计算机基础知识

1.1.1计算机发展简史1.1.2计算机的特点1.1.3计算机的应用1.1.4计算机的分类1.1.5计算机科学研究与应用1.1.6未来计算机的发展趋势1.1.7信息技术简述1.2.1数制的基本概念1.2.2数制间的转换1.2.3计算机内的数据1.2.4字符的编号1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)在美国宾夕法尼亚大学研制成功。ENIAC的诞生宣告了电子计算机时代的到来，奠定了计算机发展基础，开辟了计算机科学技术的新纪元。在ENIAC的研制过程中，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼总结并归纳了一下三点。采用二进制。存储程序控制。计算机的五个基本部件。（运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）人们通常根据计算机所采用电子元器件的不同将计算机的发展过程划分为电子管、晶体管、集成电路及大规模/超大规模集成电路4个阶段，分别称为第一至第四代计算机。表格1-1第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机年份1946-19591959-19641964-19721972-至今主要元器件电子管晶体管小规模及中规模集成电路大规模及超大规模集成电路速度几千次到几万次每秒几十万次每秒几千万次每秒上亿次每秒应用领域军事和科学研究数据处理、事务处理科学计算、数据处理、过程控制各个领域代表机型UNTVAC-IIBM-7000IBM-360IBM-4300/3080/3090/9000我国计算机技术研究起步晚、起点低，但随着改革开放的深入和国家对高新技术的扶持、对创新能力的提倡，计算机技术的水平正逐步地提高。1956年，开始研制计算机。1958年，研制成功第一台电子管计算机——103机。1959年，研制成功第一台大型通用电子数字计算机。1964年，研制成功第二代晶体管计算机。1971年，研制成功以集成电路为主要元器件的DJS系列机。1983年，我国第一台亿次巨型计算机——“银河”诞生。1992年，10亿次巨型计算机——“银河Ⅱ”诞生。1997年，每秒130亿浮点运算、全系统内存容量为9.15GB的巨型计算机——“银河Ⅲ”研制成功。1995年，第一套大规模并行机系统——“曙光”研制成功。1998年，“曙光2000-Ⅰ”诞生，其峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算。1999年，“曙光2000-Ⅱ”超级服务器问世，峰值速度达每秒1117亿次，内存高达50GB。“神威”并行计算机研制成功，其技术指标位居全世界第48位。2001年，我国第一款通用CPU——“龙芯”芯片研制成功。2002年，我国第一台拥有完全自主知识产权的“龙腾”服务器诞生。2008年，我国自主研发制造的百万亿次超级计算机“曙光500”获得成功。2009年，国内首台百万亿次超级计算机“魔方”在上海正式启用。同年，中国第一台千万亿次超级计算机——“天河一号”亮相。2010年，中国曙光公司研制的“星云”千万亿次超级计算机排名世界第二，同年，中国的“天河一号”超级计算机，位居世界第一。计算机的特点处理速度快计算精度高储存容量大可靠性高全自动工作适用范围广，通用性强信息处理（数据处理):指对大量数据进行加工处理。如收集、存储、传送、分类、检测、排序、统计、输出等。过程控制：又称实时控制，是指用计算机实时采集控制对象的数据，加以分析处理后，按系统要求对控制对象进行控制。如工业生产的自动化的实现。网络通信：指通过电话交换网等方式将计算机连接起来，实现资源共享和信息交流。多用于网络互联网技术、路由技术、数据通信技术、信息浏览技术和网络技术。多媒体：运用计算机网络可以为计算机用户带来丰富多彩的娱乐活动。计算机辅助设计和辅助制造：前者在CAD系统的帮助下，设计人员能够实现最佳的设计模拟，提前作出设计判断，并能很开地制作出图纸来。后者是CAM利用CAD输出的信息控制、指挥作业。CAD、CAM和数据库技术集成在一起，形成CIMS（计算机集成制造系统）技术，可实现设计、制造和管理的自动化。嵌入式系统：是指把处理芯片嵌入计算机设备中完成特定处理任务的系统。多应用于消费电子产品、工业制造系统人工智能：指摸拟人类的学习过程和探索过程。多应用于自然语言理解、专家系统、机器人、定理自动证明计算机的分类按性能按处理数据的类型按使用范围超级计算机（巨型机）、大型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站、服务器数字计算机、模拟计算机、混合计算机专用计算机、通用计算机计算机的应用尽管已经渗透到的各个领域，并扩展到工业、农业、军事、商业以及家庭生活之中，但随着科学技术科学的飞速发展和全球范围内的新技术革命的不断兴起，计算机科学研究已经渗入人工智能、网络计算、中间件技术、云计算等方面。人工智能的主要内容是研究、开发能以及人类智能相识的方式做出反应的智能机器，包括机器人、指纹识别、人脸识别、自然语言处理等。人工智能能让计算机更接近人类的思维，实现人机互动。网络计算是针对复杂科学计算的新型计算模式。这种模式利用互联网，把分散在不同地地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网络”，所以这种计算方式称为网络计算。其特点如下：能够提供资源共享，实现应用程序的互相连接。协同工作，处理同一个项目。基于国际的开放技术标准。可以提供动态的服务，适应变化。中间件技术是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。中间件抽象了典型的应用模式，应用软件制作者可以基于标准的中间件进行再开发。分为多种，例如，交易中间件、消息中间件、专有系统中间件、面向对象中间件、数据访问中间件、远程过程调用中间件、Web服务器中间件、安全中间件等。其特点有：满足大量应用的需要。运行于多种硬件和OS平台。支持分步计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明性应用或服务的交互。支持标准的协议。支持标准的接口。云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源（包括网络、服务器、存储、应用软件、服务）共享池，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。其特点是：超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、价廉。•高速运算、大容量储存和强功能的巨型计算机。巨型化•条件：大规模和超大规模集成电路的出现•体积小、功能强、可靠性高、便携、价廉、适用广。微型化•现代通信技术与计算机技术相结合的产物•将分布不同的计算机连接，按协议共享资源。网络化•第五代计算机的实现目标，让计算机模拟人学习的过程，使计算机具备人的感观、思维等能力智能化模糊计算机：除具备一般计算机的功能外，还具备学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可以帮助人从事复杂的脑力劳动。光子计算机：是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成电路技术，把光开关、光储存器等集成在一块芯片上，在用光导纤维连成计算机。生物计算机：微电子技术和生物工程着两项高科技的互相渗透为研制生物计算机提供了可能。利用DNA化学反应，通过和酶的相互作用，可以使某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计算机。超导计算机：具有超导逻辑电路和超导存储器，运算速度是传统计算机无法比拟的。研制的关键之一是有一套维持超低温的设备。量子计算机：其数据用量子位存储。由于量子有叠加效应，一个量子可以是0或1，也可以即存储0又存储1，因此一个量子位可以存储2个数据。同样数量的存储位量子计算机的存储量比传统电子计算机的大许多。传统计算机与量子计算机的区别是，传统计算机遵循众所周知的经典物理规律，而量子计算机则遵循独一无二的量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。同时量子计算机可以实行量子并行计算。信息同物质、能源一样重要，是人类生存和社会发展的三大基本资源之一。数据处理之后产生的结果是信息，信息具有针对性、实时性，是有意义的数据。信息技术是指：应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧，上述方面的技巧和应用；计算机与人、机的交互作用，与之相应的社会、经济和文化等多种事物。目前，信息技术主要指一系列与计算机相关的技术。一般来说，信息技术包括了信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。信息基础技术：是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新元器件的开发和制造技术。信息系统技术：是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。信息应用技术：是针对种种实用目的的技术。如信息管理、信息控制、信息决策等技术门类。人们在生产实践和日常生活中创造了许多种表示数的方法，如人们常用的十进制；钟表计时中使用的六十进制等。这些数的表示规则称为数制。使用R个数字符号来表示数据，按R进位的方法进行记数，称为R进位记数制，简称R进制。对于任意具有n位整数，m位小数的R进制数有同样的基数R、位权𝑅𝒾（其中𝒾=-m~n-1)和按权展开表示式。每个数码的实际值=数码的值×位权。而“按权展开”的实际意义就是求整个数的值，即整个数的实际值=每个数码的实际值相加。所以，按权展开就是每个数码的实际值相加的和，即每个数码本身的值×位权，然后相加。二进制基数为2；两个数码：0~1；逢二进一；位权为𝟐𝓲。十进制基数为10；十个数码：0~9；逢十进一；位权为𝟏𝟎𝓲。八进制基数为8；八个数码：0~7；逢八进一；位权为8𝓲。十六进制基数为16；十六个数码：0~9和A~F；逢十六进一；位权为16𝒾。以上𝒾=-m~n-1，m为自然数，n分别代表数的小数、整数部分的位数。十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F①非十进制数转换成十进制数——按权展开法【例1-1】二进制数110.01的基数为2，权为2𝑖（其中𝑖=-2~2），按权展开为（110.01）2=1×22+1×21+1×20+1×2−1+1×2−2=(6.25)10十六进制数B7E的基数是16，权为16𝑖（其中𝑖=0~2），按权展开为(𝐵7𝐸)16=11×162+7×161+14×160=(2942)10②十进制数转换成R进制数——整数部分“除二取余”法，小数部分“乘二取整”法。【例1-2】将十进制数（125.8125）10转换为二进制数。因此转换结果为：（35.375）10=（100011.011)2先对整数部分进行转换：再对小数部分进行转换高位低位③二进制数与十六进制间的转换——由于16是2的4次幂，所以可用4位2进制数来表示1位二进制数。其关系见表1-1。【例1-3】将十六进制数（1𝐴𝐶0.6𝐷)16转换成二进制数。即（1𝐴𝐶0.6𝐷)16=（1101011000000.01101101)21AC0.6D0001101011000000.01101101二进制数转换为十六进制数——从小数点开始，整数部分左、小数部分向右每4位分为1节，整数部位最高位或小数部分最低位不足4位时补“0”，然后将每节依次转换成十六进制数，在连接起来。【例1-4】将二进制数（10111100101.00011001101）2转换成十六进制数。即（10111100101.00011001101）2=（𝟓𝑬𝟓.𝟏𝟗𝑨)𝟏𝟔同理，由于8是2的3次幂，所以用3位二进制数来表示一位八进制数。010111100101.0001100110105E5