第二章 计算机基础知识

第二章计算机基础知识,2020年6月6日,主要内容,2.1计算机发展概况,2.1.1我国计算机发展史2.1.2计算机医学应用领域2.1.3信息数字化2.1.4计算思维,计算辅助工具,为了解决计算问题，人们不断地发明和改进各种计算工具,Babbage机械计算机:(特定)程序-可有限变化的计算规则,现代计算机：一般程序-任意可变的计算规则,Pascal机械计算机:自动计算-固定的计算规则,5000次加法/秒体重30吨占地170m218000只电子管功率150KW,1946年2月15日美国宾大ENIAC,从使用的电子器件的发展来看,正向第五代人工智能计算机，甚至量子计算机、生物计算机迈进,大体经历了三个阶段：第一阶段：60年代末到70年代末，主要从事大型机的并行处理技术研究；第二阶段：70年代末至80年代末，主要从事向量机及并行处理系统的研制；第三阶段：80年代末至今，主要从事大规模并行处理系统及工作站集群系统的研制。目前我国成为继美国、日本之后，第三个具备研制高端计算机系统能力的国家。,2.1.1我国计算机发展史,我国高端计算机系统主要经历了：银河-巨型计算机银河-巨型计算机银河-巨型计算机曙光4000A型超级计算机超级计算机“天河一号”2013年5月研制成功的世界上首台5亿次超级计算机“天河二号”,天河二号超级计算机,2.1.2计算机医学应用领域,20世纪50年代末开始，计算机的应用逐渐渗透到医药卫生领域，并形成一门多学科交叉的边缘学科医药信息学（MedicalInformatics），主要体现在：1、医院信息系统2、医学数据处理与计算3、医药信息检索系统4、智能化医疗仪器的研制5、医学专家系统,2.1.3信息数字化,信息数字化：就是将复杂多变的信息转变为数字数据，并将这些数字数据转变为二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理的过程。计算机中的数据包括两个方面的含义：一、数据内容反映或描述事物的特性二、数据是符号的集合,(1)数据是信息的载体，信息则是数据的内涵，是对数据的解释。(2)信息是通过对数据的加工得到的，是数据处理的产物。(3)信息中含有人们的主观意识。(4)数据本身是客观存在的，无实际价值，加工成为信息后才有意义。(5)信息与数据都是记录客观事物的存在状态与特征的。,信息与数据的关系：,（1）社会性（2）传递性（3）共享性（4）不灭性（5）时效性（6）客观性,信息的特征：,2.1.4计算思维,在大学计算机课程中，几乎每一个概念对应一种计算思维方法。如，Cache是预置和缓存方法，多核处理器是并行处理方法；在程序设计课程中，各种常用算法以及各类问题的求解方法，如迭代法、递归法等，都是没有争议的计算思维方法；在计算机应用课程中，每一门课程每一个项目都是多种计算思维方法的集合。,计算思维：运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。,1、可计算理论及可计算性计算和可计算性的概念是在1936年前后数理逻辑学家在研究数理逻辑的基本问题时提出的。为了讨论是否对于每个问题都有解决它的算法，数理逻辑学家提出了几种不同的算法精确化定义。库尔特哥德尔（KurtGodel）递归函数的概念；邱奇（A.Church）转换演算；图灵（Turing）抽象计算机的概念,可计算理论：建立计算的数学模型，精确区分哪些是可计算的，哪些是不可计算的，以此揭示计算的实质。计算的过程就是执行算法的过程，因此，可计算理论也称算法理论。可计算性：可计算性是指一个实际问题是否可以使用计算机来解决。分析某个问题的可计算性意义重大，它使得人们不必浪费时间在不可能解决的问题上，而集中时间和精力解决可计算的问题。,2、可计算理论的应用：建立数学模型的方法在计算机科学中被广泛采用；递归的思想被用于程序设计，产生了递归过程和递归数据结构，同时也影响了计算机体系结构的发展；演算被用于研究程序设计语言的语义。例如，表处理语言就是以演算为理论基础的。,2.2计算机的工作原理,20世纪初,以运算器为中心的存储程序式计算机模型冯诺依曼模型,冯诺依曼模型的特点(1)采用存储程序方式，指令和数据存储在同一个存储器中，都可以送到运算器进行运算，而且由指令组成的程序是可以修改的。(2)存储器是按地址访问的线性编址结构，每个单元的位数是固定的。(3)指令由操作码和地址码组成。(4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。(5)以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。(6)数据以二进制表示，并采用二进制进行运算。,2.2.2计算机的工作原理,（1）计算机的自动处理过程就是执行一段预先编制好的计算程序的过程。（2）计算程序是指令的有序集合。执行计算程序的过程实际上是逐条执行指令的过程。（3）指令的逐条执行是由计算机的硬件实现的，可顺序完成取指令、分析指令、执行指令所规定的操作，并为取下一条指令准备好指令地址。如此重复操作，直至执行到停机指令为止。,计算机的工作原理,2.3计算机系统的组成,2.3.1计算机系统的层次结构,2.3.2计算机系统的基本组成,2.4计算机信息的存储与表示,2.4.1存储单位和存储容量,2.4.2数制与编码,数值型数据怎样表示,数制,非数值数据怎样表示,编码,1.进位计数制,(N)r=(an-1an-2a2a1a0.a-1a-2a-m)r,r进制数,n-1n-2210.-1-2-m,rn-1rn-2.r2r1r0.r-1r-2r-m,=an-1rn-1+an-2rn-2+a2r2+a1r1+a0r0+a-1r-1+a-2r-2+a-mr-m,数位的权值,数位,r进制数,十进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制：0,1八进制：0,1,2,3,4,5,6,7十六进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A(10),B(11),C(12),D(13),E(14),F(15),（11011.01)B,（3460.32)O,(365.2)D,(596.12)H,日常使用,计算机使用,为了书写和表示方便而引入,计算机中实际上只有加法，减法运算转换成加法运算进行，乘法运算转换成加法运算进行，除法运算转换成减法运算进行。用补码可以很方便地进行这种运算。,计算机中的基本运算,（1）算术运算,计算机中的基本运算,（2）逻辑运算,由数值型数据看符号化及其计算,符号化,再语义化,再符号化,计算化,基于十进制的计算,二进制(0和1),基于二进制的计算,计算化,十进制(0,1,.,9),还原,数值的正负符号处理：机器数的原码、反码和补码,数值的符号如何表示呢?,语义符号化符号计算化计算0(和)1化0(和)1自动化分层构造化构造集成化；,数值表达与计算在“符号化-计算化-自动化”思维中的位置?,（1）r进制数转换成十进制数把任意r进制数写成按权展开式后，各位数码乘以各自的权值累加，就可以得到对应的十进制数。例：(110.101)B=122+121+020+12-1+02-2+12-3=(4+2+0.5+0.125)D=(6.625)D,各种进制数之间的相互转换,（2）十进制数转换成r进制数整数部分：除r取余法；小数部分：乘r取整法。例:将十进制数89.34375转换成二进制。,最后结果为：（89.34375）D=（1011001.01011）B,“三位并一位”和“一位拆三位；四位并一位”和“一位拆四位”,（3）二进制、八进制、十六进制之间的相互转换,例：将二进制数11110101.11001转换为八进制数011110101.110010365.62即（11110101.11001）B（365.62）Q例：将二进制数1101010111.110110101转换为十六进制数001101010111.110110101000.357.DA8即（1101010111.110110101）B（357.DA8）H,2.5计算机网络基础知识,2.5.1计算机网络的形成与发展,计算机网络的形成与发展，经历了从简单到复杂、从低级到高级的过程，可分为几个阶段：,1、面向终端的计算机网络（终端计算机网络）,20世纪50年代计算机网络的主要形式,2.5.1计算机网络的形成与发展,2、计算机通讯网络,20世纪60年代初出现,2.5.1计算机网络的形成与发展,3、标准开放的计算机网络,20世纪80年代，OSI参考模型开放的标准化网络,2.5.1计算机网络的形成与发展,4、高速、智能的计算机网络,传输宽带化；应用多样化、复杂化；管理智能化,5、计算机网络的发展方向,（1）三网合一：通讯网络、计算机网络、有线电视网络（2）光通讯技术：全光网络，光纤到家庭、到桌面（3）IPv6协议：128位地址长度，约有3.41038个IP地址（4）宽带接入技术：EPON、FSO（5）移动通信系统技术：3G、4G乃至5G,2.5.2计算机网络的基本概念,计算机网络：将分布在不同地理位置上的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配以相应的网络软件，以实现计算机资源共享的系统。,计算机网络的必备基本要素（基本组成）,通讯子网：主要任务是将各种计算机互连起来，完成数据传输、交换和通信处理。资源子网：主要负责整个网络面向应用的信息处理，为用户提供网络服务和资源共享功能等。,按照数据通信和数据处理的功能，一般从逻辑上将网络分为通信子网和资源子网,2.5.3计算机网络的分类及其拓扑结构,1、按网络的覆盖范围分类,2、按网络的拓扑结构分类,网络拓扑结构：指网络服务器、工作站等设备通过电缆在物理上连接起来的形式，它能直观地表示网络服务器、工作站等网络设备的配置和互相之间的连接。,1、总线型,2、按网络的拓扑结构分类,3、环型,2、星型,2、按网络的拓扑结构分类,5、环型,4、星型,2.5.4计算机网络体系结构及传输协议,1、网络的体系结构,网络体系结构：指计算机网络的各层及其协议的集合，网络上每层的功能都是由该层的协议和服务来实现的。,具体说就是为完成计算机之间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的多个层次，规定出同层进程间通信协议和相邻层之间的接口及服务，将这些分层模型、同层进程通信协议规范和相邻层接口服务规范等的集合统称为网络体系结构。,OSI参考模型,2、网络层次结构模型,TCP/IP参考模型,2、网络层次结构模型,协议：是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。,3、网络传输协议,（1）TCP/IP协议：是Internet实现网络互连的通信协议，也是工业界标准的协议组。其中最重要的协议是传输控制协议(TCP)和网际协议(IP)。TCP协议提供了一种可靠的数据交互服务。IP协议主要规定了数据包传送的格式，以及数据包如何寻找路径最终到达目的地。,（2）TCP/IP协议层次结构TCP/IP协议层次结构中包含很多其他协议，保障网络通讯正常。,2.5.5计算机网络连接设备与传输介质,1、网络传输介质,网络传输介质分为有线和无线两类，有线介质包括双绞线、同轴电缆和光纤等，无线介质包括微波、红外线、激光、卫星等。,（1）双绞线（TwistedPair）,（2）同轴电缆,（3）光纤（OpticalFiber）,双绞线、同轴电缆、光纤性能比较,（4）微波,（5）卫星,卫星通信实际上是使用人造地球卫星作为中继器来转发信号的，它使用的波段也是微波。,（6）红外线和激光：把要传输的信号分别转换为红外线信