第1章_計算機系統(tǒng)簡介

1、第一章計算機系統(tǒng)簡介,計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程 計算機系統(tǒng)的應用 數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中的表示方法,計算機與人工智能,計算機行業(yè)的夢想 讓計算機（Computer）能像人一樣地思考，與人自然交流， 人工智能（Artificial Intelligence） 圖靈測試,計算機與人工智能,1997年，IBM公司研制的深藍超級計算機在一場“人機大戰(zhàn)”中打敗了國際象棋大師卡斯帕羅夫 被譽為“人工智能的一大勝利” 深藍的主要研制者之一許峰雄博士： 勝利靠的只是不知疲倦地高速運算，并不是什么智能,計算機與信息技術,計算機技術與通信技術結合，構成了信息技術（Information Technology），誕生了一個

2、新詞：IT 嵌入式系統(tǒng)是IT未來的主要發(fā)展方向之一 典型的嵌入式系統(tǒng)有：機器人、手機和智能家電等,計 算 機,計算機是用來延伸人的能力的工具，需要人來駕馭 我們的職責是讓非計算機專業(yè)的人更容易駕馭它 完成這一目標的主要手段之一就是“編程（Programming）”,1計算機的誕生 世界上第一臺電子數(shù)值積分計算機誕生于1946年。 2計算機的發(fā)展歷程 計算機從處理數(shù)據(jù)的方法上分成模擬式計算機和數(shù)字式計算機。 模擬機是以連續(xù)變化的物理量表示所測量的數(shù)據(jù)來模擬某一變化過程，它主要用于仿真研究。數(shù)字機則以數(shù)字量表示數(shù)據(jù)。模擬機所做的工作都可由數(shù)字機來完成。,1.1 計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程,按照計算機所用

3、的邏輯元件（電子器件）來劃分計算機的時代： 第一代電子計算機(1946年到1957年）：基本邏輯電路由電子管組成。 第二代電子計算機（1958年到1964年）：基本邏輯電路由晶體管電子元件組成。 第三代電子計算機（1965年到1970年）：基本邏輯電路由小規(guī)模集成電路組成。 第四代電子計算機（1971年到1980年）：采用中、大規(guī)模集成電路構成邏輯電路。 (5)第五代電子計算機 （1981年以后）：采用超大規(guī)模集成電路構成邏輯電路。,1第一代計算機（19461957）,計算機的早期研究是從20世紀30年代末開始的。當時英國的數(shù)學家艾倫圖靈在一篇論文中描述了通用計算機應具有的全部功能和局限性，這

4、種機器稱為圖靈機。 1939年，美國衣阿華州大學的約翰阿塔納索夫教授和他的研究生克利福德貝里一起制作了一臺稱為ABC（Atanasoff Berry computer）的機器，它是一臺僅能求解方程式的專業(yè)電子計算機。 1944年，哈佛大學德霍華德?？喜┦亢虸BM公司的一個工程師小組合作，以100萬美元的巨資研制了一臺稱為MarkI的計算機。它的體積很大（高8英尺，長55英尺），速度也很慢（執(zhí)行一次乘法操作需要35秒）。而且MarkI僅一部分是電子式的，另一部分仍然是機械式的。,1946年，賓夕法尼亞大學的約翰莫克萊博士和他的研究生普雷斯帕?？颂匾黄鹧兄屏朔Q為ENIAC（電子數(shù)字積分計算機），它

5、被公認為是世界上第一臺電子計算機。ENIAC是一個龐然大物，全機共使用了18000多個電子管，1500多個繼電器，占地167平方公尺。ENIAC的運算速度達到每秒鐘5000次，這是劃時代的“高速度”。特別是采取了普林斯頓大學數(shù)學教授馮諾依曼“存儲程序”的建議，即把計算機程序與數(shù)據(jù)一起存儲在計算機中，從而可以方便地返回到前面地指令或反復執(zhí)行，解決了ENIAC在操作上地不便。 ENIAC的誕生，開創(chuàng)了第一代電子計算機地新紀元。 1953年，IBM公司生產(chǎn)了第一臺商業(yè)化的計算機IBM701。隨后，IBM公司共計生產(chǎn)了19臺這種型號的計算機，滿足了當時的需要。,第一代計算機的共同特點是：邏輯器件使用電

6、子管；用穿孔卡片機作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設備；用磁鼓或磁帶作為外存儲器；使用機器語言編程。雖然第一代計算機的體積大、速度慢、能耗高、使用不便且經(jīng)常發(fā)生故障，但是它一開始就顯示了強大的生命力。,2第二代計算機（19581964）,第二代計算機的主要特點是：用晶體管代替了電子管；內存儲器采用了磁心體；引入了變址寄存器和浮點運算硬件；利用了I/O處理機提高了輸出能力；在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并且推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級程序設計語言及相應的編譯程序。,由于第二代計算機使用了晶體管，與第一代計算機相比，它的體積小、速度快、能耗低、可靠性高。由于高級程序設計語言的

7、廣泛使用，將計算機從少數(shù)專業(yè)人員手中解放出來，成為廣大科技人員都能夠使用的工具，推進了就計算機的普及與應用。 這個時期典型的計算機有IBM公司生產(chǎn)的IBM7094和CDC(Control Data Corporation，控制數(shù)據(jù)公司)生產(chǎn)的CDC1640計算機等。,3第三代計算機（19651971）,1958年，第一個集成電路（integrated circuit，IC）問世。 所謂集成電路是將大量的晶體管和電子線路組合在一塊硅晶片上，故又稱其為芯片。小規(guī)模集成電路每個芯片上的元件數(shù)為100個以下，中規(guī)模集成電路每個芯片上則可以集成10010000個原件。 1965年，DEC（Digital

8、 Equipment Corporation，數(shù)字設備公司）推出了第一臺商業(yè)化的使用集成電路為主要器件的小型計算機PDP8，從而開創(chuàng)了計算機發(fā)展史上的新紀元。,第三代計算機的共同特點是：用小規(guī)?；蛑幸?guī)模的集成電路來代替晶體管等分立元件；用半導體存儲器代替磁心存儲器；使用微程序設計技術簡化處理機的結構；在軟件方面則廣泛引入多道程序、并行處理、虛擬存儲系統(tǒng)以及功能完備的操作系統(tǒng)，同時還提供了大量的面向用戶的應用程序。 典型的第三代計算機是IBM公司的IBM360和370系列，DEC的PDPX系列等。這些類型的計算機在應用中曾經(jīng)發(fā)揮了重要作用。,4第四代計算機（1972-1980）,第四代計算機最為

9、顯著的特征是使用了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。大規(guī)模集成電路（large scale integration，LSI）每個芯片上則可以集成10000個以上的元件。此外，使用了大容量的半導體存儲器作為內存儲器；在體系結構方面進一步發(fā)展了并行處理、多機系統(tǒng)、分布式計算機系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)；在軟件方面則推出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)以及軟件工程標準等。,在第四代計算機中要算微型計算機最為引人注目了。微型計算機的誕生是超大規(guī)模集成電路應用的直接結果。 1975年，第一臺商業(yè)化的微型計算機MITSAltair問世，它使用了Inter公司的8080芯片。不過，當時的微型計算機并未形成主流，僅僅是

10、面向計算機業(yè)余愛好者而已。 1977年蘋果計算機公司成立，并先后成功開發(fā)了“APPLE-1”和“APPLE-II”型的微型計算機系統(tǒng)，使得蘋果計算機公司成為微型計算機市場的主導力量之一。 1980年IBM公司與微軟公司合作，為個人微型計算機IBMPC配置了專門的操作系統(tǒng)，1981年IBMPC機問世。此后許多廠商陸續(xù)生產(chǎn)了現(xiàn)在稱之為IBM兼容機的類似產(chǎn)品。,時至今日，奔騰系列微處理器應運而生，使得現(xiàn)在的微型計算機體積越來越小、性能越來越強、可靠性越來越高、價格越來越低、應用范圍越來越廣。出現(xiàn)了筆記本和掌上型等超微型計算機。 完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(fā)工具和商品化的應用程序的大量涌現(xiàn)，通信技術

11、和計算機網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，使得計算機進入了一個大發(fā)展階段。,5第五代計算機（1981至今）,第五代計算機尚在研制之中，而且進展比較緩慢。第五代計算機的研究目標是試圖打破計算機現(xiàn)有的體系結構，使得計算機能夠具有像人那樣的思維、推理和判斷能力。也就是說，第五代計算機的主要特征是人工智能，它具有一些人類智能的屬性，例如自然語言理解能力、模式識別能力和推理判斷能力等。,計算機的發(fā)展趨勢 當前計算機的發(fā)展趨勢概括為四化：巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化。 微型化 芯片的集成度越來越高，計算機的元器件越來越小，而使得計算機的計算速度快、功能強、體積小、價格低。 巨型化 為了滿足尖端科學技術、軍事、氣象等領域的

12、需要，計算機也必須向超高速、大容量、強功能的巨型化發(fā)展。巨型機的發(fā)展集中體現(xiàn)了計算機技術的發(fā)展水平。, 網(wǎng)絡化 計算機網(wǎng)絡可以實現(xiàn)資源共享。資源包括了硬件資源，如存儲介質、打印設備等，還包含軟件資源和數(shù)據(jù)資源，如系統(tǒng)軟件、應用軟件和各種數(shù)據(jù)庫等。 智能化 智能化是未來計算機發(fā)展的總趨勢。這種計算機除了具備現(xiàn)代計算機的功能之外，還要具有在某種程度上模仿人的推理、聯(lián)想、學習等思維功能，并具有聲音識別、圖像識別能力。,1. 巨型機：運算速度快，每秒可達1億次以上。 2. 大中型機：運算速度在100萬幾千萬次/秒， 3. 小型機：結構簡單、規(guī)模較小、操作簡單。 4. 微型機：體積小、價格低、功能全、操

13、作方便。 5.工作站：易于聯(lián)網(wǎng)、有大量內存、配置大屏幕顯示 器和較強的網(wǎng)絡通信功能。 6. 服務器：提供服務的共享設備。 7. 網(wǎng)絡計算機：網(wǎng)絡環(huán)境下的終端設備。,計算機的分類,（1）巨型計算機 指其運算速度每秒超過1億次的超大型的計算機，該類計算機主要應用于復雜的科學計算及軍事等專門的領域。例如，由我國研制的“銀河”,“曙光”和“神州”系列計算機就屬于這種類型。,（2）大中型計算機 該類計算機也具有較高的運算速度，每秒鐘可以執(zhí)行幾千萬條指令，并具有較大的存儲容量以及較好的通用性，但價格較貴，通常被用來作為銀行、鐵路、石油等大型應用系統(tǒng)中的計算機網(wǎng)絡的主機來使用。,（3）小型計算機 該類計算機

14、的運算速度和存儲容量略低于大中型計算機，但與終端和各種外部設備連接比較容易，適合于作為聯(lián)機系統(tǒng)的主機，或者工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制。,（4）微型計算機 微型計算機使用大規(guī)模集成電路芯片制作微處理器、存儲器和接口，并配置相應的軟件，從而構成完整的微型計算機系統(tǒng)。它的問世在計算機的普及與應用中發(fā)揮了重大的推動作用。 如果把這種微型計算機制作在一塊印刷線路板上，則稱其為單板機。如果在一塊芯片中包含有微處理器、存儲器和接口等微型計算機的最基本的配置，則這種芯片稱為單片機。,（5）工作站 由高性能的微型計算機系統(tǒng)、輸入輸出設備以及專門軟件組成,適合于某些特殊用途。 例如，圖形工作站包括高性能的主機、掃描儀

15、、繪圖儀、數(shù)字化儀、高精度的屏幕顯示器、其他通用的輸入輸出設備以及圖形處理軟件，它具有很強的對圖形進行輸入、處理、輸出和存儲的能力，在工程設計和多媒體信息處理中有廣泛的應用。,（6）服務器 一種在網(wǎng)絡環(huán)境下為多個用戶提供服務的共享設備?？煞譃槲募掌?、通信服務器、打印服務器等。 （7）網(wǎng)絡計算機 它是一種在網(wǎng)絡環(huán)境下使用的終端設備，其特點是內存容量大、顯示器的性能高、通信功能強，但本機中不一定配置外存，所需要的程序和數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡的服務器中。,計算機是一種能快速、高效地對各種信息進行存儲和處理的電子設備。 具有以下幾個特征： 運算速度快 精確度高，可靠性好 具有記憶能力和邏輯運算能力 能自動

16、執(zhí)行命令 高性能的實時通信和交流能力 信息表達形式的直觀性和使用的方便性,計算機的特點,第一章計算機系統(tǒng)簡介,計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程 計算機系統(tǒng)的應用 數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中的表示方法,1科學計算 2數(shù)據(jù)處理 3實時控制 4人工智能 5計算機輔助工程,1.2 計算機的應用領域,6娛樂與文化教育 7產(chǎn)品藝術造型設計 8計算機通信 9電子商務,1科學計算,所謂科學計算是指使用計算機來完成科學研究和工程技術中所遇到的數(shù)學問題的計算，又稱為數(shù)值計算。 在科學研究和工程技術中通常要將實際問題歸結為某一數(shù)學模型，這些數(shù)學模型內容復雜、計算量大、要求的精度高，只有以計算機為工具來計算才能快速地取得滿意地結果。諸如

17、天氣預報、宇宙飛船和火箭的發(fā)射與控制、人造衛(wèi)星的研制、原子能的利用、生命科學、材料科學、海洋工程等現(xiàn)代科學技術研究成果無一不是在計算機地幫助下才取得的。,2數(shù)據(jù)處理,所謂數(shù)據(jù)處理即使計算機對數(shù)據(jù)進行輸入、分類、加工、整理、合并、統(tǒng)計、制表、檢索以及存儲等，是計算機又一重要的應用領域。在當今信息化的社會中，每時每刻都在生成大量的信息，只有利用計算機才能管理和充分利用浩如煙海的信息。 例如,利用數(shù)據(jù)庫技術開發(fā)的管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)等,可大大提高企業(yè)或政府部門的現(xiàn)代化管理水平。,3實時控制,所謂實時控制是指及時地采集檢測數(shù)據(jù)、使用計算機快速地進行處理并自動地控制被控對象的動作，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自

18、動化。此外，在計算機應用于實時控制中還具有故障檢測、報警和診斷等功能。 在鋼鐵、石油、化工、制造業(yè)等工業(yè)企業(yè)都需要進行實時控制，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。,4人工智能,所謂人工智能是由計算機來模擬或部分模擬人類的智能。傳統(tǒng)的計算機程序雖然具有邏輯判斷的能力，但它只能執(zhí)行人預先設計好的動作，而不能像人類那樣進行思維。例如專家系統(tǒng)屬于人工智能的應用范疇，但現(xiàn)在的專家系統(tǒng)還遠不能具備像人類那樣的分析問題、解決問題的能力。 計算機應用于人工智能研究的主要領域包括：自然語言理解、專家系統(tǒng)、機器人、機器學習、定理自動證明等。,5計算機輔助工程,計算機輔助工程包括計算機輔助設計（computeraided

19、design，CAD） 計算機輔助制造（computeraided manufacturing，CAM） 計算機集成制造系統(tǒng)（computerintegrated manufacturing system，CIMS）,計算機輔助設計（CAD）利用計算機的計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理以及繪圖等功能與人的經(jīng)驗和判斷能力相結合，共同完成各種產(chǎn)品或者工程項目的設計工作，實現(xiàn)設計過程的自動化或半自動化。 計算機輔助制造（CAM）使用計算機輔助人們完成工業(yè)產(chǎn)品的制造任務。從對設計文檔、工藝流程、生產(chǎn)設備等的管理，到對加工與生產(chǎn)裝置的控制和操作，都可以在計算機的輔助下完成。 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）將計算

20、機技術集成到制造工廠的整個制造全過程中，使企業(yè)內的信息流、物流、資金流和人員活動形成了一個統(tǒng)一協(xié)調的整體。CIMS的對象是制造業(yè)。,6娛樂與文化教育,隨著計算機技術、多媒體技術、動畫技術以及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，使得計算機能夠以圖像與聲音的集成形式向人們提供最新的娛樂和游戲的方式。在計算機上可以觀看影視節(jié)目，播放歌曲和音樂等。許多影視節(jié)目、歌曲、和音樂也可以從計算機網(wǎng)絡上下載，供人們欣賞。,計算機的應用教育,計算機的應用電子郵件,計算機的應用搜索引擎,計算機的應用網(wǎng)上購物,計算機的應用網(wǎng)上購票,計算機的應用網(wǎng)上書店,計算機的應用網(wǎng)上書店,計算機的應用網(wǎng)上聊天,計算機的應用游戲,第一章計算機系統(tǒng)簡

21、介,計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程 計算機系統(tǒng)的應用 數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中的表示方法,1數(shù)制定義 用一組固定的數(shù)字和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目的方法稱為數(shù)制。數(shù)制有進位計數(shù)制與非進位計數(shù)制之分，目前一般使用進位計數(shù)制。 計算機中常使用二進制、十進制、八進制、十六進制等。,1.3 數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中的表示方法,2十進制數(shù),十進制數(shù)的數(shù)碼為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10個，進數(shù)規(guī)則為逢十進一，借一當十。,3二進制數(shù),二進制數(shù)的數(shù)碼為0、1共2個，進數(shù)規(guī)則為逢二進一，借一當二。,4八進制數(shù),八進制數(shù)的數(shù)碼為0、1、2、3、4、5、6、7共8個，進數(shù)規(guī)則為逢八進一，借一當八。,十六進制數(shù)的數(shù)碼為0、1

22、、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共16個，其中數(shù)碼A、B、C、D、E、F分別代表十進制數(shù)中的10、11、12、13、14、15，進數(shù)規(guī)則為逢十六進一，借一當十六。,5十六進制數(shù),數(shù)據(jù)的表示,二進制數(shù)據(jù),將一個十進制數(shù)轉換為二進制、八進制、十六進制數(shù)時，其整數(shù)部分和小數(shù)部分分別用“除R取余法”和“乘R取整法”轉換，然后將結果加小數(shù)點三部分合在一起（R為某進制的基數(shù)）。 轉換規(guī)則如下： 整數(shù)部分：用除R取余法轉換。將十進制的整數(shù)部分除以R，得到一個商數(shù)和余數(shù)；再將這個商數(shù)除以R，又得到一個商數(shù)和余數(shù)；反復執(zhí)行這個過程，直到商為0為止。將每次所得的余數(shù)從后往前讀（先得的余數(shù)為

23、低位，后得的余數(shù)為高位）即為等值的二進制數(shù)。,十進制數(shù)換算成二進制、八進制、十六進制數(shù),數(shù)制換算,十進制數(shù)-二進制數(shù)(0,1) (方法:除2取余) 舉例: (23)10 = (10111)2 二進制數(shù)-十進制數(shù) 舉例: (10111) 2 = (1*24+0*23+1*22+1*21+1*20 ) 10 = (23) 10 二進制數(shù)-八進制數(shù)(0,1,2,3,4,5,6,7) 舉例: (1101010111) 2 = (1,101,010,111) 2 = (1527) 8 = (1*83+5*82+2*81+7*80 ) 10= (855) 10,二進制數(shù)-十六進制數(shù)(0,1,2,3,4,5

24、,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f) 舉例: (1111010111) 2 = (11,1101,0111) 2 = (3d7) 16 = (3*162+13*161+7*160 ) 16= (983) 10 八進制數(shù)-二進制數(shù) 舉例: (1527) 8 =(001,101,010,111) 2 十六進制數(shù)-二進制數(shù) 舉例: (3d7) 16 = (0011,1101,0111) 2 開始-程序-附件-計算器-查看(科學型),小數(shù)部分：用乘R取整法轉換。將小數(shù)部分乘以R，記下乘積的整數(shù)部分，再用余下的純小數(shù)部分乘以R，記下乘積的整數(shù)部分；不斷重復此過程，直至乘積小數(shù)部分為0或已滿足要求的

25、精度為止。將所得各乘積的整數(shù)部分順序排列（先得的整數(shù)為高位，后得的整數(shù)為低位）即可。, 用乘2取整法將小數(shù)部分(0.6875)10轉換為二進制形式： 0. 6875 2 1.3750 整數(shù)部分為1 高位 0. 3750 2 0. 7500 整數(shù)部分為0 0. 7500 2 1. 5000 整數(shù)部分為1 0. 5000 2 1. 0000 整數(shù)部分為1 低位,即：(0.6875)10 = (0.1011)2, 整數(shù)部分與小數(shù)部分合并，可得：(35.6875)10 = (100011.1011)2 注意： 在上例中，將十進制小數(shù)轉換成為二進制小數(shù)的過程中，乘積小數(shù)部分變成“0”，表明轉換結束。實際上將十進制小數(shù)轉換成二進制、八進制、十六進制小數(shù)過程中小數(shù)部分可能始終不為零，因此只能限定取若干位為止。 將十進制數(shù)轉換為八進制、十六進制數(shù)的規(guī)則和方法與之相同，只是R（基數(shù)）的取值不同。,二進制數(shù)與八進制、十六進制數(shù)間的轉換,因為23=8，24=16， 所以，一位十六進制數(shù)可由四