第1章计算机信息技术概述_xbf

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？4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，各行各业离不机几乎无所不能，无孔不入，各行各业离不开计算机，学习生活娱乐离不开计算机，难开计算机，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怪我们给计算机一个非常形象的称谓“电脑电

2、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？6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7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8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。9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

3、是电视机，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。10引言：什么是计算机？引言：什么是计算机？n计算机不是邮局，却能帮我们快速地传递邮件和贺计算机不是邮局，却能帮我们快速地传递邮件和贺卡。卡。11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

4、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，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。12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、自动地进行高速地、自动地进行信息处理信息处理的电子设备。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

5、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13n计算机所表现出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

6、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？14计算机处理信息的过程与人类基本一致。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16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。 171819本章主要内容本章主要内容1.1 1.1 计算机发展概述计算机发展概述1.2 1.2

7、计算机的分类计算机的分类1.3 1.3 计算机的应用计算机的应用1.4 1.4 信息技术的基本概念信息技术的基本概念1.5 1.5 信息在计算机中的表示信息在计算机中的表示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

8、各行各业，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。23一、第一台计算机的诞生一、第一台计算机的诞生1. 1. 最早的计算工具最早的计算工具: :人的双手人的双手24一、第一台计算机的诞生一、第一台计算机的诞生2. 2. 劳动实践中发明的计算工具劳动实践中发明的计算工具原始社会：结绳、垒石原始社会：结绳、垒石春秋战国：算筹春秋战国：算筹唐末代：算盘唐末代：算盘25一、第一台计算机的诞生一、第一台计算机的诞生3. 3. 十七世纪以来出现的计算工具十七世纪以来出现的计算工具16221622年英国数学家奥特瑞德：计算尺年英国数学家奥特瑞德：计算尺16421642年

9、法国物理学家帕斯卡：齿轮式加减法年法国物理学家帕斯卡：齿轮式加减法器器16731673年德国数学家莱布尼兹：能进行四则运年德国数学家莱布尼兹：能进行四则运算的机械计算机算的机械计算机1642年，为了协助担任税务局年，为了协助担任税务局长的父亲，年仅长的父亲，年仅19岁的岁的法法国数国数学家学家帕斯卡帕斯卡成功地制造了第一成功地制造了第一台台钟表齿轮式钟表齿轮式机械计算机，但仅能机械计算机，但仅能做做加减法加减法运算。运算。26一、第一台计算机的诞生一、第一台计算机的诞生4 4. . 近代的计算机发展近代的计算机发展18221822年英国数学家查尔斯年英国数学家查尔斯. .巴贝奇：差分机巴贝奇：

10、差分机18341834年英国数学家查尔斯年英国数学家查尔斯. .巴贝奇：分析机巴贝奇：分析机19441944年美国科学家霍德华年美国科学家霍德华. .艾肯：提出用机电艾肯：提出用机电方法来实现巴贝分析机，制造出方法来实现巴贝分析机，制造出Mark I Mark I 计计算机算机已使计算机具有输入、处理、存储、已使计算机具有输入、处理、存储、输出及控制输出及控制5个基本装置的构想，建个基本装置的构想，建构了今天电子计算机硬件系统组成的构了今天电子计算机硬件系统组成的基本框架。但由于当时工业水平所限，基本框架。但由于当时工业水平所限，巴贝奇的设计根本无法实现。巴贝奇的设计根本无法实现。27计算机发

11、展中的杰出人物代表：计算机发展中的杰出人物代表：（1 1）英国的阿兰）英国的阿兰麦席森麦席森图灵图灵主要贡献主要贡献：一是建立了一是建立了图灵机图灵机(TM)(TM)的理论模型，对数字计算机的一的理论模型，对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响；般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响；二是提出了定义机器智能的二是提出了定义机器智能的图灵测试图灵测试，奠定了，奠定了“人工智人工智能能”的理论基础。的理论基础。28计算机发展中的杰出人物代表：计算机发展中的杰出人物代表：（2 2）美籍匈牙利人冯）美籍匈牙利人冯. .诺依曼诺依曼主要贡献主要贡献：在纯粹数学、应用数学、量子

12、物理学、逻辑：在纯粹数学、应用数学、量子物理学、逻辑学、气象学、军事学、计算机理论及应用、对策论和经学、气象学、军事学、计算机理论及应用、对策论和经济学诸领域都有重要建树和贡献。济学诸领域都有重要建树和贡献。确定确定计算机的结构计算机的结构，采用，采用存储程序以及二进制编码存储程序以及二进制编码等。等。29第一台计算机诞生的第一台计算机诞生的“故事故事” 二战爆发后，美国陆军军械部为研制和开发新型大二战爆发后，美国陆军军械部为研制和开发新型大炮，设立了炮，设立了“弹道弹道研究实验室研究实验室”，但极为繁重的计，但极为繁重的计算任务令研究人员大伤脑筋。尽管实验室雇用了算任务令研究人员大伤脑筋。尽

13、管实验室雇用了200200多名计算快手，还是捉襟见肘。他们迫切需要多名计算快手，还是捉襟见肘。他们迫切需要一种新的计算机器，以提高工作效率。一种新的计算机器，以提高工作效率。宾夕法尼亚宾夕法尼亚大学大学莫尔莫尔学院的学院的莫克利莫克利博士博士提出了试制第一台电子提出了试制第一台电子计算机的设想。他的设想吸引了陆军军械部，他们计算机的设想。他的设想吸引了陆军军械部，他们立即要求莫尔学院拟定一份研制计划。立即要求莫尔学院拟定一份研制计划。 30第一台计算机诞生的第一台计算机诞生的“故事故事” 按照科学家们的估计，制造一台电子计算机所需的按照科学家们的估计，制造一台电子计算机所需的经费为经费为151

14、5万美元万美元，数额巨大，美国著名数学家，数额巨大，美国著名数学家维伯维伯伦伦博士博士坚定地站到了支持者的行列里，他最终说服坚定地站到了支持者的行列里，他最终说服了美国军方。经过两年多的紧张研制，第一台电子了美国军方。经过两年多的紧张研制，第一台电子计算机终于在计算机终于在19461946年年2 2月月1414日日问世。而它的开发经问世。而它的开发经费几经追加，最后达到费几经追加，最后达到4848万美元万美元。31一、第一台计算机的诞生一、第一台计算机的诞生 5. 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诞生了世界上第一台计算机台计算机ENIAC（电子数字积分机与计

15、算机，又电子数字积分机与计算机，又称作埃尼尔克）。称作埃尼尔克）。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32优点优点：“埃尼阿克埃尼阿克”的计算速度是手工计算的的计算速度是手工计算的2020万万倍倍、继电器计算机的、继电器计算机的10001000倍倍。美国军方也从中尝。美国军方也从中尝到了甜头，因为它计算炮弹弹道只需要到了甜头，因为它计算炮弹弹道只需要3 3秒钟秒钟，而，而在此之前，则需要在此之前，则需要200200人人手工计算手工计算两个月两个月。除了常。除了常规的弹道计

16、算外，它后来还涉及诸多的科研领域，规的弹道计算外，它后来还涉及诸多的科研领域，曾在曾在第一颗原子弹第一颗原子弹的研制过程中发挥了重要作用。的研制过程中发挥了重要作用。 33缺点缺点： (1) ENIAC (1) ENIAC的耗电量超过的耗电量超过174174千瓦小时，在使用时全镇的千瓦小时，在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电灯都会变暗；而且它的电子管电子管平均每隔平均每隔1515分钟分钟就要烧就要烧坏一只，科学家们不得不满头大汗地不停更换。坏一只，科学家们不得不满头大汗地不停更换。 (2) (2) 不能存储程序、使用十进制，且在机外用线路连接不能存储程序、使用十进制，且在机外用线路连接的方

17、法来编排程序等严重缺陷。的方法来编排程序等严重缺陷。19551955年年1010月月2 2日日，“埃尼阿克埃尼阿克”宣告宣告“退役退役” ，之后被陈，之后被陈列在华盛顿的一家博物馆里。列在华盛顿的一家博物馆里。352 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。362 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

18、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37特点：特点：l采用电子管作为基本电子元器件；采用电子管作为基本电子元器件；l体积大，耗电量大，寿命短，可靠性低，成本高；体积大，耗电量大，寿命短，可靠性低，成本高；l存储器采用水银延迟线；存储器采用水银延迟线；l没有没有系统软件系统软件，用，用机器语言机器语言和汇编语言编程；和汇编语言编程；l在少数尖端领域中运用，科学，军事和财务等。在少数尖端领域中运用，科学

19、，军事和财务等。 38(2)(2)第二代（约第二代（约1957-19641957-1964） 晶体管计算机晶体管计算机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）39特点：特点：l其其软件软件开始使用开始使用面向过程面向过程的的程序设计语言程序设计语言，如如fortran、algol等。等。l能实现能实现电子管电子管的功能，具有尺寸小、重量轻、的功能，具有尺寸小、重量轻、寿命

20、长、效率高、发热少、寿命长、效率高、发热少、功耗功耗低等优点。低等优点。40(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）41特点：特点：l 以以存储器存储器为中心；为中心；l 机种多样化、系列化机种

21、多样化、系列化;l 外部设备不断增加、功能不断扩大外部设备不断增加、功能不断扩大;l 软件的功能进一步完善，除了用于数值计算机和软件的功能进一步完善，除了用于数值计算机和数据处理外，已经可以处理图像、文字等资料。数据处理外，已经可以处理图像、文字等资料。42(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

22、机发展的四个阶段（续）43 特点：特点：l 大规模集成电路可以在一个芯片上容纳几百个元件；大规模集成电路可以在一个芯片上容纳几百个元件；l 超大规模超大规模集成电路集成电路 (VLSI) 在芯片上容纳了几十万在芯片上容纳了几十万个元件；个元件；l 甚大规模集成电路甚大规模集成电路(ULSI) 上将数量扩充到百万级；上将数量扩充到百万级；l 计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。断增强。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2

23、0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

24、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1. 什么是微电子技术什么是微电子技术2. 纳米世界纳米世界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4. 集成电路的发展规律集成电路的发展规律

25、5. 集成电路的分类集成电路的分类461 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。471 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

26、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。482 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

27、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49u 一根头发宽度可以摆放一根头发宽度可以摆放2000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的是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称宽度，简称线宽线宽。半导体业界习惯上用。半导体业界习惯上用线宽线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。这个工艺尺寸来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

28、钟内切换秒钟内切换34亿亿次2 2、纳米世界、纳米世界503 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CPU514 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。 524 4、集成电路的发展规律（续）、集成电路的发

29、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.MooreE.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。这一定律揭示了信息技术进步的这一定律揭示了信息技术进步的速度，这就是著名的速度，这就是著名的摩尔定律摩尔定律。534 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

30、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。 544 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

31、盖大小的区间里管集中在指甲盖大小的区间里 。554 4、集成电路的发展规律（续）、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，工艺进程进行了介绍，2014年年9月正式发布酷月正式发布酷睿睿M处理器。处理器。l英特尔将于英特尔将于2015年年1月的月的CES展上正式发布展上正式发布Broadwell-U系列系列14nm处理器，这将是第五代英特处理器，这将是第五代英特尔酷睿处理器。从尔酷睿处理器。从2015年开始，年开始，Intel将会陆续升级将会陆续升级10nm，之后则是之后则是7nm甚至是甚至是5nm

32、。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个月个月，移动互联网是移动互联网是12个月，甚至更短，摩尔定律需要改变个月，甚至更短，摩尔定律需要改变节奏。节奏。56英特尔：英特尔：22纳米技术晶体管比纳米技术晶体管比DNA染色体还小染色体还小574 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4949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

33、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令人难以置信的发展速度会无止境地持续发展速度会无止境地持续下下去吗？去吗？！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。584 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

34、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。59世界上第一个世界上第一个3D晶体管晶体管“Tri-Gate”由英特尔于由英特尔于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

35、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60p在在Tri-Gate中，由于三维硅鳍片都是垂直的，晶中，由于三维硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更紧密排列，能够很大程度上提高晶体体管可以更紧密排列，能够很大程度上提高晶体管密度。管密度。pTri-Gate将晶体管排列由平面转向立体，使单位将晶体管排列由平面转向立体，使单位面积中可以容纳更多的晶体管。用一个形象的比面积中可以容纳更多的晶体管。用一个形象的比喻，二维晶体管如同平房，喻，二维晶体管如同平房，3D晶体管晶体管则是摩天大则是摩天

36、大楼。在同样的占地面积下，楼房则要比平房能够楼。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。承载更多的房屋。p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6122nm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625 5、集成电路的分类、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）

37、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641.1.3 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

38、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。651.1.3 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：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。66通用性强：通用性强：同一台计

39、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）671.1.4 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

40、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681.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势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。n计算机的性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。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算目前世界上性能最高

41、的通用计算机已采用上万台计算机并行，美国的机并行，美国的ASCI计划已经完成每秒计划已经完成每秒12.3万亿次并万亿次并行机。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算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，每个处理机每秒机，其处理机将采用超导量子器件，每个处理机每秒100亿次，共用亿次，共用10万个处理机并行。万个处理机并行。691.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势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

42、有计算机一样”。n未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中。种电器中。n未来的中小学生上课用的可能不再是教科书，而只是一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，辅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。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，可以一所以有人预言未来计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用品。次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。 701.1.4 1.1.4

43、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别，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、表情与计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。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入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。方式。手势和脸部表情

44、识别也已取得较大进展。71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72苹果智能手表苹果智能手表2014年年9月发布，苹果月发布，苹果iWatch采用蓝宝石屏幕，不采用蓝宝石屏幕，不怕刮。支持电话，语音回短信，连接汽车，天气、怕刮。支持电话，语音回短信

45、，连接汽车，天气、航班信息，地图导航，播放音乐，测量心跳、计步航班信息，地图导航，播放音乐，测量心跳、计步等几十种功能，是一款全方位的健康和运动追踪设等几十种功能，是一款全方位的健康和运动追踪设备。备。731.3 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751.4.1 1.4.1 什么是信息什么是信息n信息是对人们

46、有用的数据， 这些数据将可能影响人们的行为与决策。n信息有多种信息有多种表现形式表现形式，语言、文字、声音、，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。761.4.2 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、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。一门技术。

47、77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78现代信息技术的特征现代信息技

48、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79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功能信息处理系统跨越全球

49、的多功能信息处理系统 8081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。82u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码来表示。来

50、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。85（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（每一位可使用十

51、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=2102010141009101610286（2 2）什么是二进制数？）什么是二进制数？n莱布尼兹莱布尼兹 ：第一个明确提出二进制的概念：第一个明确提出二进制的概念n冯冯.诺依曼诺依曼：提出采用二进制作为数字计算机的数制基：提出采用二进制作为数字计算机的数制基础。础。87（2 2）什么是二进制数？）什么是二进制数？进位计数制，简称进位制，是按

52、进位方式实现计数的一进位计数制，简称进位制，是按进位方式实现计数的一种规则。种规则。数码数码：一组用来表示某种数制的符号。：一组用来表示某种数制的符号。基数基数：数制所使用的数码个数。：数制所使用的数码个数。位权位权：数码在不同位置上的倍率值。：数码在不同位置上的倍率值。88（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（基数是2 ）n 标志：标志： 尾

53、部加尾部加B例：例：101.01 B =122021120 021122 5.2589（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90（4 4）八进制数）八进制数n 每一位使用八个不同数字表示（每一位

54、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 = 245.2591（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标志：标志：尾部加

55、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拾伍拾伍15111117F93（6 6）K K进制数的性质进制数的性质 （1）基数为）基数为K，逢，逢K进一

56、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位。位。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95（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=10 1-

57、1=096二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！97（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。98（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

58、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。99（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多个二进位进行逻辑运算时按位独立进行按位独立进行运算运

59、算。例：例：110111011011=1001 11011011=11111003 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。101（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.

60、1011 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。103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。 结果为：结果为： 0.0101B十进制数十进制数 二进制数二进制数104（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