《大学计算机基础》计算机基础知识

大学计算机基础

—教学课件二

教师姓名：李莹

E-Mail:liying@

北京航空航天大学

容提要

一层次二层次

第1章计算机基础知识子课程1:数据库技术基础

第2章计算机系统

子课程2：网页设计与制作

子课程3：数学建模与MATLAB

子课程4：多媒体动画设计

第6章程序设计基础子课程5：软件工程基础

2

第1章计算机基础知识

1.1概述

1.2计算机科学研究与应用

1.3未来计算机的发展趋势

1.4信息的表示与存储

1.5信息技术

2学时

本章重点

■计算机的发展史、特点及应用

■进位计数制及其转换

■原码、反码、补码的概念

■字符和汉字编码

为什么使用计算机?

■原始目的：科学计算

■计算机可以做任何计算吗？

>P问题一Polynomial:计算机可以在多项式时间内计算出准确

结果。

>NP问题一Non-DeterministicPolynomial:计算机不可能在多

项式时间内计算出准确结果，但是可以验证结果是否正确。

■如何区分P和NP?

>根据时间复杂度判定

•在n个数中找到最大值O(n);将n个数从小到大排序O(n2)

•TSP问题O(nn)(枚举)

为什么使用计算机?

■结论：如果算法的时间复杂度是好，那么计算机不能计算准

确结果，只能通过枚举法验证结果是否正确。

6

1.1概述

♦1.1.1电子计算机的产生

♦1.1.2计算机发展的几个阶段

♦1.1.3计算机的特点和应用

♦1.1.4计算机的分类

7

电子计算机的产生

嬲牌曲航湖端算力=电子讲算信久:制

算盘加法器

PascalCharlesBabbage

BlaiseHaSCal1822差分机

ENIACMARKI1833分析机8

第一台电子计算机

ENIAC

＞5000次加法/秒

＞体重30吨

＞占地170M2

＞18800只电子管

＞1500个继电器

＞耗电150KW

＞耗资40万美元

9

著名人物

CharlesBabbageAllanTuringVonNeumann

10

冯・诺依曼机VS图灵机

■冯•诺依曼机

(1)特点：

＞程序和数据用二进制表示;

＞程序存储的概念;

＞计算机由五个基本部分组成：输入、存储、运算、控制、

输出

11

冯诺依曼机VS图灵机

(2)体系结构思想

＞采用存储程序方式；

»存储器是以地址访问的线性编址的一维结构，每个单元

位数固定；

＞指令由操作码和地址组成；

＞通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作；

＞以运算器为中心；

＞数据以二进制表示；

12

冯・诺依曼思想

■冯•诺依曼体系结构

＞控制流

》数据流

13

图灵机

■图灵机

(1)基本思想：用机器模拟人的计算过程：1)在纸上写上或擦

除某个符号；2)把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。

每一阶段，人要决定下一步的动作，依赖于1)人当前所关注的

纸上某个位置的符号；2)人当前思维的状态。

12*3+7-6=?

(2)基本组成：三个部件：一条无限纸带、一个读写头、一个

状态寄存器；一套规则；三个动作：改写当前格、左移一格、

右移一格。

14

图灵机

有限自动机

读/写头

纸带上的符号

纸带

TuringMachine

图灵机

⑶本质：图灵机是一个五元组(K,6,s,H),

>K是有穷个状态的集合；

A2是字母表，即符号的集合；

>SWK是初始状态；

AHWK是停机状态的集合，当控制器内部状态为停机状态

时图灵机结束计算；

>6是转移函数，即控制器的规则集合。

16

图灵机

例子：力表示空格，外表示机器的初始状态，力表示机器的

结束状态，设带子上的输入信息是10100010,读入头位对准

最右边第一个为0的方格，状态为初始状态分。规则如下:

>q101Lq2q110Lq3q^bbN

>qQQLq11L

2292^2q?bbN

>q3QILq210Lq3bbNq4

bb10100010bbb

/~\读一写头

状态

q,控制器

17

图灵机

■计算结果是10100011,即对给定的数加1。

■以上命令计算的是这样一个函数：S(x)=x+lo当没有输入

时，即初始状态所指的方格为空格时，不改变空格符

,读写头不动并停机。

18

图灵机

(4)意义：

＞明确什么是可计算的——有输入、有输出、有变换

＞奠定人工智能基础——机器代替人工作

＞不是具体机器，而是思想模型

19

冯诺依曼机vs图灵机

■图灵机图灵机

＞将计算机械化

A只要符合图灵机的就是可计算的

■冯诺依曼机曼机

＞程序控制

＞有限时间解决有限问题

■注意：可计算和可以在有限时间内精确计算不同。

＞图灵机说明算法能否被机械计算

＞冯诺依曼机说明算法能否在有限时间被准确计算

＞无程序纯硬件实现的算法属于图灵机但不属于冯诺依曼机

20

摩尔定律

transistor

集成电路中晶体管的数量大约每18个月翻一倍。

21

1.1.2计算机发展的几个阶段

电子管一晶体管一集成电路一大规模集成电路

第一代第一代

（1946-1958）（1958~1964）

电子管晶体管

5千~几万（次/秒）几万~几十万

（次/秒）

第三代第四代

（1964~1970）（1971~至今）

中、小集成电路大规模集成电路

几十万~几百万上千万~万亿

（次/秒）（次/秒）

22

津__

一定，・摩尔定律

计多

刖第

单

位

eois

,7519>85199019

晶19

时

10M

体500

(tranmsl

toes)

2000师6)间

管百

,v

1M

m25

Pencil

___执万

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数“Prooe

，一ao4

B6行每

10OK

1.0

aoaae秒

^--§0286的

p_______

1OK

0.1指

Eioao令

0.01

L4004数

计算机的CPU性能

每18个月，集成度将翻一番，速度

将提高一倍，而其价格将降低一半。

电子计算机的发展

集成电路

厂也于元件

隹成电路指包含精细电路的硅晶片，

采用中、小呆有时小于平方厘米，集成电路

1~~一.一厂--=>・

口向3团尸O国像的©0。

规模集成电应用广泛，从简单的记忆电路到包含8®册盟碍理滁

数百万电子元件的中央处理器（CPU）■克。地回同回回黜

路代替了独都是集成电路家族中的一员。

集成电路

立元件晶体；子当回回衿］4@向》回回¥回

管。连接线

塑料底座

24

将电脑浓缩在一颗芯片上

晶75000,000

体

管

数

0.18微米芯片

目

1。微米芯片4004奔腾4

25

1J.3计算机的特点和应用

■计算机的特点

＞高速、精确的运算能力

＞准确的逻辑判断能力

＞强大的存储能力

＞自动功能

＞网络与通信功能

计算机在信息社会中的应用

计算机的应用十分广泛工商：电子商务、AD/CAM

教育：多媒体教育、远程教育!

（彩医药：CAT、MRI、远程医疗

1力、

弋』）:娱乐：虚拟现实、影视特技

政府：电子政府IW、二c，J

J，J

能科研：数据采集、计算分析家庭：家庭信息化庭4

27

计算机的主要应用领域

07丘科学计算其它领域一

1电子商务

^^12.数据处理网络与通信

人工智能

多媒体技术

CAD/CAM/C1MS

I3.实时控制

28

LL4计算机的分类

按速度等指标分类

r专用计算机

按用途及使用范围分类Y

I通用计算机

<=>

29

<A

1.2计算机科学研究与应用

「.人工智能像〜

4.云计算

12.网格计算

13.中间件技术三

30

L3未来计算机的发展趋势

■未来新的一代

■发展趋势

＞模糊计算机

＞巨型化

＞生物计算机

A微型化

＞光子计算机

＞网络化

＞超导计算机

A智能化

＞量子计算机

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1.4信息的表示与存储

♦1.4.1数据与信息

♦122计算机中的数据

♦1.2.3计算机中数据的单位

♦1.2.4进位计数制及其转换

♦125数值的编码

♦1.2.6字符的编码

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1.4.1数据与信息

数据：是信息的载体

信息：数值、文字、语音、图形和图像。

信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理。

输入设备输出设备

数值十/二进制转换内存二/十进制转换数值

------------------------------------------------------A-------------------->

西文Ascn码西文字形码西文

---------------------------->

汉字输入码/机内码转换.汉字字形码汉字

声音、图像模/数转换、数/模转换声音、图像

---------------->

33

1.4.2计算机中的数据

IIENIAC采用十进制

________________________

冯・诺依曼研制IAS时，提

|出了二进制的表示方法

、进制的优点;至

所有元器件只需具有两个不同的稳定状态

运算规则简单

计算机的理论基础是逻辑

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L4.3计算机中数据的单位

位度量数据的最小单位

字节存储容量的基本单位

字长计算机一次能够并行处理的二进制数

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数据的单位

字节1Byte=8bit

千字节1KB=1024B

兆字节1MB=1024KB

吉字节1GB=1024MB

太字节1TB=1024GB

拍字节1PB=1024TB

艾字节1EB=1024PB

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1A4进位计数制及其转换

■进位计数制

■进位制中的三个要素：

＞数码：数制中固定的基本符号

＞基数：某种进位制所包含的的数字符号（或

数码）的个数。N进制的基数是N。

＞位权：在某种进位制中，各数码的位权是以

该进位制的基数为底的幕次方。

例：十进制数9788的基数、各数码的位权分别是多少?

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常用的进位制类型

数制类型基数数码权形式表示

二进制20,121B

八进制80,1,2,3,4,5,6,7810

十进制100,1,2,3,4,5,6,7,8,9101D

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,

十六进制16161H

A,B,C,D,E,F

一不同进制数的表示方法

在该数的后面加上字母B（二进制）、0（八进制）、

D（十进制）、H（十六进制）来表示。

例：（10100101）B表示二进制数。

38

几种不同的进制数的基本符号

-H吐制（D）3制（D）八进制（O）十六进制（H）

0000

1111

21022

31133

410044

510155

611066

711177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15111117F

39

不同进制间的转换

R进制＞■*〈十进制

R进制）一■〈十进制

八进制）—，＜］十六进制

■转换基本原则：

对整数部分和小数部分分别进行转换

40

R进制转换为十进制

十进制

把各个R进制数按权展开求和

弄清进位制中三要素:

数码、基数、位权

41

二进制表示形式

任意一个二进制数B,可表示成如下形式：

=n_1n-2

(B)2Bn_1x2+Bn_2x2+…+B]X2i+B0x2°

2m+1m

+B_]X2T+B_2X2_+・・・+B_m+1x2~+B_mx2"

式中4是数码，其取值范围为0〜1；i为数码的编号(整

数位取n-1〜0,小数位取-1〜-m)；2为基数。

21

例：(110.01)B=1X2+1X2+0X2°

+0X2-1+1X2-2=(6.25)D

42

八进制表示形式

任意一个八进制数Q,可表示成如下形式：

n_1n-2

(Q)8=Qn-ix8+Qn_2x8+…+Qp8i+Q0x8°+Q.p8T

2m+1m

+Q_2X8-+…+Q_m+1x8-+Q_mx8-

式中Q是数码，其取值范围为0〜7；i为数码的编号(整

数位取nT〜0,小数位取-1〜-m)；8为基数。

例：八进制(123.45)o=l*82+2X81+3X8°

+4X8T+5X8—2

=(83.578125)D

43

十六进制表示形式

任意一个十六进制数H,可表示成如下形式：

n2

(H)16=Hn-iX16nT+Hn_2xl6-+…+H0xl60

2m+1ffl

+H_ixl6T+H_2X16-+・・,+H_m+1xl6-+H_mxl6-

式中均是数码，其取值范围为0〜F；i为数码的编号(整数

位取nT〜0,小数位取T〜-m)；16为基数。

例：十六进制(123.45)/1义162+2X161+3X16。

+4X16T+5X16-2

二(291.26953125)D

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十进制表示形式

任意一个十进制数D,可表示成如下形式：

(D)=Dn_ixion_1+D_xlOn-2+・・・+DiXlO1+DxlO°

10J.V11X11Cni21.Vo

-1-2m+1-m

+D-iXlO+D_2X10+■­-+D_m+1xlO~+D_mxlO

式中以是数码，其取值范围为0〜9；i为数码的编号(整数

位取nT〜0,小数位取-1~-111)；10为基数。

21

例：(123.45)D=1X10+2X10+3X10°

2

+4X10T+5X10-=(123.45)D

45

练习

例把下面的二进制数转换成十进制数

(1101.101)B

=lx23+lx22+0x21+1x20+1X2-1+0x2-2+lx2-3

=8+4+0+l+0.5+0+0.125

二(13.625)D

46

练习

例把下面的八进制数转换成十进制数。

2-123

(456.124)0=4x8+5x81+6x8°+lxS+2x8-+4x8-

=256+40+6+0,125+0.03125+0.0078125

二(302.1640625)D

例把下面的十六进制数转换成十进制数。

3212

(32CF.48)H=3xl6+2xl6+CxlG+Fxl60+4*16一】+8xl6-

=12288+512+192+15+0.25+0.03125