《大学计算机导论》PPT课件.ppt

大学计算机导论 发展概述 1.1 计算机的发展历史 1.2 计算机的分代以及分类 1.3 现代信息技术简介 1.4 计算机在当代的应用 1.5 计算机的发展趋势 1.1 计算机的发展历史 空间科学领域生物科技领域基础科学研究领域建筑/城市规划领域 Computers Are Everywhere ! ! ! 1.1 计算机的发展历史 计算机的产生和发展不是一蹴而就的，而是经历了漫长的历史过程 。在这个过程中，科学家们经过艰难的探索，发明了各种各样的“ 计算机”，这些“计算机”顺应了当时历史的发展，发挥了巨大的 作用，推动了社会的进步，也推动了计算机技术的发展。 为了全面地了解计算机产生的背景，首先要了解电子计算机产生之 前的计算历史，然后要了解电子计算机的产生过程。 1.1.1 电子计算机产生之前的计算历史史前时代 算筹 u算筹又称为筹、策、算子等 u算筹在中国起源很早（春秋晚期战国初年） u提出了逢十进一的概念，确定了十进制计数法 u中国著名科学家祖冲之借助算筹作为计算工具 计算出圆周率 古代算筹 祖冲之 （AD.429-AD.500), 数学家,科学家 1.1.1 电子计算机产生之前的计算历史史前时代 算盘 u算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具 u由古代“算筹”演变而来 u素有“中国计算机”之称 u到了明代，珠算不但能进行加减乘除的运算，还能计 算土地面积和各种形状东西的大小。 算盘 1.1.2 电子计算机产生之前的计算历史机械时代 机械计算机 u1623年，德国科学家契克卡德(W. Schickard)为天 文 学家开普勒(Kepler)制作了一台机械计算机 u契克卡德计算机能做6位数加减法，或许设置了某种 “溢出”响铃装置；机器上部附加一套圆柱型“纳皮 尔算筹”，因此也能进行乘除运算 切克卡德 W. Schickard， 科学家 1592-1635 1.1.2 电子计算机产生之前的计算历史机械时代 机械计算机 u法国科学家布莱斯帕斯卡是被公认为是制造出机 械计算机的第一人 布莱斯帕斯卡 Blaise Pascal （A.D1623-A.D1662） 科学家 帕斯卡主机 巴黎国立博物馆加法器 1.1.2 电子计算机产生之前的计算历史机械时代 机械计算机 u德国著名数学家戈特弗里德威廉莱布尼茨将帕斯 卡的“加法器”扩大为乘除运算 u戈特弗里德和牛顿分别独立发明了微积分 戈特弗里德威廉莱布尼茨 Gottfried Wilhelm Leibniz （A.D1646-A.D1716） 哲学家，数学家 莱布尼茨主机 加减乘除 1.1.2 电子计算机产生之前的计算历史机械时代 差分机和分析机 u英国剑桥大学著名科学家查理斯巴贝奇在1822年 研制出第一台差分机 u差分机的升级版分析机 u分析机拥有储存库(被称为Store)，运算室（被称 为Mill)和控制室，接近现代计算器的雏形 查理斯巴贝奇 Charles Babbage （A.D1792-A.D1871） 剑桥大学数学教授 差分机模型 伦敦博物馆 可编程 1.1.2 电子计算机产生之前的计算历史机械时代 首位程序员 u阿达.奥古斯塔于1815年生于伦敦，是英国著名诗 人拜伦的女儿。她是位数学家，也是穿孔机程序创 始人。她建立了循环和子程序概念，为计算程序拟 定“算法”，写作了第一份“程序设计流程图”， 被视为“第一个为计算机写程序的人”。 谷歌纪念首位程序员 阿达.奥古斯塔 算法代码：三角函数程序，条件跳转结构 1.1.3 电子计算机产生之前的计算历史模拟时代 大规模数据处理 u19世纪末，赫尔曼霍列瑞斯(Herman Hollerith ：1860-1929)首先用穿孔卡完成了第一次大规模 数据处理。 计算机开始为个人使用 u布什(V.Bush)为了求解与电路有关的微分方程，制 作了一台模拟计算装置助其求解 u1873年，美国人鲍德温(F. Baldwin)，利用齿数 可变齿轮，设法制造出一种小型计算机样机 赫尔曼的模拟计算机 1.1.3 电子计算机产生之前的计算历史模拟时代 逻辑数学引入计算机领域 u英国数学家布尔凭借其著作逻辑的数学分析和 思维规律的研究逻辑与概率的数学理论基础建 立了一门新的数学学科布尔代数 继电器引入计算机领域 u 1938年，美国数学家香农(C. Shannon)第一次 在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁， 以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到 技术彻底改变了数字电路的设计。 现代继电器 1.1.3 电子计算机产生之前的计算历史模拟时代 电磁式阵列计算机 uThe IBM Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC)，也叫Mark I。在计算机发展史 上占据重要地位，是计算机“模拟时代”里最后一台 著名的计算机，发明者是美国哈佛大学艾肯 (H.Aiken)博士 右桥I/O控制器 MARK I 全图 1.1.4 欢迎来到现代！电子计算机时代 阿兰.图灵 u抽象的计算模型-图灵机 u基于图灵机模型的计算机ACE l1945年，图灵领导一批优秀的电子工程师，着手 制造自动计算引擎(Automatic Computing EngineerACE) l1950年，ACE样机公开表演，被称为世界上最快 最强有力的电子计算机 阿兰.麦克森.图灵 Alan Mathison Turing （A.D1912-A.D1954） 数学家，逻辑学家，密码学家， 人工智能之父 1.1.4 欢迎来到现代！电子计算机时代 冯.诺依曼体系 u冯诺依曼体系结构与现代计算机理论 l数字计算机的数制采用二进制，抛弃十进制 l计算机按照程序顺序执行 l奠定了现代电子计算机的体系结构和工作原理 输入设备 控制器 输出设备 储存器 运算器 冯诺依曼标准模型 1.1.4 欢迎来到现代！电子计算机时代 ENIAC与EDVAC uENIAC（电子数字积分计算机）是世界上第一台数字电 子计算机，由美国宾夕法尼亚大学研制 l占地170平方米，重30吨，耗电150千瓦，包含 18,800只电子管，1500个继电器，每秒能执行 5000次加法运算或者400次乘法运算。采用十进制 uEDVAC（电子离散变量自动计算机）是第一台采用冯 诺依曼体系的通用计算机 l完全采用冯诺依曼体系，包括二进制 ENIAC 宾夕法尼亚大学 1.1.4 欢迎来到现代！电子计算机时代 现代电子计算机 u2013世界超级计算机排名， “天河二号”夺冠 持续计算速度3.39亿亿次/秒，拥有16,000个节点，每 个节点由2个Intel Xeon IvyBridge的处理器及合共 3,120,000个计算核心的三个至强批处理器组成 内存空间为1,375TB,其中1000TB为系统储存器， 375TB为协处理器独占，外部储存器空间为12.4PB 天河二号 国防科技大学 1.2.1 计算机的分代 计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一，按照采用的电子器件划分，计算机大致已经历了四个阶段： 时代年份电子器件特点 第一代1946-1957电子管逻辑元件：电子管；主存：磁鼓或延 迟线；外存：纸带、卡片、磁带 运算速度几千，几万次/秒；语言：机 器语言或汇编；用途：科学领域 第二代1958-1964晶体管逻辑元件：晶体管；主存：磁性材料 ；外存：磁盘、磁带 运算速度几十万次/秒；软件：使用操 作系统，高级语言等 第三代1965-1970中小规模 集成电路 逻辑元件：集成电路；主存：半导体 ；运算速度几十万、几百万次/秒；软 件：高级语言进一步发展，Basic 第四代1971大规模超 大规模集 成电路 逻辑元件：集成电路；主存：高集成 度半导体；运算速度上亿/秒；软件： 数据库、分布式操作系统，高级语言 中了丰富。外设丰富、应用丰富 1.2.1 计算机的分代 未来发展方向新型计算机 u光子计算机 利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。 不同波长的表示不同的数据 u量子计算机 利用处于多现实态下的原子进行运算，无传输损耗。 量子计算机芯片 2011 Happy Mid-Autumn festival 上海锐普广告有限公司 1.2.2 计算机的分代 摩尔定律 u集成电路芯片上所集成的电路的数目 ，每隔18个月就翻一倍 u微处理器的性能每隔18个月提高一倍 ，或价格下降一半。 u用一个美元所能买到的电脑性能，每 隔18个月翻两倍。 摩尔定律与英特尔 1.2.2 计算机的分类 工作站（专用机）与通用机 1.3 现代信息技术简介 现代信息技术基础知识 u信息 l信息既是对各种事物变化和特征的反映，又是事物间相互作用和联系的表征 l信息同物质、能源是人类生存和社会发展的三大基本资源 u数据 l数据是信息的载体 l信息有意义，而单纯的数据则没有 1.3 现代信息技术简介 现代信息技术的内容 u信息基础技术 l微电子技术 l光电子技术 u信息系统技术 l信息获取、处理、传输、控制和储存技术 u信息应用技术 l针对实用目的发展起来的技术群类 1.3 现代信息技术简介 现代信息技术的特点 u数字化 u多媒体化 u高速化、网络化、宽频带 u智能化 NBN国立宽带网络计划， 下行速度1Gbps(截止2013)， 澳大利亚 1.4 计算机在当代的应用 u科学计算 Scientific Calculation l也称为数值计算 l应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学 计算 l计算工作量大，数值变化范围大 l主要应用于科研领域 u数据处理 Data Processing l也称为非数值计算 l对大量数据进行统计分析、合并、分类等加 工处理 l涉及的数据量大，但计算方法较简单 l主要应用于银行、企业和政府机关 u过程控制 Process Control l利用计算机对控制对象进行实时的自动 控制或自动调节 l应用在各个轻重工业领域 1.4 计算机在当代的应用 u电子商务 E-Commerce l利用计算机和网络进行的新型商务活动 l分为以下几种形式 B2B(Business to Business)，例如阿里巴巴 B2C(Business to Customer)，例如亚马逊，京东，天猫等 C2C(Customer to Customer)，例如E-bay，淘宝等 B2G(Business to Government)，例如Vodafone的B2G业务等 ITM(Interactive trading mode)，线上对实体 uCAD/CAM/CMIS辅助设计 lCAD（Computer Aided Design)计算机辅助设计 lCAM (Computer Aided Manufacturing)计算机辅助制造 lCMIS (Computer Integrated Manufacture System) 计算机集成制造系统 1.4 计算机在当代的应用 u多媒体技术 l以计算机技术为核心，将现代声响技术和通信技术 融为一体，以追求更自然，更丰富的界面 l覆盖计算机绝大部分应用领域 l正在改变人类生活和工作方式 u娱乐 l利用计算机技术给人类提供娱乐活动 l随着电子设备的普及变得更加流行 l从侧面促进了计算机硬件和软件的更新进步 1.4 计算机在当代的应用 u微型化 u巨型化 u网络化 u智能化 u微型化 微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术， 把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。计算 机的微型化以成为计算机发展的重要方向，各种笔记本 电脑，平板电脑和智能手机的大量面世，即是计算微型 化的一个标志 u巨型化 巨型化是指研制速度更快的、存储量更大的和功能强大的 巨型计算机。起运算能力一般在每秒一百亿以上、内容容 量在几百兆字节以上，主要应用于天文、气象、地质和核 技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域。巨 型计算机的技术水平是衡量一个国家技术和工业发展水平 的重要标志 u网络化 网络技术可以更好的管理网上的资源，它把整个互联网虚 一台空前强大的一体化系统，犹如一台巨型机，在这个动 态变化的网络环境中，实现计算资源、存储资源、数据资 源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，从而让 用户享受可灵活控制的、智能的、协作式的信息服务，并 获得前所未有的使用方便性 谷歌云计算数据中心， 美国俄克拉荷马州 u智能化 计算机智能化是指计算机具有模拟人的感觉和思维 过程的能力。智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自 然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设 计、专家系统、学习系统和智能机器人等 IBM沃森超级计算机，美国 u嵌入式计算机 u网格计算 u中间件技术 u云计算 u嵌入式计算机 Embedded Computer l将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统 之中。系统和功能软件固化起来 l广泛应用于各种家电中，如电冰箱，全自动洗衣机 ，数字电视机，数码照相机等。数量已经超过了PC 嵌入式计算机主板 u网格计算 Gird Computing l也称为分布式计算 l利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一 个“虚拟的超级计算机”，其中每一台的计算机就是 一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点” 组成的“一张网