計算機導(dǎo)論教案

計算機導(dǎo)論教案第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.1

計算機的誕生與發(fā)展計算機的誕生

20世紀(jì)40年代中期，由于導(dǎo)彈、火箭、原子彈等現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，原有的計算工具已無法滿足要求；而電子學(xué)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，也為研制新的計算工具提供了物質(zhì)技術(shù)條件。

1946年，在美國賓夕法尼亞大學(xué)，由JohnMauchly和J.P.Eckert領(lǐng)導(dǎo)的研制小組為精確測算炮彈的彈道特性而制成了ENIAC計算機，這是世界上第一臺真正能自動運行的電子數(shù)字計算機。它使用了18800只電子管，1500多個繼電器，耗第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五電150KW,占地面積150,重量達(dá)30,每秒鐘能完成5000次加法運算。盡管存在著許多缺點，但是它為電子計算機的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。它的問世，標(biāo)志著電子計算機時代的到來。

自從第一臺電子計算機誕生以來，至今不過短短的40多年時間。然而，它發(fā)展之迅速，普及之廣泛，對整個社會和科學(xué)技術(shù)影響之深遠(yuǎn)，遠(yuǎn)非其它任何學(xué)科所能比擬。時至今日，計算機已經(jīng)成為人們生產(chǎn)勞動和日常生活中必備的重要工具。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五人類追求的計算工具ENIAC1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機1833分析機MARKI電子計算機時代計算機發(fā)展史第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五世界上第一臺計算機——ENIAC

5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機的發(fā)展概況

推動計算機發(fā)展的眾多因素中，電子元器件的發(fā)展起著決定性的作用；其次，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展也起了重大的作用。從生產(chǎn)計算機的主要技術(shù)來看，計算機的發(fā)展過程可以劃分為四個階段

第一代（1946~1956）電子管5千~4萬（次/秒）使用的邏輯元件為電子管；存儲器為延遲線、磁鼓、磁芯；典型機器為IBM-701，IBM-650；使用軟件為機器語言、匯編語言，應(yīng)用于科學(xué)計算，速度低、體積大、可靠性差、維修復(fù)雜。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五

第二代（1957~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）使用的邏輯元件為晶體管；存儲器為磁芯、磁帶、磁盤；典型機器為IBM-7090，IBM-7094；出現(xiàn)了ALGOLGO、FORTRAN和COBOL等面向進(jìn)程的高級程序設(shè)計語言及其編譯程序，并建立了多種程序庫和管理軟件。其主要用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、科學(xué)計算。其特點是體積小、耗電少、可靠性有了較大提高。第三代（1965~1970）中小規(guī)模集成電路百萬~幾百萬（次/秒）存儲器為磁芯、磁帶、磁盤；典型機器為IBM-370（大型），IBM-360（中型），PDP-II（小型）；使用軟件為結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、操作系統(tǒng)。它具有支持多任務(wù)系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了多個計算機終端聯(lián)機和通訊網(wǎng)絡(luò)化，運算速度較大提高，小型化、耗電少，可靠性、維護性進(jìn)一步提高。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五第四代（1971~90年代）超大規(guī)模集成電路幾百萬~幾億（次/秒）邏輯元件為大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。存儲器為半導(dǎo)體、磁盤、光盤；典型機器為ILLAC-IV（巨型）、IBM-3033（大型）、80486、8098（彈片機），使用軟件為數(shù)據(jù)庫、軟件工程、程序設(shè)計自動化；主要應(yīng)用有十事務(wù)處理、智能模擬，大型計算機普及到社會生活各個方面。電子管的缺點：體積大；耗能高、散熱量大。晶體管的優(yōu)點：體積??；耗能低；性能穩(wěn)定。ENIAC劃時代的實驗裝置第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒計算機第一定律——摩爾定律每18個月芯片能力增長一倍。第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,30010微米芯片將電腦濃縮在一顆芯片上0.18微米芯片第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機發(fā)展趨勢（四種趨向）⑴巨型化

CRAY-Ⅱ運算速度可達(dá)每秒幾百億次運算的超級計算機1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-II”超級計算機應(yīng)用：天氣預(yù)報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。中國超級計算機：國防科技大學(xué)研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家職能計算機中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”銀河Ⅱ第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑵微型化

Altair8800計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑶網(wǎng)絡(luò)化

計算機網(wǎng)絡(luò)：計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五⑷智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機械’來”。 ——笛卡爾（1637）人類第一個“工業(yè)機器人”：

一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人

機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人

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”DeepblueGarryKasparov第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.2計算機的特點與應(yīng)用計算機的特點計算機問世之初，主要用于數(shù)值計算，“計算機”也因此得名。但隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，它的應(yīng)用范圍不斷擴大，不再局限于數(shù)值計算而廣泛地應(yīng)用于自動控制、信息處理、智能模擬等各個領(lǐng)域。計算機能處理各種各樣的信息，包括數(shù)字、文字、表格、圖形、圖象等。計算機之所以具有如此強大的功能，這是由它的特點所決定的。概括地說，計算機主要具備以下幾第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五方面的特點：⑴運算速度快

⑵存儲容量大

⑶具有邏輯判斷能力

⑷工作自動化計算機的應(yīng)用范圍計算機的應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)工作方式的不同大致可以分為以下幾個方面：

⑴計算機輔助設(shè)計（CAD）就是利用計算機來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計。這種技術(shù)已廣泛地應(yīng)用第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五于機械、船舶、飛機、大規(guī)模集成電路版圖等方面的設(shè)計。利用CAD技術(shù)可以提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計自動化水平。例如，計算機輔助制圖系統(tǒng)是一個通用軟件包，它提供了一些最基本的作圖元素和命令，在這個基礎(chǔ)上可以開發(fā)出各種不同部門應(yīng)用的圖庫。這就使工程技術(shù)人員從繁重的重復(fù)性工作中解放出來。從而加速產(chǎn)品的研制過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

CAD技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益擴大，又派生出許多新的技術(shù)分支，如計算機輔助制造CAM，計算機輔助教學(xué)CAI等。⑵數(shù)值計算

在科學(xué)研究和工程設(shè)計中，存在著大量繁煩、復(fù)雜的數(shù)值第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算問題，解決這樣的問題經(jīng)常是人力所無法勝任的。而高速度，高精度地解算復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題正是電子計算機的特長。因而，時至今日，數(shù)值計算仍然是計算機應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。⑶數(shù)據(jù)處理

就是利用計算機來加工、管理和操作各種形式的數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)處理一般地總是以某種管理為目的的。例如，財務(wù)部門用計算機來進(jìn)行票據(jù)處理、賬目處理和結(jié)算；人事部門用計算機來建立和管理人事檔案，等等。與數(shù)值計算有所不同，數(shù)據(jù)處理著眼于對大量的

第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合和分析處理。一般不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，只是要求處理的數(shù)據(jù)量極大而且經(jīng)常要求在短時間內(nèi)處理完畢。⑷實時控制

也叫做過程控制，就是用計算機對連續(xù)工作的控制對象實行自動控制。要求計算機能及時搜集檢測信號，通過計算處理，發(fā)出調(diào)節(jié)信號對控制對象進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。過程控制應(yīng)用中的計算機對輸入信息的處理結(jié)果的輸出總是實時進(jìn)行的。例如，導(dǎo)彈的發(fā)射和制導(dǎo)過程中，總是不停地測試當(dāng)時的飛行參數(shù)，快速第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五地計算和處理，不斷地發(fā)出控制信號控制導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)，直至到達(dá)即定的目標(biāo)為止。實時控制在工業(yè)生產(chǎn)自動化、軍事等方面應(yīng)用十分廣泛。⑸模式識別是一種計算機在模擬人的智能方面的應(yīng)用。例如，根據(jù)頻譜分析的原理，利用計算機對人的聲音進(jìn)行分解、合成，使機器能辨識各種語音，或合成并發(fā)出類似人的聲音。又如，利用計算機來識別各類圖像、甚至人的指紋等等。

第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五綜上所述，計算機是對輸入的各類信息，如數(shù)值、文字、圖像、電信號等等，自動高效地進(jìn)行加工處理并輸出結(jié)果的電子裝置：早期的計算機應(yīng)用因為受條件的限制，著眼于提高效率和減輕人的勞動強度，往往是比較單純的。例如，一個數(shù)學(xué)軟件包，它的功能可能很強，規(guī)?？赡芤埠艽?，但只有數(shù)值計算的功能。又如，一個企業(yè)用計算機來計算工資、打印報表、管理雇員等，是屬于計算機在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用，這類應(yīng)用是局部的和單純的，很少涉及到諸如整個企業(yè)的全面信息聯(lián)系這第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五樣的管理的內(nèi)容。隨著業(yè)務(wù)需求和計算機技術(shù)的進(jìn)步，計算機應(yīng)用逐步向綜合性的方向發(fā)展。例如，一個大型企業(yè)的MIS（信息管理系統(tǒng)）系統(tǒng)，可以包括多個子系統(tǒng)，如銷售管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、財務(wù)管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、工程設(shè)計系統(tǒng)等，有些子系統(tǒng)主要是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的，有些主要是用來進(jìn)行自動控制的，有些既有復(fù)雜的數(shù)值計算功能，又有強大的數(shù)據(jù)處理能力。又如，利用計算機來模擬人的智力活動，如學(xué)習(xí)過程、適應(yīng)能力、推理過程，制造一種具有“思維能力”，即具有“推理”、學(xué)習(xí)和自動“積累經(jīng)驗”第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五功能的機器，就不能簡單地認(rèn)為是計算機在模式識別方面的應(yīng)用，其中可能包括了復(fù)雜的數(shù)值計算、大量的數(shù)據(jù)處理、精確的自動控制等等功能，而且，要與微電子制造技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來才能最終完成。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機技術(shù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使人類走向豐富多彩的信息社會。信息時代的生產(chǎn)方式和生活方式具有數(shù)字化、集成化、智能化、移動化、個性化等等特點。將計算機的工作原理和技術(shù)應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，如電視、音響、各種儀器儀表等，就是這些產(chǎn)品的數(shù)字化。數(shù)字化可以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量提高到一個嶄新的水平。例如，數(shù)字化的電視機不會受到干擾。數(shù)字化的音響有很高的保真度，聲音特別清晰。智能化產(chǎn)品能夠自動地、或經(jīng)簡單操作來實現(xiàn)各種功能。就像傻瓜照相機一樣，只要按動快門，就會

第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五按照現(xiàn)有的條件而自動調(diào)節(jié)，完成拍攝工作。

集成化就是把所用到的多種功能集成在一種產(chǎn)品之上，使用戶能夠更方便地使用。移動化也是包括計算機在內(nèi)的現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個重要特點，手提式計算機，以及采用計算機的基本工作原理設(shè)計，或者由計算機來控制的移動電話、移動電視等，都在不斷地推陳出新。以計算機為龍頭的電子產(chǎn)品以及由計算機輔助設(shè)計、制造的產(chǎn)品，由于設(shè)計和制造手段的先進(jìn)快捷，很容易達(dá)到滿足不同用戶要求的目的，甚至可以在用第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五戶參與下設(shè)計、制造，因而具有個性化的特點。例如，如果顧客要做一件衣服，先把尺寸和自己的想法、要求輸入計算機，計算機就會先把衣服設(shè)計好，在三維圖形里讓顧客試穿，直到顧客滿意了，再進(jìn)行裁剪、縫制。這是參與式的、互相討論的個性化服裝設(shè)計。計算機不僅能處理數(shù)字和文字信息，還可以用聽覺、觸覺、三維圖形、動畫、甚至伴以嗅覺等多種媒體形式與人交換信息。例如，計算機可以輸出數(shù)字化的視頻動畫信息，可以產(chǎn)生話語或高保真的

第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五音樂信號等等，這就是多媒體計算機的概念，它是當(dāng)前非?；钴S的一個研究和應(yīng)用領(lǐng)域。由多媒體技術(shù)誘發(fā)的一種非常實用的技術(shù)叫做“虛擬現(xiàn)實”。感受“虛擬現(xiàn)實”環(huán)境的人戴上一個特殊的、安裝了包括目視器等傳感設(shè)備且與計算機相連的頭盔，再配以其他傳感設(shè)備，例如可以在計算機和人之間傳遞觸覺信息的觸覺手套等。就會感覺到自己完全置身于另一個世界，當(dāng)人移動腳步，轉(zhuǎn)動頭部，伸出手臂，就像在真實的環(huán)境中做這些事情一樣，盡管這只是計算機模擬的一個虛擬的環(huán)境。

第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五這種技術(shù)的一種應(yīng)用是利用計算機進(jìn)行復(fù)雜危險環(huán)境的模擬。比如飛行員的訓(xùn)練，可以不在飛機上進(jìn)行而是依靠一臺虛擬現(xiàn)實設(shè)備，使受訓(xùn)的人全面地感覺到飛行的環(huán)境、情景、跑道、地形和駕駛儀表等等真實情況，他們在計算機模擬的飛機駕駛倉中操作的時候，感覺和真的飛行一樣，這類模擬環(huán)境可以為受訓(xùn)者提供不同級別和不同難度的訓(xùn)練，使他們在不接觸真實設(shè)備的情況下經(jīng)歷各種復(fù)雜情況，做排除故障的練習(xí)，體會各種正確或錯誤操作的后果等等，而且可以反復(fù)練習(xí)。這些練習(xí)往往是無法在真實的環(huán)境第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五中進(jìn)行的。所有領(lǐng)域的科研、培訓(xùn)、實驗等都可以采用這種方法。另一個以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用叫做“科學(xué)計算可視化”。它將科學(xué)計算及其它各個領(lǐng)域的計算或測量所產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機圖形、圖像信息，進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)顯示，以便及時、正確地理解和把握其中的各種現(xiàn)象和結(jié)果。對于自然界中復(fù)雜的自然現(xiàn)象和發(fā)生的物理過程，對于科學(xué)實驗中很多難以實際觀察的現(xiàn)象、或者原本就不具有視覺效果無法觀察的東西，如引力場等，通過計算機第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算、繪制、并用顯示設(shè)備將形象的圖形、圖像展現(xiàn)在人的面前，以便更深刻地分析和理解其實質(zhì)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其中所蘊藏的規(guī)律，其重要性和意義是不言而喻的。信息社會的一個重要標(biāo)志是計算機網(wǎng)絡(luò)無所不在。通過網(wǎng)絡(luò)將個人、單位、地區(qū)、國家乃至整個世界連成一體。網(wǎng)絡(luò)上流通的信息為大眾所共享。任何人只要打開計算機就可以方便地查閱各行各業(yè)的信息，閱讀各種電子書刊，發(fā)布消息、啟事、通知等各種第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五文書，與網(wǎng)上的另外一個人象面對面地談話一樣地互相交換意見、享受網(wǎng)上的各種服務(wù)等等。在這樣的信息社會里，世界上任何地區(qū)發(fā)生的任何政治、經(jīng)濟、生態(tài)事件都會立即產(chǎn)生全球影響，沒有任何獨善其身的樂土。信息社會使遠(yuǎn)程觀測、遠(yuǎn)程信息反饋、遠(yuǎn)程遙控、復(fù)雜市場的多方面跟蹤監(jiān)測以及許多災(zāi)害預(yù)警等成為可能。信息社會更重要的標(biāo)志是生產(chǎn)活動的現(xiàn)代化，目前發(fā)展起來的“并行工程”就是一個具體的體現(xiàn)，“并行工程”就是在計算機網(wǎng)絡(luò)中將設(shè)計、生產(chǎn)、銷售部門都聯(lián)系在一起，用虛擬現(xiàn)實讓所有的設(shè)計、生產(chǎn)、銷

第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五售人員都參加討論和提出意見，然后一次投產(chǎn)、銷售。這就省去了設(shè)計、初試、中試、修改設(shè)計等一系列中間過程，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)過程，節(jié)省了大量的人力物力和財力。

總之，以計算機技術(shù)為核心的信息技術(shù)將從根本上改變?nèi)祟惿鐣纳a(chǎn)方式和生活方式，對人類的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1.3微型機的發(fā)展（這里所說的微機是PC機，而不包括單片機、單板機。）微機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的特點是計算機的中央處理器(CentralProcessingUnit，縮寫為CPU，又稱中央處理單元)，由大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路構(gòu)成，做在一個芯片上。這樣的CPU稱為微處理器(MicroProcessorUnit，縮寫為MPU)。微處理器的出現(xiàn)開辟了計算機的新紀(jì)元。由不同規(guī)模構(gòu)成的微處理器，就形成了微機不同的發(fā)展階段，在20多年里形成了幾代微機。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五第一代，1971年～1972年。Intel公司于1971年利用4位微處理器Intel?4004，組成了世界上第一臺微型機MCS-4。1972年Intel公司又利用Intel8008組成了第一代8位（低檔8位）微處理器。由4位或第一代8位微處理器構(gòu)成的計算機稱為第一代微型機。第二代，1973年～1977年。這是由第二代8位（中高檔8位）微處理器(代表性的產(chǎn)品有Intel公司的Intel8080和8085，Motorola公司的MC680，