通用計算機是一種通用信息處理設備

1、通用：計算機是一種通用信息處置設備，只需有適宜的軟件，它能適用于各種專門用途。電子：是計算機硬件實現(xiàn)的物理根底，計算機的運轉最終都經(jīng)過電子電路中的電流、電位等實現(xiàn)。數(shù)字化：是計算機的信息表示方式。一切信息，無論本來是數(shù)值、文字、圖形、聲音等，在計算機里都一致到二進制的數(shù)字化表示上。數(shù)字化是計算機的一種根本特征，是通用性的重要根底?！坝嬎銠C：這是一種做計算的機器。全名：“通用電子數(shù)字計算機General - Purpose Electronic Digital Computer。闡明許多性質：計算機根本原理.計算機能做的根本動作如數(shù)的加減乘除等，極簡單。但它可以按程序要求瞬間完成數(shù)以萬億計的根本

2、動作，就能夠完成一件大任務。我們看到的是這些動作的綜合效果。計算機的根本構造不很復雜，能按指揮行事，做得快。更了不起的東西是程序、軟件，每個程序都是特殊的，針對詳細需求專門實現(xiàn)?！半娔X木手鐵腳？信息處置的“普適性：計算機遠不能與人腦相比。.形狀與轉換一個系統(tǒng)S有一集能夠的形狀包括一個初始形狀和一組終了形狀；S在每個時辰處于某一個形狀；當這個系統(tǒng)由外界接受輸入時，它就能夠轉換到另一個形狀，并能夠產(chǎn)生一個輸出；在開場時S處于某初始形狀s；當輸入用完且S到達某個終了形狀時，系統(tǒng)的運轉勝利終了，否那么失敗終了。有限形狀轉換系統(tǒng)一種最簡單的計算模型：.轉換圖S的每個形狀用一個小圓圈表示；假設S在形狀s1

3、遇到輸入a時，應轉到形狀s2并輸出b，那就畫一條從表示s1的圓圈到表示s2的圓圈的弧線，并在線上標出(a, b)；一種描畫有限形狀轉換系統(tǒng)的方式：(a, b)s1s2.一個完成除2的有限形狀轉換系統(tǒng)系統(tǒng)中s1是初始形狀，s1和s2是終止形狀；它輸入n個a時輸出 n/2 個 a。(a, )s1s2(a, a)自我練習：定義只讀入k個abb的序列才勝利終了的有限形狀轉換系統(tǒng) (k = 0,1,2,)。.圖靈機模型一個有限形狀轉換系統(tǒng)，也稱控制器；一條兩端無窮的包含無窮多個格子的存儲帶，每個格里可以存儲一個符號；一個讀寫頭，每時辰定位于一個存儲格；每步執(zhí)行，當前格的符號作為控制器輸入，控制器按此符號

4、做一次形狀轉換，能夠將一個符號寫入當前格，并能夠命令讀寫頭左移或右移一個位置。終了：有許多等價定義方式。一個圖靈機T包括：.圖靈機的圖示設：初始時存儲帶上的符號序列是輸入I；運轉終了時帶上的符號序列是輸出O；圖靈機T實現(xiàn)的計算就是 T(I) = O。有限形狀控制器.通用圖靈機設帶字符集至少包含兩個符號；存在一種編碼方式 c，使每個圖靈機 T 對應于一個符號序列 c(T)，T 的編碼。G(c(T) I) = O這里 c(T) I 表示將 T 的編碼和輸入 I 并排放在輸入帶上。通用圖靈機可以實現(xiàn)恣意圖靈機的功能。通用圖靈機 G 也是一臺圖靈機，對恣意圖靈機 T 和輸入 I，假設 T(I) = O

5、，那么就有：.通用圖靈機放在 G 的存儲帶上的 c(T) 就是指揮 G 如何任務的“程序；G 的活動就是按照所給的 c(T) 任務，處置輸入 I，最終得到輸出 O。圖靈還得到了另一個深化結論：存在著不可計算的函數(shù)。.形狀轉換與計算每個計算從一個形狀 s0 開場，輸入是這個形狀的一部分。計算過程構成一個形狀序列：s0, s1, s2, s3, sn, .假設計算經(jīng)過 n 步終了，所需求的輸出包含于最終的形狀里。存在著不終止的計算。一個計算過程可以看作是一個形狀轉換序列。.可計算性實際研討計算的模型和“可計算性。計算復雜性實際研討一個或者一類計算所歷經(jīng)的形狀轉換次數(shù)。由于實踐的計算步驟需求花時間。

6、程序實際在通用計算機制如通用圖靈機的根底上，完成詳細計算只需求給出程序。程序實際研討程序的意義和程序描畫的規(guī)律。.現(xiàn)實的計算機現(xiàn)實的計算機是用大規(guī)模集成電路和其他元器件構造起來的一種復雜電子設備。它可以看成是圖靈機的一種實現(xiàn)?，F(xiàn)實的計算機由一些部分構成：.CPU主存儲器中央處置部件輸入設備輸出設備鍵盤鼠標器 顯示器打印機 輔助外部存儲設備磁盤機、磁帶機、光盤機等輸入輸出輸入輸出控制器運算器.CPU中央處置器擔任處置信息，由控制器和運算器組成?？刂破鲹谓忉屩噶睢按竽X，運算器擔任執(zhí)行指令“手。主存儲器又稱“內(nèi)存，用于存儲計算機運轉時所用的程序和數(shù)據(jù)。對應于圖靈機存儲帶。外部存儲器外存保管其他備用

7、信息：備用程序與數(shù)據(jù)。一旦需求，即可裝入內(nèi)存運用。各種輸入輸出設備實現(xiàn)計算機與外部的信息交換。與人，與其他計算機系統(tǒng)或者設備。計算機主要部件.計算機的中心信息處置部件，用半導體集成電路技術制造的。一小塊硅片，內(nèi)部構造極復雜，包含數(shù)以百萬、千萬計的元件和電路。能執(zhí)行一組操作：取數(shù)據(jù)，由幾個數(shù)據(jù)算出一個結果加減乘除等，送出數(shù)據(jù)等。與每個動作對應有一條指令：CPU接到指令時完成對應動作。一系列指令構成一個程序，能指揮CPU完成一系列動作。對應于通用圖靈機 G 的控制器。問題：指令從何而來？CPU與存儲程序原理.ENIAC：程序記錄在穿孔卡片上。計算機讀一張卡片做一動作，速度受機械讀卡機限制。馮諾依曼

8、看出問題癥結，提出了“存儲程序原理，導致現(xiàn)代意義的計算機的誕生了。存儲器原來只保管數(shù)據(jù)，CPU執(zhí)行指令時由存儲器取數(shù)據(jù)，計算結果存回存儲器。馮諾依曼方案：將程序存入存儲器，由CPU自動提取指令并執(zhí)行，循環(huán)地做。這樣計算機就可以擺脫外界拖累，以本人的速度電子電路的速度自動運轉了。.按“存儲程序原理造出的就是“程序存儲計算機，也稱為“馮諾依曼計算機。到目前為止，一切主流計算機都是這種計算機。計算機的根本運轉過程很簡單，兩步循環(huán)，“CPU根本循環(huán)。CPU每次從存儲器取出要求它執(zhí)行的下一條指令，然后按指令完成對應動作。循環(huán)到程序執(zhí)行完遇到要求CPU停頓任務的指令，或者永無休止地運轉下去。.CPU是個絕

9、對服從指揮的奴仆，每時每刻都按命令指令行事。CPU的指令普通有幾十到一二百種。而實踐領域里，各方面需求運用計算機情況千差萬別、錯綜復雜。計算機怎樣能應付這些情況呢？答案：程序。經(jīng)過一些不同指令的各種適當陳列，人能寫出的程序是無窮無盡的。思索數(shù)字和數(shù)，漢字字和中文的作品。程序：對應于特定圖靈機的編碼。.計算機的任務原理帶來兩方面的獲益：通用性：假設干種計算機就能滿足全社會的需求?？梢圆捎么蠊I(yè)消費的方式，提高性能，減低本錢。計算機越來越廉價，性能越來越高。公用性：經(jīng)過運轉不同的程序，同一臺計算機在不同時辰可以表現(xiàn)為不同的公用信息處置機，例如計算器、文字處置器、記事本、資料閱讀檢索機、帳目處置機、

10、設計圖版、游戲機等等。同一臺計算機也可以同時表現(xiàn)為多種處置機只需同時運轉著多個不同程序。這種通用性和公用性的完美一致，使計算機成為人類走向信息時代的過程中最銳利的武器。.CPU原理并不復雜。而最先進的CPU又極端復雜，是有史以來人制造的最復雜產(chǎn)品。緣由：1，計算機要完成的任務日趨復雜不斷有新問題，需求用更多指令才干完成。而執(zhí)行指令需求時間計算機的本質弱點。要求更高性能的CPU。人們?yōu)樘岣逤PU速度開發(fā)了許多巧妙技術，但這些大大添加CPU的復雜性。2，處置的數(shù)據(jù)情況越來越多。早期主要是數(shù)值，只需與算術有關的指令。今天廣泛用于圖形圖像聲音等的處置。實際上說CPU可以不改只需寫程序。但添加些新指令能

11、更有效處置這些特殊數(shù)據(jù)方式。這也添加了CPU的復雜性。.過去人常說：計算機開展閱歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路四個階段，把以這些方式構造起來的計算機分別稱為第一、二、三、四代計算機。今天看，這種說法并無太大的意義。計算機器件根底的變化并不是根本性的其意義不可低估：降低本錢、減小體積等，是人們尋求適宜方式制造計算機的一個短暫探求階段，大約三十年。人們不斷在研討真正新型的計算機。提出的有：光計算機、量子計算機、生物計算機等。從本質上與今天計算機不同的信息處置工具會出現(xiàn)嗎？能取代目前流行的這種電子計算機嗎？我們正拭目以待。.數(shù)字化圖靈實際的一個根本點是一切信息可以用符號編碼，包括圖靈機

12、本身。要用計算機處置信息，必需：能在計算機內(nèi)部存儲信息、處置；這就要求確定信息在計算機內(nèi)部的表示方式，能將信息送給計算機處置，這要求能完成從外部信息到計算機內(nèi)部信息的轉換。.計算機存儲處置信息的根底是信息的數(shù)字化，為此，我們只需：為數(shù)值確定一種計算機內(nèi)部的表示方式；將一切信息用數(shù)字方式表示，進而就可以用計算機處置。信息的數(shù)字方式也稱為信息的編碼?！叭f物皆為數(shù)在自然界不真，而在計算機里“成立。問題：怎樣數(shù)字化？怎樣編碼？.數(shù)制 數(shù)的進制 手指與十進制，電子元件與二進制。 進制方式只是數(shù)值的表示方式。 數(shù)的常見方式：二進制，八進制，十進制，十二進制，十六進制，六十進制。 任何十進制數(shù) X 都可以表

13、示為：X=kn*10n + + k0*100 +k- 1*10-1 + +k-m*10-m 基數(shù)為10，系數(shù)/數(shù)字 ki 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9例：46. 37 (10)=4*101+6*100+3*101+7*10-2用進制方式表示數(shù)是人類的一項重要智力發(fā)明。.計算機中用二進制數(shù)的方式表示數(shù)值。緣由：實際：用兩個符號的序列能有效表示復雜的信息。一進制表達效率低，才干不夠實踐：常規(guī)器件最容易表示兩種不同形狀。用一個器件表示一個根本的數(shù)據(jù)單位，用一系列器件的形狀表示復雜的數(shù)據(jù)。將一個器件的形狀看成一個二進制數(shù)字，將一系列器件的形狀看成一個二進制數(shù)。一個二進制位：

14、bitBinary Digit，b，位，比特8位二進制數(shù)：Byte簡寫B(tài)。1KB = 1024 B1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB.二進制B = kn*2n+ + k0*20 +k - 1*2-1 + +k-m*2-m基數(shù)為2，系數(shù)數(shù)字屬于 0, 1110110(2)= 1*25 + 1*24+0*23+1*22+1*21+0*20 = 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 54(10)運算規(guī)那么：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=100*0=0 0*1=1 1*0=0 1*1=1普通方式：.二進制與八、十六進制的對照二進制與

15、八進制的對照： 0000 0102 1004 1106 0011 0113 1015 1117二進制與十六進制的對照： 00000 01004 10008 110012 00011 01015 10019 110113 00102 01106 101010 111014 00113 01117 101111 111115常用A, B, C, D, E, F作為“數(shù)字表示10到15。.二進制與十進制之間的轉換二進制轉換到十進制可直接運用二進制數(shù)的值計算公式完成。十進制到二進制的轉換：整數(shù)：普通采用除余法，反復整除2，搜集起各次的余數(shù)。小數(shù)：采用乘法，反復乘2，搜集并去掉整數(shù)位。留意：有限位精度的

16、十進制小數(shù)能夠無法用有限位二進制小數(shù)準確表示包含整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)分兩部分計算。.二進制表示范圍計算機里常用固定位數(shù)方式表示整數(shù)，常見：16位：0 65535 32位：0 232 - 1 (約40億)64位：0 264 - 1 (約1600億億)近似公式： 210 1024 103二進制數(shù)位數(shù)與整數(shù)的表示范圍的關系：位數(shù) 1 3 8 16 n范圍 01 07 0255 065535 0 2n-1.數(shù)的符號與負數(shù)表示有符號數(shù)取最高位表示符號，其他表示值。為方便加減運算，計算機中的有符號數(shù)普通用模2補碼表示。對于n位的二進制數(shù)表示，正數(shù)的補碼就是原來編碼，負數(shù)N的補碼 N 滿足 N+ + N 2n

17、。其中 N+ 是 |N| 的補碼。求負數(shù)補碼的方式：各二進制位求反，得到的數(shù)加1。負數(shù)的符號也需求編碼。.有符號數(shù)的表示范圍用 n 位二進制數(shù)表示有符號整數(shù)，范圍：位數(shù) 8 16 n范圍 -128127 -3276832767 - 2n-1 2n-1 -1計算機中常見的有符號整數(shù)及其表示范圍：16位：-32768 3276732位：- 231 231 - 1 (約- 20億到 20億)64位： 263 263 - 1.小數(shù)與實數(shù)的編碼與科學記數(shù)法對應，X = 0.nnn10mm，nnn 尾數(shù)，mm 指數(shù)。浮點編碼方式。浮點編碼中尾數(shù)和指數(shù)都采用帶符號的二進制數(shù)表示，X = 0.BBB2bb。常

18、見表示。單精度：32位，7位指數(shù)，23位尾數(shù)，分別有符號位。范圍約 (10-38 1038)，約7位10進制有效數(shù)字。雙精度：64位， 10位指數(shù)，52位尾數(shù)，表示范圍約為 (10-308 10308)，16到17位10進制有效數(shù)字。.文字信息的編碼字符集：計算機上可以運用的根本字符集合。規(guī)范字符集：為與計算機交換信息而定義的字符編碼規(guī)范。如ASCII字符集是一種最常用的7位字符集，包含十進制數(shù)字字符、英文大小寫字母、常用標點符號以及一些特殊控制字符系統(tǒng)用。一個字符存一個字節(jié)。文字信息是字符的序列，基于字符編碼。字符編碼的根本方式：將字符排一個順序，用字符的順序位置編號作為它的編碼是個整數(shù)。.中文編碼與國際碼隨著國際交流添加，尤其是互聯(lián)網(wǎng)，人們迫切需求在更大范圍中方便地共享信息。國際碼 Unicode 希望將國際上各主要文字的字符一致在一同，建立一種一致的編碼系統(tǒng)。中文字符中文字也有幾個編碼規(guī)范GB，Big5。中文字符數(shù)量大，通常用兩個或更多字節(jié)存儲。.其他信息的編碼，轉換