计算机及其应用简述
计算机发展历史
- 计算
- 计算就是映射或基于规则的符号串的变换过程
- 定理证明, 图形变换, 语言翻译都是计算
- 算法
- 算法是求解某类问题的通用法则或方法, 即符号变换的规则
- 算法的 执行就是计算
计算发展阶段
| 阶段 | 范例 | 时间 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 手工计算阶段 | 简单的计数工具是人的十个手指 | ||
| 机械计算阶段 | 帕斯卡发明机械加法器 | 1642 | |
| 机械计算阶段 | 巴贝奇发明差分机 | 18xx | |
| 电子计算阶段 | 第一台通用电子计算机ENICA | 1946 | 每秒5000次加法, 400次乘法 |
- 手工计算阶段
- 机械计算阶段
- 电子计算阶段
冯 诺依曼 提出存储程序
- 输入数据和程序的输入设备
- 记忆程序和数据的存储器
- 完成数据加工处理的运算器
- 控制程序执行的控制器
- 输出程序结果的输出设备
电子计算机发展
| 产品 | 器件 | 功能 | |
|---|---|---|---|
| 电子管计算机 | ENIAC(1946), EDSAC(1949), IAS(1951) | 电子管 | 机器语言和汇编语言 |
| 晶体管计算机 | TRADIC(1954), TX-2(1957) | 晶体管 | 高级语言程序, 浮点运算, 中断, 变址 |
| 第三代 计算机 | 集成电路 | 具有操作系统 | |
| 第四代 计算机 | 大规模和超大规模集成电路 |
- 第一代 电子管计算机
- 第二代 晶体管计算机
- 第三代 计算机: 集成电路
- 第四代 计算机: 大规模和超大规模集成电路
计算机特点和功能
- 特点
- 计算速度快
- 计算精度高
- 逻辑性强
- 数据处理量大
- 自动化程度高
- 应用领域广泛
- 功能
- 数据处理: 计算机系统 最主要的功能
- 数据存储: 数据存储是计算机能够采用自动工作方式的基本保障
- 数据传输: 在计算机内部的各个部件, 计算机主机与外部设备之间, 计算机系统之间进行信息交换的操作功能
计算机硬件组成
- 硬件: 芯片 板卡 存储器 外围设备 线路等
- 软件: 运行在硬件上的程序 数据 以及相关的文档
机箱内(外观上)
中央处理器, 内存, 主板, 硬盘驱动器, 光盘驱动器, 拓展卡, 连接线, 电源
中央处理器
专门用来读取指令和执行指令的部件
- 基本功能: 1. 程序控制 2. 操作控制 3. 时间控制 4. 数据运算
- 组成
- 运算器: 1. 算数运算 2. 逻辑运算
- 控制器
- 程序计数器
- 指令寄存器
- 指令译码器
- 操作控制器
- 时序信号产生器
- 寄存器: 一种存储器件, 用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果, 最终结果以及各种控制信息, 状态信息
- 通用寄存器
- 专用寄存器
- CPU性能指标
- 时钟频率: 主频越高CPU 在一个时钟周期内能完成的指令数越多(TODO)
- 外频: CPU和主板之间同步运行的速度
- 指令系统和字长
- 指令系统: 计算机所能执行的全部指令集合
- 字长: CPU一次能够并行处理二进制数的位数
存储器:
| 分类方式 | 类型 |
|---|---|
| 1. 存储介质分类 | 半导体存储器, 磁性材料存储器, 光介质存储器 |
| 2. 存取方式分类 | 随机存取, 顺序存取, 直接存取, 按内容访问 |
| 3. 信息可更改性分类 | 读写存储器，只读存储器 |
| 4. 与断电保存性分类 | 非易失性存储器和易失性存储器 |
| 5. 按所处位置分类 | 内部存储器和外部存储器 |
外部设备
键盘, 鼠标, 传声器, 摄像头, 触摸屏, 显示器, 打印机, 音箱和耳机
各类总线
常用一组线路配置适当的接口电路, 与各部件和外围设备连接, 这组共用的连接线路就是总线
- 层次分类
- 内部总线
- 系统总线
- 外部总线
- 信号性质分类
- 数据总线
- 地址总线: 单向 三态
- 控制总线
- 技术指标
- 位宽: 总线能同时传送的二进制数据的位数
- 工作时钟频率：
- 总线的带宽
- 单位时间内总线上传输的数据量
- \(带宽 = \frac{总线的工作频率 \times 总线位宽}{8} byte/s\)
软件组成
- 软件分类
- 系统软件
- 泛指那些为了有效使用计算机系统资源 为应用开发与运行提供支持, 能为用户管理和使用计算机提供方便的软件
- 与计算机硬件有很强的交互性, 能对硬件资源进行统一的控制 调度和管理, 具有一定的通用性, 不是专为解决某各问题而开发的
- 应用软件: 泛指专门用于解决各种具体应用问题的软件或程序
- 系统软件
- 程序设计语言
- 算法描述: 对需要解决的问题以及采用的方法和步骤进行描述的过程
- 指令集: 一台计算机所有指令的集合, CPU的指令系统
计算机系统中的信息
信息: 是对事物状态或存在方式的不确定性表述
- 计算机保存的数据
- 数值型数据
- 非数值型数据
- 数值型
- 二进制 特点
- 容易实现
- 计算简单
- 工作可靠
- 便于逻辑运算和逻辑设计
- 数值转换
- 10 -> 2
- 整数部分 除二取余, 自下而上
- 小数部分 乘二取整, 自上而下
- 16 -> 2
- 四位转一个16进制数
- 2 -> 16
- 整数由低到高 四位一组, 不足左补0
- 小数 由高到低, 四位一组, 不足四位右补0
- 10 -> 2
- 二进制编码
- 原码: 符号位置为0或1, 数的绝对值和符号一起编码称为原码
- 编码简单, 与真值转换方便
- 0的表示不唯一, 四则运算符号位需要单独处理, 规则复杂, 实现借位操作困难
- 反码: 正数的反码等于原码, 负数的反码, 符号位与原码相同, 其余各位按位区反
- 补码: 正数的补码等于原码, 负数的补码等于反码+1
- 原码: 符号位置为0或1, 数的绝对值和符号一起编码称为原码
- 定点与浮点
- 定点: 所有数的小数固定在同一位置不变, 小数点事前约定好固定在某个位置
- 浮点: 小数点位置约定为可浮动的数称为浮点数
- \(N = (-1) ^S \times M \times R ^E\)
- S: 0/1
- M: 数N的全部有效数字
- R: 基数
- E: R的幂
- -1010011
- -0.1010011 * 2^7
- S=1
- E=7
- M=0.1010011
- 阶数_尾数
- 阶数: 4位 补码 影响范围
- 尾数: 12位 原码或者补码 影响精度(有效数字)
- \(N = (-1) ^S \times M \times R ^E\)
- 二进制 特点
- 非数值
- ASCII: 7 位二进制
- 汉字码即
机内码一般采用两字节表示, 为了和英文字符加以区别, 汉字机内码中两字节的最高位均规定为1
- 指令:
操作码操作对象- 复杂指令系统计算机 CISC
- 精简指令系统计算机 RISC
计算机用途
- 1 科学计算
- 2 信息管理: 计算机通过对各种数据的采集 存储 加工 传输 分析, 实现有效的信息管理
- 3 自动控制
- 4 人工智能: 用计算机模拟人类的智能活动, 包括判断, 理解, 学习, 信息识别等
- 5 辅助工程
- CAD: 设计
- CAM: 制造
- CAE: 工程
- CS: 模拟
- 6 学习娱乐
- 7 电子商务
趋势
- 网络化
- 智能化: 模拟人类的智能活动 人工智能
- 微型化: 体积越来越小, 保持强大的处理能力
- 巨型化: 速度更快, 容量更大, 功能更强大的超级计算机