計算機導論教案

計算機導論教案第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.1

計算機的誕生與發(fā)展計算機的誕生

20世紀40年代中期，由于導彈、火箭、原子彈等現代科學的發(fā)展，出現了大量極其復雜的數學問題，原有的計算工具已無法滿足要求；而電子學和自動控制技術的迅速發(fā)展，也為研制新的計算工具提供了物質技術條件。

1946年，在美國賓夕法尼亞大學，由JohnMauchly和J.P.Eckert領導的研制小組為精確測算炮彈的彈道特性而制成了ENIAC計算機，這是世界上第一臺真正能自動運行的電子數字計算機。它使用了18800只電子管，1500多個繼電器，耗第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五電150KW,占地面積150,重量達30,每秒鐘能完成5000次加法運算。盡管存在著許多缺點，但是它為電子計算機的發(fā)展奠定了技術基礎。它的問世，標志著電子計算機時代的到來。

自從第一臺電子計算機誕生以來，至今不過短短的40多年時間。然而，它發(fā)展之迅速，普及之廣泛，對整個社會和科學技術影響之深遠，遠非其它任何學科所能比擬。時至今日，計算機已經成為人們生產勞動和日常生活中必備的重要工具。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五人類追求的計算工具ENIAC1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機1833分析機MARKI電子計算機時代計算機發(fā)展史第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五世界上第一臺計算機——ENIAC

5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機的發(fā)展概況

推動計算機發(fā)展的眾多因素中，電子元器件的發(fā)展起著決定性的作用；其次，計算機系統(tǒng)結構和計算機軟件技術的發(fā)展也起了重大的作用。從生產計算機的主要技術來看，計算機的發(fā)展過程可以劃分為四個階段

第一代（1946~1956）電子管5千~4萬（次/秒）使用的邏輯元件為電子管；存儲器為延遲線、磁鼓、磁芯；典型機器為IBM-701，IBM-650；使用軟件為機器語言、匯編語言，應用于科學計算，速度低、體積大、可靠性差、維修復雜。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五

第二代（1957~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）使用的邏輯元件為晶體管；存儲器為磁芯、磁帶、磁盤；典型機器為IBM-7090，IBM-7094；出現了ALGOLGO、FORTRAN和COBOL等面向進程的高級程序設計語言及其編譯程序，并建立了多種程序庫和管理軟件。其主要用于數據處理、工業(yè)控制、科學計算。其特點是體積小、耗電少、可靠性有了較大提高。第三代（1965~1970）中小規(guī)模集成電路百萬~幾百萬（次/秒）存儲器為磁芯、磁帶、磁盤；典型機器為IBM-370（大型），IBM-360（中型），PDP-II（小型）；使用軟件為結構化程序設計、操作系統(tǒng)。它具有支持多任務系統(tǒng)的功能，實現了多個計算機終端聯(lián)機和通訊網絡化，運算速度較大提高，小型化、耗電少，可靠性、維護性進一步提高。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五第四代（1971~90年代）超大規(guī)模集成電路幾百萬~幾億（次/秒）邏輯元件為大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。存儲器為半導體、磁盤、光盤；典型機器為ILLAC-IV（巨型）、IBM-3033（大型）、80486、8098（彈片機），使用軟件為數據庫、軟件工程、程序設計自動化；主要應用有十事務處理、智能模擬，大型計算機普及到社會生活各個方面。電子管的缺點：體積大；耗能高、散熱量大。晶體管的優(yōu)點：體積??；耗能低；性能穩(wěn)定。ENIAC劃時代的實驗裝置第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五晶體管數單位時間執(zhí)行的指令數百萬條/每秒計算機第一定律——摩爾定律每18個月芯片能力增長一倍。第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五晶體管數目4004奔騰4420,000,0002,30010微米芯片將電腦濃縮在一顆芯片上0.18微米芯片第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機發(fā)展趨勢（四種趨向）⑴巨型化

CRAY-Ⅱ運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-II”超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領域。中國超級計算機：國防科技大學研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家職能計算機中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”銀河Ⅱ第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑵微型化

Altair8800計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑶網絡化

計算機網絡：計算機技術與通信技術結合的產物。計算機網絡的發(fā)展動力：使用遠程資源，共享程序、數據和信息資源，網絡用戶的通訊和合作。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑷智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機械’來”。 ——笛卡爾（1637）人類第一個“工業(yè)機器人”：

一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人

機械手（1962年出現）第二代機器人

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”DeepblueGarryKasparov第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.2計算機的特點與應用計算機的特點計算機問世之初，主要用于數值計算，“計算機”也因此得名。但隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，它的應用范圍不斷擴大，不再局限于數值計算而廣泛地應用于自動控制、信息處理、智能模擬等各個領域。計算機能處理各種各樣的信息，包括數字、文字、表格、圖形、圖象等。計算機之所以具有如此強大的功能，這是由它的特點所決定的。概括地說，計算機主要具備以下幾第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五方面的特點：⑴運算速度快

⑵存儲容量大

⑶具有邏輯判斷能力

⑷工作自動化計算機的應用范圍計算機的應用十分廣泛，根據工作方式的不同大致可以分為以下幾個方面：

⑴計算機輔助設計（CAD）就是利用計算機來進行產品的設計。這種技術已廣泛地應用第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五于機械、船舶、飛機、大規(guī)模集成電路版圖等方面的設計。利用CAD技術可以提高設計質量，縮短設計周期，提高設計自動化水平。例如，計算機輔助制圖系統(tǒng)是一個通用軟件包，它提供了一些最基本的作圖元素和命令，在這個基礎上可以開發(fā)出各種不同部門應用的圖庫。這就使工程技術人員從繁重的重復性工作中解放出來。從而加速產品的研制過程，提高產品質量。

CAD技術迅速發(fā)展，其應用范圍日益擴大，又派生出許多新的技術分支，如計算機輔助制造CAM，計算機輔助教學CAI等。⑵數值計算

在科學研究和工程設計中，存在著大量繁煩、復雜的數值第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算問題，解決這樣的問題經常是人力所無法勝任的。而高速度，高精度地解算復雜的數學問題正是電子計算機的特長。因而，時至今日，數值計算仍然是計算機應用的一個重要領域。⑶數據處理

就是利用計算機來加工、管理和操作各種形式的數據資料。數據處理一般地總是以某種管理為目的的。例如，財務部門用計算機來進行票據處理、賬目處理和結算；人事部門用計算機來建立和管理人事檔案，等等。與數值計算有所不同，數據處理著眼于對大量的

第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五數據進行綜合和分析處理。一般不涉及復雜的數學問題，只是要求處理的數據量極大而且經常要求在短時間內處理完畢。⑷實時控制

也叫做過程控制，就是用計算機對連續(xù)工作的控制對象實行自動控制。要求計算機能及時搜集檢測信號，通過計算處理，發(fā)出調節(jié)信號對控制對象進行自動調節(jié)。過程控制應用中的計算機對輸入信息的處理結果的輸出總是實時進行的。例如，導彈的發(fā)射和制導過程中，總是不停地測試當時的飛行參數，快速第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五地計算和處理，不斷地發(fā)出控制信號控制導彈的飛行狀態(tài)，直至到達即定的目標為止。實時控制在工業(yè)生產自動化、軍事等方面應用十分廣泛。⑸模式識別是一種計算機在模擬人的智能方面的應用。例如，根據頻譜分析的原理，利用計算機對人的聲音進行分解、合成，使機器能辨識各種語音，或合成并發(fā)出類似人的聲音。又如，利用計算機來識別各類圖像、甚至人的指紋等等。

第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五綜上所述，計算機是對輸入的各類信息，如數值、文字、圖像、電信號等等，自動高效地進行加工處理并輸出結果的電子裝置：早期的計算機應用因為受條件的限制，著眼于提高效率和減輕人的勞動強度，往往是比較單純的。例如，一個數學軟件包，它的功能可能很強，規(guī)?？赡芤埠艽螅挥袛抵涤嬎愕墓δ?。又如，一個企業(yè)用計算機來計算工資、打印報表、管理雇員等，是屬于計算機在數據處理方面的應用，這類應用是局部的和單純的，很少涉及到諸如整個企業(yè)的全面信息聯(lián)系這第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五樣的管理的內容。隨著業(yè)務需求和計算機技術的進步，計算機應用逐步向綜合性的方向發(fā)展。例如，一個大型企業(yè)的MIS（信息管理系統(tǒng)）系統(tǒng)，可以包括多個子系統(tǒng)，如銷售管理系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)、財務管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、工程設計系統(tǒng)等，有些子系統(tǒng)主要是用來進行數據處理的，有些主要是用來進行自動控制的，有些既有復雜的數值計算功能，又有強大的數據處理能力。又如，利用計算機來模擬人的智力活動，如學習過程、適應能力、推理過程，制造一種具有“思維能力”，即具有“推理”、學習和自動“積累經驗”第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五功能的機器，就不能簡單地認為是計算機在模式識別方面的應用，其中可能包括了復雜的數值計算、大量的數據處理、精確的自動控制等等功能，而且，要與微電子制造技術等現代技術結合起來才能最終完成。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機技術計算機技術的迅猛發(fā)展，促使人類走向豐富多彩的信息社會。信息時代的生產方式和生活方式具有數字化、集成化、智能化、移動化、個性化等等特點。將計算機的工作原理和技術應用于各種電子產品，如電視、音響、各種儀器儀表等，就是這些產品的數字化。數字化可以使產品的性能和質量提高到一個嶄新的水平。例如，數字化的電視機不會受到干擾。數字化的音響有很高的保真度，聲音特別清晰。智能化產品能夠自動地、或經簡單操作來實現各種功能。就像傻瓜照相機一樣，只要按動快門，就會

第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五按照現有的條件而自動調節(jié)，完成拍攝工作。

集成化就是把所用到的多種功能集成在一種產品之上，使用戶能夠更方便地使用。移動化也是包括計算機在內的現代電子產品的一個重要特點，手提式計算機，以及采用計算機的基本工作原理設計，或者由計算機來控制的移動電話、移動電視等，都在不斷地推陳出新。以計算機為龍頭的電子產品以及由計算機輔助設計、制造的產品，由于設計和制造手段的先進快捷，很容易達到滿足不同用戶要求的目的，甚至可以在用第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五戶參與下設計、制造，因而具有個性化的特點。例如，如果顧客要做一件衣服，先把尺寸和自己的想法、要求輸入計算機，計算機就會先把衣服設計好，在三維圖形里讓顧客試穿，直到顧客滿意了，再進行裁剪、縫制。這是參與式的、互相討論的個性化服裝設計。計算機不僅能處理數字和文字信息，還可以用聽覺、觸覺、三維圖形、動畫、甚至伴以嗅覺等多種媒體形式與人交換信息。例如，計算機可以輸出數字化的視頻動畫信息，可以產生話語或高保真的

第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五音樂信號等等，這就是多媒體計算機的概念，它是當前非?；钴S的一個研究和應用領域。由多媒體技術誘發(fā)的一種非常實用的技術叫做“虛擬現實”。感受“虛擬現實”環(huán)境的人戴上一個特殊的、安裝了包括目視器等傳感設備且與計算機相連的頭盔，再配以其他傳感設備，例如可以在計算機和人之間傳遞觸覺信息的觸覺手套等。就會感覺到自己完全置身于另一個世界，當人移動腳步，轉動頭部，伸出手臂，就像在真實的環(huán)境中做這些事情一樣，盡管這只是計算機模擬的一個虛擬的環(huán)境。

第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五這種技術的一種應用是利用計算機進行復雜危險環(huán)境的模擬。比如飛行員的訓練，可以不在飛機上進行而是依靠一臺虛擬現實設備，使受訓的人全面地感覺到飛行的環(huán)境、情景、跑道、地形和駕駛儀表等等真實情況，他們在計算機模擬的飛機駕駛倉中操作的時候，感覺和真的飛行一樣，這類模擬環(huán)境可以為受訓者提供不同級別和不同難度的訓練，使他們在不接觸真實設備的情況下經歷各種復雜情況，做排除故障的練習，體會各種正確或錯誤操作的后果等等，而且可以反復練習。這些練習往往是無法在真實的環(huán)境第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五中進行的。所有領域的科研、培訓、實驗等都可以采用這種方法。另一個以計算機技術為基礎的應用叫做“科學計算可視化”。它將科學計算及其它各個領域的計算或測量所產生的大規(guī)模數據轉換成計算機圖形、圖像信息，進行靜態(tài)或動態(tài)顯示，以便及時、正確地理解和把握其中的各種現象和結果。對于自然界中復雜的自然現象和發(fā)生的物理過程，對于科學實驗中很多難以實際觀察的現象、或者原本就不具有視覺效果無法觀察的東西，如引力場等，通過計算機第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算、繪制、并用顯示設備將形象的圖形、圖像展現在人的面前，以便更深刻地分析和理解其實質，進而發(fā)現其中所蘊藏的規(guī)律，其重要性和意義是不言而喻的。信息社會的一個重要標志是計算機網絡無所不在。通過網絡將個人、單位、地區(qū)、國家乃至整個世界連成一體。網絡上流通的信息為大眾所共享。任何人只要打開計算機就可以方便地查閱各行各業(yè)的信息，閱讀各種電子書刊，發(fā)布消息、啟事、通知等各種第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五文書，與網上的另外一個人象面對面地談話一樣地互相交換意見、享受網上的各種服務等等。在這樣的信息社會里，世界上任何地區(qū)發(fā)生的任何政治、經濟、生態(tài)事件都會立即產生全球影響，沒有任何獨善其身的樂土。信息社會使遠程觀測、遠程信息反饋、遠程遙控、復雜市場的多方面跟蹤監(jiān)測以及許多災害預警等成為可能。信息社會更重要的標志是生產活動的現代化，目前發(fā)展起來的“并行工程”就是一個具體的體現，“并行工程”就是在計算機網絡中將設計、生產、銷售部門都聯(lián)系在一起，用虛擬現實讓所有的設計、生產、銷

第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五售人員都參加討論和提出意見，然后一次投產、銷售。這就省去了設計、初試、中試、修改設計等一系列中間過程，大大縮短了產品的開發(fā)過程，節(jié)省了大量的人力物力和財力。

總之，以計算機技術為核心的信息技術將從根本上改變人類社會的生產方式和生活方式，對人類的未來產生深遠的影響。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.3微型機的發(fā)展（這里所說的微機是PC機，而不包括單片機、單板機。）微機系統(tǒng)硬件結構的特點是計算機的中央處理器(CentralProcessingUnit，縮寫為CPU，又稱中央處理單元)，由大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路構成，做在一個芯片上。這樣的CPU稱為微處理器(MicroProcessorUnit，縮寫為MPU)。微處理器的出現開辟了計算機的新紀元。由不同規(guī)模構成的微處理器，就形成了微機不同的發(fā)展階段，在20多年里形成了幾代微機。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五第一代，1971年～1972年。Intel公司于1971年利用4位微處理器Intel?4004，組成了世界上第一臺微型機MCS-4。1972年Intel公司又利用Intel8008組成了第一代8位（低檔8位）微處理器。由4位或第一代8位微處理器構成的計算機稱為第一代微型機。第二代，1973年～1977年。這是由第二代8位（中高檔8位）微處理器(代表性的產品有Intel公司的Intel8080和8085，Motorola公司的MC680，