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计算机导论

计算机导论. 朱晓丽. 课程要求. 考勤及作业: 30% 期末 ( 70% ) 上机考: 30% 试卷成绩: 70%. 教学安排. 一、理论知识; 二、实用技术; 三、上机操作。. 计算机发展简史. 结绳记事; 算筹; 算盘。. 计算机发展简史. 1 、  Aristotle( 前 384-322) :古希腊伟大的哲学家、思想家, Plato 的学生。为形式逻辑奠定了基础,成为一切推理活动的基础和出发点。 我国处于战国时代。

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Presentation Transcript


  1. 计算机导论 朱晓丽

  2. 课程要求 • 考勤及作业:30% • 期末(70%)上机考:30% • 试卷成绩:70%

  3. 教学安排 • 一、理论知识; • 二、实用技术; • 三、上机操作。

  4. 计算机发展简史 • 结绳记事; • 算筹; • 算盘。

  5. 计算机发展简史 1、  Aristotle(前384-322):古希腊伟大的哲学家、思想家,Plato的学生。为形式逻辑奠定了基础,成为一切推理活动的基础和出发点。我国处于战国时代。 2、  Schichard(1592-1635):德国数学家。1624年在海德堡大学研制成功了可进行+、-、*、/的计算钟,采用类似于今天机械钟表的技术实现计算。我国处于明朝天启末年,阉党魏忠贤专权。

  6. 3、 Pascal(1623-1662):法国数学家、物理学家和哲学家。1642年发明了机械手动计算器,可做+、-法。我国处于明朝崇祯末年,李自成农民起义,满清威胁中原。3、 Pascal(1623-1662):法国数学家、物理学家和哲学家。1642年发明了机械手动计算器,可做+、-法。我国处于明朝崇祯末年,李自成农民起义,满清威胁中原。 4、Leibnitz(1646-1716):德国伟大的数学家、哲学家。把形式逻辑符号化,提出了数理逻辑和二进制。1673年还建造了一台能进行四则运算的机械计算机器。我国处于清朝康熙年间,该年康熙开始平三藩。

  7. 5、 Boole(1815-1864):英国数学家、逻辑学家。提出了布尔代数,传统代数能解决的问题布尔代数也能解决,反之则极为困难。5、 Boole(1815-1864):英国数学家、逻辑学家。提出了布尔代数,传统代数能解决的问题布尔代数也能解决,反之则极为困难。 6、 Babbage(1791-1871):英国数学家。1822年发明了能自动完成四则运算的自动机械计算机器——差分机器,利用穿孔卡片来编制程序进行自动控制。Ada从1842年起为Babbage编制程序,成为人类历史上第一位程序员。 我国处于清朝道光-咸丰年间,鸦片战争、卖国条约和太平天国。

  8. ADA,我亲爱的女儿 英 · 拜伦 你的脸真像你的母亲, 我的宝贝。 我最后看一眼你笑意盈盈的蓝眼睛,我们三人何时才能再聚首? Ada(1815-1853):人类第一位程序员,英国著名浪漫派诗人拜伦的女儿。

  9. 7、 Hollerith(1860-1929):美国工程师。1884年制造了第一台电动计算机。我国处于清朝光绪年间,帝后党争、卖国求荣。 8、 Godel(1906-1978):奥地利数学家。30年代研究了数理逻辑中一些根本性的问题,提出了Godel不完备性定理,他让人们知道有些事情是做不到的。我国处于民国内战时期和抗战初期。

  10. 9、  Turing(1912-1954):英国数学家。30年代提出了理想计算机的数学模型(计算模型)——图灵机,为存储程序式电子数字计算机奠定了重要理论基础。 10、  Zuse(1910-1995):德国工程师。1941年完成了一台全自动控制的机电式计算机,全部使用继电器构造。我国处于抗战最艰苦时期。

  11. 11、 Von Neumann(1903-1957):匈牙利数学家。 1945年6月,提出了存储程序的概念( Von Neumann 机)。法西斯投降,我国抗战胜利。 12、1946年:人类第一台电子数字式计算机ENIAC在宾夕法尼亚大学诞生。存储程序思想在其中发挥了关键作用。我国三年内战爆发。

  12. 第一代计算机(电子管) • 1946~1957, 由Vacuum Tube制作开关逻辑部件, 使用 Plugboard操作。第一代计算机的典型代表是ENIAC和EDVAC。

  13. ENIAC • ENIAC:于1946年2月14日在宾西法尼亚由莫克利和艾克特领导下完成。 • 占地170平方米 • 重 30吨 • 功率 150千瓦 • 18800个电子管、6000个开关、 7000个电阻、 10000个电容、50万条导线 • 5000次加法/秒。

  14. ENIAC

  15. 第二代计算机(晶体管) • 第二代计算机形成于1958~1964, 使用Transistor 制作开关逻辑部件, 以 批处理方式操作, 运算速度达到每秒几十到几百万次,开始使用汇编语言和Fortran等高级语言。

  16. 第三代计算机(集成电路) • 第三代计算机形成于1965~1972, 使用IC (Integrated Circuit, 集成电路)制作开关逻辑部件, 配有功能简单的操作系统, 运算速度达到每秒几百万到几千万次。

  17. 第四代(大规模集成电路) • 从1972至今的计算机都属于第四代计算机, 使用大规模集成电路和超大规模集成电路制作开关逻辑部件。 • CPU发展有:8088, 8086, 80286, 80386, 80486, 80586, Pentium, Pentium Pro,PII,PIII,P4……等

  18. P4中央处理器(CPU) --4200万个晶体管

  19. 14亿个晶体管

  20. 电子管 特征 项 目 第一代 1946—1957 第二代 1957—1964 第三代 1964—1972 第四代 1972—至今 逻辑元件 晶体管 中小规模集成电路 大规模与超大规模集成电路 存储器 延迟线,磁鼓,磁芯 磁芯,磁带,磁盘 磁芯,磁盘,磁带 半导体,磁盘,光盘 典型机器 举 例 IBM—701 IBM—650 IBM—7090 IBM—7094 IBM—370(大型) IBM—360(中型) PDP—11 (小型) ILLIAC—IV 巨型 IBM—3033 大型 VAX—11 小型 80486 微型 8098 单片机 年代 软 件 机器语言 汇编语言 高级语言 管理程序 结构化程序设计 操作系统 数据库,软件工程 程序设计自动化 应 用 科学计算 数据处理 工业控制 科学计算 系统模拟,系统设计大型科学计算 科技工程各个领域 事务处理,智能模拟,大型科学计算,普及到社会生活各个方面

  21. 计算机的发展动向 • 多极化 • 网络化 • 智能化 • 多媒体化

  22. 计算机分类 • 巨型机 • 小巨型机 • 工作站 • 主机 • 小型机 • 个人计算机 个人计算机中的台式机

  23. 笔记本电脑(便携式电脑) 服务器

  24. 未来的计算机 • 光子计算机: • 人们对光子计算机的设想是:1)根据光学空间的多维特性,为计算机设计新的逻辑结构和运算原理。2)充分利用光子元件体积小,传送信息速度快的特点,用超高速大容量的光子元件替代目前计算机中使用的硅化学元件,用光导纤维或光波代替普通金属导线。

  25. 未来的计算机 • 仿生计算机: • 仿生计算机的设计思路与光子计算机有异曲同工之妙:1)通过对生物的脑和神经系统中信息传递、信息处理等原理的进一步研究,设计全新的仿生模式计算机,并与人工智能的研究相互借鉴、共同发展。2)模拟生物细胞中的蛋白质和酶等物质的产生过程,制造出仿生集成芯片来替代目前计算机中使用的半导体元件。

  26. 计算机的特点与应用 • 计算机特点 • 运算速度快 • 记忆能力强 • 可靠的逻辑判断能力 • 工作自动化

  27. 计算机的特点与应用 • 计算机的性能指标 • 主频(450MHz、2.0GHz) • 字长(8位、16位、32位、64位...) • 内存容量(64MB、128MB、256MB) • 存取周期(ns 纳秒) • 运算速度(MIPS 每秒执行百万指令)

  28. 计算机的特点与应用 • 计算机的应用 • 科学计算机 • 自动控制系统 • 数据处理与信息加工 • 计算机辅助系统 • 人工智能

  29. 计算机内的信息表示 • 数制及其特点 • 10进制 • 7进制(星期) • 12进制(每年十二个月) • 24进制 • 二进制(只有0和1)

  30. 二进制的概念 00 01 10 11 0 1 两位二进制所能表示的状态 一位二进制的状态 1个比特 Bit 状态数 22 = 4 种

  31. 23 = 8 三位二进制可表示的状态 = ? 24 = 16 四位二进制可表示的状态 = ? 28 = 256 八位二进制可表示的状态 = ? Byte 字节 = 8 个 Bit

  32. 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 二进制加法(逢二进一) 0至15的二进制 0 + 0 = 0 + 1 = 1 + 1 = 0 1 10 ( 110 + 011)2 = ? 6 3 9 1 1 0 0 1 1 +________ 1 0 0 1

  33. 八进制 1、2、3、4、5、6、7、10、11、12、13.... ( 32 )8 = ( 26 ) 10 十六进制 1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F、 10、11、12、13.... ( 25 ) 16 = ( 37 ) 10

  34. 不同数制之间的转换 二进制转十进制 ( 1101 ) 2= 1 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 1 x 8 + 1 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1 = 8 + 4 + 1 =( 13 )10 八进制转十进制 ( 32 ) 8 = 3 x 81 + 2 x 80 = 24 + 2 = ( 26 )10 十六进制转十进制 ( 25 ) 8 = 2 x 161 + 5 x 160 = 32 + 5 = ( 37 )10

  35. 十进制转二进制 整数部分采用除2取余法 例:(13)10 = ( ? )2 2 13 2 6 1……a0 2 3 0……a1 2 1 1……a2 0 1……a3 = ( 1101 ) 2

  36. 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 八进制、十六进制转为二进制 (只要把每位的八或十六进制数展开为3位或4位进进制数即可) ( 53 )8 = ( 101 011 )2 ( A85 )16 = ( 1010 1000 0101 )2 为二进制转八进制、十六进制 (按三位或四位一组转为八或十六进制数即可) ( 11101 )2 = 011 101 =( 3 5 )8 ( 11101 )2 = 0001 1101 = ( 1D )16

  37. 二进制运算 • 算术运算:逢2进1 • 逻辑运算: • 与(AND)运算(A^B) • 或(OR)运算(AvB) • 非(NOT)运算(¯)

  38. 逻辑运算的真值表

  39. 5.原码、补码与反码 • 原码(机器数): • 最高位为数符:0表正,1表负。 • 反码:正数反码同原码;负数反码除符号位外其余全部取反。 • 补码:正数补码同原码;负数补码为反码加1。

  40. 6.数的定点与浮点表示 • 定点表示:小数点位置事先定好不变 • 定点整数:规定小数点在最低数字后 • 定点小数:规定小数点在最高数字左边 • 浮点表示:小数点位置浮动 • N=M*2E, M为尾数,E为阶码 • 存储格式: 阶符+阶码 +数符+ 尾数

  41. (1)整数的表示(定点整数) 符号位:1 表示负数 0 表示正数 • 定点整数的机器表示分为原码、反码和补码三种形式

  42. 定点正数表示举例 X = - 90(十进制真值) = - 1011010 (二进制真值) 用八位二进制表示 [X]原 = 1 1011010 [X]反 = 1 0100101 [X]补 = 1 0100110 负数的符号位为1,原码数值部分是该数绝对值的二进制表示、反码数值部分是原码各位变反,补码的数值部分是在反码的基础上加1。 X = + 90(十进制真值) = 1011010 (二进制真值) 用八位二进制表示 [X]原 = 0 1011010 [X]反 = 0 1011010 [X]补 = 0 1011010 正数,其原码、反码和补码的形式是完全一致的。

  43. (2)小数的表示(定点小数) 符号位:1 表示负数 0 表示正数 • 定点小数绝对值均小于等1, • 定点小数的机器表示分为原码、反码和补码三种形式

  44. 定点小数表示举例 X = - 0.8125(十进制真值) = - (2-1+ 2-2 + 2-4 ) = - 0.1101 (二进制真值) 用八位二进制表示 [X]原 = 1 1101000 [X]反 = 1 0010111 [X]补 = 1 0011000 负数的符号位为1,原码数值部分是该数绝对值的二进制表示、反码数值部分是原码各位变反,补码的数值部分是在反码的基础上加1。 X = + 0.8125(十进制真值) = 2-1 + 2-2 + 2-4 = 0.1101 (二进制真值) 用八位二进制表示 [X]原 = 0 1101000 [X]反 = 0 1101000 [X]补 = 0 1101000 正数,其原码、反码和补码的形式是完全一致的。

  45. (3)浮点数的表示 25.75 = 11001.11 (二进制真值) = 0.1100111x 10 101(二进制) 阶和尾数均用补码表示,结果为: 010101100111

  46. 7. 信息单位 • 比特:Bit,二进制位,指0或1。 • 字节:Byte,8个比特。 • 字:指CPU能同时处理和传送的数据单位。 • 字长:字的长度,即CPU能同时处理数据的二进制数位数。字长为字节的整数倍。 • 通常1个字符占1b,1个汉字占2b • 1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB

  47. 8. ASCII码 • ASCII: 美国信息交换标准码(每一个符号用7位二进制数表示,见表1-4,) • 1个字节(8位)存放1个 ASCII码(7位),最高位通常为校验位,以提高信息传输的可靠性.

  48. 765 4321 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 NUL DLE SP 0 @ P ′ p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 ” 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 ACK SYN & 6 F V f v 表1-4 7位ASCII码表

  49. 765 4321 000 001 010 011 100 101 110 111 0111 BEL ETB ’ 7 G W g w 1000 BS CAN ( 8 H X h x 1001 HT EM ) 9 I Y i y 1010 LF SUB * : J Z j z 1011 VT ESC + ; K [ k { 1100 FF FS , < L \ l | 1101 CR GS – = M ] m } 1110 SO RS . > N ↑ n ~ 1111 SI VS / ? O ↓ o DEL

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