計算機是怎樣跑起來的
程式是怎樣跑起來的
第 1 章 計算機基礎知識
1.1.1 計算機的產生與發展
1．計算工具的發展
在近代計算機技術的發展中，起奠基作用的是 19 世紀的英國數學家查爾斯·巴貝奇，他於 1822 年設計的差分機（見圖 1.1(b)），是最早採用暫存器來儲存資料的計算機，體現了早期程式設計思想的萌芽。2023年巴貝奇又提出了分析機（見圖 1.1 (c)）的設計。巴貝奇設計的分析機採用了三個具有現代意義的裝置：使用齒輪式裝置儲存資料的暫存器；從暫存器中取出資料進行運算的裝置，並且機器的乘法運算以累次加法來實現；控制操作順序、選擇所需處理的資料以及輸出結果的裝置。雖然受當時科學技術條件和機械製造工藝水平的限制未能最終實現，但分析機的結構組成和設計思想成為現代電子計算機的雛形，巴貝奇也因此被國際計算機界公認為「計算機之父」。
2．現代計算機的發展
在現代電腦科學的發展中，有兩個最傑出的代表人物。乙個是現代電腦科學的奠基人，英國科學家艾蘭·圖靈（alanmathison turing，1912 年～1954 年）。圖靈在電腦科學方面的主要貢獻有兩個：一是建立了圖靈機（turingmachine，tm 機）的理論模型，對計算機的一般結構、可實現性和侷限性都產生了深遠的影響，奠定了可計算理論的基礎。二是提出了定義機器智慧型的圖靈測試（turing test），奠定了人工智慧的理論基礎。
另乙個是也被稱為「計算機之父」的美籍匈牙利數學家馮·諾依曼（johon von neumann，1903 年～1957 年）。他在參與研製 edvac（electronic discrete variable automaticcomputer，電子離散變數自動計算機）時，提出了「儲存程式」的概念，並以此概念為基礎確定了計算機硬體系統的基本結構。「儲存程式」的工作原理也因此被稱為馮·諾依曼原理。60 多年來，雖然現代的電子計算機系統從效能指標、運算速度、工作方式和應用領域等各個方面與早期的電子計算機有了極大的差別，但基本結構和工作原理並沒有改變，仍屬於馮·諾依曼式計算機。
3．計算機的分代
根據製造電子計算機所使用的電子器件的不同，通常將電子計算機的發展劃分為電子管、電晶體、積體電路以及大規模積體電路等四個時代。
⑴ 第一代計算機（1946 年～1957 年）
通常稱為電子管計算機時代。電子管計算機因為體積龐大、笨重、耗電量大、執行速度慢、工作可靠性差、難以使用和維護，且造價極高，所以主要用於軍事領域和科學研究工作中的科學計算。
⑵ 第二代計算機（1958 年～1964 年）
通常稱為電晶體計算機時代。電晶體計算機的體積減小、重量減輕、耗電量減少、可靠性增強、運算速度提高。應用範圍已從軍事和科研領域中單純的科學計算擴充套件到了資料處理和事務處理
⑶ 第三代計算機（1964 年～1970 年）
通常稱為積體電路計算機時代。積體電路計算機的體積、重量、耗電量進一步減少，可靠性和運算速度進一步提高。開始應用於科學計算、資料處理、過程控制等多方面領域。軟硬體都向通用化、標準化、系列化方向發展。
⑷ ***計算機（1971 年～至今）
通常稱為大規模、超大規模積體電路計算機時代。隨著積體電路整合度的大幅度提高，計算機的體積、重量、功耗急劇下降，而運算速度、可靠性、儲存容量等迅速提高。多**技術蓬勃興起，將文字、聲音、圖形、影象各種不同的資訊處理集於一身。計算機的應用已廣泛地深入到人類社會生活的各個領域，特別是計算機技術與通訊技術緊密結合構建的計算機網路，標誌著計算機科學技術的發展已進入了以計算機網路為特徵的新時代。
⑸ 未來新型計算機
① 光子計算機
光子計算機是利用光訊號進行資料運算、處理、傳輸和儲存的新型計算機。在光子計算機中，以光子代替電子，用不同波長的光代表不同的資料，遠勝於電子計算機中通過電子的「0」、「1」狀態變化進行二進位制運算。
但尚難以進入實用階段。
② 量子計算機
量子計算機是根據量子力學原理設計，基於原子的量子效應構建的完全以量子位元為基礎的計算機。它利用原子的多能態特性表示不同的資料，從而進行運算。
③ 生物計算機
生物計算機即脫氧核糖核酸（dna）分子計算機，主要由生物工程技術產生的蛋白質分子組成的生物晶元構成，通過控制 dna 分子間的生化反應來完成運算。
1.2.4 數值型資料在計算機中的表示
⑵ 浮點數
小數點的位置在數中是可以變動的，這種數值表示法稱為浮點表示法。目前的計算機大多採用的是浮點表示法。浮點表示法與我們日常生活中的科學計數法類似，它將任意乙個二進位制數表示成階碼和尾數兩部分
二進位制數 n 的浮點表示法的一般形式為：n = ±m×2±e
其中：e—是 n 的階碼 (exponent，又稱指數)，e 前的正負號稱為階符；
m—是 n 的尾數 (mantissa)，為數值的有效數字部分，m 前的正負號稱為數符；2—是二進位制數的基數。
由上述表示形式可見，小數點的位置隱含在數符與尾數之間，即尾數總是乙個小於 1的數。數符佔一位，用於確定該浮點數的正負。階碼總為整數，用於確定小數點浮動的位數。階符也佔一位，用於確定小數點浮動的方向。若階符為正，小數點向左浮動；若階符為負，小數點則向右浮動。
例如：在字長為 16 位的計算機中用浮點小數表示二進位制數 (－110.011) 2。
因為，(－110.011) 2＝－0.110011×2 11，所以，(－110.011) 2在機器中的表示如下：（在
16 位中，階碼用 4 位表示，尾數用 10 位表示，階符和數符各佔一位）
3．原碼、反碼和補碼
反碼加一為補碼，可把減法當加法算。
1.2.5 非數值型資料在計算機中的表示
2．ascii 字元編碼
在這 128 個字元中有 95 個編碼，對應著使用計算機終端裝置（如標準鍵盤）能夠輸入並且可以顯示，也可以在印表機上列印出來的 95 個字元。另外，還有 33 個字元，對應的十進位制編碼值為 0～31 和 127。這些字元不能被顯示或列印出來。它們被用作控制字元，以控制計算機某些外圍裝置的工作特性和某些計算機軟體的運**況。
3．中文字元編碼
漢字的編碼主要分為四類：漢字交換碼、漢字機內碼、漢字輸入碼和漢字字形碼。
漢字的輸入，計算機內部的處理，再到漢字輸出，需要多種漢字編碼的支援和相互轉換才能完成。
1.2.6 資料在計算機中的儲存
1．名詞術語
⑴ 位（bit）
位（bit）是二進位制數字（binary digit）的縮寫。
⑵ 位模式
位模式指的是由若干位組成的乙個序列。位模式的長度取決於要表示的資料的數量。
⑶ 位元組（byte）
通常將長度為8 的位模式稱之為位元組（byte）。即乙個位元組由 8 位二進位制數構成：1 byte＝8 bit。位元組用大寫字母 b 表示。位元組是用於表示、衡量記憶體儲器或者其他儲存裝置容量大小的基本單位，常用單位還有：kb、mb、gb、tb、pb、eb 等
⑷ 字（word）與字長（word length）
字指的是 cpu 進行資料處理和運算的單位，字長則是字的長度。字長取決於 cpu 中暫存器儲存單元的長度，即 cpu 一次能夠直接處理的二進位制資料的位數。它的長度直接關係到計算機的計算精度、運算速度和功能的強弱，常用於衡量 cpu 的效能。一般情況下，字長越長，計算精度越高，處理能力越強。微處理器的字長已從早期的 4 位、8 位，發展到了
16 位、32 位，目前已達到 64 位。
⑸ 記憶體位址（memory address）
記憶體位址指的是記憶體儲器中用於區分、識別各個儲存單元的識別符號。記憶體位址使用無符號的二進位制整數表示。
計算機基礎教程（二）
1.3 計算機系統的組成與工作原理 1.3.1 馮 諾依曼計算機體系結構 設計思想有三點 採用二進位制數制。程式和資料都存放在儲存器中，將程式指令作為資料進行處理。為實現儲存程式的工作原理，計算機的硬體應由控制器 運算器 儲存器 輸入裝置和輸出裝置五個部分組成 1.3.2 計算機硬體系統 乙個計算機...
計算機基礎教程13 可用課程
如今，各種型別的課程由教育機構提供。以下是一些常見課程和重要課程。課程名稱 持續時間 年 最低資格 bca計算機應用學士 310 2 pgd ca 計算機應用研究生文憑1畢業 mca計算機應用碩士3畢業 理學士 cs 理學學士 電腦科學 310 2 碩士 cs 理學碩士 電腦科學 2畢業 b.tec...
計算機基礎教程8 資料和資訊
資料 可以被定義為形式化的事實，概念或指令的表示，其應該適合於人或電子機器的通訊，解釋或處理。資料通過字母 az，az 數字 0 9 或特殊字元 等 等字元表示。資訊 是有組織的或分類的資料，其對接收器具有一些有意義的值。資訊是決策和操作所基於的已處理資料。為使決策有意義，處理後的資料必須符合以下特...