[理学]大学计算机教程-第1章_绪论.ppt

2019/4/14,第1章 绪论,1,大学计算机教程,第1章 绪论,2019/4/14,第1章 绪论,2,1.1 计算机的产生和发展,1.2 计算机的分类,1.3 计算机的应用,第1章 绪论,1.4 计算机未来的发展方向,2019/4/14,第1章 绪论,3,1946年2月，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为“电子数值积分器和计算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，简称埃尼亚克（ENIAC）。 这台计算机占地167m2 ，重达30余吨，运算速度只有5000次/秒。从1946年2月开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，服役9年多。虽然它每秒只能进行5000次加减运算，但它预示了科学家将从繁重的计算中解脱出来。至今人们公认，ENIAC机的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。,1.1.1 电子计算机的问世,2019/4/14,第1章 绪论,4,1.1.1 电子计算机的问世,埃尼亚克计算机,2019/4/14,第1章 绪论,5,1.1.1 电子计算机的问世,ENIAC机本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了。在ENIAC尚未投入运行前，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学家 冯诺依曼就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。在短短10个月里，冯诺依曼迅速把概念变成了方案。他和他的同事研制了人类第二台计算机，新机器方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写EDVAC。,2019/4/14,第1章 绪论,6,计算机之父的美籍匈牙利数学家 冯诺依曼,1.1.1 电子计算机的问世,2019/4/14,第1章 绪论,7,1.1.1 电子计算机的问世,1945年6月，冯诺依曼与戈德斯坦等人，联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“101页报告”。 在EDVAC报告中， 冯诺依曼明确规定出计算机的五大部件： 运算器CA、 逻辑控制器CC、 存储器M、输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。 这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。,2019/4/14,第1章 绪论,8,1.1.1 电子计算机的问世,与ENIAC相比，EDVAC的改进首先在于冯诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。,2019/4/14,第1章 绪论,9,1.1.1 电子计算机的问世,自冯诺依曼设计的EDVAC计算机始， 直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的“传人”，大大小小千千万万台计算机，都没能够跳出“诺依曼机”的掌心。冯诺依曼为现代计算机的发展指明了方向，从这个意义上讲，他是当之无愧的“电子计算机之父”。当然，随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但冯诺依曼对于发展电脑做出的巨大功绩，永远也不会因此而泯灭其光辉。,2019/4/14,第1章 绪论,10,1.1.2 计算机的发展,第一代计算机电子管计算机 （1946年1957年） 第一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，第一代计算机每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。这个时期计算机的特点是：体积庞大，运算速度慢，可靠性差，耗电量大且维修困难。第一代计算机主要用于军事和科学研究工作。,2019/4/14,第1章 绪论,11,1.1.2 计算机的发展,第二代计算机晶体管计算机 （1958年1964年） 第二代计算机的基本特征是其逻辑元件逐步由电子管改为半导体晶体管，内存所使用的器件大多使用磁芯存储器。运算速度可达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。与此同时，计算机软件也有了较大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级编程语言。相对于第一代计算机而言，第二代计算机的特点是：体积减少，重量减轻，耗电量减少，运算速度加快，可靠性增强。第二代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理。,2019/4/14,第1章 绪论,12,1.1.2 计算机的发展,第三代计算机中、小规模集成电路计算机（1965年1970年） 随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几mm2的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代计算机的基本特征是其逻辑元件采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）。第三代计算机的运算速度可达每秒几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件越来越完善。其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算速度、可靠性等进一步增加。这一时期，计算机开始广泛应用在社会的各个领域。,2019/4/14,第1章 绪论,13,1.1.2 计算机的发展,第四代计算机大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今） 进入20世纪70年代以来，计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。目前，计算机的速度最高可以达到每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已经成为现代工业的一部分。,2019/4/14,第1章 绪论,14,1.2 计算机的分类,第1章 绪论,2019/4/14,第1章 绪论,15,1.2.1 计算机的特点,1运算速度快 由于计算机是由高速电子器件构成，加之能自动连续工作，因而具有很高的运算速度。现代巨型计算机的速度已达每秒万亿次，其一秒钟完成的计算量，相当于一个人用手工计算几十年的工作量。计算机的快速运算为人们赢得了时间。,2019/4/14,第1章 绪论,16,1.2.1 计算机的特点,2计算精度高 计算机内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越多，精度也就越高，因此计算精度可用增加位数（字长）来获得；另外还可通过算法来提高精度。,2019/4/14,第1章 绪论,17,1.2.1 计算机的特点,3具有很强的“记忆”和逻辑判断能力 计算机的存储器使计算机具有“记忆”的功能，它能够存储大量信息。计算机除了能进行算术运算外，还能进行逻辑运算，做出逻辑判断，并根据判断的结果自动选择以后应执行什么操作。,2019/4/14,第1章 绪论,18,1.2.1 计算机的特点,4程序控制下自动操作 计算机与以前所有计算工具的本质区别在于它能够摆脱人的干预，自动、连续地进行各种操作。计算机从正式操作开始，到输出结果，整个过程都是在程序控制下自动进行的。,2019/4/14,第1章 绪论,19,1.2.1 计算机的特点,5存储容量大 目前的计算机配备了大容量的内存和外存，如目前标准配置的微型机内存容量已达12G；硬盘容量已达几百G。,2019/4/14,第1章 绪论,20,1.2.2 计算机的分类,电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。,数字计算机与模拟计算机的主要区别,2019/4/14,第1章 绪论,21,1.2.2 计算机的分类,数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性很差。 通用机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。,2019/4/14,第1章 绪论,22,1.2.2 计算机的分类,通用计算机又分巨型机、微型机、工作站、服务器、单片机等。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。 巨型计算机现在又称为高性能计算机。高性能计算机的运算速度在每秒一万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。其数量虽然不多，但却有重要和特殊的用途。在军事上，可用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统等；在民用方面，可用于大区域中长期天气预报、大面积物探信息处理、大型科学计算和模拟等。,2019/4/14,第1章 绪论,23,1.2.2 计算机的分类,微型计算机又称为个人计算机（Personal Computer，PC） 自IBM公司于1981年采用Intel微处理器推出IBM PC以来，微型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点，在过去的20多年里得到迅速发展，成为计算机的主流。今天，微型机的应用已经遍及社会的各个领域，从工厂生产控制到政府办公自动化，从商店的数据处理到家庭的信息管理，几乎无所不在。微型机的种类很多，主要分为3类：台式机、笔记本和个人数字助理PDA。,2019/4/14,第1章 绪论,24,1.2.2 计算机的分类,工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微机系统。自1980年美国Appolo公司推出世界上第一个工作站DN-100以来，工作站迅速发展，成为专长处理某类特殊事务的一种独立的计算机类型。工作站通常配备有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内、外存储器，具有较强的数据、图形处理能力。,2019/4/14,第1章 绪论,25,1.2.2 计算机的分类,服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统。从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当服务器，关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。服务器的管理和服务有：文件、数据库、图形、图像以及打印、通信、安全、保密和系统管理、网络管理等服务。根据所提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。,2019/4/14,第1章 绪论,26,1.3 计算机的应用,数值计算 数值计算是计算机的一个传统应用领域，也是应用最早、最重要的一个应用领域。发明计算机的最基本目的就是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的计算，目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。,2019/4/14,第1章 绪论,27,1.3 计算机的应用,2. 信息处理 信息处理是指计算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种管理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件管理。,2019/4/14,第1章 绪论,28,1.3 计算机的应用,3. 过程控制 生产过程的自动控制，是计算机应用中的另一广泛领域，即由计算机进行数据搜索、采集，实现自动检测、自动调节和自动控制，其特点是精度高、速度快、反应灵敏。典型的应用领域有：生产过程控制、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等。,2019/4/14,第1章 绪论,29,1.3 计算机的应用,4. 计算机辅助系统 计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造等。 计算机辅助设计CAD（Computer-Aided Design）是利用计算机帮助各类设计人员进行设计的技术。 计算机辅助教育CBE（Computer-Based Education）包括计算机辅助教学CAI，计算机辅助测试CAT，计算机管理教学CMI。 计算机辅助制造CAM（Computer-Aided Manufacturing）是利用计算机控制生产过程，即用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。,2019/4/14,第1章 绪论,30,1.3 计算机的应用,5. 计算机通讯与网络 计算机通过网络互连，可以实现计算机之间的硬件、软件资源共享，促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理。随着互联网的发展，计算机通信的应用已达到前所未有的境界。其中电子商务是指在Int