第一章计算机与信息技术

,第一章计算机与信息技术,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机(1)分析机1834年英国数学家查尔斯巴贝奇（CharlesBabbage,17921871）设计的分析机是现代通用计算机的雏形。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机一(2)真空管机器二战期间，英国科学家阿伦图灵（TuringMachine,1912-1954，见图1.1.3）设计并完成了真空管机器Colossus。主要成就：建立了图灵机模型，奠定了可计算理论的基础提出了图灵测试（TuringTest），阐述了机器智能的概念,1.1计算机的发展和分类,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机(3)ABC计算机最近的研究表明，电子计算机的雏形应该是由美国衣阿华州立大学物理系副教授约翰文森特阿塔那索夫（JohnVincentAtanasoff）和其合作者克利福特贝瑞（CliffordBerry，当时还是物理系的研究生）于1941年研制成功的，用了300个电子管，取名为ABC计算机（Atanasoff-BerryComputer）。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机(4)电子数字积分计算机目前，大家公认的第一台电子计算机是在1946年2月由宾夕法利亚大学研制成功的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分计算机）,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机(4)电子数字积分计算机缺点：一是没有存储器，只有用电子管做的寄存器，仅仅能寄存10个数码；二是用布线接板进行控制，当需要更换计算别的题目时，得重新焊接连线，很费时间，计算速度也就被这一工作抵消了。所以，ENIAC的发明仅表明了计算机的问世，对以后研制的计算机没有什么影响。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机（5）电子计算机1949年美籍匈牙利数学家冯诺依曼（JohnVonNeumann，1903-1957）和他的同事研制了第二台电子计算机EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticcomputer，离散变量自动电子计算机）,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机（5）电子计算机EDVAC由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备。它采用了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机统称为冯诺依曼计算机。它的工作原理是计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-近代计算机(6)UNIVAC计算机1947年，ENIAC的两个发明人莫奇利和埃克特创立了自己的计算机公司，于1951年生产了第一款商用计算机UNIVAC，计算机第一次作为商品被出售。UNIVAC作为商品出售，用于公众领域的数据处理，共生产了近50台，不像ENIAC只有一台并且只用于军事目的。莫奇利和埃克特以及他们的UNIVAC奠定了计算机工业的基础。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-计算机的分代（1）第一代：电子管计算机（1946年-1957年）以电子管为基本逻辑电路元件，体积大、功耗大、性能差、价格高、速度慢，使用和维护都很困难；软件方面，使用机器语言、汇编语言，程序的编写、修改都很不方便，工作繁琐，基本是以科学计算为主，计算机的应用很不普及,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-计算机的分代（2）第二代：晶体管计算机（1958年-1964年）以晶体管为基本逻辑电路元件，结构上以存储器为中心，使用高级语言应用范围扩大到数据处理和工业控制。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-计算机的分代（3）第三代：中小规模集成电路计算机（1965年-1970年）优点：集成电路大大缩短了信息传输的时间，降低了电路的故障，因而使计算机可靠性显著提高，运算速度大增，已达到每秒几百万次，重量、体积、功耗、成本也大大减少。,1.1计算机的发展和分类,1.1.1计算机的发展-计算机的分代（4）第四代：大规模和超大规模集成电路（自1971年开始）采用大规模和超大规模集成电路计算机性能得到了进一步的提高，这一时期微型计算机得到了飞速的发展和普及。,1.1计算机的发展和分类,1.1.2计算机的发展趋势-计算机技术的发展特点（1）多极化：随着人们对个人计算机的广泛使用，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。（2）智能化：智能化使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，使计算机成为智能计算机。智能化的研究包括模式识别、图像识别、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。,1.1计算机的发展和分类,1.1.2计算机的发展趋势-计算机技术的发展特点（3）网络化：所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信和资源共享的网络结构。（4）多媒体化：多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机。这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机联系，并集成为一个具有人机交互性的系统。,1.1计算机的发展和分类,1.1.2计算机的发展趋势-未来计算机（1）量子计算机：当某个设备是由量子元件组装，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。（2）神经网络计算机：从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元机构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。（3）化学、生物计算机：在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观分子作为信息载体，来实现信息的传输与存储。生物计算机最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性。（4）光计算机：光计算机是用光子代替半导体芯片中的电子，以光互连来代替导线制成数字计算机。光计算机的信息在传输中畸变或失真小，可在同一条狭窄的通道中传输数量大得难以置信的数据。,1.1计算机的发展和分类,1.1.3计算机的分类1按用途分：计算机按照其用途分为通用计算机和专用计算机。2按功能分：大型通用机、巨型机、小型机、微型机、3按处理数据类型分：照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机和混合型计算机等等。,1.2计算机的特点与应用,1.2.1计算机的特点运算速度快：计算机的运算部件采用电子器件,其运算速度是非其他计算工具无法比拟的,能够在很短的时间内解决极其复杂的运算问题，且运算速度还以每隔几个月提高一个数量级的速度在快速发展。存储容量大：计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来,以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息,而且能够快速准确地存入或取出这些信息。,1.2计算机的特点与应用,1.2.1计算机的特点通用性强：通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算和逻辑操作,计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则(算法)写成一系列操作指令,加上运算所需的数据,形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。能进行逻辑判断：逻辑判断是计算机的一个重要特点，是计算机能自动进行信息处理的重要原因。执行能力强：计算机能够按照预先编制好的程序，无须人工干预，自动执行下去。运算精度高：精度可以达到小数点后面几十位至上百位。,1.2计算机的特点与应用,1.2.2计算机的主要应用领域1科学计算(或数值计算)科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以快速解决复杂问题，也可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。例如，一个多世纪以来，数学家们为证明四色定理绞尽脑汁，所引进的概念与方法刺激了拓扑学与图论的生长、发展，终于在1976年美国数学家阿佩尔（K.Appel）与哈肯（W.Haken）宣告借助电子计算机获得了四色定理的证明，又为用计算机证明数学定理开拓了前景。该例子深刻体现了计算机在科学计算领域中的重要性。,1.2计算机的特点与应用,1.2.2计算机的主要应用领域2数据处理(或信息处理)数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是：（1）电子数据处理(ElectronicDataProcessing,简称EDP)它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。（2）管理信息系统(ManagementInformationSystem,简称MIS)它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。（3）决策支持系统(DecisionSupportSystem,简称DSS),1.2计算机的特点与应用,1.2.2计算机的主要应用领域3辅助技术(或计算机辅助设计与制造)（1）计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,简称CAD)：计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。（2）计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,简称CAM)：计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统(CIMS)。,1.2计算机的特点与应用,1.2.2计算机的主要应用领域（3）计算机辅助教学(ComputerAidedInstruction,简称CAI)：计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。4过程控制(或实时控制)：过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。,1.2计算机的特点与应用,1.2.2计算机的主要应用领域5人工智能(或智能模拟)：人工智能(ArtificialIntelligence)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。6网络应用：计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。,1.3信息与信息技术,1.3.1信息技术的相关概念1信息与数据：信息即是对各种事物的变化和特征的反映，又是事物之间相互作用和联系的表征。信息同物质、能源一样重要，是人类生存和社会发展的三大基本资源之一。数据是信息的载体，即存储在某种媒体上可以被识别的符号。可以用数值、文字、语言、图形、图像等不同表现形式来表示数据。而信息是数据所表达的内容。信息与数据是不同的，信息有意义，而数据没有,1.3信息与信息技术,1.3.1信息技术的相关概念2信息处理与信息技术信息处理主要是指对所收集的分散的原始信息，按照一定的规则和程序进行计算、筛选、分类、统计和分析的过程。信息技术（InformationTechnology简称IT）是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称可以说，信息技术就是指一系列与计算机等相关的技术，主要包括传感技术、计算机技术和通信技术。,1.3信息与信息技术,1.3.2现代信息技术的内容-三个层次1.信息基础技术：信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。（1）微电子技术：微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。微电子技术对信息时代具有巨大的影响，是现代电子信息技术的直接基础。衡量微电子技术进步的标志主要体现在3个方面：一是缩小芯片中器件结构和尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。微电子技术是当今世界新技术革命的基石，给各行各业带来了革命性的变化。,1.3信息与信息技术,1.3.2现代信息技术的内容-三个层次（2）光电子技术：光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅速发展的综合性高新技术。它是光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。,1.3信息与信息技术,1.3.2现代信息技术的内容-三个层次2信息系统技术：信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。信息系统技术的内容如表1.3.1所示。,1.3信息与信息技术,1.3信息与信息技术,1.3.3现代信息化社会的概念和特点1概念：信息社会也称信息化社会，是脱离工业化社会以后，信息将起主要作用的社会。以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉。信息技术在资料生产、科研教育、医疗保健、企业和政府管理以及家庭中应用广泛，对经济的发展和社会的进步产生了深远的影响，从根本上改变了人们的生活方式、行为方式和价值观念。2特点：社会经济的主体由制造业转向以高新科技为核心的第三产业，即信息和知识产业占据主导地位。劳动力主体不再是单纯的对机械类工具的操作和使用，而是信息的生产者、传播者和使用者，利用对信息的收集和处理更好完成以前机械类工具完成的工作。工业社会的所形成的各种生产设备将会被信息技术所改造，成为智能化的设备，信息社会的农业生产和工业生产将建立在信息技术的智能化设备的基础之。由于信息技术的广泛使用，智能化设备的广泛普及将改变行为模式。,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换1数制的概念（1）数制是用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法。按照进位方式计数的数制叫做进位计数制。例如：逢十进一即十进制，人类屈指计数沿袭至今且最为习惯；十二进制作为商业包装计量单位“一打”的计数方法；十六进制为中药或金器等采用的计量单位。（2）进位计数制的两个要素：基数：它是指各种进位计数制中允许选用基本数码的个数。例如，十进制的数码有：0、1、2、3、4、5、6、7、8和9，因此，十进制的基数为10。权值：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值。其大小是以基数为底、数码所在位置的序号为指数的整数次幂。例如，458.7=410251018100710-1。,1.4计算机中信息的表示,（3）常用进位计数制,见表所示,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换2.不同进制数的转换二进制数转换成十进制数二进制数转换成十进制数只需按权展开然后相加即可。例1.1(101.1)B12202112012-1(5.5)D十进制数转换成二进制数十进制整数转换为二进制整数采用“除2取余，逆序排列”法。具体做法是：用2去除十进制整数，可以得到一个商和余数；再用2去除商，又会得到一个商和余数，如此进行，直到商为0时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低位有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，依次排列起来。十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整，顺序排列”法。具体做法是：用2乘十进制小数，可以得到积，将积的整数部分取出，再用2乘余下的小数部分，又得到一个积，再将积的整数部分取出，如此进行，直到积中的整数部分为零，或者整数部分为1，此时0或1为二进制的最后一位，或者达到所要求的精度为止。,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换例1.2将(24.625)D转换成二进制数(24.625)D=（110001.101）B,十进制整数转换成二进制整数,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换,十进制小数转换成二进制小数,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换因二进制数基数是2，八进制数基数是8。二进制三位数对应于八进制一位，所以二进制与八进制互换是十分简便的。二进制数转换成八进制数二进制数转换为八进制数可概括为“三位并一位”。即以小数点为基准，整数部分从右至左，每三位一组，最高位不足三位时，添0补足三位；小数部分从左至右，每三位一组，最低有效位不足三位时，添0补足三位。然后将各组的三位二进制数按权展开后相加，得到一位八进制数码。再按权的顺序连接起来即得到相应的八进制数。例1.3将(1011100.00111)B转换为八进制数(001,011,100.001,110)B(134.16)O134.16,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换八进制数转换成二进制数八进制数转换成二进制数可概括为“一位拆三位”，即把一位八进制数写成对应的三位二进制数，然后按权连接即可。例1.4将(163.54)O转换成二进制数(163.54)O(1110011.1011)B001,110,011.101,100,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换（3）二进制数与十六进制数的互换二进制数与十六进制数之间也存在二进制数与八进制数之间相似的关系。由于2416，16116，即二进制四位数对应于十六进制一位数。二进制数转换成十六进制数二进制数转换为十六进制数可概括为“四位并一位”。即以小数点为基准，整数部分从右至左，小数部分从左至右，每四位一组，不足四位添0补足。然后将每组的四位二进制数按权展开后相加，得到一位十六进制数码，再按权的顺序连接起来即得到相应的十六进制数。,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换例1.5将(1011100.00111)B转换为十六进制数(0101,1100.0011,1000)B(5C.38)H5C.38十六进制数转换成二进制数十六进制数转换成二进制数可概括为“一位拆四位”，即把一位十六进制数写成对应的四位二进制数，然后按权连接即可。例1.6将(16E.5F)16转换成二进制数(16E.5F)H(101101110.01011111)B0001,0110,1110.0101,1111,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换（4）进制间对应关系,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换3进制的算术运算（1）加法运算二进制加法运算法则(3条)：000011011110(逢二进一)（2）减法运算二进制减法运算法则(3条)：00110011(借一当二)101,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换4二进制的逻辑运算（1）什么是逻辑运算:逻辑是指条件与结论之间的关系。因此，逻辑运算是指对因果关系进行分析的一种运算，运算结果并不表示数值大小，而是表示逻辑概念，即成立还是不成立。计算机的逻辑关系是一种二值逻辑，二值逻辑可以用二进制的1或0来表示（2）三种基本逻辑运算：与运算(逻辑乘法)做一件事情取决于多种因素时，当且仅当所有因素都满足时才去做，否则就不做，这种因果关系称为与逻辑。用来表达和推演与逻辑关系的运算称为与运算，与运算符常用、或AND表示。与运算法则(4条)：a)000b)010c)100d)111,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换两个二进制数进行与运算是按位进行的。例1.9求1011100111110011?101110011111001110110001则101110011111001110110001,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换或运算(逻辑加法)用来表达和推演或逻辑关系的运算称为或运算，或运算符常用、或OR表示。或运算法则(4条)：a)000b)011c)101d)111例1.10求1010000110011011?101000011001101110111011,1.4计算机中信息的表示,1.4.1数制及其转换非运算(逻辑否定)非运算实现逻辑否定，即进行求反运算。例1.11求10111001的非运算按各位取反为01000110举例说明非运算的物理意义：如室内的电灯，不是亮，就是灭。,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示1数值数据:在计算机中，数值型的数据有两种表示方法，一种叫做定点数，另一种叫做浮点数。谓定点数，就是在计算机中所有数的小数点位置固定不变。定点数有两种：定点小数和定点整数。定点数表示数的范围较小。（1）定点数原码的表示方法：如果真值是正数，则最高位为0，其它位保持不变；如果真值是负数，则最高位为1，其它位保持不变。,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示例1.12写出13和13的原码(取8位码长)因为13=(1101)B，所以13的原码是00001101，-13的原码是10001101。采用原码，优点是转换非常简单，只要根据正负号将最高位置0或1即可。但原码表示在进行加减运算时很不方便，符号位不能参与运算，并且0的原码有两种表示方法：+0的原码是00000000，-0的原码是10000000。,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示反码的表示方法为：如果真值是正数，则最高位为0，其它位保持不变；如果真值是负数，则最高位为1，其它位按位求反。例1.13写出13和13的反码(取8位码长)因为13=(1101)B，所以13的反码是00001101，-13的反码是11110010。补码的表示方法为：若真值是正数，则最高位为0，其它位保持不变；若真值是负数，则最高位为1，其它位按位求反后再加1。例1.14写出13和13的补码(取8位码长)解：因为13=(1101)B，所以13的补码是00001101，-13的补码是11110011。（2）浮点数浮点数表示法类似于科学计数法，任一数均可通过改变其指数部分，使小数点发生移动，如数23.45可以表示为：1012.345、1020.2345、1030.02345等各种不同形式。浮点数的一般表示形式为：N=2ED，其中，D称为尾数，E称为阶码。,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示2字符数据：这种用一组二进制数来代表符号，从而使计算机能进行非数值型数据处理的方法，称为字符编码。字符编码：首先确定需要编码的字符总数，然后将每一个字符按顺序确定编号，编号值的大小无意义，仅作为识别与使用这些字符的依据。（1）西文字符ASCII字符编码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准代码），国际标准。ASCII是1字节编码，编码的范围是0255。256组编码的ASCII码又被分为两大部分：基本ASCII码和扩充ASCII码。,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示基本ASCII码,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示,1.4计算机中信息的表示,1.4.2数据在计算机中的表示基本ASCII码只需要7位二进制进行编码就可以了，又称为7位字符编码。由于存储器是按字节作为最小单位来组织的，7位编码仍然需要占1个字节的存储空间，编码前补一个二进制0成为一个字节。十进制数值032和127(即NULSP和DEL)共34个字符编码称为控制字符；其余的94个字符称为图形字符(又称为普通字符)。在这些字符中，09、AZ、az都是顺序排列的，且小写字母比对应的大写字母的码值大32，这有利于大、小写字母之间的编码转换字符编码有一定的规律:a)字符“a”的编码为1100001，对应的十进制数是97；则“b”的编码值是98，“A”的编码值65（注：97-32=65）；b)数字字符“0”的编码为0110000，对应的十进制数是48；则“1”的编码值是49，“9”的编码值是57；c)SP空格字符的编码为0100000，对应的十进制数是32