大学计算机基础课程

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，计算机的发展经历了：在现代计算机问世之前，计算机的发展经历了： 机械计算机机械计算机、 机电计算机机电计算机 萌芽期的电子计算机萌芽期的电子计算机 3个阶段。个阶段。 从从17世纪到世纪到19世纪中期长达世纪中期长达200多年的多年的时间里，一批杰出的科学家相继进行了机时间里，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：械计算机的研制，其中的代表人物有： 帕斯卡帕斯卡（Blaise Pascal）、）、 莱布尼茨莱布尼茨（Gottfried Leibniz） 巴贝奇巴贝奇（Charles Babbage）。）。 德国著

2、名的数学家德国著名的数学家莱布尼兹莱布尼兹于于1673年发明了乘年发明了乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。机。 英国数学家英国数学家巴贝齐巴贝齐在在1822年发明差分机，专门年发明差分机，专门用于航海和天文计算。这是最早采用用于航海和天文计算。这是最早采用寄存器寄存器（齿轮齿轮式式装置）来存储数据的计算机，体现了早期程序设装置）来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。计思想的萌芽。1834年，巴贝奇设计了一种程序控年，巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机。制的通用分析机。 1938年，德国科学家年，德国科学家祖思祖思（Kon

3、rad 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，计算机，这是第一台采用这是第一台采用二进制二进制的计算机。的计算机。 1944年，美国科学家年，美国科学家艾肯艾肯（Howard Aiken）在）在IBM公司（公司（International Business Machine）的支持下，研制成功机）的支持下，研制成功机电计算机电计算机MARK-。3.萌芽期的电子计算机萌芽期的电子计算机 1939年，年，阿塔纳索夫阿塔纳索夫（John V. Atanasoff）和）和他的学生他的学生贝瑞贝瑞（Clifford E. Berry）还设计并）还设计并试制数字电子计算机的样

4、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，那将是世界上第一台电子数字计算机。子数字计算机。 1946年年 2月月15日是计算机发展史上值得纪念的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一个日子。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院举行了人类历史上第一台通用数字电子计

5、算机第一台通用数字电子计算机的揭幕典礼。这台机器名为的揭幕典礼。这台机器名为“电子数字积分计算电子数字积分计算机机”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）是世界上）是世界上第一台真正意义第一台真正意义上的通用电子数字计算机上的通用电子数字计算机。它的问世，标志着人。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的新时代。了电子计算机的新时代。l冯冯诺伊曼诺伊曼的的存储程序存储程序通用电子计算机方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

6、(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图灵图灵机和图灵测试。机和图灵测试。电子计算机发展的四个阶段 （1）计算机电子管时代（19461954年） （2）计算机晶体管时代（19551964年） （3）计算机集成电路时代（19641974年） （4）大规模、超大规模集成电路时代（1974） 设计思想，体系结构变化不大，主要是采用的元器件改变了。（生产工艺改变了）新型结构模式新型结构模式：哈佛结构、流水线结构、阵列结构：哈

7、佛结构、流水线结构、阵列结构(并行结并行结构构)、 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新纪元。的问世开创了计算机发展的新纪元。EDVAC设计方案，为现代计算机的发展奠定了基石，设计方案，为现代计算机的发展奠定了基石，从此计算机进入现代阶段。从此计算机进入现代阶段。1952年，年，EDVAC正式投正式投入运行。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

8、查部门用于人口普查。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第一代计算机的主要特征是采用电子管电子管作为计算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，主要用于科

9、学计算。研究部门使用，主要用于科学计算。 1958年，计算机进入了使用年，计算机进入了使用晶体管晶体管为主为主要元件的第二代。要元件的第二代。 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公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机的计算机RCA501，从而宣告计算机进入了第二代的，从而宣告计算机进入了第二代的发展阶段。发展阶段。1959年，年，IBM公司又生产出全部晶体管化公司

10、又生产出全部晶体管化的电子计算机的电子计算机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。代计算机的典型代表，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、COBOL、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

11、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。 1958年，美国物理学家基尔比（年，美国物理学家基尔比（Jack Kilby）和诺伊斯（和诺伊斯（Robert Noyce）同时发明）同时发明集成电路集成电路。集成电路的问世促使计算机的更新换代。集成电路的问世促使计算机的更新换代。1964年年4 月，最早采用集成电路的通用计算机系列月，最早采用集成电路的通用计算机系列IBM 360问世，标志着计算机进入了第三代问世，标志着计算机

12、进入了第三代集成电集成电路计算机时代路计算机时代。集成电路的可靠性更高，功耗更。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少，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。降低，计算机的性能也有了极大的飞跃。 第三代计算机是以第三代计算机是以中、小规模集成电路中、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为逻辑元件，其主存储器开始逐渐采用半导体元件，存储容量可达几兆字节，运算速度体元件，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。体积进一步变可达每秒几十万至几百万次。体积进一步变小、成本进一步降低，同时性能进一步提高

13、。小、成本进一步降低，同时性能进一步提高。在软件方面，操作系统开始使用，使计算机在软件方面，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的功能越来越强。正是从第三代计算机时代起，计算机进入普及阶段，广泛应用于数据起，计算机进入普及阶段，广泛应用于数据处理、自动控制、处理、自动控制、 教育等各个方面。教育等各个方面。 在在20世纪世纪70年代初期，随着年代初期，随着大规模集大规模集成电路成电路（Large Scale Integration，LSI）和）和超大规模集成电路超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）的应用，电子计算机）

14、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，一个值得注意的展过程中，一个值得注意的发展趋势发展趋势是是计计算机微型化、巨型化、多媒体化算机微型化、巨型化、多媒体化和和网络化网络化。 微型化：微型化： 第第4代计算机的一个代计算机的一个重要标志重要标志是微处理是微处理器和微型计算机的诞生。器和微型计算机的诞生。1971年，美国年，美国英特尔英特尔（Intel）公司推出了第一个微处理器芯片）公司推出了第一个微处理器芯片Intel 4004，以这类微处理器为核心的电子计算机就是，以这类微处理器为核心的电子计算机就是微型计算机。微型计算机。198

15、1年，年，IBM公司推出第一台个人公司推出第一台个人计算机计算机IBM PC，由此开创了计算机历史的新篇章，由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。也确立了其在微机领域的霸主地位。巨型化：高性能计算机巨型化：高性能计算机的诞生也是第四代计算机的一的诞生也是第四代计算机的一个引人注目的成就。个引人注目的成就。 1975年，美国年，美国CRAY公司研制成功巨型计算机公司研制成功巨型计算机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1亿次运亿次运算。算。 2004年年11月，月，IBM公司制造的公司制造的Blue Gene/L超级计算超级计算机成为

16、当时全球运算速度最快的计算机，其运算速机成为当时全球运算速度最快的计算机，其运算速度达每秒度达每秒70.72万亿次浮点运算。万亿次浮点运算。 2008年年6月，由月，由IBM公司制造的公司制造的Roadrunner（走鹃）（走鹃）超级计算机成为首台超过每秒千万亿次浮点运算速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，其运算速度达到每秒度的计算机，其运算速度达到每秒1.026千万亿千万亿次浮次浮点运算。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。 国防科技大学国防科技大学:1983研制成功我国第一台巨型计算机系统研制成功我国第一台

17、巨型计算机系统“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1亿次以上，存贮容量可达数百亿次以上，存贮容量可达数百万字，软件系统内容丰富。万字，软件系统内容丰富。 “银河银河-”计算机、计算机、 “银河一银河一” 、“银河银河-” 。 2009， “天河一号天河一号”（千万亿千万亿次超级计算机系统）次超级计算机系统）国家智能计算机研究开发中心国家智能计算机研究开发中心：曙光系列服务器，：曙光系列服务器，“曙光一曙光一号号”、曙光、曙光1000、曙光、曙光5000 .国家并行计算机工程技术中心国家并行计算机工程技术中心:“神威神威”系列大规模并行计算机系系列大规模并行计算机系

18、统。统。 联想集团联想集团: 深腾深腾 系统超级计算机系统超级计算机.多媒体化：多媒体化：随着微电子、计算机和数字化声像技术随着微电子、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、图形、图像、声音于一体的了集文字、图形、图像、声音于一体的多媒体计算多媒体计算机系统机系统。网络化：网络化：计算机与通信技术的结合使计算机应用从计算机与通信技术的结合使计算机应用从单机走向网络，由独立网络走向单机走向网络，由独立网络走向互联网络互联网络。 此外，让计算机具有推理、学习、联想等此外，让计算机具有推理、学习、联想等智能智能行行为，

19、是人们追求的目标。为，是人们追求的目标。元器件的发展：纳米技术、光技术、生物技术(DNA)和量子技术。体系结构 或 设计思想（原理）的发展： 非冯冯.诺依曼（诺依曼（Neumann）体系结构（）体系结构（串行体串行体系结构系结构） 各种形式的各种形式的 并行体系结构并行体系结构 计算机计算机信息信息：经常指：经常指“音讯，消息音讯，消息”的意思的意思. 但至今信息没有一个公认但至今信息没有一个公认的定义。的定义。 信息论的创始人香农认为信息论的创始人香农认为:“信息是能够用来消除信息是能够用来消除不确定不确定性性的东西的东西”。 信息由信息由意义意义和和符号符号组成。组成。信息就是指以声音、语

20、言、文字、图像、动画、气味等信息就是指以声音、语言、文字、图像、动画、气味等方式所表示的实际内容。方式所表示的实际内容。 教材表述：信息被理解为客观事物通过教材表述：信息被理解为客观事物通过数据载体数据载体（如文（如文字、图像、声音等）所产生的消息、知识等。字、图像、声音等）所产生的消息、知识等。1.2 计算机与信息社会计算机与信息社会数据数据: 指某组物理符号和它们有意义的组合。是信息的一种量化表示。指某组物理符号和它们有意义的组合。是信息的一种量化表示。计算机只能计算机只能 处理数据，要让计算机处理信息，必须将信息用数据表示。处理数据，要让计算机处理信息，必须将信息用数据表示。数据的分类数

21、据的分类：数值类型、非数值类型：数值类型、非数值类型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），），简单地说，就是简单地说，就是获取、加工、存储、传输、表获取、加工、存储、传输、表示示和和应用应用信息的技术。信息的技术。信息技术的核心是信息技术的核心是计算机技术计算机技术和和通信技术通信技术。 信息处理信息处理就是对所获得的数据进行转换、识就是对所获得的数据进行转换、识别、分类、加工、整理、存储等。别、分类、加工、整理、存储等。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

22、的关系 信息信息是人类的一种宝贵资源，大量、有效地利用信息，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。是社会发展水平的重要标志之一。 信息技术信息技术为人们提供了全新的、更加有效的信息获取、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。 信息技术的发展对信息技术的发展对传统产业结构产生了重大的影响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孕育、产生了一个有着无限

23、发展前景的信息产业信息产业。 信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。 （科学技术是第一生产力）（科学技术是第一生产力） 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

24、、图形和图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。 自动控制自动控制 它是指计算机对被控制对象实时地进行数据采集、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，按最佳状态来控制或调节被控对象的检测和处理，按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。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。 C

25、AM、CAE、CAI。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计算机网络利用通信线路，按照通信协议，将分布利用通信线路，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年代年代Internet的快速发展和普及，呈现出

26、广的快速发展和普及，呈现出广阔的应用前景。阔的应用前景。目前，基于目前，基于Internet平台的应用不可胜数。例如，平台的应用不可胜数。例如，信息检索、电子商务、电子政务、网络教育、办公信息检索、电子商务、电子政务、网络教育、办公自动化、金融服务、远程会议、远程医疗、网络游自动化、金融服务、远程会议、远程医疗、网络游戏、视频点播、网络寻呼等等。戏、视频点播、网络寻呼等等。 网络聊天、网络游戏。网络聊天、网络游戏。1.3.1 信息素养的含义信息素养的含义信息素养是信息化社会需要人们具备的一种基本能力。信息素养是信息化社会需要人们具备的一种基本能力。1989年美国图书馆学会年美国图书馆学会(American Library Association ,