第1章计算机概述

苏州大学计算机科学与技术学院第1章计算机概述目录概述计算机中数的表示计算机系统概述1231.1概述从原始的计数工具到计算机

电子计算机开始是作为计算工具研制的。从最初的计算工具发展到现代计算机经历了数千年。

计数工具从手到石子、贝壳、绳结、木棒到算盘。1.1.1计算机的产生与发展最早的计算尺是英国人奥托里发明的。

1944年，美国哈佛大学霍华德.艾肯(HowardAiken博士在IBM公司的支持下,研制成功了自动程控计算机，的出现预示着计算机由手工操作向电动控制的转变。第一台电子数字计算机的诞生

第一台电子数字计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer—埃尼阿克）于1946年诞生。它由美国宾夕法尼亚大学研制的。它每秒可进行5000次运算，使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，用电功率140千瓦小时，价格45万美元。

ENIAC的问世表明了电子数字计算机时代的到来，具有划时代的意义。1951年研制成功UNIVAC（UNIVerzalAutomaticComputer通用自动计算机）-第一款商用计算机3．电子计算机的发展人们按照计算机主机所使用的元器件为计算机划代。一般将计算机的发展划分为四代。（1）第一代计算机（20世纪40年代中期~50年代末期）第一代计算机的基本电子元件是电子管，主要用于军事和科学研究，进行科学计算工作。（2）第二代计算机（20世纪50年代中、后期~60年代中期）第二代计算机的基本电子元件是晶体管。这个时期的计算机不仅用在军事和尖端技术上，还广泛应用在工程设计、数据处理、事务管理等方面。（3）第三代计算机（20世纪60年代中期~70年代初期）第三代计算机的基本电子元件是中小规模集成电路。（4）第四代计算机（20世纪70年代初期以来）第四代计算机的基本电子元件是大规模或超大规模集成电路。应用模式的发展单机方式多用户分时方式局域网方式客户／服务器方式网络计算方式*4．计算机发展新技术光子计算机量子计算机分子计算机生物计算机1.1.2计算机的分类（1）根据计算机内部逻辑结构不同，可分为16位机、32位机和64位计算机等。根据计算机用途的不同，可分为通用计算机和专用计算机。现在最普遍的分类方法是按照计算机的性能、用途和价格将计算机分为五类：巨型机、大型机、小型机、个人计算机、嵌入式计算机等。1．巨型机（Supercomputer）巨型机也称超级机、超级计算机巨型机在所有计算机类型中价格最贵，功能最强。它采用大规模并行处理的体系结构，由数以百计、千计甚至万计的CPU组成，具有极强的计算能力，算术或逻辑运算速度可以达到每秒数十万亿次以上。巨型机多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、石油勘探、天气预报、飞机设计模拟、生物信息处理等领域。巨型机的研制水平、生产能力及应用程度是衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志。近些年来，我国自主研制的超级计算机频频出现在全球高性能计算机TOP500排行榜中。在2010年11月公布的第36届排行榜中，由国防科技大学研制的“天河一号A”以每秒千万亿次浮点运算摘得头名，并且在接下来的6个月时间内一直占据头把交椅。在2012年11月公布的第40届排行榜中，“天河一号A”居第八位2．大型机（Mainframe）大型机也称大型主机，具有运算速度快、存储容量大、可靠性高、通信联网功能完善等特点。大型机通常包含几十个甚至更多个CPU，安装丰富的系统软件和应用软件。大型机主要用来为大中型企业的数据提供集中的存储、管理和处理，承担主服务器的功能，在信息系统中起着核心作用，通常也被称为“企业级”计算机。3．小型机（MiniComputer）小型机是一种供部门使用的计算机。小型机在管理机器和编制程序等方面都比较简单，这使得其应用范围非常广泛，如工业自动控制、大型分析仪器、测量仪器、医疗设备中的数据采集、分析计算等领域。小型机也可以用作大型机和巨型机系统的辅助机，进行企业管理及大学和研究所的科学计算等。近些年来，小型机逐步被高性能的服务器取代。小型机的特点是：规模小、结构简单、设计研制周期短，便于及时采用先进工艺、生产量大，软硬件成本低、容易操作及维护、高可靠性、高可用性、高服务性等。目前生产小型机的企业有IBM、HP、富士通等。4．个人计算机（PersonalComputer）个人计算机也称个人电脑、PC机或微型计算机，它的出现与发展掀起了计算机快速普及的浪潮，被称为电子计算机的第二次革命。个人计算机的特点是：体积小、价格低、可靠性高、操作方便、使用范围广、软件丰富、性能不断提高、适合办公或家庭使用等。个人计算机分为台式计算机（DesktopComputer）和便携个人计算机（Portablecomputer）。便携个人计算机体积小、重量轻、便于外出携带，性能也接近台式机，但价格稍高。便携个人计算机包括笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑等。5．嵌入式计算机20世纪70~80年代出现了微处理器和个人计算机，这是计算机发展史上最重大的事件之一。微处理器是指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件。嵌入式计算机也叫单片计算机，除了把运算器、控制器集成在一起，还把存储器、输入/输出设备、接口电路等都集成在同一片芯片上。主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。嵌入式计算机是内嵌到其他设备中的计算机，与通用计算机在基本原理上没有原则性区别，主要区别在于系统和功能软件集成在计算机硬件系统中，即系统的应用软件与硬件一体化，类似于BIOS的工作方式。由于嵌入式计算机软件固化在芯片上，所以它们的功能和用途一般不再轻易改变。嵌入式计算机是计算机市场中增长最快的领域，也是种类繁多，形态多种多样的计算机系统。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如计算器、多媒体播放器、手机、电视机顶盒、数字电视、微波炉、数码相机、电梯、空调、汽车、自动售货机等。这些设备中都包含了嵌入式计算机，只是用户不需要直接与计算机接触，所以它们的存在大多数人并不知道。*1.1.3计算机的特点处理速度快计算精度高强大的信息存储能力逻辑判断能力强自动化程度高通用性强*1.1.4计算机的应用科学计算（数值计算）-传统应用过程控制（实时控制）数据处理（信息处理）计算机辅助计算机辅助设计-CAD计算机辅助制造-CAM计算机集成制造系统-CIMS计算机辅助教学-CAI计算机辅助测试-CAT计算机模拟人工智能网络应用人工智能具有人工智能的机器人人工智能(ArtificialIntelligence,AI)。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。实际应用领域：指纹识别，人脸识别，视网膜识别，虹膜识别，掌纹识别，专家系统，智能搜索，定理证明，博弈、智能玩具等。深蓝与卡斯帕罗夫曾对弈两次。第一次在1996年2月，卡斯帕罗夫六战以三胜两和一负胜出。1997年5月，第二次人机对弈。首仗卡斯帕罗夫胜出，第二局深蓝扳回一城。第三、四、五局不分胜负，直至第六局，卡斯帕罗夫在犯错下，走到第十九步宣布弃权，随即结束这场历史性的人机大战，深蓝研究团队赢得了700，000美元的奖金。

会下棋的机器人——深蓝

电子恐龙Pleo

一、完全智能

Pleo自己会根据环境和情况，决定行走、探索、发现。二、具有生命特征需要喂食，能够成长，有打呼噜、打哈欠、打喷嚏等生命现象。三、需要互动四、超凡的自我学习能力

Pleo能学会“跳舞“”翻身“等动作,会观察环境，记录经历过的事，根据自己的思考，增长自我能力。最终会成长为一个具有各种处理问题能力的“生命”体。五、有自我的情感和性格每一只Pleo会形成自有的性格，能表现出喜、怒、哀、乐等情感。每一只Pleo也会培育出自己独特的性格，没有两只完全一样的Pleo。

*1.1.5计算机的发展趋势多极化网络化美国政府在1993年提出了国家信息基础设施计划（NationalInformationInfrastructure，简称NII），即信息高速公路。“信息是21世纪最基本的资源之一，传输信息的高速通信网和大量联网的计算机、数据库等将会极大的提高全社会的工作效率和生活质量，从根本上改变人们工作、生活、消费、教育、娱乐等主要活动的方式。”智能化信息高速公路提供的信息服务数据与信息的查询高速通信服务（电子邮件、电视电话、电视会议、文档传递等）电子教育电子娱乐电子商务各类应急信息服务请求和社会保障类电子化服务（远程医疗和会诊、交通信息管理等）1.2计算机中数的表示1.2.1信息的基本单位——比特1．什么是比特数字技术的处理对象是“比特”，简称bit，中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”比特只有2种取值：0和1，无大小之分比特是组成数字信息的最小单位计算机中的数值、文字、符号、图像、声音、视频、命令等都可以使用比特来表示，具体的表示方法就称为“编码”或“代码”。每个西文字符用8个比特表示，每个汉字至少16个比特表示，而图像、声音和视频则需要更多的比特才能表示。2．比特在计算机中的表示与存储表示一个比特需要两种状态,一个状态表示1，另一个状态表示0。在CPU中，比特是使用一种被称为“触发器”的双稳态电路来存储的。触发器有两个稳定状态：高电平状态和低电平状态，可分别用来表示“1”或“0”。在RAM中用电容器存储二进位信息。当电容的两极加上电压，它就被充电，电压去掉后，充电状态仍可保持一段时间，因此可以用电容的两个状态：充电状态和放电状态来表示和存储1个比特，通常充电状态表示“0”，未充电状态表示“1”。磁盘是利用磁介质表面区域的两种不同的磁化状态来表示比特。磁性材料粒子的两种不同磁化方向分别用来表示“0”或“1”。光盘是通过压制在光盘面上的微小凹坑来记录二进制信息的。凹坑的边缘表示“1”，而凹坑和凹坑外的平坦部分表示“0”。3．存储容量的计量单位“字节”（Byte）大写字母“B”表示，每个字节包含8个比特b--位、B--字节计算机的内存储器容量通常使用2的幂次方作为单位。经常使用的单位有：KB（千字节），1KB=210B=1024BMB（兆字节），1MB=220B=1024KBGB（吉字节、千兆字节），1GB=230B=1024MBTB（太字节、兆兆字节），1TB=240B=1024GB而外存储器容量经常使用10的幂次方来计算：1KB＝103B＝1000B1MB＝106B＝1000KB1GB＝109B＝1000MB1TB＝1012B＝1000GB外存容量在系统中会变小？标明容量是16GB的U盘，系统显示出来的是（16×109）/（1024×1024×1024）=14.9GB。4．比特的传输传输速率表示每秒钟可传输的二进位数目。传输速率的常用单位有：比特/秒(b/s)，也称“bps”（BitsPerSecond的简称）千比特/秒(Kb/s)，1Kb/s=103比特／秒=1000b/s兆比特/秒(Mb/s)，1Mb/s=106比特／秒=1000Kb/s吉比特/秒(Gb/s)，1Gb/s=109比特／秒=1000Mb/s太比特/秒(Tb/s)，1Tb/s=1012比特／秒=1000Gb/s1.2.2各种进位计数制数的表示规则就是进位计数制，也称为数制日常生活中，最常用的是十进制数计算机内部广泛采用二进制计数制，这是因为：二进制运算简单，运算法则少，使计算机运算器的硬件结构大大简化；物理上容易实现。可靠性强。只有两个数字符号在存储、处理和传输的过程中可靠性强，不易出错，同时，也提高了计算机本身的稳定性和可靠性；二进制数的两个符号“1”和“0”正好与逻辑量“是”和“否”（或“真”和“假”）相对应，便于表示和进行逻辑运算。计算机中常用的进位计数制进位制计数规则基数可用数码后缀二进制逢2进120,1B八进制逢8进180,1,2,3,4,5,6,7O或Q十进制逢10进1100,1,2,3,4,5,6,7,8,9D十六进制逢16进1160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,FH1.2.3不同进制数之间的转换1．R进制数转换成十进制数(N)R==如十进制数123.45按权展开应为：123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-2把任意R进制数按照式（1-1）写成按位权展开式后，各位数码乘以各自的权值累加，就可以得到该R进制数对应的十进制数。式（1-1）例：135.67135.67(10)=1*10²+3*10¹+5*100+6*10­¹+7*10­²

135.67(8)=1*8²+3*8¹+5*80+6*8­¹+7*8­²

权权基数例:(1101.101)2=1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3【例1-1】把二进制数11011.011转换为十进制数解：(11011.011)2=1×104+1×103+0×102+1×101+1×100+0×10-1+1×10-2+1×10-3=(27.375)10【例1-2】把八进制数64.21转换为十进制数解：(64.21)8=6×81+4×80+2×8-1+1×8-2=(52.265626)10【例1-3】把十六进制数C2.D转换为十进制数解：(C2.D)16=12×161+2×160+13×16-1=(194.8125)102．十进制数转换成R进制数十进制整数转换为R进制数的方法是“除基取余法”，也就是将十进制整数不断除以基数R，直到商为0，然后将得到的余数自下而上排列（即首次取得的余数排在最右）即可。十进制小数转换为R进制数的方法是“乘基取整法”，也就是将十进制小数不断乘以基数R，直到小数部分为0或者达到要求的精度为止（小数部分可能永远不会得到0），然后把每次相乘所得的整数自上而下排列（即首次取得的整数排在最左）即可。既包含整数又包含小数的十进制数转换为R进制数时，可以将此数分为整数和小数两个部分分别转换，然后再连起来即可。十进制二(八,十六)进制

2107….1(低位)253….1226….0213….126….023….121….1(高位)0例：(107.675)10=(？)2整数部分：除2(8,16)取余↑小数部分：乘2(8,16)取整↓

0.675高位

*)2

1...1.3500.350

*)2

0...0.7000.700

*)2

1…1.400低位解答：A)整数(107)10=(01101011)2

B)小数(0.675)10=(0.101)2

★（107.675)10=(1101011.101)2【例1-4】将十进制数142转换为二进制数【例1-5】将十进制数142转换为八进制数【例1-6】将十进制数142转换为十六进制数【例1-7】将十进制数0.675转换为二进制数（精确到4位小数）【例1-8】将十进制数0.675转换为八进制数（精确到4位小数）【例1-9】将十进制数0.675转换为十六进制数（精确到4位小数）【例1-10】将十进制数142.675转换为二进制数（精确到4位小数）。解：由例4-4和例4-7可知：

(142.675)10≈(10001110.1010)2【例1-11】将十进制数142.675转换为八进制数（精确到4位小数）。解：由例4-5和例4-8可知：

(142.675)10≈(216.5314)8【例1-12】将十进制数142.675转换为十六进制数（精确到4位小数）。解：由例4-6和例4-9可知：

(142.675)10≈(8E.ACCC)163．二进制数、八进制数、十六进制数之间的相互转换（1）表1-2不同进制数的关系十进制二进制八进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F3．二进制数、八进制数、十六进制数之间的相互转换（2）二进制数转换成八进制数的规则是：以小数点为界，整数部分自右向左，小数部分自左向右，每3位为一组，不足3位用0补足，然后分别将每个3位二进制数转换为对应的1位八进制数。二进制数转换成十六进制数的规则是：以小数点为界，整数部分自右向左，小数部分自左向右，每4位为一组，不足4位用0补足，然后分别将每个4位二进制数转换为对应的1位十六进制数。八进制数转换成二进制的规则是：把1个八进制数转换成对应的3位二进制数。十六进制数转换成二进制的规则是：把1个十六进制数转换成对应的4位二进制数。【例1-13】把二进制数1101111010.10101转换为八进制数【例1-14】把二进制数1101111010.10101转换为十六进制数【例1-15】把八进制数215.76转换为二进制数【例1-16】把十六进制数3B6.7转换成二进制数1.2.4二进制数的运算1．算术运算加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（向高位进1）减法：0-0=0 0-1=1（向高位借1）1-0=1 1-1=02.逻辑运算

A)逻辑加“或”（∨）规则：0∨0=0 0∨1=11∨0=1 1∨1=1

有1出1，全0出0规则：0∧1=0 1∧0=0 0∧0=0 1∧1=1

有0出0，全1出1

C）取反（非）0变成1，1变成0B)逻辑乘“与”（∧）例3:(10010100)反=？

(10010100)反=01101011

归纳总结：算术运算会发生进位和借位处理，而逻辑运算则按位独立，位与位之间不发生关系例2：10010100∧00110010

10010100

∧)00110010

00010000

例1：10010100

∨00110010

10010100

∨)00110010

10110110

【例1-17】分别求11001011+10010101，11001011-10010101，11001011∧10010101，11001011∨10010101，，11001011⊕10010101。练习(1)1.(110101101)2=()8=()162.11011011+10101010=3.10111010-10011001=4.10001100或10101011=5.10110101与10110011=练习(1)

6.(85)10=()2=()167.(147)10=()28.(70)8=()2=()169.(7B)16=()1010.(9C)16=()2=()811.(10110011)2和(11011001)2“与”运算，再和(10101011)2“或”，其结果为------。练习(2)1.64Kb/s=?B/s2.传输速率为9600b/s，则每分钟能传送多少字节？答案(1)1.(655)8,(1AD)162.1100001013.001000014.101011115.10110001答案(1)6.(1010101)2;(55)167.(10010011)28.(111000)2;(38)169.(123)1010.(10011100)2;(234)811.(10010001)2;(10111011)2答案(2)1.8192B/s2.72000B1.2.5数据在计算机中的表示（1）计算机中的数值信息分为整数和实数两大类。整数不使用小数点，或者说小数点始终隐含在个位数的右面，所以整数也叫做“定点数”。实数通常是指既有整数部分又有小数部分的数，由于实数的小数点不固定，所以实数在计算机中也称为“浮点数”。计算机中的数据分为数值型数据非数值型数据图形音乐活动影像语言、文字

数值数据整数实数正整数(不带符号)整数(带符号)1．整数的表示无符号整数的表示无符号整数的所有位数都用于表示数值大小。

如果用n位来表示一个无符号整数，则可以表示的数据范围为0~2n-1。如一个8位无符号整数的表示范围为0~255，一个16位无符号整数的表示范围为0~65535。带符号整数的表示①原码 带符号整数的最高位是符号位。“0”表示“+”，即正数；“1”表示“-”，即负数。除符号位之外的其余各位用来表示数值的大小。如: 00110110=+54 10110110=-54这种表示法叫做“原码”。原码的表示范围取决于数值的长度。n位原码可表示的数值范围是-2n-1+1~2n-1-1。如一个8位原码的表示范围是-127~127，一个16位原码的表示范围是-32767~32767。“0”在原码中有两种不同的表示方法：“+0”的编码是“00000000”，“-0”的编码是“10000000”。②反码正数，反码和原码相同的负数的反码符号位仍是“1”，其余各位是原码的每一位取反得到的结果。如：（-54）原=10110110（-54）反=11001001n位反码表示的数值范围是-2n-1+1~2n-1-1。如一个8位反码的表示范围是-127~127，一个16位反码的表示范围是-32767~32767。在反码中“0”的表示方法也有两种：“+0”的编码是“00000000”，而“-0”的编码是“11111111”。③补码正数，补码和原码是相同的负数补码符号位仍是“1”，其余各位是原码的每一位取反后再在末位加1得到的结果。如：（-54）原=10110110（-54）补=11001010补码中“+0”与“-0”的编码保持一致补码“+0”的编码是“00000000”，而“-0”的编码是（11111111+1），即“100000000”。由于只允许用8位来表示，故只取后8位，即“00000000”。n位补码可表示的数值范围是-2n-1~2n-1-1。如一个8位补码的表示范围是-128~127，一个16位补码的表示范围是-32768~32767。“变号操作”：不管是正数还是负数，只要把它所有位数取反以后加1，就得到该数的相反数。这样，X-Y就可以变成X+（-Y）。如：“-54”的补码是“11001010”，取反后得“00110101”，加“1”得到“00110110”，正好就是“+54”的补码。*2．实数的表示实数又叫浮点数浮点表示法是指实数在计算机内可以使用阶码和尾数两个部分来表示。阶码是一个整数，用于表示小数点在该数中的位置，阶码位数越多表示数的范围越大。尾数是一个纯小数，用于表示有效数值。10010101.11=100101011.1×2110010101.11=0.1001010111×21000……二进制数在实际表示时，阶码中的指数是十进制数，而不是二进制数。如：10010101.11=0.1001010111×28（1）单精度浮点数存储时占4个字节，即32位