第1节计算机概述

为纪念图灵对计算机的贡献， 美国计算机博物馆于1966年 设立了“图灵奖”
计算机的体系结构
➢ 冯·诺依曼结构（程序存储式电子数字自 动计算机方案）— 计算机硬件体系结构 由五个基本部件：输入器、输出器、控 制器、运算器和存储器组成。
➢ “二进制”表示数据和指令,采用”程序 存储”的控制方式.
冯·诺依曼理论要点
思考：计算器和计算机的区别。
1.1 计算机发展史
1. 早期计算工具的发展 2. 现代计算机的产生 3. 现代计算机的发展
早期人类追求的计算工具
加法器
Charles Babbage
1642 Blaise Pascal 1822 差分机
电子计算机时代
ENIAC
MARK I
1833 分析机
早期计算机
下一代计算机
(1) 智能计算机：它是一种有知识、会学习、能推理的计算机， 具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，它可以利 用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并 得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知 识的能力。
超导计算机：
超导计算机：是使用超导体元器件的高速计算机。所谓 超导，是指有些物质在接近绝对零度(相当于-269摄氏度) 时，电流流动是无阻力的。这种电脑的耗电量仅为用半 导体器件制造的电脑所耗电量的几千分之一，它执行一 个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。
计算机辅助教学(CAI ) ，计算机辅助制造 (CAM) ，计算机辅助测试（CAT) 等。 人工智能(AI)
1.2.2 计算机系统的分类
1.3 数制及基本数据单位
1. 数制的概念 2. 数制转换 3. 基本数据单位
1.3.1 数制的概念
数制:也称计数制度，是指用一组固定的符号 和统一的规则来表示数值的方法。 一般情况下，人们习惯于用十进制来表示数， 即用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个 符号的规则使用来表达数。然而，我们能不 能用0和1这两个数来表达数？还有没有其它 方式来表达数？
微处理器集成度发展示意图
晶 体 管 数 目
2,300
420,000,000
0.18微米芯片
0.10微米芯片4004
奔腾4
1.2 计算机基本功能
1. 计算机的主要应用领域 2. 计算机的分类
1.2. 1 计算机的主要应用领域
科学计算 数据处理，如管理信息系统（MIS），资源规划
系统（MRP）和电子信息交换系统（EDI）等。 自动控制 计算机辅助工程 ，如计算机辅助设计(CAD ) ，
年份 1946~1953 1954~1964 1965~1970
1971~今 新一代
电路 电子管 晶体管
特点 磁鼓、磁带 磁芯、磁盘
集成电路
终端访问
大、超大规模 集成电路
个人计算机
突破冯·诺依曼式的计算机结构
未来新一代计算机
➢ 超导计算机 ➢ 量子计算机 ➢ 光子计算机 ➢ 生物计算机 ➢ 神经计算机
数值
带符号数的定点数表示 1 0 1 0 1 1 0 0
小数点 定点小数
S 定点整数
符号位 “0”表示正 、 “1”表示 S负
小数点
无符号位
浮点数表示
阶符 阶码 数符 尾数
定点整数
定点小数
规格化的形式：尾数的绝对值 大于等于0.1并且小于1，从而 唯一地规定了小数点的位置。
110.011(B)==0.110011×2+11
2 50 0
2 25 0
2 12
1
26
0
23
0
1
1
0
1
0.345 2
0.690 2
1.380 2
0.760 2
1.520
2 1.04
8 100
8 12
4
81
4
0
1
16 100
16 6
4
0
6
100=144Q=64H=1100100B
数制转换
3. 八进制和十六进制转化成二进制 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。
21世纪高等学校计算机科学与技术规划教材
大学计算机科学基础
课件改编：江汉大学 2012.8.
第一章 计算机概述
1.1 计算机发展史 1.2 计算机基本功能 1.3 数制 1.4 数据在计算机中的表示与存储
什么是现代计算机？
计算机是一种无须人工干预，能对各种信 息进行存储和快速处理的电子设备。
现代计算机是电子驱动的，其本质特征是 存储控制，即将事先编好的“程序”（指令 和数据）存入“存储器”中，然后计算机就 可以按照程序步骤自动连续执行。
经过特殊培养后制成的生物芯片
神经网络计算机
模仿人的大脑判断能 力和适应能力，并具 有可并行处理多种数 据功能的神经网络计 算机。
它本身可以判断对象的 性质与状态，并能采 取相应的行动，而且 它可同时并行处理实 时变化的大量数据， 并引出结论。
大规模神经集成电路进行检测
摩尔定理
单
晶 体 管 数
位
时
约瑟夫逊超导元件，使用铌系列超导材料
生物计算机
科学家发现，蛋白质有开 关特性，用蛋白质分子 作元件制成集成电路， 称为生物芯片。使用生 物芯片的计算机称为蛋 白质电脑，或称为生物 电脑。用蛋白质制造的 电脑芯片，存储量可以 达到普通电脑的10亿倍。 生物电脑元件的密度比 大脑神经元的密度高 100万倍，传递信息的 速度也比人脑思维的速 度快100万倍
间百
执
万 条
/
行每
的秒
指
令
数
每18个月芯片能力增长一倍。
微型计算机的产生和发展
计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化和智能化。
时代 第一代 第二代
第三代
第四代
时间 1972年 1973年
1978年
1985年 起
位数 8位 8位
16位
32位
代表性芯片
Intel 8008
Intel 8085 M 6800(M otorola) Z 8 0 (Z ilo g ) Intel 8086 M 68000(M otorola) Z 8 0 0 0 (Z ilo g ) Intel 80836 Z80000 H P -32 N S -16032 Pentium 系 列
程序+ 数据
反 馈 信 号
输入 设备
请响 求应 信信 号号
运算器
存 取数 数
（内）存储器
指 地令 址
控制器
数据流
操
控制流
作
命
令
输出 处理 设备 结果
响请 应求 信信 号号
1.1.2 现代计算机的发展
1. 现代计算机发展的5个时代 2. 微机的产生
现代计算机发展的5个时代
时代 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代
数制转换
2. 十进制转化成 r 进制
整数部分：除以 r取余数，直到商为0，余数从右 到左排列。 小数部分：乘以 r取整数，整数从左到右排列。
整数部分：除以 r取余数，直到商为0，余数从右 到左排列。 小数部分：乘以 r取整数，整数从左到右排列。
例 100.345=110~0100.01011B
2 100
存储程序工作原理
计算机的两个基本能力：一是能够 存储程序，二是能够自动地执行程序。
计算机是利用“存储器”（内存）
来存放所要执行的程序的，而称之为
CPU的部件可以依次从存储器中取出程
序中的每一条指令，并加以分析和执行，
直至完成全部指令任务为止。
John von Neumann 冯•诺依曼
冯·诺依曼结构框图
使用两个字节长度的编码，即用两个ASCII码 表示一个汉字 。
共收录了6763个常用汉字和682个非汉字字
符(图形、符号)，其中一级汉字3755个，以
编码形式：七位二进制数表示 编码个数：共 27=128 个。 编码次序：从小到大：空格、数字、大写、 小写 表示对象：字符（如‘A’，‘1’，NUL等） 表示方法：
‘A’：0100 0001 (一个字节8Bit)
ASCII码
ACSII码(American Standard Code for Information Interchange)
计算机是使用相应的程序来完成任何设定好 的任务。
需要：
图灵机是一种思想模型，
（1）存储器，用于贮存它计由算三结部果分；组成：
（2）一种语言，表示运一算个和控数制字器；，一条可以无限延
(3)扫描；
伸的带子和一个在带子上左右
（4）计算意向，即在计移算动过的程读中写下头一。步打算做什么；
（5）执行下一步计算
0 11 0
110011
N= 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
带符号数的表示
假定一个数在机器中占用8位。
(1) 原码 [X]原=
(2)反码 [X]反=
0X 0<=X +7： 00000111
1|X| X<=0 0X 0<=X 1|X| X<=0
- 7： 10000111 +7： 00000111 -7：11111000
1.3.3 基本数据单位
一个二进制位称为一个bit，即一个比特。 8bit称为一个Byte，即一个字节。
一般用Byte作为存储量或数据量计算的基 本单位。另外，存储量或数据量常用计量单 位还有KB，MB，GB和TB，其关系如下：
1KB=1024B=210 Byte 1MB=1024KB=220 Byte 1GB=1024MB=230 Byte 1TB=1024GB=240 Byte
数制
十进制(D)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
二进制(B)
0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
八进制(O)
0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17
ASCII码
注意： ⑴十进制数字的ASCII码与它们的二进制值的区
别； ⑵已知某字符的ASCII码，求另一字符的ASCII
码。
1.4.3 汉字的表示方法
汉字编码包括： 国标码 机内码 输入码 字形码
国标码
1980年我国颁布了《信息交换用汉字编码字 符集·基本集》代号为( GB2312－80)，是国 家规定的用于汉字信息处理使用的代码依据， 这种编码称为国标码。
1.4 数据在计算机中的表示
1. 数值数据的表示 2. 西文字符数据的表示 3. 汉字的表示 4. 多媒体数据的表示
1.4.1 数值数据的表示（简）
纯二进制数形式，如定点数、浮点数、 机器数（原码、反码、补码）Βιβλιοθήκη Baidu等。
BCD码 即1个十进制位用4个二进制位表述。 如50D=0101 0000B
1.3.2 数制转换
1、 r 进制转化成十进制
an ...a1a0.a-1...a-m (r) = a*rn + …+ a*r1 + a*r0 +a*r -1+...a*r -m
10101(B)=24+22+1=21 101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75 101(O)=82+1=65 71(O)=78+1=57 101A(H)=163+16+10＝4106
2C1D(H)=0010 1100 0001 1101(B) 2 C1 D
7123(O)=111 001 010 011(B) 7123
数制转换
4. 二进制转化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) 36 F D4 1 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O) 15 5 6 6 5
128个常用字符，用7位二进制编码，从0到127
控制字符：0～32，127；普通字符：94个。例如：
“a”字符的编码为1100001，对应的十进制数是97；
换行
0AH
10
回车
0DH
13
空格 ‘0’～‘9’ ‘A’～‘Z’ ‘a’～‘z’
20H 30H～39H 41H～5AH 61H～7AH
32 48～57 65～90 97～122
十六进制(H)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
数制
在表述数制的时候，通常我们采用如下方法。 1、在数字的后面，用特定字母表示该数的进制。
二进制B，十进制D(可省略)，八进制Q或O， 十六进制H。如16，10000B，20Q，10H。
2、也可以用( )基数的形式表示不同进制的数， 如(16)10，(10000)2，(20)8，(10)16。
(3)补码 [X]反=
0X 0<=X +7： 00000111 1|X|+1 X<=0 - 7：11111001
+0：00000000 - 0：10000000 +0：00000000 - 0：11111111 +0：00000000 - 0：00000000
1.4.2 西文字符的表示
ASCII码： 美国标准信息交换码