大学计算机基础,computercenter.jlu.edu.cn,吉林大学 公共计算机教学与研究中心,授课对象：,11 级本科生,理论学时：,56 学时，14周,实验学时：,计划16 学时 + 课外30学时,学 分：,4,考试形式：,平时15+实验15+无纸化考试70,考试时间：,预计第16周,授课教师：,公共计算机教学与研究中心 李锐,E-Mail：,lirjlu.edu.cn,第一章 计算机与社会信息化,本章概要 （ 6 学时 ）,1. 计算机的发展历程、分类及应用 2. 信息技术概述 3. 计算机系统组成 4. 计算机硬件系统和软件分类 5. 计算机的主要性能指标 6. 数制及其转换 7. 数值型数据的存储 8. 计算机的算术与逻辑运算 9. 文字信息编码形式,一种可以接收输入、处理数据、存储数据、可编程并能产生输出的一种电子装置。,计,计算机主要特点：计算精度高、处理速度快、存储容量大、自动化程度高、适用范围广和通用性强。,算,机,1936年英国科学家图灵,首次提出逻辑机模型-图灵机,并建立算法理论,被誉为计算机之父。,计算机理论奠基人,图灵的主要贡献建立图灵机模型，奠定了可计算理论基础；提出图灵测试，阐述机器智能概念 。,图灵奖,创于1966,每年由美国计算机学会(ACM)颁发。,计算机最高奖项,19世纪50年代，英国数学家乔治布尔创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础 。,1.1 计算机的发展,被测试的有一个人，另一个是声称有人类智力的机器。测试时，测试人通过一些装置向被测试人提问，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那机器就通过了图灵测试，说明具有人类智能。,ENIAC存在明显缺点： 一是存储容量很小； 二是采用外接线路连接的方法设计计算程序。,1946年2月诞生于美国宾州大学，电子数值积分计算机，ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator）。,第一台计算机的诞生,5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,存储程序控制：存储程序实现自动计算。,采用二进制数:便于硬件实现，运算规则简单。,1948年8月，著名美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer,离散变量自动电子计算机)体系结构。,冯诺依曼计算机体系结构：,计算机硬件结构：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备,冯诺依曼计算机体系结构,计算机发展的4个阶段,第一代：电子管计算机,第二代：晶体管计算机,第三代：中小规模集成电路计算机,第四代：大规模、超大规模集成电路计算机,19461958 主要器件：电子管、汞延迟线存储器和磁鼓。 体积大; 运算速度慢(1万次/秒)； 电子管存储容量(2KB)小； 程序设计为机器语言。,19581964 晶体管、磁芯存储器，内存储器容量可以达到32KB； 运算速度为300万次/秒； 程序设计有汇编语言、FORTRAN 等。,19641970 小规模集成电路、半导体存储器、磁盘，内存储器容量8MB256MB； 运算速度110亿次/秒； 软件有操作系统、结构化程序设计语言、数据库等 。,1971年至今 用大规模、超大规模集成电路、半导体存储器、磁盘、U盘、光盘和微处理器，内存储器容量可达GB级； 运算速度已经达到数千万亿次/秒； 软件增加专家系统、面向对象开发工具和支撑环境等。, 计算机网络技术更加完善,计算机的发展趋势, 人工智能进一步发展, 未来新型计算机,一些简单的自动装置（如机械手）将得到广泛应用。它们用微电脑内核，带有“眼睛”(摄像机)，甚至用自然语言与人类进行交流，完成特定的使命。,计算机与通信网络相互协调、相互补充，融于一体；世界范围内的高速宽带网即将建成。,采用磁场来控制晶体管,能使每平方厘米所容纳的晶体管数量增加近千倍。,磁计算机,利用光的高速和无干扰性，使用光学元件(光触发器)构成处理器。,光子计算机,以生物工程技术产生的蛋白分子为主要原料，信息以波的形式传输；有巨大的存储能力。,生物计算机,利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。,量子计算机,计算机分类, 高性能计算机,是指运算速度最快、处理能力最强的计算机,传统称之为巨型机或大型计算机。中国首台千万亿次超级计算机系统 “天河一号”高性能计算机的实测运算速度达到每秒2570万亿次。,1.2 计算机分类及应用,具备强大的数据运算与图形、图像处理能力,为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。, 工作站,计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备。软件固化到计算机内部，用户不可修改。, 嵌入式计算机, 微型计算机,发展速度较快，性能/价格比高，应用广泛。也称个人计算机(PCPersonal Computer)。, 服务器,用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员信息请求的高性能计算机。分为文件服务器、应用程序服务器和数据库服务器等。,服 务 器 机,目前计算机技术正朝着高性能和微型化两个方向发展。,计算机的主要应用,主要解决科学研究和工程中数值计算问题。, 科学计算, 数据处理, 过程控制, 计算机辅助系统,指信息收集、转换、分类、统计、存储和输出等，从中筛选出有价值数据。也称非数值计算，虽然数据量大，但计算方法简单。,即实时控制，是利用计算机的高速度和善判断特点，将计算机用于实时采集和分析处理数据，根据控制模型进行计算和判断，直接干预生产过程，校正偏差，对所控制的对象进行调整，实现对生产过程的自动控制。,计算机辅助设计（CAD）是以计算机为工具，对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。 计算机辅助制造（CAM）用计算机代替人控制和操作设备（如车床）进行生产或加工产品（如零件），它的输入可能是产品工艺图或控制开关信号，输出是对相关设备的控制信号。 计算机辅助教学（CAI）是借助课件系统完成教学的方法，课件系统是一类教学软件。, 人工智能, 信息高速公路, 虚拟现实,集声音、图像和文字于一体，集电视、录像、光盘存储、电子印刷和计算机通信技术之大成，将计算机应用引入无所不能的广阔领域。, 多媒体技术,将人脑演绎推理的思维过程、规则、策略和技巧等编成计算机程序；在计算机中存储一些公理和推理规则，使计算机自动解决问题和推导结论。,机器人 ：是一种自动化机器，具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力。 专家系统：将专家的丰富知识和经验总结出来预先存入计算机，配上相应软件。 模式识别：重点研究图形识别和语言识别，给机器人装备视觉器官和听觉器官。,信息高速公路（Information Super-Highway）的概念源于美国， 1991年美国参议员戈尔提出：将美国所有信息库及信息网络连成一个全国性大网，使各种形态的信息在计算机网络中高速传输。,指“用计算机及相关设备合成的人工世界”。通过多种传感设备使应用者“投入”到该环境中，实现与环境直接进行交互的目的。,信息技术以计算机、通信和控制技术为核心。,客观存在事物及其运动状态的表征。, 信息,计算机化的信息，是信息的载体和表示形式。, 数据,听课,1.3 信息技术概述,时效性,信息的基本特征,普遍性,寄载性,共享性,可识别性,可加工性,只要有事物存在或变化，就存在信息,信息寄载于事物上,不能独立于事物之外,信息是一种资源，可以为人类所共享,信息价值因时间或地点不同而发生变化,直接(通过眼、耳和鼻等)和间接识别,对信息可进行加工，从中提炼出有价值的信息。,数据,数据是信息的载体。数据包括各种数值数据、字符数据(如英文字母、汉字、标点符号和运算符等)、图形、图像数据和声音数据等。在计算机内，任何形式的数据都用二进制数表示。,数据处理通常是指对各种数据进行采集、存储、传送、转换、分类、排序、计算和输出等操作。,信息数字化,信息数字化是将事物的信息进一步抽象、提取和规范化，使之成为计算机能够处理的数据。,高速度、网络化,多媒体化,多学科结合,智能化,现代信息技术,信息技术是利用信息科学原理和方法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术，又称信息工程。信息技术由计算机、通信和控制技术构成。,信息技术的发展趋势,信息化社会,是以信息活动为社会发展的基本活动。,硬件系统,软件系统,外存储器,运算器,控制器,应用 软件,内存储器,输出设备,主机,外设,中央处理器(cpu),ROM,RAM,系统软件,输入设备,硬盘,U盘,光盘,键盘,鼠标,显示器,打印机,绘图仪,操作系统,语言处理程序,编辑程序,连接程序,调试程序、故障检查程序,监控程序、诊断程序,各种软件包,数据库应用程序,汇编程序,编译程序,解释程序,扫描仪,1.4 计算机系统组成,借助电、磁、光和机械等原理构造的各种物理部件的有机组合。是组成计算机的物质基础。,为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。是对硬件性能的扩充和完善。,计算机硬件(Hardware)：指计算机系统中看得见、摸得着的物理实体。 基本功能是执行计算机的各种指令。,1.5 计算机硬件系统,计算机硬件组织结构主要由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5大部件组成。,1,2,3,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,6,5,4,控制流,数据流,计算机工作过程,计算机的整个运行过程就是不断地接收数据、执行指令和输出结果。,向控制器提出输入请求，控制器执行到输入指令，根据指令中的内存地址，将数据存储到内存中。,控制器向内存发出地址码，从指定内存单元读取指令，向运算器发出运算指令，从内存取操作数运算，将结果保存回内存，向控制器发送反馈信号。,向控制器发出输出请求，控制器执行到输出指令，根据指令中的内存地址，将数据发送给输出设备。,中央处理器(Central Processing Unit),控制器和运算器合在一起称为中央处理器，简称CPU。计算机的主要性能取决于CPU，它是计算机硬件系统的核心。,负责从存储器中取出指令、翻译指令、分析指令，向其他部件发出控制信号（指令），控制、协调计算机各组件自动、连续地执行指令，控制整个计算机有条不紊地工作。,控制器,微处理器内部的存储单元，存储待使用的操作数或中间结果，可避免频繁访问内存储器，以便提高CPU的运算速度。,操作控制器(OC):,指令译码器(ID):,程序计数器(PC):,指令寄存器(IR):,通用寄存器组(GR):,存放CPU正在执行的指令。,存储下一条指令的内存地址，为执行下一条指令做好准备。,分析指令寄存器中的指令,根据指令的功能,将指令分解成一系列的操作控制信号,将指令译码器分析出的各种控制信号发送给相关部件，使其完成要求的操作，这一过程称为执行指令。,执行一条指令分为取指令、分析指令、执行指令和调整程序计数器的值4步骤。,在控制器的控制下执行程序中的运算型指令，完成各种算术和逻辑运算。,执行算术和逻辑运算的装置，核心是加法器。,专用寄存器，用于存储算术逻辑单元运算的两个操作数之一，并且保存当前运算的结果。,自动记载算术逻辑单元运算结果的重要状态。为进一步处理累加器A中的数据提供依据。,用于存储算术逻辑单元运算的操作数，但不用于保存运算的结果。,算术逻辑运算单元(ALU):,累加器(A):,暂存寄存器(TSR):,标志寄存器(FR):,运算器,用于存储程序和数据的部件。由若干个存储单元组成，每个存储单元存放8位(1个字节)二进制信息，存储单元的总数称为存储容量。,