1、計算機文化基礎(chǔ),計算機學(xué)院 曹弘,2,教材：計算機應(yīng)用基礎(chǔ) 作者：李向、戴光明 出版社： 中國電力出版社,計算機的產(chǎn)生、發(fā)展及趨勢,計算機中的數(shù)及表示、存儲與運算,計算機的定義與特點,計算中的邏輯運算,第一講 計算機工作原理,一、計算機的產(chǎn)生、發(fā)展與趨勢,計算機發(fā)展史,我們的祖先早在史前時期就已經(jīng)知道了用石塊和貝殼計數(shù)。隨著文化的發(fā)展，人類創(chuàng)造了簡單的計算工具。我國在唐朝就開始使用算盤，17世紀(jì)出現(xiàn)了計算尺，這些都是著名的手動計算工具。,1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡（Pascal）創(chuàng)造了第一臺能完成加、減運算的機械計算器，用來計算稅收，取得了很大的成功。 1673年德國萊布尼茲（Leibnit

2、z）改進了帕斯卡的設(shè)計，增加了乘、除運算。,手工到機械自動？沒有突破手工操作的局限。,5,Charles Babbage,1822 差分機,1833 分析機,19世紀(jì)20年代，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇（Babbage）才取得突破，從手動機械躍入機械自動時代，巴貝奇提出了自動計算機的基本概念： 要使計算機能自動進行計算，必須把計算步驟和原始數(shù)據(jù)預(yù)先地存放在機器內(nèi)，并使計算機能取出這些數(shù)據(jù)，在必要時能進行一些簡單的判斷，決定自己下一步的計算順序。 他還分別于1823年和1834年設(shè)計了一臺差分機和一臺分析機，提出了一些創(chuàng)造性的建議，從而奠定了現(xiàn)代數(shù)字計算機的基礎(chǔ)。18世紀(jì)末，法國數(shù)學(xué)界調(diào)集大批數(shù)學(xué)家人工編

3、制完成了17卷數(shù)學(xué)用表。盡管數(shù)學(xué)家們付出了很多努力，但該數(shù)學(xué)用表還是存在著大量的計算錯誤。為了得到正確的數(shù)學(xué)用表，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇于1822年研制出了世界上第一臺差分機，成功解決了這個問題。同時期巴貝奇設(shè)計了一臺分析機，這臺機器具備了輸入、處理、存儲、輸出及控制五個基本部分。,6,MARK I,機械計算到電動計算 1884年，美國工程師赫爾曼霍雷斯（Herman Hollerith）制造了第一臺電動計算機，采用穿孔卡和弱電流技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，在美國人口普查中大顯身手。 美國哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德阿肯受巴貝奇思想啟發(fā)，在1937年得到美國海軍部的經(jīng)費支持，開始設(shè)計“馬克1號”（由IBM承建）

4、，于1944年交付使用。 “馬克1號”采用全繼電器，長51英尺、高8英尺，看上去像一節(jié)列車，有750000個零部件，里面的各種導(dǎo)線加起來總長500英里。總耗資四五十萬美元。 “馬克1號”做乘法運算一次最多需要6秒，除法10多秒。運算速度不算太快，但精確度很高（小數(shù)點后23位）。,7,ENIAC,電子計算機時代,機電全自動到電子數(shù)字 雖然“馬克1號”與ENIAC建成時間相距很近，但在技術(shù)的采用上相距甚遠(yuǎn)， ENIAC采用了電子管技術(shù)。 ENIAC的出現(xiàn)，使人類社會從此進入了電子計算機時代，在此之前的計算機都是機械式計算機，而ENIAC則采用了電子管作為主要元件，開創(chuàng)了電子計算機的新紀(jì)元，因此，人

5、們視其為電子計算機的鼻祖。,Electronic Numerical Integrator And Calculator,第一臺電子計算機（ENIAC）,5000次加法/秒 體重28噸 占地170m2 18800只電子管 1500個繼電器 功率150KW,計算機發(fā)展史,ENIAC則采用了電子管作為主要元件，開創(chuàng)了電子計算機的新紀(jì)元,Electronic Numerical Integrator And Calculator,9,ENIAC的由來 世界上第一臺數(shù)字式電子計算機是由美國賓夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家約翰莫克利（John Mauchly）和工程師普雷斯伯?？颂兀↗ Presper Ecke

6、rt）領(lǐng)導(dǎo)研制的取名為ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）的計算機。 1942年在賓夕法尼亞大學(xué)任教的莫克利提出了用電子管組成計算機的設(shè)想，這一方案得到了美國陸軍彈道研究所高爾斯特丹（Goldstine）的關(guān)注。當(dāng)時正值第二次世界大戰(zhàn)之際，新武器研制中的彈道問題涉及許多復(fù)雜的計算，單靠手工計算已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求，急需自動計算的機器。于是在美國陸軍部的資助下，1943年開始了ENIAC的研制，并于1946年完成。當(dāng)時它的功能確實出類拔萃，例如它可以在一秒鐘內(nèi)進行5000次加法運算，3毫秒便可進行一次乘法運算，與手工計算相比速度

7、要大大加快，60秒鐘射程的彈道計算時間由原來的20分鐘縮短到30秒。但它也明顯存在著缺點。它體積龐大，機器中約有18800只電子管，1500個繼電器，70000只電阻及其他各類電氣元件，運行時耗電量很大。另外，它的存儲容量很小，只能存20個字長為10位的十進位數(shù)，而且是用線路連接的方法來編排程序，因此每次解題都要靠人工改接連線，準(zhǔn)備時間大大超過實際計算時間。,計算機發(fā)展史,繼電器與電子管 在電子管內(nèi)，每秒鐘內(nèi)電子流可開關(guān)100萬次，在繼電器中，每秒中只能達到100次，兩者相差1萬倍。這也就是機械模擬計算與電子數(shù)字計算的區(qū)別。,ENIAC有18800個各種類型的電子管，為了解決電子管的散熱大問題

8、，ENIAC的工作現(xiàn)場便呈現(xiàn)了這樣一番景象：兩臺12匹馬力的鼓風(fēng)機，以每分鐘600立方英尺的氣流的強風(fēng)吹個不停，同時又在關(guān)鍵部位掛上溫度計、調(diào)節(jié)器和恒溫器。,1944年2月，美國科學(xué)家艾肯在IBM公司的支持下，終于設(shè)計完成了以繼電器作為主要器件的電子差分機，從而實現(xiàn)了巴貝奇分析機的想法。 1946年，計算機史上第一臺真正的電子計算機ENIAC（Electrical Numerical Integrator And Calculator），在美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功。,11,1947年底，貝爾實驗室研制出了可以替代電子管的晶體管。晶體管能夠完成電子管的一切工作，而且又解決了真空管自身所帶的缺點

9、，性能更加穩(wěn)定。晶體管實質(zhì)上是按顯微比例的真空管建造的。 電子管的缺點：體積大；耗能高、散熱量大。 晶體管的優(yōu)點：體積?。缓哪艿?；性能穩(wěn)定。,電子恐龍的縮骨法晶體管,計算機發(fā)展史,12,集成電路 1958年9月，德州儀器公司工程師杰克基爾比（Jack Kilby）在鍺晶片一個大拇指指甲蓋大小的地方放置了5個元件，其中有四個晶體管。在晶體管發(fā)明以前，人們無法想象能把各種電子元件組合在這么小的地方。集成電路的出現(xiàn)改變了以往晶體管、電阻、電容器以及導(dǎo)線的“各行其事”，而將它們組織到一起。 隨著技術(shù)的進步，硅晶片越來越小，也越來越薄，而其上的晶體管數(shù)目和管線則越來越多。從基爾比模型上的4個晶體管，變成

10、了60年代中期的10個，80年初的10000個，直至今日的幾千萬個。,計算機發(fā)展史,晶 體 管 數(shù),每18個月芯片能力增長一倍。,計算機第一定律摩爾定律,計算機發(fā)展史,1965年，戈登摩爾（Gordon Moore）準(zhǔn)備一個關(guān)于計算機存儲器發(fā)展趨勢的報告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產(chǎn)生都是在前一個芯片產(chǎn)生后的1824個月內(nèi)。如果這個趨勢繼續(xù)的話，計算能力相對于時間周期將呈指數(shù)式的上升。,第一代 （19461956） 電子管 5千4萬（次/秒）,第二代 （19571964） 晶體管 幾十萬百萬（次/秒）,第三代

11、 （19651970） 中小規(guī)模集成電路 百萬幾百萬（次/秒）,第四代 （197190年代） 超大規(guī)模集成電路 幾百萬幾億（次/秒）,計算機發(fā)展的幾個階段,計算機發(fā)展史,電子計算機誕生后的半個世紀(jì)，構(gòu)成計算機硬件的電子器件發(fā)生了幾次重大的技術(shù)革新。,15,在科學(xué)技術(shù)史上，通常以物理元器件發(fā)展作為劃分計算機發(fā)展階段的標(biāo)準(zhǔn)。按照這種劃分方法，計算機的發(fā)展可以分為四個階段： 第一代，電子管計算機時代。 電子管計算機的運算速度在每秒數(shù)千次至數(shù)萬次之間。第一臺計算機，占地170平方米左右，耗電量達到了140千瓦。同時，工作中會產(chǎn)生很高的溫度，需要兩臺12匹馬力的鼓風(fēng)機，用每分鐘600立方英尺的強風(fēng)進行冷

12、卻。 第二代，晶體管計算機時代。 由于用電子管作為計算機器件，運行時溫度過高、可靠性較差、運算速度慢、價格昂貴、體積龐大。于是，計算機開始采用晶體管器件設(shè)計。晶體管不僅能實現(xiàn)電子管的功能，又具有尺寸小、重量輕、壽命長、效率高、發(fā)熱少、功耗低等優(yōu)點。晶體管時代的計算機，運算速度已經(jīng)達到了每秒幾萬次到幾十萬次。晶體管器件的使用，使計算機得到了極大的發(fā)展。,16,第三代，集成電路時代。 集成電路就是把幾十個或幾百個獨立的電子器件集中到一塊幾平方毫米的硅片上(集成電路芯片)。與晶體管相比，集成電路的體積更小，功耗更低，可靠性更高，造價更低。采用集成電路制造的計算機，運算速度達到了每秒十萬次到百萬次。

13、第四代，超大規(guī)模集成電路時代。 上個世紀(jì)80年代，電子技術(shù)有了新的發(fā)展，人們已經(jīng)可以在一個芯片（超大規(guī)模集成電路，VLSI）內(nèi)容納幾十萬個電子器件。隨后發(fā)展出來的極大規(guī)模集成電路，將集成度擴充到了百萬級，而芯片尺寸只有硬幣大小。從此，計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性又不斷增強。這一代的運算速度，已經(jīng)達到了每秒幾百萬至幾億次。,計算機的商用化,計算機的第一個商業(yè)顧客烤面包賣茶點的利昂（lyons）,ENIAC,EDSAC,進入社會，開啟辦公自動化理念,LEO 利昂電子辦公 (Lyons Electronic Office),計算機發(fā)展史,找到英國劍橋大學(xué)“數(shù)學(xué)實驗室”，加入了EDSAC

14、的研制開發(fā)，并在EDSAC成功研制后，開始復(fù)制EDSAC（命名為LEO，利昂電子辦公）。利昂公司從烤面包賣茶點到復(fù)制EDSAC賣計算機,香儂是現(xiàn)代信息論的著名創(chuàng)始人。 1938年，香儂在發(fā)表的論文繼電器和開關(guān)電路的符號分析中，首次用布爾代數(shù)進行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運算可以通過繼電器電路來實現(xiàn)，明確地給出了實現(xiàn)加、減、乘、除等運算的電子電路的設(shè)計方法。這篇論文成為開關(guān)電路理論的開端。,奠定現(xiàn)代計算機發(fā)展的重要人物和思想,Claude Shannon,計算機工作原理,19,阿塔納索夫提出了計算機的三條原則： 1）以二進制的邏輯基礎(chǔ)來實現(xiàn)數(shù)字運算，以保證精度； 2）利用電子技術(shù)來實現(xiàn)控

15、制、邏輯運算和算術(shù)運算，以保證計算速度； 3）采用把計算功能和二進制數(shù)更新存儲功能相分離的結(jié)構(gòu)。,阿塔納索夫倡導(dǎo)用電子管作開關(guān)元件，這為實現(xiàn)高速運算創(chuàng)造了條件。 阿塔納索夫主張把數(shù)字存儲和數(shù)字運算分開進行，這一思想一直貫穿到今天的計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。 阿塔納索夫及其同事于1939年研制出第一臺數(shù)字計算機的模型。,圖靈與圖靈機,計算機工作原理,1936年，24歲的英國人圖靈發(fā)表了著名的論應(yīng)用于決定問題的可計算數(shù)字一文，提出思考實驗原理計算機概念。 圖靈把人在計算時所做的工作分解成簡單的動作，與人的計算類似，機器需要： （1）存儲器，用于儲存計算結(jié)果； （2）一種語言，表示運算和數(shù)字； （3）掃描

16、； （4）計算意向，即在計算過程中下一步打算做什么； （5）執(zhí)行下一步計算。 具體到一步計算，則分成： （1）改變數(shù)字的符號； （2）掃描區(qū)改變，如往左進位和往右添位等； （3）改變計算意向等。圖靈還采用了二進位制。 圖靈就把人的工作機械化了，這種理想中的機器被稱為“圖靈機”。,21,計算機是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好的任務(wù)。,圖靈機是一種抽象計算模型，用來精確定義可計算函數(shù)，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。,工作帶起著存儲器的作用，它被劃分為大小相同的方格，每一格上可書寫一個給定字母表上的符號，控制器可以在紙帶上左右移動，控制器有一個讀寫

17、頭，讀寫頭可以讀出控制器訪問格子上的符號，也能改寫和抹去這一符號，這就是計算機史上與“馮諾依曼機器”齊名的“圖靈機”。,22,為紀(jì)念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機博物館于1966年設(shè)立了“圖靈獎”,1945年，圖靈到英國國家物理研究所工作，并開始設(shè)計自動計算機。 1950年，圖靈發(fā)表了題為計算機能思考嗎？的論文，給人工智能下了一個定義，而且論證了人工智能的可能性。 1951年，他被選為英國皇家學(xué)會會員。,凡可計算的函數(shù)都可用這樣的機器（圖靈機）來實現(xiàn)，這就是著名的圖靈論題。 半個世紀(jì)以來，數(shù)學(xué)家提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的。,John von Neumann 馮諾依曼,馮諾

18、依曼計算機,計算機工作原理,存儲程序原理是由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼于1946年提出的，把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對待，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式儲存，這正是治愈“神童”ENIAC健忘癥的良方。,馮諾依曼和同事們依據(jù)此原理設(shè)計出了一個完整的現(xiàn)代計算機雛形，并確定了存儲程序計算機的五大組成部分和基本工作方法。馮諾依曼的這一設(shè)計思想被譽為計算機發(fā)展史上的里程碑，標(biāo)志著計算機時代的真正開始。,馮諾伊曼在計算機邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計上的偉大貢獻，他被譽為“計算機之父”。,24,1949 EDSAC,EDSAC于1949年5月建成，它是世界上第一臺真正實現(xiàn)內(nèi)部存儲程序的電子計算機，其中凝集著馮諾依曼等人設(shè)想，也

19、是后來所有電腦的真正原型和范本。,存儲程序工作原理 計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。 計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。,25,計算機的工作原理 根據(jù)馮諾依曼設(shè)計思想，計算機的工作原理都是“存儲程序控制原理”，其主要內(nèi)容是： 1、為了充分發(fā)揮電子元件的高速性能，計算機的內(nèi)部應(yīng)采用二進制指令和數(shù)據(jù)； 2、指令和數(shù)據(jù)都能存儲起來，供計算機自動執(zhí)行； 3、計算機由五大部件組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。,計算機中采用二進制編碼

20、的原因： 1）易于物理實現(xiàn)；2）二進制數(shù)運算簡單；3）機器可靠性高；4）通用性強；,Altair 8800,計算機發(fā)展微型化,計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。,計算機發(fā)展趨勢,計算機發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化,計算機網(wǎng)絡(luò)：計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。 計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、 數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。,計算機發(fā)展趨勢,CRAY-,計算機發(fā)展巨型化（計算復(fù)雜性）,運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機 1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I” 超級計算機應(yīng)用： 天氣預(yù)報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖 像處理等大量科學(xué)計算

21、的高科技領(lǐng)域。,中國超級計算機： 國防科技大學(xué)研制的“銀河1號”、 “銀河2號”和“銀河3號” 國家職能計算機中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”,銀河,計算機發(fā)展趨勢,29,歷經(jīng)5年研制，中國第一臺被命名為“銀河”的億次巨型電子計算機1983年在國防科技大學(xué)誕生。它的研制成功向全世界宣布：中國成了繼美、日等國之后，能夠獨立設(shè)計和制造巨型機的國家。 1992年，國防科技大學(xué)研制出銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達每秒10億次，主要用于中期天氣預(yù)報。 1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心（后成立北京市曙光計算機公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集

22、成電路的通用微處理器芯片和標(biāo)準(zhǔn)UNIX操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的并行計算機。 1995年，曙光公司又推出了曙光1000，峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)相近，與國外的差距縮小到5年左右。 1997年，國防科技大學(xué)研制成功銀河-III百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒130億次浮點運算。,30,1997至1999年，曙光公司先后在市場上推出曙光1000，曙光2000-I，曙光2000-II超級服務(wù)器，峰值計算速度突破每秒1000億次浮點運算。 1999年，國家并行計算機工

23、程技術(shù)研究中心研制的神威計算機，峰值運算速度達每秒3840億次，在國家氣象中心投入使用。 2004年，由中科院計算所、曙光公司、上海超級計算中心三方共同研發(fā)制造的曙光4000A實現(xiàn)了每秒10萬億次運算速度。 2008年，“深騰7000”是國內(nèi)第一個實際性能突破每秒百萬億次的異構(gòu)機群系統(tǒng)，Linpack性能突破每秒106.5萬億次。 2008 年，曙光5000A實現(xiàn)峰值速度230萬億次、 Linpack值180萬億次。作為面向國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的重大需求的網(wǎng)格超級服務(wù)器，曙光5000A 可以完成各種大規(guī)?？茖W(xué)工程計算、商務(wù)計算。 2009年10月29日，中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”

24、誕生。這臺計算機每秒1206萬億次的峰值速度和每秒563.1萬億次的Linpack實測性能，使中國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。天河1號是由國防科技大學(xué)國家超級計算機中心研制，主要為中國東北部提供高性能計算服務(wù)。該系統(tǒng)主要用于石油勘探和飛機設(shè)計。 Linpack是目前測試機群浮點運算性能的通用標(biāo)準(zhǔn)。,31,巨型機從技術(shù)上朝兩個方向發(fā)展： 一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時鐘周期，提高單機性能。目前巨型機的時鐘周期大約在27ns； 另一方面是采用多處理器結(jié)構(gòu)，提高整機性能，如CRAY4就采用了64個處理器。 在實踐中，有些科學(xué)技術(shù)題目需要并行計算。八十年代中期以來，超并

25、行計算機的發(fā)展十分迅速，這種超并行巨型計算機通常是指由100臺以上的處理器所組成的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是用成百上千甚至上萬臺處理器同時解算一個課題，來達到高速運算的目的。這類大規(guī)模并行處理的計算機將是巨型計算機的重要發(fā)展方向。,計算機發(fā)展智能化,“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的沒有靈魂的機械來”。 笛卡爾（1637）,人類第一個“工業(yè)機器人”：一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年） 第一代機器人機械手（1962年出現(xiàn)） 第二代機器人具有“感覺”的機器人 第三代機器人裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”,計算機發(fā)展趨勢,33,卡斯帕羅夫與“深藍(lán)” “深藍(lán)”是IBM開發(fā)的超級電腦，世界上水平最

26、高的電腦棋手，它體重2.6噸，每秒能執(zhí)行50100億條指令，即每秒能計算出200300萬步棋。 卡斯帕羅夫則是歷史上最偉大的人類棋手。 1996年2月10日，卡斯帕羅夫以三勝兩和一負(fù)的戰(zhàn)績令“深藍(lán)”失手，捍衛(wèi)了“人類的尊嚴(yán)” 。 1997年5月12日，卡斯帕羅夫負(fù)于“更深的藍(lán)”。 棋王要求重賽。但IBM拒絕，并迅速將深藍(lán)拆卸，使卡斯帕羅夫無法報仇。 2003年，一部紀(jì)錄片正為此而拍攝，名為游戲結(jié)束：卡斯帕羅夫與電腦（Game Over: Kasparov and the Machine）；,卡斯帕羅夫（1963年），俄羅斯（前蘇聯(lián)）國際象棋棋手，國際象棋特級大師，前國際象棋世界冠軍。曾在199

27、9年7月達到2851國際棋聯(lián)國際等級分。在1985年至2006年間曾23次獲得世界排名第一。曾11次取得國際象棋奧斯卡獎。,34,計算機的智能化就是讓計算機來模擬人的感覺、行為、思維過程的機理，使計算機具備邏輯推理、學(xué)習(xí)等能力。 超級計算機性能再好，速度再快，卻仍在按人們事先編制好的程序指令來照章辦事，仍就無法成為容忍程序錯誤的計算機。 大腦的結(jié)構(gòu)與01的關(guān)系 大腦的基本成分是神經(jīng)細(xì)胞（即神經(jīng)元），神經(jīng)元又分為突觸和軸突，兩者以生物電流的方式，一個管輸入，一個管輸出，使神經(jīng)細(xì)胞一直處于興奮或抑制的狀態(tài)，而電子元件的開啟和閉合的狀態(tài)正好與神經(jīng)細(xì)胞中的興奮或抑制狀態(tài)對應(yīng)，那么大腦的思維機制不就也可

28、以用0和1來表示了嗎? 啟發(fā)式程序 研制人員采用心理學(xué)學(xué)科知識，把認(rèn)知理論、人機交互等結(jié)合起來，建立了“智力問題解決和學(xué)習(xí)”的模型，將人腦的思維方式、技巧、規(guī)則以及策略等以程序的形式事先告訴計算機，使計算機能夠通過推理規(guī)則自己去探索解決方案。,計算機發(fā)展非馮-諾依曼型,1量子計算機 量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理設(shè)備。當(dāng)某個設(shè)備處理和計算量子的信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。 2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機 生物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可看作是一個大規(guī)模并行處理、緊密耦合的、能自行重組的計算網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使人能有效地組織和處理信息。 對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行研究，并從

29、大腦工作的模型中抽取計算機設(shè)計的模型就是所謂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機。,3化學(xué)、生物計算機 從20世紀(jì)80年代開始，各國科學(xué)家們就在探計研制化學(xué)、生物計算機。在運行機理上，化學(xué)計算機以化學(xué)制品中的微觀碳分子作信息載體，來實現(xiàn)信息的傳輸與儲存。因此，它具有更小的體積、更快的運算速度和強大的計算能力，其信息傳輸速度可能比人腦思維速度還要快若干倍，具有十分誘人的發(fā)展前景。 4光計算機 光計算機是用光子代替現(xiàn)代半導(dǎo)體芯片中的電子，以光互聯(lián)來代替導(dǎo)線制成數(shù)字計算機機。,37,二、計算機的定義（COMPUTER）,電子計算機：一種能夠高速、準(zhǔn)確、自動完成對各種數(shù)字化信息進行算術(shù)和邏輯運算的電子設(shè)備。 計算機的的特

30、點 1、運算速度快 巨型機的運算速度已達到幾千億次/秒。 海量運算：天氣預(yù)報，大地測量、 運載火箭參數(shù)的計算等 2、計算精度高 計算精度與機器字長有關(guān)，機器字越長，精度越高。 字：在計算機中作為一個整體進行運算或數(shù)據(jù)處理的一組二進制數(shù)碼。,計算機中每個字包含的二進制位數(shù)越長，計算機處理速度越快，因為字長是計算機并行處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。 計算機的字長有：8位、16位、32位、64位。 3、存儲功能強 依靠計算機的存儲器完成，可以存儲原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果等。存儲容量是計算機的一個重要的技術(shù)指標(biāo)。 例：硬盤：160GB、320GB、800GB等 內(nèi)存：512MB、1GB、2GB等,4、具有邏輯判

31、斷能力 邏輯判斷：對文字、符號進行判斷和比較。 例：AB AND BC （即ABC） 結(jié)果：TRUE FALSE 1 0 若：A=10，B=5，C=6 結(jié)果：FALSE（0） 5、能進行自動控制 計算機內(nèi)部的操作運算全是根據(jù)人們事先編制好的程序自動控制進行的。,40,三、計算機中數(shù)據(jù)的表示、運算和存儲, 計數(shù)制分為： 1、進位計數(shù)制 表示數(shù)值大小時，各數(shù)碼與所處的位置有關(guān)。例：325 進位計數(shù)制中的兩個重要概念 基數(shù) 表示某種進位制所具有的數(shù)字符號個數(shù)。 例：十進制 1，2，3，4，5，6，7，8，9，0 基數(shù)：10 權(quán)（位權(quán)）表示某種進位制的數(shù)中不同位置上數(shù)字的單位數(shù)值。 2、非進位計數(shù)制,

32、三種數(shù)制的介紹 1、二進制數(shù) 數(shù)字符號：0，1 基數(shù)：2 進位制：逢二進一 （1）二進制的算術(shù)運算： A、加法： 0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=10（逢二進一）,例：1101+110 =？,B、減法： 0-0=0 1-0=1 1-1=0 10-1=1（借一當(dāng)二）,例：1101-110 =？,C、乘法： 0*0=0 0*1=1*0=0 1*1=1,例：101*110 =？,做對了嗎？,D、除法： 0/0 無意義 1/0 無意義 0/1=0 1/1=1,例：10001001/1101 =？,（2）二進制的邏輯運算： 二進制的邏輯運算實際一種按位運算，是對因果關(guān)系進行分析的一種運算。 三種

33、邏輯運算符是： 非 與 或 (NOT) (AND) (OR) 高 低 （運算優(yōu)先級）,例：!1 | 0 & 1 = ?,邏輯運算真值表（C語言）,0：假 1：真,0 | 0 & 1,0 | 0,0,2、八進制數(shù) 數(shù)字符號：0，1，2，3，4，5，6，7 基數(shù)：8 進位制：逢八進一 3、十六進制數(shù) 數(shù)字符號：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9， A，B，C，D，E，F(xiàn) 基數(shù)：16 進位制：逢十六進一,數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 1、十進制數(shù) 二進制數(shù) 方法：整數(shù)：除 2 取余法 小數(shù)：乘 2 取整法,例：( 25.6875 )10 = ( ? )2,整數(shù)：除 2 取余法,所以 ( 25 ) 10= (

34、11001) 2,小數(shù)：乘 2 取整法,(0.6875 ) 10= (0. 1011) 2,十進制小數(shù)不一定都能轉(zhuǎn)化成完全等值的二進制小數(shù)，有時要取近似值，看精度要求是幾位小數(shù)。 例：將十進制數(shù)29.6351轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)，精確到小數(shù)點后四位是（ ） A、11100 . 1011 B、11101 . 1011 C、11010 . 1001 D、11101 . 1010,2、二進制數(shù) 十進制數(shù) 方法：按權(quán)相加法 將各位的數(shù)值與權(quán)相乘后，再相加。例：( 1101.101 )2 = ( ? )10 解：( 1101.101 )2 = 1*23 + 1*22 + 0*21 + 1*20 + 1*2-1

35、 + 0*2-2 + 1*2-3 = 8+4+1+1/2+1/8 =( 13.625 )10,3、二進制數(shù) 八進制數(shù) 由于一位八進制的8個數(shù)字符號正好相應(yīng)于三位二進制數(shù)的八種不同組合，所以八進制與二進制之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系： 八進制： 0 1 2 3 4 5 6 7 二進制：000 001 010 011 100 101 110 111 轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)點為界，將二進制數(shù)的整數(shù)部分從低位開始，小數(shù)部分從高位開始，每三位分成一組，頭尾不足三位的補0，然后將每組的三位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位八進制數(shù)。,5、二進制數(shù) 十六進制數(shù) 由于一位十六進制的16個數(shù)字符號正好相應(yīng)于四位二進制數(shù)的十六種不同組合，所以

36、十六進制與二進制之間有簡單的對應(yīng)關(guān)系： 十六進制： 0 1 2 7 8 9 二進制：0000 0001 0010 0111 1000 1001 十六進制： A B C D E F 二進制：1010 1011 1100 1101 1110 1111,轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)點為界，將二進制數(shù)的整數(shù)部分從低位開始，小數(shù)部分從高位開始，每四位分成一組，頭尾不足四位的補0，然后將每組的四位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位十六進制數(shù)。,十進制(Decimal) R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二進制(Binary) R=2 ，可使用0,1 八進制(Octal)R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6

37、,7 十六進制(Hexadecimal) R=16 ，可使用0-9,A-F,四、原碼、反碼和補碼（表示帶符號的數(shù)，即+、-） 一個帶符號的二進制數(shù)由兩部分組成，即數(shù)的符號部分與數(shù)的數(shù)值部分。 在計算機中，0表示“+”，1表示“-”,機器數(shù)：將數(shù)的符號數(shù)字化了的數(shù)據(jù)表示形式。 真值： 帶有“+”、“-”號的數(shù)據(jù)表示形式。 機器數(shù)常用的表示方法有三種： 1、原碼 2、反碼 3、補碼 這三種機器數(shù)的表示形式中，符號部分的規(guī)定是相同的，所不同的是數(shù)值部分的表示形式。,1、原碼 原碼表示法是一種較簡單的表示法，符號用“0”表示“+”，“1”表示“-”，數(shù)值部分以真值形式表示。 例：X1 = 1101，

38、X1原 = 01101 X2 = -1101， X2原 = 11101 X3 = 0.1101， X3原 = 0.1101 X4 = -0.1101， X4原 = 1.1101,2、反碼 反碼表示法的符號部分同原碼，即數(shù)的最高位為符號位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。 反碼的數(shù)值部分與它的符號位有關(guān)： 對于正數(shù)：反碼的數(shù)值與原碼相同。 對于負(fù)數(shù)：反碼的數(shù)值是將原碼數(shù)值按位求反。 例： X1 = +1011， X2 = -1011 X1原 = 01011， X2原 = 11011 X1反 = 01011， X2反 = 10100,3、補碼 補碼表示法的符號部分同原碼。 補碼的數(shù)值部分與它的

39、符號位有關(guān)： 對于正數(shù)：補碼的數(shù)值與原碼相同。 對于負(fù)數(shù)：補碼的數(shù)值是將原碼數(shù)值按位求反，再在最低位加1。 例： X1 = +11010， X2 = -11010 X1原 = 011010， X2原 = 111010 X1反 = 011010， X2反 = 100101 X1補 = 011010， X2補 = 100110,數(shù)的小數(shù)點表示 在計算機中，表示數(shù)的小數(shù)點位置的方法有兩種：定點表示法和浮點表示法。 1、定點表示法 指數(shù)的小數(shù)點的位置是固定的。 通常將小數(shù)點固定在數(shù)值部分的最高位之前或最低位之后。 前者表示成純小數(shù)，后者表示成整數(shù)。,數(shù)的定點表示法有定點小數(shù)和定點整數(shù)兩種。 定點小數(shù)

40、數(shù)符SM . 尾數(shù)M 定點整數(shù) 數(shù)符SM 尾數(shù)M . 表示數(shù)的正、負(fù) “0”表示正數(shù) “1”表示負(fù)數(shù),例1：設(shè)某微型機字長為8位，若有兩數(shù)， N1=+1101，N2=-1101， 采用定點整數(shù)如何在機器中表示？,例2：設(shè)某微型機字長為8位，若有兩數(shù)， N3=+0.1101，N4=-0.1101， 采用定點小數(shù)如何在機器中表示？,2、浮點表示法 指數(shù)的小數(shù)點的位置不是固定的，是浮動的。 任何一個二進制數(shù)N總可以表示成如下的浮點形式： N = 2E * M 其中：E：N的階碼，為整數(shù)，小數(shù)點實際位置。 M：N的尾數(shù)，為小數(shù)，表示N的有效數(shù)字。,例：設(shè)某微型機字長16位，設(shè)階碼部分用5位，尾數(shù)部分用

41、11位，將-9.75D表示成二進制浮點形式。,規(guī)格化：使尾數(shù)數(shù)值部分最高位為1。,計算機中常用的編碼 非數(shù)值信息 0、1代碼 1、西文字符編碼（ASCII） 2、中文信息編碼（GB2312-80） 3、計算機內(nèi)碼,1、 ASCII碼 American Standard Code for Information Interchange 美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼,Y：ASCII碼共有128個元素， S：用二進制編碼表示需用七位。（27=128） 計算機中表示一個字符用八位二進制代碼，即一個字節(jié)。,字 b6b5b4 符 000 001 010 011 100 101 110 111 b3b2b1b0 0

42、000 NUL DEL 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 1110 SO RS . N n 1111 SI US / ? O _ o DEL,從表中可以看出： A = 1 0 0 0 0 0 1B = 65D a = 1 1 0 0 0 0 1B = 97D 從表中可以看出規(guī)律： 1 控制字符 數(shù)字符號 大寫字母 小寫字母 2 大寫的AZ,小寫的az,數(shù)字09依次遞增 3 小寫的字母的ASCII碼比對應(yīng)的大寫字母的ASCII大0H(32D),例1：已知字符