儲(chǔ)，而是介于兩者之間。當(dāng)要存取所需的信息時(shí)，必須進(jìn)行兩步操作：第一步是直接指向整個(gè)存儲(chǔ)中的一個(gè)小區(qū)域，第二步緊接著對這個(gè)小區(qū)域進(jìn)行象磁帶那樣的順序檢索、計(jì)數(shù)或等待一直找到最后的目的塊。這種存儲(chǔ)器的存取時(shí)間與信息所在的位置有關(guān)，而且同一位置的信息在不同時(shí)刻進(jìn)行存取其時(shí)間長短都不同。這種存儲(chǔ)器容量大、其存取速度介于隨機(jī)存取和順序存取之間，多用作輔存。19九月20241122.2.2存儲(chǔ)器3.按信息的可保存性分類（1）非永久記憶的存儲(chǔ)器：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器。（2）永久記憶性存儲(chǔ)器：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器。19九月20241132.2.2存儲(chǔ)器4.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類（1）高速緩沖存儲(chǔ)器：通常位于主存和CPU之間，存放當(dāng)前要執(zhí)行的程序段，以便向CPU高速提供馬上要執(zhí)行的指令。目前高速緩存存儲(chǔ)器一般采用雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，速度較高，可以與CPU速度相匹配，存取時(shí)間幾個(gè)ns,一般在1K～幾十K字節(jié)。（2）主存儲(chǔ)器：用來存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，存取時(shí)間可達(dá)幾個(gè)至幾十個(gè)ns。CPU的指令系統(tǒng)能直接讀寫主存中的存儲(chǔ)單元，主存是主機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器，故又稱之為內(nèi)存。（3）外存儲(chǔ)器：也稱輔助存儲(chǔ)器或后援存儲(chǔ)器，它用來存放系統(tǒng)程序，大型數(shù)據(jù)文檔等當(dāng)前暫不參與運(yùn)行的大量信息。外存設(shè)在主機(jī)外部，容量極大而速度較低。CPU不能直接訪問它，必須通過專門的程序把所需要的信息與主存進(jìn)行成批交換，調(diào)入主存后，才能使用。19九月20241142.2.2存儲(chǔ)器描述一個(gè)存儲(chǔ)器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)有：存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)周期和存取時(shí)間等。表2-2列出了存儲(chǔ)器的主要幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。19九月20241152.2.3中央處理器當(dāng)用計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問題時(shí)，我們首先必須為它編寫程序。程序是一個(gè)指令序列，這個(gè)序列明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行什么操作，在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù)。一旦把程序裝入內(nèi)存儲(chǔ)器，就可以由計(jì)算機(jī)來自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。專門用來完成此項(xiàng)工作的計(jì)算機(jī)部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU（CentralProcessingUnit）。中央處理器是控制器和運(yùn)算器的總稱，它是負(fù)責(zé)指令解釋和執(zhí)行的部件。19九月20241162.2.3中央處理器1．控制器控制器是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。由于計(jì)算機(jī)的類型不同，功能不同，結(jié)構(gòu)不同以及規(guī)模不同，其控制器也會(huì)有不少差別，但其基本組成是相同的，主要由以下幾部分構(gòu)成：（1）程序計(jì)數(shù)器又稱指令計(jì)數(shù)器或指令地址寄存器，用于存放即將取出執(zhí)行的指令地址，當(dāng)該指令取出之后，存放下一條指令的地址。指令地址的形成有兩種可能：一是順序執(zhí)行的情況，每執(zhí)行一條指令，程序計(jì)數(shù)器加1以形成下一條指令的地址；二是在某些條件下，需要改變程序順序執(zhí)行的狀態(tài)，通常由轉(zhuǎn)移指令形成轉(zhuǎn)移地址送到程序計(jì)數(shù)器中，作為下條指令的地址。19九月20241172.2.3中央處理器（2）指令寄存器用以存放從內(nèi)存取出來的現(xiàn)行指令，以便在整條指令執(zhí)行過程中，完成一條指令的全部功能控制。（3）指令譯碼器又稱操作碼譯碼器或指令功能分析解釋器，它對指令寄存器中的操作碼進(jìn)行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，提供給操作控制信號形成部件；另外，它還對地址碼進(jìn)行譯碼產(chǎn)生為形成操作數(shù)地址所需要的控制信號。（4）脈沖源及其啟停控制線路脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是周期、節(jié)拍和工作脈沖的基準(zhǔn)信號。啟?？刂凭€路則是在需要的時(shí)候保證可靠地開放或封鎖時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號的發(fā)生與停止，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的啟動(dòng)與停機(jī)。19九月20241182.2.3中央處理器（5）時(shí)序信號產(chǎn)生部件計(jì)算機(jī)所以能夠準(zhǔn)確、迅速、有條不紊地工作，正是因?yàn)樵谟幸粋€(gè)時(shí)序信號產(chǎn)生器。機(jī)器一旦被啟動(dòng)，即開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器就利用定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)定在這個(gè)脈沖到來時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來時(shí)又做什么，給計(jì)算機(jī)各部分提供工作所需的時(shí)間標(biāo)志。（6）微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件是產(chǎn)生微命令的，微命令是構(gòu)成控制信號序列的最小單位。該部件產(chǎn)生微命令的依據(jù)是指令操作碼、運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)序信號及被控功能部件反饋的狀態(tài)信號，形成不同指令所需要的操作控制信號序列。（7）中斷機(jī)構(gòu)是用來控制中斷處理的硬件邏輯部件。19九月20241192.2.3中央處理器（8）總線控制邏輯是用以控制總線數(shù)據(jù)傳送的硬件邏輯部件。計(jì)算機(jī)的控制過程就是程序執(zhí)行的過程。在程序執(zhí)行過程中，計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件在控制器的控制下協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。存儲(chǔ)器與控制器之間的信息流動(dòng)稱為指令流，指令流是算法的具體化；存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的信息流動(dòng)稱為數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流是被加工處理的對象，它受到指令流的操作與控制?？刂破鞯墓δ苤饕菍χ噶盍骱蛿?shù)據(jù)流的控制。對指令流的控制主要表現(xiàn)在：取指令的控制、指令分析與執(zhí)行的控制、指令流向的控制。取指令的控制：由控制器向存儲(chǔ)器提供指令地址和讀命令，存儲(chǔ)器接受地址和讀命令后，從地址所對應(yīng)的存儲(chǔ)單元中將指令代碼讀出并傳送給控制器。19九月20241202.2.3中央處理器指令分析與執(zhí)行的控制：控制器要對指令流中每條指令進(jìn)行分析，分析指令的操作性質(zhì)、尋址方式并形成操作數(shù)地址。根據(jù)分析指令時(shí)產(chǎn)生的操作命令和操作數(shù)地址形成相應(yīng)的操作控制信號序列，通過運(yùn)算器、存儲(chǔ)器及輸入/輸出設(shè)備的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)每條指令的功能。指令流向的控制：即下條指令地址的形成控制。通常，指令是按順序執(zhí)行的，即執(zhí)行完第K條指令，便執(zhí)行第K+1條指令，顯然，用程序計(jì)數(shù)器不斷加1便可實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)執(zhí)行的指令是轉(zhuǎn)移指令，就會(huì)改變指令的流向。另外，對于某些突發(fā)事件進(jìn)行緊急處理——中斷處理時(shí)，也會(huì)改變指令的流向。改變指令流向的實(shí)質(zhì)就是改變程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容，有些情況下除了改變其內(nèi)容外，還需要保留改變之前的內(nèi)容，以便返回時(shí)使用。對數(shù)據(jù)流的控制是指對數(shù)據(jù)流入與流出施以控制；對數(shù)據(jù)變換加工等操作控制。實(shí)際上數(shù)據(jù)流的流向是由操作性質(zhì)確定的，不同的操作性質(zhì)，不同的尋址方式就形成不同的操作控制信號序列，就會(huì)溝通不同的數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)流動(dòng)的方式就不同，實(shí)現(xiàn)的操作也會(huì)不一樣。19九月20241212.2.3中央處理器2．CPU基本功能CPU對整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行是極其重要的，它具有如下四方面的基本功能。（1）指令控制程序的順序控制稱為指令控制。由于程序是一個(gè)指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行。（2）操作控制一條指令的功能往往是由若干個(gè)操作信號的組合來實(shí)現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。

19九月20241222.2.3中央處理器（3）時(shí)間控制對各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)稱為時(shí)間控制。在計(jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個(gè)執(zhí)行過程都受到嚴(yán)格的時(shí)間定時(shí)。（4）數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理并進(jìn)行邏輯測試，例如零值測試、兩個(gè)值的比較等。數(shù)據(jù)加工處理部件由算術(shù)邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成，相對控制器而言，運(yùn)算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的。

19九月20241232.2.3中央處理器3．CPU的基本結(jié)構(gòu)在CPU中至少要有六類寄存器。這些寄存器用來暫存一個(gè)計(jì)算機(jī)字。根據(jù)需要，可以擴(kuò)充其數(shù)目。下面介紹一下這些寄存器的功能與結(jié)構(gòu)。（1）數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將它們存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器