第1章 計算機(jī)基礎(chǔ)

第一章計算機(jī)基礎(chǔ)知識

BasicsKnowledge

ofComputer陳書慧2014年10月15日知識要點

MainPointofKnowledge1.1計算機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用1.2計算機(jī)系統(tǒng)組成1.3數(shù)據(jù)編碼1.4計算機(jī)安全使用常識1.1計算機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況

奠定現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展的重要人物和思想：香儂

現(xiàn)代信息論的著名創(chuàng)始人

采用能實現(xiàn)布爾代數(shù)運算的繼電器或電子元件來制造計算機(jī)，它具有邏輯功能，既能用于數(shù)值計算，又具有各種非數(shù)值應(yīng)用功能1.1計算機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況阿塔納索夫-貝瑞計算機(jī)（Atanasoff-BerryComputer，簡稱ABC）阿塔納索夫1937年設(shè)計，1942年測試成功世界上第一臺電子計算機(jī)不可編程，僅用于求解線性方程組

圖靈與圖靈機(jī)為紀(jì)念圖靈對計算機(jī)的貢獻(xiàn)，美國計算機(jī)博物館于1966年設(shè)立了“圖靈獎”。圖靈機(jī)是一種思想模型，由三部分組成：如下圖1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況控制器可無限延長的帶子讀寫頭JohnvonNeumann馮

諾依曼

馮·諾依曼計算機(jī)存儲程序【storedprogram】工作原理：

計算機(jī)的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況

馮·諾依曼計算機(jī)世界上第一臺電子多用途計算機(jī)1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況1949EDSAC愛達(dá)塞克ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator（電子延遲存儲自動計算機(jī)）是世界上首次實現(xiàn)存儲程序計算機(jī)5000次加法/秒體重30噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW

第一臺電子多用途計算機(jī)（ENIAC）1946年2月15日，美國費城1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況計算機(jī)由5個基本部分組成：、、、、

采用二進(jìn)制形式表示計算機(jī)的。將程序（由一系指令組成）和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，并讓計算機(jī)自動地執(zhí)行程序——這就是“”思想的基本定義。

第一臺電子計算機(jī)（ENIAC）1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況按硬件劃分計算機(jī)年代第一代（1946~1957）ElectronicTube電子管5千~4萬（次/秒）第二代（1957~1964）Transistor晶體管幾十萬~百萬（次/秒）第四代（1972~至今）LargeScaleIntegration大規(guī)模集成電路幾百萬~幾萬億（次/秒）第三代（1964~1972）IntegratedCircuit集成電路百萬~幾百萬（次/秒）1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況目前世界超級計算機(jī)排名

No.1天河二號中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制，安裝應(yīng)用與廣州超級計算機(jī)中心使用英特爾Xeons常春藤，IntelXeonφ共計有312萬個處理核心，使用17808千瓦的電力每秒33.86Petaflops，理論上可以打速度高達(dá)每秒54Petaflops，打破了世界超級計算機(jī)的速度性能記錄1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況目前世界超級計算機(jī)排名No.2Titan（泰坦）2012年世界最快計算機(jī)克雷公司在美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室；采用基于AMD芯片，有560640個處理核心，每秒速度可達(dá)17.6Petaflops是最節(jié)能的超級計算機(jī)中的第三，使用8209千瓦的電力1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況目前世界超級計算機(jī)排名No.3Sequoia（紅杉）IBM在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室被美國國家核安全管理局使用,旨在延長核武器壽命藍(lán)色基因/Q系統(tǒng)，近160萬個處理核心，每秒17.2Petaflops1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況目前世界超級計算機(jī)排名No.4Kcomputer在日本的理科學(xué)研究所高級計算中心富士通公司制造，2011年世界最快計算機(jī)共548,352個核心，每秒8.162Petaflop1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況目前世界超級計算機(jī)排名No.5MiraIBM在美國阿貢的能源部國家實驗室藍(lán)色基因/Q系統(tǒng)，786432個處理核心，每秒8.6Petaflops1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況2010年世界最快計算機(jī)在中國國家超級計算中心2010年11月誕生，使用IntelXeon處理器和Nvidiagpu，183368個處理核心，每秒2.6Petaflops1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況曾經(jīng)的第一IBM公司制造“Roadrunner走鵑”運算速度1.105PFlops

千萬億次峰值1.4567PFlops2009年6月安裝在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況

2009年11月17日，Cray代號為“Jaguar”（美洲虎）XT5。速度峰值可以達(dá)到2.33petaflopsJaguar系統(tǒng)包括8個CrayXT4系統(tǒng)機(jī)柜和200個升級的CrayXT5機(jī)柜，均采用6核處理器；XT5占地4400平方英尺，面積比一個NBA籃球場還要大。曾經(jīng)的第一曾經(jīng)的第一

2008年6月18日，IBM公司制造“Roadrunner走鵑”運算速度1.105PFlops千萬億次峰值1.4567PFlops安裝在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室1.1.1BriefIntroduce計算機(jī)發(fā)展概況特點1.1.2MainCharacteristic

計算機(jī)的主要特點Self-motionExecute自動運行功能Calculation計算功能LogicalDecision邏輯判斷功能Memory記憶功能特點特點1、Function性能指標(biāo)分類

Supercomputer巨型機(jī)

Mainframe大型機(jī)

Minicomputer小型機(jī)

Microcomputer微型機(jī)

SingleChip單片機(jī)1.1.3Classification計算機(jī)的分類2、Usage用途分類

DedicatedApplicationComputer

專用機(jī)GeneralPurposeComputer

通用機(jī)Biocomputer

生物計算機(jī)PhotonComputer

光子計算機(jī)QuantumComputer

量子計算機(jī)

1.1.3Classification計算機(jī)的分類1、ScientificCalculation

科學(xué)計算（或數(shù)值計算）2、DataProcessing數(shù)據(jù)處理（或信息處理）3、AssistiveTechnologies輔助技術(shù)（或計算機(jī)輔助設(shè)計與制造）4、ProcessControl過程控制（或?qū)崟r控制）5、ArtificialIntelligences人工智能（或智能模擬）6、NetworkApplication網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用1.1.4ApplicationArea計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.2計算機(jī)系統(tǒng)組成ComputerSystem計算機(jī)系統(tǒng)HardwareSystem硬件系統(tǒng)SoftwareSystem軟件系統(tǒng)1.2計算機(jī)系統(tǒng)組成1.2.1HardwareSystem硬件系統(tǒng)HardwareSystem硬件系統(tǒng)CPU中央處理器Memory存儲器InputDevice輸入設(shè)備OutputDevice輸出設(shè)備運算器控制器外存儲器內(nèi)存儲器RAMR0M鼠標(biāo)圖形掃描儀鍵盤顯示器磁盤存儲器打印機(jī)磁盤存儲器繪圖儀1.2計算機(jī)系統(tǒng)組成（外）存儲器（內(nèi)）存儲器中央處理器（CPU）控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)流地址控制流運算器1.2.1HardwareSystem硬件系統(tǒng)1.2.1HardwareSystem硬件系統(tǒng)

內(nèi)存及其特點：RAM：可讀、可寫、斷電信息消失。ROM：可讀、不可寫、斷電信息不消失。高速緩沖內(nèi)存Cache:可讀、可寫、讀寫速度接近CPU。

外存及特點：硬盤：存儲容量大、讀寫速度快。軟盤：存儲容量較小、讀寫速度較慢。光盤：存儲容量大、介質(zhì)磨損小、光頭損壞性小。存儲單位及轉(zhuǎn)換關(guān)系

1B（字節(jié)）=8位二進(jìn)制

1KB=1024B=1000B1MB=1024KB=1000KB1GB=1024MB=1000MB1TB=1024GB=1000GB1.2.1HardwareSystem硬件系統(tǒng)SystemSoftware系統(tǒng)軟件

WindowsLinuxUNIX

ApplicationSoftware應(yīng)用軟件

QQ、MicrosoftOffice1.2.2SoftwareSystem軟件系統(tǒng)主機(jī)包括：中央處理器(CPU)、內(nèi)存和主板等。1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置1、CPU——CentralProcessUnit1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置It’sresponsibleforexecutinginstructions.中央處理器2、Memory內(nèi)存1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置RAM——RandomAccessMemory隨機(jī)存儲器ROM——ReadOnlyMemory只讀存儲器3、Motherboard主板1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置3、Mainboard主板1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置It’samainprintedcircuitboardinacomputer.Itcarriesthesystembuses.It’sequippedwithsocketstowhichallprocessors,memorymodules,plug-incards,daughterboardsorperipheraldevicesareconnected.在電腦中主板是一個主要的印刷電路板，與總線連接。板上裝備有插槽，這樣所有的處理器，內(nèi)存模塊，即插即用卡，子板和外部設(shè)備均可插在主板上。1、FloppyandFloppyDrive

軟盤和軟驅(qū)外存儲器1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置2、HDD（HardDiskDrive）硬盤1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置3、CD-ROMDevice光驅(qū)1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置

U盤是基于USB接口，采用FlashMemory(閃存)介質(zhì)的便攜式移動存儲設(shè)備。

FlashMemory是一種半導(dǎo)體存儲器，用于存儲數(shù)據(jù)信息，可反復(fù)讀寫。它是中國在計算機(jī)存儲領(lǐng)域二十年來唯一屬于中國人的原創(chuàng)性發(fā)明專利成果。1、Keyboard

鍵盤輸入設(shè)備1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置1、Keyboard鍵盤輸入設(shè)備1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置It’salmostidenticaltoakeyboardonatypewriter.Computerkeyboardwilltypicallyhaveextrakeys.Smallerkeyboardswithonlymath-relatedkeysaretypicallycalled“keypads”.2、Mouse鼠標(biāo)1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置Amousecanbeboththephysicalobjectmovedaroundtocontrolapointeronthescreen,andthepointeritself.鼠標(biāo)既指來回移動控制屏幕上光標(biāo)指示器的物理設(shè)備，也指屏幕上的光標(biāo)本身。3、ScannerandWritingPad

掃描儀和手寫板1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置Scannercancopywrittendocument,picturesorphotographsdirectlyintoyourcomputer.1、Monitor顯示器輸出設(shè)備1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置Thescreenforviewingcomputerinformationiscalledamonitor.2、VideoCard顯卡輸出設(shè)備1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置Thevideocardisthepartofthecomputerthatsendstheimagestothemonitor.1、SoundCard聲卡多媒體設(shè)備1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置Thisdeviceallowsyourcomputertoreproducemusic,soundsandvoices.Makesureyouhaveasoundcardifyou’replanningtoplaymultimediagames.2、內(nèi)置式和外置式Modem（調(diào)制解調(diào)器）1.2.3ConfigurationofMicrocomputer

微型電腦的配置

機(jī)器語言：一種用二進(jìn)制代碼，以0和1表示的、能被計算機(jī)直接識別和執(zhí)行的語言。匯編語言：一種用助記符表示的面向機(jī)器的程序設(shè)計語言。高級語言：一種比較接近自然語言和數(shù)學(xué)表達(dá)式的一種計算機(jī)程序設(shè)計語言。BASIC、FORTRAN、COBOL、PASCAL、C、C++、C#、Java、Prolog、VHDL其他高級語言：DBASE、Foxbase、VisualFoxPro、Sybase、Oracle、DB2、SQLServer等ComputerLanguage計算機(jī)語言十進(jìn)制 R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二進(jìn)制 R=2，可使用0,1八進(jìn)制 R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六進(jìn)制 R=16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F“逢R進(jìn)一，借一當(dāng)R”1.3DataEncoding數(shù)據(jù)編碼

NumberSystem制數(shù)的概念表1.2各進(jìn)制之間數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00009100191111101010A21022111011B31133121100C410044131101D510155141110E611066151111F71117716100008100081710001概念：基數(shù)為十，有0……9十個符號進(jìn)位規(guī)則：逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十冪指數(shù)表示： 例：(95.31)10=9*101+5*100+3*10-1+1*10-21.3.1Decimal十進(jìn)制概念：基數(shù)為2，有0、1二個符號進(jìn)位規(guī)則：逢二進(jìn)一冪指數(shù)展開舉例：（1101.101)2=1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-31.3.2Binary二進(jìn)制

ConceptofBinary二進(jìn)制的概念

硬件容易實現(xiàn)運算規(guī)則簡單算術(shù)運算與邏輯運算易溝通

Algorithm二進(jìn)制的運算法則加法：0+0=0，0+1=1+0=1，1+1=10（進(jìn)位）

例：11011+11011=？減法：0-0=1-1=0，1-0=1，0-1=1（借位）例：11011-1101=？乘法：0*0=1*0=0*1=0，1*1=1

例：11001*11010=？除法：0/0=0，0/1=0，1/1=1

例：100111/11=？1.3.3-4OctalandHexadecimal

八進(jìn)制和十六進(jìn)制(52.31)8=？(52.31)16=？1、DecimalTransformtoBinary

十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)1.3.5Change各進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，分兩種情況進(jìn)行：整數(shù)部分和小數(shù)部分。具體規(guī)則如下：

整數(shù)部分：除2取余，直到商為0；先取的余數(shù)在低位，后取的余數(shù)在高位。

(97)10=()2

小數(shù)部分：乘2取整，直到值為0或達(dá)到精度要求。先取的整數(shù)在高位，后取的整數(shù)在低位。(98.125)10=()2

1、DecimalTransformtoBinary

十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)1.3.5Change各進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換2、BinaryTransformtoDecimal

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)與轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)相似，具體規(guī)則如下：

整數(shù)部分：除以8(或16)取余，直到商為0；先取的余數(shù)在低位，后取的余數(shù)在高位。小數(shù)部分：乘以8(或16)取整，直到值為0或達(dá)到精度要求。先取的整數(shù)在高位，后取的整數(shù)在低位。3、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)

4、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，只需以8(或16)為基數(shù)，按權(quán)展開求和即可。

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法是：整數(shù)部分：從低位向高位每3位一組，高位不足3位用0補(bǔ)足3位，然后每組分別按權(quán)展開求和即可。小數(shù)部分：從高位向低位每3位一組，低位不足3位用0補(bǔ)足3位，然后每組分別按權(quán)展開求和即可。5、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)

可利用4位二進(jìn)制數(shù)的8421法迅速換算十、八、十六進(jìn)制。001001011.101110不足3位就補(bǔ)位，補(bǔ)齊3位從低到高

從右至左從低到高

從左至右二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)（1001011.10111）2=1

1

3

5

6

113.56

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法是：整數(shù)部分：從低位向高位每四位一組，高位不足四位用0補(bǔ)足四位，然后每組分別按權(quán)展開求和即可。小數(shù)部分：從高位向低位每四位一組，低位不足四位用0補(bǔ)足四位，然后每組分別按權(quán)展開求和即可。5、二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)（1001011.10011）2=4

B

8

4B.9801001011.10011000不足4位就補(bǔ)位，補(bǔ)齊4位從低位到高位

從右至左從低位到高位

從左至右9

十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制01000110011010101110111001100101110111011101111111十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00008100081111910019210221010A311331011B4100441100C5101551101D6110661110E7111771111F6、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法是：將八進(jìn)制數(shù)(或十六進(jìn)制數(shù))的每一位用相應(yīng)的3位(或4位)二進(jìn)制數(shù)代替即可。

練習(xí)：