计算机基础知识之计算机发展课件

1、第一章 计算机基础知识10/1/20221第七章 计算机网络技术基础 第一节 计算机发展与应用 第二节 计算科学与计算思维 第三节 计算机内信息表示与编码 第四节 计算机系统组成 第五节 多媒体和流媒体 第六节 计算机安全本章内容一、计算机概述二、计算机的发展三、计算机的分类四、计算机的应用第一节 计算机发展与应用引言 自从1946年诞生第一台电子数字计算机以来，计算机科学已成为20世纪乃至本世纪发展最快的一门学科。尤其是20世纪70年代微型计算机的出现以及计算机网络的发展，使得计算机及其应用已渗透到社会的各个领域，正在改变着人们传统的学习、工作和生活方式，有力地推动了社会信息化的发展，掌握和

2、使用计算机已成为人们必不可少的技能。一、计算机概述什么是计算机 计算机（Computer）全称电子计算机，俗称电脑，是一种能够存储程序，并能按照程序自动、高速、精确地进行各种操作的现代化智能电子设备。程序是由程序员编写的完成特定任务的一系列指令的有序集合。计算机自动按程序执行各种操作，就是指计算机自动完成信息的输入、存取、处理及输出的全过程。一、计算机概述人类计算工具的发展人类创造计算工具、发展计算技术的历史悠久。从公元前550年诞生在中国的算盘到17世纪诞生于英国的计算尺，直到现代的电子计算机的诞生。根据计算机的构造和功能，人们将计算机的发展历史划分为二个阶段。第一阶段为近代计算机阶段，这个

3、阶段的计算机是指具有完整含义的机械式或机电式计算机，这个阶段从1822年开始，大约经历了120年左右的历史；第二阶段为现代计算机阶段，这个阶段从1946年开始至今。通常情况下，我们所说的计算机发展史都是指现代计算机发展历史。二、计算机的发展现代计算机的起源1946年2月15日，世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分计算机）诞生于美国宾州大学（宾夕法尼亚大学）。运算速度每秒5000次，耗电140多千瓦，占地170平方米，重约30砘。第一台电子计算机的诞生拉开了现代计算机发展的序幕。二、计算机的发

4、展现代计算机的奠基人对现代计算机作出突出贡献的是数学家冯诺依曼（John Von Neumann，1903-1957），它在第一台电子计算机诞生初期，提出了现代电子计算机的工作原理和系统结构，主要有三点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础；其二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作；其三是提出了计算机硬件系统结构由控制器、运算器、存储器、输入装置和输出装置五个部分组成。二、计算机的发展John von Neumann冯诺依曼微型计算机的发展1971年Intel公司的工程师马西安霍夫（M.E.Hoff）,成功地在一个芯片上实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片4位微处理器Intel 40

5、04，组成了世界上第一台4位微型计算机MSC-4，从此揭开了世界微型计算机大发展的帷幕。随后许多公司（如Motorola、Zilog等）也争相研制微处理器，推出了8位、16位、32位、64位的微处理器。二、计算机的发展网络计算机的发展网络计算机（Network Computer，NC）是在Internet充分普及和Java语言推出的情况下提出的一种全新概念的计算机。 NC是一个与标准显示器、键盘和鼠标相连的小型机箱，没有硬盘驱动器，关机时所有的应用和数据均保留在服务器或主机上，因此有人称NC为瘦客户机。 随着计算机硬件、软件以及网络技术的快速发展，计算机技术和网络技术将全面紧密融合与发展。NC

6、本身技术的不断成熟、高带宽网络环境的全面建设与更新、应用系统逐步向“浏览器/服务器”模式过渡，NC将取代PC成为网络时代计算机的主流。二、计算机的发展计算机发展趋势 根据目前计算机的发展和应用，结合计算机硬件制造工艺的极限和挑战，未来计算机的发展趋势可从以下两方向发展：1电子计算机的发展趋势目前，冯诺依曼体系结构的电子计算机正在向巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展。未来新型计算机的研发随着芯片制造工艺进入纳米级，半导体材料本身的物理特性逐渐表现出来：磁场效应、热效应、量子效应等，这些将严重制约芯片制造技术的进一步发展，人们正试图开发未来新型计算机，如：光子计算机、生物计算机（分子计算机）

7、、量子计算机等。二、计算机的发展按工作原理分 按照所处理的数据类型可分为：模拟计算机：用连续变化的电压或电流等模拟量表示信息 。这种机器适用解析大型微分方程，优点是解题速度快，缺点是精度较低。数字计算机：用离散（断续）的量来表示计算量的大小。工作原理简单，数值精度高。 混合型计算机：兼有上述两种工作方式的计算机。三、计算机的分类按性能规模划分根据计算机的性能、技术、体积、价格等因素，将计算机分为：巨型机大型机小型机微型机三、计算机的分类计算机应用领域 1科学计算 2数据处理 3过程控制 4计算机辅助系统 5人工智能 6构建信息高速公路 四、计算机的应用四、计算机的应用计算机医学应用 1医院信息

8、系统 2医学数据处理 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 一、计算本质二、计算学科三、计算思维第二节 计算科学与计算思维科学的概念及范畴科学是关于自然、社会和思维的发展和变化规律的知识体系。用达尔文的话说：“科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论”。科学包括：理论科学、实验科学和计算科学。思维及科学思维思维是人脑对现实事物的分析、抽象、综合、概括、加工、揭露本质特征的心理活动，是高级的心理活动，是认识的高级形式。科学思维是人类一切科学研究和活动过程中对事物的认识，并揭露事物的本质和规律的思维活动。科学思维包括：理论思维、实验思维和计算思维。第二节 计算科学与计算思维计

9、算的本质简单地说，计算就是基于规则的符号串的变换。即：计算就是从已知符号开始，一步一步地改变符号串，经过有限步骤后，最终得到一个满足预定条件的符号串的过程；抽象地说，计算的本质就是递归。根据图灵论点，一切可计算的函数都是递归函数。计算的这种有限的符号串的变换过程与递归过程是等价的、一致的；计算方式的多样性；计算本质的统一性与计算方式的多样性。算法是对有关数据或符号进行变换的方法规则，而计算是对算法的执行或对数据、符号依据算法进行的变换操作。一、计算本质计算学科的概念 计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。它又称为计算机科学与技术，它是

10、现代技术的标志和产物，是一门关于计算的学问什么是可计算的，怎样去计算。它包括：计算机科学、计算机工程、计算机科学与工程、计算机信息学以及其它类似名称的学科及其研究范畴。 二、计算学科计算学科的研究范畴 计算学科所研究的根本问题是“能行性问题”，即什么能被（有效地）自动进行。计算学科的基本原理已纳入理论、抽象和设计这三个具有科学技术方法意义的过程中。学科的各分支领域正是通过这三个过程来实现它们各自的目标。而这三个过程要解决的都是计算过程中的“能行性”和“有效性”问题。 二、计算学科计算思维的思维方法： 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题如何

11、求解的思维方法。计算思维是把一个复杂的大而难的问题分成很多部分同时去处理的并行处理方法。计算思维是一种递归思维，它把一个难以对付的问题分成两部分去处理，如不能求解，再把每部分分成两部分处理之，这就是分而治之的思想。计算思维是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法。 三、计算思维计算思维的思维方法： 计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢

12、复的一种思维方法。计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。三、计算思维计算思维的本质 ： 计算思维的本质（Essence）是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示。其中，数字抽象只是一类特例。它是如同所有人都具备“阅读、写作、算术”（Reading，wRiting，and aRithmetic简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。三、计算思维计算思维的本质 ： 计算思维建立在

13、计算过程的能力和限制之上，由人由机器执行。用它构建的计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由任何个人独自完成的问题求解和系统设计。计算思维直面机器智能的不解之谜：什么人类比计算机做得好？什么计算机比人类做得好？最基本的问题是：什么是可计算的？迄今为止我们对这些问题仍是一知半解。三、计算思维计算思维的特征 ： 计算思维是概念化，不是程序化；计算思维是根本的，不是刻板的技能；计算思维是人的，不是计算机的思维；计算思维是思想，不是人造品；计算思维是数学和工程思维的互补与融合；计算思维面向所有人，所有地方。三、计算思维计算思维的重要性 ： 计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，每一个人，不

14、仅仅是计算机科学家，都应热心于它的学习和运用。计算思维不单单是计算机学科所关心的课题，计算思维对其他学科也有着深远的影响。事实上，我们已经见证了计算思维对其他学科的影响。例如：计算生物学正在改变着生物学家的思考方式；纳米计算正在改变着化学家的思考方式；量子计算正在改变着物理学家的思考方式；博弈计算理论正在改变着经济学家的思考方式等等。三、计算思维计算思维的重要性 ： 计算思维不仅仅属于计算机科学家，它属于大家每一个人。它不仅是计算机科学界最具有基础性和长期性的思想，也是地球上每一个公民都应该具备的能力。我们学习这门课程，就是不仅要学习相关的基本概念、基础知识和基本技能，更应学会培养我们的计算思

15、维，使我们学会像计算机科学家一样去思维，培养我们的创新能力。三、计算思维一、数的进位制计数法 二、数在计算机内的表示方法 三、字符编码 第三节 计算机内信息表示与编码 信息在计算机内的表示：在计算机中，无论是数值型数据还是非数值型数据都是以二进制的形式存储的，即无论是参与运算的数值型数据，还是文字、图形、声音、动画等非数值型数据，都是以0和1组成的二进制代码表示的。计算机之所以能区别这些不同的信息，是因为它们采用不同的编码方案。常见的编码方案有：ASCII码、BCD码、GB2312、UNICODE、GBK、 UTF-8等。第三节 计算机内信息表示与编码 一、数的进位制计数法概念：数制：是指用一

16、组固定的符号和统一的规则来计数的方法。计数：是数的记写和命名，各种不同的记写和命名方法构成数制。进位计数制：按进位的方式计数的数制称为进位计数制，简称进位制。基数：某进位计数制中所用的记数符（数码）的个数称为该进位计数制的基数。例如，十进制的基数是10。权：在进位计数制中，一个数可以由有限个数码排列在一起构成，数码所在数位不同，其代表的数值也不同，这个数码所表示的数值等于该数码本身乘以一个与它所在数位有关的常数，这个常数称为“位权”，简称“权”。一、数的进位制计数法二进制计数法：二进制数据只有“0”和“1”两个符号，其进位基数为2。加法运算的基本规则是“逢二进一”，减法运算的基本规则是“借一当

17、二”，其他规则都可以由此推出。计算机内部采用二进制数的原因：技术实现容易 算术运算规则简单 适合逻辑运算 易于进行转换 一、数的进位制计数法八进制与二进制数对应关系表 八进制01234567二进制000001010011100101110111八进制与十六进制计数法：十六进制与二进制数对应关系表 十六进制0123456789ABCDEF二进制0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111一、数的进位制计数法八进制和十六进制转换成二进制 ：每一个八进制数对应二进制的三位。每一个十六进制数对应二进制的四位。2C1D(

18、H)=0010 1100 0001 1101(B) 2 C 1 D 7123(O)=111 001 010 011(B) 7 1 2 3一、数的进位制计数法二进制转换成八进制和十六进制： 整数部分：从右向左进行分组。 小数部分：从左向右进行分组。 转化成八进制三位一组。 转化成十六进制四位一组，不足补零。 11 0110 1110.1101 01(B)=36F.D4(H) 3 6 F D 4 1 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O) 1 5 5 6 6 5一、数的进位制计数法二进制数与十进制数的转换 ：二进制数十进制数 对于任何进位计数制的数值按其位权（数位数值

19、和相应位权均用十进制表示）展开求和，即可得到等值的十进制数。二进制数转换成等值的十进制数同样可用此方法，例如：(110.101)2=(122+121+020+12-1+02-2+12-3)10 =(4+2+0+0.5+0+0.125)10 =(6.625)10 一、数的进位制计数法十进制数二进制数 十进制数的整数部分的转换采用“除2取余”法，即：十进制数整数部分除以2，余数作为相应二进制数整数部分的最低位；用上步的商再除以2，余数作为二进制数的次低位；一直除到商为0，最后一步的余数作为二进制数的最高位。一、数的进位制计数法十进制数二进制数 十进制数的小数部分的转换采用“乘2取整”法：十进制小数

20、部分乘2，积的整数部分为相应二进制数小数部分的最高位；用上步积的小数部分再乘2，同样取积的整数部分作为相应二进制数小数部分的次高位；一直乘到积的小数部分为0或达到所要求的精度为止。二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 定点表示法定点小数小数N（|N|1）符号位小数点Sn位存储单元二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 定点表示法定点整数带符号整数N（|N|=2n-11）S小数点符号位n位存储单元二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 定点表示法定点整数不带符号整数N（0=N=2n1）小数点n位存储单元最高位也作为数值位二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 浮

21、点表示法在计算机中，参与运算的数一般是实数，既有整数部分又有小数部分，为了表示实数，就需要使用数的浮点表示方法。任何一个实数可以表示成：A=2iS，其中S是实数A的尾数，S的符号可用CS表示，0表示正数，1表示负数；i是用二进制表示的阶码，i的符号可用Ci表示，0表示正数，1表示负数。CiiCsS二、数在计算机内的表示方法阶码数符110.011(B)=1.100112+10=11001.12-10=0.1100112+11阶符尾数1100110011N= 数符尾数2阶符阶码尾数的位数决定数的精度。 阶码的位数决定数的范围。 二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 常见的定点表示法原码：

22、用表示数的字的最高位表示符号位（0代表正，1代表负），字的其它位表示数值（数的绝对值所对应的二进制）。 X=+7 简记为：X原=00000111 X=-7 简记为：X原=100001110X1|X|0=XX=0+7： 00000111 +0：00000000 7： 10000111 0：10000000 X原=二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 常见的定点表示法反码：正数的反码与原码相同；负数的反码是在其原码的基础上，符号位不变，其它位按位求反得到。 X=+7 简记为：X反 =00000111 X=-7 简记为：X反=111110000X1|X|0=XX=0+7： 00000111

23、 +0：00000000 7： 11111000 0：11111111 X反=二、数在计算机内的表示方法计算机内数的表示方法 常见的定点表示法补码：正数的补码与原码相同；负数的补码是在反码的基础上，最低位加1运算获得。 X=+7 简记为：X补 =00000111 X=-7 简记为：X补=111110010X1|X|+10=XX=0+7： 00000111 +0：00000000 7： 11111001 0：00000000 X补=三、字符编码非数值型数据在计算机内的表示：对于非数值型数据字符，在计算机内，通常用若干位二进制数代表一个特定的符号，用不同的二进制数据代表不同的符号，并且二进制代码集

24、合与符号集合一一对应，这就是计算机的编码原理。常见的符号编码方案有：ASCII码、BCD码、GB2312、UNICODE、GBK、 UTF-8等，这些编码方案均涉及到字符集的大小、每个字符用多少二进制位（多少字节）表示、它们之间的对应关系等问题。三、字符编码字符编码在计算机上的运作流程：三、字符编码ASCII码（西文字符的内码）：西文字符在计算机内部的编码普遍采用的是ASCII码，即美国标准信息交换码 (American Standard Code for Information Interchange)，每个ASCII码以一个字节存储，ASCII码分为标准ASCII码和扩展ASCII码，标准

25、ASCII码只用到一个字节的低七位，最高位闲置未用，扩展ASCII码（Extended ASCII）将字节的最高位也纳入编码中，成为八位扩展ASCII码，这套编码加入了许多外文和表格等特殊符号。标准ASCII码集可表示128个字符，编码从0至127，称为ASCII码基本集。扩展ASCII码集在标准ASCII码集的基础上又增加了128个字符，编码从128至255，共256个字符。三、字符编码标准ASCII码：每个字符占一个字节，用7位，最高位不用，一般为0。常用字符有128个，编码从0到127。字符范围十六进制十进制控制字符0H1FH031空格20H320930H39H4857AZ41H5AH6590az61H7AH97122Del7AH127三、字符编码BCD码：BCD码（Binary-Coded Decimal）又称二进编码的十进制数。是指向计算机输入十进制数或从输出设备输出十进制数时所采取的一种