計算機的發(fā)展及應用

1.1計算機的開展及運用1.2計算機系統(tǒng)簡介1.3計算機中的數(shù)制與編碼1.4本章小結1.5習題第1章計算機概述總目錄下一章1.1.1計算機的開展歷史1.1.2計算機的主要特點1.1.3計算機的分類1.1.4計算機的運用領域1.1.5計算機的開展趨勢1.1計算機的開展及運用1.1.1計算機的開展歷史第一臺計算機的誕生計算機是一種能高速地、自動地進展算術和邏輯運算的電子機器。計算機的開展主要緣于“計算〞的需求，飛機的設計、天氣預告、導彈的發(fā)射、某些工程計算等許多方面都需求高精度和高速度的計算。1946年初，由美國賓夕法尼亞大學、穆爾工學院和美國陸軍火炮公司結合研制而成研制出了世界上第一臺電子計算機ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorAndComputer即電子數(shù)值積分計算機〕。返本節(jié)ENIAC計算機體積龐大，占地約170平方米，總分量達30多噸，運用了17468個真空電子管，耗電174千瓦，每秒鐘可做5000次加減運算。ENIAC的誕生宣布了電子計算機時代的到來，具有劃時代的意義。圖1返本節(jié)圖2返本節(jié)圖31.第一階段：電子管計算機(1946～1957年)2.第二階段：晶體管計算機(1958～1964年)3.第三階段：集成電路計算機(1965～1970年)4.第四階段：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機(1971年至今)閱歷四個階段(四代)：返本節(jié)返本節(jié)圖4運算速度快計算精度高記憶才干強具有邏輯判別才干可靠性高通用性強1.1.2計算機的主要特點返本節(jié)巨型機大型機小型機微型機效力器任務站1.1.3計算機的分類返本節(jié)可以從不同的角度對計算機進展分類。計算處置的信號有數(shù)字信號和模擬信號，按計算機處置的信號不同可分為數(shù)字計算、模擬計算機和數(shù)字模擬混合計算機。數(shù)字計算機處置數(shù)字信號數(shù)據(jù)，模擬計算機處置模擬信號數(shù)據(jù)，數(shù)字模擬混合計算機機可以處置數(shù)字信號也可以處置模擬信號。計算機按其功能可分為公用計算機和通用計算機。公用計算機功能單一、順應性差但是在特定用途下有效、經濟、快速。通用計算機功能齊全、順應性強。目前所說的計算機都是指通用計算機。在通用計算機中又可根據(jù)運算速度、輸入輸出才干、數(shù)據(jù)存儲才干、指令系統(tǒng)的規(guī)模和機器價錢等要素將其劃分為巨型機、大型機、小型機、微型機、效力器及任務站等。返本節(jié)返本節(jié).按綜合性能指標分類巨型機：速度最快、處置才干最強，多用于高端科研。大型、通用、較快、較強大型機：作“客戶機/效力器〞的效力器 作“終端/主機〞的主機小型機：規(guī)模小，構造簡單，設計試制周期短工藝先進、運用維護簡單。 任務站：介于PC與小型機之間，高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強微型計算機：小、巧、輕、運用方便、價錢廉價 適宜普通用戶。效力器：大容量的存儲設備和豐富的外部設備。運行速度較快，可供網絡用戶共享訪問。科學計算數(shù)據(jù)處置計算機輔助設計/輔助制造(CAD/CAM)過程控制多媒體技術計算機網絡人工智能1.1.4計算機的運用領域返本節(jié)巨型化微型化網絡化智能化1.1.5計算機的開展趨勢返本節(jié)巨型化天文、軍事、仿真等領域需求進展大量的計算要求計算機有更高的運算速度、更大的存儲量這就需求研制功能更強的巨型計算機。(我國的大型計算機：神威、銀河系列、曙光)返本節(jié)圖5微型化公用微型機曾經大量運用于儀器、儀表和家用電器中。通用微型機曾經大量進入辦公室和家庭，但人們需求體積更小、更輕便、易于攜帶的微型機，以便出門在外或在旅途中均可運用計算機。應運而生的便攜式微型機(筆記本型)和掌上型微型機正在不斷涌現(xiàn)，迅速普及。返本節(jié)圖6Altair8800網絡化將地理位置分散的計算機經過公用的電纜或通訊線路相互銜接就組成了計算機網絡。網絡可以使分散的各種資源得到共享，使計算機的實踐成效提高了很多。計算機聯(lián)網不再是可有可無的事，而是計算機運用中一個很重要的部分。人們常說的因特網(INTERNET國際互聯(lián)網)就是一個經過通訊線路聯(lián)接、覆蓋全球的計算機網絡。經過因特網人們足不出戶就可獲取大量的信息與世界各地的親友快捷通訊進展網上貿易等等。返本節(jié)智能化目前的計算機已可以部分地替代人的腦力勞動因此也常稱為“電腦〞。但是人們希望計算機具有更多的類似人的智能，比如：能聽懂人類的言語、能識別圖形、會自行學習等等這就需求進一步進展研討。近年來經過進一步的深化研討發(fā)現(xiàn)，由于電子電路的局限性，實際上電子計算機的開展也有一定的局限，因此人們正在研制不運用集成電路的計算機例如：生物計算機、量子計算機、超導計算機等。返本節(jié)1.2計算機系統(tǒng)簡介1.2.1計算機系統(tǒng)的組成1.2.2計算機硬件系統(tǒng)1.2.3計算機軟件系統(tǒng)1.2.4程序設計言語馮·諾依曼型計算機的根本構造1945年美籍匈牙利科學家馮·諾依曼(VonNeumann)提出了一個“存儲程序〞的計算機方案。這個方案包含3個要點：⑴采用二進制數(shù)的方式表示數(shù)據(jù)和指令。⑵將指令和數(shù)據(jù)存放在存儲器中。⑶計算機硬件由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成。其任務原理的中心是“程序存儲〞和“程序控制〞，就是通常所說的“順序存儲程序〞概念。我們把按照這一原理設計的計算機稱為“馮·諾依曼型計算機〞。1.2.1計算機系統(tǒng)的組成返本節(jié).計算機系統(tǒng)的組成圖：計算機系統(tǒng)硬件軟件主機外設系統(tǒng)軟件運用軟件中央處置器(CPU)內存儲器(ROM、RAM)外存儲器輸入設備輸出設備圖7返本節(jié)1.計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機的硬件系統(tǒng)是指構成計算機系統(tǒng)的一切實體部件的集合。通常這些部件由電路(電子元件)、機械等物理部件組成，它們都是看得見、摸得著的，故通稱為“硬件〞，是進展一切任務的根底。計算機的硬件系統(tǒng)由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備的設備5部分組成。2.計算機的任務原理見圖81.2.2計算機硬件系統(tǒng)返本節(jié)計算機的根本硬件構造參見P8圖8返本節(jié)數(shù)據(jù)、程序處置結果3.計算機的任務過程

4.計算機的性能目的1)主頻2)字長3)內存容量4)運算速度5)存取周期通常把運算器和控制器做在一塊半導體芯片上，稱為中央處置器(微處置器)，簡稱返本節(jié)CPU(CenterProcessingUnit)。幾種類型的CPU〔奔騰、奔騰Ⅱ、Cyrix686、K6-2〕幾個常用的硬件圖9?CPU字長：內部各存放器之間一次可以傳送的數(shù)據(jù)位?位寬與外部設備之間一次可以傳送的數(shù)據(jù)位?X位CPU通常用CPU字長和位寬來稱謂CPU。例如，PentiumCPU字長是32位，位寬是64位，稱為超32位CPU。?CPU外頻：CPU總線頻率?CPU主頻：CPU內核電路的實踐任務頻率?消費工藝技術：通常用微米數(shù)字來描畫早期的芯片CPUP4微處置器內部構造國產“龍芯〞返本節(jié)補充：我國CPU的開展圖10返本節(jié)龍芯〔Loongson，舊稱GODSON[1]〕于2002年8月10日，中國科學院計算所自主開發(fā)的通用CPU，采用簡單指令集，類似于MIPS指令集。第一型的速度是266MHz，最早在2002年開場運用。龍芯2號速度最高為1GHz。龍芯3號還未有廢品，而設計的目的那么在多中心的設計。龍芯1號〔Godson-1〕于2002年研發(fā)完成，是一顆32位元的處置器，內頻〔也稱：主頻〕是266MHz。

龍芯2號〔Godson-2〕于2003年正式完成并發(fā)布。龍芯2號是64位元處置器，內頻為300MHz至500MHz，500MHz版約與1GHz版的Intel[[PentiumIII]]、Pentium4擁有相近的效能程度。返本節(jié)曙光50002021年8月底，由中國科學院計算技術研討所、曙光信息產業(yè)自主研發(fā)制造的百萬億次超級計算機——曙光5000A，近日曾經在天津高新區(qū)的曙光公司產業(yè)基地勝利下線。曙光5000A高性能計算機是國家863方案高性能計算機及其中心軟件艱苦專項支持的研討工程，是面向網格的高性能計算機，可以為網格提供計算效力，同時也是面向信息效力的超級效力器，可以提供多目的的系統(tǒng)效力。曙光5000A采用網格技術,體系構造以構件性(Component)、規(guī)范性(Standard)、協(xié)作性(Coordinate)為基準,采用效力化(Service)、平安化(Security)、專業(yè)化(Specialization)、智能化(Intellengce)的3SI技術道路。其設計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次，采用最新的四核AMDBarcelona(主頻2.0GHz)處置器，采用基于刀片架構的HPP體系架構,共有約30000顆計算中心,大于100TB海量內存，700TB數(shù)據(jù)存儲才干，采用低延遲的20Gb的網絡互聯(lián)，Linpack測試速度預測將達到160T，效率大于70%，是目前國內運算速度最快的高性能計算機。曙光5000一天完成的任務量，相當于全中國一切人每天24小時、每年365天利用手持計算機不停地進展計算，46年時間的任務量。圖11存儲器：存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲器又分為內存儲器(主存儲器)和外存儲器(輔助存儲器)兩類。內存儲器簡稱內存，用來存儲當前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)以及中間結果和最終結果。內存儲器又分成隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)、只讀存儲器ROM(RandomOnlyMemory)和高速緩沖存儲器Cache。外存儲器簡稱外存，用來存儲大量暫時不參與運算的數(shù)據(jù)和程序以及運算結果。后援存儲器〔磁帶庫、光盤〕輔助存儲器〔軟盤、硬盤、光盤〕主存儲器〔DRAM〕Cache存儲器ALU存放器存儲器層次構造圖返本節(jié)常見的幾種內存條圖12返本節(jié)用于臺式機內存條用于筆記本電腦內存條內存是程序存儲的根本要素，存取速度快，但價錢較貴，容量不能夠配置的非常大；而外存呼應速度相對較慢但容量可以做得很大〔如一張3.5英寸軟盤片容量1.44MB，一張光盤片容量640MB,硬盤容量可達幾百GB及以上〕。外存價錢比較廉價并且可以長期保管大量程序或數(shù)據(jù)，是計算機中必不可少的重要設備。常見的外存設備圖11返本節(jié)硬盤挪動硬盤光盤數(shù)碼伴侶(存儲卡)軟盤U盤圖13輸入設備：輸入設備是將用戶的程序、數(shù)據(jù)和命令輸入到計算機的內存的設備。最常用的輸入設備是鍵盤，常用的輸入設備還有鼠標器、掃描儀、手寫板等。輸出設備：輸出設備是顯示或硬拷貝計算機運算和處置結果的設備。最常用的輸出設備是顯示器和打印機，常用的輸出設備還有繪圖儀等。返本節(jié)圖14圖151.2.3計算機軟件系統(tǒng)計算機的軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中不可短少的組成部分，沒有軟件，計算機是無法正常任務的。只需硬件系統(tǒng)而沒有軟件系統(tǒng)的計算機稱為“裸機〞，裸機是無法任務的，必需配備相應的軟件系統(tǒng)，計算機才干完成一項項任務。軟件是提高計算機運用效率、擴展計算機功能的各類程序、數(shù)據(jù)和有關文檔(docu-ment)的總稱。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控和維護計算機資源的軟件，是計算機必備的軟件。2.運用軟件運用軟件是為理處理各種實踐問題而設計的程序，包括各種管理軟件、辦公自動化軟件、工業(yè)控制軟件、計算機輔助設計軟件包、數(shù)字信號處置及科學計算程序包等。返本節(jié)用戶操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)多用戶操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)……匯編程序系統(tǒng)軟件言語處置程序解釋程序編譯程序……軟件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)診斷與維護程序工具軟件調試程序編輯程序裝配鏈接程序運用軟件軟件包用戶程序返本節(jié)1.2.4程序設計言語1.機器言語2.匯編言語3.高級言語返本節(jié)1.3計算機中的數(shù)制與編碼1.3.1計算機中的數(shù)制1.3.2不同進制之間的轉換1.3.3二進制數(shù)的算術運算和邏輯運算1.3.4計算機數(shù)據(jù)的表示1.3.5字符編碼1.3.1計算機中的數(shù)制1．數(shù)制的概念在一種數(shù)制中，只能運用一組固定的數(shù)字符號來表示數(shù)目的大小，這種數(shù)字符號被稱為該數(shù)制的數(shù)碼，如在十進制中，用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9的有效組合來表示一個十進制數(shù)的大小，這里的10個數(shù)字符號0～9被稱為十進制的數(shù)碼。每種數(shù)制中數(shù)碼的個數(shù)稱為該數(shù)制的基數(shù)，如十進制中有10個數(shù)碼，基數(shù)是10；二進制中有兩個數(shù)碼0和1，基數(shù)是2；八進制數(shù)中有8個數(shù)碼0、1、2、3、4、5、6、7，基數(shù)是8；十六進制數(shù)中有16個數(shù)碼0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，基數(shù)是16。生活中有12進制、24進制、60進制等，民間稱一打＝12個對于ｒ進制數(shù)，有數(shù)字符號0，1，2，…，ｒ－１，共ｒ個數(shù)碼，基數(shù)是ｒ。返本節(jié)2．常用進位計數(shù)制在數(shù)制中有一個規(guī)那么，就是N進制一定是“逢N進一〞。如十進制就是“逢十進一〞，二進制就是“逢二進一〞，八進制就是“逢八進一〞，十六進制就是“逢十六進一〞等。1)二進制2)八進制3)十進制4)十六進制返本節(jié)返本節(jié)二進制數(shù)十進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)000011111022211333100444101555110666111777100081081001911910101012A10111113B11001214C11011315D11101416E11111517F10000162010引入根本概念：Ｎ＝ａｎ…ａ１ａ０…ａ-1…ａ-m(ｒ)＝ａｎ×ｒn＋…ａ１×ｒ1＋ａ０×ｒ０＋ａ-1×ｒ-1＋…＋ａ-mｒ-m式中的ａｉ是數(shù)碼，ｒ是基數(shù)，ｒi是權。不同的基數(shù)，表示的是不同的進制數(shù)。ｎ為整數(shù)部分的位數(shù)，m為小數(shù)部分的位數(shù)。在基數(shù)為ｒ的進位計數(shù)制中，根據(jù)“逢ｒ進一〞或“逢基進一〞的原那么進展計數(shù)。1.3.2不同進制之間的1.二、八、十六進制(非十進制數(shù))轉換為十進制數(shù)2.十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)二、八、十六進制(非十進制數(shù))3.二進制和八進制、十六進制間數(shù)的轉換返本節(jié)返本節(jié)進位制二進制八進制十進制十六進制規(guī)則逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一基數(shù)R=2r=8r=10r=16數(shù)符0,10,1,,70,1,,90,1,,9,A,,F位權2i8i10i16i形式表示B（BinarySystem）O（OctalSystem）D（DecimalSystem）H（HexadecimalSystem）十進制轉化成r進制的方法：整數(shù)部分：除以r取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)從右到左陳列，稱為基數(shù)除法。小數(shù)部分：乘以r取整數(shù)，整數(shù)從左到右陳列，稱基數(shù)乘法。數(shù)值由十進制轉換成二進制，要將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進展轉換，然后再組合起來。十進制整數(shù)轉換成二進制數(shù)的最簡便方法是基數(shù)除法，也稱“除2取余〞法。十進制小數(shù)轉換成二進制數(shù)的常用方法是基數(shù)乘法，也稱“乘2取整〞法。返本節(jié)整數(shù)部分和小數(shù)部分的轉換方法不同。整數(shù)部分的轉換〔除基2取余法〕:除以2取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)從右到左陳列。整數(shù)部分：25除數(shù)被除數(shù)余數(shù)225212126023021101(25)D=(11001)B先取的余數(shù)為低位，后取的余數(shù)為高位。返本節(jié)小數(shù)部分的轉換〔乘基2取整法〕：乘以2取整數(shù)，整數(shù)從左到右陳列。0.3125乘2整數(shù)0.3125×20.62500×20.25001×20.50000×20.00001(0.3125)D=(0.0101)B先取的整數(shù)為高位，后取的整數(shù)為低位那么：(25.3125)D=(11001)B+(0.0101)B=(11001.0101)B返本節(jié)返本節(jié)〔1001.111〕B=〔〕D〔1234〕O=〔〕D〔4C〕H=〔〕D答案返本節(jié)〔1001.111〕B=〔9.765〕D〔1234〕O=〔668〕D〔4C〕H=〔76〕D1.3.3二進制數(shù)的算術運算和邏輯運算1.算術運算＋(加)、－(減)、＊(乘)、／(除)2.邏輯運算∨(或)、∧(與)、～(非)返本節(jié)1.3.4計算機數(shù)據(jù)的表示1.數(shù)的浮點表示浮點數(shù)：Ｎ＝數(shù)符×尾數(shù)×2階符×階碼2.機器數(shù)的表示機器數(shù)：一個數(shù)及其符號在機器中的數(shù)值化表示。真值：機器數(shù)所代表的數(shù)。1)原碼2)反碼3)補碼返本節(jié)1.3.5字符編碼1.西文字符編碼1)ASCII碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange(美國規(guī)范信息交換代碼)，共128個，0～1272)EBCDIC碼ExtendedBinar