计算机导论课件第1章

1、 内容提要1.1 计算机的发展与展望1.2 计算机的特点、分类及其应用 内容提要1.1 计算机的发展与展望1.2 计算机的特点、分类及其应用计算工具的源头可以上溯至2000多年前的春秋战国时代，古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具。随着计算技术的发展，在求解一些更复杂的数学问题时，算筹显得越来越不方便了。大约六、七百年前，中国人发明了算盘，它结合了十进制计数法和一整套计算口诀并一直沿用至今，被许多人看作是最早的数字计算机，而珠算口诀则是最早的体系化算法。 计算的溯源算筹算盘1642年，法国数学家、物理学家和思想家帕斯卡发明加法机，这是人类历史上第一台机械式计算机，其原理对后来的计算机械产

2、生了持久的影响。帕斯卡从加法机的成功中得出结论：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维活动。帕斯卡及其加法机 1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。莱布尼兹及其乘法机 1822年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专门用于航海和天文计算。这是最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。 1834年，巴贝奇完成了一项新的设计，这种新设计的计算机有专门控制运算程序的机构，而机器的其余部分可以进行各种具

3、体的数字运算。分析机采用了三个具有现代意义的装置：保存数据的寄存器（齿轮式装置）；从寄存器取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。查尔斯巴贝奇 1822年差分机 1834年分析机 1888年，美国人赫尔曼霍勒斯发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。制表机采用电气控制技术取代纯机械装置，这是计算机发展中的第一次质变。以穿孔卡片记录数据，体现了现代软件的思想萌芽。赫尔曼及其制表机 1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生

4、发现的“爱迪生效应”。弗莱明及其二极管 1906年，美国人德弗雷斯特发明了电子三极管。三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。 德弗雷斯及其三极管 1943年，英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军密码。“巨人”算不上真正的数字电子计算机，但在继电器计算机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。巨人计算机1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，研制成功机电式计算机MARK-I。这是世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了

5、齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800公里电线，每分钟进行200次运算。艾肯及MARK-I1946年，在美国宾夕法尼亚大学，由John Mauchly和J.P.Eckert 领导的研制小组为精确测算炮弹的弹道特性而制成了ENIAC 计算机，这是世界上第一台真正能自动运行的电子数字计算机。它使用了18800只电子管，1500 多个继电器，耗电150KW,占地面积150m2,重量达30t,每秒钟能完成5000次加法运算。尽管存在着许多缺点，但是它为电子计算机的发展奠定了技术基础。它的问世，标志着电子计算机时

6、代的到来。计算机的诞生 自从第一台电子计算机诞生以来，至今不过短短的40多年时间。然而，它发展之迅速，普及之广，对整个社会和科学技术影响之深远，远非其它任何学科所能比拟。时至今日，计算机已经成为人们生产劳动和日常生活中必备的重要工具。计算机的发展阶段 从生产计算机的主要技术来看，计算机的发展过程可以划分为四个阶段：1第一代电子计算机（1946年1957年） 第一代电子计算机的主要特点是采用电子管（又称为真空管）作为主要器件。这一代计算机体积大、价格高、耗能也大，且可靠性较差。其运算速度每秒只有数千次至几万次。在软件方面，确定了程序设计的概念，并由代码程序发展到了符号程序。它的主要应用领域局限于

7、科学计算。电子管时代2第二代电子计算机（1958年1964年） 第二代电子计算机的主要特点是用晶体管元件代替了电子管器件。这使得计算机的体积缩小、功耗降低、速度加快、寿命延长，提高了计算机的运算速度和可靠性。运算速度一般为每秒数十万次至数百万次。而且价格不断下降。在软件技术方面，出现了算法语言并提出了操作系统的概念，数据可以存储在脱离计算机的磁盘或磁带上，从而大大提高了计算机的使用效率。因此，计算机的应用领域从科学计算扩展到了数据处理，并逐渐用于过程控制。 晶体管时代3第三代电子计算机（1965年1970年） 第三代电子计算机的主要特点是普遍采用了集成电路。在这一时期，计算机技术得到了持续发展

8、，计算机的体积更小，寿命更长，功耗、价格进一步降低，速度和可靠性也相应提高。运算速度已达到每秒几十万次至几百万次。在此阶段出现了向大型化和小型化两极发展的趋势，同时，系统软件和应用软件有了很大发展，出现了结构化、模块化的程序设计方法和操作系统。集成电路（IC）时代4第四代电子计算机（197190年代） 第四代电子计算机的主要特点是采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计算机的主要器件。大规模和超大规模集成电路技术的发展，使计算机的体积进一步缩小，功耗大大降低，功能增强。这一时期出现了微处理器，从而产生了微型计算机（简称微机）。微型计算机的问世和大规模生产，使计算机的应用渗透到国民经济的各个领

9、域，已成为无所不在的常用工具。大规模、超大规模集成电路时代5第五代电子计算机（90年代现在） 第五代电子计算机是超大规模集成电路、人工智能、软件工程以及新型计算机等技术的综合产物。其特点是：智能化程度高，能识别文字、图像、声音等信息，且具有学习和推理功能，使用时不必编程，用户只要发出命令，提出某种要求，计算机就能自动生成程序并给出计算结果。目前，对第四代电子计算机与第五代电子计算机的具体年代界限并无定论。微处理器的发展 计算机发展到20世纪70年代，出现了微型计算机（简称微机）。微机的核心是微处理器，微处理器的发展大大促进了微机的发展。微型计算机的发展以微处理器的发展为标志。其发展阶段如下所述

10、。1第一代微处理器（1971年1972年） 世界上第一台微处理器是1971年美国Intel公司生产的4004。它本来是为高级袖珍计算器设计的，但生产出来后取得了意外的成功。1972年又生产出8008微处理器。 这一代微处理器的特点是：以4位微处理器为主，集成度大约为2000管片。时钟频率为1MHz，平均指令执行时间为20us。2第二代微处理器（1972年1977年） 第二代微处理器主要有Intel公司的80808085。这一时期微处理器的特点是：8位微处理器，其时钟频率为24MHz平均指令执行时间为12uS，集成度超过5000管/片。3第三代微处理器（1977年1982年） 超大规模集成电路工

11、艺成熟，一个硅片上可容纳几万个管子，主要产品有Intel8008/8086、Zilog公司的Z8000、Motorola公司等。其特点是：16位微处理器，时钟频率为48MHZ，平均指令执行时间为0.5us，集成度为2000060000管/片。1980年以后生产80286、M68010集成度达十万管片，时钟频率为10MHZ，平均指令执行时间为0.2us。 4第四代微处理器（1983年1993年） 这一阶段出现了Intel80386和M68020微处理器。 其特点是：32位微处理器，时钟频率为1620MHz。 平均指令执行时间为0.1us，集成度达150000500000管片。由它们构成的整机称为

12、超级微型机。5第五代微处理器（1993年现在） 1993年推出了Pentium微处理器（中文名称为“奔 腾”），集成度为每片310万个晶体管，性能达112MIPS，I/O吞吐能力达100MB/s。1995年，Intel公司公布了P6微处理器。它的集成度为每片550万个晶体管主频为133MHz，每秒实施2.5亿3亿次浮点运算。1999年2月，Intel公司隆重推出了P微处理器，它的集成度达每片950万个晶体管，主频达500MHZ。这一代微处理器是64位的，其集成度为每片310950万个晶体管。据专家预测，到2010年芯片的集成度将达到每片1亿个晶体管。人脑是由数千亿个神经元组成，到2015年，人

13、脑芯片将成为可能。 总之，微机进入网络化、多媒体化时代，使微机可以处理文字、图形、图像、声音、动画等多种数据，微机的应用真可谓一日千里，使人们真正感受到信息时代已经到来。未来计算机的发展趋势从目前计算机科学的现状和趋向上看，它将向着四个方向发展：（1）巨型化。为了适应尖端科学技术的需要，将会发展出一批高速度、大容量的巨型计算机。巨型机的发展集中地体现了国家计算机科学的发展水平，推动了计算机系统结构、硬件和软件理论与技术、计算数学以及计算机应用等方面的发展，也是一个国家综合实力的反映。 （2）微型化。随着信息化社会的发展，微型计算机已经成了人们生活中不可缺少的工具，所以计算机将会继续向着微型化的

14、趋势发展。从笔记本电脑到掌上型电脑，再到嵌入到各种各样家电中的电脑控制芯片，而进入到人体内部，甚至能嵌入到人脑中的微电脑不久也将会成为现实。（3）网络化。计算机的网络化将是计算机发展的另一趋势。随着网络带宽的增大，计算机与网络一起成为人们生活的一个不可或缺的部分，通过网络，可以下载自己喜欢的电影，可以控制远在万里之外的家电设备，可以去完成一切想要去做的事情。 （4）智能化。智能化计算机一直是人们关注的对象，其研究领域包括：自然语言的生成与理解、模式识别、自动定理证明、专家系统、机器人等。如随着Internet而发展研究的计算机神经元网络、最新出现的量子计算机雏形就是在智能化计算机研究上的重大成

15、果。智能化计算机的发展，将会使计算机科学和计算机的应用达到一个崭新的水平。计算机的特点 1运算速度运算速度是标志计算机性能的重要指标之一，衡量计算机处理速度的尺度一般是用计算机每秒钟所能执行的加法运算次数。目前的微型计算机大约在百万次、千万次级，大型计算机在亿次、万亿次级。2计算精度由于计算机内部采用二进制数进行运算，使数值计算非常精确。一般计算机可以有十几位以上的有效数字。精确度取决于计算机表示数据的能力，1.2 计算机的特点分类及应用现代计算机提供多种表示数据的能力，例如单精度浮点数、双精度浮点数等，以满足对各种计算精确度的要求。3存储能力计算机的存储设备可以把程序和原始数据、中间结果、最

16、终结果等信息存储起来，存储信息的多少取决于所配备的存储设备的容量。目前的计算机不仅提供了大容量的主存储器存储计算机工作时的大量信息，同时还提供各种外存储器以保存备份信息。4逻辑判断能力计算机不仅能进行算术运算，也能进行各种逻辑运算，具有逻辑判断能力，这是计算机有别于其他机械的根本性特点。计算机的逻辑判断能力是计算机智能化必备的基本条件。5自动工作的能力由于完成任务的程序和数据存储在计算机中，一旦向计算机发出运行命令，计算机就能在程序的控制下，按事先规定的步骤逐步执行，直到完成设定的指令为止。也就是说，计算机程序一经运行就会自动完成，不需要人工干预。计算机的分类 按综合性能指标分类高性能计算机（

17、巨型机或大型机） 速度最快、处理能力最强、 最快：NEC Earth Simulator 每秒35万亿次浮点运算，峰值40万亿次 中国：曙光4000A 2560颗64位AMD Opteron处理器 每秒8万亿次浮点运算，全球排名第10工作站：介于PC与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机： 台式机、笔记本和个人数字助量(PDA)服务器：网络环境中为多个用户提供服务的 计算机系统按用途分类通用机专用机计算机的应用 计算机应用已深入到科学、技术、社会的广阔领域，按其应用问题、信息处理的形态，大体上可以分为：1科学计算 科学计算即是数值计算，是指应用计算机处理科学研

18、究和工程技术中所遇到的数学计算。在现代科学和工程技术中，经常会遇到大量复杂的数学计算问题，这些问题用一般的计算工具来解决非常困难，而用计算机来处理却非常容易。例如，在数学、化学、原子能、生物学等基础科学的 研究，以及天文学、空气动力学、核物理学和天气预报等学科领域中，都需要依靠计算机进行复杂的运算。这些问题用传统的计算工具是难以完成的，有时人工计算需要几个月、几年，而且不能保证计算准确，使用计算机则只需要几天、几小时甚至几分钟就可以精确地解决。因此，利用计算机进行数值计算，减轻了大量烦琐的计算工作量，节省了人力、物力和时间并提高了计算精度。2数据处理 是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传

19、输。数据是对事实、概念或指令的一种表达形式，数据的形式可以是数字、文字、图形或声音等。数据经过解释并赋予一定的意义之后，便成为信息。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。也用计算机收集、记录数据，经处理产生新的信息形式。主要包括数据的采集、转换、分组、组织、计算、排序、存储、检索等。3知识处理用计算机进行知识的表示、利用、获取。计算机的应用几乎渗透到社会各个领域，以下是一些重要的方面：（1）计算机辅助设计、制造、测试 。用计算机辅助进行工程设计、产品制造、性能测试。（2）办公自动化：用计算机处理各种业务、商务；

20、处理数据报表文件；进行各类办公业务的统计、分析和辅助决策。 （3）经济管理：国民经济管理，公司企业经济信息管理，计划与规划，分析统计，预测，决策，物资、财务、劳资、人事等管理。 （4）情报检索：是指将情报（信息）按一定方式组织和存储起来，并针对用户的需求找出所需要的情报（信息）的过程。情报检索的目的是为了解决特定的情报需求和满足情报用户的需要。它根据检索（查找）对象的不同，又可以分为文献检索、事实检索和数据检索。用计算机实现图书资料、历史档案、科技资源、环境等信息检索自动化，建立各种信息系统。（5）自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。计算机可以实现工业生产过程综合自动化，工艺过程最优控制，武器控制，通信控制，交通信号控制。（6）模式识别：应用计算机对一组事件或过程进行鉴别和分类，它们可以是文字、声音、图像等具体对象，也可以是状态、程度等抽象对象。（7）人工智能（Artificial Intellig