计算机概论

第１章计算机与信息技术概述Logo目录计算机是什么？1.1计算机怎么来的？1.2计算机能做什么？1.3计算机不能做什么？1.4Logo1.1计算机是什么？计算机(Computer)是一种电子器件构成的、具有计算能力和逻辑判断能力、具有自动控制和记忆功能的信息处理设备。Logo1.1计算机是什么？冯·诺依曼在一个报告中对明确规定计算机有５个组成部分：运算器控制器存储器输入设备输出设备Logo1.1计算机是什么？冯·诺依曼是20世纪最伟大的科学家之一。他1913年出生于匈牙利首都布达佩斯，6岁能心算8位数除法，8岁学会微积分，12岁读懂了函数论。22岁，他在瑞士苏黎士联邦工业大学化学专业毕业。一年之后，摘取布达佩斯大学的数学博士学位。转而攻向物理，为量子力学研究数学模型，又使他在理论物理学领域占据了突出的地位。电脑界普遍认为冯·诺依曼是“电子计算机之父”。数学史界也坚持冯·诺依曼是本世纪最伟大的数学家之一，他在遍历理论、拓扑群理论等方面作出了开创性的工作，算子代数甚至被命名为“冯·诺依曼代数”。物理学界表示，冯·诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。而经济学界则反复强调，冯·诺依曼建立的经济增长横型体系，特别是40年代出版的著作《博弈论和经济行为》，使他在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。1957年2月8日，冯·诺依曼因患骨癌逝世于里德医院，年仅54岁。Logo目录计算机是什么？1.1计算机怎么来的？1.2计算机能做什么？1.3计算机不能做什么？1.4Logo1.2计算机怎么来的？手指digit结绳算筹算盘加法机（帕斯卡，法国）乘法机（莱布尼兹，德国）差分机（巴贝奇，英国）Colossus（图灵，英国）ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）Logo1.2计算机怎么来的？人类第一台电子计算机：ENIACENIAC诞生于二战时期，最初是作为辅助炮兵计算炮弹轨迹的工具，在盟军登陆西欧前一年开始制造，但直到1945年停火时还没完成。这台计算机每秒能执行5000条指令，在当时的情况下它的运算速度比电动式计算机快1000倍。当然，现在iPhone6每秒能响应250亿条指令。用了18000多只电子管，70000多个电阻，10000多只电容，6000多个开关，重达30吨，占地170平方米，耗电150千瓦。Logo1.2计算机怎么来的？人类第一台“存储程序”电子计算机：EDVACENIAC不具备现代计算机“在计算机内存储程序”的主要特征，每次解决新问题时，工作人员必须重新接线才能输入新的指令，为进行几分钟的数字计算，准备工作就要用去几小时甚至１～２天的时间。1946年冯·诺依曼教授发表了《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文，并与ENIAC小组积极合作设计出了第一台“存储程序式”计算机EDVAC（ElectronicDiscretevariableAutomaticComputer)。Logo1.2计算机怎么来的？电子计算机的发展历程（1）第一代——电子管计算机时代（1946-1956）第一代电子计算机的特点是采用电子管作为基本元器件，其体积大、速度慢（每秒仅能做几千次到几万次运算）、耗电多、存储容量小，并会产生大量的热量，而且价格昂贵。这个时期没有系统软件，只能使用机器语言编制程序，需要经过专门培训的操作人员。ENIAC是这一代计算机的典型代表。Logo1.2计算机怎么来的？电子计算机的发展历程（2）第二代——晶体管计算机时代（1956-1963）第二代计算机用晶体管作为基本元器件。它具有速度快（较第一代有明显的提高，一般每秒可运行几十万次）、寿命长、重量轻、体积小、省电等优点。在软件方面，提出了操作系统的概念，这是第二代计算机的特点之一。Logo1.2计算机怎么来的？电子计算机的发展历程（3）第三代——集成电路计算机时代（1964-1971）集成电路（IC）与晶体管分立元件相比，体积更小，耗电更少，寿命更长，可靠性更高。IC既可用于制造处理器芯片，也用于制造半导体存储器，它取代了磁芯存储器，这不仅使计算机的体积大大减小，而且大大提高了内存容量和运算速度（每秒几百万次至几千万次）。在软件方面，出现了操作系统、编译系统和应用程序。高级程序设计语言在这个时期也有了很大的发展，还出现了会话式的BASIC程序设计语言。Logo1.2计算机怎么来的？电子计算机的发展历程（4）第四代——大规模集成电路计算机（1971-现在）利用大规模、超大规模集成电路技术，可以把处理器的控制单元和算术逻辑单元集成在一个非常小的芯片上，成为微处理器，使得计算机的体系结构有了很大的发展，计算性能得到了大幅度提高，运算速度从每秒几百万次到亿万次以上。操作系统不断完善，结构化、模块化的高级语言广泛应用，面向对象的程序设计（ＯＯＰ）不断发展，多媒体微型计算机已经普及，且计算机的发展已进入到以计算机网络为特征的时代。“网络就是计算机”的理念已被人们普遍接受。Logo1.2计算机怎么来的？未来的计算机（1）光子计算机光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低，对使用环境条件的要求比电子计算机低得多。Logo1.2计算机怎么来的？未来的计算机（2）生物计算机（分子计算机）生物计算机也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能，自动修复芯片上发生的故障，还能模仿人脑的机制等。Logo1.2计算机怎么来的？未来的计算机（3）量子计算机量子计算机（quantumcomputer），是一种全新的基于量子理论的计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（1）按工作原理分类电子数字计算机（采用数字技术，处理离散量）电子模拟计算机（采用模拟技术，处理连续量）Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（2）按应用分类通用计算机通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各类型的问题。专用计算机功能单一，配有解决特定问题的软、硬件，但能高速可靠地解决特定问题。Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（3）按规模分类巨型机目前速度最快、存储量大、处理能力最强、结构复杂、价格昂贵的计算机。主要用于包含大量数学计算的科学计算和工程计算，比如核武器、反导弹、空间技术、大范围天气预报和地震分析等领域。我国巨型机的研发取得了很大的成绩，推出了“曙光5000”、“天河一号”等代表国内最高水平的巨型机系列。Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（3）按规模分类大型机运算速度快、存储量大、配有丰富多彩的外部设备和功能强大的软件系统。大型机一般作为大型“客户机／服务器”系统的服务器，或“终端／主机”系统中的主机。主要用于大银行、大公司、规模较大的高等学校和科研院（所），用来处理日常大量繁忙的业务。Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（3）按规模分类小型机小型机的指令系统通过微程序实现，一般具有分时操作系统和数据库管理系统，并且有多种高级语言的编译系统，同时带有一些简单的外部设备。今天，小型机已经被高端的个人计算机和服务器取代，术语“小型机”一般不再用。Logo1.2计算机怎么来的？计算机的分类（3）按规模分类微型机20世纪70年代初诞生，又称个人计算机，通常简称微型机或微机。微型计算机的重要标志是运用大规模或超大规模集成电路把整个运算器和控制器（即CPU）集成在一个或几个芯片上。市场上常见的台式机、笔记本电脑和平板电脑等都属于微机范围。Logo1.2计算机的特点（1）发展速度快摩尔定律由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(GordonMoore)提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。Logo1.2计算机的特点（2）性能高运算速度快现在一台很普通的个人计算机，它的速度就达到了每秒计算上亿次的水平。高端的服务器的速度可以达到每秒计算几十亿到几百亿次。超级计算机的计算能力可达每秒千万亿次。Logo1.2计算机的特点（2）性能高计算精度高由于计算机采用二进制数字进行运算，计算精度可以随着表示数字的设备能力的增强而提高，加上先进的计算技巧，计算机的数值计算可根据需要，达到人们要求的计算精度。Logo1.2计算机的特点（2）性能高逻辑判断能力强人是有思维能力的，思维能力本质上是一种逻辑判断能力。计算机除了能进行算术运算外，还可以根据逻辑运算，进行比较、判断。计算机的判断能力不亚于人的大脑，所以计算机被称为“电脑”。Logo1.2计算机的特点（2）性能高自动化程度高计算机是自动化的电子装置。人们事先把需要计算机处理的问题编成程序，并存放在存储器中，当向计算机发出执行命令时，计算机就会在程序的控制下自动运行。我们可以利用计算机的这个特点，去完成那些枯燥乏味令人厌烦的重复性劳动，也可以让计算机控制机器深入到人类自身难以胜任的、有毒的、有害的作业场所。机器人、自动化机床、无人驾驶飞机等都是利用计算机的这个能力。Logo1.2计算机的特点（3）友善性人与计算机之间的交互越来越方便，除了使用键盘、显示器与计算机交互外，人们还用鼠标点击菜单执行指令，用手写板完成文字输入，甚至可以通过麦克风进行语音输入，用手点按触摸屏或通过遥控器指挥计算机工作。Logo1.2计算机的特点（4）复杂性硬件复杂性：一块指甲盖大小的CPU芯片上面集成的晶体管竟高达数百万个甚至上千万个，并错综复杂地互联成一体。存储器、显示卡、接口等也都是用超精密加工方式，在超洁净的工厂里加工而成的。加工时一粒灰尘足以报废一块芯片，一个设计上的小小疏忽就可能导致芯片工作不正常。Logo1.2计算机的特点（4）复杂性软件复杂性：计算机系统软件越来越大，程序设计越来越复杂。例如，Windows2000操作系统的代码量就高达3000万行，足以让成百上千的编程人员工作好几年。这么大的软件调试同样也是相当复杂的，几乎每一个版本都有错误，清除这些错误也往往需要很长的时间和很大的开销，不断地制作“补丁”修补漏洞。Logo目录计算机是什么？1.1计算机怎么来的？1.2计算机能做什么？1.3计算机不能做什么？1.4Logo1.3计算机能做什么？（1）科学计算科学计算也称为数值计算，通常指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。科学计算是计算机最早的也是最基本的应用领域。第一台计算机ENIAC就是用于弹道计算的。借助于计算机的高速度、高精度等性能，解决了人造卫星、原子反应堆和核武器、导弹和航天飞机、大型水利枢纽、大型桥梁以及气象预报、水文预报、大气污染等研究领域中的各种问题。Logo1.3计算机能做什么？（2）数据处理数据处理也称为非数值计算，是指对大量的数据进行加工处理。数据处理的主