第1章计算机概论2013-10-24-14-07-40.ppt
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1、欢迎大家来到我的课堂,李月寒,第 一 章 计算机基础知识,3,1.1 计算机的产生和发展,4,1.1.1 计算机的问世,1946年2月,世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生,取名为“电子数值积分与计算机(Electronic Numerical Integrator And Calculator)”,简称埃尼亚克(ENIAC),是宾夕法尼亚大学莫克利教授和他的学生埃克特博士为军事目的而研制的。这台计算机占地167m2 ,重达30余吨,运算速度只有5000次/秒。主要应用领域为数值计算。至今人们公认,“ENIAC”的问世,表明了电子计算机时代的到来,具有划时代意义。 在计算机发展过程中
2、,最重要奠基人是被称为计算机之父的美籍匈牙利科学家冯诺依曼和英国科学家艾兰图灵。冯诺依曼首先提出了在电子计算机中存储程序的概念,确立了现代电子计算机硬件的基本结构,即计算机由运算器、控制器、 存储器、输入装置和输出装置五大部件组成,这种结构一直沿用至今。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型,奠定了可计算理论与人工智能的基础。,5,1.1.2 计算机的发展,计算机的发展年代:是根据其硬件的主要元器件划分的,6,微机,1970年左右微型计算机开始出现,微型计算机具有体积小、重量轻、功能强、可靠性高、结构灵活、使用环境要求低、价格低廉等一系列特点和优点,在20世纪80年代得到迅速发展,目前已渗透到我们
3、工作生活各个方面。 微型计算机中最核心的部件是中央处理器CPU ,也称 “芯片”或“微处理器” ,中国自主产权的芯片是“龙芯”,普遍使用的品牌是Intel生产的系列产品,如奔腾、酷睿等。,7,1.1.2 计算机的发展(第5代),计算机技术是目前发展最快的科技领域,正在研究的第5代计算机是一种非冯诺依曼型计算机,完全采用新的工作原理和体系结构,如量子计算机。量子计算机(quantum computer),是一种全新的基于量子理论的计算机,遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态,而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进
4、制状态。 2009年11月15日,世界首台量子计算机正式在美国诞生,其精确度和运算速度是普通电脑望尘莫及的,因此造价相当惊人,离投入使用还会有一段时间。,8,1.1.3 我国计算机的发展,1983年国防科大研制的银河-I亿次巨型计算机,银河-I巨型机是我国高速计算机研制的一个重要里程碑 。 中科院计算所研制成功我国第一款通用CPU“龙芯”。 2002年曙光公司推出完全自主知识产权的“龙腾”服务器。 银河-I巨型计算机的操作系统YHOS是中国研制成功的第一个巨型机操作系统,第一套中文通用操作系统CCDOS于1983年问世,第一套服务器操作系统是麒麟,1989年第一套中文文字处理系统WPS推向市场
5、。中文排版系统、财会系统等行业应用软件和游戏软件进入市场。受国外大公司的冲击,我国在系统软件方面仍然落后于发达国家。,9,1.1.1 计算机的发展(续),. 微型计算机的发展 微型计算机,个人计算机(Personal Computer),PC 微型计算机中最核心的部件是中央处理器CPU ,也称 “芯片”或微处理器 ,中国自主产权的芯片是“龙芯”,普遍使用的是Intel 根据CPU的字长(计算机一次能处理信息的二进制位数)不同,将其发展分为5个阶段。 第一阶段是4位机 第二阶段的标志是Intel研制出的8位字长的微处理器 第三阶段以16位微处理器为主 第四阶段以微处理器发展到32位为标志 (奔腾
6、系列) 第五阶段以64位微处理器为标志 ;多核(酷睿) 字长都是8的倍数,最大的机器字长是64位。,10,1.2 计算机的特点和分类 1.2.1 计算机的特点,1运算速度快、计算精度高 计算机的运算速度是以每秒可执行多少百万条指令(MIPS)来衡量的。其一秒钟完成的计算量,相当于一个人用手工计算几十年的工作量。并且使用计算机可达到较高的精度,例如,对圆周率的计算,数学家经过长期努力只算到小数点后500位,计算机很快即可算到200万位。 2具有很强的“记忆”和逻辑判断能力 计算机的存储器使计算机具有“记忆”的功能,它能够存储大量信息。计算机除了能进行算术运算外,还能进行逻辑运算,做出逻辑判断,并
7、根据判断的结果自动选择后面应执行的操作。在1997年举行的人机国际象棋大战中,名为“深蓝”的超级计算机击败了国际象棋世界冠军。 3工作自动化 计算机的内部操作是根据人们事先编制好的程序自动执行的。从正式操作开始,到输出结果,整个过程都是在程序控制下自动进行的。 4存储容量大 目前的计算机配备了大容量的内存和外存,如目前标准配置的微型机内存容量已达4GB,甚至达到8G;硬盘容量已达500GB,高级达到3TB。 另外,计算机还具有可靠性强、通用性强的特点。,11,1.2.2 计算机的分类,计算机种类很多,分类方法也很多,12,1.2.2 计算机的分类,巨型机是价格最贵,功能最强。高精尖技术代表。我
8、国自主产权巨型机:国防科大研发的银河系,13,1.3 计算机的现代应用和未来发展 1.3.1 计算机的现代应用,1. 数值计算 数值计算是计算机的一个传统应用领域,也是应用最早、最重要的一个应用领域。发明计算机的最基本目的就是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的计算,目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。 2. 信息处理 信息处理是指计算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作。包括办公自动化系统(OA)和管理信息系统(MIS),如生产管理、财务管理、档案管理、情报检索、飞机票订票系统等,已深入到社会各个方面,它是计算机特
9、别是微机的主要应用领域。 3. 自动控制 生产过程的自动控制,是计算机应用中的另一广泛应用领域,即由计算机进行数据搜索、采集,实现自动检测、自动调节和自动控制,其特点是精度高、速度快、反应灵敏。典型的应用领域有:生产过程控制、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等。,14,1.3.1 计算机的现代应用,4. 计算机辅助系统 计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造、辅助测试、计算机模拟等。 (1) 计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design):是利用计算机帮助各类设计人员进行设计的技术,在建筑工程、机械部件、家电产品和服装设计等领域应用非常广泛。 (2) 计
10、算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing):是利用计算机进行生产设备管理、控制和操作的技术,它能提高产品质量、降低成本、缩短生产周期,对经济的发展起着重要的作用。例:在超大规模集成电路的设计和生产过程中,要经过设计制图、照相排版、光刻、扩散、内部连接等复杂工序,采用人工技术难以进行,计算机辅助制造技术则可方便完成。 (3) 计算机辅助教育CAE(Computer Aided Education):包括计算机辅助教学CAI,计算机管理教学CMI。其中CAI是通过人机交互方式代替教师提供丰富的教学资料和进行各种问答式教学。 (4) 计算机辅助测试CAT(Comp
11、uter Aided Test):利用计算机处理大量数据,完成各种复杂的测试工作。 (5) 计算机模拟CS(Computer Simulation):利用计算机模拟进行工程、产品、决策的试验,模拟军事演习及模拟训练。,15,1.3.1 计算机的现代应用,5. 数据通信与网络 计算机通过网络互连,可以实现计算机之间的硬件、软件资源共享,促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理。随着互联网的发展,计算机通信的应用已达到前所未有的境界。其中电子商务是指在Internet上进行的商务交易,它涉及企业和个人的各种形式的基于数字化信息处理和传输的商业活动。 6. 人工智能 人工智能AI(Artifi
12、cial Intelligence)是计算机科学的一个分支,主要目的利用计算机来模拟人的智能,在一定程度上具有“思维”能力。人工智能的应用主要包括:模式识别、专家系统、机器人、智能检索等。 7. 娱乐休闲 计算机越来越广泛地应用于娱乐休闲,从播放多媒体影视和音乐,到计算机游戏,计算机已成为很多家庭必备的娱乐休闲设备。 总之,计算机的应用已非常普及,尤其是网络技术的发展,使得计算机的应用产生了许多新理念,引起了人类社会从经济基础到上层建筑、从生产方式到生活方式的深刻变革。,16,1.3.2 计算机未来的发展方向,1巨型化 巨型机并不是指它体积大,而是指具有高速度、大容量、功能强的计算机系统,在军
13、事、天文、气象及航天等尖端科学以及探索新兴科学时发挥巨大的作用。 2微型化 微型机以它的体积小、功能全、价格低、可靠性高等特点,渗透到社会各个领域中。 3网络化 计算机网络是计算机技术与通讯技术相结合的产物,将分布在不同地点的多台计算机通过通信线路相互连接起来,达到资源共享的目的。 4智能化 要求计算机具有人的智能,能进行逻辑推理和完成判断、决策任务,并且有一定的学习能力。 5多媒体化 多媒体技术是将计算机系统与图形、图像、声音、视频等多种信息媒体结合于一体进行处理的技术。多媒体时代的来临,为人们提供了一个多姿多彩的视听世界。,17,1.4 计算机中常用的数制 1.4.1 进位计数制,1. 进
14、位计数概述 数制,是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。通常数制指的是进位计数制,进位计数制的种类很多,除了常见的十进制,还有六十进制,如60秒为一分钟,十二进制,如12月为一年等。规则:,18,1.4.1 进位计数制,2数码、基数和位权 在进位计数制中有数码、基数和位权三个要素。 (1) 数码 数制中表示基本数值大小的不同数字符号。例如,十进制有10个数码:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。二进制有2个数码:0、1。最大数码是:R-1. (2) 基数 数制所使用数码的个数。例如,二进制的基数为2;十进制的基数为10。基数数制数,19,(3) 位权 每个数符表示的数值等于该数
15、符乘以所在位置相关的常数,这个常数叫位权。 位权由数制和所在位置决定的:Rn-1,R-m,比如十进制数2008.2表示为: 2008= 21000 +0100 + 010 +81+2*0.1 = 2103 + 0102 + 0101 + 8100 +210-1,20,3进位计数制规则,“逢R进一,借一当R”,十进制 R=10 二进制 R=2 十六进制 R=16,21,4进位计数制数字书写 进位计数制数字的几种常见的写法: (1) 数字用括号扩起来再加下标进制的基数,例如(123)10、(3F4)16、(101)2。 (2) 将进制的字母符号B(二进制)、D(十进制)、O(八进制)、H(十六进制
16、)放在数字的后面来表示,例如123D,表示十进制123。,22,1.4.2 常用的进位计数制,1 二进制(Binary),二进制是以“2”为基数,采用“逢二进一”。 数字符号:0、1,例如:1001,011,110,10等。 0 + 0 = 0 , 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 ,1 + 1 = 10,例如,二进制数11010100 ,表示为: 127 + 126 + 025 + 124 + 023 + 122 + 021 + 020,23,1.4.2 常用的进位计数制(续),2 十六进制(Hexadecimal),十六进制以“16”为基数,采用“逢十六进一” 数字符号: 0、1、2
17、、3、4、5、6、7、8、9、 A 、B、C、D、E、F,例如:十六进制数7D4表示为: 7D4(16)= 7 16 2 + 13 16 1+ 4 16 0,24,1.4.2 常用的进位计数制(续),3八进制 八进制数的基数为8,有八个数码:0,1,2,3,4,5,6,7。逢八进一,借一当八,位权是以8为底的幂次方。 例如: (123.24)8 = 182281380281482 = (83.3125)10,25,总结,26,小练习,下面数据是否合法? 1234 (10) 1234 (D) 1234A (10) 2004 (16) ABCD (H) 1234A (16) 2004 (8) 56
18、78 (8) 1234A (O) 1001 (2) 2004 (2) 00110 (B),27,表1-1 常用数制对照表,28,1.4.3 数制的相互转化,1二进制、八进制、十六进制转化为十进制数 转换原则:按位权展开,相加求和。 例:(101001.101)2= 12 5 +12 3 +1 2 0 +12 1 +12 3=(41.625)10 (62.1)8=681+208+18-1=48+2+0.125=(50.125)10 (ABC.D)16 = 10162 + 1116 + 12 + 1316-1= (2748.8125)10,29,1.4.3 数制的相互转化(续),2-3=0.125
19、 2-2=0.25 2-1=0.5 20=1,26=64 27=128 28=256 29=512 210=1024,21=2 22=4 23=8 24=16 25=32,111(2)231817 1111(2)24116115 11111(2)25132131 111111(2)26164163 1111111(2)2711281127,熟能生巧!,30,1.4.3 数制的相互转化(续),2十进制数转化为二进制数、八进制数、十六进制数 转换原则:整数部分:除R(基数)取余,倒排列; 小数部分:乘R(基数)取整,顺排列。,31,1.4.3 数制的相互转化(续),例:十进制数212.625转化为
20、二进制数为:整数部分:用2取余,小数部分:乘2取整。,由此可得:(212.625)10= (11010100.101)2,32,不同进制间的转换,1.4.3 数制的相互转化(续),33,1.4.3 数制的相互转化(续),3二进制转换为八进制、十六进制 二进制转化为十六进制 从小数点开始,分别向两边以4位为一组,不足四位补0,每组分别转换为1位十六进制数。 例2,求出与二进制数1111110100.001等值的十六进制数。 练习:求与100100011.00111 (2)等值的十六进制数。,34,1.4.3 数制的相互转化(续),二进制转化为八进制呢?三位一组,方法同上,35,1.4.3 数制的
21、相互转化(续),4八进制、十六进制转换为二进制 十六进制转换为二进制 每一位十六进制转换为4位二进制 练习,计算与3F4.2(16)等值的二进制数,练习,计算与D7.A(16)等值的十进制数和二进制数。,36,1.4.3 数制的相互转化(续)十六进制与八进制互转,十六进制与八进制互转 先转为二进制,再转。例 BDH转为八进制。 BDH=10111101B=275O,37,1.4.3 数制的相互转化(续),课堂练习: (1)将二进制数1001100转换成等值的十进制数和十六进制数。 (2)将十六进制数2A转换成等值的十进制数和二进制数。 (3)将十进制数129转换成等值的二进制数和十六进制数。
22、(4)将下列数据按从小到大的顺序排列。 16.25 (10) 16.4 (8) 1B. 8 (16) 11111 (2) 1111 (2),38,1.5 计算机中的数据与编码 1.5.1 计算机中的数据,1数据的概念 数据是可以输入到计算机并由计算机处理的对象,包括数字、字符、符号、表格、声音、图形和图像等。数据经过加工并赋予一定的意义后,便成为信息。计算机系统中的每一个操作,都是对数据进行某种处理。,39,1.5.1 计算机中的数据,2. 数据的表示 计算机中所有的数据都是以二进制形式表示的,采用二进制的原因如下: (1) 电路简单 计算机是由逻辑电路组成的,逻辑电路通常只有两个状态,这两种
23、状态正好可用二进制数0和1表示。 (2) 可靠性好 数字传输和处理不易出错。 (3) 逻辑性强 计算机工作原理是建立在逻辑运算基础上,逻辑代数是逻辑运算的理论依据。二进制只有两个代码,可以代表逻辑代数中的“真”和“假”。 (4) 运算简单 二进制运算法则简单,且算术运算都可通过逻辑运算来实现。,40,1.5.1 计算机中的数据,3数据的单位 在计算机中常用到的基本数据单位有位、字节、字三种。 (1) 位(bit) 位又称比特,是计算机中表示信息的最小信息单位,1bit表示一位二进制数,它可能是1,也可能是0,也即表示两种状态,要表示更多的信息,需要多位组合起来,每增加一位,所能表示的信息量增加
24、一倍。如ASCII码用7位二进制组合编码,能表示27=128个信息。,41,1.5.1 计算机中的数据,(2) 字节(Byte) 字节是计算机数据处理的基本单位,即以字节为单位存储和解释信息。1Byte(通常简记1B)用8位二进制数表示,共能表示28=256种不同的状态。下面是常用的一些字节单位: 1KB(千字节)=210B=1024B 1MB(兆字节)=210KB=220B 1GB(吉字节)=210MB=220KB=230B 1TB(万亿字节)=210GB=220MB=230KB=240B 我们常说的1KB,指1024B,而不是1000B。,42,1.5.1 计算机中的数据,(3) 字(Wo
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