1、1通用：通用设备，能完成各种（信息处理）工作。电子：计算机硬件实现的物理基础，计算机的活动最终通过电子电路中的电流、电位等实现。数字化：信息表示方式。一切信息，无论原为数值、文字、图形、声音等，都统一到二进制的数字化表示上。数字化是计算机的基本特征，是通用性的基础。计算机：做计算的机器。“通用电子数字计算机”（General - Purpose Electronic Digital Computer）。其中：计算机基本原理计算机能做的基本动作如加减乘除等，非常简单。但它可根据程序瞬间完成数以万亿计的动作，因此可能在有限时间内完成大的工作。我们看到的是大量动作的综合效果。计算机基本结构不很复杂，
2、它能按指挥行事，做得快。更重要的东西是程序、软件，每个程序都是特殊的，是针对具体需要专门实现的。“电脑”木手铁脚？信息处理的“普适性”，远不能与人脑相比。有穷状态转换系统有穷状态转换系统M = ； S是M的有穷状态集，初始状态s0S，结束状态FS。M总处在某个状态，开始时在s0； A是有穷符号集，h : SA S(A _ ) 是转换函数（部分函数），_表示无输出。若M在状态s接到输入aA，假设h(s, a) = , (sS, bA)，M就转到状态s并产生输出b。（一种简单计算模型）当M能将输入序列I用完并且达到某结束状态，则说M对I成功结束，否则为失败。若M对I成功结束且输出序列为O，则记M(
3、I) = O 。转换图每个状态用一个小圆圈表示；若M在状态s1遇到输入a时应转到状态s2并输出b（h(s1, a) = ）时，就画一条从状态s1到状态s2的弧线，并在线上标出(a, b)；有穷状态转换系统的一种直观表示方法。(a, b)s1 s2完成“除2”的有穷状态转换系统 s1是初始状态，终止状态集s1, s2；它在输入n个a时输出n/2 个a（“除2”）。(a, _)s1 s2(a, a)定义一个有穷状态转换系统，它成功结束当且仅当读入了k 个的abc（k = 0,1,.）。输入字符集：a, b, c状态s1, s2, s3。初始状态s1。终止状态：s1。状态转换图：(a, _)s1 s
4、2(c, _)(b, _)s32图灵机模型一个有穷状态转换系统，也称控制器；一条两端无穷、包含无穷多个格子的存储带，每个格里可以存一个符号；一个读写头，每时刻定位于某存储格；执行：控制器以存储带的（读写头所指）当前符号为输入做状态转换，可能将一个符号写入当前格，并可能令读写头左/右移一位置。结束：有许多等价定义方式。一个图灵机T包括：图灵机的图示初始时存储带上的符号序列是输入I；运行结束时存储带上的符号序列是输出O；图灵机T实现的计算就是T(I) = O。（从符号序列到符号序列的函数）有穷状态控制器通用图灵机带字符集至少包含两个符号；确定一种编码方式c，使每台图灵机T 对应于符号序列c(T)，
5、T 的编码。 G(c(T) I) = O c(T) I 表示将c(T)和I 并置在输入带上。通用图灵机可以实现任意图灵机的功能。通用图灵机G 是一台图灵机，对任意图灵机T 和输入序列I，如果T(I) = O，那么有：通用图灵机放在G 的存储带上的c(T) 就是指挥G 如何工作的“程序”； G 的活动就是按“程序”c(T) 工作(模拟图灵机T)，处理输入I，最终得到输出O。图灵还得到另一个深刻结论：存在着不可计算的函数。这意味着计算机不是万能的！状态转换与计算一个计算从某个状态s0开始，输入可以看作是这个状态的一部分。计算过程形成一个状态序列：s0, s1, s2, s3, sn, .如果计算经
6、过n 步结束，所需要的输出包含于最终的状态里。存在着永不终止的计算。一个计算过程可以看作是一个状态转换序列。可计算性理论研究计算的模型（人们还定义了一些不同于图灵机的计算模型）和“可计算性”。计算复杂性理论研究一个或者一类计算所历经的状态转换次数。因为实际的计算步骤需要花时间。程序理论在通用计算机制（如通用图灵机）基础上，完成具体计算只需给出程序。程序理论研究程序的描述规律和程序的意义。3现实的计算机现实的电子数字计算机是用超大规模集成电路（VLSI）和其他元器件构造起来的一种复杂电子设备。它可以看成是图灵机的一种实现。现实的计算机由一些部分构成：CPU主存储器中央处理部件输入设备输出设备键盘
7、鼠标器显示器打印机辅助（外部）存储设备磁盘机、磁带机、光盘机等输入输出输入输出控制器运算器 CPU（中央处理器）负责处理信息，由控制器和运算器组成。控制器解释指令（“脑”），运算器执行指令（“手”）。主存储器又称“内存”，用于存储计算机运行时用的程序和数据。对应于图灵机存储带。外部存储器（外存）保存备用信息：备用程序与数据。需要时可装入内存使用。各种输入输出设备实现计算机与外部的信息交换。与人、其他计算机系统或者设备。计算机主要部件对应于通用图灵机的控制器。是核心处理部件，用集成电路技术制造。结构非常复杂，包含数以百万千万计的元件。能执行一组操作：取数据，由几个数据算出一个结果（加减乘除等），
8、送出数据等。每个动作对应一条指令，CPU按指令动作。程序是一系列指令，指挥CPU完成许多动作。问题：指令从何而来？CPU与存储程序原理 ENIAC：程序由插板等表示（硬件），速度受限，换程序很困难。冯诺依曼提出“存储程序原理”，为现代意义的计算机结构奠定了基础。原来存储器里只保存数据，CPU执行指令时由存储器取数据，计算结果存回存储器。冯诺依曼的方案：把程序也存入存储器，由CPU自动提取指令并执行，循环工作。计算机摆脱了外界拖累，以自己的速度（电子电路的速度）自动运行。按此原理造的计算机称为“存储程序计算机”（冯诺依曼计算机）。到目前为止，所有主流计算机都是这种计算机。计算机运行是两步循环，C
9、PU基本循环。每次从存储器取出要下一条指令，然后按指令完成动作。循环到程序完成（遇到停止指令），或永远运行下去。取指令执行指令图CPU基本执行循环4 CPU绝对服从指挥，严格按照指令工作。一个CPU的指令一般只有几十到一二百种。实际领域里的需要千差万别、错综复杂。计算机怎么能满足所有的计算需要呢？答案：通过程序。通过指令的不同排列，能够写出的程序是无穷的。类似于数字和数，汉字和中文文章的关系。程序对应于（通用图灵机存储带上）的特定图灵机的编码，指挥计算机完成特定计算。计算机的工作原理带来两方面优势：通用性：不多几种计算机就能满足社会需要。采用大工业生产方式，提高性能，减低成本。专用性：在运行不
10、同的程序时，一台计算机将表现为不同专用信息处理机，如计算器、文字处理器、记事本、资料浏览检索机、帐目处理机、游戏机等等。甚至可以同时表现为多种信息处理机（只要同时运行多个不同程序）。这种通用性和专用性的完美统一，使计算机成为人类走向信息时代的过程中最锐利的武器。CPU原理不复杂。而最先进的CPU却极端复杂，是有史以来人制造的最复杂产品。原因：1，需要计算机完成的工作日趋复杂，需要用更多指令才能完成。执行指令需要时间（本质弱点），要求更高性能的CPU。提高CPU速度依赖于复杂技术，也大大增加CPU的复杂性。2，早期计算机主要处理数值，指令种类较少。今天广泛用于其他信息形式的处理。理论上说CPU可
11、以不变（只要写程序）。但增加些新指令可能提高效率。这也增加了CPU的复杂性。过去常见到说计算机经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路4个阶段，称为第1、2、3、4代计算机。这种分类已经没有价值。电子器件改变不是根本性的（虽然很有意义：降低成本、减小体积等），是探索计算机制造方式和工艺的过程，历经二十余年。人们一直在研究真正新型的计算机。提出的有：光计算机、量子计算机、生物计算机等。从本质上与今天计算机不同的信息处理工具会出现吗？能取代目前流行的这种电子计算机吗？我们拭目以待。数字化用计算机处理信息，需要：在计算机里存储和处理信息：就要求确定信息在计算机内部的表示方式，将信息送给计算机，
12、并能取得处理结果：能完成外部信息和计算机内部信息间的转换。图灵理论的一个基本要求是所有信息都可用符号编码，包括图灵机本身。实际需要处理的信息丰富多彩，怎么办？计算机处理信息的基础是数字化，为此需要：为数值确定一种计算机内部的表示方式；一切信息都用数字表示，以便用计算机处理。信息的数字化形式也称为信息的编码。“万物皆为数”在自然界不真，在计算机里“成立”。问题：怎样数字化？怎样编码？5数制任何十进制数X 都可以表示为：X=kn*10n + + k0*100+k-1*10-1+ +k-m*10-m基数为10，系数/数字ki0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9例：46. 37(1
13、0) = 4101+6100+3101+710-2以进制方式表示数是人类的重要智力发明。数的进制：手指/十进制，电子元件/二进制。进制形式只是数值的表示形式。数的常见形式：二进制，八进制，十进制，十二进制，十六进制，六十进制。计算机中用二进制数表示数值。原因：理论：两个符号的序列能有效表示复杂信息。（一进制表达效率低，表达能力不够）实际：常规器件容易表示两种不同状态。一个器件表示一个基本数据单位，其状态可看成一位二进制数字；一系列器件的状态可以看成一个二进制数，可以表示复杂的数据。二进制位：bit（Binary Digit），b /位/比特8位二进制数：Byte，B/字节。存储量/数据量：1K
14、B = 1024B 1MB = 1024KB1GB = 1024MB 1TB = 1024GB二进制 B = kn*2n+ + k0*20 +k -1*2-1+ +k-m*2-m基数为2，系数（数字）属于0, 1 110110(2)= 1*25 +1*24+0*23+1*22+1*21+0*20= 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 54(10)运算规则（加法和乘法）： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10（有进位） 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1一般形式：二进制与八、十六进制的对照（转换）二进制与八进制的对照：0000 0102 1004 1106
15、0011 0113 1015 1117二进制与十六进制的对照：00000 01004 10008 11001200011 01015 10019 11011300102 01106 101010 11101400113 01117 101111 111115常用A, B, C, D, E, F作为“数字”表示10到15。二进制与十进制之间的转换二进制到十进制的转换可直接使用二进制数的计值公式完成。十进制到二进制的转换：整数：一般采用除余法，反复整除2，收集起各次除法的余数。小数：采用乘法，反复乘2，收集并去掉整数位。（注意：有限位精度的十进制小数可能无法用有限位二进制小数精确表示）包含整数和小
16、数部分时，两部分别计算。二进制表示范围计算机里常用固定位数的方式表示整数：16位：0 65535 32位：0 232-1 (约40亿)64位：0 264-1 (约1600亿亿)二进制数位数与整数表示范围的关系：位数1 3 8 16 n范围01 07 0255 065535 0 2n-1近似公式：2101024 1036数的符号与负数表示通常以最高位表示符号，其余位表示值。为方便加减运算，计算机中的有符号数一般用“模2补码”形式表示。 k位二进制数表示：正数n用原编码，负数-n用n的编码N的补码N ，满足N + N 2k。求负数-n补码的方法：求出n的编码后各二进制位求反，结果再加1（注意进位）
17、。负数的符号也需要编码（用固定位数编码）。有符号数的表示范围用n 位二进制数表示有符号整数，范围：位数8 16 n范围-128127 -3276832767 - 2n-1 2n-1 -1计算机中常见的有符号整数及其表示范围：16位：-32768 3276732位：-231 231-1 (约-20亿到20亿)64位：-263 263-1小数与实数的编码科学记数法：X = 0.nnn10mm，nnn尾数，mm指数。浮点编码方式。浮点编码中尾数和指数都采用带符号的二进制数表示，X = 0.BBB2bb。常见表示（IEEE 754标准）单精度：32位，8位指数（表示127127），23位尾数，1个符号
18、位。范围约 (10-38 1038)，大约7位10进制有效数字。双精度：64位，11位指数，52位尾数，表示范围约为 (10-308 10308)，16到17位10进制有效数字。浮点数实例（IEEE 754 单精度数）：共计32位18 23符号指数（带符号数）尾数sfe所表示的数：s1.f2e文字信息的编码文字信息是字符的序列，基于字符编码。字符集：计算机上可用的基本字符集合。基本方式：把所有字符排一个顺序，用各个字符的顺序编号作为编码（是整数）。标准字符集：人们为交换信息而定义的字符编码标准。如ASCII字符集是最常用7位字符集，包含十进制数字字符、英文大小写字母、常用标点符号及一些特殊控制
19、字符（系统用）。字符常用一个字节编码。ASCII 编码表H表示高位，L表示低位。编码031为控制字符，SP是空格。7中文编码与国际码中文字符（中文字）编码也存在几个编码标准（GB，Big5）。中文字符数量大，通常用两个字节编码一个字（也可以用更多字节）。随着国际交流增加，尤其是互联网，人们迫切需要在更大范围中方便地共享信息。国际码Unicode 希望将世界各主要文字的字符统一起来，建立一种统一的编码系统。其他信息的编码，转换要将任何信息送进计算机处理，只需要为它确定一种编码方式。信息进入计算机，需要从其外部形式转换后得到对应的内部形式。这种转换一般由特殊硬件设备和软件合作完成。例：字符输入转换
20、：人按键盘键，键盘硬件将产生一个表示该键字符的二进制序列。数字照相机：将由镜头得到的光强度和色彩信息转换为一个很长的二进制序列。例：点阵图形的编码直接的图形编码将图形看成点的阵列。黑白图形：nm个点的点阵图形需要用nm个二进制位编码，每个位表示一个点的黑白状态。例：字型编码。灰度图形：图形里的每个点用多个位表示，例如每个点用8个位表示256级灰度。彩色图形：每个点用多个位表示色彩，16色图形，256色图形。24位真彩色图形用3个字节分别表示一个点的红绿蓝（RGB）色度。1616 的中文字型（需要用32个字节表示）程序的编码计算机中另一类最重要的信息是程序。机器语言程序是机器指令序列。指令编码的
21、基础：内存存储单元顺序编号，从0开始，称为内存地址。指令中要用某单元的数据时，只需要给出数据的地址。每种指令用一个数表示，称为指令字。指令字通常用固定位数的二进制码表示。存取数据指令和运算指令给出数据的地址，控制转移需指定转移目标地址。8计算机的使用计算机的学习和使用了解微型机的基本部分和各部分的作用了解计算机的基本使用过程鼠标器和键盘基本使用方法和技能（键盘输入）与图形用户界面交互的基本方式一般文本编辑技术文件的使用和计算机磁盘信息管理常见计算机外部设备及其使用日常维护（例如鼠标器等），软件安装计算机网络：浏览、电子邮件和网络信息发掘等文字处理系统的使用所见即所得的文字处理系统，如WORD数
22、学工作者和其他科学工作者使用最广泛的文字处理系统：LATEX基本程序设计技术和程序设计语言常用科学计算软件，如Maple，Mathematica，Matlab 等（应该学习一种两种）其他常用软件（图形、图像、声音处理等）学会使用软件系统的帮助系统，学会阅读软件的说明书（手册），学会学习新的软件了解信息社会带来的新问题和挑战了解计算机安全问题和一般性的信息安全问题了解网络攻击的危险性了解计算机病毒、防范和处理了解保证自己的信息安全的基本原则和基本技术了解计算机系统的可靠性问题软件产品质量目前，软件“产品”的质量有很大问题。以微软Windows98用户协议书为例，其中说公司保证“本软件产品自交货后九十日内大致符合随附书面材料所述的功能”，无论使用中出了什么问题，其责任只是下述两者之一“(a) 退还你的全部货款。(b) 修正或更换不符合. 的软件产品”。而且该公司“绝不就因使用或不能使用本软件产品所发生的其他损害. 负赔偿责任，. 不论任何情况，. 应付的责任总额，以您就软件产品所实际已经支付的价款为限”。2003级学号001068：4号机房（学号最后3位对应机器号）2003级学号069136：5号机房（学号最后3位对应机器号）2003级学号137以上和其他同学：6号机房（137195按学号，其余同学另排）=上机作业内容在课程主页上=上机安排（2月24日开始，每周二晚7点9点）
