中南大学大学计算机基础课件绪论

1、 1.1.1 计算机的产生计算机的产生 在现代计算机问世之前，计算机的发展经在现代计算机问世之前，计算机的发展经 历了机械计算机、机电计算机和萌芽期的历了机械计算机、机电计算机和萌芽期的 电子计算机电子计算机3个阶段。个阶段。 1机械计算机机械计算机 从从17世纪到世纪到19世纪中期长达世纪中期长达200多年的时间多年的时间 里，一批杰出的科学家相继进行了机械计里，一批杰出的科学家相继进行了机械计 算机的研制，其中的代表人物有帕斯卡算机的研制，其中的代表人物有帕斯卡 （Blaise Pascal）、莱布尼茨（）、莱布尼茨（Gottfried Leibniz）和巴贝奇（）和巴贝奇（Charles

2、 Babbage）。）。 1642年，法国数学家帕斯卡采用与钟表类年，法国数学家帕斯卡采用与钟表类 似的齿轮传动装置，制成了最早的十进制似的齿轮传动装置，制成了最早的十进制 加法机。加法机。 德国著名的数学家莱布尼兹于德国著名的数学家莱布尼兹于1673年发明年发明 了乘法机，这是第一台可以运行完整的四了乘法机，这是第一台可以运行完整的四 则运算的计算机。则运算的计算机。 英国数学家巴贝齐在英国数学家巴贝齐在1822年发明差分机，年发明差分机， 专门用于航海和天文计算。这是最早采用专门用于航海和天文计算。这是最早采用 寄存器（齿轮式装置）来存储数据的计算寄存器（齿轮式装置）来存储数据的计算 机，

3、体现了早期程序设计思想的萌芽。机，体现了早期程序设计思想的萌芽。 1834年，巴贝奇设计了一种程序控制的通年，巴贝奇设计了一种程序控制的通 用分析机。用分析机。 2机电计算机机电计算机 1938年，德国科学家祖思（年，德国科学家祖思（Konrad Zuse） 制造出一台纯机械结构的制造出一台纯机械结构的Z-1计算机，这是计算机，这是 第一台采用二进制的计算机。第一台采用二进制的计算机。 1944年，美国科学家艾肯（年，美国科学家艾肯（Howard Aiken） 在在IBM公司（公司（International Business Machine）的支持下，研制成功机电计算机）的支持下，研制成功机

4、电计算机 MARK-。 3.萌芽期的电子计算机萌芽期的电子计算机 1939年，阿塔纳索夫（年，阿塔纳索夫（John V. Atanasoff）和）和 他的学生贝瑞（他的学生贝瑞（Clifford E. Berry）还设计并）还设计并 试制数字电子计算机的样机试制数字电子计算机的样机“ABC计算机计算机” （Atanasoff- Berry Computer），但未能完），但未能完 工。工。ABC计算机是计算机发展史上的一个里计算机是计算机发展史上的一个里 程碑，有些科学史学家认为，如果程碑，有些科学史学家认为，如果ABC 机当机当 时能正式制造出来，那将是世界上第一台电时能正式制造出来，那将是

5、世界上第一台电 子数字计算机。子数字计算机。 4电子计算机的诞生电子计算机的诞生 1946年年 2月月15日是计算机发展史上值得纪念的一日是计算机发展史上值得纪念的一 个日子。这一天在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院个日子。这一天在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院 举行了人类历史上第一台通用数字电子计算机的举行了人类历史上第一台通用数字电子计算机的 揭幕典礼。这台机器名为揭幕典礼。这台机器名为“电子数字积分计算机电子数字积分计算机” （Electronic Numerical Integrator and Calculator， ENIAC）是世界上第一台真正意义上的通用电子）是世界上第一台真正意义上的通

6、用电子 数字计算机。它的问世，标志着人类计算工具发数字计算机。它的问世，标志着人类计算工具发 生了历史性的变革，人类从此进入了电子计算机生了历史性的变革，人类从此进入了电子计算机 的新时代。的新时代。 5计算机体系结构的形成计算机体系结构的形成 l冯冯诺伊曼的存储程序通用电子计算机方诺伊曼的存储程序通用电子计算机方 案案电子离散变量自动计算机电子离散变量自动计算机(Electronic Discrete Variable Automatic Computer， EDVAC)方案方案 l1834年巴贝奇设计的分析机就有了今天计算年巴贝奇设计的分析机就有了今天计算 机的雏形。机的雏形。 l图灵机和

7、图灵测试。图灵机和图灵测试。 1.1.2 现代计算机的发展现代计算机的发展 1第第1代电子计算机（代电子计算机（1946年年1958年）年） 1946年，年，ENIAC的问世开创了计算机发展的问世开创了计算机发展 的新纪元。的新纪元。EDVAC设计方案，为现代计算设计方案，为现代计算 机的发展奠定了基石，从此计算机进入现机的发展奠定了基石，从此计算机进入现 代阶段。代阶段。1952年，年，EDVAC正式投入运行。正式投入运行。 1951年年6月，莫奇利和埃克特再度合作，研制成功月，莫奇利和埃克特再度合作，研制成功 UNIVAC -计算机，被美国人口普查部门用于人计算机，被美国人口普查部门用于人

8、 口普查。这是第一台商用计算机。口普查。这是第一台商用计算机。 第一代计算机的主要特征是采用电子管作为计算第一代计算机的主要特征是采用电子管作为计算 机的逻辑元件，其主存储器采用磁鼓、磁芯，外机的逻辑元件，其主存储器采用磁鼓、磁芯，外 存储器采用磁带、纸带、卡片等。存储容量只有存储器采用磁带、纸带、卡片等。存储容量只有 几千字节、运算速度为每秒几千次。主要使用机几千字节、运算速度为每秒几千次。主要使用机 器语言编写程序。这一代的计算机体积大、价格器语言编写程序。这一代的计算机体积大、价格 高、维修困难，使用也不方便，只在军事或科学高、维修困难，使用也不方便，只在军事或科学 研究部门使用，主要用

9、于科学计算。研究部门使用，主要用于科学计算。 2第第2代电子计算机（代电子计算机（1958年年1964年）年） 1958年，计算机进入了使用晶体管为主要年，计算机进入了使用晶体管为主要 元件的第二代。元件的第二代。 第一台使用晶体管线路的计算机，是在第一台使用晶体管线路的计算机，是在 1954年由美国贝尔（年由美国贝尔（Bell）实验室研制的）实验室研制的 TRADIC计算机，在其中装了计算机，在其中装了800个晶体管。个晶体管。 1958年，年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算公司制成了第一台全部使用晶体管的计算 机机RCA501，从而宣告计算机进入了第二代的发展阶，从而宣告计算机

10、进入了第二代的发展阶 段。段。1959年，年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子公司又生产出全部晶体管化的电子 计算机计算机IBM 7090。IBM 7090型计算机从型计算机从1960年到年到 1964年一直统治着科学计算的领域，并作为第二代计年一直统治着科学计算的领域，并作为第二代计 算机的典型代表，被载入计算机发展的史册。算机的典型代表，被载入计算机发展的史册。 第二代计算机全部采用晶体管作为逻辑元件，其主存第二代计算机全部采用晶体管作为逻辑元件，其主存 储器使用磁芯，外存储器使用磁带、磁盘。在软件方储器使用磁芯，外存储器使用磁带、磁盘。在软件方 面开始使用面开始使用FORTRAN、C

11、OBOL、ALGOL等高级语等高级语 言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处 理和事务处理及工业控制。相对第一代计算机，这一理和事务处理及工业控制。相对第一代计算机，这一 代计算机的运算速度更高、体积更小、功能更强。代计算机的运算速度更高、体积更小、功能更强。 3第第3代电子计算机（代电子计算机（1964年年1970年）年） 1958年，美国物理学家基尔比（年，美国物理学家基尔比（Jack Kilby）和诺）和诺 伊斯（伊斯（Robert Noyce）同时发明集成电路。集成）同时发明集成电路。集成 电路的问世促使计算机的更新换代。电路的问世

12、促使计算机的更新换代。1964年年4 月，月， 最早采用集成电路的通用计算机系列最早采用集成电路的通用计算机系列IBM 360问问 世，标志着计算机进入了第三代世，标志着计算机进入了第三代集成电路计集成电路计 算机时代。集成电路的可靠性更高，功耗更少，算机时代。集成电路的可靠性更高，功耗更少， 体积也更为微小，使得计算机的造价大幅度降低，体积也更为微小，使得计算机的造价大幅度降低， 计算机的性能也有了极大的飞跃。计算机的性能也有了极大的飞跃。 第三代计算机是以中、小规模集成电路为逻辑第三代计算机是以中、小规模集成电路为逻辑 元件，其主存储器开始逐渐采用半导体元件，元件，其主存储器开始逐渐采用半

13、导体元件， 存储容量可达几兆字节，运算速度可达每秒存储容量可达几兆字节，运算速度可达每秒 几十万至几百万次。体积进一步变小、成本几十万至几百万次。体积进一步变小、成本 进一步降低，同时性能进一步提高。在软件进一步降低，同时性能进一步提高。在软件 方面，操作系统开始使用，使计算机的功能方面，操作系统开始使用，使计算机的功能 越来越强。正是从第三代计算机时代起，计越来越强。正是从第三代计算机时代起，计 算机进入普及阶段，广泛应用于数据处理、算机进入普及阶段，广泛应用于数据处理、 过程控制、过程控制、 教育等各个方面。教育等各个方面。 4第第4代电子计算机（代电子计算机（1971年至今）年至今） 在

14、在20世纪世纪70年代初期，随着大规模集成电年代初期，随着大规模集成电 路（路（Large Scale Integration，LSI）和超大）和超大 规模集成电路（规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）的应用，电子计算机）的应用，电子计算机 迅速发展到第四代。在第四代计算机的发迅速发展到第四代。在第四代计算机的发 展过程中，一个值得注意的发展趋势是计展过程中，一个值得注意的发展趋势是计 算机微型化、巨型化、多媒体化和网络化。算机微型化、巨型化、多媒体化和网络化。 第第4代计算机的一个重要标志是微处理器和微型计算代计算机的一个重要标志是微处理器和微型

15、计算 机的诞生。机的诞生。1971年，美国英特尔（年，美国英特尔（Intel）公司推）公司推 出了第一个微处理器芯片出了第一个微处理器芯片Intel 4004，以这类微处，以这类微处 理器为核心的电子计算机就是微型计算机。理器为核心的电子计算机就是微型计算机。1981 年，年，IBM公司推出第一台个人计算机公司推出第一台个人计算机IBM PC，由，由 此开创了计算机历史的新篇章，也确立了其在微此开创了计算机历史的新篇章，也确立了其在微 机领域的霸主地位。机领域的霸主地位。 高性能计算机的诞生也是第四代计算机的一个引人注高性能计算机的诞生也是第四代计算机的一个引人注 目的成就。目的成就。1975

16、年，美国年，美国CRAY公司研制成功巨型计公司研制成功巨型计 算机算机CRAY-，实现了当时绝无仅有的超高速，实现了当时绝无仅有的超高速 每秒每秒1亿次运算。亿次运算。2004年年11月，月，IBM公司制造的公司制造的Blue Gene/L超级计算机成为全球运算速度最快的计算机，超级计算机成为全球运算速度最快的计算机， 其运算速度达每秒其运算速度达每秒70.72万亿次浮点运算。万亿次浮点运算。2008年年6月，月， 由由IBM公司制造、安装于美国能源部洛斯阿拉莫斯公司制造、安装于美国能源部洛斯阿拉莫斯 国家实验室（国家实验室（Los Alamos National Laboratory， LA

17、NL）的）的Roadrunner（走鹃）超级计算机成为首（走鹃）超级计算机成为首 台超过每秒千万亿次浮点运算速度的计算机，其运台超过每秒千万亿次浮点运算速度的计算机，其运 算速度达到每秒算速度达到每秒1.026千万亿次浮点运算。千万亿次浮点运算。 我国在高性能计算机技术方面也取得了重要进展。我国在高性能计算机技术方面也取得了重要进展。 1983年年12月在中国计算机工业史上具有划时代的意月在中国计算机工业史上具有划时代的意 义，国防科技大学研制成功我国第一台巨型计算机义，国防科技大学研制成功我国第一台巨型计算机 系统系统“银河银河-”，它的向量运算速度为每秒钟，它的向量运算速度为每秒钟1亿亿

18、次以上，存贮容量可达数百万字，软件系统内容丰次以上，存贮容量可达数百万字，软件系统内容丰 富。中国从此跨人了世界巨型计算机的行列。富。中国从此跨人了世界巨型计算机的行列。1993 年研制成功的年研制成功的“银河银河-”计算机，每秒运算计算机，每秒运算10亿次。亿次。 1997年年6月，月，“银河一银河一”研制成功，运算速度达每研制成功，运算速度达每 秒秒130亿次。亿次。2000年，年，“银河银河-”超级计算机问世，超级计算机问世， 峰值性能达到每秒峰值性能达到每秒1.0647万亿次浮点运算，其各项万亿次浮点运算，其各项 指标均达到当时国际先进水平，它使我国高性能计指标均达到当时国际先进水平，

19、它使我国高性能计 算机系统的研制水平再上一个新台阶。算机系统的研制水平再上一个新台阶。 20世纪世纪80年代中期以后，国家更加重视高性能计算年代中期以后，国家更加重视高性能计算 机系统的研制和发展，在国家高技术研究发展计机系统的研制和发展，在国家高技术研究发展计 划（划（863计划）中，专门确立了智能计算机系统主计划）中，专门确立了智能计算机系统主 题研究，该主题中的一个重要方面就是高性能计题研究，该主题中的一个重要方面就是高性能计 算机及其应用系统的研究。经过数年的努力，该算机及其应用系统的研究。经过数年的努力，该 主题重点支持的高性能计算机系统主题重点支持的高性能计算机系统“曙光曙光”系列

20、系列 机的研制取得了可喜的成果。国家智能计算机研机的研制取得了可喜的成果。国家智能计算机研 究开发中心于究开发中心于1993年年10月推出曙光系列机的第一月推出曙光系列机的第一 个产品个产品“曙光一号曙光一号”，紧接着又分别推出曙光，紧接着又分别推出曙光 1000、曙光、曙光2000和曙光和曙光3000大规模并行系统。大规模并行系统。 2004年年6月，每秒峰值运算速度月，每秒峰值运算速度11万亿次的万亿次的“曙光曙光 4000”超级计算机研制成功，运算速度列当时超级计算机研制成功，运算速度列当时 世界第世界第10位。它是我国高性能计算机领域中的又位。它是我国高性能计算机领域中的又 一重大成果

21、。一重大成果。2008年年11月，曙光月，曙光5000A在最新一次在最新一次 的全球超级计算机排名榜中位列第的全球超级计算机排名榜中位列第10位，运算速位，运算速 度达度达180.6万亿次，这也是继曙光万亿次，这也是继曙光4000A之后第二之后第二 个进入世界前个进入世界前10名的中国超级计算机。名的中国超级计算机。 1996年为加强我国高端并行计算机系统的研制，国年为加强我国高端并行计算机系统的研制，国 家并行计算机工程技术中心正式挂牌成立，开始家并行计算机工程技术中心正式挂牌成立，开始 了了“神威神威”系列大规模并行计算机系统的研制。系列大规模并行计算机系统的研制。 1999年神威系列机的

22、第一代产品年神威系列机的第一代产品“神威神威-”巨型巨型 机落户国家气象局，系统峰值为机落户国家气象局，系统峰值为3840亿次浮点运亿次浮点运 算，该机在实际应用中取得了很好的效果。算，该机在实际应用中取得了很好的效果。 20世纪世纪90年代末以生产微机著称的联想集团，也加年代末以生产微机著称的联想集团，也加 入了研制高性能计算机系统的行列。入了研制高性能计算机系统的行列。2002年由该年由该 集团研制的运算速度超过每秒万亿次浮点运算的集团研制的运算速度超过每秒万亿次浮点运算的 “深腾深腾1800”高性能计算机系统诞生。它是我国第高性能计算机系统诞生。它是我国第 一台由企业研制开发的万亿次级计

23、算机产品，标一台由企业研制开发的万亿次级计算机产品，标 志着国内大型志着国内大型IT企业开始进入高性能计算领域的企业开始进入高性能计算领域的 研究开发。研究开发。2003年年12月，联想月，联想“深腾深腾6800”超级计超级计 算机问世，实际运算速度为每秒算机问世，实际运算速度为每秒4.183万亿次，峰万亿次，峰 值运算速度超过每秒值运算速度超过每秒5万亿次。万亿次。 随着微电子、计算机和数字化声像技术的发展，多媒随着微电子、计算机和数字化声像技术的发展，多媒 体技术也得到了迅速发展，逐步形成了集文字、图体技术也得到了迅速发展，逐步形成了集文字、图 形、图像、声音于一体的多媒体计算机系统。形、

24、图像、声音于一体的多媒体计算机系统。 计算机与通信技术的结合使计算机应用从单机走向计算机与通信技术的结合使计算机应用从单机走向 网络，由独立网络走向互联网络。此外，让计算机网络，由独立网络走向互联网络。此外，让计算机 具有推理、学习、联想等智能行为，是人们追求的具有推理、学习、联想等智能行为，是人们追求的 目标。目标。 与计算机硬件系统的发展想适应，计算机软件也得与计算机硬件系统的发展想适应，计算机软件也得 到了飞速发展。操作系统功能不断完善，各种开发到了飞速发展。操作系统功能不断完善，各种开发 工具与开发技术不断涌现，各种应用软件更是层出工具与开发技术不断涌现，各种应用软件更是层出 不穷。软

25、件业已成为现代工业的一部分。不穷。软件业已成为现代工业的一部分。 1.2.1 计算机与信息技术计算机与信息技术 信息技术（信息技术（Information Technology，IT），简单地），简单地 说，就是获取、加工、存储、传输、表示和应用信息说，就是获取、加工、存储、传输、表示和应用信息 的技术。信息技术的核心是计算机和通信技术的结合。的技术。信息技术的核心是计算机和通信技术的结合。 信息处理就是对所获得的数据进行转换、识别、分信息处理就是对所获得的数据进行转换、识别、分 类、加工、整理、存储等。长期以来，人类主要用人类、加工、整理、存储等。长期以来，人类主要用人 脑、手工进行信息处理

26、工作。使用计算机才实现了信脑、手工进行信息处理工作。使用计算机才实现了信 息处理的自动化，才使数据处理的速度更快、效率更息处理的自动化，才使数据处理的速度更快、效率更 高。没有计算机，就不会有现代信息处理技术的形成高。没有计算机，就不会有现代信息处理技术的形成 和发展，计算机技术已成为信息技术的核心技术。和发展，计算机技术已成为信息技术的核心技术。 1.2 计算机与信息社会计算机与信息社会 1.2.2 信息技术与社会发展的关系信息技术与社会发展的关系 信息是人类的一种宝贵资源，大量、有效地利用信息，信息是人类的一种宝贵资源，大量、有效地利用信息， 是社会发展水平的重要标志之一。是社会发展水平的

27、重要标志之一。 信息技术为人们提供了全新的、更加有效的信息获取、信息技术为人们提供了全新的、更加有效的信息获取、 传递、处理和控制的手段与工具，极大地扩展了人类传递、处理和控制的手段与工具，极大地扩展了人类 信息活动的范围和空间，增强了人类信息活动的能力。信息活动的范围和空间，增强了人类信息活动的能力。 信息技术的发展对传统产业结构产生了重大的影响，信息技术的发展对传统产业结构产生了重大的影响， 孕育、产生了一个有着无限发展前景的信息产业。孕育、产生了一个有着无限发展前景的信息产业。 信息技术的重大突破，使信息产业成为世界上最大的信息技术的重大突破，使信息产业成为世界上最大的 产业。产业。 信

28、息技术对人们的生产、生活产生了巨大的影响，它信息技术对人们的生产、生活产生了巨大的影响，它 正在改变着人们的工作和生活方式。正在改变着人们的工作和生活方式。 1.2.3 计算机在信息社会的应用计算机在信息社会的应用 数值计算数值计算 早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计 算仍然是计算机应用的一个重要领域。它用于解算仍然是计算机应用的一个重要领域。它用于解 决科学研究和工程技术中提出的数学计算问题。决科学研究和工程技术中提出的数学计算问题。 数据处理数据处理 数据处理是指对数字、字符、文字、声音、图形数据处理是指对数字、字符、文字、声音、图形 和图

29、像等各种类型的数据进行收集、存储、分类、和图像等各种类型的数据进行收集、存储、分类、 加工、排序、检索、打印和传送等工作。加工、排序、检索、打印和传送等工作。 过程控制过程控制 过程控制也称实时控制或自动控制。它是指计算机过程控制也称实时控制或自动控制。它是指计算机 对被控制对象实时地进行数据采集、检测和处理，对被控制对象实时地进行数据采集、检测和处理， 按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。 4计算机辅助技术计算机辅助技术 计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD） 是使用计算机来帮助设计人员进行设计的一

30、门新兴是使用计算机来帮助设计人员进行设计的一门新兴 学科。学科。 5人工智能人工智能 人工智能（人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指用计算）是指用计算 机来模拟人的智能，使其像人一样具备识别语言、机来模拟人的智能，使其像人一样具备识别语言、 文字、图形和推理、学习及自适应环境的能力。文字、图形和推理、学习及自适应环境的能力。 6网络应用网络应用 计算机网络利用通信线路，按照通信协议，将分布计算机网络利用通信线路，按照通信协议，将分布 在不同地点的计算机互联起来，使其相互通信，实在不同地点的计算机互联起来，使其相互通信，实 现网上资源共享。现网上资源共享。 20世纪世纪90年代