第一章計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)概述

第一章計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)概述計(jì)算機(jī)的歷史和類型計(jì)算機(jī)典型運(yùn)用計(jì)算機(jī)的未來(lái)開展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)學(xué)科概要及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成信息技術(shù)根底知識(shí)計(jì)算思想概述1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1.1計(jì)算機(jī)開展歷史上的重要人物和思想法國(guó)物理學(xué)家帕斯卡(1623-1662)1642年，手搖驅(qū)動(dòng)的齒輪進(jìn)位式計(jì)算器1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1673年，萊布尼茨發(fā)明機(jī)械式乘除法器1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇Babbage1822年，“差分機(jī)〞Amodernreconstructionofthedifferenceengine.From/~history1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計(jì)算機(jī)

——分析機(jī)，1834年聽說勝利了。英國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家阿達(dá)(1815-1852)是巴貝奇的協(xié)作同伴。她用穿孔卡片設(shè)計(jì)了世界上“第一件計(jì)算機(jī)程序〞。她還建議分析機(jī)用二進(jìn)制存儲(chǔ)。預(yù)言分析機(jī)能唱歌、繪畫。英國(guó)詩(shī)人拜倫的女兒1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)英國(guó)科學(xué)家阿蘭圖靈(實(shí)際計(jì)算機(jī)的奠基人1912-1954)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)圖靈機(jī)：這個(gè)在當(dāng)時(shí)看來(lái)是紙上談兵的簡(jiǎn)單機(jī)器，隱含了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中“存儲(chǔ)程序〞的根本思想。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)學(xué)家們提出的各種各樣的計(jì)算模型都被證明是和圖靈機(jī)等價(jià)的。控制器〔含運(yùn)算功能〕可在紙帶上左右挪動(dòng)的讀寫頭，用于讀寫數(shù)據(jù)(輸入輸出設(shè)備)可無(wú)限延伸的紙帶。用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)〔存儲(chǔ)器〕1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)美籍匈牙利數(shù)學(xué)家

馮諾依曼1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)馮·諾依曼：“假設(shè)不思索巴貝奇、阿達(dá)和其他人早先提出的有關(guān)思想，計(jì)算機(jī)根本概念只能屬于阿蘭·圖靈〞計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成；應(yīng)采用二進(jìn)制簡(jiǎn)化機(jī)器的電路設(shè)計(jì)；采用“存儲(chǔ)程序〞技術(shù),以便計(jì)算機(jī)能保管和自動(dòng)依次執(zhí)行指令。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)七十多年來(lái)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)根本構(gòu)造依然是“馮·諾依曼計(jì)算機(jī)〞。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1946年2月由賓夕法尼亞大學(xué)研制勝利的ENIAC是第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)重30噸，占地167m2，耗電150千瓦18800個(gè)電子管，1500個(gè)繼電器，保存80個(gè)字節(jié)每秒鐘可做5000次加減法或400次乘法運(yùn)算。“誕生了一個(gè)電子的大腦〞致命缺陷：沒有存儲(chǔ)程序。1.1.2電子計(jì)算機(jī)時(shí)代電子技術(shù)的開展促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代。第一代計(jì)算機(jī)1946－1958年以電子管為主要元件代表機(jī)型：ENIAC1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)第二代計(jì)算機(jī)1958－1964年以晶體管為主要元件采用晶體管的第二代電子計(jì)算機(jī)IBM7090型1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)第三代計(jì)算機(jī)1964－1971年以集成電路為主要元件采用集成電路的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)IBM360型第四代計(jì)算機(jī)1971年至今以大規(guī)模/超大集成電路為主要元件巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)以及便攜機(jī)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)第五代計(jì)算機(jī)：聽說是智能計(jì)算機(jī)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)巨型機(jī)大型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)任務(wù)站效力器嵌入式計(jì)算機(jī)按計(jì)算機(jī)規(guī)模分類1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1.3計(jì)算機(jī)類型按計(jì)算機(jī)用途分類通用計(jì)算機(jī)公用計(jì)算機(jī)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)展大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處置的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。運(yùn)算速度快計(jì)算精度高存儲(chǔ)容量大具有邏輯判別才干按照程序自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)特點(diǎn)1.1.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及運(yùn)用領(lǐng)域1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處置過程與實(shí)時(shí)控制人工智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)運(yùn)用領(lǐng)域遠(yuǎn)程通訊與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)微機(jī)的開展(1975-1995)1975年第一臺(tái)個(gè)人電腦問世。1981年第一臺(tái)IBM-PC問世。1985年386；1989年486；1993年奔騰出現(xiàn)。CPU進(jìn)入32位時(shí)代。1989年多媒體聲卡問世。1995年個(gè)人電腦出現(xiàn)CD-ROM光驅(qū)。1995年Win95問世，操作系統(tǒng)進(jìn)入Windows時(shí)代。多媒體和圖形界面的出現(xiàn)使電腦真正進(jìn)入家庭。1995年，3D加速芯片使顯卡性能有了很大的開展。1998年USB在PC上出現(xiàn)，即插即用的電子消費(fèi)產(chǎn)品MP3/MP4等大量涌現(xiàn)。Intel的CPU頻率〔2000年P(guān)4，2GHz；2004年P(guān)4，3.8GHz〕。2001年WindowsXP，集成大量運(yùn)用程序，例如IE、MediaPlayer、圖像閱讀等。2004年Google進(jìn)入桌面，搜索大戰(zhàn)。微機(jī)的開展(1995-2005)電腦的展望：64位與雙核2003年9月，AMD公司消費(fèi)了進(jìn)入個(gè)人電腦最早64位CPU。2005年4月，64位WindowsXP操作系統(tǒng)問世。。2005年4月，CPU進(jìn)入雙核和多核時(shí)代。2006年，WindowsVista32位/64位操作系統(tǒng)發(fā)布。計(jì)算機(jī)開展趨勢(shì)——巨型化CRAY-Ⅱ銀河Ⅱ1.1.5未來(lái)的計(jì)算機(jī)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)LosAlamosNationalLaboratory

OakRidgeNationalLaboratory

NASA/AmesResearchCenter

LawrenceLivermoreNationalLaboratory

ArgonneNationalLaboratory

TexasAdvancedComputingCenter

NERSC/LBNL

OakRidgeNationalLaboratory

NNSA/SandiaNationalLaboratories

ShanghaiSupercomputerCenter

1Tianhe-2(MilkyWay-2)-TH-IVB-FEPCluster,IntelXeonE5-269212C2.200GHz,THExpress-2,IntelXeonPhi31S1P

NUDT2Titan-CrayXK7,Opteron627416C2.200GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIAK20x

CrayInc.3Sequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM4Kcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,TofuinterconnectFujitsu5Mira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM6PizDaint-CrayXC30,XeonE5-26708C2.600GHz,Ariesinterconnect,NVIDIAK20x

CrayInc.7Stampede-PowerEdgeC8220,XeonE5-26808C2.700GHz,InfinibandFDR,IntelXeonPhiSE10PDell8JUQUEEN-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM9Vulcan-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM10SuperMUC-iDataPlexDX360M4,XeonE5-26808C2.70GHz,InfinibandFDRIBMTOP10November2021天河二號(hào)“天河二號(hào)〞同“天河一號(hào)〞一樣由中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)開發(fā)，將于本年底在廣州國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心投入運(yùn)用。天河二號(hào)擁有多達(dá)312萬(wàn)計(jì)算機(jī)中心，102.4萬(wàn)GB內(nèi)存，每秒浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)33.86千萬(wàn)億次，實(shí)際浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值達(dá)54.90千萬(wàn)億次，操作系統(tǒng)為中國(guó)自主研發(fā)的麒麟Linux。美國(guó)“泰坦〞美國(guó)“紅杉〞日本“KComputer〞美國(guó)“米拉〞美國(guó)“Stampede〞…Thesystemsranked#1since1993IBMRoadrunner(since2021.06)IBMBlueGene/L(2004.11-2021.06)NECEarthSimulator(2002.06-2004.11)IBMASCIWhite(2000.11-2002.06)IntelASCIRed(1997.06-2000.11)HitachiCP-PACS(1996.11-1997.06)HitachiSR2201(1996.06-1996.11)FujitsuNumericalWindTunnel(1994.11-1996.06)IntelParagonXP/S140(1994.06-1994.11)FujitsuNumericalWindTunnel(1993.11-1994.06)TMCCM-5(1993.06-1993.11)計(jì)算機(jī)開展趨勢(shì)——微型化1981年IBMPC計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，

而是一種個(gè)人的信息機(jī)器。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)計(jì)算機(jī)開展趨勢(shì)——網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)技術(shù)＋通訊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的開展動(dòng)力：共享遠(yuǎn)程資源，實(shí)現(xiàn)通訊和協(xié)作。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)計(jì)算機(jī)開展趨勢(shì)——智能化DeepblueGarryKasparov1996年2月10日，卡斯帕羅夫戰(zhàn)勝“深藍(lán)〞1997年5月12日，卡斯帕羅夫負(fù)于“更深的藍(lán)〞智能計(jì)算機(jī)將是一種具有類似于人的思想才干，能聽會(huì)說，能想會(huì)做，能替代人的膂力勞動(dòng)以及腦力勞動(dòng)的智能機(jī)器人。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)未來(lái)的計(jì)算機(jī)——光計(jì)算機(jī)用光子器件替代電子器件。1.1計(jì)算機(jī)根底知識(shí)未來(lái)的計(jì)算機(jī)——生物計(jì)算機(jī)用生物工程技術(shù)消費(fèi)的蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路。未來(lái)的計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)利用途于多態(tài)的原子進(jìn)展計(jì)算。最小的信息單元是一個(gè)量子比特。1.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成馮?諾依曼計(jì)算機(jī)構(gòu)造計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成?？刂菩盘?hào)流數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件中央處置器運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器內(nèi)存外存ROMRAM輸入輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件運(yùn)用軟件磁盤光盤軟盤硬盤鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、投影儀、掃描儀、攝像頭、麥克風(fēng)、音箱……1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成用戶程序或文檔其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)硬件運(yùn)用軟件是指用戶利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件為處理各