第1章计算机概述

第1章

计算机概述1问题什么是计算机？计算机的历史、发展、分类、组成计算机能做什么？计算机的应用、软件的分类计算机怎么做？工作过程，数值的表示、存储、运算2本章内容计算机的历史与发展计算机的系统组成什么是指令和程序不同进制之间数值转换编码的不同类型3计算机的定义计算机是一种可以进行数据输入、处理、存储、输出的电子装置。计算机的特点可概括为：计算精度高、处理速度快、存储容量大、可进行逻辑判断、可靠性高、通用性强。计算机4电子计算机的发展历程第一代：电子管计算机时代（1946年~20世纪50年代末）第二代：晶体管计算机时代（20世纪50年代中期~60年代末）第三代：中、小规模集成电路计算机时代（20世纪60年代~70年代初期）

第四代：大规模及超大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代初至今）5电子管计算机时代电子管电子管内大多为真空，管内一个金属丝通过“开”或“关”两种状态控制电流是否流经电子管6世界上第一台现代电子计算机世界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC），诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学

5000次加法/秒体重30吨占地170m218000只电子管1500个继电器功率150KWENIAC存在明显缺点：存储容量很小；采用外接线路连接的方法设计计算程序。7晶体管计算机时代晶体管晶体管（transistor）是一种固体半导体器件可做为电流的开关，利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，可达100GHz以上。8第一台使用晶体管线路的计算机

1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer）集成约800个晶体管集成超过10000个二极管。运行速度为1MHz功率小于100瓦晶体管相比电子管的好处：寿命长耗能小体积小巧可集成度高9中、小规模集成电路计算机时代小规模集成电路小规模集成电路、半导体存储器、磁盘，内存储器容量8MB～256MB；运算速度1～10亿次/秒；软件有操作系统、结构化程序设计语言、数据库等10超大规模集成电路计算机时代超大规模集成电路大规模、超大规模集成电路、半导体存储器、磁盘、磁带、光盘和微处理器，内存储器容量可达256MB～4096MB；运算速度已经达到10亿次以上/秒；软件增加专家系统、面向对象开发工具和支撑环境等。11电子计算机的发展趋势巨型化几万个或者更多的处理器来支持数据的并行处理的超高速大型计算机。用于天文、气象、生物工程等领域微型化用于手机、智能家电及各种民用或者工业用机器控制的智能化领域，诸如嵌入式芯片等技术的发展网络化计算机之间通过通信线路及专门的外部设备联合在一起，共享计算资源及数据资源。云计算概念的兴起。智能化使用计算机模拟人类的思维活动，使计算机具有更强大的逻辑思维和推理学习能力。12计算机的分类依据计算机的字长、运算速度、存储容量、外部设备、输入和输出能力等主要技术指标，大体可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站和服务器等几类。

13巨型计算机巨型计算机也称超级计算机，其主要特征是采用大规模并行处理体系结构，由几十上百万颗处理器构成图中这款Sequoia超级计算机，由IBM建造，使用了超过157万颗计算内核，其运行速度达到了每秒16.32千万亿次14大型计算机大型计算机的运算速度和存储容量次于巨型机，并具有较大的存储容量以及较好的通用性。用于银行、铁路等大型应用系统中的计算机网络主机使用处理器一般是几十到上百个。支持的内存由几百GB到上千GB支持几十路网络耦合15小型计算机小型计算机的运算速度和存储容量都低于大/中型计算机，系统架构既含有大型机的并行架构技术又有微型机的紧凑架构技术处理器、内存容量、磁盘空间与微型计算机相似，但仍然采用了部分大型机的并行处理架构及处理器指令集。16微型计算机又称个人计算机（PC）以运算器和控制器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器，输入/输出接口和系统总线构成的体积小，结构紧凑，价格低，但又具有一定功能的计算机。17工作站基于微型计算机的架构但将某些能力设计增强的一类计算机。一般配有大容量的主存，具有高速的运算能力和很强的图形处理能力。18服务器

高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等。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19计算机的应用领域数值计算解决科学和研究及工程中不可能进行实验的问题和进行实验代价太大的问题。数据处理对生产和经营活动以及社会科学研究中的大量数字或非数字信息进行收集、转换、分类、统计、处理、存储、传输等。过程控制对生产生活中的各种自动装置、仪表、传感器等进行数据实时采集或分析，。20计算机网络将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的网络软件实现网络资源共享。多媒体将文字、图像、动画、视频、音乐、音效等数字资源通过编程方法整合在一个交互式的整体中，以图文并茂、生动活泼的动态形式表现。21人工智能研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。计算机仿真以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行模拟科学试验研究。22计算机辅助系统包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助教学（CAI）等。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。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）。CAI是借助课件系统完成教学的方法。课件系统是一种教学辅助软件。23计算机体系结构冯·诺依曼计算机体系结构计算机的基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。程序和数据存放在存储器中，并按照存储器地址访问。程序和数据以二进制数表示。24计算机系统组成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)ROMRAM系统软件输入设备硬磁盘软磁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运算器硬件系统软件系统外存储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)ROMRAM系统软件输入设备硬磁盘软磁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运算器25计算机的硬件系统硬件是指构成计算机的物理装置，是一些实实在在的，看得见、摸得着的有形实体。硬件由5大部件，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。26运算器运算器又称算术逻辑单元，简称ALU，是计算机用来进行数据运算的部件。数据运算包括算术运算和逻辑运算。控制器控制器通过地址访问存储器，逐条读取选中单元的指令，分析指令，根据指令产生相应的控制信号作用于其他各个部件，控制其他部件完成指令要求的操作。运算器和控制器27存储器指令和地址指令是能够被计算机识别并执行的二进制编码地址是存储器中存储单元的编号。存储器存储器是用于存储程序和数据的部件。在计算机内部，程序中的指令和数据都以二进制代码形式存储。存储器的基本功能就是存储二进制形式的各种信息。存储器分为内存储器和外存储器。28内存储器和外存储器主存储器（内存）内存包含随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。半导体材料访问速度快数据是暂时性存储价格高辅助存储器（外存）外部长久存储区域。辅助存储器有磁盘、光盘以及U盘等。光、磁材料访问速度慢数据永久性价格低29输入输出设备输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。输入设备向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备，常用输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、绘图板等。30输出设备将计算机处理后的信息转换成人们能识别的形式。常用输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。31计算机的软件系统软件是运行、管理和维护计算机所编制的各种程序和文档的总和。软件分为系统软件和应用软件32系统软件系统软件是管理、监督和维护计算机资源的软件。

管理计算机系统资源，指挥计算机系统自动协调地运行，高效率地工作，是用户与计算机之间的接口。•操作系统(OS)操作系统其他软件DOS硬件33

通过计算机语言可以编写程序，控制计算机完成预定任务。计算机语言分为机器语言、汇编语言和高级语言。如C语言、VB和VC等。•程序设计语言•数据库管理系统

管理数据库的软件，主要面向解决数据处理的非数值计算问题。34应用软件应用软件是用户为了解决某些特定具体问题而开发的各种程序。35计算机的主要性能指标字长字长是指CPU能够同时处理的数据的二进制位数.运算速度计算机的运算速度（平均运算速度）是指每秒钟所能执行的指令条数。一般用百万次/秒（MIPS）来描述。时钟频率（主频）时钟频率是指CPU在单位时间（秒）内能完成的工作周期数。通常，时钟频率以兆赫（MHz）为单位。36内存容量内存一般以KB或MB为单位。内存容量反映了内存储器存储数据的能力。外存容量外存容量指外部存储器的存储容量，一般以硬盘容量为参照标准。现代主流PC机的硬盘容量一般以GB或TB为单位。37计算机的工作原理计算机的工作过程就是执行程序的过程，程序的每一个操作步骤都是告诉计算机“做什么”和“如何做”的命令。指令和程序指令是让计算机完成某个具体操作所发出的命令。一般以二进制代码的形式表达。指令一般由操作码和操作数两部分组成38程序则是大量指令的集合。所有指令集合称为该计算机的指令系统。操作码操作数指令要完成的操作功能及其特性。操作对象或其所在的内存单元地址。10111000

00001000

00000000；将8存入累加器A中00000101

00000111

00000000；7与A中内容相加,存于A如，计算A=8+7操作码和操作数Int

x,y,z；Scanf(“%d%d”,&x,&y);If(x>y)z=x；Elsez=y；39执行指令两个阶段：•取指周期•执行周期从内存中取出要执行的指令送入CPU。

由CPU对指令进行分析译码，判断指令要完成的操作，向各部件发出控制信号，完成指令。两种信息流：•数据流•控制流

指原始数据、中间数据、结果数据和源程序等。

由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令（信号）。计算机的工作过程40数据在计算机中的表示进位计数制计数制，是指用一组固定的数字符号和统一的规则来表示数值的方法。按进位的原则进行的计数方法称为进位计数制。数制的表示主要包括三个基本要素：数码、基数和位权。位权是按所采用的基数和对应数位来表示一个固定数。基数是指在某种进位计数制中所使用的数码个数。位权数码基数41任意R进制计数制同样有基数R、位权Ri和按权展开的表达式。R可以是任意正整数。

用基数R的i次幂Ri表示。数码基数位权一个计数制所采用基本符号的个数。=

an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+……+a1×R1+a0+a-1×R-1+a-2×R-2+……+a-m×R-m数值的按权展开

:(an-1an-2……a1a0.a-1a-2……a-m)按权展开表达式42常用进制数的表示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=2 r=8r=10r=16数符0，10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位权2i8i10i16i表示符号BODH43数制的转换计算机中，常使用的是二进制二进制、八进制、十六进制数转换为十进制数方法：按权展开求和。例如：（110.101）B=1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=（6.625）D（73.56）O=7×81+3×80+5×8-1+6×8-2=（59.71875）D（2B.3C）H=2×161+11×160+3×16-1+12×16-2=（43.234375）D44十进制数转换为二进制数方法：整数部分采取“除2取余法”，从下往上取；小数部分采取“乘2取整法”，从上往下取。例如：将十进制数358.375转换为二进制数。因为（358）D=（101100110）B

（0.375）D=（0.011）B 所以将整数和小数合并在一起，（358.375）D=（101100110.011）B45具体步骤如下：整数部分转换：小数部分转换：余数

整数部分

23580

0.37521791

×2

2891

0.75002440×2

22201.5001

2111×2

25111220

11（取１后乘２）46计算机中数据的概念在计算机内部，各种信息采用二进制编码形式存储，计算机中信息常用的单位有位、字节和字。位（bit）：又称“比特”，一个二进制位即为一个“比特”，是计算机数据的最小单位。一个二进制位只能表示”1”或“0”。47字节（Byte）：简称为B，是计算机