第1講 計算機基礎(chǔ)知識

1、主編：陳剛主編：陳剛課件改編：江漢大學(xué)計算中心課件改編：江漢大學(xué)計算中心2010.8.大學(xué)計算機基礎(chǔ)大學(xué)計算機基礎(chǔ) 第一部分計算機基礎(chǔ)理論第一部分計算機基礎(chǔ)理論1642 Blaise Pascal 1822 1822 差分機差分機1833 1833 分析機分析機電子計算機時代電子計算機時代 查爾斯查爾斯. .巴貝奇巴貝奇 1812年差分機年差分機 1834年分析機年分析機 差分機和分析機差分機和分析機三部分組成：三部分組成：(1)(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲庫；由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲庫；(2)(2)運算裝置；運算裝置；(3)(3)能對操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的能對操作順

2、序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。史料：史料：查爾斯查爾斯.巴貝奇巴貝奇 Howard Aiken博士博士發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了查爾斯查爾斯.巴貝奇的論文巴貝奇的論文在在IBM的支持下，用機電方式制造了的支持下，用機電方式制造了MARK IMARK II和和 MARK III是電子計算機是電子計算機MARK I 1944年年51尺長尺長重重5頓頓750,000部份合并而成部份合并而成有有72個累加器，每一個個累加器，每一個有自己的算術(shù)部件，及有自己的算術(shù)部件，及23位數(shù)的寄存器。位數(shù)的寄存器。 ABC計算機計算機 1941年年 電子管數(shù)字計算機電子管數(shù)字計算機

3、John V.Atanasoff和和Clifford E.Berry為數(shù)學(xué)物理研究研制的，為數(shù)學(xué)物理研究研制的，為紀(jì)念圖靈對計算機的貢獻(xiàn)，為紀(jì)念圖靈對計算機的貢獻(xiàn)，美國計算機博物館于美國計算機博物館于1966年年設(shè)立了設(shè)立了“圖靈獎圖靈獎”計算機是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好計算機是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好的任務(wù)。的任務(wù)。圖靈機是一種思想模型，圖靈機是一種思想模型，它由三部分組成：它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。移動的讀寫頭。史料：史料： 阿蘭阿蘭.圖靈圖靈 馮馮諾依曼諾依曼計算機科學(xué)

4、奠基人計算機科學(xué)奠基人英國科學(xué)家英國科學(xué)家 阿蘭阿蘭. .圖靈圖靈主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機模型，奠定了可計算理論建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) 提出圖靈測試，闡述了機器智能的概提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念念 電子計算機之父：電子計算機之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家美籍匈牙利數(shù)學(xué)家 馮馮. .諾依曼諾依曼美國計算機學(xué)會美國計算機學(xué)會(ACM)1966(ACM)1966年設(shè)立圖靈年設(shè)立圖靈獎獎主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 與同事研制人類第二臺計算機與同事研制人類第二臺計算機EDVAC “存儲程序存儲程序”概念概念 馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機 奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原奠定了現(xiàn)代

5、計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理理5000次加法次加法/秒秒體重體重28噸噸占地占地170m218800只電子管只電子管1500個繼電器個繼電器功率功率150KW1946年年2月由賓州大學(xué)研制的月由賓州大學(xué)研制的ENIAC電子計算機時代的到來電子計算機時代的到來 Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計算機電子數(shù)字積分計算機史料：史料：莫奇萊和?？颂啬嫒R和?？颂豃ohn von Neumann馮馮 諾依曼諾依曼數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流控制流控制流取數(shù)存數(shù)地址指令（控制器控制器運算器運算器輸出輸出設(shè)備設(shè)備輸入輸入設(shè)備設(shè)備程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反

6、饋信號響應(yīng)信號請求信號響應(yīng)信號請求信號電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路史料：史料： IBMIBM的發(fā)展史的發(fā)展史 硅谷人才搖籃仙童半導(dǎo)體公司硅谷人才搖籃仙童半導(dǎo)體公司 HPHP的發(fā)展史的發(fā)展史 比爾比爾. .蓋茨蓋茨1光計算機光計算機 利用光子取代電子進(jìn)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。 不同波長的表示不同不同波長的表示不同的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) 優(yōu)點：超高速優(yōu)點：超高速 缺點：體積龐大缺點：體積龐大2生物計算機（分生物計算機（分子計算機）子計算機） 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中年代中期開始研制期開始研制 采用了生物芯片采用了生物芯片

7、3量子計算機量子計算機 利用處于多現(xiàn)實態(tài)下的原子進(jìn)行運算的計算機，利用處于多現(xiàn)實態(tài)下的原子進(jìn)行運算的計算機， 這種多現(xiàn)實態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。這種多現(xiàn)實態(tài)是量子力學(xué)的標(biāo)志。 晶晶體體管管數(shù)數(shù)單單位位時時間間執(zhí)執(zhí)行行的的指指令令數(shù)數(shù)百萬條百萬條/每秒每秒每每18個月芯片能力增長一倍個月芯片能力增長一倍。時時 代代時時 間間位位 數(shù)數(shù)代代 表表 性性 芯芯 片片第 一 代1972年8位Intel 8008第 二 代1973年8位Intel 8085M 6800(M otorola)Z80(Zilog)第 三 代1978年16位Intel 8086M 68000(M otorola)Z8000(Zil

8、og)第 四 代1985年 起32位Intel 80836Z80000H P-32N S-16032Pentium 系 列計算機發(fā)展趨勢：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。計算機發(fā)展趨勢：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。晶晶體體管管數(shù)數(shù)目目4004奔騰奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片32納米桌面型Clarkdale處理器 計算機的應(yīng)用類型計算機的應(yīng)用類型1. 科學(xué)計算科學(xué)計算2. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理3. 電子商務(wù)電子商務(wù)4. 過程控制過程控制5. CAD/CAM/CIMS6. 多媒體技術(shù)多媒體技術(shù) 7. .虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實8. 人工智能人工智能 計

9、算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域1. 工商：工商：電子商務(wù)、電子商務(wù)、CAD/CAM2. 教育：教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育多媒體教育、遠(yuǎn)程教育3. 醫(yī)藥：醫(yī)藥：CAT、MRI、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療4. 政府：政府：電子政府電子政府5. 娛樂：娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技虛擬現(xiàn)實、電影特技 6. 科研：科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析數(shù)據(jù)采集、計算分析7. 家庭：家庭：家庭信息化家庭信息化 1嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù) 將計算機作為一個信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一將計算機作為一個信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一種技術(shù)。種技術(shù)。系統(tǒng)和功能軟件固化起來，類似系統(tǒng)和功能軟件固化起來，類似BIOS的工作方

10、式。的工作方式。 應(yīng)用：各種家電、數(shù)碼相機等應(yīng)用：各種家電、數(shù)碼相機等2網(wǎng)格計算網(wǎng)格計算 利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的虛擬的超級計算機超級計算機”，其中每一臺的計算機就是一個，其中每一臺的計算機就是一個“節(jié)點節(jié)點”，而整個計算，而整個計算是由成千上萬個是由成千上萬個“節(jié)點節(jié)點”組成的組成的“一張網(wǎng)格一張網(wǎng)格”。 優(yōu)點：數(shù)據(jù)處理能力超強；充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。優(yōu)點：數(shù)據(jù)處理能力超強；充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。 示例：示例：圖1.1.6 D2OL網(wǎng)格計算3中間件技術(shù)中間件技術(shù) 中間件是介于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間的系統(tǒng)軟

11、件中間件是介于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間的系統(tǒng)軟件 按綜合性能按綜合性能指標(biāo)分類指標(biāo)分類高性能計算機（高性能計算機（巨型機或大型機巨型機或大型機）：）： 速度最快、處理能力最強、速度最快、處理能力最強、 中國：中國：天河一號天河一號 每秒每秒2570萬億次萬億次 工作站工作站：介于介于PCPC與小型機之間高檔微機系統(tǒng)與小型機之間高檔微機系統(tǒng) 高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強微型計算機微型計算機： 臺式機、筆記本和個人數(shù)字助理臺式機、筆記本和個人數(shù)字助理(PDA)(PDA)服務(wù)器服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個用戶提供服務(wù)的：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個用戶提供服務(wù)的 計算機系統(tǒng)

12、計算機系統(tǒng)按用途分類按用途分類通用機通用機專用機專用機聯(lián)合國教科文組織的定義聯(lián)合國教科文組織的定義 應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)、技術(shù)與工程的訓(xùn)應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)、技術(shù)與工程的訓(xùn)練方法和管理技巧；上述方面和技巧和應(yīng)用；計算機及練方法和管理技巧；上述方面和技巧和應(yīng)用；計算機及其與人、機的相互作用；與之相應(yīng)的社會、經(jīng)濟和文化其與人、機的相互作用；與之相應(yīng)的社會、經(jīng)濟和文化等諸種事物。等諸種事物。 信息技術(shù)信息技術(shù)(Information Technology，IT)1. 信息基礎(chǔ)技術(shù)信息基礎(chǔ)技術(shù) 微電子技術(shù)微電子技術(shù) 當(dāng)今世界新技術(shù)革命的基石當(dāng)今世界新技術(shù)革命的基石 光電子技術(shù)光電子技術(shù)

13、 采用光子作為信息的載體采用光子作為信息的載體 2. 信息系統(tǒng)技術(shù)信息系統(tǒng)技術(shù) 信息獲取技術(shù)信息獲取技術(shù) 傳感技術(shù)、遙測技術(shù)和遙感技術(shù)傳感技術(shù)、遙測技術(shù)和遙感技術(shù) 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù) 計算機技術(shù)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心計算機技術(shù)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心 信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù) 光纖通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等光纖通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等 信息控制技術(shù)信息控制技術(shù) 利用信息傳遞和反饋來實現(xiàn)利用信息傳遞和反饋來實現(xiàn) 信息存貯技術(shù)信息存貯技術(shù) 縮微品、磁盤、光盤縮微品、磁盤、光盤 通信技術(shù)通信技術(shù)( (Communication) )、計算機技術(shù)、計算機技術(shù)( (Computer) )和和控制技術(shù)控

14、制技術(shù)( (Control) )合稱為合稱為3C3C。3. 信息應(yīng)用技術(shù)信息應(yīng)用技術(shù)如信息管理、信息控制、信息決策如信息管理、信息控制、信息決策 十進(jìn)制十進(jìn)制(D)二進(jìn)制二進(jìn)制(B)八進(jìn)制八進(jìn)制(O)十六進(jìn)制十六進(jìn)制(H)0123456789101112131415011011100101110111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789abcdef例 100.345=1100100.01011B100=144Q=64H=1100100B1002502521226232100010010.34520.69021.3802 0.760 2 1.520 2 1008128180441100166046161 1.0421.1.二進(jìn)制數(shù)的加法運算二進(jìn)制數(shù)的加法運算2.2.二進(jìn)制數(shù)的減法運算二進(jìn)制數(shù)的減法運算加法運算法則加法運算法則0+0=00+0=00+1=1+0=10+1=1+0=11+1=01+1=0 1101+ 1110 11011減法運算法則法運算法則0-0=1-1=00-0=1-1=01-0=11-0=10-1=10-1=1 11011- 1110 11013.3.二進(jìn)制數(shù)的乘法運算二進(jìn)制數(shù)的乘法運算 4.4.二進(jìn)制數(shù)的除法運算二進(jìn)制數(shù)的除法運算乘