1、第1章 计算机与信息技术概述,本章主要内容,1.1 计算机发展概述 1.2 计算机的分类 1.3 计算机的应用 1.4 信息技术的基本概念 1.5 信息在计算机中的表示,什么是计算机？,计算机是一种能够高速地、自动地进行信息处理的电子设备。计算机处理信息的过程包括信息收集、存储、传递、加工处理和使用。,什么是计算机？（续）,从本质上讲，计算机是一种工具不是交通运输工具不是机械加工工具不是工具计算机是一种信息处理工具,什么是计算机？（续）,计算机是20世纪人类历史上最伟大的发明之一。在短暂的半个多世纪里，计算机技术取得了迅猛的发展。如今，计算机的应用领域已经渗透到各行各业，成为当今社会不可缺少的
2、信息处理工具。,1.1 计算机发展概述,1.1.1 计算机的产生和发展,1、第一台计算机的诞生,1946年ENIAC（电子数字积分机与计算机）计算机公布：研制单位：美国宾夕法尼亚大学用 途：军事计算运算速度：5000次/秒体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元,1937年至1941年美国爱荷华州立大学的阿塔纳索夫教授研制了世界上第一台计算机“阿塔纳索夫-贝瑞计算机”，简称ABC,但最负盛名的是1946年在美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC计算机。,2、计算机发展的四个阶段,根据计算机所使用的电子器件的不同，人们将计算机的发展过程划分为四个阶段。,2、计算机发展的四个阶段（续）,
3、(1)第一代（约1946-1957）电子管计算机 速度：几十几万次/秒 内存：磁鼓，千字 外设：磁带 机器语言或汇编语言编程 主要用于科学计算,第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器,电子管,(2)第二代（约1957-1964）晶体管计算机速度：几十万次/秒内存：磁芯，十万字外设：磁盘使用FORTRAN等高级语言编程开始用于数据处理领域,晶体管,2、计算机发展的四个阶段（续）,(3)第三代（约1965-1973）中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机速度：几十万次几百万次/秒内存：半导体存储器高级语言,开始使用操作系统广泛用于科学计算、数据处理、工业控制领域,2、计算机发展的四个阶段（续）,(4
4、)第四代（1974年起）大规模(LSI)和超大规模（VLSI）计算机速度：几百万次亿次/秒内存：半导体存储器出现了微型计算机广泛应用于各行各业,2、计算机发展的四个阶段（续）,第14代计算机的对比,1.1.2 微电子技术,1、什么是微电子技术,微电子技术是指将尺寸在微米数量级，甚至是纳米数量级的晶体管等基础元件集成在一块半导体芯片上的电路集成技术。微电子技术的核心技术是集成电路技术。集成电路具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、速度快、可靠性高等优点。微电子技术是现代信息技术的核心，是发展电子信息产业和各项高技术的基础,2、纳米世界,1纳米=10-9米=10亿分之一米=1nm人的头发丝的直径一般
5、为70008000nm，人体红细胞的直径一般为30005000nm 一根头发宽度可以摆放2000多个45纳米晶体管一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换34亿次一个45纳米晶体管开关一次所需时间仅相当于以光速（30万公里/秒）穿行0.1 英寸所需的时间,3、微电子技术与计算机的关系,微电子技术最重要的应用领域是计算机领域。微型计算机的各个组成部分都离不开微电子技术。集成电路技术的飞速发展加快了计算机更新换代的速度。,一代一代经典的CPU,4、集成电路的发展规律,集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其工作的速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世
6、以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。,4、集成电路的发展规律（续）,1965年美国Intel公司的创始人之一戈登摩尔（Gordon E.Moore）根据1958年以来集成电路的发展情况，预测每18个月同样硅片面积上的晶体管数目将翻一番。这一预测在后来的几十年中基本得到验证。这就是闻名于信息领域的“摩尔定律”。,4、集成电路的发展规律（续）,计算机第一定律摩尔（Moore）定律：单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番(Gordon E.Moore,1965年),4、集成电路的发展规律（续）,“摩尔定律”带动了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表周年之时，作为
7、英特尔公司名誉主席的摩尔说：“如果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。”从昔日的仙童公司到今天的英特尔、摩托罗拉、AMD公司等，半导体产业围绕“摩尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。,4、集成电路的发展规律（续）,目前最先进的集成电路已超过亿个晶体管。,4、集成电路的发展规律（续）,目前65纳米已成为主流工艺INTEL，AMD公司生产的45纳米的处理器也已上世,4、集成电路的发展规律（续）,问题：摩尔定律问世40年了。人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？不需要复杂的逻辑推理就可
8、以知道：芯片上元件的几何尺寸不可能无限制地缩小下去，因为线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作。,因此，有人得出一个结论：“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”,4、集成电路的发展规律（续）,出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机。同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成。,5、集成电路的分类,按集成电路的规模，可以将集成电路分为六大类：,1
9、.1.3 计算机的特点,1.1.3 计算机的特点,工作自动化：计算机由程序控制其运行过程，只要根据需要，事先将程序编好并存储到计算机中，则运行程序时计算机就能自动完成预定的处理任务。处理速度快：计算机运算速度远远超过普通的计算工具，目前世界上最快的计算机每秒可运算万亿次，普通的微型计算机运算速度也达到每秒上百万次。计算精度高：可根据需要获得千分之一到几百万分之一甚至更高的精度。,1.1.3 计算机的特点（续）,记忆能力强：计算机的存储器类似于人的大脑，能记忆大量的数据和程序，可随时提供信息查询和处理等服务。逻辑判断能力可靠：具有可靠的逻辑判断能力是计算机能够实现信息处理自动化的重要原因。通用性
10、强：同一台计算机只要安装不同的软件或连接到不同的设备上，就可以完成不同的任务。因此，计算机可以被用在各个行业。支持人机交互：计算机具有多种输入输出设备，可支持用户与机器进行交互。如用户只要轻轻点击鼠标，计算机就可以完成某项操作功能。,计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者相结合，使得计算机的能力远远超过任何一种工具，而成为人类脑力延伸的有力助手。,1.1.4 计算机的发展趋势,60年来发展速度之快大大超出人们的预料：性能、体积、价格、应用领域、软件技术和软件产品计算机的发展呈现出以下趋势：巨型化 微型化 网络化 智能化,1.2 计算机的分类,按性能和价格分类巨型计算机 大型计算机小型计算
11、机 个人计算机 笔记本台式机工作站,曙光4000A巨型计算机,1.3 计算机的应用,科学计算指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。信息处理信息处理指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动。80%以上的计算机主要用于信息处理。计算机辅助技术包括：计算机辅助设计CAD，计算机辅助制造CAM，计算机辅助教学CAI,1.3 计算机的应用（续）,过程控制也称为实时控制，是使用计算机对连续工作的控制对象实行自动控制。如：在军事上使用计算机控制导弹的发射与导航，自动修正导弹在飞行中的航向。过程控制还广泛用在机械、冶金、石油、航天、化工等领域。人工智能研
12、究、解释和模拟人类智能、行为及其规律的一门学科。如：用于疾病诊疗的专家系统等。,1.3 计算机的应用（续）,网络应用利用计算机网络开展远程教学活动和远程医学诊疗活动等。多媒体技术集成了数字、文字、声音、图形、图像和动画等，广泛用在电子图书、商业、影视娱乐等领域。,4、计算机的负面影响,计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果信息欺骗和计算机犯罪增加知识产权保护更加困难个人隐私受到威胁不良和有害信息肆意传播和泛滥大量电子垃圾污染环境、破坏生态长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害,1.4 信息技术的基本概念,1.4.1 什么是信息,
13、信息本身不是实体，必须通过载体才能体现，但不随载体的物理形式而变化。信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片、视频等都是信息的表现形式(载体)书籍报刊上的文字、数字、符号和图形等，电视中播放的声音、图像，收音机、电话中传输的声音等都是信息的载体。通俗地认为：信息是对人们有用的数据，这些数据将可能影响人们的行为与决策。信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源,1.4.2 信息技术,信息技术（Information Technology，简称IT）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。,1、人工进行信息处理的过程,思考：人工处理信息有哪
14、些不足呢？,手/脚/身,眼/耳/鼻/舌/身,算不快 记不住 传不远 看（听）不清,2、信息技术的类型,信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术，如：雷达，卫星遥感等扩展神经系统功能的通信技术，如：电话、电视、因特网扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术，如：计算器、计算机、机器人、存储器等扩展效应器官功能的控制与显示技术，如：显示器、打印机、音箱,3、现代信息技术的特征,现代信息技术的三大特征：采用电子技术（包括激光技术）以数字技术（计算机）为基础以软件为核心,4、什么是信息处理系统？,信息处理系统是指用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术
15、的系统。信息处理系统的结构：,信息输出,信息输入,5、信息处理系统举例,雷达、卫星、传感器、数码相机、数码摄像机、扫描仪、鼠标、键盘、触摸屏：以感测和识别为主要目的电视、广播：以点到面的单向信息传递为主要目的电话：以点到点的双向的信息交互为主要目的银行、证券系统：以处理金融信息为目的图书馆：以信息收藏和检索为主要目的因特网：跨越全球的多功能信息处理系统,6、信息技术的重要性,使用计算机收集、存储、整理、传输和应用信息的能力将成为现代人的基本素质。当今世界，发展信息技术、信息产业、实现信息化已成为各国参与世界范围的政治、经济、军事竞争，进行综合国力较量的焦点。信息能力正成为衡量一个国家综合国力的
16、重要标志。在信息时代，谁占有信息，谁就拥有政治、经济、军事的主动权。,1.5 信息在计算机中的表示,计算机发展至今，有哪些是不变的？,计算机从诞生到现在，无论从体积、功能、性能、价格、应用领域等各个方面都发生了巨大的变化，但是计算机内部数据的表示方法、计算机的逻辑结构、计算机的工作原理都没有发生变化。,数据，不管是数字、文字、符号、图像、声音、视频等，在计算机中都是用二进制编码来表示。计算机的基本结构仍然是冯.诺依曼结构，即计算机由中央处理器、内存、外存、输入设备、输出设备组成。计算机的工作原理仍然是冯.诺依曼提出的存储程序控制原理。,计算机发展至今，有哪些是不变的？（续）,1.5.1 数制及
17、转换,1、什么是二进制数？,在讨论二进制数之前先考察一下十进制计数系统。,（1）十进制数,每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）低位与高位的关系是：逢10进1各位的权值是10的整数次幂（基数是10）标志：尾部加“D”或缺省例：204.96=21020101410091016102,（2）什么是二进制数？,每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用 1 个“比特”表示 低位与高位的关系是：逢2进1 各位的权值是 2 的整数次幂（基数是2）标志：尾部加B例：101.01 B=122021120 021122 5.25,（3）计算机采用二进制数的原因,二进制只
18、有0和1两个数字符号，用两个稳定状态的物理器件就能表示，实现简单，可靠性好二进制的运算规则非常简单二进制的0和1与逻辑代数的“真”和“假”相吻合，适合计算机将算术运算和逻辑运算统一在一起作处理,（4）八进制数,每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）低位与高位的关系是：逢8进1 各位的权值是8的整数次幂（基数是8）标志：尾部加Q或O例：365.2Q=382+681+580+281=245.25,（5）十六进制数,每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F）逢16进1,基数为16各位的权值是16的整数次幂（基数是16）标志：
19、尾部加H例：F5.4H=15161+5160+4161=245.25,（6）不同进制数的比较,（6）K进制数的性质,（1）基数为K，逢K进一（2）小数点右移n 位相当于乘以K n（为原来的K n 倍）（3）小数点左移n 位相当于除以K n（为K n分之一）,如：将（11001.11）2的小数点向右移2位，则数值扩大为原来的4位。若左移1位，则为原来的1/2。,2、二进制数的运算,（1）二进制数的算术运算,1位二进制数的加、减法运算规则：,0+0=0 0-0=01+0=1 1-0=10+1=1（1）0-1=11+1=10 1-1=0,二进制数的算术运算,2个多位二进制数的加、减法运算举例：,01
20、01 1001,+0100 0100,1001 0101,由低位到高位逐位进行！,（2）二进制数的逻辑运算,基本的逻辑运算有三种：逻辑加（也称“或”运算）：用符号“OR”、“”或“+”表示。逻辑乘（也称“与”运算）：用符号“AND”、“”或“”表示。取反（也称“非”运算）：用符号“NOT”或“-”表示。,（2）二进制数的逻辑运算（续）,逻辑运算规则：逻辑或运算规则：11=1 10=1 01=1 00=0 逻辑乘运算规则：11=1 10=0 01=0 00=0 取反运算规则：1=0 0=1,逻辑或运算两边的操作数只要有一个为1，运算结果就为1。,逻辑乘运算两边的操作数只要有一个为0，运算结果就为
21、0。,（2）二进制数的逻辑运算（续）,单个二进位进行逻辑运算的结果不是1就是0，没有进位和借位。多个二进位进行逻辑运算时按位独立进行运算。例：11011011=1001 11011011=1111,3、不同进制数的相互转换,要求：熟练掌握不同进制数相互之间的转换，在编写程序时很有用。重点掌握二进制数与十进制数之间的转换。,（1）十进制数 二进制数,转换方法：整数和小数放开转换 整数部分：除以2逆序取余 小数部分：乘以2顺序取整例如：29.6875 11101.1011 B,注意：十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似值。,课堂练习：1、将十进制数58.625转换成
22、二进制结果为：111010.101 B2、将十进制小数0.37转换成二进制，要求精确到小数点后面第四位。,十进制数 二进制数,（2）二进制数 十进制数,转换方法：位权展开法 二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值例：11101.1011B=124123122021120 121022123124=29.6875,推广：K进制数转换为十进制数,位权展开法【例】将下列数值转换为十进制数(123)7(205.4)8(AF.8)16 解：(123)7=172271370=(66)10(205.4)8=28208158 048 1=(133.5)10(AF.8)16=1016
23、1 15160816-1=(175.5)10,（3）八进制数与二进制数的互换,八进制二进制：一位变三位，即把每个八进制数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低位的次序不变 例：2467.32Q 010 100 110 111.011 010 B,八进制数 二进制数 八进制数 二进制数 0 000 4 100 1 001 5 101 2 010 6 110 3 011 7 111,1位八进制数与3位二进制数的对应关系：,二进制八进制：整数部分从低位向高位每3位用一个等值的八进制数来替换，不足3位时在高位补0凑满3位；小数部分从高位向低位每3位用一个等值八进制数来替换，不足3位时在低位补0凑满三位
24、 例：1101001110.11001 B=001 101 001 110.110 010 B=1516.62 Q,（3）八进制数与二进制数的互换,（4）十六进制数与二进制数的互换,1位十六进制数与4位二进制数的对应关系：,转换方法：与八、二进制互换的方法类似例1：（35A2.CF）H 11 0101 1010 0010.1100 1111B例2：11 0100 1110.1100 11B（34E.CC）H,（4）十六进制数与二进制数的互换,1.5.2 信息的计量单位,计算机中的信息都用二进制编码表示。比特是组成计算机数字信息的最小单位,1、什么是比特？,比特（bit，binary digit
25、的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”，使用“b”表示。比特只有 2 种取值：0，1比特的0和1表示的是两种状态，不是数量概念，不能认为1一定大于0。,例：用比特表示图像,2、比特在计算机中如何表示？,在计算机中表示二进位的方法：电路的高电平状态或低电平状态(CPU)电容的充电状态或放电状态(RAM)两种不同的磁化状态(磁盘)光盘面上的凹凸状态(光盘),例1：CPU内部二进位信息的表示,CPU内部通常使用高电平表示1，低电平表示0,磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状态分别表示0和1,例2：磁盘存储器中比特的表示,例3：CD/DVD盘片上比特的表示,光盘表面的
26、凹、凸状态用于表示和存储二进位信息,CD光盘表面 DVD光盘表面,3、比特的三种基本逻辑运算,比特的取值“0”和“l”可表示两种不同的状态（例如电位的高或低、命题的真或假）比特的运算使用逻辑代数，它有3种基本逻辑运算：逻辑加（也称“或”运算，用符号“OR”、“”或“”表示）逻辑乘（也称“与”运算，用符号“AND”、“”或“”表示，也可省略）取反（也称“非”运算，用符号“NOT”或上横杠“”表示）,逻辑运算的规则,逻辑加：F=A B A:0 0 1 1 B:0 1 0 1 F:0 1 1 1逻辑乘：F=A B A:0 0 1 1 B:0 1 0 1 F:0 0 0 1取反：F=NOT A A:N
27、OT 0 NOT 1 F:1 0,两个多位的二进制信息进行逻辑运算时，按位独立进行，即每一位都不受其它位的影响：例1A:0110 B:1010 F:1110例2A:0110 B:1010 F:0010,4、比特的存储,存储1个比特需要使用具有两种稳定状态的元器件，例如：开关、灯泡等。,在计算机的CPU中，比特用“触发器”来存储触发器有两个状态，可分别用来记忆0和1，1个触发器可存储1个比特一组（例如8个或16个）触发器可以存储1组比特，称为“寄存器”CPU中有几十个甚至上百个寄存器,断电后信息丢失！,比特的存储,计算机存储器中用电容器存储二进位信息：当电容C处于充电状态时，表示1；电容C处于放
28、电状态时，表示0。1个电容可用来存储1个比特,集成电路技术可以在半导体芯片上制作出数以亿计的微型电容器，从而构成了可存储大量二进位信息的半导体存储器芯片。,断电后信息丢失！,比特的存储,磁盘：利用磁介质表面区域的磁化状态来存储二进位信息,光盘：通过“刻”在光盘表面上的微小凹坑来记录二进位信息,断电后信息可以保持！,5、存储容量的计量单位,较比特稍大一点的单位是字节，英文是Byte，用“”表示。1个字节包含 8个比特，即b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0比字节再大点的单位是字，字的长度一般为字节的整数倍，如个字节、个字节或个字节等。计算机内存储器容量的计量单位：KB:1 KB=210
29、字节=1024 B（千字节）MB:1 MB=220字节=1024 KB（兆字节）GB:1 GB=230字节=1024 MB（吉字节、千兆字节）TB:1 TB=240字节=1024 GB（太字节、兆兆字节）,5、传输速率的度量单位,在数据通信和计算机网络中传输传输信息时，是一位一位串行传输的，因此传输速率的度量单位是每秒多少比特。常用的速率单位有：比特秒（b/s），也称“波特（bps）”千比特秒（kb/s）,1kb/s=1000b/s兆比特/秒（Mb/s）,1Mb/s=106b/s=1000 kb/s吉比特/秒（b/s）,1b/s=109 b/s=1000 b/s太比特/秒（b/s）,1b/s=
30、1012 b/s=1000 b/s,1.5.3 数值信息的表示,1、计算机中数的主要类型,都采用二进制表示，有不同类型和不同长度,计算机中的数,小数点固定隐含在个位数右面,小数点不固定,1、整数的表示方法,1、整数的表示方法,计算机内部将整数分为两大类：无符号整数带符号整数,（一）无符号整数的表示,采用“自然码”表示：取值范围由位数决定：8位：可表示0255(28-1)范围内的所有正整数16位：可表示065535(216-1)范围内的所有正整数n位：可表示 02n-1范围内的所有正整数。,（二）带符号整数的表示,（1）表示方法：用1位表示符号，其余用来表示数值部分,（2）符号的表示方法“0”表
31、示正号(+),“1”表示负号(-),（三）带符号整数的表示,（3）数值部分的表示方法：原码表示:正、负整数绝对值都以二进制自然码表示 反码表示:正整数：绝对值以二进制自然码表示 负整数：在原码基础上绝对值部分按位取反 补码表示：正整数：绝对值以二进制自然码表示 负整数：在反码基础上加1,（三）带符号整数的表示（续）,注意：正数的原码、反码和补码都相同，都等于原码。,如：（+127）原=（+127）反=（+127）补=0111 1111,（三）带符号整数的表示（续）,（4）负数补码求解方法先将负数表示为原码（即符号位为1，其他位为绝对值的自然码）将原码绝对值部分按位取反，得到反码将反码加1得到补
32、码,例:用8位补码表示-43练习题：-64用8位补码表示,(1)(-43)原=10101011(2)(-43)反=11010100(3)(-43)补=11010101,（三）带符号整数的表示（续）,带符号整数小结1,补码没有正0和负0之分，0的补码只有一种：0000 0000相同位数的补码表示范围比原码、反码多一个8位补码比原码、反码多一个-128（-128）补=1000 0000正数的原码、反码和补码都相同，都等于原码。带符号整数在计算机内采用补码形式表示。,带符号整数小结2,原码可表示的整数范围8位原码：-12712716位原码：-3276732767n 位原码：-2n-1+12n-1-1
33、补码可表示的整数范围 8位补码：-128127 16位补码：-3276832767 n位补码：-2n-12n-1-1,在8位码中，-128没有原码、反码，但有补码，表示为 10000000,带符号整数小结3,计算机中整数有多种，同一个二进制代码表示不同类型的整数时，其数值可能不同。,三种整数的比较,2、实数的表示方法,（一）实数的特点,特点：既有整数部分又有小数部分，小数点位置不固定整数和纯小数是实数的特例,（二）实数的表示方法,实数的表示方法（科学记数法）：阶码：乘幂中的指数，表示实数中小数点的位置，指数也有正负之分尾数：纯小数部分，表示实数中的有效数字部分符号：尾数的正负 如：0.0034756=0.34756102,（三）二进制实数的浮点表示,与十进制实数一样，二进制实数也可以用指数法表示 例如：+1001.011B=+0.1001011B2 100 0.0010101B=0.101
