大學(xué)計算機基礎(chǔ)一

1、第一章 概論第一章 概論主要內(nèi)容1.1 計算機發(fā)展過程 1.2 計算機工作特點及分類1.3 計算機發(fā)展趨勢1.4 信息與信息化社會計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速進(jìn)行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子裝置。什么是計算機?1.1.1 計算機的產(chǎn)生1.1 計算機發(fā)展過程手指計數(shù)、木棍、石塊算 盤:幾百年前我國發(fā)明手動式計算工具計算尺:1621年英國數(shù)學(xué)家岡特根據(jù)對數(shù)表設(shè)計1642年法國數(shù)學(xué)家帕斯卡發(fā)明了加法器，人類有史以來第一臺機械計算機。采用齒輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)位方式執(zhí)行運算，但是只能做加法和減法。1673年在此基礎(chǔ)上，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨設(shè)計制造了計算器。1822年英國數(shù)學(xué)家巴貝奇發(fā)

2、明了差分機1834年研制出分析機（有3個主要部分：保存數(shù)據(jù)的存儲庫、運算裝置和對操作順序進(jìn)行控制）1.1 計算機的發(fā)展過程機械計算（齒輪傳動）1.1 計算機的發(fā)展過程第一臺計算機的誕生（ENIAC） 1946年2月14日（艾尼亞克） 美國賓夕法尼亞大學(xué)電子數(shù)字積分計算機重達(dá)30噸占地170m2耗電150千瓦使用18000個電子管5000次加減運算/秒機電方法制造計算機電子管1958年8月我國第一臺電子管計算機103誕生缺點：沒有存儲器，用布線接板進(jìn)行控制，計算速度也就被這一工作抵消了 。ENIACENIAC英國科學(xué)家艾蘭.圖靈（1912-1954）建立圖靈機（Turing machine）模型

3、，奠定了可計算理論的基礎(chǔ)；提出圖靈測試，闡述了機器智能概念 現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼機：“存儲程序”的概念六十多年來，計算機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)沒有變。美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼（1903-1957）計算機發(fā)展史中的關(guān)鍵人物1.1.2 計算機發(fā)展的四個階段時代年份器件存儲器軟件應(yīng)用運算速度一 19461957電子管內(nèi)存:汞延遲線外存:磁鼓使用機器語言和匯編語言軍事研究科學(xué)計算幾千次/s二19581964晶體管內(nèi)存:磁芯外存:磁盤,磁帶使用高級語言數(shù)據(jù)處理事務(wù)處理工業(yè)控制幾十萬次/s三19651971集成電路內(nèi)存:磁芯,半導(dǎo)體存儲器外存:磁盤操作系統(tǒng)、編譯程序、網(wǎng)絡(luò)軟件開始廣泛應(yīng)用幾十萬到幾百萬/s四

4、1972 大規(guī)模集成電路內(nèi)存:半導(dǎo)體存儲器外存:磁盤,光盤操作系統(tǒng)完善、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機軟件的開發(fā)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域幾百萬到幾億萬/s晶體管超大規(guī)模集成電路電子管集成電路微型機的發(fā)展 微型計算機簡稱微型機，其特點是將運算器、控制器及寄存器集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，這種芯片稱為微處理器(MPU)，MPU內(nèi)部和外部采用總線結(jié)構(gòu)。第一臺微型機MCS-4:Intel 4004,4位1971年由Intel 公司的M.E.Hoff 設(shè)計。時代時間位數(shù)代表性芯片第一代1971年4位和低檔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微處理器集成度發(fā)展示意圖晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片超大型化；微機化；嵌入式；圖形用戶界面；多媒體；網(wǎng)絡(luò)通信；網(wǎng)格計算摩爾定律晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒平均每18個月芯片性能增長一倍微處理器的集成度一直遵循著“摩爾定律”在飛速發(fā)展。2011年Intel公司將推出含有10億個晶體管、

6、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。1.2 計算機的工作特點及分類1.2.1 計算機的工作特點運算速度快: 運算部件采用電子器件，與其他任何計算工具 無法比擬，曙光5000A達(dá)到每秒230萬億次以上計算精度高: 增加二進(jìn)制位數(shù)提高精度，避免了各種誤差， 圓周率計算精度200萬位以上通用性好: 運行不同程序，完成不同任務(wù)記憶能力強: 存儲設(shè)備容量大，存儲能力不斷提高 適合邏輯運算:計算機工作的基礎(chǔ)，根據(jù)判斷的結(jié)果決定執(zhí) 行命令，完成各種復(fù)雜問題的處理運算過程自動化:程序控制執(zhí)行過程，自動連續(xù)工作1.2.2 計算機的分類按計算機處理數(shù)據(jù)的方式分類 （1）電子數(shù)字計算機 以數(shù)字量（也稱不連續(xù)量）作為運算對

7、象進(jìn)行運算，特點是運算速度快，精確度高，具有記憶和邏輯判斷能力。計算機的內(nèi)部操作和運算是在程序控制下自動進(jìn)行的。一般不特別說明，計算機指的是電子數(shù)字計算機。 （2）電子模擬計算機 以連續(xù)變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模擬實際所需要計算的對象）作為運算量的計算機。主要用于過程控制和模擬仿真。 按計算機的運算速度和性能指標(biāo)分類巨型機：運算速度最快、存儲能力最大、處理能力最強。例如：銀河、曙光系列, 曙光5000A,速度可達(dá)每秒230萬億次。IBM研制Roadrunner(走娟),運算速度達(dá)到每秒1.105千萬億次，Cray公司的捷豹位居第二 。 微型機：以小、巧、輕、使用方便、價格便宜、軟件豐

8、富、功能齊全等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。大型機：大型、通用、較快、較強,承擔(dān)服務(wù)器功能.例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900 等。 小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短,工藝先進(jìn)、使用維護(hù)簡單。如:IBM的AS/400。工作站： 介于PC與小型機之間, 高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強。Sun、HP都是著名的工作站廠家。服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為多用戶提供服務(wù)的計算機系統(tǒng)。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化更快的運算速度、更大的存儲容量、更強的處理能力以及更高的可靠性。運算速度可達(dá)每秒幾百億次運算的超級計算機應(yīng)用：天氣預(yù)報、地震機理研究、衛(wèi)星圖像處理等大

9、量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。集中體現(xiàn)了計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。銀河億次巨型計算機 1.計算機發(fā)展趨勢1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化使用方便、體積小，成本低和功能齊全方向發(fā)展嵌入式技術(shù)家電、儀器儀表，筆記本電腦，掌上計算機1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化利用計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合,把分布在不同地點的計算機互連起來,組成規(guī)模強大的計算機網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)方便、及時、可靠、安全、高效的信息服務(wù)1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化 使計算機具有視覺、聽覺、語言、行為、思維、邏輯推理等能力。第一代機器人 機械手（1962年出現(xiàn)）第

10、二代機器人 具有“感覺”的機器人第三代機器人 裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”Deepblue(“深藍(lán)”）Garry Kasparov 典型案例2.計算機新技術(shù)應(yīng)用 （1）高性能計算 速度是計算機的第一指標(biāo)，人類制造計算機的初衷就是追求計算速度。發(fā)展高速度、大容量、功能強大的超級計算機是目前各國高技術(shù)領(lǐng)域競爭的熱點。 高性能計算是以速度為核心，它包括兩方面途徑：一是提高單一處理器的計算性能，二是把這些處理器集成，由多個CPU構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)，進(jìn)行并行計算。 目前世界上頂級的高性能計算機有成百上千、甚至上萬個CPU，這些處理器協(xié)同計算，才能夠提供需要的速度。 大連理工大學(xué)網(wǎng)信中心提供64個結(jié)點

11、的高性能計算服務(wù)，為教學(xué)科研提供更快速度的計算服務(wù)。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 （2）云計算 云計算是一種能夠?qū)討B(tài)伸縮的虛擬化資源通過互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)的方式提供給用戶的計算模式，用戶不需要知道如何管理那些支持云計算的基礎(chǔ)設(shè)施。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”，用戶通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的資源。 云計算是并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的融合和發(fā)展，是這些計算機科學(xué)概念的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)。用戶可以按需計量使用這些資源，從而實現(xiàn)讓計算成為一種公用設(shè)施來按需而用的夢想。 云計算最基本的概念：通過整合、管理、調(diào)配分布在網(wǎng)絡(luò)各處的計算機資源，并以統(tǒng)一的界面同時向大量用戶提供服務(wù)。借助云計算，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

12、提供者可以在瞬間處理數(shù)以萬計甚至億計的信息，實現(xiàn)和超級計算機同樣強大的效能。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢（3）普適計算（Pervasive Computing) 普適計算是IBM在1999年提出的，指在任何時間、任何地點都可以計算，也稱無處不在的計算。計算機無時不在、無處不在，就像沒有計算機一樣。 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)化、微型化以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，普適計算正在逐漸成為現(xiàn)實。未來的普適計算將集移動通信技術(shù)、計算技術(shù)和嵌入式技術(shù)于一體，通過將普適計算設(shè)備嵌入人們生活的各種環(huán)境中，將計算從桌面上解放出來，使用戶能以各種靈活的方式享受計算能力和資源服務(wù)。那時候，人們周圍到處都是計算機，這些計算機將依據(jù)不同

13、的計算要求而呈現(xiàn)不同的模樣，不同的名稱。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢（4）網(wǎng)格計算 網(wǎng)格計算是針對復(fù)雜科學(xué)計算的新型計算模式。利用計算機網(wǎng)絡(luò)把分散在不同地理位置的計算機組成一個虛擬超級計算機，每臺計算機就是一個“節(jié)點”，整個計算由成千上萬個節(jié)點組成的一張網(wǎng)格。數(shù)據(jù)處理能力超強，可以充分利用網(wǎng)上閑置的處理能力，實現(xiàn)資源與信息共享。 2003年，耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院網(wǎng)格計算項目組嘗試了利用網(wǎng)格計算技術(shù)，加速進(jìn)行抗SARS 病毒藥物的篩選。方法是：參與這個項目的用戶，只需在網(wǎng)絡(luò)上下載一個軟件，啟動后以后臺方式運行，利用計算機的閑置能力工作，自動從網(wǎng)站上獲取數(shù)據(jù)包，運算完成后自動發(fā)送回去，不需人工干預(yù)。1.

14、3 未來計算機的發(fā)展趨勢（5）生物計算 生物計算包括兩個方面：一是晶體管的密度已經(jīng)接近所用技術(shù)的極限，要繼續(xù)提高計算機性能，就要尋找新的計算機結(jié)構(gòu)，生物計算機成為一種選擇。另一方面，分子生物學(xué)的突飛猛進(jìn)已經(jīng)使其成為資料量最大的學(xué)科，借助計算機進(jìn)行分子生物信息研究，可以通過數(shù)量分析的途徑獲取突破性的成果。 20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)DNA處在不同的狀態(tài)下，可以產(chǎn)生有信息和無信息的變化，這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們對生物元件的研究和開發(fā)。目前生物傳感器的研制已經(jīng)取得了不少實際成果 生物計算更重要的方面是利用計算機進(jìn)行基因組研究，運用大規(guī)模高效的理論和數(shù)字計算，歸納、整理基因組的信息和特征，模擬生命體內(nèi)的信息

15、流過程，進(jìn)而揭示代謝、發(fā)育、分化、進(jìn)化的規(guī)律，探索人類健康和疾病的根源。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢信息(Information)是對各種事物變化和特征的反映，是事物間相互作用和聯(lián)系的表征。 信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化而成為計算機能夠處理的數(shù)據(jù)，同時也是經(jīng)過計算機處理后作為問題解答而輸出的數(shù)據(jù)。1.4.1信息的基本概念1.信息與數(shù)據(jù)1.4 信息與信息化社會數(shù)據(jù)(Data)是記錄下來可以鑒別的符號，是信息的載體，是對客觀實體的一種描述形式，這種描述形式可以進(jìn)行通信、翻譯轉(zhuǎn)換或加工處理。 數(shù)據(jù)有多種表現(xiàn)形式：數(shù)字、文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。1.4.1 信息的基本概念數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系： 既有聯(lián)系，又相互區(qū)別

16、。數(shù)據(jù)是信息的載體，是信息的具體表現(xiàn)形式，而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是有用的、經(jīng)過加工處理的數(shù)據(jù)。信息有意義，數(shù)據(jù)則沒有?；顒訑?shù)據(jù)信息決策示例1：“2008年農(nóng)村居民人均純收入4761元，扣除價格上漲因素，比上年實際增長8.0%” 。經(jīng)過大量的原始數(shù)據(jù)資料分析后得出的結(jié)論，其表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)。示例2： “某個病人的體溫是39” 。病歷卡上記載病人的體溫39是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)39本身是沒有意義的。當(dāng)數(shù)據(jù)以某種形式經(jīng)過處理、描述或與其它數(shù)據(jù)比較時，才能成為信息。2.信息技術(shù)信息技術(shù)：指獲取信息、處理信息、存儲信息和傳播信息中所用到的技術(shù)。1.4.1 信息的基本概念信息技術(shù)的組成微電子技術(shù)計算機技術(shù)通信技術(shù)傳感技

17、術(shù)微電子技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，它擴展了人類對信息的控制和使用能力；計算機技術(shù)是信息技術(shù)的核心，計算機的信息處理能力在不斷加強； 通信技術(shù)加快了信息傳遞的速度和廣度，擴展了人的神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息能力 傳感技術(shù)擴展了利用人的感覺器官收集信息的能力。 信息化社會的特征完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施先進(jìn)的信息技術(shù)高素質(zhì)的信息人才廣泛的信息產(chǎn)業(yè)良好的信息環(huán)境3.信息化社會 信息社會給人類帶來全新的工作方式和生活方式。在信息化社會里，信息是知識，是技術(shù)，是一種最寶貴的資源。人們利用各種方式獲取信息，了解世界，也讓世界了解自己。在信息時代，人們的許多活動都與網(wǎng)絡(luò)有著密切的聯(lián)系，通過網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)。 1.4.1 信息的基本

18、概念1.4.2 計算機在信息社會中的應(yīng)用1. 科學(xué)計算天文、地質(zhì)、核物理2. 數(shù)據(jù)處理企業(yè)管理、辦公自動化、統(tǒng)計3. 過程控制冶金、機械、化工、航天4. 計算機輔助系統(tǒng) CAD(輔助設(shè)計）CAM（輔助制造）CAE（輔助教育、CAI輔助教學(xué)、CMI計算機管理教學(xué)）5. 人工智能 模擬人腦，計算機診斷6. 計算機模擬 虛擬實驗室，工廠，仿真，汽車、航天員模擬訓(xùn)練1.4.2 計算機在信息社會中的應(yīng)用7.計算機網(wǎng)絡(luò) 在信息時代，人們的工作幾乎每天都要面對計算機，借助計算機完成各項工作。計算機網(wǎng)絡(luò)改變了人們傳統(tǒng)的生活工作方式 信息交流與傳播 電子郵件、聊天、通訊、傳媒 電子商務(wù) 網(wǎng)上訂票、網(wǎng)上購物等 電子政務(wù) 虛擬政府、網(wǎng)上辦公 文化教育 瀏覽新聞、查閱書刊、接受教育 遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)上招生、報名、信息共享8.娛樂消遣 欣賞DVD影碟、音樂 進(jìn)行游戲或娛樂數(shù)字成像技術(shù)掃描使用的X射線斷層成像（CT技術(shù)）在醫(yī)學(xué)上具有重大影響。數(shù)字成像改變了攝影行業(yè)。數(shù)字視頻對電影中的特效、三維動畫等產(chǎn)生特殊影響。數(shù)字音樂使在線音樂商店迅速流行起來。人的語音也被數(shù)字化了，如電話交費和查詢系統(tǒng)為人們帶來了極大的便利。本章小結(jié) 本