計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)

1 1 計(jì)算機(jī)的歷史計(jì)算機(jī)的歷史 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史是人類文明史的一個(gè)縮影 從古至今 由簡(jiǎn)單的石 塊 貝殼計(jì)數(shù) 到唐代的算盤 到歐洲的手搖計(jì)算器 以后又相繼出現(xiàn)了計(jì)算尺 袖珍計(jì)算器等 直到今天的電子計(jì)算機(jī) 記錄了人類計(jì)算工具的發(fā)展 因此 電子 計(jì)算機(jī)是人類計(jì)算技術(shù)的繼承和發(fā)展 是計(jì)算機(jī)工具發(fā)展至當(dāng)今時(shí)代的具體形式 是現(xiàn)代人類社會(huì)中不可缺少的基本工具 1 1 1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 1946 年 美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺(tái)名為 ENIAC 的電子計(jì)算 機(jī) 宣告了人類計(jì)算機(jī)世道的到來(lái) ENIAC 電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱 英文全稱為 Electronic Numerical Integrator And Computer 大 約使用了 18800 個(gè)電子管 1500 個(gè)繼電器 重 30t 占地面積約 170 每能秒能 完成 5000 次加 減運(yùn)算 主要用途是進(jìn)行彈道計(jì)算的數(shù)值分析 ENIAC 的功能雖 遠(yuǎn)不如今天的計(jì)算機(jī) 但是它的誕生宣告了計(jì)算機(jī)時(shí)代的開始 無(wú)疑是人類科學(xué)與 文化史上輝煌的一筆 在 ENIAC 誕生后的短短 50 多年中 計(jì)算機(jī)所采用的基本電子元件已經(jīng)經(jīng) 歷了電子管 晶體管 集成電路 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路 4 個(gè)發(fā)展階 段 通常成為計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的 4 個(gè)時(shí)代 見表 1 1 表表 1 1 計(jì)算機(jī)發(fā)展的計(jì)算機(jī)發(fā)展的 4 個(gè)時(shí)代個(gè)時(shí)代 發(fā)展 階段 時(shí)間電子元 器件 存儲(chǔ)器內(nèi)存容 量 運(yùn)算速度軟件 第一 代 1946 1958 年 電子管內(nèi)存采用水銀延遲 線 外存采用磁鼓 紙帶 卡片等 幾千字 節(jié) 每秒幾千次 到幾萬(wàn)次基 本運(yùn)算 機(jī)器語(yǔ)言 匯編語(yǔ) 言 第二 代 1956 1964 年 晶體管磁芯 磁盤 磁帶 等 幾十萬(wàn) 字節(jié) 每秒幾十到 幾百萬(wàn)次基 本運(yùn)算 FORTRAN ALGOL 60 COBOL 第三 代 1965 1970 年 集成電 路 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器幾百萬(wàn) 字節(jié) 每秒幾百萬(wàn) 到千萬(wàn)次基 本運(yùn)算 操作系統(tǒng)逐漸成熟 第四 代 1971 年 至今 大規(guī)模 集成電 路 集成度很高的半導(dǎo) 體存儲(chǔ)器 幾百兆 字節(jié) 每秒幾百萬(wàn) 次甚至數(shù)百 億次基本運(yùn) 算 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 分布 式操作系統(tǒng)等應(yīng)用 軟件 1 第一代 1946 1958 年 第一代是電子管時(shí)代 這代計(jì)算機(jī)因采用段子管而體積大 耗電多 運(yùn)算速度低 存儲(chǔ)容量小 可靠性差及造價(jià)昂貴 同時(shí) 它幾乎沒(méi)有什么軟件配置 編制程序用機(jī)器語(yǔ) 言 主要用于科學(xué)計(jì)算和軍事應(yīng)用方面 2 第二代 1959 1964 年 第二代是晶體管時(shí)代 這代計(jì)算機(jī)采用晶體管 內(nèi)存儲(chǔ)器普遍使用磁芯存儲(chǔ)器 性能比第一代提高了數(shù)十倍 速度一般可達(dá)每秒 10 萬(wàn)次 有的甚至高達(dá)每秒幾百萬(wàn)次 同 時(shí)軟件配置開始出現(xiàn) 一些高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相繼問(wèn)世 并開始采用監(jiān)控程序 出科學(xué)計(jì) 算與軍事應(yīng)用外 開始了數(shù)據(jù)處理 工程設(shè)計(jì) 過(guò)程控制等方面的應(yīng)用 3 第三代 1965 1970 第三代是集成電路時(shí)代 集成電路實(shí)在一塊幾平方毫米的芯片上集成很多個(gè)電子 元件 使計(jì)算機(jī)的體積和耗電量有了顯著減小 計(jì)算速度顯著提高 存儲(chǔ)容量大幅增加 同時(shí) 計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)也有了較大的發(fā)展 出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng) 以及更多的高 級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面有了很大改進(jìn) 機(jī)種多樣化 系統(tǒng)化 并和通信技術(shù)結(jié)合 起來(lái) 使計(jì)算機(jī)應(yīng)用到更多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域 4 第四代 1971 年至今 第四代是大規(guī)模 超大規(guī)模集成電路時(shí)代 硬件上采用大規(guī)模 超大規(guī)模集成電 路作為主要功能部件 內(nèi)存儲(chǔ)器使用集成度更高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 計(jì)算速度高達(dá)每秒幾百 萬(wàn)次至數(shù)百億次 在這個(gè)時(shí)期 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有了較大發(fā)展 并行處理 多機(jī)系統(tǒng) 計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等都已進(jìn)入實(shí)用階段 軟件方面更加豐富 出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系 統(tǒng)以及各種實(shí)用軟甲 其應(yīng)用范圍也更加廣泛 幾乎滲透了人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域 1 1 2 計(jì)算機(jī)的類別計(jì)算機(jī)的類別 1 巨型計(jì)算機(jī) 機(jī)型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱巨型機(jī) 是綜合性能最好 功能最強(qiáng) 運(yùn)算速度最快 同時(shí)占地 面積也最大 價(jià)格也最高的一類計(jì)算機(jī) 它的運(yùn)算速度可達(dá)到每秒十萬(wàn)億次以上 主要用 于航天 氣象 軍事等尖端科學(xué)領(lǐng)域 2 大型計(jì)算機(jī) 大型計(jì)算機(jī)又叫大型機(jī) 它的綜合性能指標(biāo)沒(méi)有巨型計(jì)算機(jī)那樣高 但它具有如 下特點(diǎn) 通用性強(qiáng) 綜合處理能力強(qiáng) 性能覆蓋面廣 可用于大公司 大銀行 大型科研 機(jī)構(gòu)和高等院校等 3 小型機(jī) 對(duì)廣大的中 小用戶來(lái)說(shuō) 小型機(jī)是較好的選擇 小型機(jī)成本較低 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 經(jīng)短期培訓(xùn)即可維護(hù)和使用 所以更易推廣和普及 4 微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)又稱個(gè)人計(jì)算機(jī) 簡(jiǎn)稱微機(jī) 微型計(jì)算機(jī)雖然問(wèn)世較晚 但卻是目前 最為普及的機(jī)種 初學(xué)者接觸和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)多是從微型機(jī)開始的 微型機(jī)具有輕 小 廉 價(jià) 易 用 的特點(diǎn) 且性能價(jià)格比高 兼容性好 因而備受廣大用戶青睞 20 世紀(jì) 80 年代初 IBM 在數(shù)年中連續(xù)推出了 IBMPC PC XT PC AT 等機(jī)型 形成了微型機(jī)的主流系列 許多廠家紛紛向 IBM 靠攏 先 后推出了一些與 IBM PC 相兼容的微型機(jī) 從而鞏固和造就了 IBM 藍(lán)色巨人的光輝形象 微型機(jī)的應(yīng)用已遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域 幾乎無(wú)處不在 5 工作站 工作站是介于微型計(jì)算機(jī)和小型機(jī)之間的一種高等計(jì)算機(jī) 它通常陪有高分辨率 的大屏幕顯示器和大容量的內(nèi) 外存儲(chǔ)器 具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力與圖形處理功能 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下 人們習(xí)慣將網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)微形計(jì)算機(jī)或終端稱為一個(gè)工作站 它是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn) 雖然與這里所說(shuō)的工作站用詞相同 但含義不同 兩者切勿 混淆 6 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)是專為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為客戶機(jī)使用的計(jì)算機(jī) 簡(jiǎn)稱 NC 它是在互聯(lián)網(wǎng) 充分普及和 Java 語(yǔ)言推出的情況下提出的一種全新概念的計(jì)算機(jī) 根據(jù) IBM 和 Oracle 和 Sun 公司共同制定的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)參考標(biāo)準(zhǔn) NC 是一種基于 Java 技術(shù)的瘦客戶機(jī)系統(tǒng) 它提 供了一個(gè)混合系統(tǒng) 在這個(gè)混合系統(tǒng)中 根據(jù)不同的建立方式 將某些應(yīng)用在服務(wù)器上執(zhí) 行 某些應(yīng)用在客戶機(jī)上執(zhí)行 1 1 3 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 1 1 4 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 1 處理速度高 2 運(yùn)算精度高 3 記憶能力強(qiáng) 4 具有邏輯判斷能力 5 具有友好的人機(jī)交互界面 1 1 5 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 1 科學(xué)計(jì)算 2 數(shù)據(jù)處理 3 自動(dòng)控制 4 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù) 5 人工智能 6 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 1 2 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示 計(jì)算機(jī)的基本功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中是以器件的物理狀 態(tài)來(lái)表示的 一個(gè)器件的兩種不同的穩(wěn)定狀態(tài)就可以用來(lái)表示一位二進(jìn)制數(shù) 因此 二進(jìn) 制數(shù)的表示最簡(jiǎn)單而且可靠 另外 二進(jìn)制的運(yùn)算規(guī)則也最簡(jiǎn)單 所以計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用 二進(jìn)制 0 和 1 表示 1 2 1 數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制轉(zhuǎn)換 1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制 按進(jìn)位的原則進(jìn)行的技數(shù)方法稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制 在采用進(jìn)位計(jì)數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)中 如果用 r 個(gè)基本字符 例如 0 1 2 r 1 表示數(shù)值 則稱其為基 r 數(shù)制 Radix r Number System r 稱為該數(shù)制的基 Radix 如日常生活中 常用的十進(jìn)制數(shù) 就是 r 10 即基本符號(hào)為 0 1 2 9 如取 r 2 即基本符號(hào)為 0 1 則為二進(jìn)制數(shù) 對(duì)于不同的數(shù)制 它們的共同特點(diǎn)是 1 每一種數(shù)制都有固定的符號(hào)集 如十進(jìn)制數(shù)制 其符號(hào)有 10 個(gè) 0 1 2 9 二進(jìn)制數(shù)制 其符號(hào)有兩個(gè) 0 和 1 2 都是用位置表示法 即處于不同位置的數(shù)符所代表的值不同 與所在位置的 權(quán)值有關(guān) 例如 十進(jìn)制可表示為 5 555 555 5 103 5 102 5 101 5 100 5 10 1 5 10 2 5 10 3 可以看出 各種進(jìn)位計(jì)數(shù)制中的權(quán)的值恰好是基數(shù)的某次冪 因此 對(duì)任何一種 進(jìn)位計(jì)數(shù)制表示的數(shù)都可以寫出按其權(quán)展開的多項(xiàng)式之和 任意一個(gè) r 進(jìn)制數(shù) N 可表示為 N dm 1rm 1 dm 2rm 2 d1r d0r0 d 1r 1 d 2r 2 dk 1rk 1 dkrk 式中的 di為該數(shù)制采用的基本數(shù)符 ri是位權(quán) 權(quán) r 是基數(shù) 表示不同的進(jìn)制 數(shù) m 為整數(shù)部分的位數(shù) k 為小數(shù)部分的位數(shù) 在十進(jìn)位計(jì)數(shù)制中 是根據(jù) 逢十進(jìn)一 的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)的 一般地 在基數(shù)為 r 的進(jìn)位計(jì)數(shù)制中 是根據(jù) 逢 r 進(jìn)一 的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)的 在微機(jī)中 常用的是二進(jìn)制 八進(jìn)制和十六進(jìn)制 見表 1 2 其中 二進(jìn)制用得最 為廣泛 表表 1 2 計(jì)算機(jī)中常用的幾種進(jìn)制數(shù)的表示計(jì)算機(jī)中常用的幾種進(jìn)制數(shù)的表示 進(jìn)位制二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制 規(guī)則逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十進(jìn)一逢十六進(jìn)一 基數(shù)r 2r 8r 10r 16 符號(hào)0 10 1 70 1 90 1 9 A F 位權(quán)2i8i10i16i 表示形式B Binary System O Octal System D Decimal System H Hexadecimal System 2 r 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) r 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)只要將各位數(shù)碼乘以各自的權(quán)值累加即可 例如 1 100 11 2 1 23 1 22 0 21 0 20 1 2 1 1 2 2 8 4 0 0 5 0 25 12 75 10 50 6 8 5 81 0 80 0 21 6 8 1 40 75 10 4B A 16 4 161 B 160 A 16 1 75 625 10 3 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進(jìn)制數(shù) 1 十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進(jìn)制整數(shù) 除 r 取余法 將十進(jìn)制整數(shù)不斷除以 r 取余數(shù) 直到商為 0 余數(shù)從右到左排列 首次取得的 余數(shù)放到最右邊 2 十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進(jìn)制整數(shù) 乘 r 取余法 將十進(jìn)制整數(shù)不斷乘以 r 取余數(shù) 直到小數(shù)部分為 0 或達(dá)到所求的精度為止 小 數(shù)部分可能永遠(yuǎn)不會(huì)得到 0 所得整數(shù)從小數(shù)點(diǎn)自左向右排列 首次取得的余數(shù)放到最 左邊 3 如果一個(gè)數(shù)既有整數(shù)又有小數(shù) 可以分別轉(zhuǎn)換后再合并 例如 把十進(jìn)制數(shù) 101 687 5 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù) 整數(shù)部分 小數(shù)部分 101 2 50 余數(shù)為 1 50 2 25 余數(shù)為 0 0 687 5 2 1 375 0 整數(shù)位為 1 25 2 12 余數(shù)為 1 0 375 0 2 0 750 0 整數(shù)位為 0 12 2 6 余數(shù)為 0 0 750 0 2 1 500 0 整數(shù)位為 1 6 2 3 余數(shù)為 0 0 500 0 2 1 000 0 整數(shù)位為 1 3 2 1 余數(shù)為 1 1 2 0 余數(shù)為 1 轉(zhuǎn)換結(jié)果 101 687 5 10 1 100 101 101 1 2 4 r 進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 由于二進(jìn)制 八進(jìn)制和十六進(jìn)制之間存在特殊關(guān)系 1 位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于 3 位二 進(jìn)制數(shù) 1 位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于 4 位二進(jìn)制數(shù) 因此轉(zhuǎn)換方法比較容易 見表 1 3 表表 1 3 二進(jìn)制與八進(jìn)制 十六進(jìn)制之間的關(guān)系二進(jìn)制與八進(jìn)制 十六進(jìn)制之間的關(guān)系 八進(jìn)制對(duì)應(yīng)二進(jìn)制十六進(jìn)制對(duì)應(yīng)二進(jìn)制十六進(jìn)制對(duì)應(yīng)二進(jìn)制 00000000081000 10011000191001 201020010A1010 301130011B1011 410040100C1100 510150101D1101 611060110E1110 711170111F1111 根據(jù)表中的關(guān)系 二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制時(shí) 以 3 位