大學(xué)計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)

計算機(jī)基本原理

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院

劉18哲

@4

計算發(fā)展簡史

Peking

2University

什么是“計算”

□新華詞典2001修訂版

A計數(shù)；通過已知數(shù)求出未知數(shù)；籌劃；打算；算計

□美國傳統(tǒng)詞典

＞用數(shù)學(xué)方法（尤其是數(shù)字的方法）決定或測定

＞利用計算機(jī)決定或測定

＞確定數(shù)量或數(shù)字

這些定義的共性:

1）基于數(shù)學(xué)，尤其是數(shù)字相關(guān)的數(shù)學(xué)

2）從已知（輸入）推導(dǎo)出未知（輸出）

什么是“計算機(jī)”

□顧名思義，“計算機(jī)”就是執(zhí)行計算的“機(jī)器”

A能夠基于數(shù)學(xué)，尤其是數(shù)字相關(guān)的數(shù)學(xué)，從已知(輸入)

推導(dǎo)出未知(輸出)的機(jī)器

□“計算機(jī)”名稱的起源

>1646年正式出現(xiàn)“computer”這一英文單詞

?當(dāng)時是指專門從事計算工作的人

?而用來計算的機(jī)器在1940年以前稱為“計算器

(calculator)”或“制表機(jī)(tabulator)”

>直到1940年發(fā)明第一臺電子計算設(shè)備,“計算機(jī)”這一名

詞才正式具備今天的內(nèi)涵

Peking

University

4

計算機(jī)簡史

口計算機(jī)前世羅

A手工計算器，1200年~1600年馬

A機(jī)械計算器，1600年~1930年系

A計算機(jī)原型，1937年~1946年是

□現(xiàn)代計算機(jī)一

A真空管計算機(jī)，1946年人

?晶體管計算機(jī)，1950年代后期建

?集成電路計算機(jī)，1965年成

A超大規(guī)模集成電路，1970年代早期的

O產(chǎn).

“京，Uiuversity

5

手工計算器

口進(jìn)行數(shù)字計算的工具

＞需手工實施運算法則

A體現(xiàn)了計算機(jī)的核心：

按照

運算法則算盤，1200年

操縱數(shù)字

一步一步

執(zhí)行計算

Napier乘除器移動計算尺，1621年

贏產(chǎn),t

Umversity

機(jī)械計算器

口帕斯卡

A12歲獨自發(fā)現(xiàn)了“三角形的內(nèi)角和等于180度”

>16歲參加巴黎數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家小組

>17歲時寫成《圓錐截線論》震驚數(shù)學(xué)家笛卡兒

A18歲時開始設(shè)計計算機(jī)，幫助父親計算稅率稅款

>19歲第三個模型在1642年研制成功

■帕斯卡加法器(1642)

?是一種系列齒輪組成的裝置，依靠發(fā)

條轉(zhuǎn)動，用專用的鐵筆撥動轉(zhuǎn)輪以輸

入數(shù)字。

?開始只能夠做6位加法和減法

Peking

University

機(jī)械計算器

口機(jī)械計算機(jī)能夠自動實施運算法則

＞手工計算器需遵循運算法則進(jìn)行大量手工操作，無法滿足工業(yè)革命的需要

德國科學(xué)家，當(dāng)時在圖賓根

(Tubingen)大學(xué)任教授。

他廣泛涉獵天文學(xué)、數(shù)學(xué)和

測量學(xué)等諸多領(lǐng)域。

?契克卡德計算機(jī)可以進(jìn)行6位

數(shù)加減法，或許設(shè)置了某種

“溢出”響鈴裝置

?機(jī)器上部附加一套圓柱型“納

皮爾算籌”，因此也能進(jìn)行乘

除運算

1623年，德國Schickard計算器(六

位數(shù)加減)第一臺機(jī)械計算器

%Peking

University

8

機(jī)械計算器

□萊布尼茨

A改進(jìn)了帕斯卡的機(jī)械計算器（40年時間?。?/p>

?發(fā)明了萊布尼茨轉(zhuǎn)輪，成為后續(xù)很多機(jī)械計算器的基礎(chǔ),

可以完成較為復(fù)雜的四則運算

1673年，德國Leibniz四則運算器（改

進(jìn)Pasca功口減法器）

但是，萊布尼茨對計算技術(shù)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)關(guān)朝常3y

9

機(jī)械計算器

口八卦與二進(jìn)制

＞萊布尼茨第一個提出了二進(jìn)制的思想!

?其靈感來自于中國的八卦!

＞將二進(jìn)制的思想寫信給喜歡數(shù)學(xué)的康熙皇帝,希望后者能

皈依基督教…冏一

新111

弛11O

1O1

M:

愚1OO

察O11

城O1O

印OO1

照OOO

10

機(jī)械計算器

口機(jī)械計算器運行的“自動化”

A1823年，英國Babbage設(shè)計實現(xiàn)了功能強(qiáng)大的差分機(jī)，但

極其復(fù)雜，意味著更強(qiáng)大的機(jī)械計算器必須自動化

4000多個零件

把函數(shù)表的復(fù)雜算式轉(zhuǎn)化為

差分運算，用簡單的加法代

替平方運算。

“可處理3個不同的5位數(shù)，計

算精度達(dá)到6位小數(shù)。

瀛產(chǎn).t

“二#University

機(jī)械計算器

口機(jī)械計算器運行的“自動化”

A1834年，英國人Babbage設(shè)計的分析機(jī)（蒸汽驅(qū)動）

?存儲數(shù)據(jù)的倉庫：每個齒輪可貯存10個數(shù)，齒輪組成的

陣列總共能夠儲存1000個50位數(shù)

?執(zhí)行運算的作坊：基本原理與帕斯卡的轉(zhuǎn)輪相似，用齒

輪間的嚙合、旋轉(zhuǎn)、平移等方式進(jìn)行數(shù)字運算

?運算控制器：以自動編織機(jī)穿孔卡中的。和1來控制運算

操作的順序，如，第一步運算結(jié)果若是“1”，就接著做

乘法，若是”0"就進(jìn)行除法運算

?數(shù)據(jù)傳輸部件：在倉庫和作坊之間不斷往返運輸數(shù)據(jù)

分析機(jī)最終沒能造出來，巴貝奇和阿達(dá)

（英國詩人拜倫的獨生女）失敗了！

因為看得太遠(yuǎn)！分析機(jī)的設(shè)想超出了其

所處時代至少一個世紀(jì)暮看蹤跡,

%荒,Umversity

12

機(jī)械計算器的不斷發(fā)展

口統(tǒng)計學(xué)家霍列瑞斯(Hollerith)，涔逾J，?！保?"'11.

?源自美國人口普查、蟒101也0曲曲0必

----------------——

?1880年的人口普查1887年才完成——

?1890年的可能需要到1900年才能完成

AHollerith制表機(jī)(電子穿孔卡片匯總)

應(yīng)運而生，6個月即完成1890年人口普查

數(shù)據(jù)匯總，隨后兩年內(nèi)完成所有統(tǒng)計工

作

>1896年，Hollerith成立“計算制表記錄

公司”，1924年改名“國際商用機(jī)器公

司”

□1935年：IBM制造了IBM601穿孔卡片式計算

機(jī)，該計算機(jī)能夠在一秒鐘內(nèi)計算出乘法運

采用電氣元件的“計算機(jī)原型”

□1934年德國工程師楚澤(K.Zuse)開始

研制Z1、Z2、Z3三種型號的計算機(jī)

A采用二進(jìn)制的運算方式

＞以繼電器為主要元件

□1941年Zuse完成了Z3的研制工作■

＞第一臺可編程的電子計算機(jī)。

A可處理7位指數(shù)、14位小數(shù)。(I

?使用了大量的真空管。

’■,■一

UlMur

＞每秒種能作3到4次加法運算fjrjjjjjji？QiODCVJ

A一次乘法需要3到5秒。

/////

機(jī)械計算器小結(jié)

口什么是計算：

＞機(jī)械計算機(jī)是利用機(jī)械執(zhí)行計算的機(jī)器

□1）基于數(shù)學(xué)，尤其是數(shù)字相關(guān)的數(shù)學(xué)

＞機(jī)械計算機(jī)均采用十進(jìn)制計數(shù)及四則運算法則

?差分機(jī)將復(fù)雜的函數(shù)表運算轉(zhuǎn)化成加法

□2）從已知（輸入）推導(dǎo)出未知（輸出）

＞機(jī)械計算機(jī)的輸入和輸出均為有限位數(shù)的十進(jìn)制數(shù)

A機(jī)械計算機(jī)大多手工輸入，也有穿孔卡片輸入

A機(jī)械計算機(jī)的運算/推導(dǎo)過程不變、速度有限

口機(jī)械的“物理性質(zhì)”決定了機(jī)械計算機(jī)“能力有限”

＞分析機(jī)偉大的設(shè)計最終無法采用機(jī)械來實現(xiàn)

Peking

15University

如何“飛躍”機(jī)械計算器

口什么是計算:

?分析機(jī)偉大的設(shè)計最終無法采用機(jī)械來實現(xiàn)

借鑒分析機(jī)的圖:計思路餐需屈實現(xiàn)!翔?

16塔涉University

圖靈機(jī)的提出

□OnComputableNumbers,1937

＞這篇奠基之作其實是回答德國大數(shù)學(xué)家DavidHilbert在世

界數(shù)學(xué)家大會上提出的“23個數(shù)學(xué)難題”中的一個問題:

“是否所有的數(shù)學(xué)問題在原則上都是可解的”

＞圖靈認(rèn)為“有些數(shù)學(xué)問題是不可解的”

＞圖靈機(jī)只是在這篇論文的一個腳注中順便提出的

Endnotes

8.Itismostnaturaltoconstructfirstachoicemachine(§2)todothis.Butit

theneasytoconstructtherequiredautomaticmachine.Wecansupposethat

thechoicesarealwayschoicesbetweentwopossibilities0and1.Eachproof

willthenbedeterminedbyasequenceofchoicesz1,/2,zn(z1=0or1,72

=0or1,zn=0or1),andhencethenumber2〃+z-125+1+z225-2+...+

zn,completelydeterminestheproof.Theautomaticmachinecaniesout

successivelyproof1,proof2,proof3,....

尚弟i二ADZ1嗒

%今步University

什么是圖靈機(jī)

讀

寫

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

頭蟀

控制器

磁帶

|o|o|oI1I1I1|o|o|oI1I1|o|o|o

-J

口圖靈機(jī)的組成

條磁帶：雙向都可無限延長，被分為一個一個彼此獨

立的方格，每個方格上有數(shù)字

?一個磁頭：可以讀出或改寫磁帶方格數(shù)字，可在方格之

間左右移動

?一個控制器：包含有限個數(shù)的狀態(tài)，每個狀態(tài)值都可以

改變

Peking

18University

什么是圖靈機(jī)

讀

寫

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

頭蟀

控制器

磁帶

00011100011000

口圖靈機(jī)的運算法則

?重復(fù)執(zhí)行下列動作，直至遇到“停機(jī)”命令

>1）讀出磁頭指向的磁帶方格的內(nèi)容

>2）根據(jù)讀出值和控制器內(nèi)部狀態(tài)，執(zhí)行三種動作：改

寫方格內(nèi)容、移動磁頭、修改狀態(tài)

Peking

19University

圖靈機(jī)小結(jié)

□圖靈機(jī)組成：一條磁帶+一個磁頭+一個控制器

□圖靈機(jī)程序：磁帶內(nèi)容+控制器狀態(tài)+條件執(zhí)行動作

＞表現(xiàn)為〈當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)前符號，修改后符號，磁頭移動方向,下一

狀態(tài)〉五元組的集合

□圖靈機(jī)計算能力強(qiáng)大：Church-TuringThesis

A圖靈說：凡是可計算的函數(shù)都可以用圖靈機(jī)來計算

AChurch說：任何計算，如果存在一個有效過程，它就能被

圖靈機(jī)所實現(xiàn)

＞計算機(jī)程序就是某個可計算問題的一個有效過程

?只要時間足夠長（即允許足

夠的運算次數(shù)）和空間足夠

磁帶大（即磁帶足夠長），圖靈

0Io""011OOO機(jī)可替代目前的任何計算機(jī)

OPekbis

20潦*University

如何實現(xiàn)圖靈機(jī)

口圖靈機(jī)實現(xiàn)的主要指標(biāo)：

A時間上要求運算速度；空間上要求磁帶容量

口圖靈機(jī)實現(xiàn)的關(guān)鍵因素：

A物理上：磁帶的方格數(shù)量和方格容量，磁頭讀寫速

率和移動速度，控制器判斷速率和狀態(tài)變換速率

A數(shù)學(xué)上：一般而言，進(jìn)制越大，所需存儲空間越少,

運算次數(shù)越少

讀

寫

磁有限?只要時間足夠長（即允許足

(qi,q2,q3,q4...............)

頭

控制器i夠的運算次數(shù)）和空間足夠

磁帶—大（即磁帶足夠長），圖靈

0001110001100司機(jī)可替代司螂毋制計算機(jī)

J

212G&University

進(jìn)制

□進(jìn)制形式只是數(shù)值的表示形式

口任何十進(jìn)制數(shù)X都可以表示為：

nrn

X=kn*1O+..+k0*10°+k_+.?,+k_m*1(r

基數(shù)為10,系數(shù)/數(shù)字kj€{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)

112

例：46.37(10)=4*10+6*10°+3*10■+7*10-

口任何二進(jìn)制數(shù)B都可以表示為：

n-m

B=kn*2+...+k0*20+k_i*2T++k_m*2

基數(shù)為2,系數(shù)/數(shù)字kj€{0,1}

例:110110(2)=1*25+

1*24+0*23+1*22+1*21+0*2°=54(10)

Peking

22University

口進(jìn)制的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)制

A如果兩個有理數(shù)相等，則兩數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分

定分別相等

□十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二/八/十六進(jìn)制數(shù)

A整數(shù)轉(zhuǎn)換用“除2/8/16取余法”

?小數(shù)轉(zhuǎn)換用“乘2/8/16取整法”

□二/八/十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

＞把二/八/十六進(jìn)制數(shù)寫成2/8/16的各次幕之和的形式,

然后計算其結(jié)果

津Peking

23University

,例：將十郵弱融鯉虢盛示“二進(jìn)制

余數(shù)

212640|低位

211320

2[660

2L33_1

2U0

2180

214_0昌)位

220

2CL1

即(264)io=(100001000)2

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)采用”除2取余，逆序排列”法。具體做法是：用2

去除十進(jìn)制整數(shù)，可以得到一個商和余數(shù)；再用2去除商，又會得到一個商和

余數(shù)，如此進(jìn)行，直到商為一時為止，然后把先得到的雋魏作為二進(jìn)制數(shù)的低

但有效位，后得到的余數(shù)作為二進(jìn)制數(shù)的高位有效位，俵期覷鬻恭

進(jìn)制

口對圖靈機(jī)實現(xiàn)而言，二進(jìn)制應(yīng)該是最不理想的

A進(jìn)制越小，表示同一個數(shù)值所需數(shù)字越多，存儲

空間使用越多

二進(jìn)制與八進(jìn)制的對照：

000^0010^2100T4110^6

001^1011^3101^5111^7

二進(jìn)制與十六進(jìn)制的對照:

0000300100T41000T8llOO^C

00019101019510019911019D

0010920110^61010^AlllO^E

0011930111^71011今B1111-?F

*常用A,B,C,D,E,F作為“數(shù)字”葡謔。魏5

二密卡University

二進(jìn)制算術(shù)運算(與十進(jìn)制類似)

加法:0+0=0,0+1=1,1+1=10(進(jìn)位)減法:0-00,1?1=0,0-1=1(借位)

例：(1101)2……(13)10例：(1101)2……(13)10

+十011)2……(11)1。?(10Cl)2……(lDio

(11000)2……(24)1。(0010)2……(2泉

乘法:0X0=0,0X1=0,1X1=1除法：1=1二1,0:1二1

例：(1101)2.......(13)100：0,1+0無意義

口對圖靈機(jī)實現(xiàn)的運算速度要求而言，二進(jìn)制也是最

不理想的

A不同進(jìn)制的算術(shù)運算法則基本相同

A因此，進(jìn)制越小，對于同一數(shù)值，需要運算的數(shù)

字越多，運算速度越慢

A但電子計算機(jī)采用二進(jìn)制！為什么？

26弋篇^University

二進(jìn)制的真正價值

□布爾代數(shù)（邏輯代數(shù),1847年）

＞關(guān)于。和1的代數(shù)系統(tǒng)，用基礎(chǔ)的邏輯符號系

統(tǒng)描述物體和概念

A邏輯運算：沒有進(jìn)位，按位運算

非，求反：一單操作數(shù)運算：1=00=1

與，邏輯乘：?或，邏輯加：+11010=00101

異或：?同或：

O1100111001

AB邏輯加邏輯乘異或同或?01101++1101

0000010100111101

011010

1010101100111001

111101十01101。01101

1010001011

27

二進(jìn)制的真正價值

□布爾代數(shù)（邏輯代數(shù),1847年）

＞關(guān)于。和1的代數(shù)系統(tǒng)，用基礎(chǔ)的邏輯符號系

統(tǒng)描述物體和概念

A邏輯運算：沒有進(jìn)位，按位運算

□開關(guān)電路實現(xiàn)電子化布爾代數(shù)運算

A1938年香農(nóng)在MlT的碩士論文《繼電器與開關(guān)

電路的符號分析》

A首次用布爾代數(shù)進(jìn)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)，進(jìn)而明確地給出了實現(xiàn)加，減，乘」

除等運算的電子電路的設(shè)計方法

津Peking

28University

布爾電路小結(jié)

□布爾代數(shù)提出二進(jìn)制的邏輯運算，基于邏輯運算可以

實現(xiàn)算術(shù)運算

口開關(guān)電路可以實現(xiàn)布爾代數(shù)的邏輯運算，進(jìn)而實現(xiàn)算

術(shù)運算

口進(jìn)制僅僅是數(shù)值的表現(xiàn)形式，可以互換，因此，布爾

電路可以實現(xiàn)通用的數(shù)值運算

□由于“電子”的快和小，使得布爾電路實現(xiàn)的計算快、

單位存儲容量大，滿足圖靈機(jī)實現(xiàn)對運算速度和存儲

空間的需要

□馮諾依曼結(jié)構(gòu)：明確上述“推導(dǎo)”，給出參考實現(xiàn)，

解決一系列系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題

Peking

29University

現(xiàn)代計算機(jī)之父一馮?諾依曼

約翰.馮.諾依曼

-^g!-卡"Goe

JohnVonNeumann國乳+月代桃

1903?1957

1945年，馮?諾依曼發(fā)表了著名的“關(guān)于EDVAC的

報告草案”。報告提出的體系結(jié)構(gòu)一直延用至今，即

馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)。

個尷University

眸誓馮?諾依曼結(jié)構(gòu)

口五大模塊：借鑒分析機(jī)，給出圖靈機(jī)各個部分的電子實現(xiàn)方式

口二進(jìn)制：明確采用二進(jìn)制作為各個部件工作和交互的基礎(chǔ)

口存儲程序原理：程序與數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存，極大簡化實現(xiàn)

數(shù)據(jù)流典

輸

備

片笛SB

控制器

Peking

31University

現(xiàn)代計算機(jī)

□全名：“通用電子數(shù)字計算機(jī)”

>GeneraI一PurposeDigitalComputer

?通用：計算機(jī)是一種通用信息處理設(shè)備，只要有合適的軟

件，它能適用于各種專門用途。

>：是計算機(jī)硬件實現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，計算機(jī)的運行最終

都通過電子電路中的電流、電位等實現(xiàn)

A數(shù)字化：是計算機(jī)的信息表示方式。一切信息，無論原本

是數(shù)值、文字、圖形、聲音等，在計算機(jī)里都統(tǒng)一到二進(jìn)

制的數(shù)字化表示上。數(shù)字化是計算機(jī)的一種基本特征，是

通用性的重要基礎(chǔ)。

?計算機(jī)：這是一種做計算的機(jī)器。

Peking

University

計算機(jī)數(shù)據(jù)的單位

口位（Bit）：最小的數(shù)據(jù)單位

＞即二進(jìn)制的一個數(shù)位

□字節(jié)（Byte,簡寫為B）：最常用的數(shù)據(jù)單位

A1個字節(jié)由8個二進(jìn)制數(shù)位組成

1KB=1O24B=210B1KB=1024字節(jié)，的意思是“千”

iyfB=1024KB=210KB=220B=1024X1024B1MB=1024KB字節(jié)，“M”讀“兆”。

1GB=1O24MB=21OMB=230B=1024X1024KB1GB=1024MB字節(jié)，“G”讀“吉”。

1TB=1O24GB=21OGB=240B=1024X1024\ffi1TB=1024GB字節(jié)，T讀“太”。

Peking

33University

從ENIAC到EDVAC

□ENIAC的缺點

>ENIAC還不是存儲程序式的計算機(jī)

>編程是通過手工插接線的方式進(jìn)行的

□EDVAC(ElectronicDiscrete

VariableAutomaticComputer)

□電子離散變量自動計算機(jī)

A1945年3月，計算技術(shù)的先驅(qū)馮?諾伊曼

(JohnvonNeumann)來至ij莫爾學(xué)院

Mauchly和Eckert進(jìn)行1了兩天討論，投I

定了存儲程序式的電子計算機(jī)的方案。方

案經(jīng)馮?諾伊曼整理后于1945年6月發(fā)JohnvonNeumann

表—存儲程序控制原理

>EDVAC于1952年制造完成

>EDVAC是世界上第一臺存儲程序計算機(jī)

>是所有現(xiàn)代計算機(jī)的原型和范本

計算機(jī)發(fā)展階段和應(yīng)用模式

口早期的計算機(jī)

＞手工計算器

＞機(jī)械計算器

＞計算機(jī)原型

□現(xiàn)代計算機(jī)

＞電子管計算機(jī)

＞晶體管計算機(jī)

A集成電路計算機(jī)

?超大規(guī)模集成電路

?未來的第五代

第一代計算機(jī)

口時間：20世紀(jì)40、50年代

□主要特點

A使用真空管存儲數(shù)據(jù)

?真空管是一種控制真空中電子流

動的電子裝置

?被設(shè)置為兩個狀態(tài)以表示0或1

?響應(yīng)比機(jī)械快，但體積大、耗能

高、易燒壞

?ENIAC有18000個真空管，第一年

運行就替換了19000個口

口只能使用0/1進(jìn)行編程

>111000000100101100110-

□只在少量軍事領(lǐng)域或科學(xué)計算

中應(yīng)用Peking

University

第二代計算機(jī)

□始于20世紀(jì)50年代后期

□主要特點

A使用晶體管存儲數(shù)據(jù)

?晶體管由貝爾實驗室于1947年發(fā)明

?功能與真空管類似，但更小、更便宜、功耗更少、更可靠

＞產(chǎn)生操作系統(tǒng)

?標(biāo)準(zhǔn)化的硬件資源管理

?但不可移植

＞產(chǎn)生高級編程語言

?Fortran,CoboI

口開始應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域

第三代計算機(jī)

口始于1965年

□主要特點

A使用集成電路

?集成電路可將成千上萬的真空管或

晶體管壓在一個單獨的微型芯片上

CourtesyTexasInstruments

?1958年由德州儀器公司發(fā)明JackSt.ClairKilby

>操作系統(tǒng)可移植杰克基爾比

>C語言產(chǎn)生

口開始向更多個人用戶應(yīng)用發(fā)展

益常涉University

第四代計算機(jī)

□始于20世紀(jì)70年代

口主要特點

＞使用能大規(guī)模集成電路

A更快、更小、更便宜

□第一塊微處理器是1971年制造的Intel4004

?2400個晶體管，計算能力與ENIAC相當(dāng)

?但尺寸只有3毫米x2毫米

?而ENIAC尺寸為30米長，3米高

口計算機(jī)發(fā)展出現(xiàn)瓶頸

?硬件、軟件全方位地出現(xiàn)瓶頸

＞第5代計算機(jī)正在醞釀中

量子計算機(jī)、生物計算機(jī)

廣泛應(yīng)用于個人計算

現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展歷史

第一代第二代第三代第四代

1946-19551956-19631964-19711972至今

主要元器件電子管晶體管中小規(guī)模集成大規(guī)模、超大規(guī)

電路模集成電路

運算速度幾千次至幾幾萬次至幾幾十萬次至幾幾百萬次至上億

（每秒）萬次十萬次百萬次次

支撐軟件機(jī)器語言和FORTRAN.系列化計算機(jī)i現(xiàn)代操作系統(tǒng)、

匯編語言COBOL等高級產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)軟

語言件等

應(yīng)用國防和科學(xué)+數(shù)值計算、+文字、圖形圖社會生活各個領(lǐng)

計算數(shù)據(jù)處理像處理域

O產(chǎn).

40“京，Uiuversity

現(xiàn)代計算機(jī)的分類

口計算機(jī)可根據(jù)綜合性能指標(biāo)進(jìn)行分類，性能指標(biāo)通常包

括體積大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、功率消耗、性能指標(biāo)、數(shù)

據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設(shè)備、軟件配置等等。按照性

能從弱到強(qiáng),包括如下幾類

A單片機(jī)

＞微型計算機(jī)

＞小型機(jī)

?大型機(jī)

?巨型機(jī)

&Peking

41University

現(xiàn)代計算機(jī)的分類

口單片機(jī)

＞單片機(jī)是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機(jī)系統(tǒng)。包括：CPU、內(nèi)存、

內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、

定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備

A單片機(jī)可以直接嵌入設(shè)備當(dāng)中，例如：手機(jī)、電話、攝像機(jī)、計算器、電

飯煲、電冰箱等家用電器、超聲診斷等醫(yī)療設(shè)備、電子玩具、掌上電腦以

及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)

＞單片機(jī)的特點是：功耗低、體積小、專用化

42University

現(xiàn)代計算機(jī)的分類

□微型計算機(jī)

>以微處理器（micro-processor）為中央處理單元組成的個人計算機(jī)。主

要有桌面電腦（即臺式機(jī)Desktop）、筆記本電腦（Laptop）、個人數(shù)字

助理（PDA）、平板電腦等

>微型計算機(jī)的特點是：方便個人使用、通用性強(qiáng)、價格相對低、省電

>1971年，美國Intel公司成功地在一塊芯片上實現(xiàn)了中央處理器的功能，

制成了第一片4位微處理器，并由它組裝成第一臺微型計算機(jī)

?1977年，美國蘋果公司推出了AppleII電腦，是第一款配備鼠標(biāo)的商用計

算機(jī)，也是歷史上銷量最好的電腦（700萬臺）

?1981年，美國IBM公司采用Intel微處理器芯片，推出IBMPC微型計算機(jī)

>一些主流的微處理器芯片：IntelAMD

431977年的Jobs

現(xiàn)代計算機(jī)的分類

□小型機(jī)

＞為多用戶執(zhí)行任務(wù),在中小企業(yè)廣泛應(yīng)用，用于工業(yè)自動控制、

數(shù)據(jù)采集、分析計算、企業(yè)管理等領(lǐng)域

口大型機(jī)

A通用，有極強(qiáng)的綜合處理能力，主要應(yīng)用于大銀行、政府部

門、大型制造廠家等

現(xiàn)代計算機(jī)的分類

口巨型機(jī)

＞包含幾千到幾萬個處理器，運算速度最快、性能最高、技術(shù)最復(fù)雜，常用

于解決科技領(lǐng)域中某些帶有挑戰(zhàn)性的問題，應(yīng)用于核武器、反導(dǎo)彈武器、

空間技術(shù)、大范圍天氣預(yù)報、石油勘探等

＞巨型機(jī)的研制屬于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國家科技發(fā)展水平

和綜合國力的重要標(biāo)志

NEC巨型機(jī)IBM的ASCI白色：CPU由8000多我國研發(fā)天河一號每秒鐘1206

運算速度25.9萬億/秒個處理器組成，內(nèi)存6T(6萬萬億次的峰值速度，和每秒

億)字節(jié)，硬盤160T字節(jié)，用563.1萬能次ck實測性能,

于模擬核爆炸(1TB=1O3GB)

451-1

眸暮再看馮?諾依曼結(jié)構(gòu)

口五大模塊：借鑒分析機(jī)，給出圖靈機(jī)各個部分的電子實現(xiàn)方式

口二進(jìn)制：明確采用二進(jìn)制作為各個部件工作和交互的基礎(chǔ)

口存儲程序原理：程序與數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存，極大簡化實現(xiàn)

數(shù)據(jù)流典

輸

備

片笛SB

控制器

46所有的現(xiàn)代計算機(jī)都遵循馮?諾依蔓露野ity

現(xiàn)代計算機(jī)的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輸入設(shè)備

西驛Peking

W常University

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)基本原理

口存儲程序原理

＞將數(shù)據(jù)以及用來處理數(shù)據(jù)的一系列程序指令同時存入計算機(jī)

中，讓計算機(jī)自動地按程序的指令進(jìn)行一系列操作

A什么是程序（Program）?

A程序（Program）是為解決某一問題而選用的一條條有序指令

的集合開始

CPU從內(nèi)存中讀取一條指令

I

CPU執(zhí)行該指令

I

程序執(zhí)行完？

I是

收Peking

48結(jié)束程序執(zhí)行University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口程序和指令

A煲令(Instruction)是計算機(jī)能識別并能執(zhí)行的基本操作命

＞指令構(gòu)成:操作碼地址碼

A操作碼指明該指令要完成的操作，如加、減、乘、除。

＞地址碼是指參加運算的數(shù)據(jù)所在的地址

ADDA,[6]

碼地址碼

該指令表示將寄存器A中的內(nèi)容和存儲器中的［6］號存儲單元

的內(nèi)容相加，再將結(jié)果放回到寄存器艘±Peking

49?窸占University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口輸入-＞處理-＞輸出+存儲

＞將各種信息變?yōu)橛嬎銠C(jī)能識別的相應(yīng)的數(shù)字序列一輸入

＞將這些數(shù)字序列按程序指定的處理方式進(jìn)行運算一一處理

＞將處理結(jié)果按一定的方式輸出一輸出

＞存放有關(guān)的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行處理——存儲

?換言之，計算機(jī)是一種能接受輸入、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并

產(chǎn)生輸出的自動化裝置

Peking

50University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口輸入-＞處理-＞輸出+存儲

?將各種信息變?yōu)橛嬎銠C(jī)能識別的相應(yīng)的數(shù)字序列一輸入分

輸入設(shè)備

＞將這些數(shù)字序列按程序指定的處理方式進(jìn)行運算~一處理今

中央處理器（控制器+運算器）

?將處理結(jié)果按一定的方式輸出一輸出今輸出設(shè)備

＞存放有關(guān)的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行處理——存儲）存儲設(shè)備

A換言之，計算機(jī)是一種能接受輸入、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并

產(chǎn)生輸出的自動化裝置

Peking

51University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口輸入設(shè)備主要功能

輸入設(shè)備用于從計算機(jī)外部將數(shù)據(jù)、命

令輸入到計算機(jī)的內(nèi)部，供計算機(jī)處理。

常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、磁盤

驅(qū)動器、磁帶機(jī)、光筆、CDROM驅(qū)動器、

掃描儀、數(shù)字化儀、攝像機(jī)、觸摸屏

運算器

控制器

Peking

University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口控制器的主要功能

控制器負(fù)責(zé)從存儲器中逐條取

出指令、分析指令，并按指令

要求發(fā)出相應(yīng)的控制信號指揮

各執(zhí)行部件工作

&Peking

53University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口運算器的主要功能

存儲器

」外在催黑

運算器是計算機(jī)中進(jìn)行算術(shù)運

算和邏輯運算的單元

運算器

控制器

&Peking

54University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口存儲器的主要功能

存儲器的主要功能是用來存放各

—………類程序和數(shù)據(jù)信息。常見的存儲

存儲器設(shè)備包括內(nèi)存、硬盤、u盤、閃

外盤、迅盤等

輸

出

內(nèi)存儲器設(shè)

備

運算器

控制器

天，Peking

55University

馮?諾依曼計算機(jī)工作原理

口輸出設(shè)備的主要功能

輸出設(shè)備用以將計算機(jī)處理后的結(jié)果信

息，轉(zhuǎn)換成人們能夠識別和使用的數(shù)字、

文字、圖形、聲音、電壓等信息形式。

常用的輸出設(shè)備有顯示器、磁盤驅(qū)動器、一

打印機(jī)、繪圖儀、音響設(shè)備和投影儀等輸

控制器

56卷亨簿舞sity

“馮?諾依曼結(jié)構(gòu)”的主要特點（續(xù)）

「計算機(jī)應(yīng)由運算器、］「指令和數(shù)據(jù)均以二/

控制器、存儲器、輸制代碼形式不加區(qū)別

入設(shè)備和輸出設(shè)備共地存放在存儲器中，

5個部分組成運算器存放位置由存儲器的

地址指定

數(shù)

輸入設(shè)備.存儲器輸出

程序和結(jié)果輸

數(shù)據(jù)輸?shù)厣絖___

址計算機(jī)在工作時，

控制器能夠自動地從存儲

器中取出指令加以

執(zhí)行

Peking

University

黎!計算機(jī)執(zhí)行指令的重點：CPU和存儲器

I輸出設(shè)備

輸入設(shè)備

Peking

University

計算機(jī)執(zhí)行指令的主要步驟

?控制器將指令的地址送往存儲器，存儲器按給

取指定的地址讀出指令內(nèi)容，送回控制器

譯碼?控制器分析指令的操作性質(zhì)，向CPU內(nèi)部有關(guān)

部件發(fā)出指令所需要的控制信號

?控制器從CPU內(nèi)部通用寄存器或存儲器取出操

執(zhí)行作數(shù)，命令運算器進(jìn)行指令規(guī)定的運算

University

執(zhí)行指令示例

口指令格式：ADDA,[6]指令本身也是以二進(jìn)制

口指令功能：的形式存放在存儲器中

CPU中存儲器中

通用寄存器A地址為6的存儲單元=運算結(jié)果

的內(nèi)容,I的內(nèi)容J

+y

t更新

假設(shè)：

通用寄存器A的內(nèi)容為〃3〃，存儲單元[6]的內(nèi)容為〃2〃

則：

該指令執(zhí)行完成后，通用寄存器A的內(nèi)容為〃2+3〃的結(jié)果〃5〃

O對1唱-

%公,Umversitty

存儲器的組織形式

地址：每個存儲單元對內(nèi)容：存儲單元中存放的

應(yīng)的序號I二進(jìn)制信息（指令或數(shù)據(jù)）

存儲器地址存儲器內(nèi)容

00001100

00100010

00000000

01101101

*存儲器通常按字節(jié)為單元進(jìn)行劃分

Peking

此部密講更律壁曾蛙俊林老師

羊干在萱和羊壬三白々米

大于1T導(dǎo)少兒.程序計數(shù)器pc：

3一條指令的位置

計算機(jī)（餐館）

指令寄存器IR：

保存當(dāng)前指令的

存儲器（倉庫）

二進(jìn)制編碼1

、一XI口口

地址2

控制器

地址1二啊CPU

牙房）

他址

地址0AAB

數(shù)據(jù)通用寄存器（臨時盤）

（指令（任務(wù)單）

取指譯碼執(zhí)行回寫第一步

取回指令后更新

程序計數(shù)器PC

AB

通用寄存器（臨時盤）

Peking，-

瑞浮University

取指譯碼執(zhí)行回寫第二步

程序計數(shù)器

操作：加法ADDA,[6]PC

源操作數(shù)：存儲器地址6、通用寄存器A①取操作數(shù)[6]

目的操作數(shù)：通用寄存器A②取操作數(shù)A

③執(zhí)行加法

存儲器