计算机原理第一节课ppt课件.ppt

计算机的发展史 无所不在 无所不能的电脑已经经历的了六十几个春夏秋冬 虽然在历史的长河中只是一瞬间 但彻底改变了我们的生活 让我们从计算机的源头说起吧 一 计算机的由来电脑的学名叫电子计算机 人们发明它的初衷是把它当做计算工具 二 计算的由来最早的计算工具诞生在中国 中国古代最早采用的一种计算工具叫筹策 又被叫做算筹 这种算筹多用竹子制成 也有用木头 兽骨充当材料的 约二百七十枚一束 放在布袋里可随身携带 直到今天仍在使用的珠算盘 是中国古代计算工具领域中的另一项发明 明代时的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎相同 三 欧洲人计算的发明欧洲人发明的算筹和中国人不尽相同 他们的 算筹 是根据 格子乘法 的原理制成的 1617年 英国数学家纳皮尔把格子乘法表中可能出现的结果 印刻在一些狭长条的算筹上 利用算筹的摆放来进行乘除或其他运算 纳皮尔算筹在很长一段时间里 是欧洲人主要的计算工具 18世纪末 以发明蒸汽机闻名于世的瓦特 成功地制出了第一把名副其实的计算尺 瓦特原来就是一位仪表匠 他的蒸汽机工厂投产后 需要迅速计算蒸汽机的功率和气缸体积 瓦特设计的计算尺 在尺座上多了一个滑标 用来 存储 计算的中间结果 这种滑标很长时间一直被后人所沿用 帕斯卡的计算机1642年 法国哲学家和数学家帕斯卡 BlaisePascal 发明了世界上第一台加减法计算机 它是利用齿轮传动原理制成的机械式计算机 通过手摇方式操作运算 他称 这种算术机器所进行的工作 比动物的行为更接近人类的思维 这一思想对以后计算机的发展产生了重大的影响 世界上第一台电子计算机 1946年2月14日 在美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机ENIAC 全称是电子数字积分计算机 英文全称为ElectronicNumericalIntegratorAndComputer 这个庞然大物占地面积达170平方米 重达30吨 长30 48米 宽1米 占地面积约63平方米 30个操作台 约相当于10间普通房间的大小 重达30吨 耗电量150千瓦 造价48万美元 它包含了17468真空管 7200水晶二极管 1500中转 70000电阻器 10000电容器 1500继电器 6000多个开关 每秒执行5000次加法或400次乘法 是继电器计算机的1000倍 手工计算的20万倍 承担开发任务的 莫尔小组 由四位科学家和工程师埃克特 莫克利 戈尔斯坦 博克斯组成 总工程师埃克特在当时年仅24岁 研制电子计算机的想法产生于第二次世界大战进行期间 当时激战正酣 各国的武器装备跟现在比差远了 占主要地位的战略武器就是飞机和大炮 哪有什么 飞毛腿 导弹 爱国者 防空导弹 战斧式 巡航导弹 因此研制和开发新型大炮和导弹就显得十分必要和迫切 为此美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了 弹道研究实验室 美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张火力表以便对导弹的研制进行技术鉴定 千万别小瞧了这区区6张火力表 它们所需的工作量大得惊人 事实上每张火力表都要计算几百条弹道 而每条弹道的数学模型你知道是什么吗 一组非常复杂的非线性方程组 这些方程组是没有办法求出准确解的 因此只能用数值方法近似地进行计算 不过即使用数值方法近似求解也不是一件容易的事 按当时的计算工具 实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也大约需要二个多月的时间才能算完一张火力表 在 时间就是胜利 的战争年代 这么慢的速度怎么能行呢 恐怕还没等先进的武器研制出来 败局已定 为了改变这种不利的状况 当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利 JohnMauchly 于1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想 高速电子管计算装置的使用 期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度 美国军方得知这一设想 马上拨款大力支持 成立了一个以莫希利 埃克特 Eckert 为首的研制小组开始研制工作 预算经费为15万美元 这在当时是一笔巨款 要不是为了战争 谁能舍得出这么大的钱 虽说战争万恶 但未始不偶尔促进科技的发展 让研制工作十分幸运的是 当时任弹道研究所顾问 正在参加美国第一颗原子弹研制工作的数学家冯 诺依曼 v nweumann 1903 1957 美籍匈牙利人 带着原子弹研制 1944年 过程中遇到的大量计算问题 在研制过程中期加入了研制小组 原本的ENIAC存在两个问题没有存储器且它用布线接板进行控制 甚至要搭接几天 计算速度也就被这一工作抵消了 1945年 冯 诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上 发表了一个全新的 存储程序通用电子计算机方案 EDVAC ElectronicDiscreteVariableAutomaticCompUter 在此过程中他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献 从而保证了计算机的顺利问世 虽然ENIAC体积庞大 耗电惊人 运算速度不过几千次 现在的超级计算机的速度最快每秒运算达万亿次 但它比当时已有的计算装置要快1000倍 而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算 逻辑运算和存储数据的功能 ENIAC宣告了一个新时代的开始 从此科学计算的大门也被打开了 回顾电脑发展的历史 并以此上诉他的起源 真令人惊叹沧海桑田的巨变 历数电脑史上的英雄人物和跌宕起伏的发明故事 将给后来留下长久的思索和启迪 1 1计算机的特点 1 运算速度快现代计算机每秒钟可运行几百万条指令 数据处理的速度相当快 是其他任何工具无法比拟的 2 计算精度高 计算机均能达到15位有效数字的位数 3 具有记忆能力 计算机的存储器类似于人的大脑 可以 记忆 存储 大量的数据和计算机程序 4 具有逻辑判断能力 具有可靠逻辑判断能力是计算机能实现信息处理自动化的重要原因 能进行逻辑判断 使计算机不仅能对数值数据进行计算 也能对非数值数据进行处理 使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域 如信息检索 图形识别以及各种多媒体应用等 5 高度自动化 利用计算机解决问题时 人们启动计算机输入编制好的程序以后 计算机可以自动执行 一般不需要人直接干预运算 处理和控制过程 1 2计算机的发展 以电子元件为标志来划分计算机发展的四个阶段时间基本元件运行速度第一代计算机1946 1957电子管几千次 几万次 秒第二代计算机1958 1964晶体管几万次 几十万次 秒第三代计算机1965 1971中小规模集成电路几十万次 几百万次 秒第四代计算机1971 至今大规模 超大规模集成电路几百万次 几亿次 秒 电子管 晶体管 集成电路 集成电路 integratedcircuit 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个电路中所需的晶体管 二极管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上 然后封装在一个管壳内 成为具有所需电路功能的微型结构 其中所有元件在结构上已组成一个整体 使电子元件向着微小型化 低功耗 智能化和和高可靠性方面迈进了一大步 它在电路中用字母 IC 表示 集成电路发明者为杰克 基尔比 基于锗的集成电路 和罗伯特 诺伊思 基于硅的集成电路 当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路 超大规模集成电路 超大规模集成电路 指几毫米见方的硅片上集成上万至百万晶体管 线宽在1微米以下的集成电路 由于晶体管与连线一次完成 故制作几个至上百万晶体管的工时和费用是等同的 大量生产时 硬件费用几乎可不计 而取决于设计费用 国际上硅片面积已增至厘米见方 管数达十亿个而线宽为0至1微米 1 3计算机的应用领域 一 科学计算 或数值计算 科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算 在现代科学技术工作中 科学计算问题是大量的和复杂的 利用计算机的高速计算 大存储容量和连续运算的能力 可以实现人工无法解决的各种科学计算问题 例如 建筑设计中为了确定构件尺寸 通过弹性力学导出一系列复杂方程 长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解 而计算机不但能求解这类方程 并且引起弹性理论上的一次突破 出现了有限单元法 1 3计算机的应用领域 二 数据处理 或信息处理 数据处理是指对各种数据进行收集 存储 整理 分类 统计 加工 利用 传播等一系列活动的统称 据统计 80 以上的计算机主要用于数据处理 这类工作量大面宽 决定了计算机应用的主导方向 数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段 它们是 电子数据处理 ElectronicDataProcessing 简称EDP 它是以文件系统为手段 实现一个部门内的单项管理 管理信息系统 ManagementInformationSystem 简称MIS 它是以数据库技术为工具 实现一个部门的全面管理 以提高工作效率 决策支持系统 DecisionSupportSystem 简称DSS 它是以数据库 模型库和方法库为基础 帮助管理决策者提高决策水平 改善运营策略的正确性与有效性 目前 数据处理已广泛地应用于办公自动化 企事业计算机辅助管理与决策 情报检索 图书管理 电影电视动画设计 会计电算化等等各行各业 信息正在形成独立的产业 多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字 也有声情并茂的声音和图像信息 1 3计算机的应用领域 三 过程控制 或实时控制 过程控制是利用计算机及时采集检测数据 按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制 采用计算机进行过程控制 不仅可以大大提高控制的自动化水平 而且可以提高控制的及时性和准确性 从而改善劳动条件 提高产品质量及合格率 因此 计算机过程控制已在机械 冶金 石油 化工 纺织 水电 航天等部门得到广泛的应用 例如 在汽车工业方面 利用计算机控制机床 控制整个装配流水线 不仅可以实现精度要求高 形状复杂的零件加工自动化 而且可以使整个车间或工厂实现自动化 1 3计算机的应用领域 四 计算机辅助设计与辅助教学计算机辅助技术包括CAD CAM和CAI等 计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 简称CAD 计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计 以实现最佳设计效果的一种技术 它已广泛地应用于飞机 汽车 机械 电子 建筑和轻工等领域 例如 在电子计算机的设计过程中 利用CAD技术进行体系结构模拟 逻辑模拟 插件划分 自动布线等 从而大大提高了设计工作的自动化程度 又如 在建筑设计过程中 可以利用CAD技术进行力学计算 结构计算 绘制建筑图纸等 这样不但提高了设计速度 而且可以大大提高设计质量 计算机辅助制造 ComputerAidedManufacturing 简称CAM 计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理 控制和操作的过程 例如 在产品的制造过程中 用计算机控制机器的运行 处理生产过程中所需的数据 控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等 使用CAM技术可以提高产品质量 降低成本 缩短生产周期 提高生产率和改善劳动条件 将CAD和CAM技术集成 实现设计生产自动化 这种技术被称为计算机集成制造系统 CIMS 它的实现将真正做到无人化工厂 或车间 计算机辅助教学 ComputerAidedInstruction 简称CAI 计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学 课件可以用著作工具或高级语言来开发制作 它能引导学生循环渐进地学习 使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识 CAI的主要特色是交互教育 个别指导和因人施教 1 3计算机的应用领域 五 人工智能 或智能模拟 人工智能 ArtificialIntelligence 是计算机模拟人类的智能活动 诸如感知 判断 理解 学习 问题求解和图像识别等 现在人工智能的研究已取得不少成果 有些已开始走向实用阶段 例如 能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统 具有一定思维能力的智能机器人等等 六 网络应用计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络 计算机网络的建立 不仅解决了一个单位 一个地区 一个国家中计算机与计算机之间的通讯 各种软 硬件资源的共享 也大大促进了国际间的文字 图像 视频和声音等各类数据的传输与处理 1 4计算机的分类 计算机的分类 按功能用途 按工作原理 通用计算机专用计算机 数字计算机模拟计算机混合计算机 按性能和规模 巨型计算机大型计算机小型计算机微型计算机单片机 1 5计算机的发展趋势 1 巨型化 指计算机具有极高的运算速度 大容量的存布空间 更加强大和完善的功能 主要用于航空航天 军事 气象 人工智能 生物工程等学科领域 2 微型化 大规模及超大规模集成电路发展的必然 从第 块微处理器芯片问世以来 发展速度与日俱增 计算机芯片的集成度每18个月翻一番 而价格则减一半 这就是信息技术发展功能与价格比的摩尔定律 计算机芯片集成度越来越高 所完成的功能越来越强 使计算机微型化的进程和普及率越来越快 3 网络化 计算机技术和通信技术紧密结合的产物 尤其进入20世纪90年代以来 随Inter的飞速发展 计算机网络已广泛应用于政府 学校 企业 科研 家庭等领域 越来越多的人接触并了解到计算机网络的概念 计算机网络将不同地理位置上具有独立功能的不同计算机通过通信设备和传输介质互连起来 在通信软件的支持下 实现网络中的计算机之间共享资源 交换信息 协同工作 引算机网络的发展水平已成为衡量国家现代化程度的重要指标 在社会经济发展中发挥着极其重要的作用 4 智能化 让计算机能够模拟人类的智力活动 如学习 感知 理解 判断 推理等能力 具备理解自然语言 声音 文字和图像的能力 具有说话的能力