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1、第1章 计算机基础知识,1.1 计算机的发展与应用 1.2 数据在计算机内的表示 1.3 信息编码 1.4 计算机的工作原理,第1章 计算机基础知识,计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。计算机诞生半个多世纪以来，无论是计算机技术本身，还是计算机的应用，都得到了飞速发展。目前，计算机不仅广泛应用在工业、农业、国防和科学技术等诸多领域，还不断渗透到人们日常生活的各个方面。计算机的广泛应用，已经引起人类社会的巨大变革，并将继续推动人类社会的迅猛发展。 近十几年来，计算机逐渐被称为一种文化（计算机文化，Computer Literacy，该词起源于1981年召开的第三届世界计算机教育会议，是该次大会
2、的讨论主题），或称“第二文化”，与其相比，传统文化则被称为“第一文化”。这里，文化是指与特定时代、技术和生活习惯相联系的人类文明，而将计算机视为一种文化，也说明了计算机在人类文化领域中所起的作用及其对技术进步、经济发展和社会进化等各个方面所产生的巨大影响。,1.1 计算机的发展与应用,1.1.1 计算机的产生 1.1.2 计算机的发展历史 1.1.3 计算机的新发展 1.1.4 计算机的应用,1.1.1 计算机的产生,世界上第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，称为电子数字积分计算机）1946年2月诞生于美国。该机
3、采用电子管作为计算机的基本部件，共用了18800个电子管、10000只电容和7000个电阻，重达30吨，占地170平方米，是一个名副其实的“庞然大物”。 ENIAC是第一台正式投入运行的计算机，它的运算速度可达每秒5000次（加减法），过去100名工程师花费一年时间才能解决的计算问题，利用ENIAC只需两小时即可解决，这使工程师们摆脱了繁重的计算工作。不过，ENIAC计算机与现代计算机相比，存在较大差异，并且不具有“机内存储程序”功能，其计算过程需要在计算机外通过开关和接线来安排。不久，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Von Neumman）提出了“存储程序式计算机”的模式，并主持研制了名为EDVA
4、C的计算机，该机采用二进制代替十进制，并将指令存入计算机内部，这恰恰是现代计算机所采用的工作模式，人们称这种计算机为冯氏机。,1.1.2 计算机的发展历史,从ENIAC诞生到现在，根据计算机所采用的物理器件不同，计算机的发展可划分为四个时代：电子管时代、晶体管时代、固体电路时代和大规模集成电路时代。,1. 第一代计算机（1946年至1955年）,继ENIAC之后，陆续出现了一批著名的计算机，它们的特征是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管和水银延迟线作为主存储器，外存则依赖纸带、卡片等。这些计算机的计算速度每秒可达几千至几万次，程序设计则使用机器语言或汇编语言。这一代计算机的代表是UNIVAC
5、-I，有一定批量生产的计算机是IBM公司的IBM701（1952年）及后续的IBM703，IBM704等。,2. 第二代计算机（1955年至1964年）,使用晶体管或半导体作为开关逻辑部件，使其具有体积小、耗电少和寿命长等优点，且运算速度有所提高。第一台名为UNIAC-的全晶体管计算机于1955年问世，较有代表性的则是IBM公司的7090，7094等大型计算机以及CDC公司的CDC1604计算机。 在这一时期，程序设计方面使用了高级语言，如FORTRAN语言、COBOL语言等，使程序设计工作得到大幅度简化。,3. 第三代计算机（1964年至1970年）,这一代计算机的特征是采用中、小规模集成电
6、路（简称IC）代替分立元件的晶体管。在几平方毫米的单晶体硅片上，可以集成几十个甚至几百个电子器件组成的逻辑电路。除具有体积小、重量轻、功耗低、稳定性好等方面的优点外，运算速度每秒可达几十万至几百万次。在软件方面，操作系统日趋成熟，且软件的兼容性得到考虑。较有代表性的计算机则是CDC公司的CYBER系列，DEC公司的PDP-11和VAX系列等。,4. 第四代计算机（1971年至现在）,以大规模集成电路为计算机的主要功能部件，具有更高的集成度、运算速度和内存储器容量。1971年，Intel公司研制成功第一代4位的微处理器4004和8位的微处理器8088，这使微型计算机迅速地发展起来。在随后的10年
7、间，微处理器也由第一代发展到了第四代。,事实上，计算机的发展在不同的时期并不是均衡的。例如，第四代计算机发展至今已30余年，前三代计算机所用总和不过25年。为了反映近年来计算机技术的飞速发展和计算机的广泛应用，较新的年代划分方法是将计算机的整个发展历史概括为三个阶段： 1. 超、大、中、小型计算机阶段（1946年至1980年）：计算机应用主要集中在超、大、中、小型计算机方面，开创了用机器劳动代替脑力劳动的新纪元。 2. 微型计算机阶段（1981年至1991年）：计算机应用以微机为中心，PC机逐渐普及，计算机从被少数人拥有逐步发展成为大众型的产品。 3. 计算机网络阶段（1991年至现在）：微机
8、在局部区域（如一个大楼内）、广阔区域（如一个城市）乃至全球范围内联成网络。借助微机网络，实现资源共享的目的。,1.1.3 计算机的新发展,“未来型计算机”包括如下几种： 1. 人工神经网络计算机。具有逻辑思维、知识表示和推理能力，能模拟人的分析、决策、计划等智能活动，人机之间具有自然通信能力等。 2. 生物计算机。生物计算机将生物工程技术产生的蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，该芯片不仅具有巨大的存储能力，且以波的形式传送信息，具有自调节、自修复和自再生能力，易于模拟人脑的功能。 3. 光子电脑。目的是利用光子代替电子、光互连代替导线互连的全光数字电脑。加之光子电脑以光部件代替电子部件，以光运
9、算代替电子运算，故可使其运算速度比现代计算机快上千倍。,1.1.4 计算机的应用,目前，计算机的应用已经深入到人类社会的各个领域和国民经济的各个部门，并使信息产业以史无前例的速度持续增长。从世界范围看，计算机的应用程度已经成为衡量一个国家现代科技发展水平的重要标志。 20世纪50年代，计算机主要应用于科学计算。60年代，计算机的应用扩展到军事、交通和工业的实时控制与金融领域的数据处理方面。70年代，一些中、小企业和事业单位采用计算机进行工业控制和事务管理，包括计算机辅助设计和数据库管理等。进入80年代以后，计算机的应用已经逐渐普及到各行各业，包括办公和家用等各个方面。 计算机的应用包括传统应用
10、和现代应用两方面。,1. 传统应用,（1） 科学计算。这是计算机的原始应用，也是计算机产生的直接原因。 事实上，计算机最初产生时的名字是Calculator，以后更名为Computer，随着计算机应用的日益广泛，又被称为“电脑”。 （2）数据处理。直到今天，数据处理仍然是计算机应用的一个重要领域。 据统计，用于数据处理的计算机机时约占全部计算机应用的2/3。 （3）自动控制。该过程的实质是指计算机汇集现场有关数据信息，求出它们与设定值的偏差，产生相应的控制信号，对受控对象进行控制和调整。 计算机用于生产过程的自动控制，可以有效地提高劳动生产率，降低成本，提高产品质量。 此外，计算机还广泛用于交
11、通调度与管理、卫星通信和导弹飞行控制中。,2. 现代应用,（1） 办公自动化。办公自动化简称OA（Office Automation），其目的在于建立一个以先进的计算机和通信技术为基础的高效人-机信息处理系统，使办公人员能够充分利用各种形式的信息资源，全面提高管理、决策和事务处理的效率。 （2） 数据库应用。为了尽量消除重复数据，实现数据共享，人们提出了数据库的思想，并发展成层次、网状和关系型数据库模型，也产生了许多著名的数据库管理软件。借助网络，还可以实现计算机的分布处理，如银行储户可以到就近的储蓄所取款；外出旅行时，可以使用磁卡在当地支取现金；订购车票可以到银行而不一定是火车站的售票处等。
12、数据库管理系统实现了数据输入、检索、统计和报表等一系列功能。,（3）计算机辅助系统。计算机在辅助设计与制造及辅助教学方面发挥着日益重要的作用，也使生产技术和教学方式产生了革命性的变化。 1) 计算机辅助设计（CAD，Computer-Aided Design）。早期的CAD主要是利用计算机代替人工绘图，以提高绘图质量和效率，其后的三维图形显示使设计人员可以从各种角度观察物体的动态立体图，并可进行修改。可以利用计算机生成产品模型代替实物样品，既降低了试制成本，也缩短了研制周期。此类方法也称为计算机辅助工程（CAE）。 2) 计算机辅助制造（CAM，Computer-Aided Manufactu
13、ring）。这方面的典型应用是数控加工，使计算机按已经编制好的程序控制刀具的启、停、运动轨迹和刀具速度及切削深度等进行零件加工。 3) 计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）。其中心思想是将企业的各个生产环节紧密结合，形成集设计、制造和管理为一体的现代化企业生产系统。 4) 计算机辅助教学（CAI，Computer-Aided Instruction）。如多媒体授课中心等设施和计算机辅助教学软件（称为课件），可以获得更好的教学效果。,（4）人工智能。人工智能研究的主要目的是用计算机模拟人的智能，其发展主要有以下几个方面。
14、 1) 机器人。实现类似于人的机器人是人类长期以来的梦想，这是指让机器具有感知和识别能力，能说话和回答问题，称为“智能机器人”。目前，应用比较广泛的是“工业机器人”，它由已经编制好的程序进行控制，完成固定的动作，通常可将其应用在某些重复、危险或人类难以胜任的工作中。 2) 专家系统。专家系统是指用来模拟专家智能的软件系统。该类系统依据事先收集的某些专家的丰富知识和经验，经总结后存入计算机，再构造出相应的推理机制，使该软件可以通过自己的推理和判断，对用户的问题做出回答。目前，专家系统最典型的应用是医疗方面。 3) 模式识别。这部分应用的研究重点是图形和语言识别，可以应用在机器人感觉和听觉、公安部
15、门的指纹分辨、签字辨认等方面。,（5）计算机仿真。计算机仿真的目的是用计算机模拟实际事物。利用计算机模拟自然景物，可以达到十分逼真的效果，现代电影、电视中广泛采用了这些技术。 此外，在20世纪80年代末，出现了综合使用上述技术的所谓“虚拟现实”技术，它可模拟人在真实环境中的视、听、动作等一切（或部分）行为，借助此类技术，飞行员只要在训练座仓中戴上一个头盔，即可看到一个高度逼真的空中环境，产生身临其境的感觉。 （6）计算机网络。网络是指将单一使用的计算机通过通讯线路连接在一起，以便达到资源共享的目的。计算机网络的建立，不仅解决了一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信和网络内各种资源的共享，
16、也极大地促进和发展了国际间的通信和数据的传输处理。事实上，计算机技术、通信技术和网络技术构成了当今信息化社会的三大支柱。,1.2 数据在计算机内的表示,1.2.1 数制的基本概念 1.2.2 二进制系统 1.2.3 数制间的转换 1.2.4 定点数与浮点数,1.2.1 数制的基本概念,1. 十进制数的主要特点： 有十个数码09； 进位方式为逢十进一，或者说其基数是10。 2. 二进制数的主要特点： 有两个数码0和1； 进位方式为逢二进一，基数是2 ，数位k上的权是2k 。 在书写时，为了区分不同的进制数，通常用加下标的方法表示，如(11011)2，(101.1)2，(13.73)10等。如果不使用下标，通常指该数是十进制的。,1.2.2 二进制系统,1.计算机内使用二进制数，主要是基于下述原因： 设计可行性。二进制数只有0和1两个数码，只有两种状态。从实现上看，设计具有两个状态的器件容易实现，如开关的闭合、晶体管的截止和导通、电位电平的低和高等都可以表示数码0和1。可以说，使用二进制才使电子器件的设计更具有可行性。 运算简易性。二进制数具有比十进制数简单得多的运算规则。
