计算机的发展及应用

1.1计算机的发展及应用1.2计算机系统简介1.3计算机中的数制与编码1.4本章小结1.5习题第1章计算机概述总目录下一章1.1.1计算机的发展历史1.1.2计算机的主要特点1.1.3计算机的分类1.1.4计算机的应用领域1.1.5计算机的发展趋势1.1计算机的发展及应用1.1.1计算机的发展历史第一台计算机的诞生计算机是一种能高速地、自动地进行算术和逻辑运算的电子机器。计算机的发展主要缘于“计算”的需要，飞机的设计、天气预报、导弹的发射、某些工程计算等许多方面都需要高精度和高速度的计算。1946年初，由美国宾夕法尼亚大学、穆尔工学院和美国陆军火炮公司联合研制而成研制出了世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer即电子数值积分计算机）。返本节ENIAC计算机体积庞大，占地约170平方米，总重量达30多吨，使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，每秒钟可做5000次加减运算。ENIAC的诞生宣布了电子计算机时代的到来，具有划时代的意义。图1返本节图2返本节图31.第一阶段：电子管计算机(1946～1957年)2.第二阶段：晶体管计算机(1958～1964年)3.第三阶段：集成电路计算机(1965～1970年)4.第四阶段：大规模、超大规模集成电路计算机(1971年至今)经历四个阶段(四代)：返本节返本节图4运算速度快计算精度高记忆能力强具有逻辑判断能力可靠性高通用性强1.1.2计算机的主要特点返本节巨型机大型机小型机微型机服务器工作站1.1.3

计算机的分类返本节

可以从不同的角度对计算机进行分类。计算处理的信号有数字信号和模拟信号，按计算机处理的信号不同可分为数字计算、模拟计算机和数字模拟混合计算机。数字计算机处理数字信号数据，模拟计算机处理模拟信号数据，数字模拟混合计算机机可以处理数字信号也可以处理模拟信号。计算机按其功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机功能单一、适应性差但是在特定用途下有效、经济、快速。通用计算机功能齐全、适应性强。目前所说的计算机都是指通用计算机。在通用计算机中又可根据运算速度、输入输出能力、数据存储能力、指令系统的规模和机器价格等因素将其划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器及工作站等。返本节返本节.按综合性能指标分类巨型机：速度最快、处理能力最强，多用于高端科研。

大型、通用、较快、较强大型机：作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机

小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短工艺先进、使用维护简单。 工作站：介于PC与小型机之间，高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜 适合普通用户。服务器：大容量的存储设备和丰富的外部设备。运行速度较快，可供网络用户共享访问。

科学计算数据处理计算机辅助设计/辅助制造(CAD/CAM)

过程控制多媒体技术计算机网络人工智能1.1.4

计算机的应用领域返本节巨型化微型化网络化智能化1.1.5

计算机的发展趋势返本节巨型化

天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量这就需要研制功能更强的巨型计算机。(我国的大型计算机：神威、银河系列、曙光)返本节图5微型化

专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。返本节图6Altair8800网络化

将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网人们足不出户就可获取大量的信息与世界各地的亲友快捷通信进行网上贸易等等。返本节智能化

目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言、能识别图形、会自行学习等等这就需要进一步进行研究。近年来通过进一步的深入研究发现，由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机例如：生物计算机、量子计算机、超导计算机等。返本节1.2计算机系统简介1.2.1计算机系统的组成1.2.2计算机硬件系统1.2.3计算机软件系统1.2.4程序设计语言冯·诺依曼型计算机的基本结构

1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(VonNeumann)提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含3个要点：⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。⑵将指令和数据存放在存储器中。⑶计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”，就是通常所说的“顺序存储程序”概念。我们把按照这一原理设计的计算机称为“冯·诺依曼型计算机”。1.2.1计算机系统的组成返本节.计算机系统的组成图：计算机系统硬件软件主机外设系统软件应用软件中央处理器(CPU)内存储器(ROM、RAM)外存储器输入设备输出设备图7返本节1.计算机硬件系统的组成

计算机的硬件系统是指构成计算机系统的所有实体部件的集合。通常这些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成，它们都是看得见、摸得着的，故通称为“硬件”，是进行一切工作的基础。

计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备的设备5部分组成。2.计算机的工作原理

见图81.2.2计算机硬件系统返本节计算机的基本硬件结构

参见P8图8返本节数据、程序处理结果3.计算机的工作过程

4.计算机的性能指标

1)主频2)字长3)内存容量4)运算速度5)存取周期通常把运算器和控制器做在一块半导体芯片上，称为中央处理器(微处理器)，简称返本节CPU(CenterProcessingUnit)。几种类型的CPU（奔腾、奔腾Ⅱ、Cyrix686、K6-2）几个常用的硬件图9•CPU字长：内部各寄存器之间一次能够传递的数据位•位宽与外部设备之间一次能够传递的数据位•

X位CPU通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。例如，PentiumCPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。

•CPU外频：CPU总线频率•CPU主频：CPU内核电路的实际工作频率•生产工艺技术：通常用微米数字来描述早期的芯片CPUP4微处理器内部结构国产“龙芯”返本节补充：我国CPU的发展图10返本节龙芯（Loongson，旧称GODSON[1]）于2002年8月10日，中国科学院计算所自主开发的通用CPU，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。第一型的速度是266MHz，最早在2002年开始使用。龙芯2号速度最高为1GHz。龙芯3号还未有成品，而设计的目标则在多核心的设计。

龙芯1号（Godson-1）于2002年研发完成，是一颗32位元的处理器，内频（也称：主频）是266MHz。

龙芯2号（Godson-2）于2003年正式完成并发布。龙芯2号是64位元处理器，内频为300MHz至500MHz，500MHz版约与1GHz版的Intel[[PentiumIII]]、Pentium4拥有相近的效能水平。

返本节曙光5000

2008年8月底，由中国科学院计算技术研究所、曙光信息产业有限公司自主研发制造的百万亿次超级计算机——曙光5000A，近日已经在天津高新区的曙光公司产业基地成功下线。

曙光5000A高性能计算机是国家863计划高性能计算机及其核心软件重大专项支持的研究项目，是面向网格的高性能计算机，可以为网格提供计算服务，同时也是面向信息服务的超级服务器，可以提供多目标的系统服务。曙光5000A采用网格技术,体系结构以构件性(Component)、标准性(Standard)、协作性(Coordinate)为基准,采用服务化(Service)、安全化(Security)、专业化(Specialization)、智能化(Intellengce)的3SI技术路线。其设计浮点运算速度峰值为每秒230万亿次，采用最新的四核AMDBarcelona(主频2.0GHz)处理器，采用基于刀片架构的HPP体系架构,共有约30000颗计算核心,大于100TB海量内存，700TB数据存储能力，采用低延迟的20Gb的网络互联，Linpack测试速度预测将达到160T，效率大于70%，是目前国内运算速度最快的高性能计算机。曙光5000一天完成的工作量，相当于全中国所有人每天24小时、每年365天利用手持计算机不停地进行计算，46年时间的工作量。图11存储器：存储器是用来存储程序和数据的部件。

存储器又分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅助存储器)两类。内存储器简称内存，用来存储当前要执行的程序和数据以及中间结果和最终结果。

内存储器又分成随机存储器RAM(RandomAccessMemory)

、只读存储器ROM(RandomOnlyMemory)和高速缓冲存储器Cache。

外存储器简称外存，用来存储大量暂时不参与运算的数据和程序以及运算结果。

后援存储器（磁带库、光盘）辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）主存储器（DRAM）Cache存储器ALU寄存器存储器层次结构图

返本节常见的几种内存条图12返本节用于台式机内存条用于笔记本电脑内存条

内存是程序存储的基本要素，存取速度快，但价格较贵，容量不可能配置的非常大；而外存响应速度相对较慢但容量可以做得很大（如一张3.5英寸软盘片容量1.44MB，一张光盘片容量640MB,硬盘容量可达几百GB及以上）。

外存价格比较便宜并且可以长期保存大量程序或数据，是计算机中必不可少的重要设备。常见的外存设备图11返本节硬盘移动硬盘光盘数码伴侣(存储卡)软盘U盘图13

输入设备：输入设备是将用户的程序、数据和命令输入到计算机的内存的设备。

最常用的输入设备是键盘，常用的输入设备还有鼠标器、扫描仪、手写板等。输出设备：输出设备是显示或硬拷贝计算机运算和处理结果的设备。

最常用的输出设备是显示器和打印机，常用的输出设备还有绘图仪等。返本节图14图151.2.3计算机软件系统计算机的软件系统是计算机系统中不可缺少的组成部分，没有软件，计算机是无法正常工作的。只有硬件系统而没有软件系统的计算机称为“裸机”，裸机是无法工作的，必须配备相应的软件系统，计算机才能完成一项项工作。软件是提高计算机使用效率、扩大计算机功能的各类程序、数据和有关文档(docu-ment)的总称。1.系统软件

系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，是计算机必备的软件。2.应用软件

应用软件是为了解决各种实际问题而设计的程序，包括各种管理软件、办公自动化软件、工业控制软件、计算机辅助设计软件包、数字信号处理及科学计算程序包等。返本节用户操作系统操作系统多用户操作系统网络操作系统……汇编程序

系统软件语言处理程序解释程序编译程序……软件数据库管理系统诊断与维护程序工具软件调试程序编辑程序装配链接程序

应用软件软件包用户程序返本节1.2.4程序设计语言

1.机器语言2.汇编语言3.高级语言返本节1.3计算机中的数制与编码

1.3.1计算机中的数制1.3.2不同进制之间的转换1.3.3二进制数的算术运算和逻辑运算1.3.4计算机数据的表示1.3.5字符编码1.3.1计算机中的数制1．数制的概念

在一种数制中，只能使用一组固定的数字符号来表示数目的大小，这种数字符号被称为该数制的数码，如在十进制中，用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9的有效组合来表示一个十进制数的大小，这里的10个数字符号0～9被称为十进制的数码。每种数制中数码的个数称为该数制的基数，如十进制中有10个数码，基数是10；二进制中有两个数码0和1，基数是2；八进制数中有8个数码0、1、2、3、4、5、6、7，基数是8；十六进制数中有16个数码0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，基数是16。生活中有12进制、24进制、60进制等，民间称一打＝12个对于ｒ进制数，有数字符号0，1，2，…，ｒ－１，共ｒ个数码，基数是ｒ。返本节2．常用进位计数制在数制中有一个规则，就是N进制一定是“逢N进一”。如十进制就是“逢十进一”，二进制就是“逢二进一”，八进制就是“逢八进一”，十六进制就是“逢十六进一”等。

1)二进制2)八进制3)十进制4)十六进制返本节返本节二进制数十进制数八进制数十六进制数000011111022211333100444101555110666111777100081081001911910101012A10111113B11001214C11011315D11101416E11111517F10000162010引入基本概念：

Ｎ＝ａｎ…ａ１ａ０…ａ-1…ａ-m(ｒ)

＝ａｎ×ｒn＋…ａ１×ｒ1＋ａ０

×ｒ０＋ａ-1×ｒ-1＋…＋ａ-mｒ-m

式中的ａｉ是数码，ｒ是基数，ｒi是权。不同的基数，表示的是不同的进制数。ｎ为整数部分的位数，m为小数部分的位数。在基数为ｒ的进位计数制中，根据“逢ｒ进一”或“逢基进一”的原则进行计数。1.3.2不同进制之间的

1.二、八、十六进制(非十进制数)转换为十进制数2.十进制数转换为十进制数二、八、十六进制(非十进制数)3.二进制和八进制、十六进制间数的转换返本节返本节进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数R=2r=8r=10r=16数符0,10,1,,70,1,,90,1,,9,A,,F位权2i8i10i16i形式表示B（BinarySystem）O（OctalSystem）D（DecimalSystem）H（HexadecimalSystem）十进制转化成r进制的方法：整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列，称为基数除法。小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列，称基数乘法。数值由十进制转换成二进制，要将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再组合起来。十进制整数转换成二进制数的最简便方法是基数除法，也称“除2取余”法。十进制小数转换成二进制数的常用方法是基数乘法，也称“乘2取整”法。返本节

整数部分和小数部分的转换方法不同。

整数部分的转换（除基2取余法）:除以2取余数，直到商为0，余数从右到左排列。整数部分：25除数被除数余数225212126023021101(25)D=(11001)B

先取的余数为低位，后取的余数为高位。返本节

小数部分的转换（乘基2取整法）：乘以2取整数，整数从左到右排列。0.3125乘2整数0.3125×20.62500×20.25001×20.50000×20.00001(0.3125)D=(0.0101)B先取的整数为高位，后取的整数为低位则：(25.3125)D=(11001)B+(0.0101)B=(11001.0101)B返本节返本节（1001.111）B=（）D

（1234）O=（）D（4C）H=（）D答案返本节（1001.111）B=（9.765

）D

（1234）O=（668

）D（4C）H=（76

）D1.3.3二进制数的算术运算和逻辑运算

1.算术运算

＋(加)、－(减)、＊(乘)、／(除)2.逻辑运算

∨(或)、∧(与)、～(非)返本节1.3.4计算机数据的表示1.数的浮点表示

浮点数：Ｎ＝数符×尾数×2阶符×阶码2.机器数的表示

机器数：一个数及其符号在机器中的数值化表示。真值：机器数所代表的数。1)原码2)反码3)补码返本节1.3.5字符编码1.西文字符编码1)ASCII码

AmericanStandardCodeforInformationInterchange(美国标准信息交换代码)，共128个，0～1272)EBCDIC码

ExtendedBinaryCodedDecimal