第1章计算机概论

第一章计算机概论,1.1计算机发展史,阿兰麦席森图灵（AlanMathisonTuring，1912.6.231954.6.7）英国数学家、逻辑学家，被称为人工智能之父。1931年，提出了重要的衡量标准“图灵测试”，如果有机器能够通过图灵测试，那它就是一个完全意义上的智能机。他杰出的贡献使他成为计算机界的第一人，现在人们为了纪念这位伟大的科学家将计算机界的最高奖定名为“图灵奖”。,1.1.1现代计算机的产生,1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国宾夕法尼亚大学诞生。ENIAC计算机共用了18000多个电子管，重达30吨，占地面积约170平方米，耗电150千瓦，每秒能计算5000次加法。但与现代计算机相比，除了体积大、速度慢、能耗大外，它还有许多不足，如存储容量太小，要用外接线路的方法来设计计算程序等，但它却标志着计算技术已经进入了新的电子计算机时代。,ENIAC机本身存在两大缺点：（1）没有存储器；（2）它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也就被这一工作抵消了,约翰冯诺依曼（JohnVonNouma，19031957），美藉匈牙利人计算机方面被誉为计算机之父经济学方面，被誉为“博弈论之父”。在物理领域，冯诺依曼在30年代撰写的量子力学的数学基础已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。,冯诺依曼结构1946年，科学家冯诺依曼与莫尔学院合作研制了EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）计算机，它采用存储程序方案，此种方案沿用至今，所以现在的计算机都被称为以存储程序原理为基础的冯诺依曼型计算机。,冯诺依曼结构计算机硬件基本组成,冯诺依曼结构的特征计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。将编好的程序送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机无需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。冯诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对“程序存储”概念的具体化。,现代计算机技术的5个发展阶段1、第一代（19461958年）其主要特征是采用电子管作为主要元器件。完全采用汇编语言和机器语言编程，没有软件的概念，计算机体积庞大运算速度低，几千次/秒。2、第二代（19591964年）其主要特征是由电子管改为晶体管。出现了操作系统以及一系列高级语言，计算机体积减小，运算速率提高至几十万次/秒,1.1.2现代计算机的发展,3、第三代（19651970年）其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元件的晶体管。广泛应用操作系统以及面向用户的应用程序，运算速度提高到几百万次/秒4、第四代（1971年至今）其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机的主要功能部件。计算机各种硬件快速发展，计算机各分支学科日趋完善，PC机的普及，计算机网络时代到来5、第五代（设想研制中）其主要特征是人工智能研究目标是：突破冯诺依曼结构,我国高性能计算机形成了三大系列即银河系列、曙光系列和神威系列。银河系列银河1983年11月我国第一台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机，在国防科技大学诞生了。它的研制成功使中国成为继美、日等国之后，能够独立设计和制造巨型机的国家。银河1992年11月19日，由国防科技大学研制的“银河”10亿次巨型计算机在长沙通过国家鉴定。银河1997年6月19日，由国防科技大学研制的“银河”并行巨型计算机在京通过国家鉴定。该机采用分布式共享存储结构，面向大型科学与工程计算和大规模数据处理，基本字长64位，峰值性能为130亿次。该机有多项技术居国内领先，综合技术达到当前国际先进水平。,1.1.3计算机在我国的发展,曙光系列曙光号1993年10月，第一台SMP结构计算机“曙光号”诞生。它标志着我国已掌握了设计制造支持多线程机制的对称式紧耦合并行机的世界先进水平。曙光10001995年5月研制完成，是国内独立研制的第一套大规模并行机系统，其运算速度的峰值达到每秒25亿次。整体达到了90年代前期的国际先进水平。曙光20001998年上半年国家863计划重大项目“曙光2000超级服务器”研制成功。它的峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算推动我国大规模科学工程计算机及大规模事务处理的开展。曙光2000由中国科学院计算所国家智能机研究开发中心研制成功的曙光2000超级服务器在京通过科技部组织的专家鉴定。它的峰值浮点运算速度为每秒1100亿次，内存总容量达到50千兆字节，它还拥有自我检查和修复等功能，这是计算机设计领域里的一次革命。,神威计算机系统2000年8月，由我国自主研发的峰值运算速度达到每秒3840亿浮点结果的高性能计算机神威投入商业运营。我国继美国、日本之后，已成为第三个具备研制高性能计算机能力的国家。该系统在当今全世界已投入商业运行的前500位高性能计算机中排名第48位。这个被命名为神威计算机系统的可缩放大规模并行计算机系统，主要技术指标和性能达到了国际先进水平，是我国在巨型计算机研制和应用领域取得的重大科研成果，从而打破了西方某些国家在高性能计算机领域对我国的限制。神威计算机系统的应用范围主要涉及气象气候、航空航天、信息安全、石油勘探、生命科学等领域。北京高性能计算机应用中心在试运行期间，已开发成功多个基于神威计算机系统的实用化大型应用软件。初步统计，神威计算机系统使用率达到60%以上，在国民经济建设领域正发挥着积极作用。如：与我国气象局合作开发的集合数值天气预报系统，在8小时内可完成32个样本、10天全球预报；与中科院生物物理所合作开发的人类基因克隆系统，已完成人类心脏基因克隆运算，取得了达到国际先进水平的成果。,联想深腾系列2002年8月29日，我国具有国际领先水平的万亿次计算机在联想集团研制成功。此前两天，万亿次计算机(又称联想深腾1800大规模计算机系统)刚刚通过张效祥等六位计算机领域院士和7位专家组成的专家鉴定委员会的成果鉴定。联想万亿次机实际运算速度可排在第24位，是国内第一个实测速度超过万亿次的计算机产品。2003年四万亿次超级计算机“深腾6800”在联想研制成功。作为国家863重大科技专项成果，“深腾6800”的问世，意味着中国从此跻身世界高性能计算的“精英俱乐部”。联想万亿次机实际运算速度可排在第14位，,1.2计算机的基本功能,起源于数字计算，现为一种通用信息处理工具1、科学计算卫星轨道的计算、房屋抗震强度的精确计算，天气预报的复杂计算等2、数据处理是计算机应用最广泛的领域，企业人事管理、财务管理、商业数据交流等3、自动控制对生产过程及设备进行自动调节的过程，应用于钢铁、石油化工等生产领域，以及无人驾驶飞机、导弹、人造卫星的控制。,1.2.1计算机的应用领域,4、计算机辅助工程计算机辅助设计（CAD）计算机辅助教学（CAI）计算机辅助制造（CAM）计算机辅助测试（CAT）5、人工智能（AI）用计算机模拟人类某些智力行为，目前处于初级阶段，机器人为人工智能的典型例子6、其他应用领域多媒体的应用虚拟现实计算机游戏,两种分类方法1、按功能分类：专用计算机应用于特殊领域，在特定用途下非常有效，功能单一通用计算机功能齐全，通用性强，用途广泛，但效率相对专用机低,1.2.2计算机的分类,2、按综合性能分类：巨型机（supercomputer）：大规模并行处理体系结构，有极强的运算处理能力，应用于复杂的科研计算和军事、气象等领域大型机（main-frame）：很强的综合处理能力，各方面性能仅次于巨型机，应用于银行、铁路等大型应用系统的计算机网络中小型机（minicomputer）：规模较小，维护容易，与终端和各种外部设备连接容易，应用于联机系统中的主机、数据采集、数据处理分析计算等,微型机（microcomputer）：分为台式机和便携机。体积小、重量轻、价格低、更便于应用于各个领域及各种场合。工作站（workstation）：具有大容量主存储器、运算能力高，图形处理网络通信功能强的高档微型计算机为了某种特殊用途由高性能微型机系统、输入输出设备以及专用软件组成。服务器（server）：网络环境下为多个用户提供服务的共享设备，如web服务器，E-mail服务器,1.3数制,计算机的基本功能：数据的存储和数据的处理电子元件的两种状态：高电压状态：1低电压状态：0用若干电子元件的组合可表示更大的数元件1元件2数值(2进制)数值(10进制)低低000低高011高低102高高113,概述,元件组合所表示的数与元件数量的关系由N个元件组合构成的存储器，其组合状态有2N个，所能存储的数的范围为02N-1存储计量单位：bit（比特）8bit=1Byte=1B（字节）1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B，1TB=1024GB=240B,数制也称计数制度，指一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法例如：人类习惯用十进制来表示数（逢十进一）在计算机中的数是用二进制数表示的，它的特点是逢2进1，因此在二进制中，只有0和1两个数字符号。如果在给定的数中，除0和1外还有其它数，如：1012不是一个二进制数。,1.3.1数制的概念,计算机中常用的四种进制数在一种数制中，具体使用多少个数字符号来表示数目的大小，就称为该数制的基数。例如：十进制（Decimal）基数是10，它有10个数字符号，即09。其中最大数码是基数减1，即9，最小数码是0。二进制（Binary）基数是2，它只有两个数字符号，即0和1。八进制（Octal）基数是8，它有8个数字符号，即07。最大数是基数减1，即7，最小的是0。十六进制（Hexadecilnal）基数是16，它有16个数字符号，除了十进制中的10个数可用09外，还使用了6个英文字母AF用来代表10至15。,1、进制和位权十进制以10为基数的计数体制不同数位上的数具有不同的权值10i。例如：,位置计数法,按权展开式,基数,表示相对小数点的位置,10i,1.3.2各进制之间的转换,2、二进制、八进制、十六进制转换为十进制根据十进制与位权的关系，例如：（1101）10=1103110201011100可以推导出以下进制转换的方法：1.二进制数转换为十进制数。例如：（1101）2=l23122021120=（13）102.八进制数转换为十进制数。例如：（1101）8=l83182081180=（577）103.十六进制数转换为十进制数。例如：（CAE）16=1216210l6114160=（3246）10,3、十进制转换为二进制、八进制、十六进制1.十进制整数部分转换为二进制数，利用除二取余法例如：（23）10=（10111）2可以推导出以下进制转换的方法：2.十进制整数部分转换为八进制数，利用除八取余法例如：（23）10=（27）83.十进制整数部分转换为十六进制数，利用除十六取余法例如：（23）10=（17）16,4.十进制小数部分转换为二进制数，利用乘二取整法例如：（0.75）10=（0.11）2可以推导出以下进制转换的方法：5.十进制小数部分转换为八进制数，利用乘八取整法例如：（0.75）10=（0.3）86.十进制小数部分转换为十六进制数，利用乘十六取整法例如：（0.75）10=（0.C）16,4、二进制转换为八进制、十六进制基本原理:由于八进制数基数是2的3次幂，所以一个二进制转换为八进制，整数部分从其的低位到高位每3位一组，然后将每组二进制数所对应的数用八进制表示出来。小数部分则从小数点开始，向低位按上述方法进行分组计算。1.二进制数转换为八进制数。例如：二进制数:111010011101110八进制数:72356结果为:（111010011101110）2=（72356）8同理，可以推导出以下进制转换的方法：2.二进制数转换为十六进制数。例如：二进制数:1111010111101010110十六进制数:7AF56结果为:（111010111101010110）2=（7AF56）16,5、八进制、十六进制转换为二进制基本原理:即二进制转换为八进制、十六进制的逆运算。1.八进制数转换为二进制数。例如：八进制数:72356二进制数:111010011101110结果为:（72356）8=（111010011101110）2同理，可以推导出以下进制转换的方法：2.十六进制数转换为二进制数。例如：十六进制数:7AF56二进制数:1111010111101010110结果为:（7AF56）16=（111010111101010110）2,1.4数据在计算机中的表示,两种表示方法：定点数和浮点数原码、反码和补码正数的原码、反码和补码都相同，均为其二进制表示数负数的原码其二进制表示数负数的反码其绝对值的原码各位取反负数的补码其反码加1,1.4.1数在计算机中的表示,ASCII码键盘上的某个字符以二进制方式传递给主机，转换规则人为规定。普遍采用ASCII码进行二进制与西文字符的转换ASCII码表的使用,1.4.2西文字符在计算机中的表示,1、汉字国标码所有国标汉字与符号组成一个94*94的汉字字符集，每一个汉字都有唯一的区位码2、汉字机内码机内码与国标码存在着如下对应关系机内码=国标码+8080H例如：某汉字的机内码为C6D8，则其对应的国标码为：C6D8-8080H=4658H,1.4.3计算机中汉字的表示,3、汉字字形码概念：将汉字显示到屏幕上或打印到纸上所需要的图形数据所有输出设备都是由方阵形式排列的象素点构成的图形来呈现字符和图形图像的一个汉字字形数据块成为一个汉字字模所有汉字字模的集合称为字库，不同字体对应不同字库字库分为点阵字库和矢量字库点阵字库：占用空间大，一个2424的点阵字模需要72个字节存放矢量字库：拥有方向的线段为基础来描述汉字字形，节省存储空间,4、汉字输入码流水码一字一码，难以记忆，如：国标码、区位码音码根据汉字发音编码，重码多，码字长，如：智能全拼、微软拼音形码根据汉字字形编码，重码少，输入速度高，如：五笔字型混合码汉字语音和字形混合编码，没有成功,1.5计算机系统组成,计算机系统,硬件系统,软件系统,控制器运算器存储器输入、输出设备,系统软件应用软件,1.5.1硬件系统,1、中央处理器（CPU：CentralProcessingUnit）CPU，又称为中央控制单元，由运算器和控制器组成。现代计算机中，往往将二者制作在一个集成电路芯片内，所以合称为CPU。,Intel奔腾D8202.8GHz,中央处理器（CPU）,运算器负责算术运算和逻辑运算。算术运算即加、减、乘、除、模等普通运算。逻辑运算指逻辑值之间的运算，如与、或、非、异或等。运算器的核心是算术逻辑单元（ALU）。控制器负责读取指令、解释指令和执行指令。,CPU指标,字长字长指CPU一次所能处理的二进制数据的位数。比如，如果CPU字长为32位，那么执行一条加法指令便可以进行两个32位长度的整数的加法运算。主频主频即CPU的时钟频率，用于衡量CPU每秒执行指令的数量。指令集,内存,程序必须存在内存中才能由CPU执行；供CPU处理的数据和结果绝大部分也取自内存或首先存放在内存中。,图2.3内存条,内存,内存的基本特性之一是其存取速度与CPU处理速度相当。内存的类型可分为RAM和ROM两大类。RAM（RandomAccessMemory），随机存取存储器。RAM的存取速度通常比ROM快得多如，目前微机中常用的DDR、DDR2、SDRAW等。一般所说的内存就是专指RAM而言。,内存,ROM(ReadOnlyMemory)，只读存储器。ROM中存放的数据只能读。数据也不会因断电而丢失。因此，ROM通常由用于存放固定不变的系统程序和参数，例如微机的开机自检程序。除ROM外，还有PROM,EPROM等，Cache，高速缓存，CPU的运算比内存的速度还是要快，为了提高运算速度，在CPU内部设立了高速存储单元，用于CPU的数据交换。,内存,计算机中可能达到的内存容量取决于计算机中CPU的地址线（称为地址总线）的位数。例如32位地址总线计算机的内存最大可达4GB（232）。内存太小时，甚至会导致程序乃至系统不能正常运行。例如，对于运行WindowsXP的微机，其内存大小至少应在32MB以上。,外存储器,外存储器简称外存或辅存，目前主要有硬盘、软盘、光盘、闪盘等。外存的主要功能是长期保存大量的数据。例如操作系统平时就保存在硬盘或软盘中。,输入/输出设备,鼠标常用的鼠标器有：机械式（2D，3D）和光电式两类。鼠标器可以通过专用的鼠标器插座与主机相连接，也可以通过计算机中通用的串行接口(RS-232-C标准接口)与主机相连接。,显示器与显示卡,按显示器件可分为阴极射线管(CRT)显示器和液晶(LCD)显示器；按其显示器屏幕的对角线尺寸可分为14英寸、15英寸、17英寸和21英寸等几种。显示器的分辨率：单位面积内的像素数。分辨率越高，显示的字符或图形也就越清晰细腻。,显示器与显示卡,常见的显示卡类型有：VGA(VideoGraphicsArray)：亦称视频图形阵列显示卡。最大分辨率为640480，可支持16色。SVGA(SuperVGA)超级VGA卡，最大分辨率提高到1024768，而且支持16.7M种颜色，称为“真彩色”。AGP(AccelerateGraphicsPorter)显示卡，在保持SVGA的显示特性的基础上，AGP显示卡采用了全新设计的速度更快的图形加速显示接口，使得显示性能更加优良，是目前最常用的显示卡。,打印机,打印机按工作原理可粗分为击打式打印机和非击打式打印机。常用击打式打印机有针式打印机；非击打式打印机有喷墨打印机和激光打印机等。通常用分辨率和打印速度来衡量打印机的一般性能。打印机的分辨率用dpi表示；dpi指每英寸所含的点数，点数越多效果越好。打印速度的单位有CPS、LPM、PPM等。CPS即每秒打印的字符数；LPM即每分钟打印的行数；PPM时每分钟打印的页数。,总线（BUS）与接口,计算机硬件由总线与接口电路连接起来。总线是由多条并行电路组成的信息交换通道。包括负责CPU内部信息交换的内部总线和负责CPU与其他部件之间信息交换的系统总线。按功能可分为传送数据的数据总线（DataBus，DB），传送地址信息的地址总线（AddressBus，AB），以及传输控制信号的控制总线（ControlBus，CB）CPU总线。,总线（BUS）与接口,目前微机中常用的总线标准有：ISA、EISA、PCI等,主板,主板就是微机中的总线电路板，也称系统板，母板，是微机中最重要的不可缺少的部件之一。主板也是微机中最大的一块集成电路板，其中包括多种总线和多种硬件接口电路。微机的所有部件都是