蘇州大學計算機科學與技術學院第1章計算機概述目錄概述計算機中數的表示計算機系統(tǒng)概述1231.1概述從原始的計數工具到計算機

電子計算機開始是作為計算工具研制的。從最初的計算工具發(fā)展到現(xiàn)代計算機經歷了數千年。

計數工具從手到石子、貝殼、繩結、木棒到算盤。1.1.1計算機的產生與發(fā)展最早的計算尺是英國人奧托里發(fā)明的。

1944年，美國哈佛大學霍華德.艾肯(HowardAiken博士在IBM公司的支持下,研制成功了自動程控計算機，的出現(xiàn)預示著計算機由手工操作向電動控制的轉變。第一臺電子數字計算機的誕生

第一臺電子數字計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer—埃尼阿克）于1946年誕生。它由美國賓夕法尼亞大學研制的。它每秒可進行5000次運算，使用了18800個電子管，占地170平方米，重達30噸，用電功率140千瓦小時，價格45萬美元。

ENIAC的問世表明了電子數字計算機時代的到來，具有劃時代的意義。1951年研制成功UNIVAC（UNIVerzalAutomaticComputer通用自動計算機）-第一款商用計算機3．電子計算機的發(fā)展人們按照計算機主機所使用的元器件為計算機劃代。一般將計算機的發(fā)展劃分為四代。（1）第一代計算機（20世紀40年代中期~50年代末期）第一代計算機的基本電子元件是電子管，主要用于軍事和科學研究，進行科學計算工作。（2）第二代計算機（20世紀50年代中、后期~60年代中期）第二代計算機的基本電子元件是晶體管。這個時期的計算機不僅用在軍事和尖端技術上，還廣泛應用在工程設計、數據處理、事務管理等方面。（3）第三代計算機（20世紀60年代中期~70年代初期）第三代計算機的基本電子元件是中小規(guī)模集成電路。（4）第四代計算機（20世紀70年代初期以來）第四代計算機的基本電子元件是大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路。應用模式的發(fā)展單機方式多用戶分時方式局域網方式客戶／服務器方式網絡計算方式*4．計算機發(fā)展新技術光子計算機量子計算機分子計算機生物計算機1.1.2計算機的分類（1）根據計算機內部邏輯結構不同，可分為16位機、32位機和64位計算機等。根據計算機用途的不同，可分為通用計算機和專用計算機?，F(xiàn)在最普遍的分類方法是按照計算機的性能、用途和價格將計算機分為五類：巨型機、大型機、小型機、個人計算機、嵌入式計算機等。1．巨型機（Supercomputer）巨型機也稱超級機、超級計算機巨型機在所有計算機類型中價格最貴，功能最強。它采用大規(guī)模并行處理的體系結構，由數以百計、千計甚至萬計的CPU組成，具有極強的計算能力，算術或邏輯運算速度可以達到每秒數十萬億次以上。巨型機多用于戰(zhàn)略武器（如核武器和反導彈武器）的設計、石油勘探、天氣預報、飛機設計模擬、生物信息處理等領域。巨型機的研制水平、生產能力及應用程度是衡量一個國家經濟實力和科技水平的重要標志。近些年來，我國自主研制的超級計算機頻頻出現(xiàn)在全球高性能計算機TOP500排行榜中。在2010年11月公布的第36屆排行榜中，由國防科技大學研制的“天河一號A”以每秒千萬億次浮點運算摘得頭名，并且在接下來的6個月時間內一直占據頭把交椅。在2012年11月公布的第40屆排行榜中，“天河一號A”居第八位2．大型機（Mainframe）大型機也稱大型主機，具有運算速度快、存儲容量大、可靠性高、通信聯(lián)網功能完善等特點。大型機通常包含幾十個甚至更多個CPU，安裝豐富的系統(tǒng)軟件和應用軟件。大型機主要用來為大中型企業(yè)的數據提供集中的存儲、管理和處理，承擔主服務器的功能，在信息系統(tǒng)中起著核心作用，通常也被稱為“企業(yè)級”計算機。3．小型機（MiniComputer）小型機是一種供部門使用的計算機。小型機在管理機器和編制程序等方面都比較簡單，這使得其應用范圍非常廣泛，如工業(yè)自動控制、大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療設備中的數據采集、分析計算等領域。小型機也可以用作大型機和巨型機系統(tǒng)的輔助機，進行企業(yè)管理及大學和研究所的科學計算等。近些年來，小型機逐步被高性能的服務器取代。小型機的特點是：規(guī)模小、結構簡單、設計研制周期短，便于及時采用先進工藝、生產量大，軟硬件成本低、容易操作及維護、高可靠性、高可用性、高服務性等。目前生產小型機的企業(yè)有IBM、HP、富士通等。4．個人計算機（PersonalComputer）個人計算機也稱個人電腦、PC機或微型計算機，它的出現(xiàn)與發(fā)展掀起了計算機快速普及的浪潮，被稱為電子計算機的第二次革命。個人計算機的特點是：體積小、價格低、可靠性高、操作方便、使用范圍廣、軟件豐富、性能不斷提高、適合辦公或家庭使用等。個人計算機分為臺式計算機（DesktopComputer）和便攜個人計算機（Portablecomputer）。便攜個人計算機體積小、重量輕、便于外出攜帶，性能也接近臺式機，但價格稍高。便攜個人計算機包括筆記本電腦、掌上電腦、平板電腦等。5．嵌入式計算機20世紀70~80年代出現(xiàn)了微處理器和個人計算機，這是計算機發(fā)展史上最重大的事件之一。微處理器是指使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運算和控制功能的部件。嵌入式計算機也叫單片計算機，除了把運算器、控制器集成在一起，還把存儲器、輸入/輸出設備、接口電路等都集成在同一片芯片上。主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成。嵌入式計算機是內嵌到其他設備中的計算機，與通用計算機在基本原理上沒有原則性區(qū)別，主要區(qū)別在于系統(tǒng)和功能軟件集成在計算機硬件系統(tǒng)中，即系統(tǒng)的應用軟件與硬件一體化，類似于BIOS的工作方式。由于嵌入式計算機軟件固化在芯片上，所以它們的功能和用途一般不再輕易改變。嵌入式計算機是計算機市場中增長最快的領域，也是種類繁多，形態(tài)多種多樣的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設備，如計算器、多媒體播放器、手機、電視機頂盒、數字電視、微波爐、數碼相機、電梯、空調、汽車、自動售貨機等。這些設備中都包含了嵌入式計算機，只是用戶不需要直接與計算機接觸，所以它們的存在大多數人并不知道。*1.1.3計算機的特點處理速度快計算精度高強大的信息存儲能力邏輯判斷能力強自動化程度高通用性強*1.1.4計算機的應用科學計算（數值計算）-傳統(tǒng)應用過程控制（實時控制）數據處理（信息處理）計算機輔助計算機輔助設計-CAD計算機輔助制造-CAM計算機集成制造系統(tǒng)-CIMS計算機輔助教學-CAI計算機輔助測試-CAT計算機模擬人工智能網絡應用人工智能具有人工智能的機器人人工智能(ArtificialIntelligence,AI)。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。實際應用領域：指紋識別，人臉識別，視網膜識別，虹膜識別，掌紋識別，專家系統(tǒng)，智能搜索，定理證明，博弈、智能玩具等。深藍與卡斯帕羅夫曾對弈兩次。第一次在1996年2月，卡斯帕羅夫六戰(zhàn)以三勝兩和一負勝出。1997年5月，第二次人機對弈。首仗卡斯帕羅夫勝出，第二局深藍扳回一城。第三、四、五局不分勝負，直至第六局，卡斯帕羅夫在犯錯下，走到第十九步宣布棄權，隨即結束這場歷史性的人機大戰(zhàn)，深藍研究團隊贏得了700，000美元的獎金。

會下棋的機器人——深藍

電子恐龍Pleo

一、完全智能

Pleo自己會根據環(huán)境和情況，決定行走、探索、發(fā)現(xiàn)。二、具有生命特征需要喂食，能夠成長，有打呼嚕、打哈欠、打噴嚏等生命現(xiàn)象。三、需要互動四、超凡的自我學習能力

Pleo能學會“跳舞“”翻身“等動作,會觀察環(huán)境，記錄經歷過的事，根據自己的思考，增長自我能力。最終會成長為一個具有各種處理問題能力的“生命”體。五、有自我的情感和性格每一只Pleo會形成自有的性格，能表現(xiàn)出喜、怒、哀、樂等情感。每一只Pleo也會培育出自己獨特的性格，沒有兩只完全一樣的Pleo。

*1.1.5計算機的發(fā)展趨勢多極化網絡化美國政府在1993年提出了國家信息基礎設施計劃（NationalInformationInfrastructure，簡稱NII），即信息高速公路?！靶畔⑹?1世紀最基本的資源之一，傳輸信息的高速通信網和大量聯(lián)網的計算機、數據庫等將會極大的提高全社會的工作效率和生活質量，從根本上改變人們工作、生活、消費、教育、娛樂等主要活動的方式?！敝悄芑畔⒏咚俟诽峁┑男畔⒎諗祿c信息的查詢高速通信服務（電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳遞等）電子教育電子娛樂電子商務各類應急信息服務請求和社會保障類電子化服務（遠程醫(yī)療和會診、交通信息管理等）1.2計算機中數的表示1.2.1信息的基本單位——比特1．什么是比特數字技術的處理對象是“比特”，簡稱bit，中文翻譯為“二進位數字”、“二進位”或簡稱為“位”比特只有2種取值：0和1，無大小之分比特是組成數字信息的最小單位計算機中的數值、文字、符號、圖像、聲音、視頻、命令等都可以使用比特來表示，具體的表示方法就稱為“編碼”或“代碼”。每個西文字符用8個比特表示，每個漢字至少16個比特表示，而圖像、聲音和視頻則需要更多的比特才能表示。2．比特在計算機中的表示與存儲表示一個比特需要兩種狀態(tài),一個狀態(tài)表示1，另一個狀態(tài)表示0。在CPU中，比特是使用一種被稱為“觸發(fā)器”的雙穩(wěn)態(tài)電路來存儲的。觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)：高電平狀態(tài)和低電平狀態(tài)，可分別用來表示“1”或“0”。在RAM中用電容器存儲二進位信息。當電容的兩極加上電壓，它就被充電，電壓去掉后，充電狀態(tài)仍可保持一段時間，因此可以用電容的兩個狀態(tài)：充電狀態(tài)和放電狀態(tài)來表示和存儲1個比特，通常充電狀態(tài)表示“0”，未充電狀態(tài)表示“1”。磁盤是利用磁介質表面區(qū)域的兩種不同的磁化狀態(tài)來表示比特。磁性材料粒子的兩種不同磁化方向分別用來表示“0”或“1”。光盤是通過壓制在光盤面上的微小凹坑來記錄二進制信息的。凹坑的邊緣表示“1”，而凹坑和凹坑外的平坦部分表示“0”。3．存儲容量的計量單位“字節(jié)”（Byte）大寫字母“B”表示，每個字節(jié)包含8個比特b--位、B--字節(jié)計算機的內存儲器容量通常使用2的冪次方作為單位。經常使用的單位有：KB（千字節(jié)），1KB=210B=1024BMB（兆字節(jié)），1MB=220B=1024KBGB（吉字節(jié)、千兆字節(jié)），1GB=230B=1024MBTB（太字節(jié)、兆兆字節(jié)），1TB=240B=1024GB而外存儲器容量經常使用10的冪次方來計算：1KB＝103B＝1000B1MB＝106B＝1000KB1GB＝109B＝1000MB1TB＝1012B＝1000GB外存容量在系統(tǒng)中會變??？標明容量是16GB的U盤，系統(tǒng)顯示出來的是（16×109）/（1024×1024×1024）=14.9GB。4．比特的傳輸傳輸速率表示每秒鐘可傳輸的二進位數目。傳輸速率的常用單位有：比特/秒(b/s)，也稱“bps”（BitsPerSecond的簡稱）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各種進位計數制數的表示規(guī)則就是進位計數制，也稱為數制日常生活中，最常用的是十進制數計算機內部廣泛采用二進制計數制，這是因為：二進制運算簡單，運算法則少，使計算機運算器的硬件結構大大簡化；物理上容易實現(xiàn)。可靠性強。只有兩個數字符號在存儲、處理和傳輸的過程中可靠性強，不易出錯，同時，也提高了計算機本身的穩(wěn)定性和可靠性；二進制數的兩個符號“1”和“0”正好與邏輯量“是”和“否”（或“真”和“假”）相對應，便于表示和進行邏輯運算。計算機中常用的進位計數制進位制計數規(guī)則基數可用數碼后綴二進制逢2進120,1B八進制逢8進180,1,2,3,4,5,6,7O或Q十進制逢10進1100,1,2,3,4,5,6,7,8,9D十六進制逢16進1160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,FH1.2.3不同進制數之間的轉換1．R進制數轉換成十進制數(N)R==如十進制數123.45按權展開應為：123.45=1×102＋2×101＋3×100＋4×10-1＋5×10-2把任意R進制數按照式（1-1）寫成按位權展開式后，各位數碼乘以各自的權值累加，就可以得到該R進制數對應的十進制數。式（1-1）例：135.67135.67(10)=1*102+3*101+5*100+6*10-1+7*10-2

135.67(8)=1*82+3*81+5*80+6*8-1+7*8-2

權權基數例:(1101.101)2=1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3【例1-1】把二進制數11011.011轉換為十進制數解：(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】把八進制數64.21轉換為十進制數解：(64.21)8=6×81+4×80+2×8-1+1×8-2=(52.265626)10【例1-3】把十六進制數C2.D轉換為十進制數解：(C2.D)16=12×161+2×160+13×16-1=(194.8125)102．十進制數轉換成R進制數十進制整數轉換為R進制數的方法是“除基取余法”，也就是將十進制整數不斷除以基數R，直到商為0，然后將得到的余數自下而上排列（即首次取得的余數排在最右）即可。十進制小數轉換為R進制數的方法是“乘基取整法”，也就是將十進制小數不斷乘以基數R，直到小數部分為0或者達到要求的精度為止（小數部分可能永遠不會得到0），然后把每次相乘所得的整數自上而下排列（即首次取得的整數排在最左）即可。既包含整數又包含小數的十進制數轉換為R進制數時，可以將此數分為整數和小數兩個部分分別轉換，然后再連起來即可。十進制二(八,十六)進制

2107….1(低位)253….1226….0213….126….023….121….1(高位)0例：(107.675)10=(？)2整數部分：除2(8,16)取余↑小數部分：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)整數(107)10=(01101011)2

B)小數(0.675)10=(0.101)2

★（107.675)10=(1101011.101)2【例1-4】將十進制數142轉換為二進制數【例1-5】將十進制數142轉換為八進制數【例1-6】將十進制數142轉換為十六進制數【例1-7】將十進制數0.675轉換為二進制數（精確到4位小數）【例1-8】將十進制數0.675轉換為八進制數（精確到4位小數）【例1-9】將十進制數0.675轉換為十六進制數（精確到4位小數）【例1-10】將十進制數142.675轉換為二進制數（精確到4位小數）。解：由例4-4和例4-7可知：

(142.675)10≈(10001110.1010)2【例1-11】將十進制數142.675轉換為八進制數（精確到4位小數）。解：由例4-5和例4-8可知：

(142.675)10≈(216.5314)8【例1-12】將十進制數142.675轉換為十六進制數（精確到4位小數）。解：由例4-6和例4-9可知：

(142.675)10≈(8E.ACCC)163．二進制數、八進制數、十六進制數之間的相互轉換（1）表1-2不同進制數的關系十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F3．二進制數、八進制數、十六進制數之間的相互轉換（2）二進制數轉換成八進制數的規(guī)則是：以小數點為界，整數部分自右向左，小數部分自左向右，每3位為一組，不足3位用0補足，然后分別將每個3位二進制數轉換為對應的1位八進制數。二進制數轉換成十六進制數的規(guī)則是：以小數點為界，整數部分自右向左，小數部分自左向右，每4位為一組，不足4位用0補足，然后分別將每個4位二進制數轉換為對應的1位十六進制數。八進制數轉換成二進制的規(guī)則是：把1個八進制數轉換成對應的3位二進制數。十六進制數轉換成二進制的規(guī)則是：把1個十六進制數轉換成對應的4位二進制數?！纠?-13】把二進制數1101111010.10101轉換為八進制數【例1-14】把二進制數1101111010.10101轉換為十六進制數【例1-15】把八進制數215.76轉換為二進制數【例1-16】把十六進制數3B6.7轉換成二進制數1.2.4二進制數的運算1．算術運算加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（向高位進1）減法：0-0=0 0-1=1（向高位借1）1-0=1 1-1=02.邏輯運算

A)邏輯加“或”（∨）規(guī)則：0∨0=0 0∨1=11∨0=1 1∨1=1

有1出1，全0出0規(guī)則：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變成1，1變成0B)邏輯乘“與”（∧）例3:(10010100)反=？

(10010100)反=01101011

歸納總結：算術運算會發(fā)生進位和借位處理，而邏輯運算則按位獨立，位與位之間不發(fā)生關系例2：10010100∧00110010

10010100

∧)00110010

00010000

例1：10010100

∨00110010

10010100

∨)00110010

10110110

【例1-17】分別求11001011+10010101，11001011-10010101，11001011∧10010101，11001011∨10010101，，11001011⊕10010101。練習(1)1.(110101101)2=()8=()162.11011011+10101010=3.10111010-10011001=4.10001100或10101011=5.10110101與10110011=練習(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“與”運算，再和(10101011)2“或”，其結果為------。練習(2)1.64Kb/s=?B/s2.傳輸速率為9600b/s，則每分鐘能傳送多少字節(jié)？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數據在計算機中的表示（1）計算機中的數值信息分為整數和實數兩大類。整數不使用小數點，或者說小數點始終隱含在個位數的右面，所以整數也叫做“定點數”。實數通常是指既有整數部分又有小數部分的數，由于實數的小數點不固定，所以實數在計算機中也稱為“浮點數”。計算機中的數據分為數值型數據非數值型數據圖形音樂活動影像語言、文字

數值數據整數實數正整數(不帶符號)整數(帶符號)1．整數的表示無符號整數的表示無符號整數的所有位數都用于表示數值大小。

如果用n位來表示一個無符號整數，則可以表示的數據范圍為0~2n-1。如一個8位無符號整數的表示范圍為0~255，一個16位無符號整數的表示范圍為0~65535。帶符號整數的表示①原碼 帶符號整數的最高位是符號位?！?”表示“+”，即正數；“1”表示“-”，即負數。除符號位之外的其余各位用來表示數值的大小。如: 00110110=+54 10110110=-54這種表示法叫做“原碼”。原碼的表示范圍取決于數值的長度。n位原碼可表示的數值范圍是-2n-1+1~2n-1-1。如一個8位原碼的表示范圍是-127~127，一個16位原碼的表示范圍是-32767~32767?！?”在原碼中有兩種不同的表示方法：“+0”的編碼是“00000000”，“-0”的編碼是“10000000”。②反碼正數，反碼和原碼相同的負數的反碼符號位仍是“1”，其余各位是原碼的每一位取反得到的結果。如：（-54）原=10110110（-54）反=11001001n位反碼表示的數值范圍是-2n-1+1~2n-1-1。如一個8位反碼的表示范圍是-127~127，一個16位反碼的表示范圍是-32767~32767。在反碼中“0”的表示方法也有兩種：“+0”的編碼是“00000000”，而“-0”的編碼是“11111111”。③補碼正數，補碼和原碼是相同的負數補碼符號位仍是“1”，其余各位是原碼的每一位取反后再在末位加1得到的結果。如：（-54）原=10110110（-54）補=11001010補碼中“+0”與“-0”的編碼保持一致補碼“+0”的編碼是“00000000”，而“-0”的編碼是（11111111+1），即“100000000”。由于只允許用8位來表示，故只取后8位，即“00000000”。n位補碼可表示的數值范圍是-2n-1~2n-1-1。如一個8位補碼的表示范圍是-128~127，一個16位補碼的表示范圍是-32768~32767?！白兲柌僮鳌保翰还苁钦龜颠€是負數，只要把它所有位數取反以后加1，就得到該數的相反數。這樣，X-Y就可以變成X+（-Y）。如：“-54”的補碼是“11001010”，取反后得“00110101”，加“1”得到“00110110”，正好就是“+54”的補碼。*2．實數的表示實數又叫浮點數浮點表示法是指實數在計算機內可以使用階碼和尾數兩個部分來表示。階碼是一個整數，用于表示小數點在該數中的位置，階碼位數越多表示數的范圍越大。尾數是一個純小數，用于表示有效數值。10010101.11=100101011.1×2110010101.11=0.1001010111×21000……二進制數在實際表示時，階碼中的指數是十進制數，而不是二進制數。如：10010101.11=0.1001010111×28（1）單精度浮點數存儲時占4個字節(jié)，即32位