计算机应用基础

1 1 计算机的历史计算机的历史 计算机技术的发展历史是人类文明史的一个缩影 从古至今 由简单的石 块 贝壳计数 到唐代的算盘 到欧洲的手摇计算器 以后又相继出现了计算尺 袖珍计算器等 直到今天的电子计算机 记录了人类计算工具的发展 因此 电子 计算机是人类计算技术的继承和发展 是计算机工具发展至当今时代的具体形式 是现代人类社会中不可缺少的基本工具 1 1 1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1946 年 美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台名为 ENIAC 的电子计算 机 宣告了人类计算机世道的到来 ENIAC 电子数字积分计算机的简称 英文全称为 Electronic Numerical Integrator And Computer 大 约使用了 18800 个电子管 1500 个继电器 重 30t 占地面积约 170 每能秒能 完成 5000 次加 减运算 主要用途是进行弹道计算的数值分析 ENIAC 的功能虽 远不如今天的计算机 但是它的诞生宣告了计算机时代的开始 无疑是人类科学与 文化史上辉煌的一笔 在 ENIAC 诞生后的短短 50 多年中 计算机所采用的基本电子元件已经经 历了电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路和超大规模集成电路 4 个发展阶 段 通常成为计算机发展进程中的 4 个时代 见表 1 1 表表 1 1 计算机发展的计算机发展的 4 个时代个时代 发展 阶段 时间电子元 器件 存储器内存容 量 运算速度软件 第一 代 1946 1958 年 电子管内存采用水银延迟 线 外存采用磁鼓 纸带 卡片等 几千字 节 每秒几千次 到几万次基 本运算 机器语言 汇编语 言 第二 代 1956 1964 年 晶体管磁芯 磁盘 磁带 等 几十万 字节 每秒几十到 几百万次基 本运算 FORTRAN ALGOL 60 COBOL 第三 代 1965 1970 年 集成电 路 半导体存储器几百万 字节 每秒几百万 到千万次基 本运算 操作系统逐渐成熟 第四 代 1971 年 至今 大规模 集成电 路 集成度很高的半导 体存储器 几百兆 字节 每秒几百万 次甚至数百 亿次基本运 算 数据库系统 分布 式操作系统等应用 软件 1 第一代 1946 1958 年 第一代是电子管时代 这代计算机因采用段子管而体积大 耗电多 运算速度低 存储容量小 可靠性差及造价昂贵 同时 它几乎没有什么软件配置 编制程序用机器语 言 主要用于科学计算和军事应用方面 2 第二代 1959 1964 年 第二代是晶体管时代 这代计算机采用晶体管 内存储器普遍使用磁芯存储器 性能比第一代提高了数十倍 速度一般可达每秒 10 万次 有的甚至高达每秒几百万次 同 时软件配置开始出现 一些高级程序设计语言相继问世 并开始采用监控程序 出科学计 算与军事应用外 开始了数据处理 工程设计 过程控制等方面的应用 3 第三代 1965 1970 第三代是集成电路时代 集成电路实在一块几平方毫米的芯片上集成很多个电子 元件 使计算机的体积和耗电量有了显著减小 计算速度显著提高 存储容量大幅增加 同时 计算机的软件技术也有了较大的发展 出现了操作系统和编译系统 以及更多的高 级程序设计语言 系统结构方面有了很大改进 机种多样化 系统化 并和通信技术结合 起来 使计算机应用到更多科学技术领域 4 第四代 1971 年至今 第四代是大规模 超大规模集成电路时代 硬件上采用大规模 超大规模集成电 路作为主要功能部件 内存储器使用集成度更高的半导体存储器 计算速度高达每秒几百 万次至数百亿次 在这个时期 计算机体系结构有了较大发展 并行处理 多机系统 计 算机网络等都已进入实用阶段 软件方面更加丰富 出现了网络操作系统和分布式操作系 统以及各种实用软甲 其应用范围也更加广泛 几乎渗透了人类社会的各个领域 1 1 2 计算机的类别计算机的类别 1 巨型计算机 机型计算机简称巨型机 是综合性能最好 功能最强 运算速度最快 同时占地 面积也最大 价格也最高的一类计算机 它的运算速度可达到每秒十万亿次以上 主要用 于航天 气象 军事等尖端科学领域 2 大型计算机 大型计算机又叫大型机 它的综合性能指标没有巨型计算机那样高 但它具有如 下特点 通用性强 综合处理能力强 性能覆盖面广 可用于大公司 大银行 大型科研 机构和高等院校等 3 小型机 对广大的中 小用户来说 小型机是较好的选择 小型机成本较低 结构简单 经短期培训即可维护和使用 所以更易推广和普及 4 微型计算机 微型计算机又称个人计算机 简称微机 微型计算机虽然问世较晚 但却是目前 最为普及的机种 初学者接触和学习计算机多是从微型机开始的 微型机具有轻 小 廉 价 易 用 的特点 且性能价格比高 兼容性好 因而备受广大用户青睐 20 世纪 80 年代初 IBM 在数年中连续推出了 IBMPC PC XT PC AT 等机型 形成了微型机的主流系列 许多厂家纷纷向 IBM 靠拢 先 后推出了一些与 IBM PC 相兼容的微型机 从而巩固和造就了 IBM 蓝色巨人的光辉形象 微型机的应用已遍及社会的各个领域 几乎无处不在 5 工作站 工作站是介于微型计算机和小型机之间的一种高等计算机 它通常陪有高分辨率 的大屏幕显示器和大容量的内 外存储器 具有较强的数据处理能力与图形处理功能 在网络环境下 人们习惯将网络中的任何一台微形计算机或终端称为一个工作站 它是网络中的一个用户节点 虽然与这里所说的工作站用词相同 但含义不同 两者切勿 混淆 6 网络计算机 网络计算机是专为计算机网络作为客户机使用的计算机 简称 NC 它是在互联网 充分普及和 Java 语言推出的情况下提出的一种全新概念的计算机 根据 IBM 和 Oracle 和 Sun 公司共同制定的网络计算机参考标准 NC 是一种基于 Java 技术的瘦客户机系统 它提 供了一个混合系统 在这个混合系统中 根据不同的建立方式 将某些应用在服务器上执 行 某些应用在客户机上执行 1 1 3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势 1 1 4 计算机的特点计算机的特点 1 处理速度高 2 运算精度高 3 记忆能力强 4 具有逻辑判断能力 5 具有友好的人机交互界面 1 1 5 计算机的应用领域计算机的应用领域 1 科学计算 2 数据处理 3 自动控制 4 计算机辅助技术 5 人工智能 6 网络应用 1 2 数据在计算机中的表示数据在计算机中的表示 计算机的基本功能是对数据进行加工和处理 数据在计算机中是以器件的物理状 态来表示的 一个器件的两种不同的稳定状态就可以用来表示一位二进制数 因此 二进 制数的表示最简单而且可靠 另外 二进制的运算规则也最简单 所以计算机中的数据用 二进制 0 和 1 表示 1 2 1 数制转换数制转换 1 进位计数制 按进位的原则进行的技数方法称为进位计数制 在采用进位计数的数字系统中 如果用 r 个基本字符 例如 0 1 2 r 1 表示数值 则称其为基 r 数制 Radix r Number System r 称为该数制的基 Radix 如日常生活中 常用的十进制数 就是 r 10 即基本符号为 0 1 2 9 如取 r 2 即基本符号为 0 1 则为二进制数 对于不同的数制 它们的共同特点是 1 每一种数制都有固定的符号集 如十进制数制 其符号有 10 个 0 1 2 9 二进制数制 其符号有两个 0 和 1 2 都是用位置表示法 即处于不同位置的数符所代表的值不同 与所在位置的 权值有关 例如 十进制可表示为 5 555 555 5 103 5 102 5 101 5 100 5 10 1 5 10 2 5 10 3 可以看出 各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂 因此 对任何一种 进位计数制表示的数都可以写出按其权展开的多项式之和 任意一个 r 进制数 N 可表示为 N dm 1rm 1 dm 2rm 2 d1r d0r0 d 1r 1 d 2r 2 dk 1rk 1 dkrk 式中的 di为该数制采用的基本数符 ri是位权 权 r 是基数 表示不同的进制 数 m 为整数部分的位数 k 为小数部分的位数 在十进位计数制中 是根据 逢十进一 的原则进行计数的 一般地 在基数为 r 的进位计数制中 是根据 逢 r 进一 的原则进行计数的 在微机中 常用的是二进制 八进制和十六进制 见表 1 2 其中 二进制用得最 为广泛 表表 1 2 计算机中常用的几种进制数的表示计算机中常用的几种进制数的表示 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 2r 8r 10r 16 符号0 10 1 70 1 90 1 9 A F 位权2i8i10i16i 表示形式B Binary System O Octal System D Decimal System H Hexadecimal System 2 r 进制数转换为十进制数 r 进制数转换为十进制数只要将各位数码乘以各自的权值累加即可 例如 1 100 11 2 1 23 1 22 0 21 0 20 1 2 1 1 2 2 8 4 0 0 5 0 25 12 75 10 50 6 8 5 81 0 80 0 21 6 8 1 40 75 10 4B A 16 4 161 B 160 A 16 1 75 625 10 3 十进制数转换为 r 进制数 1 十进制整数转换为 r 进制整数 除 r 取余法 将十进制整数不断除以 r 取余数 直到商为 0 余数从右到左排列 首次取得的 余数放到最右边 2 十进制小数转换为 r 进制整数 乘 r 取余法 将十进制整数不断乘以 r 取余数 直到小数部分为 0 或达到所求的精度为止 小 数部分可能永远不会得到 0 所得整数从小数点自左向右排列 首次取得的余数放到最 左边 3 如果一个数既有整数又有小数 可以分别转换后再合并 例如 把十进制数 101 687 5 转换成二进制数 整数部分 小数部分 101 2 50 余数为 1 50 2 25 余数为 0 0 687 5 2 1 375 0 整数位为 1 25 2 12 余数为 1 0 375 0 2 0 750 0 整数位为 0 12 2 6 余数为 0 0 750 0 2 1 500 0 整数位为 1 6 2 3 余数为 0 0 500 0 2 1 000 0 整数位为 1 3 2 1 余数为 1 1 2 0 余数为 1 转换结果 101 687 5 10 1 100 101 101 1 2 4 r 进制数之间的转换 由于二进制 八进制和十六进制之间存在特殊关系 1 位八进制数相当于 3 位二 进制数 1 位十六进制数相当于 4 位二进制数 因此转换方法比较容易 见表 1 3 表表 1 3 二进制与八进制 十六进制之间的关系二进制与八进制 十六进制之间的关系 八进制对应二进制十六进制对应二进制十六进制对应二进制 00000000081000 10011000191001 201020010A1010 301130011B1011 410040100C1100 510150101D1101 611060110E1110 711170111F1111 根据表中的关系 二进制转换为八进制时 以 3 位