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第 1 章 计算机基础知识

1.1.1 计算机的产生与发展
1．计算工具的发展
在近代计算机技术的发展中，起奠基作用的是 19 世纪的英国数学家查尔斯·巴贝奇，他于 1822 年设计的差分机（见图 1.1(b)），是最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。1834年巴贝奇又提出了分析机（见图 1.1 (c)）的设计。巴贝奇设计的分析机采用了三个具有现代意义的装置：使用齿轮式装置保存数据的寄存器；从寄存器中取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法运算以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。虽然受当时科学技术条件和机械制造工艺水平的限制未能最终实现，但分析机的结构组成和设计思想成为现代电子计算机的雏形，巴贝奇也因此被国际计算机界公认为“计算机之父”。
2．现代计算机的发展
在现代计算机科学的发展中，有两个最杰出的代表人物。一个是现代计算机科学的奠基人，英国科学家艾兰·图灵（AlanMathison Turing，1912 年～1954 年）。图灵在计算机科学方面的主要贡献有两个：一是建立了图灵机（TuringMachine，TM 机）的理论模型，对计算机的一般结构、可实现性和局限性都产生了深远的影响，奠定了可计算理论的基础。二是提出了定义机器智能的图灵测试（Turing Test），奠定了人工智能的理论基础。
另一个是也被称为“计算机之父”的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Johon Von Neumann，1903 年～1957 年）。他在参与研制 EDVAC（Electronic Discrete Variable AutomaticComputer，电子离散变量自动计算机）时，提出了“存储程序”的概念，并以此概念为基础确定了计算机硬件系统的基本结构。“存储程序”的工作原理也因此被称为冯·诺依曼原理。60 多年来，虽然现代的电子计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式和应用领域等各个方面与早期的电子计算机有了极大的差别，但基本结构和工作原理并没有改变，仍属于冯·诺依曼式计算机。

3．计算机的分代
根据制造电子计算机所使用的电子器件的不同，通常将电子计算机的发展划分为电子管、晶体管、集成电路以及大规模集成电路等四个时代。
⑴ 第一代计算机（1946 年～1957 年）
通常称为电子管计算机时代。电子管计算机因为体积庞大、笨重、耗电量大、运行速度慢、工作可靠性差、难以使用和维护，且造价极高，所以主要用于军事领域和科学研究工作中的科学计算。
⑵ 第二代计算机（1958 年～1964 年）
通常称为晶体管计算机时代。晶体管计算机的体积减小、重量减轻、耗电量减少、可靠性增强、运算速度提高。应用范围已从军事和科研领域中单纯的科学计算扩展到了数据处理和事务处理
⑶ 第三代计算机（1964 年～1970 年）
通常称为集成电路计算机时代。集成电路计算机的体积、重量、耗电量进一步减少，可靠性和运算速度进一步提高。开始应用于科学计算、数据处理、过程控制等多方面领域。软硬件都向通用化、标准化、系列化方向发展。
⑷ 第四代计算机（1971 年～至今）
通常称为大规模、超大规模集成电路计算机时代。随着集成电路集成度的大幅度提高，计算机的体积、重量、功耗急剧下降，而运算速度、可靠性、存储容量等迅速提高。多媒体技术蓬勃兴起，将文字、声音、图形、图像各种不同的信息处理集于一身。计算机的应用已广泛地深入到人类社会生活的各个领域，特别是计算机技术与通信技术紧密结合构建的计算机网络，标志着计算机科学技术的发展已进入了以计算机网络为特征的新时代。
⑸ 未来新型计算机
① 光子计算机
光子计算机是利用光信号进行数据运算、处理、传输和存储的新型计算机。在光子计算机中，以光子代替电子，用不同波长的光代表不同的数据，远胜于电子计算机中通过电子的“0”、“1”状态变化进行二进制运算。
但尚难以进入实用阶段。
② 量子计算机
量子计算机是根据量子力学原理设计，基于原子的量子效应构建的完全以量子比特为基础的计算机。它利用原子的多能态特性表示不同的数据，从而进行运算。
③ 生物计算机
生物计算机即脱氧核糖核酸（DNA）分子计算机，主要由生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片构成，通过控制 DNA 分子间的生化反应来完成运算。

1.2.4 数值型数据在计算机中的表示
⑵ 浮点数
小数点的位置在数中是可以变动的，这种数值表示法称为浮点表示法。目前的计算机大多采用的是浮点表示法。浮点表示法与我们日常生活中的科学计数法类似，它将任意一个二进制数表示成阶码和尾数两部分
二进制数 N 的浮点表示法的一般形式为：N = ±M×2±E
其中：E—是 N 的阶码 (Exponent，又称指数)，E 前的正负号称为阶符；
M—是 N 的尾数 (Mantissa)，为数值的有效数字部分，M 前的正负号称为数符；2—是二进制数的基数。

由上述表示形式可见，小数点的位置隐含在数符与尾数之间，即尾数总是一个小于 1的数。数符占一位，用于确定该浮点数的正负。阶码总为整数，用于确定小数点浮动的位数。阶符也占一位，用于确定小数点浮动的方向。若阶符为正，小数点向左浮动；若阶符为负，小数点则向右浮动。

例如：在字长为 16 位的计算机中用浮点小数表示二进制数 (－110.011) 2。
因为，(－110.011) 2＝－0.110011×2 11，所以，(－110.011) 2在机器中的表示如下：（在
16 位中，阶码用 4 位表示，尾数用 10 位表示，阶符和数符各占一位）

3．原码、反码和补码
反码加一为补码，可把减法当加法算。

 

1.2.5 非数值型数据在计算机中的表示

2．ASCII 字符编码
在这 128 个字符中有 95 个编码，对应着使用计算机终端设备（如标准键盘）能够输入并且可以显示，也可以在打印机上打印出来的 95 个字符。另外，还有 33 个字符，对应的十进制编码值为 0～31 和 127。这些字符不能被显示或打印出来。它们被用作控制字符，以控制计算机某些外围设备的工作特性和某些计算机软件的运行情况。
3．中文字符编码
汉字的编码主要分为四类：汉字交换码、汉字机内码、汉字输入码和汉字字形码。
汉字的输入，计算机内部的处理，再到汉字输出，需要多种汉字编码的支持和相互转换才能完成。

 

1.2.6 数据在计算机中的存储
1．名词术语
⑴ 位（bit）
位（bit）是二进制数字（binary digit）的缩写。
⑵ 位模式
位模式指的是由若干位组成的一个序列。位模式的长度取决于要表示的数据的数量。
⑶ 字节（Byte）
通常将长度为 8 的位模式称之为字节（Byte）。即一个字节由 8 位二进制数构成：1 Byte＝8 bit。字节用大写字母 B 表示。字节是用于表示、衡量内存储器或者其他存储设备容量大小的基本单位，常用单位还有：KB、MB、GB、TB、PB、EB 等
⑷ 字（Word）与字长（Word Length）
字指的是 CPU 进行数据处理和运算的单位，字长则是字的长度。字长取决于 CPU 中寄存器存储单元的长度，即 CPU 一次能够直接处理的二进制数据的位数。它的长度直接关系到计算机的计算精度、运算速度和功能的强弱，常用于衡量 CPU 的性能。一般情况下，字长越长，计算精度越高，处理能力越强。微处理器的字长已从早期的 4 位、8 位，发展到了
16 位、32 位，目前已达到 64 位。
⑸ 内存地址（Memory Address）
内存地址指的是内存储器中用于区分、识别各个存储单元的标识符。内存地址使用无符号的二进制整数表示。