通用计算机是一种通用信息处理设备

1、通用：计算机是一种通用信息处置设备，只需有适宜的软件，它能适用于各种专门用途。电子：是计算机硬件实现的物理根底，计算机的运转最终都经过电子电路中的电流、电位等实现。数字化：是计算机的信息表示方式。一切信息，无论本来是数值、文字、图形、声音等，在计算机里都一致到二进制的数字化表示上。数字化是计算机的一种根本特征，是通用性的重要根底。“计算机：这是一种做计算的机器。全名：“通用电子数字计算机General - Purpose Electronic Digital Computer。阐明许多性质：计算机根本原理.计算机能做的根本动作如数的加减乘除等，极简单。但它可以按程序要求瞬间完成数以万亿计的根本

2、动作，就能够完成一件大任务。我们看到的是这些动作的综合效果。计算机的根本构造不很复杂，能按指挥行事，做得快。更了不起的东西是程序、软件，每个程序都是特殊的，针对详细需求专门实现。“电脑木手铁脚？信息处置的“普适性：计算机远不能与人脑相比。.形状与转换一个系统S有一集能够的形状包括一个初始形状和一组终了形状；S在每个时辰处于某一个形状；当这个系统由外界接受输入时，它就能够转换到另一个形状，并能够产生一个输出；在开场时S处于某初始形状s；当输入用完且S到达某个终了形状时，系统的运转胜利终了，否那么失败终了。有限形状转换系统一种最简单的计算模型：.转换图S的每个形状用一个小圆圈表示；假设S在形状s1

3、遇到输入a时，应转到形状s2并输出b，那就画一条从表示s1的圆圈到表示s2的圆圈的弧线，并在线上标出(a, b)；一种描画有限形状转换系统的方式：(a, b)s1s2.一个完成除2的有限形状转换系统系统中s1是初始形状，s1和s2是终止形状；它输入n个a时输出 n/2 个 a。(a, )s1s2(a, a)自我练习：定义只读入k个abb的序列才胜利终了的有限形状转换系统 (k = 0,1,2,)。.图灵机模型一个有限形状转换系统，也称控制器；一条两端无穷的包含无穷多个格子的存储带，每个格里可以存储一个符号；一个读写头，每时辰定位于一个存储格；每步执行，当前格的符号作为控制器输入，控制器按此符号

4、做一次形状转换，能够将一个符号写入当前格，并能够命令读写头左移或右移一个位置。终了：有许多等价定义方式。一个图灵机T包括：.图灵机的图示设：初始时存储带上的符号序列是输入I；运转终了时带上的符号序列是输出O；图灵机T实现的计算就是 T(I) = O。有限形状控制器.通用图灵机设带字符集至少包含两个符号；存在一种编码方式 c，使每个图灵机 T 对应于一个符号序列 c(T)，T 的编码。G(c(T) I) = O这里 c(T) I 表示将 T 的编码和输入 I 并排放在输入带上。通用图灵机可以实现恣意图灵机的功能。通用图灵机 G 也是一台图灵机，对恣意图灵机 T 和输入 I，假设 T(I) = O

5、，那么就有：.通用图灵机放在 G 的存储带上的 c(T) 就是指挥 G 如何任务的“程序；G 的活动就是按照所给的 c(T) 任务，处置输入 I，最终得到输出 O。图灵还得到了另一个深化结论：存在着不可计算的函数。.形状转换与计算每个计算从一个形状 s0 开场，输入是这个形状的一部分。计算过程构成一个形状序列：s0, s1, s2, s3, sn, .假设计算经过 n 步终了，所需求的输出包含于最终的形状里。存在着不终止的计算。一个计算过程可以看作是一个形状转换序列。.可计算性实际研讨计算的模型和“可计算性。计算复杂性实际研讨一个或者一类计算所历经的形状转换次数。由于实践的计算步骤需求花时间。

6、程序实际在通用计算机制如通用图灵机的根底上，完成详细计算只需求给出程序。程序实际研讨程序的意义和程序描画的规律。.现实的计算机现实的计算机是用大规模集成电路和其他元器件构造起来的一种复杂电子设备。它可以看成是图灵机的一种实现。现实的计算机由一些部分构成：.CPU主存储器中央处置部件输入设备输出设备键盘鼠标器 显示器打印机 辅助外部存储设备磁盘机、磁带机、光盘机等输入输出输入输出控制器运算器.CPU中央处置器担任处置信息，由控制器和运算器组成。控制器担任解释指令“大脑，运算器担任执行指令“手。主存储器又称“内存，用于存储计算机运转时所用的程序和数据。对应于图灵机存储带。外部存储器外存保管其他备用

7、信息：备用程序与数据。一旦需求，即可装入内存运用。各种输入输出设备实现计算机与外部的信息交换。与人，与其他计算机系统或者设备。计算机主要部件.计算机的中心信息处置部件，用半导体集成电路技术制造的。一小块硅片，内部构造极复杂，包含数以百万、千万计的元件和电路。能执行一组操作：取数据，由几个数据算出一个结果加减乘除等，送出数据等。与每个动作对应有一条指令：CPU接到指令时完成对应动作。一系列指令构成一个程序，能指挥CPU完成一系列动作。对应于通用图灵机 G 的控制器。问题：指令从何而来？CPU与存储程序原理.ENIAC：程序记录在穿孔卡片上。计算机读一张卡片做一动作，速度受机械读卡机限制。冯诺依曼

8、看出问题症结，提出了“存储程序原理，导致现代意义的计算机的诞生了。存储器原来只保管数据，CPU执行指令时由存储器取数据，计算结果存回存储器。冯诺依曼方案：将程序存入存储器，由CPU自动提取指令并执行，循环地做。这样计算机就可以摆脱外界拖累，以本人的速度电子电路的速度自动运转了。.按“存储程序原理造出的就是“程序存储计算机，也称为“冯诺依曼计算机。到目前为止，一切主流计算机都是这种计算机。计算机的根本运转过程很简单，两步循环，“CPU根本循环。CPU每次从存储器取出要求它执行的下一条指令，然后按指令完成对应动作。循环到程序执行完遇到要求CPU停顿任务的指令，或者永无休止地运转下去。.CPU是个绝

9、对服从指挥的奴仆，每时每刻都按命令指令行事。CPU的指令普通有几十到一二百种。而实践领域里，各方面需求运用计算机情况千差万别、错综复杂。计算机怎样能应付这些情况呢？答案：程序。经过一些不同指令的各种适当陈列，人能写出的程序是无穷无尽的。思索数字和数，汉字字和中文的作品。程序：对应于特定图灵机的编码。.计算机的任务原理带来两方面的获益：通用性：假设干种计算机就能满足全社会的需求。可以采用大工业消费的方式，提高性能，减低本钱。计算机越来越廉价，性能越来越高。公用性：经过运转不同的程序，同一台计算机在不同时辰可以表现为不同的公用信息处置机，例如计算器、文字处置器、记事本、资料阅读检索机、帐目处置机、

10、设计图版、游戏机等等。同一台计算机也可以同时表现为多种处置机只需同时运转着多个不同程序。这种通用性和公用性的完美一致，使计算机成为人类走向信息时代的过程中最锐利的武器。.CPU原理并不复杂。而最先进的CPU又极端复杂，是有史以来人制造的最复杂产品。缘由：1，计算机要完成的任务日趋复杂不断有新问题，需求用更多指令才干完成。而执行指令需求时间计算机的本质弱点。要求更高性能的CPU。人们为提高CPU速度开发了许多巧妙技术，但这些大大添加CPU的复杂性。2，处置的数据情况越来越多。早期主要是数值，只需与算术有关的指令。今天广泛用于图形图像声音等的处置。实际上说CPU可以不改只需写程序。但添加些新指令能

11、更有效处置这些特殊数据方式。这也添加了CPU的复杂性。.过去人常说：计算机开展阅历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四个阶段，把以这些方式构造起来的计算机分别称为第一、二、三、四代计算机。今天看，这种说法并无太大的意义。计算机器件根底的变化并不是根本性的其意义不可低估：降低本钱、减小体积等，是人们寻求适宜方式制造计算机的一个短暂探求阶段，大约三十年。人们不断在研讨真正新型的计算机。提出的有：光计算机、量子计算机、生物计算机等。从本质上与今天计算机不同的信息处置工具会出现吗？能取代目前流行的这种电子计算机吗？我们正拭目以待。.数字化图灵实际的一个根本点是一切信息可以用符号编码，包括图灵机

12、本身。要用计算机处置信息，必需：能在计算机内部存储信息、处置；这就要求确定信息在计算机内部的表示方式，能将信息送给计算机处置，这要求能完成从外部信息到计算机内部信息的转换。.计算机存储处置信息的根底是信息的数字化，为此，我们只需：为数值确定一种计算机内部的表示方式；将一切信息用数字方式表示，进而就可以用计算机处置。信息的数字方式也称为信息的编码。“万物皆为数在自然界不真，而在计算机里“成立。问题：怎样数字化？怎样编码？.数制 数的进制 手指与十进制，电子元件与二进制。 进制方式只是数值的表示方式。 数的常见方式：二进制，八进制，十进制，十二进制，十六进制，六十进制。 任何十进制数 X 都可以表

13、示为：X=kn*10n + + k0*100 +k- 1*10-1 + +k-m*10-m 基数为10，系数/数字 ki 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9例：46. 37 (10)=4*101+6*100+3*101+7*10-2用进制方式表示数是人类的一项重要智力发明。.计算机中用二进制数的方式表示数值。缘由：实际：用两个符号的序列能有效表示复杂的信息。一进制表达效率低，才干不够实践：常规器件最容易表示两种不同形状。用一个器件表示一个根本的数据单位，用一系列器件的形状表示复杂的数据。将一个器件的形状看成一个二进制数字，将一系列器件的形状看成一个二进制数。一个二进制位：

14、bitBinary Digit，b，位，比特8位二进制数：Byte简写B。1KB = 1024 B1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB.二进制B = kn*2n+ + k0*20 +k - 1*2-1 + +k-m*2-m基数为2，系数数字属于 0, 1110110(2)= 1*25 + 1*24+0*23+1*22+1*21+0*20 = 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 54(10)运算规那么：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=100*0=0 0*1=1 1*0=0 1*1=1普通方式：.二进制与八、十六进制的对照二进制与

15、八进制的对照： 0000 0102 1004 1106 0011 0113 1015 1117二进制与十六进制的对照： 00000 01004 10008 110012 00011 01015 10019 110113 00102 01106 101010 111014 00113 01117 101111 111115常用A, B, C, D, E, F作为“数字表示10到15。.二进制与十进制之间的转换二进制转换到十进制可直接运用二进制数的值计算公式完成。十进制到二进制的转换：整数：普通采用除余法，反复整除2，搜集起各次的余数。小数：采用乘法，反复乘2，搜集并去掉整数位。留意：有限位精度的

16、十进制小数能够无法用有限位二进制小数准确表示包含整数和小数部分的数分两部分计算。.二进制表示范围计算机里常用固定位数方式表示整数，常见：16位：0 65535 32位：0 232 - 1 (约40亿)64位：0 264 - 1 (约1600亿亿)近似公式： 210 1024 103二进制数位数与整数的表示范围的关系：位数 1 3 8 16 n范围 01 07 0255 065535 0 2n-1.数的符号与负数表示有符号数取最高位表示符号，其他表示值。为方便加减运算，计算机中的有符号数普通用模2补码表示。对于n位的二进制数表示，正数的补码就是原来编码，负数N的补码 N 满足 N+ + N 2n

17、。其中 N+ 是 |N| 的补码。求负数补码的方式：各二进制位求反，得到的数加1。负数的符号也需求编码。.有符号数的表示范围用 n 位二进制数表示有符号整数，范围：位数 8 16 n范围 -128127 -3276832767 - 2n-1 2n-1 -1计算机中常见的有符号整数及其表示范围：16位：-32768 3276732位：- 231 231 - 1 (约- 20亿到 20亿)64位： 263 263 - 1.小数与实数的编码与科学记数法对应，X = 0.nnn10mm，nnn 尾数，mm 指数。浮点编码方式。浮点编码中尾数和指数都采用带符号的二进制数表示，X = 0.BBB2bb。常

18、见表示。单精度：32位，7位指数，23位尾数，分别有符号位。范围约 (10-38 1038)，约7位10进制有效数字。双精度：64位， 10位指数，52位尾数，表示范围约为 (10-308 10308)，16到17位10进制有效数字。.文字信息的编码字符集：计算机上可以运用的根本字符集合。规范字符集：为与计算机交换信息而定义的字符编码规范。如ASCII字符集是一种最常用的7位字符集，包含十进制数字字符、英文大小写字母、常用标点符号以及一些特殊控制字符系统用。一个字符存一个字节。文字信息是字符的序列，基于字符编码。字符编码的根本方式：将字符排一个顺序，用字符的顺序位置编号作为它的编码是个整数。.中文编码与国际码随着国际交流添加，尤其是互联网，人们迫切需求在更大范围中方便地共享信息。国际码 Unicode 希望将国际上各主要文字的字符一致在一同，建立一种一致的编码系统。中文字符中文字也有几个编码规范GB，Big5。中文字符数量大，通常用两个或更多字节存储。.其他信息的编码，转换