物联网工程导论――第0章 计算机基础

孟伟,物联网技术导论,Office:主楼403（软件教研室）Tel:62338372E_mail:MNancyftp:1mengweiteachingplan,北京林业大学信息学院,课程的作用,从学科整体出发，综述性地、深入浅出地介绍计算机专业和物联网方向的有关知识与技能，起导向的作用是从事物联网方向学习学生的“导游图”，是对整个计算机学科有一个鸟瞰式的纵览。,北京林业大学信息学院,了解物联网的研究范畴、应用领域和发展方向了解当前物联网领域的各种新技术及其研究成果熟悉物联网相关的技术明白物联网方向所开各课程的意义和作用培养学生对物联网研究的专业兴趣,教学目标,北京林业大学信息学院,课程的学习方法,重视学科的科学思想、方法的把握。从宏观入手把握问题，不纠缠于个别细节，从学科体系上把握整个知识体系。重视实践和动手能力的培养，和计算机专业技能课训练紧密结合提高计算机的操作能力,北京林业大学信息学院,计算机专业的特点,计算机应用方向很多，潮流也很新，许多人这学一点，那个学一点，结果个个都不精通，总觉得是在原地打转。作为计算机的学生要做到面广且专。即对计算机的每一个领域都要了解，专业知识要专，对一个方向的专业知识要精通。,北京林业大学信息学院,教材：王志良,石志国编著.物联网工程导论.西安：西安电子科技大学出版社出版参考书：1.刘化君,刘传清编著.物联网技术.电子工业出版社.2.张春红,裘晓峰,夏海轮,马涛编著.物联网技术与应用.北京：人民邮电出版社.3.张飞舟,杨东凯,陈智物联网技术导论.北京：电子工业出版社.,教材和参考书,北京林业大学信息学院,考核方式平时成绩:30%作业、课堂提问、实验课堂纪律无故迟到无故旷课期末成绩:70%(闭卷笔试),教学方式和考核方式,教学形式幻灯片+教材，以及与物联网相关的读物。,北京林业大学信息学院,了解计算机发展的历史了解计算机的冯诺依曼模型知道计算机的特点与分类知道计算机的主要技术指标计算机存储容量单位及其换算初步了解计算机的体系结构清楚计算机发展的趋势机器“自动计算”,第0章计算机基础,北京林业大学信息学院,初识计算机,问题提出：人为什么会想到要发明计算机？发明的原动力在哪里？,北京林业大学信息学院,计算能力是人的基本能力之一，是人的智力的主要特征。“自动计算”是人类进化过程中的梦想更快的计算是人类文明的标志和永恒的追求人类计算能力发展的历史回顾从认识多少始（有些动物也能感觉“多少”的概念）结绳、划痕计数对应抽象的开始计数符号的发明各个文明都有自己的计数符号表示进位制的产生阿拉伯数字1、2、7、8、9、0十进制、二进制、p进制现代数学（特别是形式逻辑）的发展计算模型理论和二进制的出现,北京林业大学信息学院,计算工具的发明中国的筹算、算盘帕斯卡机（法）16231662莱布尼兹加法机（德）16461716巴贝奇差分机（英）17921871“二次”大战催生了计算机图灵等一批数学家构造出了自动计算模型，从理论上作了准备社会发展和战争需求美国人口普查、弹道计算,已有存储功能，但必须靠人操作,工业革命计算量剧增,美人口普查机1890,ABCJ机解线性方程1939,马克1号电子与机械部件混合1943IBM,ENIAC电子部件1946,EDVAC冯氏机1950,北京林业大学信息学院,计算机诞生后的迅猛发展的历史第一代（19461959）电子管第二代（19591965）晶体管第三代（19651975）集成电路第四代（19751985）超大规模集成电路第五代（1985？）以智能化为特征还未成功,北京林业大学信息学院,历史上的计算“机”,中国算盘（汉代）,北京林业大学信息学院,法国数学家帕斯卡发明的十进制加法器（1642）,北京林业大学信息学院,英国数学家巴贝奇发明的差分机（1884）,北京林业大学信息学院,第一台电子计算机（ENIAC1946）,5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW,计算机发展史,北京林业大学信息学院,电子恐龙的缩骨法晶体管,ENIAC,划时代的实验装置,晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。,电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。,晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。,计算机发展史,北京林业大学信息学院,将电脑浓缩在一颗芯片上,0.18微米芯片,10微米芯片,计算机发展史,北京林业大学信息学院,晶体管数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,计算机发展史,北京林业大学信息学院,第一代（19461956）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19571964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）,1964年911机,1966年112机,计算机发展的几个阶段,计算机发展史,第四代（197190年代）超大规模集成电路几百万几亿（次/秒）,北京林业大学信息学院,计算机硬件的发展历史,北京林业大学信息学院,数据,数据是反映客观世界事物属性的原始记录，形式可以是数字、文字（文本）、图象/图形、音频信号、视频信号等。存储数据:在计算机内部是以0、1两种状态来保存数据的。组织数据：按照一定的形式来保存数据的方法（数据结构）,北京林业大学信息学院,计算机的简单模型,数据,信息,北京林业大学信息学院,计算机的简单模型,北京林业大学信息学院,相同的程序，不同的数据,北京林业大学信息学院,相同的数据，不同的程序,北京林业大学信息学院,计算机的冯诺依曼模型,算术逻辑单元,存储器,控制单元,输入/输出,程序,数据输入,数据输出,北京林业大学信息学院,计算机的冯诺依曼模型,北京林业大学信息学院,计算机的特点与分类（一）,计算机的特点计算速度快计算精度高记忆能力强高度自动化具有一定的逻辑判断能力可靠性高,北京林业大学信息学院,计算机的特点与分类（二）,计算机的分类按信息表示和处理方式电子数字计算机电子模拟计算机电子数字/模拟混合计算机按用途通用机专用机按形体和性能巨型机大型机中型机,小型机微型机单片机,北京林业大学信息学院,计算机的主要技术指标,字长：即计算机一次存取传递或加工数据的长度，刻划了计算机的计算机精度和处理能力，字长越长，精度越高，（并行）处理越强，当然价格也越贵，目前以16位、32位、64位、128位，微机以64位为主流，小型机64位，大中型机则从32位到128位都有。主存容量：指主存（内存）储器所能存的二进制总量，反映了计算机容纳数据量的能力，主存越大，与外存交换数据的次数就越少，处理速度也就越快。计算机执行指令的速度。简称为MIPS，单位为：百万条数/S(执行+、-次数)不过购机中一般很少讲，可以通过时钟频率来间接估计。时钟周期（频率）（主频）：单位（Hz）是指CPU在单位时间（S）内发出的脉冲数，数据输入输出最高速率：是指计算机的数据吞吐量。这除了与CPU有关外，还与外设有关。性能价格比：不要肓目要求性能越高越好，要根据实际应用情况，做到满足需要，又具有性能好、价格适当的机子，也只能价格性能比好的产品才有市场竞争力。,北京林业大学信息学院,计算机存储容量单位的换算,存储容量是指存储器有多少个存储单元。我们知道最基本的存储单元是位(bit)，可以放一个“0”或“1”存储容量单位的表示和换算关系如下：1B1字节8位（bit）1KB1024B210B，1MB1024KB220B，1GB1024MB230B，1TB1024GB240B，1PB1024TB250B，1EB1024PB260B,北京林业大学信息学院,计算机硬件,输入/输出系统存储系统算术逻辑运算系统控制系统,北京林业大学信息学院,计算机硬件基本组成,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入设备,输出设备,运算器,北京林业大学信息学院,计算机软件,必须存储程序指令的序列与顺序执行算法语言软件工程操作系统,冯诺依曼原理,北京林业大学信息学院,计算机硬件与软件的关系,应用软件,操作系统,计算机硬件系统（裸机）,用户,北京林业大学信息学院,计算机的应用,科学计算信息处理实时控制计算机辅助设计人工智能,北京林业大学信息学院,计算机发展的趋势,计算机发展趋势微型化高速化网络化智能化多媒体化新一代计算机的设想超级计算机新概念计算机光学计算机DNA计算机量子计算机超导计算机神经网络计算机,北京林业大学信息学院,CRAY-,银河,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机，1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”。超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。,中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”等国家职能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”等,计算机发展巨型化,北京林业大学信息学院,计算机发展微型化,Altair8800,计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。,北京林业大学信息学院,计算机发展网络化,计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。,北京林业大学信息学院,计算机发展智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”,北京林业大学信息学院,解决机器“自动计算”问题至少要解决数据的表示数据的存储数据的运算会自动的执行计算模型,北京林业大学信息学院,计算模型与算法,计算模型是刻划计算这一概念的一种抽象的形式系统或数学系统。算法是对计算过程步骤（状态）的一种刻划，是计算方法的一种可行实现方式。凡是能用算法方法解决的问题，也一定能用这些计算模型解决；反之计算模型解决不了的问题，任何算法也解决不了。计算模型之间在能力上是等价的,北京林业大学信息学院,图灵机,图灵机就是一个计算模型。它更接近普通人计算的思想方法，又因其好用而被现代计算机的研究开发者所采纳为计算机的计算模型。,北京林业大学信息学院,图灵机代表的计算机（自动计算机）结构组成必须告诉计算机要做什么输入子系统如真的会自动计算应该把结果告诉人输出子系统输入后应该有存放数据等的地方存储器问题要实现自动计算应该有一个能按顺序执行的运算部件问题数据如何表示计算问题,CPU,北京林业大学信息学院,北京林业大学信息学院,从理论模型原理上来认识计算机为什么会“自动计算”解决数据的表示计算机只认识“二进制”即0、1数据的表示有关进制及互相转换问题,十进制,二进制,八进制,十六进制,P进制p0的整数,北京林业大学信息学院,数的进制与各进制间的转换,数的进制：人们为了记数的方便和计算，创造了各种“权值”（即逢“几”进一）的记数方法，这些方法就称为数的进制。十进制：二进制：八进制：十六进制：P进制：,北京林业大学信息学院,p进制：N=anpn+an-1pn-1+a1p1+a0p0+a-1p-1+a-2p-2+a-mp-m其中p为正整数，ai是0，1，2，（p-1）这p个数中的任一个，m、n是正整数。,北京林业大学信息学院,十进制和二进制十进制系统十进制的表示方法243210241013100二进制系统二进制的表示方法243127126125124023022121120,北京林业大学信息学院,北京林业大学信息学院,我们知道，人类习惯于十进制数，而计算机内部存储只能采用二进制数，这就存在十进制数和二进制数之间的相互转换问题。因十进制数和二进制数只是数值的两种不同表示方法，并不表示其本质的改变。因此，十进制数和二进制数之间必然可以相互转换。为区别十进制数和二进制数，在下面的讨论中，我们在数字后面用下标形式标出其进位制。如(101)10表示该数是十进制数，(101)2表示该数是二进制数。,北京林业大学信息学院,各种进制数之间的转换二进制数向十进制数的转换十进制数向二进制数的转换,北京林业大学信息学院,二进制数转换为十进制数,二进制数转换为十进制数的方法是：用十进制计数制把二进制数各位置的数按权展开后相加。,【例】求(1001.101)2的十进制数值。解：(1001.101)2123+022+021+120+12-1+02-2+12-3=8+1+0.5+0.125=(9.625)10,北京林业大学信息学院,十进制整数转换为二进制整数,十进制整数转换为二进制整数的方法是：首先不断地对前次得到的商除2并列出其余数，然后把所得余数按从后向前的次序排列。该方法简称除2取余法。,北京林业大学信息学院,【例】求(19)10的二进制数值。解：2191(低位)291240220211(高位)0(19)10=(10011)2,北京林业大学信息学院,北京林业大学信息学院,3.将二进制数化为十进制数：,北京林业大学信息学院,Binary10011Weights168421-16+0+0+2+1Decimal19,例:将二进制数10011化为十进制数.,012481735Dec.Binary100011,例2:将十进制数35化为二进制数.,北京林业大学信息学院,表十进制整数和二进制整数转换表,北京林业大学信息学院,（1）二进制八进制：以小数点为基准，分别向左、右进行“三位并一位”，不足补零。例3：转换为十进制表示解：（11101.110100）235.64(2)八进制二进制:以小数点为基准，分别向左、右进行“一位拉三位”。例4：转换为二进制表示解：45.61100101.11000145.61=100101.110001,二八,北京林业大学信息学院,(1)二十六：以小数点为基准，分别向左、右进行“四位并一位”，不足补零。例5: