第1章 计算机与信息技术概述

1、第一章 计算机与信息技术概述本章主要内容本章主要内容引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？n计算机的英文名称是计算机的英文名称是computercomputer，但计算机不是计算，但计算机不是计算器，其功能远远超过计算功能。器，其功能远远超过计算功能。u当今社会，计算机已经走进了万家亿户当今社会，计算机已经走进了万家亿户,计算计算机几乎无所不能，无孔不入，各行各业都机几乎无所不能，无孔不入，各行各业都 离离不开计算机，学习生活娱乐离不开计算机，不开计算机，学习生活娱乐离不开计算机，难怪我们给计算机一个非常形象的称谓难怪我们给计算机一个非常形象的称谓“电

2、脑电脑”。可是，计算机究竟可是，计算机究竟是什么？它都能做是什么？它都能做些什么呢？些什么呢？引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？n计算机不是图书馆，却能让我们博览群书计算机不是图书馆，却能让我们博览群书引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？n计算机不是报纸，却能让我们饱览全国各地报纸计算机不是报纸，却能让我们饱览全国各地报纸引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？n计算机不是商场，却能让我们足不出户，就能货比计算机不是商场，却能让我们足不出户，就能货比百家，买到心仪的商品。百家，买到心仪的商品。引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？u计算机不是电视机，却能让我们随时随地观计算机不是电

3、视机，却能让我们随时随地观看自己喜爱的节目。看自己喜爱的节目。引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？u计算机能做的事还有很多很多计算机能做的事还有很多很多计算机可以用于办公自动化、生产控制、信计算机可以用于办公自动化、生产控制、信息管理、浏览新闻、查阅学习资料和百科知息管理、浏览新闻、查阅学习资料和百科知识、创作动画视频、开发软件、下载资料、识、创作动画视频、开发软件、下载资料、美化相片、听歌、听收音机、看电影电视、美化相片、听歌、听收音机、看电影电视、购物、看报纸、和朋友聊天、发电子邮件、购物、看报纸、和朋友聊天、发电子邮件、发手机短消息、游戏娱乐等等，集电视机、发手机短消息、游戏娱乐等等

4、，集电视机、收音机、影碟机、电话机、录音机等多种电收音机、影碟机、电话机、录音机等多种电器于一体，可谓神通广大，老少皆宜。器于一体，可谓神通广大，老少皆宜。计算机究竟是什么？计算机究竟是什么？n计算机实际上只是一种电子设备，是一种能够计算机实际上只是一种电子设备，是一种能够高速地、自动地进行信息处理的电子设备。高速地、自动地进行信息处理的电子设备。n从本质上讲，计算机是从本质上讲，计算机是一种工具，但它一种工具，但它u不是交通运输工具不是交通运输工具u不是机械加工工具不是机械加工工具u不是不是普通的工普通的工具具u计算机是一种计算机是一种现代化的现代化的信息信息处理工具处理工具n计算机所表现出

5、来的神通广大的功能全是其计算机所表现出来的神通广大的功能全是其信息处理的结果。信息处理的结果。n什么是信息处理？什么是信息处理？n信息处理就是对信息进行收集、存储、传信息处理就是对信息进行收集、存储、传递、加工处理、发布、使用等过程的统称。递、加工处理、发布、使用等过程的统称。n人们对信息进行处理时首先要通过感觉器人们对信息进行处理时首先要通过感觉器官获得信息，然后通过大脑和神经系统对官获得信息，然后通过大脑和神经系统对信息进行传递、加工和存储，最后通过言、信息进行传递、加工和存储，最后通过言、行或其他形式发布信息。行或其他形式发布信息。计算机究竟是什么？计算机究竟是什么？计算机处理信息的过程

6、与人类基本一致。计算机处理信息的过程与人类基本一致。计算机信息处理的简化模型计算机信息处理的简化模型15人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告诉给人们。通过输出设备把处理后的结果告诉给人们。 16加入内存加入内存有什么用有什么用呢？呢？n打个比方，如果老师让你心算一道简单题，你肯打个比方，如果老师让你心算一道简单题，你肯定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算20个三位数相个三位数相 加，你心算起来肯定很费

7、力，但如加，你心算起来肯定很费力，但如果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。n计算机也是一样，一个没有内存的计算机如果让计算机也是一样，一个没有内存的计算机如果让它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很多中间的结果。多中间的结果。n但如果给它一些内存当但如果给它一些内存当“草稿纸草稿纸”的话，计算机的话，计算机就可以把一些中间结果临时存储到内存上，然后就可以把一些中间结果临时存储到内存上，然后在需要的时候再把它取出来，进行下一

8、步的运算，在需要的时候再把它取出来，进行下一步的运算，如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。 18n中央处理器处理信息时，其中间结果都临时存放在中央处理器处理信息时，其中间结果都临时存放在内存，假如在信息处理结束后，处理的结果仍然存内存，假如在信息处理结束后，处理的结果仍然存放在内存中，则如果遇到突然停电的情况，内存中放在内存中，则如果遇到突然停电的情况，内存中的数据就会全部消失。的数据就会全部消失。n也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部存储器，把内存中的处理结果再存储到外部存储器存储器，把内

9、存中的处理结果再存储到外部存储器中，这样停电后数据也不会丢失了。中，这样停电后数据也不会丢失了。n常见的外存储器有硬盘，光盘，常见的外存储器有硬盘，光盘，U盘等。盘等。1.1 计算机发展概述1.1.1 1.1.1 计算机的产生和发展计算机的产生和发展221.1.1 1.1.1 计算机的产生和发展计算机的产生和发展&计算机是计算机是20世纪人类历史上最伟大的发明世纪人类历史上最伟大的发明之一。之一。&在短暂的半个多世纪里，计算机技术取得在短暂的半个多世纪里，计算机技术取得了迅猛的发展。了迅猛的发展。&如今，计算机的应用领域已经渗透到各行如今，计算机的应用领域已经渗透到各行

10、各业，成为当今社会不可缺少的信息处理各业，成为当今社会不可缺少的信息处理工具。工具。231 1、第一台计算机的诞生、第一台计算机的诞生 1946年在年在美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台诞生了世界上第一台计算机计算机ENIAC（电子数字积分机与计算机，又称电子数字积分机与计算机，又称作埃尼尔克）。作埃尼尔克）。u 用途：军事计算用途：军事计算u速度：速度：5000次次/秒秒u体积：体积：170平方米，平方米，30吨，吨，140千瓦千瓦u价价 格：格： 40万美元万美元252 2、计算机发展的四个阶段、计算机发展的四个阶段n根据计算机所使用的根据计算机所使用的电子器件电子器件

11、的不同，人们将的不同，人们将计算机的发展过程划分为计算机的发展过程划分为四个四个阶段。阶段。262 2、计算机发展的四个阶段（续）、计算机发展的四个阶段（续）(1)(1)第一代（约第一代（约1946-19571946-1957）电子管计算机）电子管计算机 速度：几十几万次速度：几十几万次/ /秒秒 内存：磁鼓，千字内存：磁鼓，千字 外设：磁带外设：磁带 机器语言或汇编语言编程机器语言或汇编语言编程 主要用于科学计算主要用于科学计算 第一代电子计算机中第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器使用的磁鼓存储器电子管电子管27(2)(2)第二代（约第二代（约1957-19641957-1964） 晶体管计

12、算机晶体管计算机l速度：几十万次速度：几十万次/秒秒l内存：磁芯，十万字内存：磁芯，十万字l外设：磁盘外设：磁盘l使用使用FORTRAN等高级语言编程等高级语言编程l开始用于数据处理领域开始用于数据处理领域 晶体管晶体管2 2、计算机发展的四个阶段（续）、计算机发展的四个阶段（续）28(3)(3)第三代（约第三代（约1965-19731965-1973）中小规模集成电路）中小规模集成电路(SSI,MSI)(SSI,MSI)计算机计算机l速度：几十万次几百万次速度：几十万次几百万次/ /秒秒l内存：半导体存储器内存：半导体存储器l高级语言高级语言, ,开始使用操作系统开始使用操作系统l广泛用于科

13、学计算、数据处理、工业控制领域广泛用于科学计算、数据处理、工业控制领域2 2、计算机发展的四个阶段（续）、计算机发展的四个阶段（续）29(4)(4)第四代（第四代（19741974年起）大规模年起）大规模(LSI)(LSI)和超和超大规模（大规模（VLSIVLSI）计算机）计算机l速度：几百万次亿次速度：几百万次亿次/ /秒秒l内存：半导体存储器内存：半导体存储器l出现了微型计算机出现了微型计算机l广泛应用于各行各业广泛应用于各行各业2 2、计算机发展的四个阶段（续）、计算机发展的四个阶段（续）第第1 14 4代计算机的对比代计算机的对比 代代 别别年年 代代使用的元器件使用的元器件使用的软件

14、类型使用的软件类型主要应用领域主要应用领域第第1代代20世纪世纪40年代年代中期中期50年代年代末期末期CPU：电子管：电子管内存：内存：磁鼓磁鼓使用机器语言和使用机器语言和汇编语言编写程汇编语言编写程序序科学和工程计科学和工程计算算第第2代代20世纪世纪50年代年代中、后期中、后期60年代中期年代中期CPU：晶体管：晶体管内存：内存：磁芯磁芯使用使用FORTRAN等等高级程序设计语高级程序设计语言言开始广泛应用开始广泛应用于数据处理领于数据处理领域域第第3代代20世纪世纪60年代年代中期中期70年代年代初期初期CPU：SSI，MSI内存：内存：SSI，MSI的半导体存储器的半导体存储器操作系

15、统、数据操作系统、数据库管理系统等开库管理系统等开始使用始使用在科学计算、在科学计算、数据处理、工数据处理、工业控制等领域业控制等领域得到广泛应用得到广泛应用第第4代代20世纪世纪70年代年代中期以来中期以来CPU：LSI、VLSI内存：内存：LSI、VLSI的半导体存的半导体存储器储器软件开发工具和软件开发工具和平台、分布式计平台、分布式计算、网络软件等算、网络软件等开始广泛使用开始广泛使用深入到各行各深入到各行各业，家庭和个业，家庭和个人开始使用计人开始使用计算机算机1.1.2 微电子技术321 1、什么是微电子技术、什么是微电子技术r微电子技术是微电子技术是指将尺寸在微米数量级，甚指将尺

16、寸在微米数量级，甚至是纳米数量级的晶体管等基础元件集成至是纳米数量级的晶体管等基础元件集成在一块半导体芯片上的电路集成技术。在一块半导体芯片上的电路集成技术。r微电子技术微电子技术是计算机和通信设备的硬件核是计算机和通信设备的硬件核心，是现代信息产业的关键技术。心，是现代信息产业的关键技术。r微电子技术的核心技术是微电子技术的核心技术是集成电路技术集成电路技术。331 1、什么是微电子技术、什么是微电子技术r集成电路的分类按功能分为按功能分为数字数字集成电路和集成电路和模拟模拟集成电路集成电路按用途分为按用途分为通用通用集成电路和集成电路和专用专用集成电路集成电路r集成电路的特点 体积小、重量

17、轻、功耗小、成本低、速度体积小、重量轻、功耗小、成本低、速度快、可靠性高快、可靠性高等等。2 2、纳米世界、纳米世界n1纳米纳米=10-9米米=10亿分之一米亿分之一米=1nmn将一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓将一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。球放在地球上一般。 n1纳米相当于头发丝的十万分之一纳米相当于头发丝的十万分之一n所谓所谓“纳米科技纳米科技”，就是在，就是在0.1100纳米的尺纳米的尺度上，研究和利用原子、分子的结构、特征及度上，研究和利用原子、分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术相互作用的高新科学技术u 一根头发宽度可以摆放一根头发宽度可以摆放2

18、000多个多个45纳米晶纳米晶体管体管u 45nm(1m=1000nm，1nm为为10亿分之一亿分之一米米)不是指的芯片上每个晶体管的大小，而不是指的芯片上每个晶体管的大小，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。的宽度，简称线宽。u 半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。代表硅芯片生产工艺的水平。u 一个一个45纳米晶体管可在纳米晶体管可在1秒钟内切换秒钟内切换34亿亿次2 2、纳米世界、纳米世界3 3、微电子技术与计算机的关系、微电子技术与计算机的关系r微电子技术最重要的应用领域

19、是计算机领域。r微型计算机的各个组成部分都离不开微电子技术。r集成电路技术的飞速发展加快了计算机更新换代的速度。一代一代经典的一代一代经典的CPU4 4、集成电路的发展规律、集成电路的发展规律r集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。r晶体管的尺寸越小，其工作的速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。r所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。 384 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发展规律（续）19651965年美国年美国IntelIntel公司的创始人公司的创始人之一戈登之一戈登摩尔（摩尔（Gordon Gordon E.Mo

20、oreE.Moore）根据）根据19581958年以来集成年以来集成电路的发展情况，预测电路的发展情况，预测每每1818个月个月同样硅片面积上的晶体管数目将同样硅片面积上的晶体管数目将翻一番翻一番，性能也将提升一倍。，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。示了信息技术进步的速度。4 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发展规律（续）“摩尔定律摩尔定律”带动了芯片产业白热化的竞带动了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表周年之时，争。在纪念这一定律

21、发表周年之时，作为英特尔公司名誉主席的摩尔说：作为英特尔公司名誉主席的摩尔说：“如如果你期望在半导体行业处于领先地位，你果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。无法承担落后于摩尔定律的后果。”英特尔、摩托罗拉英特尔、摩托罗拉 、AMDAMD公司等围绕公司等围绕“摩摩尔定律尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。的竞争像大浪淘沙一样激烈。 4 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发展规律（续）目前，最先进的集成电路技术已经能够将目前，最先进的集成电路技术已经能够将23亿个晶体亿个晶体管集中在指甲盖大小的区间里管集中在指甲盖大小的区间里 。4 4、集成电路的发展规律（续）、

22、集成电路的发展规律（续）l 在在2012年年IDF上，上，Intel高管高管Mark Bohr对他们的对他们的14nm工艺进程进行了介绍，并阐述了公司近年工艺进程进行了介绍，并阐述了公司近年来工作的发展。据悉，来工作的发展。据悉，Intel有望在有望在2013年晚些时年晚些时候引入候引入14nm工艺。从工艺。从2015年开始，年开始，Intel将会陆将会陆续升级续升级10nm，之后则是之后则是7nm甚至是甚至是5nm。l移动互联网时代，摩尔定律面临速度太慢的尴尬。移动互联网时代，摩尔定律面临速度太慢的尴尬。Intel CEO表示，表示，PC时代，摩尔定律的周期是时代，摩尔定律的周期是18个月，

23、移动互联网是个月，移动互联网是12个月，甚至更短，摩尔定个月，甚至更短，摩尔定律需要改变节奏。律需要改变节奏。l目前目前22纳米已成为主流工艺。纳米已成为主流工艺。14纳米工艺正在研纳米工艺正在研究中。究中。4 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发展规律（续）n问题：问题：？摩尔定律问世摩尔定律问世4848年了。在这半个多世纪里，年了。在这半个多世纪里，计算机从神秘不可接近的庞然大物变成多数计算机从神秘不可接近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具。人们不禁要问：这种人都不可或缺的工具。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？去吗

24、？！芯片上元件的几何尺寸不可能无限制地缩小芯片上元件的几何尺寸不可能无限制地缩小下去，下去， 因为当电流微弱到仅有几十个甚至因为当电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作。无法正常工作。4 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发展规律（续）n出路：出路：J在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的件，使能开发出新的纳米芯片纳米芯片和和量子计量

25、子计算机。算机。J同时，正在研究将光作为信息的载体，同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制发展光子学，研制集成光路集成光路，或把电子，或把电子与光子并用，实现与光子并用，实现光电子集成。光电子集成。世界上第一个世界上第一个3D晶体管晶体管“Tri-Gate”由英特尔与由英特尔与2011年年5月月6日宣布研制成日宣布研制成功。功。3D Tri-Gate使用一个使用一个三维硅鳍片取代传统晶体管三维硅鳍片取代传统晶体管上的平面栅极，硅鳍片三个上的平面栅极，硅鳍片三个面都安排了一个栅极用于辅面都安排了一个栅极用于辅助电流控制。助电流控制。3D晶体管让摩尔延续晶体管让摩尔延续用一个形象的比喻

26、，二维晶体管如同平房，用一个形象的比喻，二维晶体管如同平房，3D晶体管则是摩天大楼。在同样的占地面积下，晶体管则是摩天大楼。在同样的占地面积下，楼房则要比平房能够承载更多的房屋。可以说，楼房则要比平房能够承载更多的房屋。可以说，在摩尔定律逐渐达到极限的现在，在摩尔定律逐渐达到极限的现在，3D晶体管是晶体管是使其延续的最佳方法。使其延续的最佳方法。3D晶体管让摩尔延续晶体管让摩尔延续22nm和和3-D晶体管记录下一代核心革命晶体管记录下一代核心革命3-D晶体管将影响整个行业晶体管将影响整个行业一个针头可以摆放一个针头可以摆放1亿多个亿多个22纳米三维晶体管。纳米三维晶体管。475 5、集成电路的

27、分类、集成电路的分类n按集成电路的规模，可以将集成电路分为六大类：类 别芯片所含器件个数小规模集成电路（SSI） 100中规模集成电路（MSI） 1001000大规模集成电路（LSI） 100010 万超大规模集成电路（VLSI） 10万1000万特大规模集成电路（ULSI） 1000万10亿巨大规模集成电路（GLSI） 超过10亿1.1.3 1.1.3 计算机的特点计算机的特点1.1.3 1.1.3 计算机的特点计算机的特点工作自动化：工作自动化：计算机由程序控制其运行过程，只要计算机由程序控制其运行过程，只要根据需要，预先将程序编好并存储到计算机中，则根据需要，预先将程序编好并存储到计算机

28、中，则运行程序时计算机就能自动完成预定的处理任务。运行程序时计算机就能自动完成预定的处理任务。处理速度快：处理速度快：目前世界上最快的计算机每秒可运算目前世界上最快的计算机每秒可运算万亿次。万亿次。计算精度高：计算精度高：可根据需要获得千分之一到几百万分可根据需要获得千分之一到几百万分之一甚至更高的精度。之一甚至更高的精度。1.1.3 1.1.3 计算机的特点（续）计算机的特点（续）记忆能力强：记忆能力强：计算机的存储器类似于人的大脑，能计算机的存储器类似于人的大脑，能记忆大量的数据和程序，可随时提供信息查询和处记忆大量的数据和程序，可随时提供信息查询和处理等服务。理等服务。逻辑判断能力可靠：

29、逻辑判断能力可靠：具有可靠的逻辑判断能力是计具有可靠的逻辑判断能力是计算机能够实现信息处理自动化的重要原因。算机能够实现信息处理自动化的重要原因。通用性强：通用性强：同一台计算机只要安装不同的软件或同一台计算机只要安装不同的软件或连接到不同的设备上，就可以完成不同的任务。因连接到不同的设备上，就可以完成不同的任务。因此，计算机可以被用在各个行业。此，计算机可以被用在各个行业。支持人机交互：支持人机交互：计算机具有多种输入输出设备，计算机具有多种输入输出设备，可支持用户与机器进行交互。如用户只要轻轻点击可支持用户与机器进行交互。如用户只要轻轻点击鼠标，计算机就可以完成某项操作功能。鼠标，计算机就

30、可以完成某项操作功能。1.1.3 1.1.3 计算机的特点（续）计算机的特点（续）1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势&60年来发展速度之快大大超出人们的预料：v性能、体积、价格、应用领域、软件技术性能、体积、价格、应用领域、软件技术和软件产品和软件产品&计算机的发展呈现出以下趋势：巨型化巨型化微型化微型化网络化网络化智能化智能化1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势n当今计算机科学发展趋势，可以把它分为三维考虑。当今计算机科学发展趋势，可以把它分为三维考虑。n一维是一维是“高高”的方向发展。的方向发展。计算机的性能越来越高，计算机的性能越

31、来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。n目前世界上性能最高的通用计算机已采用上万台计目前世界上性能最高的通用计算机已采用上万台计算机并行，美国的算机并行，美国的ASCI计划已经完成每秒计划已经完成每秒12.3万亿万亿次并行机。次并行机。n美国一项计划的目标是推出每秒一千万亿次并行计美国一项计划的目标是推出每秒一千万亿次并行计算机，其处理机将采用超导量子器件，每个处理机算机，其处理机将采用超导量子器件，每个处理机每秒每秒100亿次，共用亿次，共用10万个处理机并行。万个处理机并行。1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋

32、势n另一个方向就是向另一个方向就是向“广广”度方向发展度方向发展，计算机发展的，计算机发展的趋势就是无处不在，以至于像趋势就是无处不在，以至于像“没有计算机一样没有计算机一样”。n未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中。各种电器中。n未来的中小学生上课用的可能不再是教科书，而只是未来的中小学生上课用的可能不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，所有的中小学的课程教材，一个笔记本大小的计算机，所有的中小学的课程教材，辅导书，练习题都在里面。辅导书，练习题都在里面。n所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以所以有人预言未来计

33、算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。用品。 1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势n第三个方向是向第三个方向是向“深深”度方向发展度方向发展，即向信息的智能，即向信息的智能化发展。化发展。n目前计算机目前计算机“思维思维”的方式与人类思维方式有很大区的方式与人类思维方式有很大区别，人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表别，人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表情与计算机打交道。情与计算机打交道。n近几年来计算机识别文字和口语技术已有较大提高，近几年来计算机识别文字和口语技术已有较大提

34、高，估计估计5-10年内手写和口语输入将逐步成为主流的输年内手写和口语输入将逐步成为主流的输入方式。手势和脸部表情识别也已取得较大进展。入方式。手势和脸部表情识别也已取得较大进展。谷歌眼镜谷歌眼镜(Google Project Glass)是由谷歌公司于是由谷歌公司于2012年年4月发布的一款月发布的一款“拓展现实拓展现实”眼眼镜，它具有和智能手机一样的镜，它具有和智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照，功能，可以通过声音控制拍照，视频通话和辨明方向以及上网视频通话和辨明方向以及上网冲浪、处理文字信息和电子邮冲浪、处理文字信息和电子邮件等。件等。谷歌眼镜谷歌眼镜苹果智能手表苹果智能手表苹果苹

35、果iWatch手表内置了支持手表内置了支持Facetime、WiFi、蓝牙、蓝牙、Airplay等功能，能配合苹果等功能，能配合苹果的多款移动设备产品使用，包括能接听电的多款移动设备产品使用，包括能接听电话，支持话，支持Retina触摸屏。触摸屏。1.3 1.3 计算机的应用计算机的应用n科学计算n信息处理v80%80%以上的计算机主要用于信息处理，包括以上的计算机主要用于信息处理，包括信息搜集、传递、存储和使用。信息搜集、传递、存储和使用。n计算机辅助系统，包括辅助设计CAD，辅助制造CAM，辅助教学CAIn过程控制n网络通信网络通信n家庭娱乐.1.4 信息技术的基本概念1.4.1 1.4.

36、1 什么是信息什么是信息n信息是对人们有用的数据， 这些数据将可能影响人们的行为与决策。n信息有多种表现形式，语言、文字、声音、信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片、视频等都是信息的表现形式。图片、视频等都是信息的表现形式。n信息与物质和能量同样重要，它是人们认信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本识世界、改造世界的一种基本资源。资源。1.4.2 1.4.2 信息技术信息技术n信息技术信息技术（Information Technology，简称简称IT）指的是用来扩展人们信息器官功）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的能、协助人们更有效地

37、进行信息处理的一门技术。一门技术。 信息技术的类型信息技术的类型n信息技术包括：信息技术包括：n扩展扩展感觉感觉器官功能的器官功能的感测感测( (获取获取) )与识别技术，与识别技术，如：雷如：雷达，卫星遥感等达，卫星遥感等n扩展扩展神经神经系统功能的系统功能的通信技术，通信技术，如：电话、电视、因如：电话、电视、因特网特网n扩展扩展大脑大脑功能的功能的计算计算( (处理处理) ) 与存储技术，与存储技术，如：计算如：计算器、计算机、机器人、存储器等器、计算机、机器人、存储器等n扩展扩展效应效应器官功能的器官功能的控制与显示技术，控制与显示技术，如：显示器、如：显示器、打印机、音箱打印机、音箱

38、现代信息技术的特征现代信息技术的特征n现代信息技术的三大特征：现代信息技术的三大特征：n采用电子技术采用电子技术n以计算机为基础以计算机为基础以软件为核心以软件为核心信息处理系统信息处理系统n信息处理系统信息处理系统是指用于辅助人们进行信息获取、是指用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统。用各种信息技术的系统。n信息处理系统举例：信息处理系统举例：n银行证券系统以处理金融信息为目的银行证券系统以处理金融信息为目的n图书馆以信息收藏和检索为主要目的图书馆以信息收藏和检索为主要目的n因特网因特网是是跨越全球的多

39、功能信息处理系统跨越全球的多功能信息处理系统 计算机发展至今，有哪些是不变的？计算机发展至今，有哪些是不变的？ 计算机从诞生到现在，无论从体积、功能、计算机从诞生到现在，无论从体积、功能、性能、价格、应用领域等各个方面都发生了性能、价格、应用领域等各个方面都发生了巨大的变化，但是计算机内部巨大的变化，但是计算机内部数据的表示方数据的表示方法、计算机的逻辑结构、计算机的工作原理法、计算机的逻辑结构、计算机的工作原理都没有发生变化。都没有发生变化。u数据，不管是数字、文字、符号、图像、声音、数据，不管是数字、文字、符号、图像、声音、视频等，在计算机中都是用视频等，在计算机中都是用二进制编码二进制编

40、码来表示。来表示。u计算机的基本结构仍然是计算机的基本结构仍然是冯冯. .诺依曼结构诺依曼结构，即，即计算机由中央处理器、内存、外存、输入设备、计算机由中央处理器、内存、外存、输入设备、输出设备组成。输出设备组成。u计算机的工作原理仍然是冯计算机的工作原理仍然是冯. .诺依曼提出的诺依曼提出的存存储程序控制原理储程序控制原理。计算机发展至今，有哪些是不变的？（续）计算机发展至今，有哪些是不变的？（续）1.5.1 数制及转换1、什么是二进制数？在讨论二进制数之前在讨论二进制数之前先考察一下十进制计先考察一下十进制计数系统。数系统。（1 1）十进制数）十进制数n每一位可使用十个不同数字表示（每一位

41、可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）n低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢10进进1n各位的权值是各位的权值是10的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是10 ）n标志：标志： 尾部加尾部加“D”或缺省或缺省例：例： 204.96=21020101410091016102（2 2）什么是二进制数？）什么是二进制数？n 每一位使用两个不同数字表示（每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一），即每一位使用位使用 1 个个“比特比特”表示表示n 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢2进进1n 各位的权值是各位的权值是 2 的整数次幂（基数是的整数次幂（基数

42、是2 ）n 标志：标志： 尾部加尾部加B例：例：101.01 B =122021120 021122 5.25（3 3）计算机采用二进制数的原因）计算机采用二进制数的原因二进制只有二进制只有0和和1两个数字符号，用两个稳定状两个数字符号，用两个稳定状态的物理器件就能表示，态的物理器件就能表示，实现简单，实现简单，可靠性好可靠性好二进制的二进制的运算规则非常简单运算规则非常简单二进制的二进制的0和和1与逻辑代数的与逻辑代数的“真真”和和“假假”相相吻合，适合计算机将吻合，适合计算机将算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算统一统一在一起作处理在一起作处理（4 4）八进制数）八进制数n 每一位使用八个

43、不同数字表示（每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）n 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢8进进1n 各位的权值是各位的权值是8的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是8 ）n 标志：标志：尾部加尾部加Q或或O例：例： 365.2Q = 382+ 681+ 580 + 281 = 245.25（5 5）十六进制数）十六进制数n每一位使用十六个数字和符号表示（每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F ）n逢逢16进进1, 基数为基数为16n各位的权值是各位的权值是16的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是16 ）n标

44、志：标志：尾部加尾部加H例：例： F5.4H=15161 + 5160 + 4161 = 245.25（6 6）不同进制数的比较）不同进制数的比较十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制零零0000000壹壹1000111贰贰2001022叁叁3001133肆肆4010044伍伍5010155陆陆6011066柒柒7011177捌捌81000108玖玖91001119拾拾10101012A拾壹拾壹11101113B拾贰拾贰12110014C拾叁拾叁13110115D拾肆拾肆14111016E拾伍拾伍15111117F76（6 6）K K进制数的性质进制数的性质 （1）基数为）基数为

45、K，逢，逢K进一进一 （2）小数点右移）小数点右移n 位位相当于乘以相当于乘以K n （为原来的（为原来的K n 倍）倍） （3）小数点左移）小数点左移n 位位相当于除以相当于除以K n （为（为K n分之一）分之一）如：将（如：将（11001.11）2的小数点向右移的小数点向右移2位，位，则数值扩大为原来的则数值扩大为原来的4倍。倍。若左移若左移1位，则为原来的位，则为原来的1/2。2、二进制数的运算（1 1）二进制数的算术运算）二进制数的算术运算n1 1位二进制数的加、减法运算规则：位二进制数的加、减法运算规则：0+0=0 0-0=01+0=1 1-0=10+1=1 （1）0-1=11+1

46、=10 1-1=0二进制数的算术运算二进制数的算术运算n2 2个多位二进制数的加、减法运算举例：个多位二进制数的加、减法运算举例：0101 1001+ 0100 01001001 0101由低位到高位逐位进行！由低位到高位逐位进行！（2 2）二进制数的逻辑运算）二进制数的逻辑运算n基本的逻辑运算有三种：基本的逻辑运算有三种：或运算：用符号或运算：用符号“” 表示。表示。与运算：用符号与运算：用符号“” 表示。表示。非运算：用符号非运算：用符号 “- -”表示。表示。（2 2）二进制数的逻辑运算（续）二进制数的逻辑运算（续）n逻辑运算规则：逻辑运算规则：或运算规则：或运算规则：1 11=1 1

47、10=1 0 01=1 0 00=0 与运算规则：与运算规则：1 11=1 1 10=0 0 01=0 0 00=0 非运算规则：非运算规则：1=0 0=1或运算两边的操作数只或运算两边的操作数只要有一个为要有一个为1，运算结，运算结果就为果就为1。与运算两边的操作数只与运算两边的操作数只要有一个为要有一个为0，运算结，运算结果就为果就为0。（2 2）二进制数的逻辑运算（续）二进制数的逻辑运算（续）单个二进位进行逻辑运算的结果不是单个二进位进行逻辑运算的结果不是1 1就就是是0 0，没有进位和借位。，没有进位和借位。多个二进位进行逻辑运算时按位独立进行多个二进位进行逻辑运算时按位独立进行运算。

48、运算。例：例：110111011011=1001 11011011=11113 3、不同进制数的相互转换、不同进制数的相互转换要求：要求：n熟练掌握不同进制数相互之间的转换，熟练掌握不同进制数相互之间的转换，在编写程序时很有用。在编写程序时很有用。n重点掌握二进制数与十进制数之间的重点掌握二进制数与十进制数之间的转换。转换。（1 1）十进制数）十进制数 二进制数二进制数n转换方法：转换方法：整数和小数分开转换整数和小数分开转换 整数部分：整数部分：除以除以2 2逆序取余逆序取余 小数部分：小数部分：乘以乘以2 2顺序取整顺序取整n例如：例如：29.687529.6875 11101.1011

49、B 整整数数部部分分小小数数部部分分n注意：十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似值。课堂练习：课堂练习：1、将十进制数、将十进制数58.625转换成二进制转换成二进制结果为：结果为：111010.101 B2、将十进制小数、将十进制小数0.37转换成二进制，要求精转换成二进制，要求精确到小数点后面第四位。确到小数点后面第四位。十进制数十进制数 二进制数二进制数（2 2）二进制数）二进制数 十进制数十进制数n转换方法：转换方法：位权展开法位权展开法 二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值加即可得到它

50、的十进制数值例：例： 11101.1011B = 124123122021120 121022123124 = 29.6875 推广：推广：K K进制数转换为十进制数进制数转换为十进制数（3 3）八进制数与二进制数的互换）八进制数与二进制数的互换n八进制八进制二进制：一位变三位，即二进制：一位变三位，即把每个八进制把每个八进制数字改写成等值的数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低位位二进制数，且保持高低位的次序不变的次序不变 例：例： 2467.32Q 010 100 110 111 . 011 010 B八进制数八进制数 二进制数二进制数 八进制数八进制数 二进制数二进制数 0 000 4

51、 100 0 000 4 100 1 001 5 101 1 001 5 101 2 010 6 110 2 010 6 110 3 011 7 111 3 011 7 1111位八进制数与位八进制数与3位二进制数的对应关系：位二进制数的对应关系：n二进制二进制八进制：八进制：整数部分从低位向高位每整数部分从低位向高位每3位位用一个等值的八进制数来替换，不足用一个等值的八进制数来替换，不足3位时在高位时在高位补位补0凑满凑满3位；小数部分从高位向低位每位；小数部分从高位向低位每3位用位用一个等值八进制数来替换，不足一个等值八进制数来替换，不足3位时在低位补位时在低位补0凑满三位凑满三位 例：例

52、： 1101001110.11001 B= 001 101 001 110.110 010 B =1516.62 Q （3 3）八进制数与二进制数的互换）八进制数与二进制数的互换（4 4）十六进制数与二进制数的互换）十六进制数与二进制数的互换十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 0 0000 8 10000 0000 8 1000 1 0001 9 1001 1 0001 9 1001 2 0010 A 1010 2 0010 A 1010 3 0011 B 1011 3 0011 B 1011 4 0100 C 1100 4 0100 C 1100

53、5 0101 D 1101 5 0101 D 1101 6 0110 E 1110 6 0110 E 1110 7 0111 F 1111 7 0111 F 1111n1 1位十六进制数与位十六进制数与4 4位二进制数的对应关系：位二进制数的对应关系：n转换方法：与八、二进制互换的方法类似转换方法：与八、二进制互换的方法类似例例1：（35A2.CF）H 11 0101 1010 0010.1100 1111B例例2：11 0100 1110.1100 11B （34E.CC）H（4 4）十六进制数与二进制数的互换）十六进制数与二进制数的互换1.5.2 1.5.2 信息的计量单位信息的计量单位计

54、算机中的信息都用计算机中的信息都用二进制编码表示。二进制编码表示。比比特是组成计算机数字特是组成计算机数字信息的信息的最小单位最小单位1 1、什么是比特？、什么是比特？n比特（比特（bit，binary digit的缩写）中文翻译为的缩写）中文翻译为“二进位数字二进位数字”、“二进位二进位” 或简称为或简称为 “位位”，使用，使用“b”表示。表示。n比特只有比特只有 2 种取值：种取值：0，1n比特的比特的0和和1表示的是两种状态，不是数量概表示的是两种状态，不是数量概念，不能认为念，不能认为1一定大于一定大于0。例：例： 用比特表示图像用比特表示图像972 2、比特在计算机中如何表示？、比特

55、在计算机中如何表示？在计算机中表示二进位的方法：在计算机中表示二进位的方法：n电路的高电平状态或低电平状态电路的高电平状态或低电平状态(CPU)n电容的充电状态或放电状态电容的充电状态或放电状态(RAM)n两种不同的磁化状态两种不同的磁化状态(磁盘磁盘)n光盘面上的凹凸状态光盘面上的凹凸状态(光盘光盘)n例例1 1：CPUCPU内部二进位信息的表示内部二进位信息的表示nCPU内部通常使用高电平表示内部通常使用高电平表示1，低电平表示，低电平表示00.0V0.5V2.8V3.3V010V+3v01 0n磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状

56、态分别表示磁化状态分别表示0和和1例例2 2：磁盘存储器中比特的表示：磁盘存储器中比特的表示磁盘磁盘表面表面磁性材料粒子磁性材料粒子例例3 3：CDCD/ /DVDDVD盘片上比特的表示盘片上比特的表示 光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息CD光盘表面光盘表面 DVD光盘表面光盘表面5 5、存储容量的计量单位、存储容量的计量单位n 较比特稍大一点的单位是较比特稍大一点的单位是字节字节，英文是，英文是Byte，用用“”表示。表示。1个字节包含个字节包含 8个比特，即个比特，即b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0n比字节再大点的单位是比

57、字节再大点的单位是字字，字的长度不固定，字的长度不固定，一般为字节的整数倍，如个字节、个字节一般为字节的整数倍，如个字节、个字节或个字节等。或个字节等。存储容量的计量单位存储容量的计量单位n计算机内存储器容量的计量单位：计算机内存储器容量的计量单位：nKB: 1 KB=210字节字节=1024 B （千字节）（千字节）nMB: 1 MB=220字节字节=1024 KB（兆字节）（兆字节）nGB: 1 GB=230字节字节=1024 MB（吉字节、千兆（吉字节、千兆字节）字节）nTB: 1 TB=240字节字节=1024 GB（太字节、兆兆（太字节、兆兆字节）字节）6 6、传输速率的度量单位、传

58、输速率的度量单位n在数据通信和计算机网络中传输传输信息在数据通信和计算机网络中传输传输信息时，是一位一位串行传输的，因此传输速时，是一位一位串行传输的，因此传输速率的度量单位是比特率的度量单位是比特/秒。秒。传输速率的度量单位传输速率的度量单位n常用的速率单位有：常用的速率单位有：n比特秒（比特秒（b/s），也称），也称“波特（波特（bps）”n千比特秒（千比特秒（kb/s）,1kb/s=1000b/sn兆比特兆比特/秒（秒（Mb/s）,1Mb/s=106b/s=1000 kb/sn吉比特吉比特/秒（秒（b/s）,1b/s=109 b/s=1000 b/sn太比特太比特/秒（秒（b/s）,1b

59、/s=1012 b/s=1000 b/s1.5.3 数值信息的表示1 1、计算机中数的主要类型、计算机中数的主要类型n都采用二进制表示，有不同类型和不同长度都采用二进制表示，有不同类型和不同长度计计算算机机中中的的数数整数整数(定点数定点数)实数实数(浮点数浮点数)无符号整数无符号整数带符号整数带符号整数32位（单精度浮点数）位（单精度浮点数）64位（双精度浮点数）位（双精度浮点数）128位（扩充精度浮点数）位（扩充精度浮点数） 8位位(028-1)16位位(0216-1)32位位(0232-1)32位位(-231231-1) 短整数短整数64位位(-263263-1) 长整数长整数16位位(

60、-215215-1) 16位整数位整数 8位位(-2727-1)小数点固定隐含小数点固定隐含在个位数右面在个位数右面小数点小数点不固定不固定1、整数的表示方法1 1、整数的表示方法、整数的表示方法n整数又称为定点数，计算机内部将整数分整数又称为定点数，计算机内部将整数分为两大类：为两大类：u 无符号整数无符号整数u 带符号整数带符号整数（一）无符号整数的表示（一）无符号整数的表示u采用采用“自然码自然码”表示：表示：u取值范围由位数决定：取值范围由位数决定：p8位：位：可表示可表示0255 (28-1)范围内的所有正整数范围内的所有正整数p1 6 位 ：位 ： 可 表 示可 表 示 0 65535(216-1)范围内的所有范围内