第1章計算機概述

第1章

計算機概述1問題什么是計算機？計算機的歷史、發(fā)展、分類、組成計算機能做什么？計算機的應(yīng)用、軟件的分類計算機怎么做？工作過程，數(shù)值的表示、存儲、運算2本章內(nèi)容計算機的歷史與發(fā)展計算機的系統(tǒng)組成什么是指令和程序不同進制之間數(shù)值轉(zhuǎn)換編碼的不同類型3計算機的定義計算機是一種可以進行數(shù)據(jù)輸入、處理、存儲、輸出的電子裝置。計算機的特點可概括為：計算精度高、處理速度快、存儲容量大、可進行邏輯判斷、可靠性高、通用性強。計算機4電子計算機的發(fā)展歷程第一代：電子管計算機時代（1946年~20世紀(jì)50年代末）第二代：晶體管計算機時代（20世紀(jì)50年代中期~60年代末）第三代：中、小規(guī)模集成電路計算機時代（20世紀(jì)60年代~70年代初期）

第四代：大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計算機時代（20世紀(jì)70年代初至今）5電子管計算機時代電子管電子管內(nèi)大多為真空，管內(nèi)一個金屬絲通過“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)控制電流是否流經(jīng)電子管6世界上第一臺現(xiàn)代電子計算機世界上第一臺現(xiàn)代電子計算機“埃尼阿克”（ENIAC），誕生于1946年2月14日的美國賓夕法尼亞大學(xué)

5000次加法/秒體重30噸占地170m218000只電子管1500個繼電器功率150KWENIAC存在明顯缺點：存儲容量很?。徊捎猛饨泳€路連接的方法設(shè)計計算程序。7晶體管計算機時代晶體管晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件可做為電流的開關(guān)，利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，可達100GHz以上。8第一臺使用晶體管線路的計算機

1954年，美國貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的計算機，取名“催迪克”（TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer）集成約800個晶體管集成超過10000個二極管。運行速度為1MHz功率小于100瓦晶體管相比電子管的好處：壽命長耗能小體積小巧可集成度高9中、小規(guī)模集成電路計算機時代小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲器、磁盤，內(nèi)存儲器容量8MB～256MB；運算速度1～10億次/秒；軟件有操作系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫等10超大規(guī)模集成電路計算機時代超大規(guī)模集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲器、磁盤、磁帶、光盤和微處理器，內(nèi)存儲器容量可達256MB～4096MB；運算速度已經(jīng)達到10億次以上/秒；軟件增加專家系統(tǒng)、面向?qū)ο箝_發(fā)工具和支撐環(huán)境等。11電子計算機的發(fā)展趨勢巨型化幾萬個或者更多的處理器來支持數(shù)據(jù)的并行處理的超高速大型計算機。用于天文、氣象、生物工程等領(lǐng)域微型化用于手機、智能家電及各種民用或者工業(yè)用機器控制的智能化領(lǐng)域，諸如嵌入式芯片等技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化計算機之間通過通信線路及專門的外部設(shè)備聯(lián)合在一起，共享計算資源及數(shù)據(jù)資源。云計算概念的興起。智能化使用計算機模擬人類的思維活動，使計算機具有更強大的邏輯思維和推理學(xué)習(xí)能力。12計算機的分類依據(jù)計算機的字長、運算速度、存儲容量、外部設(shè)備、輸入和輸出能力等主要技術(shù)指標(biāo)，大體可分為巨型機、大型機、小型機、微型機、工作站和服務(wù)器等幾類。

13巨型計算機巨型計算機也稱超級計算機，其主要特征是采用大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)，由幾十上百萬顆處理器構(gòu)成圖中這款Sequoia超級計算機，由IBM建造，使用了超過157萬顆計算內(nèi)核，其運行速度達到了每秒16.32千萬億次14大型計算機大型計算機的運算速度和存儲容量次于巨型機，并具有較大的存儲容量以及較好的通用性。用于銀行、鐵路等大型應(yīng)用系統(tǒng)中的計算機網(wǎng)絡(luò)主機使用處理器一般是幾十到上百個。支持的內(nèi)存由幾百GB到上千GB支持幾十路網(wǎng)絡(luò)耦合15小型計算機小型計算機的運算速度和存儲容量都低于大/中型計算機，系統(tǒng)架構(gòu)既含有大型機的并行架構(gòu)技術(shù)又有微型機的緊湊架構(gòu)技術(shù)處理器、內(nèi)存容量、磁盤空間與微型計算機相似，但仍然采用了部分大型機的并行處理架構(gòu)及處理器指令集。16微型計算機又稱個人計算機（PC）以運算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器，輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線構(gòu)成的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低，但又具有一定功能的計算機。17工作站基于微型計算機的架構(gòu)但將某些能力設(shè)計增強的一類計算機。一般配有大容量的主存，具有高速的運算能力和很強的圖形處理能力。18服務(wù)器

高性能計算機，用于網(wǎng)絡(luò)管理、運行應(yīng)用程序、處理網(wǎng)絡(luò)工作站成員的信息請求等。分為文件服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。

服務(wù)器機19計算機的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)值計算解決科學(xué)和研究及工程中不可能進行實驗的問題和進行實驗代價太大的問題。數(shù)據(jù)處理對生產(chǎn)和經(jīng)營活動以及社會科學(xué)研究中的大量數(shù)字或非數(shù)字信息進行收集、轉(zhuǎn)換、分類、統(tǒng)計、處理、存儲、傳輸?shù)?。過程控制對生產(chǎn)生活中的各種自動裝置、儀表、傳感器等進行數(shù)據(jù)實時采集或分析，。20計算機網(wǎng)絡(luò)將地理位置不同且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來，由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。多媒體將文字、圖像、動畫、視頻、音樂、音效等數(shù)字資源通過編程方法整合在一個交互式的整體中，以圖文并茂、生動活潑的動態(tài)形式表現(xiàn)。21人工智能研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律，進而設(shè)計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。計算機仿真以計算機和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行模擬科學(xué)試驗研究。22計算機輔助系統(tǒng)包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助教學(xué)（CAI）等。CAD是以計算機為工具，對產(chǎn)品或工程進行總體設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。CAM用計算機代替人控制和操作設(shè)備（如車床）進行生產(chǎn)或加工產(chǎn)品（如零件）。CAI是借助課件系統(tǒng)完成教學(xué)的方法。課件系統(tǒng)是一種教學(xué)輔助軟件。23計算機體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)計算機的基本組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，并按照存儲器地址訪問。程序和數(shù)據(jù)以二進制數(shù)表示。24計算機系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)外存儲器運算器控制器應(yīng)用軟件內(nèi)存儲器輸出設(shè)備主機外設(shè)中央處理器(cpu)ROMRAM系統(tǒng)軟件輸入設(shè)備硬磁盤軟磁盤光盤鍵盤鼠標(biāo)顯示器打印機繪圖儀操作系統(tǒng)語言處理程序編輯程序連接程序調(diào)試程序、故障檢查程序監(jiān)控程序、診斷程序各種軟件包數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序匯編程序編譯程序解釋程序掃描儀運算器硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)外存儲器控制器應(yīng)用軟件內(nèi)存儲器輸出設(shè)備主機外設(shè)中央處理器(cpu)ROMRAM系統(tǒng)軟件輸入設(shè)備硬磁盤軟磁盤光盤鍵盤鼠標(biāo)顯示器打印機繪圖儀操作系統(tǒng)語言處理程序編輯程序連接程序調(diào)試程序、故障檢查程序監(jiān)控程序、診斷程序各種軟件包數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序匯編程序編譯程序解釋程序掃描儀運算器25計算機的硬件系統(tǒng)硬件是指構(gòu)成計算機的物理裝置，是一些實實在在的，看得見、摸得著的有形實體。硬件由5大部件，即運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。26運算器運算器又稱算術(shù)邏輯單元，簡稱ALU，是計算機用來進行數(shù)據(jù)運算的部件。數(shù)據(jù)運算包括算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破骺刂破魍ㄟ^地址訪問存儲器，逐條讀取選中單元的指令，分析指令，根據(jù)指令產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號作用于其他各個部件，控制其他部件完成指令要求的操作。運算器和控制器27存儲器指令和地址指令是能夠被計算機識別并執(zhí)行的二進制編碼地址是存儲器中存儲單元的編號。存儲器存儲器是用于存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。在計算機內(nèi)部，程序中的指令和數(shù)據(jù)都以二進制代碼形式存儲。存儲器的基本功能就是存儲二進制形式的各種信息。存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器。28內(nèi)存儲器和外存儲器主存儲器（內(nèi)存）內(nèi)存包含隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。半導(dǎo)體材料訪問速度快數(shù)據(jù)是暫時性存儲價格高輔助存儲器（外存）外部長久存儲區(qū)域。輔助存儲器有磁盤、光盤以及U盤等。光、磁材料訪問速度慢數(shù)據(jù)永久性價格低29輸入輸出設(shè)備輸入輸出（I/O）系統(tǒng)的主要功能是對指定外部設(shè)備進行輸入輸出操作。輸入設(shè)備向主機輸入程序、原始數(shù)據(jù)和操作命令等信息的設(shè)備，常用輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、繪圖板等。30輸出設(shè)備將計算機處理后的信息轉(zhuǎn)換成人們能識別的形式。常用輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。31計算機的軟件系統(tǒng)軟件是運行、管理和維護計算機所編制的各種程序和文檔的總和。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件32系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)督和維護計算機資源的軟件。

管理計算機系統(tǒng)資源，指揮計算機系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)地運行，高效率地工作，是用戶與計算機之間的接口。?操作系統(tǒng)(OS)操作系統(tǒng)其他軟件DOS硬件33

通過計算機語言可以編寫程序，控制計算機完成預(yù)定任務(wù)。計算機語言分為機器語言、匯編語言和高級語言。如C語言、VB和VC等。?程序設(shè)計語言?數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

管理數(shù)據(jù)庫的軟件，主要面向解決數(shù)據(jù)處理的非數(shù)值計算問題。34應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶為了解決某些特定具體問題而開發(fā)的各種程序。35計算機的主要性能指標(biāo)字長字長是指CPU能夠同時處理的數(shù)據(jù)的二進制位數(shù).運算速度計算機的運算速度（平均運算速度）是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)。一般用百萬次/秒（MIPS）來描述。時鐘頻率（主頻）時鐘頻率是指CPU在單位時間（秒）內(nèi)能完成的工作周期數(shù)。通常，時鐘頻率以兆赫（MHz）為單位。36內(nèi)存容量內(nèi)存一般以KB或MB為單位。內(nèi)存容量反映了內(nèi)存儲器存儲數(shù)據(jù)的能力。外存容量外存容量指外部存儲器的存儲容量，一般以硬盤容量為參照標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代主流PC機的硬盤容量一般以GB或TB為單位。37計算機的工作原理計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，程序的每一個操作步驟都是告訴計算機“做什么”和“如何做”的命令。指令和程序指令是讓計算機完成某個具體操作所發(fā)出的命令。一般以二進制代碼的形式表達。指令一般由操作碼和操作數(shù)兩部分組成38程序則是大量指令的集合。所有指令集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)。操作碼操作數(shù)指令要完成的操作功能及其特性。操作對象或其所在的內(nèi)存單元地址。10111000

00001000

00000000；將8存入累加器A中00000101

00000111

00000000；7與A中內(nèi)容相加,存于A如，計算A=8+7操作碼和操作數(shù)Int

x,y,z；Scanf(“%d%d”,&x,&y);If(x>y)z=x；Elsez=y；39執(zhí)行指令兩個階段：?取指周期?執(zhí)行周期從內(nèi)存中取出要執(zhí)行的指令送入CPU。

由CPU對指令進行分析譯碼，判斷指令要完成的操作，向各部件發(fā)出控制信號，完成指令。兩種信息流：?數(shù)據(jù)流?控制流

指原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)和源程序等。

由控制器對指令進行分析、解釋后向各部件發(fā)出的控制命令（信號）。計算機的工作過程40數(shù)據(jù)在計算機中的表示進位計數(shù)制計數(shù)制，是指用一組固定的數(shù)字符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。按進位的原則進行的計數(shù)方法稱為進位計數(shù)制。數(shù)制的表示主要包括三個基本要素：數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)。位權(quán)是按所采用的基數(shù)和對應(yīng)數(shù)位來表示一個固定數(shù)。基數(shù)是指在某種進位計數(shù)制中所使用的數(shù)碼個數(shù)。位權(quán)數(shù)碼基數(shù)41任意R進制計數(shù)制同樣有基數(shù)R、位權(quán)Ri和按權(quán)展開的表達式。R可以是任意正整數(shù)。

用基數(shù)R的i次冪Ri表示。數(shù)碼基數(shù)位權(quán)一個計數(shù)制所采用基本符號的個數(shù)。=

an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+……+a1×R1+a0+a-1×R-1+a-2×R-2+……+a-m×R-m數(shù)值的按權(quán)展開

:(an-1an-2……a1a0.a-1a-2……a-m)按權(quán)展開表達式42常用進制數(shù)的表示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=2 r=8r=10r=16數(shù)符0，10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位權(quán)2i8i10i16i表示符號BODH43數(shù)制的轉(zhuǎn)換計算機中，常使用的是二進制二進制、八進制、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)方法：按權(quán)展開求和。例如：（110.101）B=1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=（6.625）D（73.56）O=7×81+3×80+5×8-1+6×8-2=（59.71875）D（2B.3C）H=2×161+11×160+3×16-1+12×16-2=（43.234375）D44十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)方法：整數(shù)部分采取“除2取余法”，從下往上?。恍?shù)部分采取“乘2取整法”，從上往下取。例如：將十進制數(shù)358.375轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。因為（358）D=（101100110）B

（0.375）D=（0.011）B 所以將整數(shù)和小數(shù)合并在一起，（358.375）D=（101100110.011）B45具體步驟如下：整數(shù)部分轉(zhuǎn)換：小數(shù)部分轉(zhuǎn)換：余數(shù)

整數(shù)部分

23580

0.37521791

×2

2891

0.75002440×2

22201.5001

2111×2

25111220

11（?。焙蟪耍玻?6計算機中數(shù)據(jù)的概念在計算機內(nèi)部，各種信息采用二進制編碼形式存儲，計算機中信息常用的單位有位、字節(jié)和字。位（bit）：又稱“比特”，一個二進制位即為一個“比特”，是計算機數(shù)據(jù)的最小單位。一個二進制位只能表示”1”或“0”。47字節(jié)（Byte）：簡稱為B，是計算機