第一章 计算机概论

第一章

计算机概论

第一章

计算机概论

在人类发展史上，蒸气机的发在人类发展史上，蒸气机的发明催生了第一次工业革命。而明催生了第一次工业革命。而 2020 世纪最世纪最伟大、最神奇的产物－－电子计算机的出伟大、最神奇的产物－－电子计算机的出现，则把人类带入了一个更高层次、史无现，则把人类带入了一个更高层次、史无前例的崭新领域前例的崭新领域。。

本章要点本章要点 通过学习，要求掌握

1、计算机的发展过程2、计算机的特点3、计算机数制与编码4、计算机的分类和应用领域

难点是计算机数制间的转换。

1.1 1.1 计算机的诞生计算机的诞生 人类“计算”史人类“计算”史

远古时代远古时代 古代古代算盘算盘 1717 世纪帕斯卡机世纪帕斯卡机加法器加法器

1717 世纪莱布尼兹世纪莱布尼兹乘法器乘法器1919 世纪巴贝齐世纪巴贝齐差分机差分机19461946 年的年的 ENIACENIAC

世界上第一台计算机世界上第一台计算机 ENIACENIAC(1946)(1946)

5000次加法 /秒

体重 30吨

占地 170m2

18800只电子管

1500个继电器

功率 140KW

1.1 1.1 计算机的诞生计算机的诞生 什么是计算机什么是计算机 ??

计算机就是一种信息处理机，即对信息进行编码、计算机就是一种信息处理机，即对信息进行编码、存储、转换、传输、检测等操作的机器。存储、转换、传输、检测等操作的机器。

什么是信息？什么是信息？反映客观情况的资料（有狭义与广义之分）反映客观情况的资料（有狭义与广义之分）

计算机能处理什么样的信息？计算机能处理什么样的信息？数字化信息——仅由数字化信息——仅由 00 和和 11 组成的代码串组成的代码串任何信息交由计算机处理必须经过任何信息交由计算机处理必须经过 数字化数字化输入计算机的信息分为两大类：输入计算机的信息分为两大类：

数据（数据（ DataData ）） 程序（程序（ ProgramProgram ））

计算机处理信息的过程？计算机处理信息的过程？信息加工即对信息进行编码、存储、转换、传输、信息加工即对信息进行编码、存储、转换、传输、检测等操作。检测等操作。

计算机 计算机数字化数字化文字数值文字数值

图形图像图形图像

声音视频声音视频

外设外设0101 代码串代码串

加工处理加工处理结果数据结果数据

信息处理过程信息处理过程

1.1 1.1 计算机的诞生计算机的诞生

第二代第二代（（ 19581958 －－ 19641964 ））

晶体管时代晶体管时代代表代表 :IBM1403:IBM1403 机机

几十万－百万（次几十万－百万（次 // 秒）秒）

第三代第三代（（ 19651965 －－ 19711971 ））

集成电路时代集成电路时代代表：代表： IBM360IBM360 机机

百万－几百万（次百万－几百万（次 // 秒）秒）

第四代第四代（（ 19721972 －至今）－至今）

大或超大规模集成电路大或超大规模集成电路代表：代表： IBM370IBM370 系列系列

几百万－几亿（次几百万－几亿（次 // 秒秒））

1.2 1.2 计算机发展简况计算机发展简况

第一代 第一代（（ 19461946 －－ 19571957 ））

电子管时代电子管时代代表：代表： ENIACENIAC

55 千－千－ 44 万（次万（次 // 秒）秒）

计算机发展趋势之一：计算机发展趋势之一： 微型化微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是一种 个人的信息机器 。体积小，重量轻，可靠性高，使用方便灵巧。

计算机发展趋势之二：计算机发展趋势之二： 巨型化巨型化运算速度快、存储量大、功能强、可靠性好。主要用于 :天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。

CRAY-ⅡCRAY-Ⅱ

1975 年世界上第一 台超级计算机 Cray-I ，运算速度为： 1 亿万次

走鹃

目前世界上最快的超级计算机，运算速度为 :1000 万亿次

计算机发展趋势之二：计算机发展趋势之二： 巨型化巨型化中国超级计算机：

银河Ⅱ银河Ⅱ

国防科技大学研制的“银河 1号”、 “银河 2号”和“银河 3号”1983 年，最初速度： 1 亿次 / 秒

国家职能计算机 中心推出的“曙光 1000” 、“曙光 200I” 和“曙光 3000”1995 年，最初速度： 10 亿次 / 秒

曙光曙光 10001000目前中国最快的超级计算机，运算速度： 11万亿次 / 秒

曙光曙光 40004000ＡＡ

1.3 1.3 电子计算机的特点电子计算机的特点 运算速度快 每秒几百亿次几千亿次 计算 精度高 可使用足够多的二进制位数来获得所要求的数据精度 具有逻辑判断能力 这是区别于其它任何机器的一个特点 存储容量大，具有“记忆”功能 提供大容量的存储器来存储程序和数据 自动化程度高 可按照人们事先编制好的程序自动连续地进行各种操作

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 计算机为什么要 采用二进制计算机为什么要 采用二进制

受至于元器件晶体管受至于元器件晶体管 具有两个完全不一样的 状态（截至或导通）具有两个完全不一样的 状态（截至或导通） 状态稳定状态稳定 状态转换快状态转换快 晶体管体积小，便于集成晶体管体积小，便于集成 功耗小，价格便宜功耗小，价格便宜

二进制运算规 则简单二进制运算规 则简单 物理上容易实现数据存储物理上容易实现数据存储 便于逻辑判断便于逻辑判断

思考：二进制是如何表示的？思考：二进制是如何表示的？

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 重新认识十进制重新认识十进制

使用使用 0,1,2,3,4,5,6,7,8,90,1,2,3,4,5,6,7,8,9 十个数码表示数十个数码表示数进位规则：逢十进一进位规则：逢十进一基数：基数： 1010示例示例

(85.12)(85.12)1010 = 8×= 8×101011 + 5×+ 5×10100 0 + 1×+ 1×1010 －－ 1 1 + 2×+ 2×1010 －－ 22

其中，其中， 101011 ,,10100 0 ,, 1010 －－ 1 1 ,, 1010 －－ 22 分别称为分别称为权值权值，它，它是以基数为底、位号为幂所构成的指数。是以基数为底、位号为幂所构成的指数。

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 二进位计数制二进位计数制

使用使用 0,10,1 两个数码表示数两个数码表示数进位规则：逢二进一进位规则：逢二进一基数：基数： 22示例示例(101.01)(101.01)22 = 1×= 1×222 2 + 0×+ 0×221 1 + 1×+ 1×220 0 ++ 0×0×22-1 -1 +1×+1×22-2 -2 = (5.25)= (5.25)1010

二进制与十进制的转换二进制与十进制的转换二进制转化为十进制：二进制转化为十进制：按权值相加按权值相加十进制转化为二进制：十进制转化为二进制：整数部分除整数部分除 22取余逆排列，取余逆排列，

小数部分乘小数部分乘 22取整取整。。

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 十进制转化为二进制十进制转化为二进制例如例如，， (205.345)(205.345)1010=( ??? ) =( ??? ) 22

2 205 余数 2 102 ……1 2 51 ……0 2 25 ……1 2 12 ……1 2 6 ……0 2 3 ……0 2 1 ……1 0 ……1

逆

排 列

整数部分： 11001101

0.345 × 2 整数 0.690……0 × 2 1.380……1× 2 0.760……0× 2 1.520……1× 2 1.040……1

顺

排

列

小数部分： 01011

八进制与十六进制呢？

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 整数、实数的表示方法整数、实数的表示方法

数的长度数的长度 在计算机 中，数的长度按在计算机 中，数的长度按比特比特 (bit,(bit, 二进制位二进制位 ))来计来计

算。 但因存储容量常以“算。 但因存储容量常以“字节字节”为计算单 位，所以”为计算单 位，所以数据长度也常以字节为单位计算。数据长度也常以字节为单位计算。 11 字节字节 (Byte)=8(Byte)=8比特比特 (bit)(bit) 。。

数的符号数的符号 数的最高位数的最高位 ((左边第一 位左边第一 位 ))来表示数的正负号，约来表示数的正负号，约定定““ 0”0” 表示正，“表示正，“ 1”1” 表示负表示负。。

小数点的表示小数点的表示 数为数为实数实数时才涉及到小数点，一般在特定位置默认时才涉及到小数点，一般在特定位置默认

有一个小数点， 但总是隐含的。有一个小数点， 但总是隐含的。

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 定点数的表示方法定点数的表示方法

定点整数：小数点定点整数：小数点约定在数值最低位约定在数值最低位之后。之后。

定点纯小数：小数定点纯小数：小数点约定介于符号位点约定介于符号位与数值的最高位之与数值的最高位之间。间。

思考：思考：

dd00………………..ddn-2n-2ddn-1n-1ddnn

符号位 数值部分 小数点位置

dd00………………..ddn-2n-2ddn-1n-1ddnn

符号位 数值部分小数点位置

对任意一个二进制 实数对任意一个二进制 实数 NN （（既有小数部分，又有既有小数部分，又有整数部分的数整数部分的数）该如何在计算机 中表示呢？）该如何在计算机 中表示呢？

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 浮点数的表示方法浮点数的表示方法 NN=t×2=t×2ee 其中，其中， tt称为称为 NN 的尾数，是一个二进制 纯的尾数，是一个二进制 纯小数，小数， ee称为 称为 NN 的阶码，是一个二进制 整数。的阶码，是一个二进制 整数。 例如例如 : (110.011): (110.011)22=0.110011×2=0.110011×2 ＋＋ 1111

在计算机 内在计算机 内浮点数使用阶码和尾数两部分表示浮点数使用阶码和尾数两部分表示 ： ：

dd00………………..ddn-2n-2ddn-1n-1ddnn

数符 尾数 (d)小数点位置

ee00………………..eem-2m-2eem-1m-1eemm

阶符 阶码 (e)

11…………000000

数符 尾数 (23位 )

小数点

00000000

阶符 阶码 (7位 )

11 11 00 0000 00 11 11(110.011)(110.011)22

256.5如何表示？

1.4 1.4 计算机的数制与编码计算机的数制与编码 原码、反码与补码及其意义原码、反码与补码及其意义 与机器的 位数有关，与机器的 位数有关， 88位机、位机、 1616位机、位机、 3232位机等。位机等。

原码原码：符号位用：符号位用 00 或或 11 表示，数值部分用该整数的表示，数值部分用该整数的绝对值的二进制表示。绝对值的二进制表示。

例如：例如： [-39][-39] 原原＝＝ 10100111 [+17]10100111 [+17] 原原＝＝ 0001000100010001 反码反码：正数的反码与原码相同、负数的反码是：正数的反码与原码相同、负数的反码是把其把其原码除符号位以外的各位取反原码除符号位以外的各位取反 (0(0 、、 11互变互变 )) 。。

例如：例如： [-39][-39] 反反＝＝ 1110110001011000 [+17] [+17] 反反＝＝ 0001000100010001 补码补码：正数的补码与原码相同、负数的补码是：正数的补码与原码相同、负数的补码是在其在其

反码的最低位加反码的最低位加 11 。。 例如：例如： [-39][-39] 补补＝＝ 1101100110110011 [+17] [+17] 补补＝＝ 0001000100010001

补码的作用：将减法运算转换成加法运算。补码的作用：将减法运算转换成加法运算。

1.4.5 1.4.5 符号符号编码编码 符号编码：符号编码：因为计算机 内部是不可能直接存储英文字符、因为计算机 内部是不可能直接存储英文字符、汉字、特殊符号等，因此就必须按照一定的方式用统一汉字、特殊符号等，因此就必须按照一定的方式用统一的二进制代码来对这些符号进行编码。的二进制代码来对这些符号进行编码。

ASCIIASCII 码码：美国标准信息交换码，用：美国标准信息交换码，用 77 位代码串来编码位代码串来编码（占用一个字 节存储空间，字节最高位为（占用一个字 节存储空间，字节最高位为 00 ），主要用），主要用于处理英文字符。标准于处理英文字符。标准 ASCIIASCII 码能表示码能表示 128128 个字符。个字符。

字符的字符的 ASCIIASCII 值值 =(=(00 列行列行 ))22

例如：字符例如：字符 AA 的的 ASCIIASCII 值值 =(0=(010000011000001))22

ASCIIASCII 码表包含：英文大小写字母、数字字符、标点符码表包含：英文大小写字母、数字字符、标点符号、特殊符号和控制符，是计算机 中最基本的编码表。号、特殊符号和控制符，是计算机 中最基本的编码表。

对字符的排序：根据对字符的排序：根据 ASCIIASCII 码比较其大小。码比较其大小。

1.4.5 1.4.5 符号符号编码编码 汉字国标码汉字国标码：： 19811981 年 我国颁布了年 我国颁布了《信息交换用汉《信息交换用汉

字编码字符集—基本集》（简称：字编码字符集—基本集》（简称： GB2312-80GB2312-80 ），），其中收录了其中收录了 67636763 个汉字和个汉字和 682682 个非汉字字符。个非汉字字符。 一级常用汉字一级常用汉字 37553755 个，按汉语拼音排列个，按汉语拼音排列 二级常用汉字二级常用汉字 30083008 个，按偏旁部首排列个，按偏旁部首排列

在汉字编码表里，把在汉字编码表里，把 74477447 个汉字放置在一个个汉字放置在一个 9494 ＊＊9494 的阵列里，每一行 称为汉字的“的阵列里，每一行 称为汉字的“区区”，每一列”，每一列称为汉字的“称为汉字的“位位”，组成”，组成区位码区位码。。每个汉字占两个每个汉字占两个字节字节。。

国标码值国标码值＝区位码的＝区位码的 1616 进制表示＋进制表示＋ 20202020HH

““我我”的国标码＝”的国标码＝ 2E32H2E32H ＋＋ 2020H2020H ＝＝ 4E52H4E52H

1.5 1.5 计算机的应用计算机的应用 现代管理计算机化 计算机 辅助设计 (CAD) 、辅助制造 (CAM)与辅助教

学 (CAI) 日常生活计算机化 自然语言处理 警用计算机系 统 出版业数字化 军用计算机系 统 智能机器人

1.6 1.6 新一代计算机技 术新一代计算机技 术 光计算机 高速、节能与环保计算机－ 无噪声无辐射 生物计算机 可以自我修复的计算机 智能计算机 能学习和思维的计算机 并行计算机思考：将来的地球由谁统治？机器人？ 自然人？

1.7 1.7 补充知识补充知识 计算机什么 都能计算 吗？ 汉诺塔问题、旅行商问题 问题、教训与经验 千年虫问题、计算机 病毒、离散问题、编码问题、可靠性问题

职业道德 社会问题、职业道德、 IT知识产权

课后作业：课后作业：

作业作业 11 ：： 11 、、 22 、、 33 、、 44 、、 55 、、 1616

作业作业 22 ：：请上网查找与计算机的发展和 构成有 请上网查找与计算机的发展和 构成有 关的一些资料。 关的一些资料。