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1、第一章第一章 计算机基础知识计算机基础知识本章学习要点：本章学习要点： 概述概述 计算机中信息的表示与编码计算机中信息的表示与编码1.1 概述概述1.1.1 计算机的产生计算机的产生1. ENIAC l 美国宾夕法尼亚大学在美国宾夕法尼亚大学在1946年年2月月14日研发出了世界上第一台电子日研发出了世界上第一台电子数字计算机，其目的是用于计算非常复杂的弹道非线性方程组。这台数字计算机，其目的是用于计算非常复杂的弹道非线性方程组。这台机器被命名为机器被命名为“ENIAC”，即，即电子数字积分计算机电子数字积分计算机，如图，如图1-1所示。所示。图图1-1 电子数字积分计算机电子数字积分计算机E
2、NIAC l ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机史上具有跨时代奠定了电子计算机的发展基础，在计算机史上具有跨时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的正式到来，它与现代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的正式到来，它与现代PC的比较如图的比较如图1-2所示。所示。 图图1-2 ENIAC与现代与现代PC比较比较2冯冯诺依曼与诺依曼与EDVAC方案方案 1945年年6月，数学家月，数学家冯冯诺依曼诺依曼（如图（如图1-3所示）发表了所示）发表了EDVAC（如（如图图1-4所示）方案，这就是著名的所示）方案，这就是著名的“冯冯诺依曼原理诺依曼原理” ，他的观点有，他的观点有以下一些。
3、以下一些。 l 计算机应由计算机应由5个部分个部分组成，包括：运算器、控制器、存储器、输组成，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。入设备和输出设备。 l 采用采用二进制二进制机器码进行存储和计算。机器码进行存储和计算。 l 存储程序存储程序控制方式控制方式 ，即把数据和运算指令存放在同一存储器中，即把数据和运算指令存放在同一存储器中，计算机按照程序事先编排的顺序一步一步地取出运算指令，实现自计算机按照程序事先编排的顺序一步一步地取出运算指令，实现自动计算，即存储程序控制方式。动计算，即存储程序控制方式。图图1-3 冯冯诺依曼（诺依曼（19031957年）年） 图图1-4 世界上第
4、一台冯世界上第一台冯诺依曼机诺依曼机EDVAC 1.1.2 计算机的发展计算机的发展1. 电子计算机发展的四个阶段电子计算机发展的四个阶段 根据计算机采用物理元器件的不同如图根据计算机采用物理元器件的不同如图1-5所示，可将电子计算所示，可将电子计算机的发展主要划分为以下机的发展主要划分为以下4个阶段。个阶段。图图1-5 计算机中采用的物理元器件计算机中采用的物理元器件 l 每秒运算速度仅为每秒运算速度仅为几千次几千次，运算速度低，运算速度低，l 体积庞大、造价昂贵、可靠性差、内存容量小，主要用于军事体积庞大、造价昂贵、可靠性差、内存容量小，主要用于军事和科学计算。和科学计算。 （2）第二代（
5、）第二代（19591964）：晶体管计算机）：晶体管计算机 （1）第一代（）第一代（19461958）：电子管计算机）：电子管计算机l 采用采用电子管电子管作为计算机的逻辑元器件，使用水印延迟线、阴极作为计算机的逻辑元器件，使用水印延迟线、阴极射线管等材料制作主存储器，利用穿孔卡作为外部存储设备射线管等材料制作主存储器，利用穿孔卡作为外部存储设备 ；l 采用采用晶体管晶体管作为计算机的逻辑元器件，主存储器采用作为计算机的逻辑元器件，主存储器采用磁芯磁芯存储器，存储器，利用磁鼓和磁盘作为辅助存储器；利用磁鼓和磁盘作为辅助存储器； l 运算速度达每秒几万至几十万次，内存容量增至几十运算速度达每秒几
6、万至几十万次，内存容量增至几十KB；l 体积、耗电量、热量都大大降低，可靠性和计算机能力则大为提体积、耗电量、热量都大大降低，可靠性和计算机能力则大为提高。高。l 出现了出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统初等高级语言。操作系统初步成型，使计算机的使用方式由手动操作改变为自动作业。步成型，使计算机的使用方式由手动操作改变为自动作业。 （3）第三代（）第三代（19651970）：中小规模集成电路计算机）：中小规模集成电路计算机 l 采用采用中、小规模集成电路中、小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，使用硅作为计算机的逻辑元器件，使用硅半半导体导体制造主存储器；制造主存
7、储器； l 运算速度可达每秒几十万次到几百万次运算速度可达每秒几十万次到几百万次 ，内存容量增至几，内存容量增至几MB； l 计算机体积更小、耗电量更低、价格更低、可靠性更强；计算机体积更小、耗电量更低、价格更低、可靠性更强；l 软件逐步完善，高级程序语言有了很大的发展，操作系统日臻完软件逐步完善，高级程序语言有了很大的发展，操作系统日臻完善，数据库管理系统、通信处理系统等也相继出现，计算机的使用善，数据库管理系统、通信处理系统等也相继出现，计算机的使用效率显著提高，开始广泛应用于各个领域。效率显著提高，开始广泛应用于各个领域。（4）第四代（）第四代（1971至今）：大规模、超大规模集成电路计
8、算机至今）：大规模、超大规模集成电路计算机l 采用采用大规模集成电路大规模集成电路（LSI）和）和超大规模集成电路超大规模集成电路（VLSI）技术）技术微处理器和微型计算机应运而生；微处理器和微型计算机应运而生；l 计算机的体积和成本越来越小，容量越来越大，运算速度越来快计算机的体积和成本越来越小，容量越来越大，运算速度越来快可达每秒上千万次至上亿次；可达每秒上千万次至上亿次； l IBM公司团队开发完成了世界上首款个人电脑公司团队开发完成了世界上首款个人电脑IBM PC 5150，掀，掀开了改变世界历史性的一页；开了改变世界历史性的一页；l 操作系统开始采用操作系统开始采用图形界面图形界面，
9、计算机具有了多媒体处理能力，除，计算机具有了多媒体处理能力，除使用原先的高级语言之外还推广使用原先的高级语言之外还推广面向对象面向对象的程序设计语言，各种应的程序设计语言，各种应用软件也层出不穷。用软件也层出不穷。2. 下一代计算机下一代计算机 硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越接近其物理硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越接近其物理极限，为此世界各国的研究人员正在加紧研究开发下一代计算机，极限，为此世界各国的研究人员正在加紧研究开发下一代计算机，俗称第俗称第5代计算机，主要体现在：代计算机，主要体现在： l 量子计算机量子计算机 l 神经网络计算机神经网络计算机 l 生化计
10、算机生化计算机 l 光子计算机光子计算机 3. 计算机的未来计算机的未来计算机未来的发展趋势可大致总结为以下几点：计算机未来的发展趋势可大致总结为以下几点：l 多极化多极化l 智能化智能化l 网络化网络化l 虚拟化虚拟化1.1.3 计算机的特点计算机的特点计算机的特点可概括为以下几点。计算机的特点可概括为以下几点。1高度自动化高度自动化 计算机可以不需要人工干预而自动、协调地完成各种运算或操计算机可以不需要人工干预而自动、协调地完成各种运算或操作。这是因为人们将需要计算机完成的工作预先编成程序并存储作。这是因为人们将需要计算机完成的工作预先编成程序并存储在计算机中，使计算机能够在程序控制下自动
11、完成工作。在计算机中，使计算机能够在程序控制下自动完成工作。 2运算速度快运算速度快 计算机运算部件采用半导体电子元件，具有数学运算和逻辑运计算机运算部件采用半导体电子元件，具有数学运算和逻辑运算能力，而且运算速度很快，例如目前超级计算机的运算速度可算能力，而且运算速度很快，例如目前超级计算机的运算速度可达每秒千万亿次，从而极大地提高了人们的工作效率达每秒千万亿次，从而极大地提高了人们的工作效率 3计算精度高计算精度高 计算机内用于表示数的位数越多，其计算精度就越高，有效位计算机内用于表示数的位数越多，其计算精度就越高，有效位数可为十几位、几十位甚至达到几百位。数可为十几位、几十位甚至达到几百
12、位。4存储能力强存储能力强 计算机中拥有容量很大的存储设备，可以存储所需要的原始数计算机中拥有容量很大的存储设备，可以存储所需要的原始数据信息、处理的中间结果和最后结果，还可以存储指挥计算机工据信息、处理的中间结果和最后结果，还可以存储指挥计算机工作的程序指令。作的程序指令。 5逻辑判断能力强逻辑判断能力强 计算机具有逻辑推理和判断能力，可以替代人脑的部分工作，计算机具有逻辑推理和判断能力，可以替代人脑的部分工作，随着计算机的不断发展，这种判断能力还在增强，人工智能型的随着计算机的不断发展，这种判断能力还在增强，人工智能型的计算机将具有思维和学习能力。计算机将具有思维和学习能力。 6. 人机交
13、互性好人机交互性好 用户可通过图形化的窗口、界面，以及鼠标、键盘、显示器等用户可通过图形化的窗口、界面，以及鼠标、键盘、显示器等输入输入/输出设备完成对计算机的控制管理。输出设备完成对计算机的控制管理。7通用性好通用性好 当前人类社会的各种信息都可以表示为二进制的数字信息，都能当前人类社会的各种信息都可以表示为二进制的数字信息，都能被计算机存储、识别和处理，计算机既能进行数值计算，又能对各被计算机存储、识别和处理，计算机既能进行数值计算，又能对各种非数值信息进行处理，使它能应用于各行各业，渗透到人们的工种非数值信息进行处理，使它能应用于各行各业，渗透到人们的工作、学习和生活等各个方面，具有极强
14、的通用性。作、学习和生活等各个方面，具有极强的通用性。 1.1.4 计算机的分类计算机的分类 结合计算机的用途、费用、规模和性能等综合因素，其类型大致结合计算机的用途、费用、规模和性能等综合因素，其类型大致可分为以下几类：可分为以下几类： 1巨型计算机巨型计算机2大、中型计算机大、中型计算机3小型计算机小型计算机4个人计算机个人计算机5工作站工作站6嵌入式计算机嵌入式计算机返回本节首页返回本节首页返回本章首页返回本章首页1.1.5 计算机的应用计算机的应用 计算机最初的应用是科学计算，后来随着计算机技术的发展，计算机计算机最初的应用是科学计算，后来随着计算机技术的发展，计算机的应用领域也日益广
15、泛。归纳起来，主要表现在以下几个方面。的应用领域也日益广泛。归纳起来，主要表现在以下几个方面。1科学计算科学计算2信息管理信息管理3过程控制过程控制4辅助工程辅助工程5人工智能人工智能6多媒体应用多媒体应用7网络通信网络通信1.2 计算机中信息的表示与编码计算机中信息的表示与编码1.2.1 数制及其转换数制及其转换 计算机中存储的信息分为计算机中存储的信息分为数值信息数值信息和和非数值信息非数值信息，这些信息都是，这些信息都是以二进制代码的形式存储和处理的。以二进制代码的形式存储和处理的。图图1-6 信息的分类与表现形式信息的分类与表现形式 1数制及其属性数制及其属性（1）数制）数制 数制是一
16、种表示及计算数的方法。日常生活中，我们习惯用十进制数制是一种表示及计算数的方法。日常生活中，我们习惯用十进制记数，在计算机中表示和处理数据常用记数，在计算机中表示和处理数据常用二进制二进制、八进制八进制和和十六进制十六进制。 （2）数制的）数制的3个属性个属性l 基数基数：指数制中所用到的数码符号的个数。：指数制中所用到的数码符号的个数。 l 计数规则计数规则：指数制的进位和借位规则。：指数制的进位和借位规则。 l 位权位权：不同位置上的：不同位置上的1的所表示的数值大小即为该位的位权。的所表示的数值大小即为该位的位权。 2常用数制介绍常用数制介绍（1）十进制数（）十进制数（Decimal）l 基数为基数为10，用，用09 十个不同的基本数码符号构成；十个不同的基本数码符号构成；l 逢十进一，借一当十；逢十进一，借一当十； l 整数部分第整数部分第i位的位权位的位权10 i 1 ，小数部分第，小数部分第j位的位权位的位权10 jl 在十进制数的后面用大写字母在十进制数的后面用大写字母D标示，如：（标示，如：（120.45）D （2）二进制数（）二进制数（Binary）l 基数为基数为2
