第章认识计算机ppt课件.ppt

任课教师简介 硕士副教授手机 Email qjncxj 进度 学生计算机基础调查 聊天 玩游戏文字编辑 PPT等上网 查找学习资料组装过个人计算机写过程序通过国家计算机一级考试通过信息处理技术员考试非常喜欢计算机专业为了将来好就业 给自己加压 学生计算机基础调查 既然选择了 就做到最好 热爱计算机专业 树立目标 合理规划 不虚度大学时光 课程性质 课程性质 综述性 导引型课程粗线条介绍 作用 旅游出发前浏览地图 学习知识的四个层次 了解 理解 掌握 应用 不要求弄懂技术细节 后续课程会学习 教学目标 学完本课程 学生可以 知其然 但不知其所以然 学生应该了解计算机学科的各个主题并充满了兴趣和好奇 同时又产生了太多的不理解和疑问 非常渴望探索其中的科学道理 教材及教学网站 主教材胡明 王红梅编著 计算机学科概论 第2版 国家级精品课配套教材 清华大学出版社 2011年 定价 25元 王隆娟著 大学计算机及信息处理技术基础教程实验指导与测试 高等教育出版社 电子书 参考教材1 赵致琢编著 计算机科学导论 科学出版社2 黄国兴编著 计算机导论 清华大学出版社3 张欣译 计算机科学概论 机械工业出版社课程网站校内资源 课程内容 关于计算机操作独立开设实验课 授课方式与成绩评定 平时成绩 15 包括理论作业 课堂考勤 提问等 期中考试 10 随堂测验 第12 13周进行 实验 15 8个左右的实验 小组长检查评价 期末考试 60 闭卷考试 澄清一个认识 用户与专业人员的区别 启示 计算机应用技术 应用计算机技术对于从事计算机系统的研究 发展 设计和制造的专业人员来说 不仅要懂得计算机系统的原理 还要懂得计算的原理 什么是计算机系统 什么是计算 计算机学科概论 这门课是学习的开端今后的课程将从不同的角度回答这两个问题两年后 同学们应当自己回答这两个问题 计算机是什么 计算机全称是通用电子数字计算机 在学术性较强的文献中通常称为计算机 在科普性读物中通常称为电脑 通用是指计算机可服务于多种用途 电子是指计算机是一种电子设备 数字是指在计算机内部一切信息均用0和1的编码来表示 第1部分认识篇 第1章认识计算机 本章讨论的主要问题是 1 计算机是计算工具吗 计算机出现之前人类用什么作为计算工具 2 计算机从诞生到现在经历了怎样的发展变化 未来的计算机可能是什么样的 3 我们大多数人接触过微型计算机 常识告诉我们微型计算机只是计算机家族的一员 还有哪些种类的计算机 4 计算机内部是什么样的 计算机是如何进行工作的 从文字处理到卫星导航 计算机神通广大的原因是什么 5 计算机系统是极其复杂的 如此复杂的系统是怎么设计出来的 如何认识 学习计算机系统 第1章认识计算机 人与其他动物的根本区别是 制造工具 使用工具 情景问题 无处不在的计算机 画图娱乐模拟世界上的事物制作影视特技帮助人进行决策帮助人进行设计帮助人制定计划 科学计算处理文字制作图案数据管理控制其他机器游戏发送消息识别语音 计算工具 信息处理机 中国古书中记载 上古结绳而治 拉丁文中 Calculus 的原意是用于计算的小石子 计算工具 手指 采用十进制 绳子 石子的用途 延长手指的计算能力和存储能力 远古时代 古巴比伦人采用60进制 玛雅人采用20进制 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 算筹 第一个人造计算工具 我国古代劳动人民最先创造和使用了这种简单的计算工具 南北朝时期 祖冲之用算筹作为计算工具将圆周率精确到3 1415926和3 1415927之间 春秋时期 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 个位用纵式 十位用横式 百位用纵式 千位用横式 以此类推 遇零则置空 示例 计算206 15 阿拉伯数字是由古印度人民发明的 12世纪由阿拉伯人传入欧洲 人类为什么要发明计算工具 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 算盘 计算工具发展史上第一次重大改革 我国古代劳动人民创造的 在英语中 算盘有两种拼法 abacus和Suan Pan 算盘由算筹演变而来 并且和算筹并存竞争了一个时期 终于在元代后期取代了算筹 元代后期 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 Napier算筹 英国人发明 用加法操作来实现乘法操作 1617年 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 示例 计算25 8 从Napier算筹可以得到什么启示 将复杂运算转换为简单运算 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 数学原理 根据对数原理 在两个圆盘的边缘标注对数刻度 然后让它们相对转动 基于对数原理用加减法来实现乘除运算 18世纪末 瓦特在尺座上添置了一个滑标 1621年 对数计算尺 英国人发明 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 手动式计算工具 手动式计算工具 小结 1 1计算机的史前史 1 1 1手动计算工具 机械式计算工具 机械 利用力学原理组成的各种装置 如杠杆 滑轮以及枪炮等 新华字典 滑轮 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 帕斯卡加法器 法国人发明 背景 钟表技术 齿轮技术 帕斯卡加法器由齿轮组成 以发条为动力 通过转动齿轮来实现加减运算 用连杆实现进位 1642年 启示 可以用机械工具来模拟人的思维活动 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 莱布尼茨四则运算器 德国人发明 工作原理同帕斯卡加法器 能进行四则运算 乘法运算采用进位 加 后来演化为二进制 被现代计算机采用 1673年 机械的含义 需要手动上发条 然后就可以机械地实现计算 手动机械 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 1673年 手动上发条相当于现代计算机的什么操作 输入操作 如果找不到输入信息的机械方法 那么就不是真正意义上的机械式计算工具 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 莱布尼茨四则运算器 德国人发明 工作原理同帕斯卡加法器 能进行四则运算 乘法运算采用进位 加 后来演化为二进制 被现代计算机采用 穿孔卡片 法国人发明 JosephJacquard 雅各 发明了可编程织布机 通过读取穿孔卡片上的编码信息来自动控制织布机的编织图案 1804年 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 穿孔卡片 本质上是一种输入设备 20世纪70年代还在普遍使用 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 1822年 差分机 英国人 巴贝奇 发明 背景 英国工业革命 航海和天文计算 差分机原理 任何连续函数都可以用多项式严格地逼近 例如 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 1822年 差分机 英国人 巴贝奇 发明 背景 英国工业革命 航海和天文计算 采用寄存器 齿轮式装置 来存储数据使计算工具从手动机械跃入自动机械 难点和关键是什么 不仅输入信息需要机械化 而且操作信息也要机械化 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 分析机 英国人 巴贝奇 发明 背景 瓦特发明了蒸气机 以齿轮为元件 以蒸汽为动力 虽然没有实现 但意义重大 采用了具有现代意义的装置 1 存储装置 2 运算装置 3 控制装置 4 输入和输出装置 1832年 1 1计算机的史前史 1 1 2机械式计算工具 机械式计算工具 机电 机械和电子设备的总称 新华字典 1 1计算机的史前史 1 1 3机电式计算机 机电式计算机 制表机 美国人发明 背景 机电技术 美国人口普查 参与了美国1890年的人口普查工作 第一台可以自动进行加减乘除运算 累计存档 制作报表的机电式计算工具 输入 输出 存储均用穿孔卡片 人类历史上第一次利用计算工具进行大规模数据的自动处理 1886年 机电式计算机 1 1计算机的史前史 1 1 3机电式计算机 Z 1计算机 德国人朱斯 zuse 发明 先后研制出Z 2 Z 3 Z 4 第一台采用二进制和继电器的通用程序计算机 二进制 浮点记数法 带存储地址的指令等思想已经有人提出 但朱斯第一次将这些思想具体实现 1938年 启示 站在巨人的肩膀上 怎么才能站上去呢 多读书 读好书 1 1计算机的史前史 1 1 3机电式计算机 机电式计算机 1941年 朱斯向德国政府申请基金用来建造计算机 用于破译敌人的密码 德国政府没有批准 与此同时 英国政府秘密组建一个由科学家和工程师组成的绝密小组 1943年 图灵等人研制成功Colossus 巨人计算机 使得英国军方能够窃取并破译德国的军事情报 1943年 1 1计算机的史前史 1 1 3机电式计算机 机电式计算机 MARK I 美国人发明 1944年研制成功 哈佛大学数学教授霍华德 艾肯在读过巴贝奇和爱达的笔记后 被巴贝奇的远见卓识所震惊 提出用机电的方法 而不是纯机械的方法来实现分析机 1936年 1 1计算机的史前史 1 1 3机电式计算机 机电式计算机 ABC计算机 美国人约翰 阿塔纳索夫和他的研究生发明因经费限制 只研究一个包含30个未知数的线性代数议程组的样机 第一次提出采用电子技术来提高计算机的运算速度 1939年 1 1计算机的史前史 1 1 4电子计算机 电子计算机 莫克利 埃克特 1943年 ENIAC 美国人发明 全称 ElectronicNumericalIntegratorComputer 电子数字积分计算机背景 军械部为计算弹道和射击表启动的计划 宾夕法尼亚大学 1 1计算机的史前史 1 1 4电子计算机 电子计算机 1946年 ENIAC 美国人发明 背景 军械部为计算弹道和射击表启动的计划 宾夕法尼亚大学 1946年宣告竣工 使用18000个电子管 占地167平方米 重达30吨 每秒5000次加法 300次乘法 第一台真正运转的电子计算机 开启了电子计算机的序幕 1 1计算机的史前史 1 1 4电子计算机 电子计算机 计算机的史前史 时间表 标志 1946年ENIAC 电子元件 电子管 重大事件 1 1951年问世的UNIVAC准确预测了1952年美国大选艾森豪威尔获胜 开创了电子计算机专门用来进行数据处理的先河 2 1952年IBM生产第一批商业化计算机IBM701 用户 政府和银行 所需环境 可控制温度的机房 第一代计算机 1946 1958 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 UNIVAC UniversalAutomaticComputer通用自动计算机 IBM701 信息产业的开始 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 标志 1959年菲尔克公司研制成功晶体管计算机 电子元件 晶体管 1948年美国贝尔实验室发明 典型的计算机 IBM7094 CDC1640等 用户 科学研究 商业和工程领域 第二代计算机 1959 1964 IBM InternationalBusinessMachines 国际商业机器公司CDC ControlDataCorporation 控制数据公司 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 标志 IBM360系列计算机 特征 集成电路 集成电路 将大量的晶体管和电子线路集成在一块硅片上 因此也成芯片 用户 政府机构 中小企业等 重大事件 小型计算机 1965年DEC公司推出PDP 8 第三代计算机 1965 1970 DEC DigitalEquipmentCorporation 数字设备公司 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 标志 Intel公司研制的微处理器Intel4004 微处理器 将运算器和控制器集成在一块芯片上 称为中央处理单元 CentralProcessingUnit CPU 特征 大规模和超大规模集成电路 重大事件 微型计算机 计算机网络 并行计算机 用户 各行各业 男女老少 第四代计算机 1971 至今 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 重大事件1 微型计算机 70年代诞生第一台 Apple公司 80年代初提出开放的标准结构 IBMPC及兼容机 80年代中期DOS的出现 Microsoft 硬件技术的飞速发展 IntelCPU 90年代中期Windows的广泛使用 Microsoft 90年代末多媒体技术和互联网的推动 微机无所不在 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 重大事件2 计算机网络 分时计算 信息和数据保存在中央主机 大型计算机 中 用户通过终端访问主机的信息和资源 桌面计算 由于计算机日趋普及 单个用户可直接使用PC机的计算能力和存储数据 程序的能力 网络计算 通过因特网和万维网的环球链接 用户无论在何时何地都可以进行信息交换 普适计算 未来 人们对计算和通信能力的获取随手可得 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 重大事件3 并行计算机 20世界80年代末 出现了并行计算机 并行计算机含有多个处理器 相应地 只有一个处理器的计算机称为串行计算机 1 2计算机的历史和未来 1 2 1计算机发展简史 将来我们会觉得今天最好的计算机很原始 就像我们今天看60年前的ENIAC一样 预测未来10 20年计算机的发展趋势 最好的办法就是观察目前实验室里的研究成果 虽然我们无法确定预测未来的结果是否正确 但是有一点是确定的 那就是创造未来完全靠我们自己 1 2计算机的历史和未来 1 2 2计算机的发展趋势 超级计算机 超级计算机的研制是各国在高技术领域竞争的热点 国际TOP500组织2011年20日公布全球超级计算机500强 日本超级计算机 京 以每秒8612万亿次的运算速度夺得第一 中国的 天河一号 以每秒2566万亿次的运算速度退居次席 应用驱动 航天工程 基因工程 石油勘探等 微型计算机 计算机的微型化能更好地促进计算机的广泛应用 微型计算机正逐步由办公设备变为电子消费品 一个例子 手机会不会代替微型计算机 应用驱动 价格 便携 上网等 1 2计算机的历史和未来 1 2 2计算机的发展趋势 智能计算机 必然趋势 手动 机械化 自动化 智能化 计算机哪些方面不如人类 模式识别 联想 推理等 一个例子 计算机能具有感情吗 能理解人类吗 应用驱动 人和计算机无障碍交流 例如写程序 普适计算机 施乐PARC马克 韦泽这样解释普适计算 最深刻的技术是那些已经消失的技术 这些技术存在于我们的日常生活中 直到它们已经不再出众 计算机技术将融入到各种工具中并完成其功能 一个例子 不停电时你感觉到电是多么重要吗 1 2计算机的历史和未来 1 2 2计算机的发展趋势 新型计算机 背景 集成电路的发展正在 已经 接近理论极限 新型计算机可能会突破现有计算机的体系结构 生物计算机 光计算机 量子计算机 网格计算 物联网 互联网和万维网之后是什么 互联网实现了计算机硬件的连通 万维网实现了网页的连通 而网格试图实现互联网上所有资源的连通 将来所有的家用电器和设备都连接在网络上 想象 生物计算机的原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子 并以此作为生物芯片 运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍 能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一 存储信息的空间仅占百亿亿分之一 1 2计算机的历史和未来 1 2 2计算机的发展趋势 第一代计算机 1946年1958年1964年1970年 ENIAC IBM7094 IBM360 Intel4004 第二代计算机 第三代计算机 第四代计算机 超级计算机微型计算机智能计算机普适计算机新型计算机 由于计算机仍然在使用电路板 仍然在使用微处理器 仍然没有突破冯 诺依曼体系结构 所以 我们还不能为这一代计算机画上休止符 计算机的历史和未来 时间表 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 1 输入设备 用于将程序 指令的集合 告诉计算机做什么以及怎么做的工作步骤 和数据从外界输入计算机 存储器 供计算机处理 主要任务是数字化 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 2 存储器 是计算机的记忆装置 用于存放程序和数据 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 3 运算器 是计算机对数据进行加工处理的部件 完成加 减 乘 除等基本算术运算和与 或 非等基本逻辑运算 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 4 控制器 用于控制计算机各部件协调工作 控制器从存储器中取出指令 告诉计算机做什么以及怎么做 并根据指令向有关部件发出控制命令 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 5 输出设备 用于将计算机的处理结果转换成外界能够识别的文字 电压等信息并输出 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 输入 接收由输入设备 如键盘 鼠标等 提供的数据 处理 对数值 逻辑字符等各种类型的数据进行操作 按指定的方式进行转换和加工 输出 将处理所产生的结果等送到相关输出设备 如显示器 打印机 绘图仪等 存储 可以存储程序和数据 计算机 是能够按照事先存储的程序 自动 高速地对数据进行输入 处理 输出和存储的系统 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 计算机 是能够按照事先存储的程序 自动 高速地对数据进行输入 处理 输出和存储的系统 计算机 数据处理机 数据 结果 整数 实数 文字 声音 图形 图像等 甚至包括电压 表情等 整数 实数 文字 声音 图形 图像等 甚至包括各种控制动作 1 3什么是计算机 1 3 1冯 诺伊曼体系结构 冯 诺依曼体系结构的主要特征 存储程序 存储程序 事先编制好程序并将程序 指令的集合 和数据存入计算机的存储器中 计算机在运行时就能自动 连续地从存储器中逐条取出指令并执行 因此 计算机的工作过程就是运行程序的过程 也就是执行指令的过程 指令 指示计算机执行特定操作 告诉计算机做什么以及如何做 的命令 一条指令是计算机硬件可以执行的一步操作 1 3什么是计算机 1 3 2计算机的工作原理 1 取指令 读取 控制器从存储器中取出一条指令 2 分析指令 译码 控制器分析所取指令的操作码 确定执行什么操作 3 执行指令 执行 控制器根据所取指令的含义 发出相应的操作命令 控制运算器进行指定的运算 读取 译码 执行 指令执行周期 称为机器周期 1 3什么是计算机 1 3 2计算机的工作原理 第1章认识计算机 1 3什么是计算机 1 3 3计算机的分类和特点 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 专用服务器 专用工作站 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 瘦客户机 网络终端 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 便携的概念 便于携带 可快速外连 第1章认识计算机 计算机的分类 巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机 第1章认识计算机 计算机的分类 专用计算机 用途较为单一 专用性能较高 一般成本也较高 第1章认识计算机 计算机的分类 运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化 在很多场合 运算速度起决定作用 例如 计算机导航 要求 运算速度比飞机飞的还快 第1章认识计算机 计算机的特点 历史上有个著名的数学家契依列 曾经为了更精确地计算圆周率 整整花了15年时间才算出707位 计算机在几个小时就可计算到10万位 运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化 第1章认识计算机 计算机的特点 运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化 可以将一座大型图书馆的几百万册图书信息存入计算机 并采用计算机自动检索系统 随时随地向读者提供服务 其存储容量之大就可想而知了 第1章认识计算机 计算机的特点 运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化 第1章认识计算机 计算机的特点 第1章认识计算机 1 4什么是计算机系统1 4 1系统科学与分层方法 1 4 1系统科学与分层方法 系统科学 系统科学方法是指用系统的观点来认识和处理问题的各种方法的总称 起源于数学 物理学和天文学的研究 诞生于20世纪40年代 系统是由相互联系 相互作用的若干元素构成的 具有特定功能的统一整体 通常将系统划分为一系列较小的系统 称为子系统 划分子系统的目的是为了更好地理解和实现整个系统 因此要充分考虑到各子系统的功能要求 准确地对各子系统进行描述并实现整体优化设计 图1 27划分子系统的基本原则 1 4 1系统科学与分层方法 分层方法 分层方法是划分系统的一个重要方法 分层方法 将系统表示为各级子系统的层次结构形式 在每个层次上定义相对独立的概念和方法 并给出相邻层之间的关系 接口或协议 1 4 2计算机系统的分层结构 计算机系统由计算机硬件和计算机软件构成 计算机硬件 构成计算机系统的所有物理器件 集成电路 电路板以及其他电子元件等 部件和设备 控制器 运算器 存储器 输入 输出设备等 的集合 计算机软件 用程序设计语言编写的程序 以及运行程序所需的文档 数据的集合 计算机诞生之日起 人们探索的重点不仅在于建造运算速度更快 处理能力更强的计算机 而且在于开发能让人们更有效地使用这种计算设备的各种软件 1 4 2计算机系统的分层结构 重点 让计算机能够良好地运转起来 重点 解决真实世界的问题 第1章认识计算机 1 4 2计算机系统的分层结构 物理层反映了在计算机上表示信息的方式 换言之 如何表示数值 字符 文字 声音 图形和图像等信息 如何使门和电路控制电流实现数据的存储和运算 二进制数字世界 信息 数据 指令 的编码 电子元件 门 逻辑电路 集成电路 机器层反映了构成计算机硬件的主要部件 部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式 二进制数字世界 信息 数据 指令 的编码 电子元件 门 逻辑电路 集成电路 计算机部件 存储器 CPU 输入 输出设备 第1章认识计算机 1 4 2计算机系统的分层结构 系统软件用于扩展计算机的硬件功能 维护整个计算机系统 为应用开发人员提供平台支持 计算机硬件 硬件 软件 工具软