大学计算机基础一

1、第一章 概论第一章 概论主要内容1.1 计算机发展过程 1.2 计算机工作特点及分类1.3 计算机发展趋势1.4 信息与信息化社会计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。什么是计算机?1.1.1 计算机的产生1.1 计算机发展过程手指计数、木棍、石块算 盘:几百年前我国发明手动式计算工具计算尺:1621年英国数学家冈特根据对数表设计1642年法国数学家帕斯卡发明了加法器，人类有史以来第一台机械计算机。采用齿轮旋转进位方式执行运算，但是只能做加法和减法。1673年在此基础上，德国数学家莱布尼茨设计制造了计算器。1822年英国数学家巴贝奇发

2、明了差分机1834年研制出分析机（有3个主要部分：保存数据的存储库、运算装置和对操作顺序进行控制）1.1 计算机的发展过程机械计算（齿轮传动）1.1 计算机的发展过程第一台计算机的诞生（ENIAC） 1946年2月14日（艾尼亚克） 美国宾夕法尼亚大学电子数字积分计算机重达30吨占地170m2耗电150千瓦使用18000个电子管5000次加减运算/秒机电方法制造计算机电子管1958年8月我国第一台电子管计算机103诞生缺点：没有存储器，用布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了 。ENIACENIAC英国科学家艾兰.图灵（1912-1954）建立图灵机（Turing machine）模型

3、，奠定了可计算理论的基础；提出图灵测试，阐述了机器智能概念 现代计算机体系结构冯诺依曼机：“存储程序”的概念六十多年来，计算机系统基本结构没有变。美籍匈牙利数学家冯.诺依曼（1903-1957）计算机发展史中的关键人物1.1.2 计算机发展的四个阶段时代年份器件存储器软件应用运算速度一 19461957电子管内存:汞延迟线外存:磁鼓使用机器语言和汇编语言军事研究科学计算几千次/s二19581964晶体管内存:磁芯外存:磁盘,磁带使用高级语言数据处理事务处理工业控制几十万次/s三19651971集成电路内存:磁芯,半导体存储器外存:磁盘操作系统、编译程序、网络软件开始广泛应用几十万到几百万/s四

4、1972 大规模集成电路内存:半导体存储器外存:磁盘,光盘操作系统完善、数据库系统、计算机软件的开发广泛应用于各领域几百万到几亿万/s晶体管超大规模集成电路电子管集成电路微型机的发展 微型计算机简称微型机，其特点是将运算器、控制器及寄存器集成在一块半导体芯片上，这种芯片称为微处理器(MPU)，MPU内部和外部采用总线结构。第一台微型机MCS-4:Intel 4004,4位1971年由Intel 公司的M.E.Hoff 设计。时代时间位数代表性芯片第一代1971年4位和低档8位Intel 4004/8008第二代1973年8位Intel 8080MC6800(Motorola)Z80(Zilog

5、)第三代1978年16位Intel 8086MC6800(Motorola)Z800(Zilog)第四代1991年起32位MC68020(Motorola)Z8000(Zilog)Intel 80386486、Pentium 系列、P、 P 、P4微处理器集成度发展示意图晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片超大型化；微机化；嵌入式；图形用户界面；多媒体；网络通信；网格计算摩尔定律晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒平均每18个月芯片性能增长一倍微处理器的集成度一直遵循着“摩尔定律”在飞速发展。2011年Intel公司将推出含有10亿个晶体管、

6、每秒可执行1千亿条指令的芯片。1.2 计算机的工作特点及分类1.2.1 计算机的工作特点运算速度快: 运算部件采用电子器件，与其他任何计算工具 无法比拟，曙光5000A达到每秒230万亿次以上计算精度高: 增加二进制位数提高精度，避免了各种误差， 圆周率计算精度200万位以上通用性好: 运行不同程序，完成不同任务记忆能力强: 存储设备容量大，存储能力不断提高 适合逻辑运算:计算机工作的基础，根据判断的结果决定执 行命令，完成各种复杂问题的处理运算过程自动化:程序控制执行过程，自动连续工作1.2.2 计算机的分类按计算机处理数据的方式分类 （1）电子数字计算机 以数字量（也称不连续量）作为运算对

7、象进行运算，特点是运算速度快，精确度高，具有记忆和逻辑判断能力。计算机的内部操作和运算是在程序控制下自动进行的。一般不特别说明，计算机指的是电子数字计算机。 （2）电子模拟计算机 以连续变化的模拟量（如电压、长度、角度来模拟实际所需要计算的对象）作为运算量的计算机。主要用于过程控制和模拟仿真。 按计算机的运算速度和性能指标分类巨型机：运算速度最快、存储能力最大、处理能力最强。例如：银河、曙光系列, 曙光5000A,速度可达每秒230万亿次。IBM研制Roadrunner(走娟),运算速度达到每秒1.105千万亿次，Cray公司的捷豹位居第二 。 微型机：以小、巧、轻、使用方便、价格便宜、软件丰

8、富、功能齐全等优势而拥有广大的用户。大型机：大型、通用、较快、较强,承担服务器功能.例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900 等。 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短,工艺先进、使用维护简单。如:IBM的AS/400。工作站： 介于PC与小型机之间, 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强。Sun、HP都是著名的工作站厂家。服务器：网络环境下为多用户提供服务的计算机系统。1.3 未来计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化更快的运算速度、更大的存储容量、更强的处理能力以及更高的可靠性。运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、卫星图像处理等大

9、量科学计算的高科技领域。集中体现了计算机科学技术的发展水平。银河亿次巨型计算机 1.计算机发展趋势1.3 未来计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化使用方便、体积小，成本低和功能齐全方向发展嵌入式技术家电、仪器仪表，笔记本电脑，掌上计算机1.3 未来计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化利用计算机技术与通信技术结合,把分布在不同地点的计算机互连起来,组成规模强大的计算机网络。实现方便、及时、可靠、安全、高效的信息服务1.3 未来计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化 使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理等能力。第一代机器人 机械手（1962年出现）第

10、二代机器人 具有“感觉”的机器人第三代机器人 装有启发式计算机的“智能机器人”Deepblue(“深蓝”）Garry Kasparov 典型案例2.计算机新技术应用 （1）高性能计算 速度是计算机的第一指标，人类制造计算机的初衷就是追求计算速度。发展高速度、大容量、功能强大的超级计算机是目前各国高技术领域竞争的热点。 高性能计算是以速度为核心，它包括两方面途径：一是提高单一处理器的计算性能，二是把这些处理器集成，由多个CPU构成一个计算机系统，进行并行计算。 目前世界上顶级的高性能计算机有成百上千、甚至上万个CPU，这些处理器协同计算，才能够提供需要的速度。 大连理工大学网信中心提供64个结点

11、的高性能计算服务，为教学科研提供更快速度的计算服务。1.3 未来计算机的发展趋势 （2）云计算 云计算是一种能够将动态伸缩的虚拟化资源通过互联网以服务的方式提供给用户的计算模式，用户不需要知道如何管理那些支持云计算的基础设施。提供资源的网络被称为“云”，用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。 云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的融合和发展，是这些计算机科学概念的发展和商业实现。用户可以按需计量使用这些资源，从而实现让计算成为一种公用设施来按需而用的梦想。 云计算最基本的概念：通过整合、管理、调配分布在网络各处的计算机资源，并以统一的界面同时向大量用户提供服务。借助云计算，网络服务

12、提供者可以在瞬间处理数以万计甚至亿计的信息，实现和超级计算机同样强大的效能。1.3 未来计算机的发展趋势（3）普适计算（Pervasive Computing) 普适计算是IBM在1999年提出的，指在任何时间、任何地点都可以计算，也称无处不在的计算。计算机无时不在、无处不在，就像没有计算机一样。 随着计算机网络化、微型化以及嵌入式技术的发展，普适计算正在逐渐成为现实。未来的普适计算将集移动通信技术、计算技术和嵌入式技术于一体，通过将普适计算设备嵌入人们生活的各种环境中，将计算从桌面上解放出来，使用户能以各种灵活的方式享受计算能力和资源服务。那时候，人们周围到处都是计算机，这些计算机将依据不同

13、的计算要求而呈现不同的模样，不同的名称。1.3 未来计算机的发展趋势（4）网格计算 网格计算是针对复杂科学计算的新型计算模式。利用计算机网络把分散在不同地理位置的计算机组成一个虚拟超级计算机，每台计算机就是一个“节点”，整个计算由成千上万个节点组成的一张网格。数据处理能力超强，可以充分利用网上闲置的处理能力，实现资源与信息共享。 2003年，耶鲁大学医学院网格计算项目组尝试了利用网格计算技术，加速进行抗SARS 病毒药物的筛选。方法是：参与这个项目的用户，只需在网络上下载一个软件，启动后以后台方式运行，利用计算机的闲置能力工作，自动从网站上获取数据包，运算完成后自动发送回去，不需人工干预。1.

14、3 未来计算机的发展趋势（5）生物计算 生物计算包括两个方面：一是晶体管的密度已经接近所用技术的极限，要继续提高计算机性能，就要寻找新的计算机结构，生物计算机成为一种选择。另一方面，分子生物学的突飞猛进已经使其成为资料量最大的学科，借助计算机进行分子生物信息研究，可以通过数量分析的途径获取突破性的成果。 20世纪70年代，人们发现DNA处在不同的状态下，可以产生有信息和无信息的变化，这个发现引发了人们对生物元件的研究和开发。目前生物传感器的研制已经取得了不少实际成果 生物计算更重要的方面是利用计算机进行基因组研究，运用大规模高效的理论和数字计算，归纳、整理基因组的信息和特征，模拟生命体内的信息

15、流过程，进而揭示代谢、发育、分化、进化的规律，探索人类健康和疾病的根源。1.3 未来计算机的发展趋势信息(Information)是对各种事物变化和特征的反映，是事物间相互作用和联系的表征。 信息经过转化而成为计算机能够处理的数据，同时也是经过计算机处理后作为问题解答而输出的数据。1.4.1信息的基本概念1.信息与数据1.4 信息与信息化社会数据(Data)是记录下来可以鉴别的符号，是信息的载体，是对客观实体的一种描述形式，这种描述形式可以进行通信、翻译转换或加工处理。 数据有多种表现形式：数字、文字、图形、图像、音频和视频等。1.4.1 信息的基本概念数据与信息的关系： 既有联系，又相互区别

16、。数据是信息的载体，是信息的具体表现形式，而信息是数据的内涵，是有用的、经过加工处理的数据。信息有意义，数据则没有。活动数据信息决策示例1：“2008年农村居民人均纯收入4761元，扣除价格上涨因素，比上年实际增长8.0%” 。经过大量的原始数据资料分析后得出的结论，其表现形式是数据。示例2： “某个病人的体温是39” 。病历卡上记载病人的体温39是数据。数据39本身是没有意义的。当数据以某种形式经过处理、描述或与其它数据比较时，才能成为信息。2.信息技术信息技术：指获取信息、处理信息、存储信息和传播信息中所用到的技术。1.4.1 信息的基本概念信息技术的组成微电子技术计算机技术通信技术传感技

17、术微电子技术是信息技术的基础，它扩展了人类对信息的控制和使用能力；计算机技术是信息技术的核心，计算机的信息处理能力在不断加强； 通信技术加快了信息传递的速度和广度，扩展了人的神经系统传递信息能力 传感技术扩展了利用人的感觉器官收集信息的能力。 信息化社会的特征完善的信息基础设施先进的信息技术高素质的信息人才广泛的信息产业良好的信息环境3.信息化社会 信息社会给人类带来全新的工作方式和生活方式。在信息化社会里，信息是知识，是技术，是一种最宝贵的资源。人们利用各种方式获取信息，了解世界，也让世界了解自己。在信息时代，人们的许多活动都与网络有着密切的联系，通过网络的方式实现。 1.4.1 信息的基本

18、概念1.4.2 计算机在信息社会中的应用1. 科学计算天文、地质、核物理2. 数据处理企业管理、办公自动化、统计3. 过程控制冶金、机械、化工、航天4. 计算机辅助系统 CAD(辅助设计）CAM（辅助制造）CAE（辅助教育、CAI辅助教学、CMI计算机管理教学）5. 人工智能 模拟人脑，计算机诊断6. 计算机模拟 虚拟实验室，工厂，仿真，汽车、航天员模拟训练1.4.2 计算机在信息社会中的应用7.计算机网络 在信息时代，人们的工作几乎每天都要面对计算机，借助计算机完成各项工作。计算机网络改变了人们传统的生活工作方式 信息交流与传播 电子邮件、聊天、通讯、传媒 电子商务 网上订票、网上购物等 电子政务 虚拟政府、网上办公 文化教育 浏览新闻、查阅书刊、接受教育 远程教育、网上招生、报名、信息共享8.娱乐消遣 欣赏DVD影碟、音乐 进行游戏或娱乐数字成像技术扫描使用的X射线断层成像（CT技术）在医学上具有重大影响。数字成像改变了摄影行业。数字视频对电影中的特效、三维动画等产生特殊影响。数字音乐使在线音乐商店迅速流行起来。人的语音也被数字化了，如电话交费和查询系统为人们带来了极大的便利。本章小结 本