第1讲 计算机基础知识

1、主编：陈刚主编：陈刚课件改编：江汉大学计算中心课件改编：江汉大学计算中心2010.8.大学计算机基础大学计算机基础 第一部分计算机基础理论第一部分计算机基础理论n算算 盘盘 中国唐代中国唐代 第一种手动式计数器第一种手动式计数器n 计算尺计算尺 1622年，英国年，英国William Oughtredn 手动式、减、乘、除、指数和三手动式、减、乘、除、指数和三角函数运算角函数运算n 加法器加法器 1642年，法国年，法国Blaise Pascaln 机械式，只能做加法机械式，只能做加法n 计算器计算器 1673年，德国年，德国Gottfried Leibniz 机械式，加、减、乘、除和开方机械

2、式，加、减、乘、除和开方n 差分机差分机 1812年，英国年，英国Charles Babbagen 分析机分析机 1834年，英国年，英国Charles Babbage1642 Blaise Pascal 1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机电子计算机时代电子计算机时代 查尔斯查尔斯. .巴贝奇巴贝奇 1812年差分机年差分机 1834年分析机年分析机 差分机和分析机差分机和分析机三部分组成：三部分组成：(1)(1)由许多轮子组成的保存数据的存储库；由许多轮子组成的保存数据的存储库；(2)(2)运算装置；运算装置；(3)(3)能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的能

3、对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。数据以及输出结果的装置。史料：史料：查尔斯查尔斯.巴贝奇巴贝奇 Howard Aiken博士博士发现了发现了查尔斯查尔斯.巴贝奇的论文巴贝奇的论文在在IBM的支持下，用机电方式制造了的支持下，用机电方式制造了MARK IMARK II和和 MARK III是电子计算机是电子计算机MARK I 1944年年51尺长尺长重重5顿顿750,000部份合并而成部份合并而成有有72个累加器，每一个个累加器，每一个有自己的算术部件，及有自己的算术部件，及23位数的寄存器。位数的寄存器。 ABC计算机计算机 1941年年 电子管数字计算机电子管数字

4、计算机 John V.Atanasoff和和Clifford E.Berry为数学物理研究研制的为数学物理研究研制的，为纪念图灵对计算机的贡献，为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于美国计算机博物馆于1966年年设立了设立了“图灵奖图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。的任务。图灵机是一种思想模型，图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。移动的读写头。史料：史料： 阿兰阿兰.图灵图灵 冯冯诺依曼诺依曼计算

5、机科学奠基人计算机科学奠基人英国科学家英国科学家 阿兰阿兰. .图灵图灵主要贡献：主要贡献： 建立图灵机模型，奠定了可计算理论建立图灵机模型，奠定了可计算理论的基础的基础 提出图灵测试，阐述了机器智能的概提出图灵测试，阐述了机器智能的概念念 电子计算机之父：电子计算机之父：美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家 冯冯. .诺依曼诺依曼美国计算机学会美国计算机学会(ACM)1966(ACM)1966年设立图灵年设立图灵奖奖主要贡献：主要贡献： 与同事研制人类第二台计算机与同事研制人类第二台计算机EDVAC “存储程序存储程序”概念概念 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 奠定了现代计算机体系结构和工作原奠定

6、了现代计算机体系结构和工作原理理5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170m218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器功率功率150KW1946年年2月由宾州大学研制的月由宾州大学研制的ENIAC电子计算机时代的到来电子计算机时代的到来 Electronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机史料：史料：莫奇莱和埃克特莫奇莱和埃克特John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼数据流数据流控制流控制流取数存数地址指令（控制器控制器运算器运算器输出输出设备设备输入输入设备设备程序+数据操作命令处理

7、结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号时代时代年份年份电路电路特点特点第一代第一代19461953电子管电子管磁鼓、磁带磁鼓、磁带第二代第二代19541964晶体管晶体管磁芯、磁盘磁芯、磁盘第三代第三代19651970集成电路集成电路终端访问终端访问第四代第四代1971今今大、超大规模大、超大规模集成电路集成电路个人计算机个人计算机第五代第五代新一代新一代突破冯突破冯诺依曼式的计算机结构诺依曼式的计算机结构电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路史料：史料： IBMIBM的发展史的发展史 硅谷人才摇篮仙童半导体公司硅谷人才摇篮仙童半导体公司 HPHP的发展史的

8、发展史 比尔比尔. .盖茨盖茨1光计算机光计算机 利用光子取代电子进利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。行数据运算、传输和存储。 不同波长的表示不同不同波长的表示不同的数据的数据 优点：超高速优点：超高速 缺点：体积庞大缺点：体积庞大2生物计算机（分生物计算机（分子计算机）子计算机） 2020世纪世纪8080年代中年代中期开始研制期开始研制 采用了生物芯片采用了生物芯片3量子计算机量子计算机 利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机， 这种多现实态是量子力学的标志。这种多现实态是量子力学的标志。 晶晶体体管管数数单单位位时时间间执执行行的的指指令

9、令数数百万条百万条/每秒每秒每每18个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍。时时 代代时时 间间位位 数数代代 表表 性性 芯芯 片片第 一 代1972年8位Intel 8008第 二 代1973年8位Intel 8085M 6800(M otorola)Z80(Zilog)第 三 代1978年16位Intel 8086M 68000(M otorola)Z8000(Zilog)第 四 代1985年 起32位Intel 80836Z80000H P-32N S-16032Pentium 系 列计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化和智能化。计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化和智能化。晶晶

10、体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片32纳米桌面型Clarkdale处理器 计算机的应用类型计算机的应用类型1. 科学计算科学计算2. 数据处理数据处理3. 电子商务电子商务4. 过程控制过程控制5. CAD/CAM/CIMS6. 多媒体技术多媒体技术 7. .虚拟现实虚拟现实8. 人工智能人工智能 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域1. 工商：工商：电子商务、电子商务、CAD/CAM2. 教育：教育：多媒体教育、远程教育多媒体教育、远程教育3. 医药：医药：CAT、MRI、远程医疗、远程医疗4. 政府：政府：电子

11、政府电子政府5. 娱乐：娱乐：虚拟现实、电影特技虚拟现实、电影特技 6. 科研：科研：数据采集、计算分析数据采集、计算分析7. 家庭：家庭：家庭信息化家庭信息化 1嵌入式技术嵌入式技术 将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中的一将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中的一种技术。种技术。系统和功能软件固化起来，类似系统和功能软件固化起来，类似BIOS的工作方式。的工作方式。 应用：各种家电、数码相机等应用：各种家电、数码相机等2网格计算网格计算 利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的虚拟的超级计算机超级计算机”，其

12、中每一台的计算机就是一个，其中每一台的计算机就是一个“节点节点”，而整个计算，而整个计算是由成千上万个是由成千上万个“节点节点”组成的组成的“一张网格一张网格”。 优点：数据处理能力超强；充分利用网上的闲置处理能力。优点：数据处理能力超强；充分利用网上的闲置处理能力。 示例：示例：图1.1.6 D2OL网格计算3中间件技术中间件技术 中间件是介于应用软件和操作系统之间的系统软件中间件是介于应用软件和操作系统之间的系统软件 按综合性能按综合性能指标分类指标分类高性能计算机（高性能计算机（巨型机或大型机巨型机或大型机）：）： 速度最快、处理能力最强、速度最快、处理能力最强、 中国：中国：天河一号天

13、河一号 每秒每秒2570万亿次万亿次 工作站工作站：介于介于PCPC与小型机之间高档微机系统与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机微型计算机： 台式机、笔记本和个人数字助理台式机、笔记本和个人数字助理(PDA)(PDA)服务器服务器：网络环境中为多个用户提供服务的：网络环境中为多个用户提供服务的 计算机系统计算机系统按用途分类按用途分类通用机通用机专用机专用机联合国教科文组织的定义联合国教科文组织的定义 应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方面和技巧和

14、应用；计算机及练方法和管理技巧；上述方面和技巧和应用；计算机及其与人、机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化其与人、机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化等诸种事物。等诸种事物。 信息技术信息技术(Information Technology，IT)1. 信息基础技术信息基础技术 微电子技术微电子技术 当今世界新技术革命的基石当今世界新技术革命的基石 光电子技术光电子技术 采用光子作为信息的载体采用光子作为信息的载体 2. 信息系统技术信息系统技术 信息获取技术信息获取技术 传感技术、遥测技术和遥感技术传感技术、遥测技术和遥感技术 信息处理技术信息处理技术 计算机技术成为现代信息技术的核心

15、计算机技术成为现代信息技术的核心 信息传输技术信息传输技术 光纤通信技术、卫星通信技术等光纤通信技术、卫星通信技术等 信息控制技术信息控制技术 利用信息传递和反馈来实现利用信息传递和反馈来实现 信息存贮技术信息存贮技术 缩微品、磁盘、光盘缩微品、磁盘、光盘 通信技术通信技术( (Communication) )、计算机技术、计算机技术( (Computer) )和和控制技术控制技术( (Control) )合称为合称为3C3C。3. 信息应用技术信息应用技术如信息管理、信息控制、信息决策如信息管理、信息控制、信息决策 十进制十进制(D)二进制二进制(B)八进制八进制(O)十六进制十六进制(H)

16、0123456789101112131415011011100101110111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789abcdef 2. 十进制转化成十进制转化成 r 进制进制 整数部分：除以整数部分：除以 r取余数，直到商为取余数，直到商为0，余数从右到左排列。余数从右到左排列。 小数部分：乘以小数部分：乘以 r取整数，整数从左取整数，整数从左到右排列。到右排列。例 100.345=1100100.01011B100=144Q=64H=1100100B1002502521226232100010010.34520.69021.3802 0.760 2 1.520 2 1008128180441100166046161 1.0421.1.二进制数的加法运算二进制数的加法运算2.2.二进制数的减法运算二进制数的减法运算加法运算法则加法运算法则0+0=00+0=00+1=1+0=10+1=1+0=11+1=01+1=0 1101+ 1110 11011减法运算法则法运算法则0-0=1-1=00-0=1-1=01-0=11-0=10-1=10-1=1 11011- 1110 11013.3.二进制数的乘法运算二进