大学计算机基础1

1、大学计算机基础第一章第一章 概论概论第一章 概论主要内容主要内容1.1 1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 1.2 1.2 计算机分类与应用计算机分类与应用1.3 1.3 未来计算机展望未来计算机展望计算机是一种能够按照事先计算机是一种能够按照事先存储存储的程序，的程序，自动、高速自动、高速进行大量进行大量数数值计算值计算和各种和各种信息处理信息处理的现代化的现代化智能电子装置。智能电子装置。什么是计算机什么是计算机?1.1.1 计算机的产生1.1 计算机的产生与发展手指计数、木棍、石块v 算算 盘盘: :几百年前几百年前我国发明手动式计算工具我国发明手动式计算工具v 计算尺计算尺:

2、 :16211621年英国数学家冈特根据对数表设计年英国数学家冈特根据对数表设计16421642年年法国数学家法国数学家帕斯卡发明了加法器，帕斯卡发明了加法器，人类有史以来第一台机械计算机。人类有史以来第一台机械计算机。采用齿轮旋转进位方式执行运算，但是采用齿轮旋转进位方式执行运算，但是只能做加法和减法。只能做加法和减法。18221822年英国数学家巴贝奇发明了差分机年英国数学家巴贝奇发明了差分机18341834年研制出分析机（有年研制出分析机（有3 3个主要部分：个主要部分：保存数据的存储库、运算装置和对操作保存数据的存储库、运算装置和对操作顺序进行控制）顺序进行控制）1.1 计算机的发展过

3、程v机械计算（齿轮传动）机械计算（齿轮传动）16731673年在此基础上，德国数学家莱布尼年在此基础上，德国数学家莱布尼茨设计制造了手摇式计算器。茨设计制造了手摇式计算器。1.1 计算机的发展过程第一台计算机的诞生第一台计算机的诞生（ENIACENIAC） 1946 1946年年2 2月月1414日日（艾尼亚克）艾尼亚克） 美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学电子数字积分计算机电子数字积分计算机:重达重达3030吨吨:占地占地170170m m2 2:耗电耗电150150千瓦千瓦:使用使用1800018000个电子管个电子管:50005000次加减运算次加减运算/ /秒秒v 机电方法制造计算机

4、机电方法制造计算机电子管电子管19581958年年8 8月我国第一台电子管计算机月我国第一台电子管计算机103103诞生诞生缺点：没有存储器，用布线缺点：没有存储器，用布线接板进行控制，计算速度也接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了就被这一工作抵消了 。ENIACENIAC1.1.2 近代电子数字计算机发展简史时代年份器件存储器软件应用运算速度一一 1946194619571957电子管电子管内存内存: :汞延迟线汞延迟线外存外存: :磁鼓磁鼓使用机器语言使用机器语言和汇编语言和汇编语言军事研究军事研究科学计算科学计算几千次几千次/s/s二二1958195819641964晶体管晶体管内

5、存内存: :磁芯磁芯外存外存: :磁盘磁盘, ,磁带磁带使用高级语言使用高级语言数据处理数据处理事务处理事务处理工业控制工业控制几十几十万次万次/s/s三三1965196519711971集成集成电路电路内存内存: :磁芯磁芯, ,半导半导体存储器体存储器外存外存: :磁盘磁盘操作系统、编操作系统、编译程序、网络译程序、网络软件软件开始广开始广泛应用泛应用几十万到几十万到几百万几百万/s/s四四1972 1972 大规模大规模集成集成电路电路内存内存: :半导体存半导体存储器储器外存外存: :磁盘磁盘, ,光盘光盘操作系统完善、操作系统完善、数据库系统、计数据库系统、计算机软件的开发算机软件的

6、开发广泛应用广泛应用于各领域于各领域几百万到几百万到几亿万几亿万/s/s晶体管超大规模集成电路电子管集成电路第五代计算机第五代计算机专家推测，以下三种新的概念将有可能成为第五代计专家推测，以下三种新的概念将有可能成为第五代计算机的候选机。算机的候选机。光计算机：光计算机： 光计算机是利用光子取代电子进行数据运算、存储和传输。光计算机是利用光子取代电子进行数据运算、存储和传输。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的信号，可快速完成在光子计算机中，不同波长的光表示不同的信号，可快速完成复杂的计算，光计算机的目标是充分利用光的特性，设计更高复杂的计算，光计算机的目标是充分利用光的特性，设计更高速、更

7、大容量存储的计算机。与电子计算机相比，光计算机具速、更大容量存储的计算机。与电子计算机相比，光计算机具有超高速的运算速度，强大的并行处理能力，大容量的存储能有超高速的运算速度，强大的并行处理能力，大容量的存储能力，以及很强的抗干扰能力。力，以及很强的抗干扰能力。生物计算机：生物计算机： 生物计算机（也称为生物计算机（也称为DNADNA分子计算机）是计算机科学和分子分子计算机）是计算机科学和分子生物学相结合而发展起来的新兴研究领域。特点是使用以生物生物学相结合而发展起来的新兴研究领域。特点是使用以生物工程技术产生的蛋白分子为主要原材料的生物芯片。这类芯片工程技术产生的蛋白分子为主要原材料的生物芯

8、片。这类芯片不仅具有巨大的存储能力，而且传播数据的方式也不同于以往不仅具有巨大的存储能力，而且传播数据的方式也不同于以往的计算机，具有最快的处理速度。生物计算机还具有较高的智的计算机，具有最快的处理速度。生物计算机还具有较高的智能性，更宜于模拟人脑的机制，能如同人脑那样进行思维、推能性，更宜于模拟人脑的机制，能如同人脑那样进行思维、推理和识别文字，还能理解人的语言，可以应用在各种重要的控理和识别文字，还能理解人的语言，可以应用在各种重要的控制领域。制领域。量子计算机：量子计算机： 量子计算机是一种采用基于量子力学原理的深层次量子计算机是一种采用基于量子力学原理的深层次计算模式进行高速数学和逻辑

9、运算、存储及处理量子信息的计算模式进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机，不仅运算速度快、存储量大，功耗抵，而且体积会计算机，不仅运算速度快、存储量大，功耗抵，而且体积会大大缩小。大大缩小。1.2 计算机的分类与应用1.2.1 1.2.1 计算机的分类计算机的分类按计算机处理数据的方式分类按计算机处理数据的方式分类 （1 1）电子数字计算机）电子数字计算机 以数字量（也称不连续量）作为运算对象进行运算，特以数字量（也称不连续量）作为运算对象进行运算，特点是运算速度快，精确度高，具有记忆和逻辑判断能力。计点是运算速度快，精确度高，具有记忆和逻辑判断能力。计算机的内部操作和运算是在程序

10、控制下自动进行的。一般不算机的内部操作和运算是在程序控制下自动进行的。一般不特别说明，计算机指的是电子数字计算机。特别说明，计算机指的是电子数字计算机。 （2 2）电子模拟计算机）电子模拟计算机 以连续变化的模拟量（如电压、长度、角度来模拟实际以连续变化的模拟量（如电压、长度、角度来模拟实际所需要计算的对象）作为运算量的计算机。主要用于过程控所需要计算的对象）作为运算量的计算机。主要用于过程控制和模拟仿真。制和模拟仿真。 按计算机的运算速度和性能指标分类按计算机的运算速度和性能指标分类巨型机：巨型机：运算速度最快、存储能力最大、处理能力最强。运算速度最快、存储能力最大、处理能力最强。例如：银河

11、、曙光系列。例如：银河、曙光系列。微型机微型机：以小、巧、轻、使用方便、价格便宜、软件丰富、：以小、巧、轻、使用方便、价格便宜、软件丰富、功能齐全等优势而拥有广大的用户。功能齐全等优势而拥有广大的用户。大型机大型机：大型、通用、较快、较强：大型、通用、较快、较强, ,承担服务器功能承担服务器功能. .例如：例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900 IBM-360,IBM-370,IBM-900 等。等。 小型机小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短：规模小，结构简单，设计试制周期短, ,工艺先进、工艺先进、使用维护简单。使用维护简单。如如:IBM:IBM的的AS/400AS/40

12、0。工作站：工作站： 介于介于PCPC与小型机之间与小型机之间, , 高分辨率、大容量内外存，高分辨率、大容量内外存，图形功能较强。图形功能较强。SunSun、HPHP都是著名的工作站厂家。都是著名的工作站厂家。服务器：服务器：网络环境下为多用户提供服务的计算机系统。网络环境下为多用户提供服务的计算机系统。1.2.2 计算机的应用1. 1. 科学计算科学计算天文、地质、核物理天文、地质、核物理2. 2. 数据处理数据处理企业管理、办公自动化、统计企业管理、办公自动化、统计3. 3. 过程控制过程控制冶金、机械、化工、航天冶金、机械、化工、航天4. 4. 计算机辅助系统计算机辅助系统 CAD(C

13、AD(辅助设计）辅助设计）CAMCAM（辅助制造）辅助制造）CAECAE（辅助教育、辅助教育、CAICAI辅助教学、辅助教学、CMICMI计算机管理教学）计算机管理教学）5. 5. 人工智能人工智能 模拟人脑，计算机诊断模拟人脑，计算机诊断6. 6. 计算机模拟计算机模拟 虚拟实验室，工厂，仿真，汽车、虚拟实验室，工厂，仿真，汽车、航天员模拟训练航天员模拟训练7.7.计算机网络计算机网络 在信息时代，人们的工作几乎每天都要面对计算机，借助计在信息时代，人们的工作几乎每天都要面对计算机，借助计算机完成各项工作。计算机网络改变了人们传统的生活工作方式算机完成各项工作。计算机网络改变了人们传统的生活

14、工作方式 信息交流与传播信息交流与传播 电子邮件、聊天、微博、通讯、传媒电子邮件、聊天、微博、通讯、传媒 电子商务电子商务 网上订票、网上购物等网上订票、网上购物等 电子政务电子政务 虚拟政府、网上办公虚拟政府、网上办公 文化教育文化教育 浏览新闻、查阅书刊、接受教育浏览新闻、查阅书刊、接受教育 、网上招生、报名、信息共享、网上招生、报名、信息共享8 8. .娱乐消遣娱乐消遣 欣赏欣赏DVDDVD影碟、音乐影碟、音乐 进行游戏或娱乐进行游戏或娱乐1.3 未来计算机展望 巨型化巨型化 微型化微型化 网络化网络化 智能化智能化v更快的运算速度、更大的存储容量、更强更快的运算速度、更大的存储容量、更

15、强的处理能力以及更高的可靠性。的处理能力以及更高的可靠性。v运算速度可达每秒几百亿次运算的运算速度可达每秒几百亿次运算的应用：天气预报、地震机理研究、卫星应用：天气预报、地震机理研究、卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。图像处理等大量科学计算的高科技领域。v集中体现了计算机科学技术的发展水平。集中体现了计算机科学技术的发展水平。银河亿次巨型计算机银河亿次巨型计算机 1.1.计算机发展趋势计算机发展趋势 计算机的发展趋势 巨型化巨型化 微型化微型化 网络化网络化 智能化智能化v使用方便、体积小，成本低和功能齐使用方便、体积小，成本低和功能齐全方向发展全方向发展v嵌入式技术嵌入式技术v家电、仪

16、器仪表，笔记本电脑，掌上家电、仪器仪表，笔记本电脑，掌上计算机计算机计算机的发展趋势 巨型化巨型化 微型化微型化 网络化网络化 智能化智能化v利用计算机技术与通信技术结合利用计算机技术与通信技术结合, ,把分布在不同地点的计算机互连起把分布在不同地点的计算机互连起来来, ,组成规模强大的计算机网络。组成规模强大的计算机网络。v实现方便、及时、可靠、安全、实现方便、及时、可靠、安全、高效的信息服务高效的信息服务计算机的发展趋势 巨型化巨型化 微型化微型化 网络化网络化 智能化智能化 使计算机具有视觉、听觉、语言、行使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理等能力。为、思维、逻辑推理等能力

17、。v 第一代机器人第一代机器人 机械手（机械手（19621962年出现）年出现）v 第二代机器人第二代机器人 具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人v 第三代机器人第三代机器人 装有启发式计算机的装有启发式计算机的“智智能机器人能机器人”典型案例2.2.计算机新技术领域计算机新技术领域 （1 1）高性能计算）高性能计算(High Performance Computing(High Performance Computing，HPC)HPC) 高性能计算是计算机科学的一个分支，主要是指从体系高性能计算是计算机科学的一个分支，主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的结构、

18、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的技术，通常使用很多处理器或者某一集群中组织的几台计算技术，通常使用很多处理器或者某一集群中组织的几台计算机的计算系统和环境。机的计算系统和环境。 高性能计算是以速度为核心，它包括两方面途径：一是高性能计算是以速度为核心，它包括两方面途径：一是提高单一处理器的计算性能，二是把这些处理器集成，由多提高单一处理器的计算性能，二是把这些处理器集成，由多个个CPUCPU构成一个计算机系统，进行并行计算。构成一个计算机系统，进行并行计算。 目前世界上顶级的高性能计算机有成百上千、甚至上万目前世界上顶级的高性能计算机有成百上千、甚至上万个个CPUCPU，这些处理

19、器协同计算，才能够提供需要的速度。，这些处理器协同计算，才能够提供需要的速度。 1.3 未来计算机展望 （2 2）云计算）云计算 云计算是一种能够将动态伸缩的虚拟化资源通过互联网以服务的云计算是一种能够将动态伸缩的虚拟化资源通过互联网以服务的方式提供给用户的计算模式，用户不需要知道如何管理那些支持云计方式提供给用户的计算模式，用户不需要知道如何管理那些支持云计算的基础设施。提供资源的网络被称为算的基础设施。提供资源的网络被称为“云云”，用户，用户通过网络以按需、通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。易扩展的方式获得所需的资源。 云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的融合和发展，是这云计

20、算是并行计算、分布式计算和网格计算的融合和发展，是这些计算机科学概念的发展和商业实现。用户可以按需计量使用这些资些计算机科学概念的发展和商业实现。用户可以按需计量使用这些资源，从而实现让计算成为一种公用设施来按需而用的梦想。源，从而实现让计算成为一种公用设施来按需而用的梦想。 云计算最基本的概念：通过整合、管理、调配分布在网络各处的云计算最基本的概念：通过整合、管理、调配分布在网络各处的计算机资源，并以统一的界面同时向大量用户提供服务。借助云计算，计算机资源，并以统一的界面同时向大量用户提供服务。借助云计算，网络服务提供者可以在瞬间处理数以万计甚至亿计的信息，实现和超网络服务提供者可以在瞬间处

21、理数以万计甚至亿计的信息，实现和超级计算机同样强大的效能。级计算机同样强大的效能。计算机的新技术领域（3 3）普适计算（）普适计算（Pervasive Computing)Pervasive Computing) 普适计算强调和环境融为一体的计算，指在任何时间、任普适计算强调和环境融为一体的计算，指在任何时间、任何地点都可以计算，也称无处不在的计算。在普适计算的模式何地点都可以计算，也称无处不在的计算。在普适计算的模式下，人们可以在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的下，人们可以在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。获取与处理。 随着计算机网络化、微型化以及嵌入式技术的发展

22、，普适随着计算机网络化、微型化以及嵌入式技术的发展，普适计算正在逐渐成为现实。未来的普适计算将集移动通信技术、计算正在逐渐成为现实。未来的普适计算将集移动通信技术、计算技术和嵌入式技术于一体，通过将普适计算设备嵌入人们计算技术和嵌入式技术于一体，通过将普适计算设备嵌入人们生活的各种环境中，将计算从桌面上解放出来，使用户能以各生活的各种环境中，将计算从桌面上解放出来，使用户能以各种灵活的方式享受计算能力和资源服务。那时候，人们周围到种灵活的方式享受计算能力和资源服务。那时候，人们周围到处都是计算机，这些计算机将依据不同的计算要求而呈现不同处都是计算机，这些计算机将依据不同的计算要求而呈现不同的模

23、样，不同的名称。的模样，不同的名称。计算机的新技术领域（4 4）网格计算）网格计算 网格计算是网格计算是HPCHPC领域的一个分支，网格计算不同于传统领域的一个分支，网格计算不同于传统的的HPCHPC环境。针对复杂科学计算的新型计算模式，利用计算环境。针对复杂科学计算的新型计算模式，利用计算机网络把分散在不同地理位置的计算机组成一个虚拟超级计机网络把分散在不同地理位置的计算机组成一个虚拟超级计算机，每台计算机就是一个算机，每台计算机就是一个“节点节点”，整个计算由成千上万，整个计算由成千上万个节点组成的一张网格。数据处理能力超强，可以充分利用个节点组成的一张网格。数据处理能力超强，可以充分利用

24、网上闲置的处理能力，实现资源与信息共享。网上闲置的处理能力，实现资源与信息共享。 20032003年，耶鲁大学医学院网格计算项目组尝试了利用网年，耶鲁大学医学院网格计算项目组尝试了利用网格计算技术，加速进行抗格计算技术，加速进行抗SARS SARS 病毒药物的筛选。方法是：病毒药物的筛选。方法是：参与这个项目的用户，只需在网络上下载一个软件，启动后参与这个项目的用户，只需在网络上下载一个软件，启动后以后台方式运行，利用计算机的闲置能力工作，自动从网站以后台方式运行，利用计算机的闲置能力工作，自动从网站上获取数据包，运算完成后自动发送回去，不需人工干预。上获取数据包，运算完成后自动发送回去，不需

25、人工干预。计算机的新技术领域（5 5）生物计算）生物计算 生物计算包括两个方面：一是晶体管的密度已经接近所用生物计算包括两个方面：一是晶体管的密度已经接近所用技术的极限，要继续提高计算机性能，就要寻找新的计算机结技术的极限，要继续提高计算机性能，就要寻找新的计算机结构，生物计算机成为一种选择。另一方面，分子生物学的突飞构，生物计算机成为一种选择。另一方面，分子生物学的突飞猛进已经使其成为资料量最大的学科，借助计算机进行分子生猛进已经使其成为资料量最大的学科，借助计算机进行分子生物信息研究，可以通过数量分析的途径获取突破性的成果。物信息研究，可以通过数量分析的途径获取突破性的成果。 2020世纪

26、世纪7070年代，人们发现年代，人们发现DNADNA处在不同的状态下，可以产处在不同的状态下，可以产生有信息和无信息的变化，这个发现引发了人们对生物元件的生有信息和无信息的变化，这个发现引发了人们对生物元件的研究和开发。目前生物传感器的研制已经取得了不少实际成果研究和开发。目前生物传感器的研制已经取得了不少实际成果 生物计算更重要的方面是利用计算机进行基因组研究，运生物计算更重要的方面是利用计算机进行基因组研究，运用大规模高效的理论和数字计算，归纳、整理基因组的信息和用大规模高效的理论和数字计算，归纳、整理基因组的信息和特征，模拟生命体内的信息流过程，进而揭示代谢、发育、分特征，模拟生命体内的

27、信息流过程，进而揭示代谢、发育、分化、进化的规律，探索人类健康和疾病的根源。化、进化的规律，探索人类健康和疾病的根源。计算机的新技术领域（6 6）物联网）物联网 物联网（物联网（The Internet of thingsThe Internet of things）是基于互联网、传统）是基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化化和普适服务智能化3 3个重要特征。个重要特征。 物联网的核

28、心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品延伸和扩展的网络。其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网是通过射频识别、红外感应之间进行信息交换和通信。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。现对物品的智能化识别、

29、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的作用是使物体变得更加智能化，使日常生活中的任何物联网的作用是使物体变得更加智能化，使日常生活中的任何物品都变得有感觉，有思想。在物联网时代，每一件物体均可物品都变得有感觉，有思想。在物联网时代，每一件物体均可寻址，每一件物体均可通信，每一件物体均可控制。寻址，每一件物体均可通信，每一件物体均可控制。 计算机的新技术领域(Information)(Information)是对各种事物变化和特征的反映，是对各种事物变化和特征的反映，是事物间相互作用和联系的表征。是事物间相互作用和联系的表征。 信息经过转化而成为计算机能够处理的数据，同时信息经过转化而成为计

30、算机能够处理的数据，同时也是经过计算机处理后作为问题解答而输出的数据。也是经过计算机处理后作为问题解答而输出的数据。1.3.3 1.3.3 计算机与信息化社会计算机与信息化社会1.信息与数据信息与数据(Data)(Data)是记录下来可以鉴别的符号，是信息的是记录下来可以鉴别的符号，是信息的载体，是对客观实体的一种描述形式，这种描述形载体，是对客观实体的一种描述形式，这种描述形式可以进行通信、翻译转换或加工处理。式可以进行通信、翻译转换或加工处理。 数据有多种表现形式：数字、文字、图形、图数据有多种表现形式：数字、文字、图形、图像、音频和视频等。像、音频和视频等。1.3 未来计算机展望 既有联

31、系，又相互区别。数据既有联系，又相互区别。数据是信息的载体，是信息的具体表现是信息的载体，是信息的具体表现形式，而信息是数据的内涵，是有形式，而信息是数据的内涵，是有用的、经过加工处理的数据。信息用的、经过加工处理的数据。信息有意义，数据则没有。有意义，数据则没有。活动活动数据数据信息信息决策决策示例示例1 1：“20122012年农村居民人均纯收入年农村居民人均纯收入79177917元，比上年增长元，比上年增长13.5%”13.5%”。扣除价格上涨因素，实际增长。扣除价格上涨因素，实际增长10.7%10.7%。经过大量的原经过大量的原始数据资料分析后得出的结论，其表现形式是数据。始数据资料分析后得出的结论，其表现形式是数据。示例示例2 2： “某个病人的体温是某个病人的体温是3939” 。病历卡上记载病人的病历卡上记载病人的体温体温39是数据。数据是数据。数据39本身是没有意义的。当数据以某本身是没有意义的。当数据以某种形式经过处理、描述或与其它数据比较时，才能成为信息。种形式经过处理、描述或与其它数据比较时，才能成为信息。计算机与信息化社会指获取信息、处理信息、存储信息和传指获取信息、处理信息、存储信息和传播信息中所用到的技术。播信息中所用到