大學計算機基礎一

1、第一章 概論第一章 概論主要內容1.1 計算機發(fā)展過程 1.2 計算機工作特點及分類1.3 計算機發(fā)展趨勢1.4 信息與信息化社會計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子裝置。什么是計算機?1.1.1 計算機的產生1.1 計算機發(fā)展過程手指計數(shù)、木棍、石塊算 盤:幾百年前我國發(fā)明手動式計算工具計算尺:1621年英國數(shù)學家岡特根據(jù)對數(shù)表設計1642年法國數(shù)學家帕斯卡發(fā)明了加法器，人類有史以來第一臺機械計算機。采用齒輪旋轉進位方式執(zhí)行運算，但是只能做加法和減法。1673年在此基礎上，德國數(shù)學家萊布尼茨設計制造了計算器。1822年英國數(shù)學家巴貝奇發(fā)

2、明了差分機1834年研制出分析機（有3個主要部分：保存數(shù)據(jù)的存儲庫、運算裝置和對操作順序進行控制）1.1 計算機的發(fā)展過程機械計算（齒輪傳動）1.1 計算機的發(fā)展過程第一臺計算機的誕生（ENIAC） 1946年2月14日（艾尼亞克） 美國賓夕法尼亞大學電子數(shù)字積分計算機重達30噸占地170m2耗電150千瓦使用18000個電子管5000次加減運算/秒機電方法制造計算機電子管1958年8月我國第一臺電子管計算機103誕生缺點：沒有存儲器，用布線接板進行控制，計算速度也就被這一工作抵消了 。ENIACENIAC英國科學家艾蘭.圖靈（1912-1954）建立圖靈機（Turing machine）模型

3、，奠定了可計算理論的基礎；提出圖靈測試，闡述了機器智能概念 現(xiàn)代計算機體系結構馮諾依曼機：“存儲程序”的概念六十多年來，計算機系統(tǒng)基本結構沒有變。美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼（1903-1957）計算機發(fā)展史中的關鍵人物1.1.2 計算機發(fā)展的四個階段時代年份器件存儲器軟件應用運算速度一 19461957電子管內存:汞延遲線外存:磁鼓使用機器語言和匯編語言軍事研究科學計算幾千次/s二19581964晶體管內存:磁芯外存:磁盤,磁帶使用高級語言數(shù)據(jù)處理事務處理工業(yè)控制幾十萬次/s三19651971集成電路內存:磁芯,半導體存儲器外存:磁盤操作系統(tǒng)、編譯程序、網絡軟件開始廣泛應用幾十萬到幾百萬/s四

4、1972 大規(guī)模集成電路內存:半導體存儲器外存:磁盤,光盤操作系統(tǒng)完善、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機軟件的開發(fā)廣泛應用于各領域幾百萬到幾億萬/s晶體管超大規(guī)模集成電路電子管集成電路微型機的發(fā)展 微型計算機簡稱微型機，其特點是將運算器、控制器及寄存器集成在一塊半導體芯片上，這種芯片稱為微處理器(MPU)，MPU內部和外部采用總線結構。第一臺微型機MCS-4:Intel 4004,4位1971年由Intel 公司的M.E.Hoff 設計。時代時間位數(shù)代表性芯片第一代1971年4位和低檔8位Intel 4004/8008第二代1973年8位Intel 8080MC6800(Motorola)Z80(Zilog

5、)第三代1978年16位Intel 8086MC6800(Motorola)Z800(Zilog)第四代1991年起32位MC68020(Motorola)Z8000(Zilog)Intel 80386486、Pentium 系列、P、 P 、P4微處理器集成度發(fā)展示意圖晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片超大型化；微機化；嵌入式；圖形用戶界面；多媒體；網絡通信；網格計算摩爾定律晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒平均每18個月芯片性能增長一倍微處理器的集成度一直遵循著“摩爾定律”在飛速發(fā)展。2011年Intel公司將推出含有10億個晶體管、

6、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。1.2 計算機的工作特點及分類1.2.1 計算機的工作特點運算速度快: 運算部件采用電子器件，與其他任何計算工具 無法比擬，曙光5000A達到每秒230萬億次以上計算精度高: 增加二進制位數(shù)提高精度，避免了各種誤差， 圓周率計算精度200萬位以上通用性好: 運行不同程序，完成不同任務記憶能力強: 存儲設備容量大，存儲能力不斷提高 適合邏輯運算:計算機工作的基礎，根據(jù)判斷的結果決定執(zhí) 行命令，完成各種復雜問題的處理運算過程自動化:程序控制執(zhí)行過程，自動連續(xù)工作1.2.2 計算機的分類按計算機處理數(shù)據(jù)的方式分類 （1）電子數(shù)字計算機 以數(shù)字量（也稱不連續(xù)量）作為運算對

7、象進行運算，特點是運算速度快，精確度高，具有記憶和邏輯判斷能力。計算機的內部操作和運算是在程序控制下自動進行的。一般不特別說明，計算機指的是電子數(shù)字計算機。 （2）電子模擬計算機 以連續(xù)變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模擬實際所需要計算的對象）作為運算量的計算機。主要用于過程控制和模擬仿真。 按計算機的運算速度和性能指標分類巨型機：運算速度最快、存儲能力最大、處理能力最強。例如：銀河、曙光系列, 曙光5000A,速度可達每秒230萬億次。IBM研制Roadrunner(走娟),運算速度達到每秒1.105千萬億次，Cray公司的捷豹位居第二 。 微型機：以小、巧、輕、使用方便、價格便宜、軟件豐

8、富、功能齊全等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。大型機：大型、通用、較快、較強,承擔服務器功能.例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900 等。 小型機：規(guī)模小，結構簡單，設計試制周期短,工藝先進、使用維護簡單。如:IBM的AS/400。工作站： 介于PC與小型機之間, 高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強。Sun、HP都是著名的工作站廠家。服務器：網絡環(huán)境下為多用戶提供服務的計算機系統(tǒng)。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網絡化 智能化更快的運算速度、更大的存儲容量、更強的處理能力以及更高的可靠性。運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、衛(wèi)星圖像處理等大

9、量科學計算的高科技領域。集中體現(xiàn)了計算機科學技術的發(fā)展水平。銀河億次巨型計算機 1.計算機發(fā)展趨勢1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網絡化 智能化使用方便、體積小，成本低和功能齊全方向發(fā)展嵌入式技術家電、儀器儀表，筆記本電腦，掌上計算機1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網絡化 智能化利用計算機技術與通信技術結合,把分布在不同地點的計算機互連起來,組成規(guī)模強大的計算機網絡。實現(xiàn)方便、及時、可靠、安全、高效的信息服務1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 巨型化 微型化 網絡化 智能化 使計算機具有視覺、聽覺、語言、行為、思維、邏輯推理等能力。第一代機器人 機械手（1962年出現(xiàn)）第

10、二代機器人 具有“感覺”的機器人第三代機器人 裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”Deepblue(“深藍”）Garry Kasparov 典型案例2.計算機新技術應用 （1）高性能計算 速度是計算機的第一指標，人類制造計算機的初衷就是追求計算速度。發(fā)展高速度、大容量、功能強大的超級計算機是目前各國高技術領域競爭的熱點。 高性能計算是以速度為核心，它包括兩方面途徑：一是提高單一處理器的計算性能，二是把這些處理器集成，由多個CPU構成一個計算機系統(tǒng)，進行并行計算。 目前世界上頂級的高性能計算機有成百上千、甚至上萬個CPU，這些處理器協(xié)同計算，才能夠提供需要的速度。 大連理工大學網信中心提供64個結點

11、的高性能計算服務，為教學科研提供更快速度的計算服務。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢 （2）云計算 云計算是一種能夠將動態(tài)伸縮的虛擬化資源通過互聯(lián)網以服務的方式提供給用戶的計算模式，用戶不需要知道如何管理那些支持云計算的基礎設施。提供資源的網絡被稱為“云”，用戶通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源。 云計算是并行計算、分布式計算和網格計算的融合和發(fā)展，是這些計算機科學概念的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)。用戶可以按需計量使用這些資源，從而實現(xiàn)讓計算成為一種公用設施來按需而用的夢想。 云計算最基本的概念：通過整合、管理、調配分布在網絡各處的計算機資源，并以統(tǒng)一的界面同時向大量用戶提供服務。借助云計算，網絡服務

12、提供者可以在瞬間處理數(shù)以萬計甚至億計的信息，實現(xiàn)和超級計算機同樣強大的效能。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢（3）普適計算（Pervasive Computing) 普適計算是IBM在1999年提出的，指在任何時間、任何地點都可以計算，也稱無處不在的計算。計算機無時不在、無處不在，就像沒有計算機一樣。 隨著計算機網絡化、微型化以及嵌入式技術的發(fā)展，普適計算正在逐漸成為現(xiàn)實。未來的普適計算將集移動通信技術、計算技術和嵌入式技術于一體，通過將普適計算設備嵌入人們生活的各種環(huán)境中，將計算從桌面上解放出來，使用戶能以各種靈活的方式享受計算能力和資源服務。那時候，人們周圍到處都是計算機，這些計算機將依據(jù)不同

13、的計算要求而呈現(xiàn)不同的模樣，不同的名稱。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢（4）網格計算 網格計算是針對復雜科學計算的新型計算模式。利用計算機網絡把分散在不同地理位置的計算機組成一個虛擬超級計算機，每臺計算機就是一個“節(jié)點”，整個計算由成千上萬個節(jié)點組成的一張網格。數(shù)據(jù)處理能力超強，可以充分利用網上閑置的處理能力，實現(xiàn)資源與信息共享。 2003年，耶魯大學醫(yī)學院網格計算項目組嘗試了利用網格計算技術，加速進行抗SARS 病毒藥物的篩選。方法是：參與這個項目的用戶，只需在網絡上下載一個軟件，啟動后以后臺方式運行，利用計算機的閑置能力工作，自動從網站上獲取數(shù)據(jù)包，運算完成后自動發(fā)送回去，不需人工干預。1.

14、3 未來計算機的發(fā)展趨勢（5）生物計算 生物計算包括兩個方面：一是晶體管的密度已經接近所用技術的極限，要繼續(xù)提高計算機性能，就要尋找新的計算機結構，生物計算機成為一種選擇。另一方面，分子生物學的突飛猛進已經使其成為資料量最大的學科，借助計算機進行分子生物信息研究，可以通過數(shù)量分析的途徑獲取突破性的成果。 20世紀70年代，人們發(fā)現(xiàn)DNA處在不同的狀態(tài)下，可以產生有信息和無信息的變化，這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們對生物元件的研究和開發(fā)。目前生物傳感器的研制已經取得了不少實際成果 生物計算更重要的方面是利用計算機進行基因組研究，運用大規(guī)模高效的理論和數(shù)字計算，歸納、整理基因組的信息和特征，模擬生命體內的信息

15、流過程，進而揭示代謝、發(fā)育、分化、進化的規(guī)律，探索人類健康和疾病的根源。1.3 未來計算機的發(fā)展趨勢信息(Information)是對各種事物變化和特征的反映，是事物間相互作用和聯(lián)系的表征。 信息經過轉化而成為計算機能夠處理的數(shù)據(jù)，同時也是經過計算機處理后作為問題解答而輸出的數(shù)據(jù)。1.4.1信息的基本概念1.信息與數(shù)據(jù)1.4 信息與信息化社會數(shù)據(jù)(Data)是記錄下來可以鑒別的符號，是信息的載體，是對客觀實體的一種描述形式，這種描述形式可以進行通信、翻譯轉換或加工處理。 數(shù)據(jù)有多種表現(xiàn)形式：數(shù)字、文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。1.4.1 信息的基本概念數(shù)據(jù)與信息的關系： 既有聯(lián)系，又相互區(qū)別

16、。數(shù)據(jù)是信息的載體，是信息的具體表現(xiàn)形式，而信息是數(shù)據(jù)的內涵，是有用的、經過加工處理的數(shù)據(jù)。信息有意義，數(shù)據(jù)則沒有?；顒訑?shù)據(jù)信息決策示例1：“2008年農村居民人均純收入4761元，扣除價格上漲因素，比上年實際增長8.0%” 。經過大量的原始數(shù)據(jù)資料分析后得出的結論，其表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)。示例2： “某個病人的體溫是39” 。病歷卡上記載病人的體溫39是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)39本身是沒有意義的。當數(shù)據(jù)以某種形式經過處理、描述或與其它數(shù)據(jù)比較時，才能成為信息。2.信息技術信息技術：指獲取信息、處理信息、存儲信息和傳播信息中所用到的技術。1.4.1 信息的基本概念信息技術的組成微電子技術計算機技術通信技術傳感技

17、術微電子技術是信息技術的基礎，它擴展了人類對信息的控制和使用能力；計算機技術是信息技術的核心，計算機的信息處理能力在不斷加強； 通信技術加快了信息傳遞的速度和廣度，擴展了人的神經系統(tǒng)傳遞信息能力 傳感技術擴展了利用人的感覺器官收集信息的能力。 信息化社會的特征完善的信息基礎設施先進的信息技術高素質的信息人才廣泛的信息產業(yè)良好的信息環(huán)境3.信息化社會 信息社會給人類帶來全新的工作方式和生活方式。在信息化社會里，信息是知識，是技術，是一種最寶貴的資源。人們利用各種方式獲取信息，了解世界，也讓世界了解自己。在信息時代，人們的許多活動都與網絡有著密切的聯(lián)系，通過網絡的方式實現(xiàn)。 1.4.1 信息的基本

18、概念1.4.2 計算機在信息社會中的應用1. 科學計算天文、地質、核物理2. 數(shù)據(jù)處理企業(yè)管理、辦公自動化、統(tǒng)計3. 過程控制冶金、機械、化工、航天4. 計算機輔助系統(tǒng) CAD(輔助設計）CAM（輔助制造）CAE（輔助教育、CAI輔助教學、CMI計算機管理教學）5. 人工智能 模擬人腦，計算機診斷6. 計算機模擬 虛擬實驗室，工廠，仿真，汽車、航天員模擬訓練1.4.2 計算機在信息社會中的應用7.計算機網絡 在信息時代，人們的工作幾乎每天都要面對計算機，借助計算機完成各項工作。計算機網絡改變了人們傳統(tǒng)的生活工作方式 信息交流與傳播 電子郵件、聊天、通訊、傳媒 電子商務 網上訂票、網上購物等 電子政務 虛擬政府、網上辦公 文化教育 瀏覽新聞、查閱書刊、接受教育 遠程教育、網上招生、報名、信息共享8.娛樂消遣 欣賞DVD影碟、音樂 進行游戲或娛樂數(shù)字成像技術掃描使用的X射線斷層成像（CT技術）在醫(yī)學上具有重大影響。數(shù)字成像改變了攝影行業(yè)。數(shù)字視頻對電影中的特效、三維動畫等產生特殊影響。數(shù)字音樂使在線音樂商店迅速流行起來。人的語音也被數(shù)字化了，如電話交費和查詢系統(tǒng)為人們帶來了極大的便利。本章小結 本