【正文】 第１章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 2022/5/24 1 本章要求： 2022/5/24 2 基本知識(shí)點(diǎn) 了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展、特點(diǎn)及用途 掌握計(jì)算機(jī)中使用的數(shù)制及數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 弄清計(jì)算機(jī)的主要組成部件及其功能 重點(diǎn)及難點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的表示形式 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 11 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用 ? 什么是計(jì)算機(jī) 2022/5/24 3 計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ) 的程序 ， 自動(dòng) 、 高速進(jìn)行大量 數(shù)值計(jì)算 和各種信息處理 的現(xiàn)代化智能電子裝置 。 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展是人類(lèi)生產(chǎn)力的一場(chǎng)革命 。 約翰 阿塔納索夫 提出了計(jì)算機(jī)的三條原則： 1）以二進(jìn)制的邏輯基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，以保證 精度； 2）利用電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制、邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn) 算，以保證計(jì)算速度； 3）采用把計(jì)算功能和二進(jìn)制數(shù)更新存儲(chǔ)功能相分 離的結(jié)構(gòu)。 奠定現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要人物和思想 圖靈與圖靈機(jī) 為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)， 美國(guó)計(jì)算機(jī)博物館于 1966年 設(shè)立了?圖靈獎(jiǎng)? 計(jì)算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來(lái)完成任何設(shè)定好的任務(wù)。 圖靈機(jī)是一種思想模型， 它由三部分組成： 一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延伸的 帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀 寫(xiě)頭。 John von Neumann 馮 ?諾依曼 1949 EDSAC 馮 諾依曼計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)程序工作原理 計(jì)算機(jī)的兩個(gè)基本能力：一是能夠存儲(chǔ)程序，二是能夠自動(dòng)地執(zhí)行程序。 計(jì)算機(jī)是利用?存儲(chǔ)器?（內(nèi)存）來(lái)存放所要執(zhí)行的程序的，而稱(chēng)之為 CPU的部件可以依次從存儲(chǔ)器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。 一、電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展 – 第一代 電子管計(jì)算機(jī) – 第二代 晶體管計(jì)算機(jī) – 第三代 中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) – 第四代 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 2022/5/24 7 ? 一、電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展 ? 1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī) ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問(wèn)世。人們常按制造計(jì)算機(jī) 所用的主要元器件將計(jì)算機(jī)分為 四代 ： 體積龐大、速度低、成本高、可靠性差、內(nèi)存容量小 體積大大減小、速度提高、可靠性和內(nèi)存容量有較大提高 速度、可靠性和內(nèi)存容量都進(jìn)一步提高，外設(shè)種類(lèi)繁多 速度可靠性和內(nèi)存容量又有了很大提高 計(jì)算機(jī)發(fā)展史簡(jiǎn)表 時(shí)代 年份 器件 軟件 應(yīng)用 一 19461957 電子管 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言 科學(xué)計(jì)算 二 19581964 晶體管 高級(jí)語(yǔ)言 數(shù)據(jù)處理工業(yè)控制 三 19651970 中小規(guī)模集成電路 操作系統(tǒng)、會(huì)話式語(yǔ)言 社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域 四 1971年迄今 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 操作系統(tǒng)日益完善、軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 2022/5/24 8 根據(jù)電子計(jì)算機(jī)所采用的特理器件的發(fā)展，一般把電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展分成 4個(gè)階段： 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ ENIAC） 5000次加法 /秒 體重 28噸 占地 170m2 18800只電子管 1500個(gè)繼電器 功率 150KW 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的研制與軍事目的有著密切關(guān)系。 1．第一代（ 1946年 ~1958年）：電子管階段 2022/5/24 10 電子管 基本特征采用電子管作為計(jì)算機(jī)的邏輯元器件 ， 每秒運(yùn)算速度僅為幾千次 ， 內(nèi)存容量?jī)H數(shù) KB。 其數(shù)據(jù)表示主要是定點(diǎn)數(shù) ， 使用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序 。 第一代電子計(jì)算機(jī)體積龐大 ， 造價(jià)昂貴 ， 用于軍事和科學(xué)研究工作 。 其代表機(jī)型有 IBM 650（ 小型機(jī) ） 、 IBM 709（ 大型機(jī) ） 。 2．第二代（ 1959年 ~1964年）：晶體管階段 2022/5/24 11 晶體管 基本特征是采用晶體管作為計(jì)算機(jī)的邏輯元器件，由于電子技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)算速度達(dá)每秒幾十萬(wàn)次，內(nèi)存容量增至幾十 KB。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)也有了較大發(fā)展，出現(xiàn)了 FORTRAN、 COBOL、ALGOL等高級(jí)語(yǔ)言。與第一代計(jì)算機(jī)相比，晶體管電子計(jì)算機(jī)體積小、成本低、功能強(qiáng)、可靠性大大提高。除了科學(xué)計(jì)算外，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理。其代表機(jī)型有 IBM 709 CDC 7600。 3．第三代（ 1965年 ~1970年）：集成電路階段 2022/5/24 12 集成電路 基本特征是采用小規(guī)模集成電路作為計(jì)算機(jī)的邏輯元器件，隨著固體物理技術(shù)的發(fā)展，集成電路工藝己可以在幾平方毫米的單晶硅 集成電路 片上集成由十幾個(gè)甚至上百個(gè)電子元器件組成的邏輯電路。它的運(yùn)算速度每秒可達(dá)幾十萬(wàn)次到幾百萬(wàn)次，體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，軟件越來(lái)越完善，在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上發(fā)展形成了操作系統(tǒng)。其代表機(jī)型有IBM360。 4．第四代（ 1971年 ~現(xiàn)在）：大規(guī)模 /超大規(guī)模集成電路階段 2022/5/24 13 超大規(guī)模集成電路 基本特征是采用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路作為計(jì)算機(jī)的邏輯元器件， 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，集成電路制作工藝取得了迅猛的發(fā)展，在硅半導(dǎo)體上可集成更多的電子元器件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替了磁芯存儲(chǔ)器，目前，計(jì)算機(jī)的速度最高可以達(dá)到每秒幾百萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算。操作系統(tǒng)不斷完善，高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言功能更加完善，人們的生活與計(jì)算機(jī)應(yīng)用息息相關(guān)。 2022/5/24 14 420,000,000 2,300 晶 體 管 數(shù) 目 4004 奔騰 4 10微米芯片 2022/5/24 15 晶 體 管 數(shù) 單 位 時(shí) 間 執(zhí) 行 的 指 令 數(shù) 百萬(wàn)條/每秒 每 18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍。 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) （ 1）運(yùn)算速度快 （ 2）運(yùn)算精確度高 （ 3）具有 “ 記憶 ” 和邏輯判斷能力 （ 4）通用性強(qiáng) （ 5）高度自動(dòng)化 另外，還具有可靠性強(qiáng)、可聯(lián)網(wǎng)等特點(diǎn) 2022/5/24 16 二、計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向 2022/5/24 17 未來(lái)的計(jì)算機(jī)以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向 巨型化 （ 不是體積大，而是速度高、容量大、功能強(qiáng) ） 微型化 （ 體積縮小、重量減輕 ） 網(wǎng)絡(luò)化 （ 分散的計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng) ） 智能化 （ 計(jì)算機(jī)將具有一定的“思維能力” ） 方向發(fā)展。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——巨型化 2022/5/24 18 CRAYⅡ 運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算的 超級(jí)計(jì)算機(jī) 1975年世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)? CrayI‖ 超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、 石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì) 算的高科技領(lǐng)域。 中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)： 國(guó)防科技大學(xué)研制的 ?銀河 1號(hào)?、 ?銀河 2號(hào)?和?銀河 3號(hào)? 國(guó)家職能計(jì)算機(jī)中心推出的 ?曙光 1000‖ 、?曙光 200I‖和?曙光 3000‖ 銀河 Ⅱ 2022/5/24 19 ? 社會(huì)在不斷發(fā)展，人類(lèi)對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)活動(dòng)也越來(lái)越多，很多情況要求計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)量的運(yùn)算，如，數(shù)學(xué)命題的證明、行星軌跡的計(jì)算以及航天飛機(jī)、宇宙飛船的設(shè)計(jì)等等。這些應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)速度的要求也越來(lái)越高。 ? “巨型化”在這里并不是通常意義上的大小，主要是指機(jī)器的性能 ——運(yùn)算速度等。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——巨型化 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——微型化 2022/5/24 20 Altair 8800 計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是一種 信息機(jī)器，一種個(gè)人的信息機(jī)器。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——微型化 2022/5/24 21 ? 一方面， 隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在一些特定場(chǎng)合，需要很小的計(jì)算機(jī) (如航天飛機(jī)，由于燃料的關(guān)系，設(shè)計(jì)原則是為了減少每一克而奮斗 )，所以計(jì)算機(jī)的重量、體積都變得越來(lái)越小，但功能并不減少。 ? 另一方面， 隨著計(jì)算機(jī)在世界上日益普及，個(gè)人電腦正逐步由辦公設(shè)備變?yōu)殡娮酉M(fèi)品。人們要求電腦除了要保留原有的性能之外，還要有時(shí)尚的外觀、輕便小巧、便于操作等特點(diǎn)，如平板電腦、手持電腦等。今后個(gè)人電腦在電腦中所占的比重將會(huì)越來(lái)越大，使用也將會(huì)越來(lái)越方便。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——網(wǎng)絡(luò)化 2022/5/24 22 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)： 計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合 的產(chǎn)物。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動(dòng)力： 使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、 數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶 的通訊和合作。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——網(wǎng)絡(luò)化 2022/5/24 23 ? 因特網(wǎng)的建立正在改變我們的世界 ， 改變我們的生活 。 網(wǎng)絡(luò)具有虛擬和真實(shí)兩種特性 ， 網(wǎng)上聊天和網(wǎng)絡(luò)游戲等具有虛擬特性 ， 而網(wǎng)絡(luò)通信 、 電子商務(wù) 、網(wǎng)絡(luò)資源共享則具有真實(shí)的特性 。 ? 我們可以通過(guò)因特網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)生活必需品 ， 交納各種費(fèi)用 、 教學(xué) 、 管理個(gè)人賬務(wù)等等 。 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——智能化 2022/5/24 24 ―總有一天，人類(lèi)會(huì)造出一些舉止跟人一樣的 ‘沒(méi)有靈魂的機(jī)械’來(lái)?。 ——笛卡爾（ 1637） 人類(lèi)第一個(gè)?工業(yè)機(jī)器人?： 一頭在紡織機(jī)上挑紗的?驢?（ 1742年） 第一代機(jī)器人 機(jī)械手（ 1962年出現(xiàn)） 第二代機(jī)器人 具有?感覺(jué)?的機(jī)器人 第三代機(jī)器人 裝有啟發(fā)式計(jì)算機(jī)的?智能機(jī)器人? Deepblue Garry Kasparov 計(jì)算機(jī)發(fā)展 ——智能化 2022/5/24 25 ? 今后 ， 計(jì)算機(jī)在我們的生活中扮演的角色將會(huì)更加重要 。 ? 計(jì)算機(jī)應(yīng)用將具有更多的智能特性 ， 能夠幫助用戶解決一些自己不熟悉或不愿意做的事 。 ? 如 ， 智能家電 、 烹調(diào)等 。 三、 電子計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用 2022/5/24 26 ? 科學(xué)計(jì)算（數(shù)值計(jì)算） ? 如：天文、地質(zhì)、氣象、航天等涉及的大量計(jì)算 ? 數(shù)據(jù)處理（信息處理） ? 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分類(lèi)、排序、存儲(chǔ)、計(jì)算等操作 ? 自動(dòng)控制 無(wú)人駕駛飛機(jī)的控制 ? 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）和輔助教學(xué)（ CAI） ? 人工智能（ AI）方面的研究和應(yīng)用 ? 專(zhuān)家系統(tǒng) (Expert system） ? 機(jī)器人 (Robert) ? 多媒體（ Multimedia）技術(shù)應(yīng)用 2022/5/24 27 1. 科學(xué)計(jì)算： 解決科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中存在的大量的數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題。例如，求解上千階的微分方程組、幾百個(gè)方程的線性方程組、大型矩陣運(yùn)算等 .