【正文】 第 1 章 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 本章主要講解計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 、 特點(diǎn) 、 用途 、系統(tǒng)組成 、 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 、 計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示方法 ——數(shù)制與碼制 、 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)等內(nèi)容 。 通過(guò)本章的學(xué)習(xí) ， 主要掌握以下內(nèi)容： ? 計(jì)算機(jī)的基本概念 、 特點(diǎn) 、 用途及發(fā)展 ? 數(shù)制及數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換方法 ? 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法 、 ASCII碼和漢字編碼 ? 計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 、 程序設(shè)計(jì)方法 ? 算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第 1章 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) ? 計(jì)算機(jī)概述 ? 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu) ? 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ) ? 邏輯代數(shù)與邏輯電路基礎(chǔ) ? 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 計(jì)算機(jī)概述 ? 計(jì)算機(jī)的基本概念 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 ? 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 ? 計(jì)算機(jī)的分類 ? 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) ? 計(jì)算機(jī)的用途 返回 計(jì)算機(jī)的基本概念 “ 計(jì)算機(jī) ” 顧名思義是一種計(jì)算的機(jī)器，它是由一系列電子器件組成 —英語(yǔ)名稱為 Computer。 計(jì)算機(jī)可以對(duì) 數(shù)字、文字、顏色、聲音、圖形、圖像 等各種形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。 計(jì)算機(jī)具有各種計(jì)算的能力。 當(dāng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先把要解決的實(shí)際問(wèn)題，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)程序，然后將待處理的數(shù)據(jù)和程序輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)按程序的要求，一步一步地進(jìn)行各種運(yùn)算，直到存入的整個(gè)程序執(zhí)行完畢為止。 計(jì)算機(jī)具有各種計(jì)算的能力。 在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，計(jì)算機(jī)不僅能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，而且還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算并對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行判斷，從而決定以后執(zhí)行什么操作。 計(jì)算機(jī)具有信息處理能力 。 在當(dāng)今的信息社會(huì)里 ， 各行各業(yè) ， 隨時(shí)隨處產(chǎn)生大量的信息 ， 人們?yōu)榱烁咝У孬@取 、 傳送 、 檢索信息及從信息中產(chǎn)生各種報(bào)表數(shù)據(jù) ， 必須將信息在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行有效的組織和管理 。 綜上所述 ， 可以給計(jì)算機(jī)下一個(gè)定義： 計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序 ， 自動(dòng) 、 高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備 。 返回 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件兩大部分組成。 ?硬件（ Computer hardware) 主要由 CPU、 存儲(chǔ)器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種輸入輸出設(shè)備等功能部件組成。 ?軟件（ Computer software) 它包括計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的各種程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔資料。 ?裸機(jī) 脫離軟件的計(jì)算機(jī)硬件稱 “ 裸機(jī) ” 。 硬件是軟件賴以運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是人與硬件之間的界面。 操作員（人） 應(yīng)用軟件 支撐軟件 系 編譯程序 統(tǒng) …….. 軟 件 操作系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī) 軟件 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 返回 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 自 1946年 美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī) ENIAC（ 電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的英文縮寫(xiě)）至今，短短五十多年的時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。元件制作工藝水平的不斷提高是計(jì)算機(jī)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此以 計(jì)算機(jī)元器件 的變革作為標(biāo)志，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，并正在研制第五代 。 1． 第一代計(jì)算機(jī) —電子管計(jì)算機(jī) （ 1946～ 1957年 ） 其主要特征是采用電子管作為主要元器件。 ENIA。 2．第二代計(jì)算機(jī) —晶體管計(jì)算機(jī)（ 1958～ 1964年） 其主要特征是由電子管改為晶體管。 3．第三代計(jì)算機(jī) —集成電路計(jì)算機(jī)（ 1965～ 1971年） 其主要特征是用半導(dǎo)體中小規(guī)模集成電路代替分立元件的晶體管。 4． 第四代計(jì)算機(jī) —大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) （ 1972年至今 ） 其主要特征是以大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為計(jì)算機(jī)的主要功能部件。 5． 新一代計(jì)算機(jī) —智能計(jì)算機(jī) 新一代計(jì)算機(jī)正在研制之中 ， 主要特征是人工智能 ，它將具有自然語(yǔ)言理解能力 、 模式識(shí)別能力和推理判斷能力等 ， 突破馮 . 諾依曼體系結(jié)構(gòu)的限制 ， 提出非馮 .諾依曼的體系結(jié)構(gòu) ， 如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) 。 6． 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況 微型計(jì)算機(jī) （ 簡(jiǎn)稱微機(jī) ） 誕生于 1971年 ， 屬于第四代計(jì)算機(jī) ， 微型計(jì)算機(jī)的誕生和迅速普及是計(jì)算機(jī)發(fā)展史中最重大的事件 。 微型計(jì)算機(jī)具有體積小 、 重量輕 、 功耗小 、 可靠性高 、 使用環(huán)境要求不嚴(yán)格 、 價(jià)格低廉 、 易于成批生產(chǎn)等特點(diǎn) 。 世界上第一臺(tái)微機(jī)是由美國(guó) Intel公司年輕的工程師馬西安 .霍夫 （ ） 于 1971年研制成功的 。 他大膽地提出了一個(gè)設(shè)想 ， 把計(jì)算機(jī)的全部電路做在四個(gè)芯片上 ， 即一片 4位微處理器 Intel400 一片 320位的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 、 一片 256字節(jié)的只讀存儲(chǔ)器和一片 10位的寄存器 ， 它們通過(guò)總線連接起來(lái)就組成了世界第一臺(tái) 4位微型計(jì)算機(jī) —MCS4。 微型計(jì)算機(jī)的核心部件是 微處理器 （ MPU） ， 根據(jù)微處理器集成規(guī)模和功能 ， 形成了微型計(jì)算機(jī)的不同發(fā)展階段 。 1．第一代微型計(jì)算機(jī) 1972年 Intel公司研制成功 8位微處理器 Intel8008， 它主要采用工藝簡(jiǎn)單、速度較低的 P溝道 MOS電路。由它裝備起來(lái)的計(jì)算機(jī) MCS8稱為第一代微型計(jì)算機(jī)。 2．第二代微型計(jì)算機(jī) 第二代微處理器是在 1973年研制成功的，主要采用速度較快的 N溝道 MOS技術(shù)的 8位微處理器。具有代表性的產(chǎn)品有 Intel公司的 Intel808 Motorola公司的 M6800、 Zilog公司的 Z80等。由它裝備起來(lái)的計(jì)算機(jī)稱為第二代微型計(jì)算機(jī)。 3．第三代微型計(jì)算機(jī) 第三代微處理器是在 1978年研制成功的，主要采用 HMOS新工藝的 16位微處理器。其典型產(chǎn)品是 Intel公司的 Intel8086。 由第三代微處理器裝備起來(lái)的計(jì)算機(jī)稱為第三代微型計(jì)算機(jī)。 4．第四代微型計(jì)算機(jī) 從 1985年起采用超大規(guī)模集成電路的 32位微處理器，標(biāo)志著第四代微處理器的誕生。典型產(chǎn)品有 Intel公司的 Intel80386。由第四代微處理器裝備起來(lái)的計(jì)算機(jī)稱為第四代微型計(jì)算機(jī)。 返回 計(jì)算機(jī) 的分類 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，它已成為一個(gè)龐大的家族。計(jì)算機(jī)的種類很多，從不同角度對(duì)計(jì)算機(jī)有不同的分類方法。 1．按計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的方式分類 可以分為數(shù)字計(jì)算機(jī) 、 模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)三類。 2．按計(jì)算機(jī)的用途分類 可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)兩類。 3．按計(jì)算機(jī)的規(guī)模和處理能力分類 規(guī)模和處理能力主要是指計(jì)算機(jī)的體積 、 字長(zhǎng) 、 運(yùn)算速度 、存儲(chǔ)容量 、 外設(shè)的配置 、 輸入輸出能力等主要技術(shù)指標(biāo) ， 按其分類大體可分為巨型計(jì)算機(jī) 、 大 /中型計(jì)算機(jī) 、 小型計(jì)算機(jī) 、 微型計(jì)算機(jī) 、 工作站 、 服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等種類 。 總之 ， 目前微型計(jì)算機(jī)與工作站 、 小型計(jì)算機(jī)乃至中大型計(jì)算機(jī)之間的界限已經(jīng)越來(lái)越模糊 。 無(wú)論按哪一種方法分類 ， 各類計(jì)算機(jī)之間的主要區(qū)別是運(yùn)算速度 、存儲(chǔ)容量及機(jī)器體積等 。 返回 計(jì)算機(jī) 的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)作為一種通用的信息處理工具 ， 它具有極高的處理速度 ， 很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力 ， 精確的計(jì)算能力和邏輯判斷能力 。 雖然各類計(jì)算機(jī)在性能上 、 用途上 、 規(guī)模結(jié)構(gòu)上有所不同 ， 但它們都具備以下一些特點(diǎn) 。 1． 運(yùn)算速度快 由于計(jì)算機(jī)是采用高速電子器件組成 ， 因此能以極高的速度工作 。目前的巨型機(jī)運(yùn)算速度已達(dá)到每秒幾百億次運(yùn)算 ， 微機(jī)也可達(dá)到每秒億次以上 。 2． 計(jì)算精度高 由于計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù) ， 因此它的精度主要取決于表示數(shù)據(jù)的位數(shù) ， 即機(jī)器字長(zhǎng) 。 字長(zhǎng)越長(zhǎng) ， 其精度越高 。 3． 具有記憶能力 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶部件 ， 計(jì)算機(jī)把大量的數(shù)據(jù)和程序存入存儲(chǔ)器 ， 并把處理或計(jì)算的結(jié)果保存在存儲(chǔ)器中 。 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器有內(nèi)存和外存之分 ， 目前 ， 微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量一般可以達(dá)到 512MB且可以進(jìn)一步擴(kuò)展 ， 外存 （ 如硬盤 ） 容量可以達(dá)到十 GB甚至上百 GB。 4． 具有邏輯判斷能力 計(jì)算機(jī)不僅具有運(yùn)算能力 ， 還可以進(jìn)行各種邏輯判斷 ， 并根據(jù)判斷的結(jié)果自動(dòng)決定下一步應(yīng)該執(zhí)行的指令 。 5． 具有自動(dòng)控制能力 計(jì)算機(jī)內(nèi)可以存儲(chǔ)程序 ， 計(jì)算機(jī)可以在人們事先編制好的程序的控制 下自動(dòng)地完成各種操作 ， 無(wú)需人工干預(yù) 。 返回 計(jì)算機(jī) 的用途 計(jì)算機(jī)在科學(xué)技術(shù) 、 國(guó)民經(jīng)濟(jì) 、 社會(huì)生活等各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用 。 按照應(yīng)用的領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的用途歸納起來(lái)可分為以下幾個(gè)方面 。1． 科學(xué)計(jì)算 科學(xué)計(jì)算又稱為數(shù)值計(jì)算 ， 是指使用計(jì)算機(jī)來(lái)完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問(wèn)題計(jì)算 。 如人造衛(wèi)星軌跡的計(jì)算 。 2． 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理是指用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入 、 分類 、 加工 、 統(tǒng)計(jì) 、 排序 、傳輸 、 檢索 、 存儲(chǔ) 、 制表等操作 ， 形成有用的信息 。 據(jù)統(tǒng)計(jì) ， 全世界計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理的工作量占全部計(jì)算機(jī)應(yīng)用的 80%以上 。 3． 過(guò)程控制 過(guò)程控制又稱為實(shí)時(shí)控制 、 自動(dòng)控制 ， 所謂過(guò)程控制是指用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集數(shù)據(jù) ， 將數(shù)據(jù)檢測(cè) 、 處理后 ， 按最佳值迅速對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制或自動(dòng)調(diào)節(jié) 。 目前廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè) 、 石油工業(yè) 、 醫(yī)藥工業(yè)等 。 4． 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 、 計(jì)算機(jī)輔助制造 、 計(jì)算機(jī)輔助教育等 。 5． 人工智能 人工智能是用計(jì)算機(jī)模擬或部分模擬人類的智能 ， 一般是指模擬人腦進(jìn)行演繹推理和采取決策的思維過(guò)程 。 6． 電子商務(wù) 電子商務(wù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行商務(wù)活動(dòng) 。 返回 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)科經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的迅猛發(fā)展 ， 已成為比較完備的學(xué)科體系 ， 衍生了許多相對(duì)獨(dú)立的方向和分支 。 從學(xué)科體系的角度 ， 可將計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容劃分為三個(gè)層面：應(yīng)用層 、 專業(yè)基礎(chǔ)層和專業(yè)基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)層 。 1． 應(yīng)用層 應(yīng)用層是與計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域或用戶最接近的層面 ， 它包括人工智能應(yīng)用與系統(tǒng) ， 信息 、 管理與決策系統(tǒng) ， 計(jì)算可視化 ， 科學(xué)計(jì)算等計(jì)算機(jī)應(yīng)用的各個(gè)方向 。 2． 專業(yè)基礎(chǔ)層 專業(yè)基礎(chǔ)層為應(yīng)用層提供理論和方法指導(dǎo)及環(huán)境 。 它包括軟件開(kāi)發(fā)方法學(xué) 、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 、 程序設(shè)計(jì)科學(xué) 、 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 、 電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ) 。 3． 專業(yè)基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)層 專業(yè)基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)層是為計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)提供理論指導(dǎo)或依據(jù)的更低層的理論層面 ， 包含了計(jì)算機(jī)科學(xué)的最核心和最基礎(chǔ)的理論 。 它主要包括計(jì)算理論和高等邏輯等內(nèi)容 。 返回 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)基礎(chǔ) ? 數(shù)制 ? 碼制 ? 定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù) ? 信息編碼 返回 數(shù)制 關(guān)于數(shù)，大家并不陌生，數(shù)是各種運(yùn)算的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象就是數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中數(shù)值，字符、聲音、圖形、圖像等都是數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中是如何表示的？有哪些要求？ 1．?dāng)?shù)制的概念 按進(jìn)位的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)叫進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱 數(shù)制 。 人們熟悉十進(jìn)制數(shù)，但除以之外，還有十六進(jìn)制、十二進(jìn)制等等。 基數(shù)： 所謂某數(shù)制的基數(shù)是指該數(shù)制中允許選用的基 本數(shù)碼的個(gè)數(shù)。如十進(jìn)制的基數(shù)是 10。 位權(quán)： 一個(gè)數(shù)碼處在數(shù)的不同位置時(shí)，它所代表的數(shù) 值是不同的。每個(gè)數(shù)碼所表示的數(shù)值等于該數(shù) 碼乘以一個(gè)與數(shù)碼所在位置有關(guān)的常數(shù)，這個(gè) 常數(shù)叫位權(quán)。 位權(quán)的大小是以基數(shù)為底 ， 數(shù)碼所在位置的序號(hào)為指數(shù)的整數(shù)次冪 。 例如 ， 十進(jìn)制數(shù)個(gè)位數(shù)位置上的位權(quán)為 100， 千位數(shù)位置上的位權(quán)為 103， 小數(shù)后第 3位的位權(quán)為 103。 例如 ， 十進(jìn)制數(shù) ： = 1 103+5 102+4 101+8 100+ 3 101+6 102+