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第1章概述大学计算机基础教程目录1.1计算机的发展1.2计算机的分类1.3计算机的应用领域1.4计算机系统组成2华南理工大学计算机教学团队1.1计算机的发展华南理工大学计算机公共基础教研室31.1.1计算机的诞生（1）•一般认为第一台真正意义下的电子计算机是1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生的，其名称为电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,简称为ENIAC），如图所示。4华南理工大学计算机教学团队1.1.1计算机的诞生（2）•1946年6月，美籍匈牙利数学家冯.诺依曼（vonNeumann），发表了题为“电子计算机装置逻辑结构初探”的论文，并设计出第一台“存储程序”的离散变量自动电子计算机（TheElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,简称为EDVAC）。5华南理工大学计算机教学团队现代计算机之父——冯.诺依曼1.1.2计算机的发展阶段（1）•第一代：电子管计算机（1946年~20世纪50年代中期）主要特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，其主存储器采用磁鼓、磁芯，外存储器采用卡片、纸带、磁带等。存储容量只有几千字节，运算速度为每秒几千次，主要使用机器语言编写程序。这一代的计算机体积大、价格高、维修困难，使用也不方便，只在军事领域或科学研究领域使用，主要用于进行科学计算。华南理工大学计算机教学团队61.1.2计算机的发展阶段（2）•第二代：晶体管计算机（20世纪50年代中期~20世纪60年代中期）主要特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元件，其主存储器使用磁芯，外存储器使用磁带、磁盘。在软件方面开始使用FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理及工业控制。相对第一代计算机，这一代计算机的运行速度更快、体积更小、功能更强。华南理工大学计算机教学团队71.1.2计算机的发展阶段（3）•第三代：集成电路计算机（20世纪60年代中期～20世纪70年代初期）主要特征是采用中、小规模的集成电路作为计算机的逻辑元件，其主存储器开始逐渐采用半导体元件，外存储器采用磁盘。存储容量可达几兆字节，运算速度可达每秒几十万次到几百万次。体积进一步缩小、性能进一步提高、成本进一步降低。在软件方面，操作系统开始使用，使计算机的功能越来越强。从此，计算机进入普及阶段，广泛应用于科学计算、数据处理、过程控制等各个方面。华南理工大学计算机教学团队81.1.2计算机的发展阶段（4）•第四代：大规模集成电路计算机（20世纪70年代初期至今）主要特征是采用了大规模集成电路（LargeScaleIntegration,简称为LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration,简称为VLSI）作为计算机的逻辑元件，其主存储器采用LSI/VLSI半导体芯片，外存储器采用磁盘和光盘。存储容量大大增加，运算速度更快。华南理工大学计算机教学团队91.1.2计算机的发展阶段（5）•1971年，美国英特尔（Intel）公司推出了第一个微处理器芯片Intel4004,如图所示。该微处理器芯片是将中央处理器（CentralProcessingUnit,简称为CPU）集成在一块芯片上，这是大规模集成电路的标志。华南理工大学计算机教学团队第一个微处理器芯片Intel4004101.1.2计算机的发展阶段（6）•1981年，IBM公司推出第一台个人计算机IBMPC（PersonalComputer，简称为PC）5150，如图所示。这台计算机采用Intel公司的8088作为CPU，工作频率为4.77MHz，内存为16KB,一个160KB的5.25英寸的软盘驱动器，一个11.5英寸的单色显示器，没有硬盘，操作系统为微软公司的DOS1.0。华南理工大学计算机教学团队111.1.2计算机的发展阶段（7）•1985年6月，长城0520微机研制成功，如下图所示，这是中国大陆第一台自行研制的兼容微型计算机。华南理工大学计算机教学团队长城0520121.1.3未来的新型计算机（1）•Intel公司创始人之一的GordonMoore于1965年在总结存储芯片的增长规律时指出：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。这种表述没有经过论证，只是一种现象的归纳。但是后来的集成电路工业的发展却很好地验证了这一说法，使其享有了“摩尔定律”的荣誉，如图所示。华南理工大学计算机教学团队131.1.3未来的新型计算机（2）•20世纪70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。当代集成电路在制造技术中采用了光刻技术，集成电路内部的导线宽度达到了几十个纳米。但是，当晶体管元器件尺寸小到一定程度时，将发生电子漂移现象，单个电子将会从线路中“跳”出来，这种单电子的量子行为，即量子效应，将产生干扰作用，晶体管将无法控制电子的进出，从而导致集成电路芯片无法正常工作。目前，计算机集成电路内部线的尺寸将接近这一极限。这就导致了科学家们必须进行新型计算机方面的研究。华南理工大学计算机教学团队141.1.3未来的新型计算机（3）1.量子计算机•对量子计算机的研究，主要目的是为了解决经典计算机中的能耗问题。•与现有的计算机类似，量子计算机的硬件也是由逻辑门原件和存储元件构成。在量子计算机中，数据采用量子位存储。由于量子具有叠加效应，一个量子位可以存储一位二进制数据，0或1，也可以存储两位二进制数据0和1。因此，采用同样数量的存储单元存储信息时，量子计算机存储的信息量比经典计算机存储的信息量大。量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算序列是量子比特序列。华南理工大学计算机教学团队151.1.3未来的新型计算机（4）2.光子计算机•光子计算机是以光子代替电子，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。华南理工大学计算机教学团队161.1.3未来的新型计算机（5）3.生物计算机•生物计算机的运算过程是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。科学家通过对生物组织体的研究，发现生物组织体由无数的细胞组成，细胞由蛋白质、核酸等有机物组成，而有些生物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类利用遗传工程技术，仿制出具有这种性质的蛋白质分子，用来作为制造计算机的元器件。具有这种特征的计算机称为生物计算机。华南理工大学计算机教学团队171.2计算机的分类华南理工大学计算机公共基础教研室181.2.1计算机的类型•按照性能来分，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、和微型计算机。•按照目前计算机市场的分布情况来分，大致可分为：大型计算机、微型计算机、嵌入式系统三类。如图所示。华南理工大学计算机教学团队191.2.2微型计算机的类型（1）1.个人计算机•1981年，IBM公司推出了个人计算机，它使用Intel公司的CPU作为计算机的中央处理器。以后，凡是能够兼容IBMPC的微型计算机都称为“PC机”。目前，大部分微机都是采用Intel公司和AMD公司的CPU产品，这两个公司的CPU与早期的“80X86”系列产品兼容，因此，也将是使用这些CPU产品的微机称为X86系列微机。华南理工大学计算机教学团队201.2.2微型计算机的类型（2）2.苹果系列微机•美国Apple(苹果)电脑公司是早期微机厂商之一，Apple公司目前的微机产品主要有ApplePowerMacG4系列、ApplePowerMacG5系列，如图1.7所示。这些产品在硬件和软件上均与PC机不兼容。Apple公司的PowerMac微机采用Motorola公司和IBM公司联合开发的CPU芯片，ApplePowerMacG5微机采用双64位PowerPCG5处理器，高端的型号拥有两块2.5GHz处理器。Apple微机采用基于UNIX的MacOSX操作系统。华南理工大学计算机教学团队211.2.2微型计算机的类型（3）华南理工大学计算机教学团队图1.7ApplePowerMacG5微机221.2.2微型计算机的类型（4）3.一体微机•由于显示器尺寸关系，早期计算机系统主要有三部分组成：显示器、主机和输入设备。随着显示器尺寸的缩小和超大规模集成电路的应用，电脑厂商开始把主机集成到显示器中，从而形成一体微机（all-in-one，简称为AIO）。如下图所示。华南理工大学计算机教学团队231.2.2微型计算机的类型（5）4.笔记本微机•笔记本微机主要用于移动应用和办公，所以对计算机的体积和重量有限制，要求便于携带。笔记本微机在软件上与台式微机完全兼容，在硬件上虽然按照PC的规范设计、制造，但是，由于受体积、重量的限制，不同厂家设计、制造出来的产品部件一般是不能互换的。在与台式微机配置相同的情况下，笔记本微机的性能要低于台式微机，价格却比台式微机高。笔记本微机屏幕采用液晶显示器，其大小有9、10、11、12、13、14、15、17、19、21英寸等多种类型。华南理工大学计算机教学团队241.2.2微型计算机的类型（6）5.平板微机•平板微机是下一代移动商务PC的代表。从微软提出的平板微机概念产品上看，平板微机就是一款无须翻盖、没有键盘、小到足以放入女士手袋，功能完整的PC机。与笔记本微机相比，它除了拥有其所有功能外，还支持手写输入或者语音输入，移动性和便携性都更胜一筹。•平板微机按结构设计大致可分为两种类型，即集成键盘的“可变式平板微机”和可外接键盘的“纯平板微机”华南理工大学计算机教学团队251.2.2微型计算机的类型（7）华南理工大学计算机教学团队图1.9纯平板微机图1.10可变式平板微机261.2.2微型计算机的类型（8）6.掌上微机•掌上微机也称为PDA、Palm-sizePC、PocketPC。相对于传统微机，PDA的优点是轻便、小巧、可移动性强、功能丰富，具有计算器、记事本、备忘录等多种功能。掌上微机可以与GSM通信网络相连，作为手机使用，也可以进行无线数据传输。缺点是屏幕过小，且电池续航能力有限。华南理工大学计算机教学团队271.2.2微型计算机的类型（9）7.PC服务器•PC服务器一般采用机柜式或刀片组合形式。机柜式PC服务器体积较大，便于日后扩充某些I/O设备；刀片式PC服务器体积较小，采用标准化的尺寸，扩充时在机柜中插入一个刀片式服务器即可。PC服务器的硬、软件都与其它的PC机兼容，处理器采用Intel的高性能CPU，操作系统采用微软的WindowsServer。华南理工大学计算机教学团队281.3计算机的应用领域华南理工大学计算机教学团队291.3计算机的应用领域（1）1．科学计算•科学计算即是数值计算，指应用计算机处理科学研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。•早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断的能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。华南理工大学计算机教学团队4）计算机辅助教学计算机辅助教学(ComputerAidedInstruction，简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术301.3计算机的应用领域（2）2．过程检测与控制•利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行分析处理，