计计 算算 机机 概概 述述7/23/20241计算机概述计算机概述计算机的发展微型计算机的发展计算机的特点计算机的分类计算机的应用7/23/202421.1.1 计算机的发展计算机的发展1 1、计算机的诞生、计算机的诞生 1946年2月，世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学问世，取名为ENIAC（电子数字积分计算机）。它为专门用于军事领域的弹道曲线计算而设计的。7/23/202432 2、计算机的发展历程、计算机的发展历程 在计算机的发展过程中，逻辑元件（电子器件）的发展起到了决定性作用，它是计算机换代的主要标志。人们依据计算机所采用的电子器件电子器件，将分成四代。 第一代电子管计算机（19461957年） 第二代晶体管计算机（19581964年） 第三代小规模、中规模集成电路计算机（19651970年） 第四代大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今） 新一代计算机(第五代)：新型智能化计算机(尚未研制出)7/23/202447/23/20245 未来新型计算机未来新型计算机1光计算机光计算机光计算机用激光器发出的光束代替电子进行计算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。 优点：运算速度极高（理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍）信息传输中畸变和失真小耗电极低 超大规模的信息存储容量（一枚五分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍）。 7/23/202467/23/202472生物计算机生物计算机生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。优点：体积小，功效高。（在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多） 生物计算机具有永久性和很高的可靠性。（内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复）生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍。能量消耗小，仅相当于普通计算机的十亿分之一。存储信息的空间小，仅占百亿亿分之一。7/23/202487/23/202493量子计算机量子计算机量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。优点：高效率缺点：能量消耗大，产生热量大，寿命短。 主要用途是例如像测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。 2007年第一台商业化的量子计算机在加拿大计算机公司D-Wave 产生。7/23/2024107/23/2024111.1.2 微型计算机的发展微型计算机的发展 微型计算机是日常生活中接触最多的计算机，它属于第四代计算机。其发展历程主要以微处理器的更新换代为主要标志进行划分。微处理器（Micro Processor Unit，MPU）又称中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是大规模和超大规模集成电路的产物。 通常把微型计算机按微处理器的集成度分成五代产品。7/23/2024127/23/2024131.1.3 计算机的特点计算机的特点(1) 处理速度快，处理能力强(2) 计算精度高(3) 具有存储容量大的记忆功能(4) 可靠性高(5) 自动化程度高(6) 具有逻辑判断功能(7) 适用范围广，通用性强7/23/2024141.1.4 计算机的分类计算机的分类1 1、按用途分类、按用途分类 （1）通用计算机 （2）专用计算机2 2、按规模分类、按规模分类 （1）巨型机 （2）大型机 （3）服务器：网络环境中对外提供服务的计算机系统 （4）工作站:介于PC与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强 （5）微型机：桌面型计算机 、笔记本电脑、 平板电脑速度最快、处理能力最强（每秒35万亿次浮点运算，峰值40万亿次） 中国：曙光5000A7/23/2024151.1.5 计算机的应用计算机的应用1.1.科学计算科学计算 又称为数值计算，是计算机的传统应用领域，也是计算机最重要的应用之一。在科学技术和工程设计中存在着大量的各类数值计算问题。2.2.数据处理数据处理 数据处理又称信息处理，是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、加工、分析和传送的过程。据统计，信息处理是计算机应用最广泛的领域之一，例如：人口统计、企业管理、邮政业务、票据订购、情报检索、图书管理、医疗管理等。 7/23/2024163.3.过程控制过程控制 过程控制又称实时控制，是指将计算机对生产或其他过程中所采集到的数据按照一定的算法处理，然后反馈到执行机构去控制相应过程，是生产自动化的重要技术和手段。4.4.计算机辅助系统计算机辅助系统（1）CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）（2）CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）（3）CBE（Computer Based Education，计算机辅助教育）：包括CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）、 CAT（Computer Aided Testing，计算机辅助测试）、 CMI（Computer Managed Instruction，计算机辅助管理教 学）等。7/23/2024175.5.人工智能人工智能 人工智能（AIArtificial Intelligence）是用计算机软、硬件系统模拟人的高级思维活动(如感知、推理、学习、理解等)的理论和技术。例如：语言识别、模式识别、图像识别、专家系统、机器人等。6.6.多媒体及网络多媒体及网络 7/23/2024181.2 计算机中的数制与编码计算机中的数制与编码1.2.1 进位记数制度进位记数制度1.2.2 计算机中常用的几种记数制计算机中常用的几种记数制1.2.3 常用记数制之间的转换常用记数制之间的转换1.2.4 计算机中数据的编码计算机中数据的编码7/23/2024191.2.1 进位记数制度进位记数制度 使用多位数码符号表示数值时，每一位数所使用的数码符号以及运算时从低位向高位借进位的规则，被称为进位进位记记数制数制（或被称为或被称为记记数制、数制、进制数制、数制、进制）。 例如：在数学运算中使用十进制；在表示时间时使用六十进制（如60分钟为1小时）、十二进制（12个月为1年）和二十四进制（如24小时为1天）；7/23/202420进制的基本要素：进制的基本要素：1. 数码数码 表示一个数位所使用的数字符号被称为数码。例如，十进制中使用的0，1，2，3，9都是数码。2. 基数基数 一种数制所使用的数码符号的个数称为该数制的基数。R进制的基数为R。例如，十进制允许使用09这十个数码，因此十进制的基数就为10。3. 位权位权 某个数位的单位称为该数位的位权（例如，在十进制中，个位、十位、百位的单位分别为个、十、百，因此个位、十位、百位的位权分别为100、101、102）。7/23/2024214. 借进位规则借进位规则 有关进行加法（或乘法）运算，达到多少值需向高位进位“1”，进行减法（或除法）运算，何时需从高位借“1”，借来的“1”在本位当成几的运算规则，称为借进位规则。同一种进制的所有数位都应遵从统一的借进位规则。这就是“逢基数进一，借一当基数”。 例如，十进制的基数为十，因此它的借进位规则是“逢十进一，借一当十”7/23/2024225.5.按权展开式按权展开式 按权展开式可以表述如下：其中，(N)RR进制数N； R基数； Ri第i位的位权，（iZ,且n-1i-m）； Ai位权为Ri的数位上的数码符号，（Ai0,1,R-1）； n(N)R的整数位数，（n0,Z）； m(N)R的小数位数，（m0,Z）。7/23/202423例1.1 写出按权展开十进制数9876.54的表达式。 9876.54=910381027101610051014102。例1.2 写出按权展开二进制数111011.1010的多项式。（111011.1010）2=125124123022121120 1210221230247/23/2024241.2.2 计算机中常用的几种记数制计算机中常用的几种记数制1. 二进制（二进制（Binary，B） 二进制数P一般简记为(P)2或PB。如：二进制数11011.11记为（11011.11）2或11011.11B。 二进制的基本特点是：二进制的基本特点是：基数R为2，即只含有两个数码：0、1；位权为2i（i=-mn-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢二进一，借一当二。7/23/202425 在计算机内部，所有数据、信息都是以二进制二进制的形式编码表示的，这是因为二进制具有如下优点： （1）简单可行，容易实现。 （2）运算规则简单。 （3）运算速度快。 （4）容易实现逻辑运算。 缺点：数字冗长、书写繁复且容易出错、不便阅读。所以，在计算机技术文献的书写中，常用十六进制数表示。7/23/2024262. 八进制（八进制（Octal，O） 八进制数P一般简记为（P）8或PO。如八进制数17记为（17）8或17O。 八进制的基本特点是：八进制的基本特点是：基数R为8，即有八个基本数码：0、1、2、3、4、5、6、7；位权为8i（i=-mn-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢8进1，借1当8。7/23/2024273. 十进制（十进制（Decimal，D） 十进制数P一般简记为（P）10或PD，也可省略记为P。如十进制数123，简记为（123）10或123D或123。 十进制的基本特点是：十进制的基本特点是：基数R为10，即有十个基本数码：0、1、2、3、4、5、6、 7、8、9；位权为10i（i=-mn-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢十进一，借一当十。7/23/2024284. 十六进制（十六进制（Hexadecimal，H） 十六进制数P一般简记为（P）16或PH。如十六进制数1F，记为（1F）16或1FH。 十六进制的基本特点是：十六进制的基本特点是：基数R为16，即有16个基本数码，符号为：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。注意使用字母A、B、C、D、E、F分别表示十进制数10、11、12、13、14、15，以示区别；位权为16i（i=-mn-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢16进1，借1当16。7/23/202429表表1.3 1.3 常用数制基本要素和表示方法常用数制基本要素和表示方法7/23/202430表表1.4 1.4 常用数制之间的对照关系常用数制之间的对照关系7/23/2024311.2.3 常用记数制之间的转换常用记数制之间的转换1. R（R=2、8、16）进制数转换为十进制）进制数转换为十进制 转换规则：将R进制数转换为十进制数一般使用按权展开多项式的形式，然后计算求和得到对应的十进制数据。可简述为口诀：“利用按权展开式展开利用按权展开式展开”。例1.8 把（1100101.101)2转换成十进制数。解：(1100101.101)2=126+125+024+023+122+021+ 120+12-1 +02-2+12-3 =64+32+0+0+4+0+1+0+0.5+0.125=（101.625)10例1.10 把（19BF.8)16转换成十进制数。解：（19BF.8)16=11639162B161F160 816-1=40962304176150.5=（6 591.5)107/23/2024322. 十进制数转换为十进制数转换为R（R=2、8、16）进制数）进制数 将一个十进制数转换为R（R=2、8、16）进制数时，十进制数的整数部分和小数部分的转换方法各不同，其整数部分和小数部分分别用“除除R取余法取余法”和“乘乘R取整法取整法”转换，然后将结果与小数点共三部分合在一起。转换规则如下：7/23/202433 整数部分整数部分：用用“除除R取余法取余法”转换。转换。将十进制的整数部分除以R，得到一个商数和余数；再将这个商除以R，又得到一个商和余数；反复执行这个过程，直到商为0为止。将每次所得的余数从后往前读（先得的余数为低位，后得的余数为高位）即为等值的二进制数。这种转换方法可简述为口诀：“除基取余，除基取余，倒序排列倒序排列”。 小数部分小数部分：用用“乘乘R取整法取整法”转换。转换。将小数部分乘以R，记下乘积的整数部分，再用余下的纯小数部分乘以R，记下乘积的整数部分；不断重复此过程，直至乘积小数部分为0或已满足要求的精度为止。将所得各乘积的整数部分顺序排列（先得的整数为高位，后得的整数为低位）即可。这种转换方法可简述为口诀：“乘基取整，顺序排列乘基取整，顺序排列”。7/23/202434例1.11 把十进制整数(35.6875)10转换成二进制数。解：转换过程如下： 第一步：用除2取余法将整数部分(35)10转换为二进制整数； 即：（35)10=（100011)2。7/23/202435第二步：用乘2取整法将小数部分(0.6875) 10转换为二进制形式； 0. 68752=1.3750 取整数部分1 高位 0. 37502=0. 7500 取整数部分0 0. 75002=1. 5000 取整数部分1 0. 50002= 1. 0000 取整数部分1 低位即：（0.6875)10=（0.1011)2。第三步：将整数部分与小数部分合并，可得： (35.6875)10 = (100011.1011)27/23/202436例1.12 把十进制小数0.624转换成二进制小数，要求精确到小数点后6位。解：转换过程如下： 0.6242=1.248 取整数部分1 高位 0.2482=0.496 取整数部分0 0.4962=0.992 取整数部分0 0.9922=1.984 取整数部分1 0.9842=1.968 取整数部分1 0.9682=1.936 取整数部分1 低位 上述转换过程无限，但根据要求只要转换6步。最后结果为：（0.624)10（0.100111)27/23/2024373. 八进制数、十六进制数转换为二进制数八进制数、十六进制数转换为二进制数 转换规则：将每位八进制（或十六进制）数码用相应的三位（或四位）二进制数来代替，再删除整数部分首部的零和小数部分尾部的零即可。这种转换方法可简述为口诀：“逐位转逐位转换，一位拆三位（或四位）换，一位拆三位（或四位）”。7/23/202438表1.5 八进制基本数码与二进制数的对应关系表表1.6 十六进制基本数码与二进制数的对应关系表7/23/202439例1.16 把十六进制数1C2.A4转换成二进制数。解：所以，（1C2.A4)16=（111000010.101001)27/23/2024404. 二进制数转换为八进制数、十六进制数二进制数转换为八进制数、十六进制数 转换规则：以小数点为中心，分别向前、后每三（或四）位一组，不足三（或四）位时以“0”补足（最高（左）位和最低（右）位的两组如不足三（或四）位，则用0分别补最左边和最右边凑成三（或四）位），并将每组二进制数转换为相应的八（或十六）进制数即可。这种转换方法可简述为口诀：“三三（或四）位合一位，分组转换（或四）位合一位，分组转换”。7/23/202441例1.18 把二进制数11010111100.11011转换成十六进制数。解：所以，（11010111100.11011)2=（6BC.D8)167/23/2024425. 八进制数与十六进制数的互换八进制数与十六进制数的互换 八进制数与十六进制数之间不存在直接的转换方法。利用它们与二进制数的转换比较简单的特点，可以先将八进制数（或十六进制数）转换成二进制数，然后再将二进制数转换成十六进制（或八进制数），这种转换方法可简述为口诀：“以二进以二进制为桥制为桥”。例1.19 八进制数1325.72转换成十六进制数。解：（1325.72)8=（1011010101.11101)2=（2D5.E8)167/23/202443小结小结 表表1.7 常用进制间的转换方法常用进制间的转换方法7/23/2024441.2.4 计算机中数据的编码计算机中数据的编码 由于计算机只能识别二进制二进制形式的符号，这就要求人们在使用计算机处理实际问题之前必须将各种信息，包括数值信息（数值数据）和非数值信息（大小写英文字母、标点符号、汉字、声音、图像等）转换成二进制数。另一方面为了保证计算机各部件之间和计算机与计算机之间能正确地传输和识别信息，还要求采用统一的编码方法（或称为编码规则）。 有关数值数据在计算机内部的具体表示方法本节不予讨论，主要讨论字符和汉字的编码。在此之前，先要了解计算机中数据的单位。7/23/2024451. 数据的单位数据的单位 （1）位（位（bit）：计算机中最小的不可分割的数据单位是二进制的一个数位称为比特位，简称位。用英文bit表示。 （2）字节（字节（Byte)：相邻8个比特位组成一个字节，用B表示（英文为Byte）。字节字节是计算机中用来表示存储容量大小的基本单位。另外容量的表示还常使用KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（十亿字节）、TB（兆兆字节）等。它们之间有如下的换算关系： 1 B=8 bits 1 KB=210 B=1 024 B 1 MB=220 B=1 024 KB 1 GB=230 B=1 024 MB 1 TB=240 B=1 024 GB请问：1GB= ? B7/23/202446（3）字字 ：在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数位叫做一个字，每个字中二进制位数的长度，称为字字长长。不同的计算机系统的字长是不同的，常见的有8位、16位、32位、64位等。字长表示了计算机的性能，字长越长，精度越高、存储容量越大、运算速度越高、功能越强。7/23/2024472. 字符的编码字符的编码 计算机中的信息都是用二进制编码表示的，用以表示字符的二进制编码称为字符编码。计算机中用得最多的符号数据是字符（大小写英文字母、阿拉伯数字、运算符、标点符号等）。最常用的字符编码是ASCII（American Standard Code for information Interchange）码，ASCII码是使用最多、最普遍且符合国际标准的美国标准信息交换码。国际通用的7位ASCII码称ISO646标准，用7 7位二进制数位二进制数b6b5b4b3b2b1b0表示一个字符的编码，其编码范围为0000000B1111111B，共有27=128个不同的编码值，相应可以表示128个不同字符。7位ASCII码表如表1.8所示。7/23/202448表1.18 ASCII字符编码表7/23/2024493. 汉字的编码汉字的编码 为了用计算机处理汉字，同样也需要对汉字进行编码。由于汉字是单个的方块字，字型复杂，数目繁多，读音多变，同音、同型字很多，即使是最常用的汉字也有2000余个之多。因此给计算机的汉字输入、存储和处理都带来了极大的困难。 计算机要处理汉字信息，必须解决汉字的输入、汉字的存储和表示以及汉字的显示等问题。汉字编码是为了解决这些问题的需要。计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程。这些编码主要包括：汉字信息交换码、汉字输入码、汉字内码、汉字字形码及汉字地址码等。7/23/202450(1)汉字信息交换码汉字信息交换码 汉字信息交换码是用于汉字信息处理系统之间或者通信系统之间进行信息交换的汉字代码，简称交换码，也叫国标码。其中收集了682个非汉字图形字符（如：序号、数字、罗马数字、英文字母、日文假名、俄文字母、汉语注音等）和6763个汉字的代码。汉字代码中分为两级：一级为较常用的汉字，共3755个；二级为不太常用的汉字，共3008个。 由于一个字节只能表示256种编码，汉字的数量大（国标共7445个），显然一个字节不可能表示汉字的国标码，因此，每个汉字（包括非汉字图形字符）国标码采用2 2个字个字节节来表示。例如， “中”字的国标码为：01010110 01010000B（5650H） “国”字的国标码为：00111001 01111010 B（397AH）7/23/202451(2)汉字内码汉字内码 汉字内码又称汉字机内码，是指在计算机系统内部使用的汉字编码，供设备和汉字信息处理系统内部存储、处理、传输使用。目前，对应于国标码，一个汉字的内码也用2 2个字节个字节存储，为了区分汉字和英文字母，规定英文字母机内码最高位为“0”，汉字机内码两个字节的最高位均置为“1”，以免产生歧义。例如， “中”字的机内码为：11010110 11010000B “国”字的机内码为：10111001 11111010 B7/23/202452(3)汉字输入码汉字输入码 为将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码，也叫外码。目前汉字主要是经标准键盘输入计算机的，所以汉字输入码都由键盘上的字符或数字组合而成。例如用全拼输入法输入“国”字，就要键入代码“guo”，再选字。 常见汉字输入码的编码方案可分为4种类型：音码音码：又称字音编码，是根据汉字的发音进行编码，如全拼、双拼、微软拼音等。形码形码：又称字形编码，是根据汉字的字形结构进行编码，如五笔字型、郑码、表形码、太极码、三角码等。音形码音形码：又称字音字形编码或混合码，是指以拼音为主，辅以字形、字义进行编码，如自然码、全息码等。数码数码：又称数字编码或顺序编码，是指用数字串表示汉字的编码，如区位码、电报码。 7/23/202453(4)汉字字形码汉字字形码 经过计算机处理的汉字信息，如果要显示或打印出来阅读，则必须将汉字内码转换成人们可读的方块字。每个汉字的字形信息是预先存放在计算机内的，常称汉字库。汉字内码与汉字字形一一对应。描述汉字字形的方法有许多，常用的是点点阵汉字阵汉字。例如：下图是“上”字的1616点阵字形。提问：一个3232点阵的字形码需要多少字节存储空间？7/23/202454(5)汉字地址码汉字地址码 汉字地址码是指汉字库（这里主要指整字形的点阵式字模库）中存储汉字字形信息的逻辑地址码。(6)各种汉字代码之间的关系各种汉字代码之间的关系输入字典汉字输入系统内部处理显示打印汉字字库内存通信地址码输入码内码字形码字形码字形码内码国标码7/23/2024551.3 计算机指令、程序和程序设计语言计算机指令、程序和程序设计语言1. 计算机指令计算机指令 指令就是指挥计算机工作的命令，它告诉计算机每一步要做什么操作、参与此项操作的数据来自何处、操作结果又将送往哪里。2. 程序程序 程序就是为解决某一问题而编制、设计的指令序列。3. 程序设计语言程序设计语言 程序就是为解决某一问题而编制、设计的指令序列，这种指令序列是要用某种计算机语言来设计和编制的，我们把用来编制程序的计算机语言称为程序设计语言。7/23/202456(1)机器语言机器语言 指令系统也称机器语言。每条指令都对应一串二进制代码。机器语言是计算机唯一能直接识别并执行的语言。 优点：计算机能直接识别并执行；程序占用内存少，执行速度快；能充分发挥和利用计算机的硬件特性。 缺点：用机器语言编写程序枯燥、繁琐、费时、易出错；机器语言本身难识记；设计的程序难懂、可读性差、不通用。(2)汇编语言汇编语言 汇编语言称作符号语言，即符号化了的机器语言。是一种用符号表示的低级程序设计语言。 优点：比机器语言易懂、易写、易记；程序执行效率高、占用内存少。 缺点：它仍然面向机器，因机器而异，不通用；因涉及到机器的硬件结构细节，较难掌握。7/23/202457(3)高级语言高级语言 是一种用表达各种意义的“词”和“数学公式”按照一定的“语法规则”编写程序的语言，又称高级程序设计语言或算法语言。这里的“高级”，是指这种语言接近于人的思维的自然语言。例如：Fortran、Pascal、C、Basic、Lisp、C、Visual C、Visual Basic、Visual Foxpro等。 优点：易学易用、通用性强、可靠性好、易维护、程序设计效率高。图1.4 汇编过程 7/23/202458 用高级语言写的程序称为高级语言源程序，它也要经过语言处理程序把它转换成目标程序，计算机才能执行。转换方式有两种：“编译编译”方式方式：高级语言源程序目标程序计算结果编译编译执行编译程序编译程序可执行程序连接程序连接“解释解释”方式：方式： 高级语言源程序计算结果解释并执行解释并执行解释程序解释程序7/23/202459