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第一章 计算机系统简介 计算机系统的发展历程计算机系统的应用数据在计算机系统中的表示方法 计算机与人工智能 计算机行业的梦想让计算机 Computer 能像人一样地思考 与人自然交流 人工智能 ArtificialIntelligence 图灵测试 计算机与人工智能 1997年 IBM公司研制的深蓝超级计算机在一场 人机大战 中打败了国际象棋大师卡斯帕罗夫被誉为 人工智能的一大胜利 深蓝的主要研制者之一许峰雄博士 胜利靠的只是不知疲倦地高速运算 并不是什么智能 计算机与信息技术 计算机技术与通信技术结合 构成了信息技术 InformationTechnology 诞生了一个新词 IT嵌入式系统是IT未来的主要发展方向之一典型的嵌入式系统有 机器人 手机和智能家电等 计算机 计算机是用来延伸人的能力的工具 需要人来驾驭我们的职责是让非计算机专业的人更容易驾驭它完成这一目标的主要手段之一就是 编程 Programming 1 计算机的诞生世界上第一台电子数值积分计算机诞生于1946年 2 计算机的发展历程计算机从处理数据的方法上分成模拟式计算机和数字式计算机 模拟机是以连续变化的物理量表示所测量的数据来模拟某一变化过程 它主要用于仿真研究 数字机则以数字量表示数据 模拟机所做的工作都可由数字机来完成 1 1计算机系统的发展历程 按照计算机所用的逻辑元件 电子器件 来划分计算机的时代 第一代电子计算机 1946年到1957年 基本逻辑电路由电子管组成 第二代电子计算机 1958年到1964年 基本逻辑电路由晶体管电子元件组成 第三代电子计算机 1965年到1970年 基本逻辑电路由小规模集成电路组成 第四代电子计算机 1971年到1980年 采用中 大规模集成电路构成逻辑电路 5 第五代电子计算机 1981年以后 采用超大规模集成电路构成逻辑电路 1 第一代计算机 1946 1957 计算机的早期研究是从20世纪30年代末开始的 当时英国的数学家艾伦 图灵在一篇论文中描述了通用计算机应具有的全部功能和局限性 这种机器称为图灵机 1939年 美国衣阿华州大学的约翰 阿塔纳索夫教授和他的研究生克利福德 贝里一起制作了一台称为ABC AtanasoffBerrycomputer 的机器 它是一台仅能求解方程式的专业电子计算机 1944年 哈佛大学德霍华德 埃肯博士和IBM公司的一个工程师小组合作 以100万美元的巨资研制了一台称为Mark I的计算机 它的体积很大 高8英尺 长55英尺 速度也很慢 执行一次乘法操作需要3 5秒 而且Mark I仅一部分是电子式的 另一部分仍然是机械式的 1946年 宾夕法尼亚大学的约翰 莫克莱博士和他的研究生普雷斯帕 埃克特一起研制了称为ENIAC 电子数字积分计算机 它被公认为是世界上第一台电子计算机 ENIAC是一个庞然大物 全机共使用了18000多个电子管 1500多个继电器 占地167平方公尺 ENIAC的运算速度达到每秒钟5000次 这是划时代的 高速度 特别是采取了普林斯顿大学数学教授冯 诺依曼 存储程序 的建议 即把计算机程序与数据一起存储在计算机中 从而可以方便地返回到前面地指令或反复执行 解决了ENIAC在操作上地不便 ENIAC的诞生 开创了第一代电子计算机地新纪元 1953年 IBM公司生产了第一台商业化的计算机IBM701 随后 IBM公司共计生产了19台这种型号的计算机 满足了当时的需要 第一代计算机的共同特点是 逻辑器件使用电子管 用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备 用磁鼓或磁带作为外存储器 使用机器语言编程 虽然第一代计算机的体积大 速度慢 能耗高 使用不便且经常发生故障 但是它一开始就显示了强大的生命力 2 第二代计算机 1958 1964 第二代计算机的主要特点是 用晶体管代替了电子管 内存储器采用了磁心体 引入了变址寄存器和浮点运算硬件 利用了I O处理机提高了输出能力 在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序 并且推出了FORTRAN COBOL ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序 由于第二代计算机使用了晶体管 与第一代计算机相比 它的体积小 速度快 能耗低 可靠性高 由于高级程序设计语言的广泛使用 将计算机从少数专业人员手中解放出来 成为广大科技人员都能够使用的工具 推进了就计算机的普及与应用 这个时期典型的计算机有IBM公司生产的IBM7094和CDC ControlDataCorporation 控制数据公司 生产的CDC1640计算机等 3 第三代计算机 1965 1971 1958年 第一个集成电路 integratedcircuit IC 问世 所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅晶片上 故又称其为芯片 小规模集成电路每个芯片上的元件数为100个以下 中规模集成电路每个芯片上则可以集成100 10000个原件 1965年 DEC DigitalEquipmentCorporation 数字设备公司 推出了第一台商业化的使用集成电路为主要器件的小型计算机PDP 8 从而开创了计算机发展史上的新纪元 第三代计算机的共同特点是 用小规模或中规模的集成电路来代替晶体管等分立元件 用半导体存储器代替磁心存储器 使用微程序设计技术简化处理机的结构 在软件方面则广泛引入多道程序 并行处理 虚拟存储系统以及功能完备的操作系统 同时还提供了大量的面向用户的应用程序 典型的第三代计算机是IBM公司的IBM 360和370系列 DEC的PDP X系列等 这些类型的计算机在应用中曾经发挥了重要作用 4 第四代计算机 1972 1980 第四代计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路 大规模集成电路 largescaleintegration LSI 每个芯片上则可以集成10000个以上的元件 此外 使用了大容量的半导体存储器作为内存储器 在体系结构方面进一步发展了并行处理 多机系统 分布式计算机系统和计算机网络系统 在软件方面则推出了数据库系统 分布式操作系统以及软件工程标准等 在第四代计算机中要算微型计算机最为引人注目了 微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果 1975年 第一台商业化的微型计算机MITSAltair问世 它使用了Inter公司的8080芯片 不过 当时的微型计算机并未形成主流 仅仅是面向计算机业余爱好者而已 1977年苹果计算机公司成立 并先后成功开发了 APPLE 1 和 APPLE II 型的微型计算机系统 使得苹果计算机公司成为微型计算机市场的主导力量之一 1980年IBM公司与微软公司合作 为个人微型计算机IBM PC配置了专门的操作系统 1981年IBM PC机问世 此后许多厂商陆续生产了现在称之为IBM兼容机的类似产品 时至今日 奔腾系列微处理器应运而生 使得现在的微型计算机体积越来越小 性能越来越强 可靠性越来越高 价格越来越低 应用范围越来越广 出现了笔记本和掌上型等超微型计算机 完善的系统软件 丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现 通信技术和计算机网络的飞速发展 使得计算机进入了一个大发展阶段 5 第五代计算机 1981至今 第五代计算机尚在研制之中 而且进展比较缓慢 第五代计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构 使得计算机能够具有像人那样的思维 推理和判断能力 也就是说 第五代计算机的主要特征是人工智能 它具有一些人类智能的属性 例如自然语言理解能力 模式识别能力和推理判断能力等 计算机的发展趋势当前计算机的发展趋势概括为四化 巨型化 微型化 网络化和智能化 微型化芯片的集成度越来越高 计算机的元器件越来越小 而使得计算机的计算速度快 功能强 体积小 价格低 巨型化为了满足尖端科学技术 军事 气象等领域的需要 计算机也必须向超高速 大容量 强功能的巨型化发展 巨型机的发展集中体现了计算机技术的发展水平 网络化计算机网络可以实现资源共享 资源包括了硬件资源 如存储介质 打印设备等 还包含软件资源和数据资源 如系统软件 应用软件和各种数据库等 智能化智能化是未来计算机发展的总趋势 这种计算机除了具备现代计算机的功能之外 还要具有在某种程度上模仿人的推理 联想 学习等思维功能 并具有声音识别 图像识别能力 1 巨型机 运算速度快 每秒可达1亿次以上 2 大中型机 运算速度在100万 几千万次 秒 3 小型机 结构简单 规模较小 操作简单 4 微型机 体积小 价格低 功能全 操作方便 5 工作站 易于联网 有大量内存 配置大屏幕显示器和较强的网络通信功能 6 服务器 提供服务的共享设备 7 网络计算机 网络环境下的终端设备 计算机的分类 1 巨型计算机指其运算速度每秒超过1亿次的超大型的计算机 该类计算机主要应用于复杂的科学计算及军事等专门的领域 例如 由我国研制的 银河 曙光 和 神州 系列计算机就属于这种类型 2 大中型计算机该类计算机也具有较高的运算速度 每秒钟可以执行几千万条指令 并具有较大的存储容量以及较好的通用性 但价格较贵 通常被用来作为银行 铁路 石油等大型应用系统中的计算机网络的主机来使用 3 小型计算机该类计算机的运算速度和存储容量略低于大中型计算机 但与终端和各种外部设备连接比较容易 适合于作为联机系统的主机 或者工业生产过程的自动控制 4 微型计算机微型计算机使用大规模集成电路芯片制作微处理器 存储器和接口 并配置相应的软件 从而构成完整的微型计算机系统 它的问世在计算机的普及与应用中发挥了重大的推动作用 如果把这种微型计算机制作在一块印刷线路板上 则称其为单板机 如果在一块芯片中包含有微处理器 存储器和接口等微型计算机的最基本的配置 则这种芯片称为单片机 5 工作站由高性能的微型计算机系统 输入输出设备以及专门软件组成 适合于某些特殊用途 例如 图形工作站包括高性能的主机 扫描仪 绘图仪 数字化仪 高精度的屏幕显示器 其他通用的输入输出设备以及图形处理软件 它具有很强的对图形进行输入 处理 输出和存储的能力 在工程设计和多媒体信息处理中有广泛的应用 6 服务器一种在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备 可分为文件服务器 通信服务器 打印服务器等 7 网络计算机它是一种在网络环境下使用的终端设备 其特点是内存容量大 显示器的性能高 通信功能强 但本机中不一定配置外存 所需要的程序和数据存储在网络的服务器中 计算机是一种能快速 高效地对各种信息进行存储和处理的电子设备 具有以下几个特征 运算速度快 精确度高 可靠性好 具有记忆能力和逻辑运算能力 能自动执行命令 高性能的实时通信和交流能力 信息表达形式的直观性和使用的方便性 计算机的特点 第一章 计算机系统简介 计算机系统的发展历程计算机系统的应用数据在计算机系统中的表示方法 1 科学计算2 数据处理3 实时控制4 人工智能5 计算机辅助工程 1 2计算机的应用领域 6 娱乐与文化教育7 产品艺术造型设计8 计算机通信9 电子商务 1 科学计算 所谓科学计算是指使用计算机来完成科学研究和工程技术中所遇到的数学问题的计算 又称为数值计算 在科学研究和工程技术中通常要将实际问题归结为某一数学模型 这些数学模型内容复杂 计算量大 要求的精度高 只有以计算机为工具来计算才能快速地取得满意地结果 诸如天气预报 宇宙飞船和火箭的发射与控制 人造卫星的研制 原子能的利用 生命科学 材料科学 海洋工程等现代科学技术研究成果无一不是在计算机地帮助下才取得的 2 数据处理 所谓数据处理即使计算机对数据进行输入 分类 加工 整理 合并 统计 制表 检索以及存储等 是计算机又一重要的应用领域 在当今信息化的社会中 每时每刻都在生成大量的信息 只有利用计算机才能管理和充分利用浩如烟海的信息 例如 利用数据库技术开发的管理信息系统和决策支持系统等 可大大提高企业或政府部门的现代化管理水平 3 实时控制 所谓实时控制是指及时地采集检测数据 使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作 实现生产过程的自动化 此外 在计算机应用于实时控制中还具有故障检测 报警和诊断等功能 在钢铁 石油 化工 制造业等工业企业都需要进行实时控制 以提高生产效率和产品质量 4 人工智能 所谓人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能 传统的计算机程序虽然具有逻辑判断的能力 但它只能执行人预先设计好的动作 而不能像人类那样进行思维 例如专家系统属于人工智能的应用范畴 但现在的专家系统还远不能具备像人类那样的分析问题 解决问题的能力 计算机应用于人工智能研究的主要领域包括 自然语言理解 专家系统 机器人 机器学习 定理自动证明等 5 计算机辅助工程 计算机辅助工程包括计算机辅助设计 computer aideddesign CAD 计算机辅助制造 computer aidedmanufacturing CAM 计算机集成制造系统 computer integratedmanufacturingsystem CIMS 计算机辅助设计 CAD 利用计算机的计算 逻辑判断 数据处理以及绘图等功能与人的经验和判断能力相结合 共同完成各种产品或者工程项目的设计工作 实现设计过程的自动化或半自动化 计算机辅助制造 CAM 使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务 从对设计文档 工艺流程 生产设备等的管理 到对加工与生产装置的控制和操作 都可以在计算机的辅助下完成 计算机集成制造系统 CIMS 将计算机技术集成到制造工厂的整个制造全过程中 使企业内的信息流 物流 资金流和人员活动形成了一个统一协调的整体 CIMS的对象是制造业 6 娱乐与文化教育 随着计算机技术 多媒体技术 动画技术以及网络技术的不断发展 使得计算机能够以图像与声音的集成形式向人们提供最新的娱乐和游戏的方式 在计算机上可以观看影视节目 播放歌曲和音乐等 许多影视节目 歌曲 和音乐也可以从计算机网络上下载 供人们欣赏 计算机的应用 教育 计算机的应用 电子邮件 计算机的应用 搜索引擎 计算机的应用 网上购物 计算机的应用 网上购票 计算机的应用 网上书店 计算机的应用 网上书店 计算机的应用 网上聊天 计算机的应用 游戏 第一章 计算机系统简介 计算机系统的发展历程计算机系统的应用数据在计算机系统中的表示方法 1 数制定义用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法称为数制 数制有进位计数制与非进位计数制之分 目前一般使用进位计数制 计算机中常使用二进制 十进制 八进制 十六进制等 1 3数据在计算机系统中的表示方法 2 十进制数 十进制数的数码为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9共10个 进数规则为逢十进一 借一当十 3 二进制数 二进制数的数码为0 1共2个 进数规则为逢二进一 借一当二 4 八进制数 八进制数的数码为0 1 2 3 4 5 6 7共8个 进数规则为逢八进一 借一当八 十六进制数的数码为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F共16个 其中数码A B C D E F分别代表十进制数中的10 11 12 13 14 15 进数规则为逢十六进一 借一当十六 5 十六进制数 数据的表示 二进制数据 将一个十进制数转换为二进制 八进制 十六进制数时 其整数部分和小数部分分别用 除R取余法 和 乘R取整法 转换 然后将结果加小数点三部分合在一起 R为某进制的基数 转换规则如下 整数部分 用除R取余法转换 将十进制的整数部分除以R 得到一个商数和余数 再将这个商数除以R 又得到一个商数和余数 反复执行这个过程 直到商为0为止 将每次所得的余数从后往前读 先得的余数为低位 后得的余数为高位 即为等值的二进制数 十进制数换算成二进制 八进制 十六进制数 数制换算 十进制数 二进制数 0 1 方法 除2取余 举例 23 10 10111 2二进制数 十进制数举例 10111 2 1 24 0 23 1 22 1 21 1 20 10 23 10二进制数 八进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 举例 1101010111 2 1 101 010 111 2 1527 8 1 83 5 82 2 81 7 80 10 855 10 二进制数 十六进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 举例 1111010111 2 11 1101 0111 2 3d7 16 3 162 13 161 7 160 16 983 10八进制数 二进制数举例 1527 8 001 101 010 111 2十六进制数 二进制数举例 3d7 16 0011 1101 0111 2开始 程序 附件 计算器 查看 科学型 小数部分 用乘R取整法转换 将小数部分乘以R 记下乘积的整数部分 再用余下的纯小数部分乘以R 记下乘积的整数部分 不断重复此过程 直至乘积小数部分为0或已满足要求的精度为止 将所得各乘积的整数部分顺序排列 先得的整数为高位 后得的整数为低位 即可 用乘2取整法将小数部分 0 6875 10转换为二进制形式 0 6875 21 3750 整数部分为1高位0 3750 20 7500 整数部分为00 7500 21 5000 整数部分为10 5000 21 0000 整数部分为1低位 即 0 6875 10 0 1011 2 整数部分与小数部分合并 可得 35 6875 10 100011 1011 2注意 在上例中 将十进制小数转换成为二进制小数的过程中 乘积小数部分变成 0 表明转换结束 实际上将十进制小数转换成二进制 八进制 十六进制小数过程中小数部分可能始终不为零 因此只能限定取若干位为止 将十进制数转换为八进制 十六进制数的规则和方法与之相同 只是R 基数 的取值不同 二进制数与八进