第一章-计算机基础知识PPT课件

-,1,第一章计算机基础知识,本章学习要点：,概述,计算机中信息的表示与编码,-,2,1.1概述,1.1.1计算机的产生,1.ENIAC,美国宾夕法尼亚大学在1946年2月14日研发出了世界上第一台电子数字计算机，其目的是用于计算非常复杂的弹道非线性方程组。这台机器被命名为“ENIAC”，即电子数字积分计算机，如图1-1所示。,图1-1电子数字积分计算机ENIAC,-,3,ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机史上具有跨时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的正式到来，它与现代PC的比较如图1-2所示。,图1-2ENIAC与现代PC比较,2冯诺依曼与EDVAC方案,1945年6月，数学家冯诺依曼（如图1-3所示）发表了EDVAC（如图1-4所示）方案，这就是著名的“冯诺依曼原理”，他的观点有以下一些。,-,4,计算机应由5个部分组成，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。,采用二进制机器码进行存储和计算。,存储程序控制方式，即把数据和运算指令存放在同一存储器中，计算机按照程序事先编排的顺序一步一步地取出运算指令，实现自动计算，即存储程序控制方式。,图1-3冯诺依曼（19031957年）,图1-4世界上第一台冯诺依曼机EDVAC,-,5,1.1.2计算机的发展,1.电子计算机发展的四个阶段,根据计算机采用物理元器件的不同如图1-5所示，可将电子计算机的发展主要划分为以下4个阶段。,图1-5计算机中采用的物理元器件,-,6,每秒运算速度仅为几千次，运算速度低，,体积庞大、造价昂贵、可靠性差、内存容量小，主要用于军事和科学计算。,（2）第二代（19591964）：晶体管计算机,（1）第一代（19461958）：电子管计算机,采用电子管作为计算机的逻辑元器件，使用水印延迟线、阴极射线管等材料制作主存储器，利用穿孔卡作为外部存储设备；,采用晶体管作为计算机的逻辑元器件，主存储器采用磁芯存储器，利用磁鼓和磁盘作为辅助存储器；,-,7,运算速度达每秒几万至几十万次，内存容量增至几十KB；,体积、耗电量、热量都大大降低，可靠性和计算机能力则大为提高。,出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统初步成型，使计算机的使用方式由手动操作改变为自动作业。,（3）第三代（19651970）：中小规模集成电路计算机,采用中、小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，使用硅半导体制造主存储器；,运算速度可达每秒几十万次到几百万次，内存容量增至几MB；,-,8,计算机体积更小、耗电量更低、价格更低、可靠性更强；,软件逐步完善，高级程序语言有了很大的发展，操作系统日臻完善，数据库管理系统、通信处理系统等也相继出现，计算机的使用效率显著提高，开始广泛应用于各个领域。,（4）第四代（1971至今）：大规模、超大规模集成电路计算机,采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）技术微处理器和微型计算机应运而生；,计算机的体积和成本越来越小，容量越来越大，运算速度越来快可达每秒上千万次至上亿次；,-,9,IBM公司团队开发完成了世界上首款个人电脑IBMPC5150，掀开了改变世界历史性的一页；,操作系统开始采用图形界面，计算机具有了多媒体处理能力，除使用原先的高级语言之外还推广面向对象的程序设计语言，各种应用软件也层出不穷。,2.下一代计算机,硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越接近其物理极限，为此世界各国的研究人员正在加紧研究开发下一代计算机，俗称第5代计算机，主要体现在：,量子计算机,神经网络计算机,-,10,生化计算机,光子计算机,3.计算机的未来,计算机未来的发展趋势可大致总结为以下几点：,多极化,智能化,网络化,虚拟化,-,11,1.1.3计算机的特点,计算机的特点可概括为以下几点。,1高度自动化,计算机可以不需要人工干预而自动、协调地完成各种运算或操作。这是因为人们将需要计算机完成的工作预先编成程序并存储在计算机中，使计算机能够在程序控制下自动完成工作。,2运算速度快,计算机运算部件采用半导体电子元件，具有数学运算和逻辑运算能力，而且运算速度很快，例如目前超级计算机的运算速度可达每秒千万亿次，从而极大地提高了人们的工作效率,-,12,3计算精度高,计算机内用于表示数的位数越多，其计算精度就越高，有效位数可为十几位、几十位甚至达到几百位。,4存储能力强,计算机中拥有容量很大的存储设备，可以存储所需要的原始数据信息、处理的中间结果和最后结果，还可以存储指挥计算机工作的程序指令。,5逻辑判断能力强,计算机具有逻辑推理和判断能力，可以替代人脑的部分工作，随着计算机的不断发展，这种判断能力还在增强，人工智能型的计算机将具有思维和学习能力。,-,13,6.人机交互性好,用户可通过图形化的窗口、界面，以及鼠标、键盘、显示器等输入/输出设备完成对计算机的控制管理。,7通用性好,当前人类社会的各种信息都可以表示为二进制的数字信息，都能被计算机存储、识别和处理，计算机既能进行数值计算，又能对各种非数值信息进行处理，使它能应用于各行各业，渗透到人们的工作、学习和生活等各个方面，具有极强的通用性。,1.1.4计算机的分类,结合计算机的用途、费用、规模和性能等综合因素，其类型大致可分为以下几类：,-,14,1巨型计算机,2大、中型计算机,3小型计算机,4个人计算机,5工作站,6嵌入式计算机,-,15,返回本节首页,返回本章首页,1.1.5计算机的应用,计算机最初的应用是科学计算，后来随着计算机技术的发展，计算机的应用领域也日益广泛。归纳起来，主要表现在以下几个方面。,1科学计算,2信息管理,3过程控制,4辅助工程,5人工智能,6多媒体应用,7网络通信,-,16,1.2计算机中信息的表示与编码,1.2.1数制及其转换,计算机中存储的信息分为数值信息和非数值信息，这些信息都是以二进制代码的形式存储和处理的。,图1-6信息的分类与表现形式,-,17,1数制及其属性,（1）数制,数制是一种表示及计算数的方法。日常生活中，我们习惯用十进制记数，在计算机中表示和处理数据常用二进制、八进制和十六进制。,（2）数制的3个属性,基数：指数制中所用到的数码符号的个数。,计数规则：指数制的进位和借位规则。,位权：不同位置上的1的所表示的数值大小即为该位的位权。,2常用数制介绍,-,18,（1）十进制数（Decimal）,基数为10，用09十个不同的基本数码符号构成；,逢十进一，借一当十；,整数部分第i位的位权10i1，小数部分第j位的位权10j,在十进制数的后面用大写字母D标示，如：（120.45）D,（2）二进制数（Binary）,基数为2，用0、1这两个不同的基本数码符号构成；,逢二进一，借一当二；,整数部分第i位的位权2i1，小数部分第j位的位权2j,在二进制数的后面用大写字母B标示，如：（101.11）B,-,19,（3）八进制数（Octal）,基数为8，用07这八个不同的基本数码构成；,逢八进一，借一当八；,整数部分第i位的位权8i1，小数部分第j位的位权8j；,在八进制数的后面用大写字母O标示，如：（174.4）O,（4）十六进制数（Hexadecimal）,基数为16，用09、A、B、C、D、E、F这十六个不同的基本数码符号构成。,逢十六进一，借一当十六；,整数部分第i位的位权16i-1；小数部分第j位的位权16-j,-,20,在十六进制数的后面用大写字母H标示，如：（1AF.8）H,4常用数制间的转换,（1）R进制转换为十进制,通过“位权展开”法，可以将R进制数转换为等值的十进制数。,-,21,（2）十进制转换为R进制,整数部分的转换：采用“除基取余”法,小数部分的转换：采用“乘基取整”法,-,22,对于既有整数又有小数的十进制数，可以先将整数部分和小数部分分别进行转换后，再合并得到所要结果,-,23,同理，采用“除8取余数，乘8取整数”的方法可将十进制数转换为八进制数；采用“除16取余数，乘16取整数”的方法可将十进制数转换为十六进制数。,-,24,（3）二进制与八进制、十六进制的转换,二进制与八进制之间的转换,采用“分组”法，即以小数点为界，整数部分从右往左3位一组，小数部分从左往右3位一组。若位数不够分组，只要在整数最高位前或小数最低位后面添0补位。,-,25,二进制与十六进制之间的转换,仍采用“分组”法，即以小数点为界，整数部分从右往左4位一组，小数部分从左往右4位一组。若位数不够分组，只要在整数最高位前或小数最低位后面添0补位。,-,26,八进制与十六进制的转换,一般通过二进制作为桥梁，即：先将八进数制或十六进制数转换为二进制数，再将二进制数转换成十六进制数或八进制数。,-,27,1.2.2数值信息的表示,1机器数,在计算机中，数的正负符号位也用二进制代码表示。规定最高位为符号位（用表示“”号；表示“”号），其余位仍然表示数值位。这种连同正负号一起数字化的二进制数称为机器数。,机器数在进行计算时，符号位也一同参与运算,-,28,直接使用机器数进行运算时，若减法问题，通常采取对机器数编码来解决问题。,2机器数的3种编码方式,（1）原码,符号位用“0”表示正号，用“1”表示负号，数值位与真值保持一致。,-,29,（2）反码,正数的反码与原码保持一致，负数的反码将原码的数值位按位取反,（3）补码,正数的补码与原码保持一致；负数的补码将反码最低数值位加1，符号位不变。,-,30,注意：用补码进行计算时，可以统一加减法。把机器数表示成补码形式后，可解决困扰机器数多时的减法问题。,（4）存储带符号整数,计算机CPU的运算器中只有加法器，而没有减法器，通常要把减法转化成加法来计算。,把机器数按补码形式进行存储来进行算术运算无疑是最好的选择。,-,31,-,32,3机器数的两种存储格式,根据小数点位置固定与否，机器数又可以分为定点数和浮点数。,（1）定点数,定点数又可分为定点小数和定点整数。,定点小数是指小数点的位置固定在符号位与最高数据位之间,定点整数是指小数点的位置固定在最低数据位的右侧,图1-7定点小数和定点整数的存储格式,-,33,定点数的表示较为单一、呆板，数值的表示范围小、精度低且运算时易发生溢出，所以在数值计算时，大多采用浮点数来表示。,（2）浮点数,若数的小数点位置不固定，则称之为浮点数。浮点表示法类似于十进制的科学计数法。,二进制所表示的浮点数的一般形式为M=S2P，如图1-8所示。,图1-8浮点数存储格式,-,34,纯小数S为数M的尾数，表示数的精度；数符Sf为尾数的符号位，表示数的正负；,指数P为数M的阶码（也称指数位），表示小数点浮动的位置（或表示数的范围大小）；阶符Pf为阶码的符号位，表示小数点浮动的方向（往左移还是往右移）。,为了浮点数表示的唯一性，并充分利用尾数的二进制位来表示更多的有效数字（提高精度），我们通常采用规格化形式表示浮点数,-,35,（3）定点数与浮点数的比较,浮点表示法所能表示的数值范围远远大于定点表示法；,浮点运算要比定点运算复杂；,定点运算时，当运算结果超出数的表示范围时，就发生溢出。浮点运算时，当运算结果超出尾数S的表示范围时，不一定溢出。只有当阶码P也超出所能表示的范围时，才一定发生溢出。因此，浮点数的健壮性较定点数更好。,1.2.3信息单位,-,36,1计算机中最小的信息量单位：bit,信息熵公式中对数log若以2为底，则计算出来的信息熵就以bit为单位。,在计算机科学中，我们把1位二进制数码所能表示的信息量称为1bit（1比特）。它是构成信息的最小信息量单位。,一个二进制位只能表示0或1两种状态，要表示更多信息，就得把多个位组合成一个整体。,2计算机中最基本的信息量单位：Byte,字节（Byte）从比特位（bit）演化而来，是计算机中最基本的信息量单位，多用于计算存储容量和传输容量。,-,37,8个连续的二进制位称为1个字节，即：8bits=1Byte,由于字节仍是一个很小的容量单位，为了方便标识和计算，KB、MB、GB、TB、PB等大容量单位被广泛使用。它们之间的数量转换关系如下图1-9所示。,图1-9单位间的转换关系,-,38,3计算机中最常用的信息量处理单位word,从字节（Byte）演化而来，计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的二进制位组，称为一个字（word）。,CPU在单位时间内一次所能处理的二进制位组叫做字，一个字的长度称为字长。,字长是计算机系统结构中的一个重要的性能指标，例如：32位处理器、64位处理器。,1.2.4非数值信息的表示,1字符的编码,-,39,（1）ASCII码,ASCII是由美国国家标准学会（ANSI）制定的标准单字节字符编码方案，最初是美国国家标准，供不同计算机在相互通信时用作共同遵守的西文字符编码标准，后被国际标准化组织（ISO）定为国际标准，适用于所有拉丁文字字母。,ASCII分为标准ASCII和扩展ASCII两种。,标准ASCII，如图1-10所示，使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母，数字09、标点符号以及在美式英语中使用的特殊控制字符，共128个字符（27=128）。,-,40,图1-10标准ASCII表,-,41,扩展ASCII采用8位二进制数进行编码，共256个字符。前128个编码为标准ASCII码，后128个称为扩展ASCII，许多系统都支持使用扩展ASCII。,ASCII是计算机世界里最重要的标准，但它存在严重的国际化问题。ASCII只适用于美国，它并不完全适用于其他以英语为主要语言的国家，更不用说在欧洲一些国家里使用的非拉丁字母，包括希腊文、阿拉伯文、希伯来文和西里尔文等。对于东方以汉字为代表的象形文字巨大的集合更是无能为力。,2中文汉字的