通用計(jì)算機(jī)是一種通用信息處理設(shè)備

1、通用：計(jì)算機(jī)是一種通用信息處置設(shè)備，只需有適宜的軟件，它能適用于各種專門用途。電子：是計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的物理根底，計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)最終都經(jīng)過(guò)電子電路中的電流、電位等實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化：是計(jì)算機(jī)的信息表示方式。一切信息，無(wú)論本來(lái)是數(shù)值、文字、圖形、聲音等，在計(jì)算機(jī)里都一致到二進(jìn)制的數(shù)字化表示上。數(shù)字化是計(jì)算機(jī)的一種根本特征，是通用性的重要根底?！坝?jì)算機(jī)：這是一種做計(jì)算的機(jī)器。全名：“通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)General - Purpose Electronic Digital Computer。闡明許多性質(zhì)：計(jì)算機(jī)根本原理.計(jì)算機(jī)能做的根本動(dòng)作如數(shù)的加減乘除等，極簡(jiǎn)單。但它可以按程序要求瞬間完成數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的根本

2、動(dòng)作，就能夠完成一件大任務(wù)。我們看到的是這些動(dòng)作的綜合效果。計(jì)算機(jī)的根本構(gòu)造不很復(fù)雜，能按指揮行事，做得快。更了不起的東西是程序、軟件，每個(gè)程序都是特殊的，針對(duì)詳細(xì)需求專門實(shí)現(xiàn)?！半娔X木手鐵腳？信息處置的“普適性：計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)不能與人腦相比。.形狀與轉(zhuǎn)換一個(gè)系統(tǒng)S有一集能夠的形狀包括一個(gè)初始形狀和一組終了形狀；S在每個(gè)時(shí)辰處于某一個(gè)形狀；當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)由外界接受輸入時(shí)，它就能夠轉(zhuǎn)換到另一個(gè)形狀，并能夠產(chǎn)生一個(gè)輸出；在開場(chǎng)時(shí)S處于某初始形狀s；當(dāng)輸入用完且S到達(dá)某個(gè)終了形狀時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)勝利終了，否那么失敗終了。有限形狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一種最簡(jiǎn)單的計(jì)算模型：.轉(zhuǎn)換圖S的每個(gè)形狀用一個(gè)小圓圈表示；假設(shè)S在形狀s1

3、遇到輸入a時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)到形狀s2并輸出b，那就畫一條從表示s1的圓圈到表示s2的圓圈的弧線，并在線上標(biāo)出(a, b)；一種描畫有限形狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方式：(a, b)s1s2.一個(gè)完成除2的有限形狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng)系統(tǒng)中s1是初始形狀，s1和s2是終止形狀；它輸入n個(gè)a時(shí)輸出 n/2 個(gè) a。(a, )s1s2(a, a)自我練習(xí)：定義只讀入k個(gè)abb的序列才勝利終了的有限形狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (k = 0,1,2,)。.圖靈機(jī)模型一個(gè)有限形狀轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，也稱控制器；一條兩端無(wú)窮的包含無(wú)窮多個(gè)格子的存儲(chǔ)帶，每個(gè)格里可以存儲(chǔ)一個(gè)符號(hào)；一個(gè)讀寫頭，每時(shí)辰定位于一個(gè)存儲(chǔ)格；每步執(zhí)行，當(dāng)前格的符號(hào)作為控制器輸入，控制器按此符號(hào)

4、做一次形狀轉(zhuǎn)換，能夠?qū)⒁粋€(gè)符號(hào)寫入當(dāng)前格，并能夠命令讀寫頭左移或右移一個(gè)位置。終了：有許多等價(jià)定義方式。一個(gè)圖靈機(jī)T包括：.圖靈機(jī)的圖示設(shè)：初始時(shí)存儲(chǔ)帶上的符號(hào)序列是輸入I；運(yùn)轉(zhuǎn)終了時(shí)帶上的符號(hào)序列是輸出O；圖靈機(jī)T實(shí)現(xiàn)的計(jì)算就是 T(I) = O。有限形狀控制器.通用圖靈機(jī)設(shè)帶字符集至少包含兩個(gè)符號(hào)；存在一種編碼方式 c，使每個(gè)圖靈機(jī) T 對(duì)應(yīng)于一個(gè)符號(hào)序列 c(T)，T 的編碼。G(c(T) I) = O這里 c(T) I 表示將 T 的編碼和輸入 I 并排放在輸入帶上。通用圖靈機(jī)可以實(shí)現(xiàn)恣意圖靈機(jī)的功能。通用圖靈機(jī) G 也是一臺(tái)圖靈機(jī)，對(duì)恣意圖靈機(jī) T 和輸入 I，假設(shè) T(I) = O

5、，那么就有：.通用圖靈機(jī)放在 G 的存儲(chǔ)帶上的 c(T) 就是指揮 G 如何任務(wù)的“程序；G 的活動(dòng)就是按照所給的 c(T) 任務(wù)，處置輸入 I，最終得到輸出 O。圖靈還得到了另一個(gè)深化結(jié)論：存在著不可計(jì)算的函數(shù)。.形狀轉(zhuǎn)換與計(jì)算每個(gè)計(jì)算從一個(gè)形狀 s0 開場(chǎng)，輸入是這個(gè)形狀的一部分。計(jì)算過(guò)程構(gòu)成一個(gè)形狀序列：s0, s1, s2, s3, sn, .假設(shè)計(jì)算經(jīng)過(guò) n 步終了，所需求的輸出包含于最終的形狀里。存在著不終止的計(jì)算。一個(gè)計(jì)算過(guò)程可以看作是一個(gè)形狀轉(zhuǎn)換序列。.可計(jì)算性實(shí)際研討計(jì)算的模型和“可計(jì)算性。計(jì)算復(fù)雜性實(shí)際研討一個(gè)或者一類計(jì)算所歷經(jīng)的形狀轉(zhuǎn)換次數(shù)。由于實(shí)踐的計(jì)算步驟需求花時(shí)間。

6、程序?qū)嶋H在通用計(jì)算機(jī)制如通用圖靈機(jī)的根底上，完成詳細(xì)計(jì)算只需求給出程序。程序?qū)嶋H研討程序的意義和程序描畫的規(guī)律。.現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)是用大規(guī)模集成電路和其他元器件構(gòu)造起來(lái)的一種復(fù)雜電子設(shè)備。它可以看成是圖靈機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)由一些部分構(gòu)成：.CPU主存儲(chǔ)器中央處置部件輸入設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)器 顯示器打印機(jī) 輔助外部存儲(chǔ)設(shè)備磁盤機(jī)、磁帶機(jī)、光盤機(jī)等輸入輸出輸入輸出控制器運(yùn)算器.CPU中央處置器擔(dān)任處置信息，由控制器和運(yùn)算器組成。控制器擔(dān)任解釋指令“大腦，運(yùn)算器擔(dān)任執(zhí)行指令“手。主存儲(chǔ)器又稱“內(nèi)存，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所用的程序和數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)于圖靈機(jī)存儲(chǔ)帶。外部存儲(chǔ)器外存保管其他備用

7、信息：備用程序與數(shù)據(jù)。一旦需求，即可裝入內(nèi)存運(yùn)用。各種輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的信息交換。與人，與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者設(shè)備。計(jì)算機(jī)主要部件.計(jì)算機(jī)的中心信息處置部件，用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制造的。一小塊硅片，內(nèi)部構(gòu)造極復(fù)雜，包含數(shù)以百萬(wàn)、千萬(wàn)計(jì)的元件和電路。能執(zhí)行一組操作：取數(shù)據(jù)，由幾個(gè)數(shù)據(jù)算出一個(gè)結(jié)果加減乘除等，送出數(shù)據(jù)等。與每個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)有一條指令：CPU接到指令時(shí)完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。一系列指令構(gòu)成一個(gè)程序，能指揮CPU完成一系列動(dòng)作。對(duì)應(yīng)于通用圖靈機(jī) G 的控制器。問(wèn)題：指令從何而來(lái)？CPU與存儲(chǔ)程序原理.ENIAC：程序記錄在穿孔卡片上。計(jì)算機(jī)讀一張卡片做一動(dòng)作，速度受機(jī)械讀卡機(jī)限制。馮諾依曼

8、看出問(wèn)題癥結(jié)，提出了“存儲(chǔ)程序原理，導(dǎo)致現(xiàn)代意義的計(jì)算機(jī)的誕生了。存儲(chǔ)器原來(lái)只保管數(shù)據(jù)，CPU執(zhí)行指令時(shí)由存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果存回存儲(chǔ)器。馮諾依曼方案：將程序存入存儲(chǔ)器，由CPU自動(dòng)提取指令并執(zhí)行，循環(huán)地做。這樣計(jì)算機(jī)就可以擺脫外界拖累，以本人的速度電子電路的速度自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)了。.按“存儲(chǔ)程序原理造出的就是“程序存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)，也稱為“馮諾依曼計(jì)算機(jī)。到目前為止，一切主流計(jì)算機(jī)都是這種計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的根本運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程很簡(jiǎn)單，兩步循環(huán)，“CPU根本循環(huán)。CPU每次從存儲(chǔ)器取出要求它執(zhí)行的下一條指令，然后按指令完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。循環(huán)到程序執(zhí)行完遇到要求CPU停頓任務(wù)的指令，或者永無(wú)休止地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。.CPU是個(gè)絕

9、對(duì)服從指揮的奴仆，每時(shí)每刻都按命令指令行事。CPU的指令普通有幾十到一二百種。而實(shí)踐領(lǐng)域里，各方面需求運(yùn)用計(jì)算機(jī)情況千差萬(wàn)別、錯(cuò)綜復(fù)雜。計(jì)算機(jī)怎樣能應(yīng)付這些情況呢？答案：程序。經(jīng)過(guò)一些不同指令的各種適當(dāng)陳列，人能寫出的程序是無(wú)窮無(wú)盡的。思索數(shù)字和數(shù)，漢字字和中文的作品。程序：對(duì)應(yīng)于特定圖靈機(jī)的編碼。.計(jì)算機(jī)的任務(wù)原理帶來(lái)兩方面的獲益：通用性：假設(shè)干種計(jì)算機(jī)就能滿足全社會(huì)的需求?？梢圆捎么蠊I(yè)消費(fèi)的方式，提高性能，減低本錢。計(jì)算機(jī)越來(lái)越廉價(jià)，性能越來(lái)越高。公用性：經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)不同的程序，同一臺(tái)計(jì)算機(jī)在不同時(shí)辰可以表現(xiàn)為不同的公用信息處置機(jī)，例如計(jì)算器、文字處置器、記事本、資料閱讀檢索機(jī)、帳目處置機(jī)、

10、設(shè)計(jì)圖版、游戲機(jī)等等。同一臺(tái)計(jì)算機(jī)也可以同時(shí)表現(xiàn)為多種處置機(jī)只需同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)著多個(gè)不同程序。這種通用性和公用性的完美一致，使計(jì)算機(jī)成為人類走向信息時(shí)代的過(guò)程中最銳利的武器。.CPU原理并不復(fù)雜。而最先進(jìn)的CPU又極端復(fù)雜，是有史以來(lái)人制造的最復(fù)雜產(chǎn)品。緣由：1，計(jì)算機(jī)要完成的任務(wù)日趨復(fù)雜不斷有新問(wèn)題，需求用更多指令才干完成。而執(zhí)行指令需求時(shí)間計(jì)算機(jī)的本質(zhì)弱點(diǎn)。要求更高性能的CPU。人們?yōu)樘岣逤PU速度開發(fā)了許多巧妙技術(shù)，但這些大大添加CPU的復(fù)雜性。2，處置的數(shù)據(jù)情況越來(lái)越多。早期主要是數(shù)值，只需與算術(shù)有關(guān)的指令。今天廣泛用于圖形圖像聲音等的處置。實(shí)際上說(shuō)CPU可以不改只需寫程序。但添加些新指令能

11、更有效處置這些特殊數(shù)據(jù)方式。這也添加了CPU的復(fù)雜性。.過(guò)去人常說(shuō)：計(jì)算機(jī)開展閱歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路四個(gè)階段，把以這些方式構(gòu)造起來(lái)的計(jì)算機(jī)分別稱為第一、二、三、四代計(jì)算機(jī)。今天看，這種說(shuō)法并無(wú)太大的意義。計(jì)算機(jī)器件根底的變化并不是根本性的其意義不可低估：降低本錢、減小體積等，是人們尋求適宜方式制造計(jì)算機(jī)的一個(gè)短暫探求階段，大約三十年。人們不斷在研討真正新型的計(jì)算機(jī)。提出的有：光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)等。從本質(zhì)上與今天計(jì)算機(jī)不同的信息處置工具會(huì)出現(xiàn)嗎？能取代目前流行的這種電子計(jì)算機(jī)嗎？我們正拭目以待。.數(shù)字化圖靈實(shí)際的一個(gè)根本點(diǎn)是一切信息可以用符號(hào)編碼，包括圖靈機(jī)

12、本身。要用計(jì)算機(jī)處置信息，必需：能在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)信息、處置；這就要求確定信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示方式，能將信息送給計(jì)算機(jī)處置，這要求能完成從外部信息到計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的轉(zhuǎn)換。.計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)處置信息的根底是信息的數(shù)字化，為此，我們只需：為數(shù)值確定一種計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示方式；將一切信息用數(shù)字方式表示，進(jìn)而就可以用計(jì)算機(jī)處置。信息的數(shù)字方式也稱為信息的編碼。“萬(wàn)物皆為數(shù)在自然界不真，而在計(jì)算機(jī)里“成立。問(wèn)題：怎樣數(shù)字化？怎樣編碼？.數(shù)制 數(shù)的進(jìn)制 手指與十進(jìn)制，電子元件與二進(jìn)制。 進(jìn)制方式只是數(shù)值的表示方式。 數(shù)的常見方式：二進(jìn)制，八進(jìn)制，十進(jìn)制，十二進(jìn)制，十六進(jìn)制，六十進(jìn)制。 任何十進(jìn)制數(shù) X 都可以表

13、示為：X=kn*10n + + k0*100 +k- 1*10-1 + +k-m*10-m 基數(shù)為10，系數(shù)/數(shù)字 ki 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9例：46. 37 (10)=4*101+6*100+3*101+7*10-2用進(jìn)制方式表示數(shù)是人類的一項(xiàng)重要智力發(fā)明。.計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制數(shù)的方式表示數(shù)值。緣由：實(shí)際：用兩個(gè)符號(hào)的序列能有效表示復(fù)雜的信息。一進(jìn)制表達(dá)效率低，才干不夠?qū)嵺`：常規(guī)器件最容易表示兩種不同形狀。用一個(gè)器件表示一個(gè)根本的數(shù)據(jù)單位，用一系列器件的形狀表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)。將一個(gè)器件的形狀看成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，將一系列器件的形狀看成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。一個(gè)二進(jìn)制位：

14、bitBinary Digit，b，位，比特8位二進(jìn)制數(shù)：Byte簡(jiǎn)寫B(tài)。1KB = 1024 B1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB.二進(jìn)制B = kn*2n+ + k0*20 +k - 1*2-1 + +k-m*2-m基數(shù)為2，系數(shù)數(shù)字屬于 0, 1110110(2)= 1*25 + 1*24+0*23+1*22+1*21+0*20 = 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 54(10)運(yùn)算規(guī)那么：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=100*0=0 0*1=1 1*0=0 1*1=1普通方式：.二進(jìn)制與八、十六進(jìn)制的對(duì)照二進(jìn)制與

15、八進(jìn)制的對(duì)照： 0000 0102 1004 1106 0011 0113 1015 1117二進(jìn)制與十六進(jìn)制的對(duì)照： 00000 01004 10008 110012 00011 01015 10019 110113 00102 01106 101010 111014 00113 01117 101111 111115常用A, B, C, D, E, F作為“數(shù)字表示10到15。.二進(jìn)制與十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制轉(zhuǎn)換到十進(jìn)制可直接運(yùn)用二進(jìn)制數(shù)的值計(jì)算公式完成。十進(jìn)制到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換：整數(shù)：普通采用除余法，反復(fù)整除2，搜集起各次的余數(shù)。小數(shù)：采用乘法，反復(fù)乘2，搜集并去掉整數(shù)位。留意：有限位精度的

16、十進(jìn)制小數(shù)能夠無(wú)法用有限位二進(jìn)制小數(shù)準(zhǔn)確表示包含整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)分兩部分計(jì)算。.二進(jìn)制表示范圍計(jì)算機(jī)里常用固定位數(shù)方式表示整數(shù)，常見：16位：0 65535 32位：0 232 - 1 (約40億)64位：0 264 - 1 (約1600億億)近似公式： 210 1024 103二進(jìn)制數(shù)位數(shù)與整數(shù)的表示范圍的關(guān)系：位數(shù) 1 3 8 16 n范圍 01 07 0255 065535 0 2n-1.數(shù)的符號(hào)與負(fù)數(shù)表示有符號(hào)數(shù)取最高位表示符號(hào)，其他表示值。為方便加減運(yùn)算，計(jì)算機(jī)中的有符號(hào)數(shù)普通用模2補(bǔ)碼表示。對(duì)于n位的二進(jìn)制數(shù)表示，正數(shù)的補(bǔ)碼就是原來(lái)編碼，負(fù)數(shù)N的補(bǔ)碼 N 滿足 N+ + N 2n

17、。其中 N+ 是 |N| 的補(bǔ)碼。求負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的方式：各二進(jìn)制位求反，得到的數(shù)加1。負(fù)數(shù)的符號(hào)也需求編碼。.有符號(hào)數(shù)的表示范圍用 n 位二進(jìn)制數(shù)表示有符號(hào)整數(shù)，范圍：位數(shù) 8 16 n范圍 -128127 -3276832767 - 2n-1 2n-1 -1計(jì)算機(jī)中常見的有符號(hào)整數(shù)及其表示范圍：16位：-32768 3276732位：- 231 231 - 1 (約- 20億到 20億)64位： 263 263 - 1.小數(shù)與實(shí)數(shù)的編碼與科學(xué)記數(shù)法對(duì)應(yīng)，X = 0.nnn10mm，nnn 尾數(shù)，mm 指數(shù)。浮點(diǎn)編碼方式。浮點(diǎn)編碼中尾數(shù)和指數(shù)都采用帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)表示，X = 0.BBB2bb。常

18、見表示。單精度：32位，7位指數(shù)，23位尾數(shù)，分別有符號(hào)位。范圍約 (10-38 1038)，約7位10進(jìn)制有效數(shù)字。雙精度：64位， 10位指數(shù)，52位尾數(shù)，表示范圍約為 (10-308 10308)，16到17位10進(jìn)制有效數(shù)字。.文字信息的編碼字符集：計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)用的根本字符集合。規(guī)范字符集：為與計(jì)算機(jī)交換信息而定義的字符編碼規(guī)范。如ASCII字符集是一種最常用的7位字符集，包含十進(jìn)制數(shù)字字符、英文大小寫字母、常用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)以及一些特殊控制字符系統(tǒng)用。一個(gè)字符存一個(gè)字節(jié)。文字信息是字符的序列，基于字符編碼。字符編碼的根本方式：將字符排一個(gè)順序，用字符的順序位置編號(hào)作為它的編碼是個(gè)整數(shù)。.中文編碼與國(guó)際碼隨著國(guó)際交流添加，尤其是互聯(lián)網(wǎng)，人們迫切需求在更大范圍中方便地共享信息。國(guó)際碼 Unicode 希望將國(guó)際上各主要文字的字符一致在一同，建立一種一致的編碼系統(tǒng)。中文字符中文字也有幾個(gè)編碼規(guī)范GB，Big5。中文字符數(shù)量大，通常用兩個(gè)或更多字節(jié)存儲(chǔ)。.其他信息的編碼，轉(zhuǎn)換