第1章 计算机基础知识

第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识1.1计算机的发展1.2计算机的应用领域1.3计算机系统的组成及工作原理1.4数据在计算机内的表示第一章计算机基础概论计算机是一种能快速、高效地对各种信息进行存储和处理的电子设备。具有以下几个特征：⑴运算速度快⑵计算精度高⑶具有记忆能力和逻辑判断能力⑷程序运行自动化第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识前言计算机的发展已历经了60多个春华秋实。60余年在人类的历史长河中只是一瞬间，然而这种工具却彻底改变了我们的生活。回顾计算机发展的历史，并依此上溯它的起源，真令人惊叹沧海桑田的巨变；历数计算机发展史上的英雄人物和跌宕起伏的发明故事，给我们留下了长久的思索和启迪。请随着我们的史话倒转时空，从计算机最初的源头说起。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识内容早期计算工具机械式计算机机电式计算机电子计算机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识人类最早的“计算工具”是手指。远古时代，我们的祖先用手指来帮助计数；英文单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”。一、早期计算工具第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识中国古书中记载的“上古结绳而治”；拉丁文中“Calculus”的原意是用于计算的小石子；绳子、石子的用途：延长手指的计算能力和存储能力。一、早期计算工具第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识“运筹帷幄之中，决胜千里之外。”我国古代劳动人民最先创造和使用了“算筹”这种计算工具。南北朝时期，祖冲之用算筹作为计算工具将圆周率精确到3.1415926和3.1415927之间，这个结果比西方早了近一千年。一、早期计算工具第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识一、早期计算工具算盘：一种用位置(行或列)表示数位的计算工具。算盘珠放在不同列上表示不同的数值，位与位之间没有数据的机械传送。我国古代劳动人民创造的,计算工具发展史上第一次重大改革。在英语中，算盘有两种拼法：abacus和Suan-Pan。算盘由算筹演变而来，并且和算筹并存竞争了一个时期，终于在元代后期取代了算筹。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识手动式计算工具——计算尺数学原理：根据对数原理，在两个圆盘的边缘标注对数刻度，然后让它们相对转动，基于对数原理用加减法来实现乘除运算。18世纪末，瓦特在尺座上添置了一个滑标。1621年对数计算尺：英国人发明。一、早期计算工具第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识17世纪,随着机械装置的发明和发展,有人设想利用杠杆、齿轮、盘、轮和轴等各种机械零件组成的装置，通过它们的一定运动能执行算术运算,从而实现了机械式计算装置。限于当时的制造工具、工艺水平和操作能力,最初开发的装置较原始和粗糙,但毕竟前进了一大步,开始了初步、低级的自动计算的历程。机械式计算机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识帕斯卡（BlaisePascal1623-1662）法国数学家和哲学家，19岁时发明了加法器。二、机械式计算机——帕斯卡加法器背景：钟表技术、齿轮技术。帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识帕斯卡的加法器是一种系列齿轮组成的装置，外形像一个长方盒子，旋紧发条后才能转动，只能做加法和减法。1649年获皇家专利，谈到“主要的发明和重大的进展在于：某一位的小轮或轴完成了十个数字的转动，使下一位小轮转动一个数字。”启示：可以用机械工具来模拟人的思维活动。二、机械式计算机——帕斯卡加法器第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识莱布尼磁(GottfriedWilhelmLeibniz，1646~1716)，德国哲学家、数学家。帕斯卡撰写的关于加法计算机的论文，使被称为“西方文明最伟大的人物之一”的莱布尼茨（G.Leibnitz）醍醐灌顶，勾起强烈的发明欲。二、机械式计算机——莱布尼兹四则运算器第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识工作原理同帕斯卡加法器，能进行四则运算。除采用一般机械零件外，主要发明了阶梯形轴，第一次实现了带有可变齿数的齿轮，从而保证完成乘除法。乘法运算采用进位-加，后来演化为二进制，被现代计算机采用。二、机械式计算机——莱布尼兹四则运算器第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识查尔斯．巴贝奇(CharlesBabbage,1791～1871)，英国数学家。二、机械式计算机——巴贝奇差分机1822年发明差分机。背景：英国工业革命，航海和天文计算。差分机原理：任何连续函数都可以用多项式严格地逼近，例如：!7!5!3)sin(753xxxxx采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据使计算工具从手动机械跃入自动机械。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识巴贝奇被认为是“计算机时代的鼻祖”，“计算之父”，他研制的差分引擎原型机和设计的分析引擎(AnalyticalEngine)，按今天的标准，他采用的技术是够原始的，但他的思想远远超前于他的时代。现代计算技术留有他的思想的烙印。他的兴趣广泛、富于想象，勇于探索、不断创新，以对科学执着的精神，为计算科学和技术的发展做出了杰出的贡献。二、机械式计算机——巴贝奇分析机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识巴贝奇的分析引擎仅是他的思想，因没有得到财政支持,他始终没有建成。1906年他的大儿子享利P·巴贝奇得到R.W.门罗的帮助，按其设计建造了加工器，证明运转正常。二、机械式计算机——巴贝奇分析机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识机电式计算机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识背景机械式计算器的发展已有近三百年的历史，机器结构日益完善，功能与性能不断取得进展。精密机械制造技术与工艺水平不断提高。机械式计算器速度慢。机械式计算器在计算时要手工操作(如手摇计算器)，操作员费力，劳动强度大。十九世纪电能的使用已逐步推广。计算需求日益增长。从而产生机电式计算器：利用电脉冲输入数据和控制；利用电力传动。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识三、机电式计算机——制表机制表机：美国人发明。背景：机电技术、美国人口普查，参与了美国1890年的人口普查工作。第一台可以自动进行加减乘除运算、累计存档、制作报表的机电式计算工具。输入、输出、存储均用穿孔卡片。人类历史上第一次利用计算工具进行大规模数据的自动处理。1886年第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识Z-1计算机：德国人发明。先后研制出Z-2、Z-3、Z-4。第一台采用二进制和继电器的通用程序计算机。二进制、浮点记数法、带存储地址的指令等思想已经有人提出，但朱斯第一次将这些思想具体实现。1938年三、机电式计算机——z系列第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识1941年，朱斯向德国政府申请基金用来建造计算机，用于破译敌人的密码，德国政府没有批准。与此同时，英国政府秘密组建一个由科学家和工程师组成的绝密小组，1943年，图灵等人研制成功Colossus（巨人计算机），使得英国军方能够窃取并破译德国的军事情报。1943年三、机电式计算机——巨人计算机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识三、机电式计算机——MARK-IMARK-I：美国人发明，1944年研制成功。哈佛大学数学教授霍华德·艾肯在读过巴贝奇和爱达的笔记后，被巴贝奇的远见卓识所震惊，提出用机电的方法，而不是纯机械的方法来实现分析机。第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识电子计算机第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识电子管诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。真空三极管不仅具有放大功能，还可充当开关器件，其速度要比继电器快成千上万倍。计算机的历史也由此跨进电子的纪元。时值战火纷飞的二次世界大战关键时期，战争对大量军用数据计算的计算需求像一只有力的巨手，给计算机的诞生铺平了道路。背景第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识莫克利埃克特1943年ENIAC：美国人发明。背景：军械部为计算弹道和射击表启动的计划，宾夕法尼亚大学。四、电子计算机——ENIAC第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识1946年2月在宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC。18000个电子管构成重达30吨占地170平方米启动工耗160千瓦保存80个字节每秒5千次加、减法运算价值40万美元ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator四、电子计算机——ENIAC第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识四、电子计算机——ENIAC第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识ENIAC机器表面布满电表、电线和指示灯，电子管平均每隔7分钟就要被烧坏一只，必须不停更换。ENIAC的运算速度超出Mark至少1000倍。一条炮弹的轨迹，20秒钟就能被它算完，比炮弹本身的飞行速度还要快。ENIAC标志着电子计算机的创世，人类社会从此大步迈进了计算机时代的门槛，使得人类社会发生了巨大的变化。ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术。ENIAC机本身存在两大缺点：（1）没有存储器；（2）它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也就被这一工作抵消了。四、电子计算机——ENIAC第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识约翰·冯·诺依曼，美籍匈牙利数学家（JohnVonNeuman，1903－1957）计算机体系结构：1.计算机由五大部件构成；2.采用二进制；3.提出“程序存储控制”理论。1946年~1952年，研制第一台设计的存储程序式电子计算机：EDVAC。四、电子计算机——EDVAC第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识电子管计算机电子管25瓦灯泡第一代：电子管计算机(1945-1956)1、主要特点：以电子管为主要逻辑元件2、主要用途：进行复杂的科学运算四、电子计算机的发展史第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第二代：晶体管计算机(1956-1963）1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。四、电子计算机的发展史第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第三代：集成电路数字计算机(1964-1971)1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统集成电路板体积变小，功耗更低价格降低运算速度提高应用领域进一步扩大四、电子计算机的发展史第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971-现在)体积越来越小四、电子计算机的发展史开始运用鼠标进行可视化操作第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识功能越来越强大价格越来越低计算能力越来越强大第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971-现在)四、电子计算机的发展史第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识从电子技术的角度划分由于计算机仍然在使用电路板，仍然在使用微处理器，仍然没有突破冯·诺依曼体系结构，所以，我们还不能为这一代计算机画上休止符。1946年1959年1965年1971年第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机四、电子计算机的发展史第1章计算机基础知识第1章计算机基础知识第1章计