计算机的发展及应用(精)

第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.1计算机的发展及应用1.2计算机系统简介1.3计算机中的数制与编码1.4本章小结1.5习题第1章计算机概述总目录下一章第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.1.1计算机的发展历史1.1.2计算机的主要特点1.1.3计算机的分类1.1.4计算机的应用领域1.1.5计算机的发展趋势1.1计算机的发展及应用第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.1.1计算机的发展历史第一台计算机的诞生计算机是一种能高速地、自动地进行算术和逻辑运算的电子机器。计算机的发展主要缘于“计算”的需要，飞机的设计、天气预报、导弹的发射、某些工程计算等许多方面都需要高精度和高速度的计算。1946年初，由美国宾夕法尼亚大学、穆尔工学院和美国陆军火炮公司联合研制而成研制出了世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer即电子数值积分计算机）。返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页ENIAC计算机体积庞大，占地约170平方米，总重量达30多吨，使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，每秒钟可做5000次加减运算。ENIAC的诞生宣布了电子计算机时代的到来，具有划时代的意义。图1返本节图2第1章计算机概述上一页下一页返回首页返本节图3第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.第一阶段：电子管计算机(1946～1957年)2.第二阶段：晶体管计算机(1958～1964年)3.第三阶段：集成电路计算机(1965～1970年)4.第四阶段：大规模、超大规模集成电路计算机(1971年至今)经历四个阶段(四代)：返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页返本节图4第1章计算机概述上一页下一页返回首页运算速度快计算精度高记忆能力强具有逻辑判断能力可靠性高通用性强1.1.2计算机的主要特点返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页巨型机大型机小型机微型机服务器工作站1.1.3计算机的分类返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页可以从不同的角度对计算机进行分类。计算处理的信号有数字信号和模拟信号，按计算机处理的信号不同可分为数字计算、模拟计算机和数字模拟混合计算机。数字计算机处理数字信号数据，模拟计算机处理模拟信号数据，数字模拟混合计算机机可以处理数字信号也可以处理模拟信号。计算机按其功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机功能单一、适应性差但是在特定用途下有效、经济、快速。通用计算机功能齐全、适应性强。目前所说的计算机都是指通用计算机。在通用计算机中又可根据运算速度、输入输出能力、数据存储能力、指令系统的规模和机器价格等因素将其划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器及工作站等。返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页返本节.按综合性能指标分类巨型机：速度最快、处理能力最强，多用于高端科研。大型、通用、较快、较强大型机：作“客户机/服务器”的服务器作“终端/主机”的主机小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短工艺先进、使用维护简单。工作站：介于PC与小型机之间，高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜适合普通用户。服务器：大容量的存储设备和丰富的外部设备。运行速度较快，可供网络用户共享访问。第1章计算机概述上一页下一页返回首页科学计算数据处理计算机辅助设计/辅助制造(CAD/CAM)过程控制多媒体技术计算机网络人工智能1.1.4计算机的应用领域返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页巨型化微型化网络化智能化1.1.5计算机的发展趋势返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页巨型化天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量这就需要研制功能更强的巨型计算机。(我国的大型计算机：神威、银河系列、曙光)返本节图5第1章计算机概述上一页下一页返回首页微型化专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。返本节图6Altair8800第1章计算机概述上一页下一页返回首页网络化将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网人们足不出户就可获取大量的信息与世界各地的亲友快捷通信进行网上贸易等等。返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页智能化目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言、能识别图形、会自行学习等等这就需要进一步进行研究。近年来通过进一步的深入研究发现，由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机例如：生物计算机、量子计算机、超导计算机等。返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.2计算机系统简介1.2.1计算机系统的组成1.2.2计算机硬件系统1.2.3计算机软件系统1.2.4程序设计语言第1章计算机概述上一页下一页返回首页冯·诺依曼型计算机的基本结构1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(VonNeumann)提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含3个要点：⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。⑵将指令和数据存放在存储器中。⑶计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”，就是通常所说的“顺序存储程序”概念。我们把按照这一原理设计的计算机称为“冯·诺依曼型计算机”。1.2.1计算机系统的组成返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页.计算机系统的组成图：计算机系统硬件软件主机外设系统软件应用软件中央处理器(CPU)内存储器(ROM、RAM)外存储器输入设备输出设备图7返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.计算机硬件系统的组成计算机的硬件系统是指构成计算机系统的所有实体部件的集合。通常这些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成，它们都是看得见、摸得着的，故通称为“硬件”，是进行一切工作的基础。计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备的设备5部分组成。2.计算机的工作原理见图81.2.2计算机硬件系统返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页计算机的基本硬件结构内（主）存储器运算器控制器CPU主机输入设备输出设备外（辅助）存储器说明：表示控制流表示数据流参见P8图8返本节数据、程序处理结果第1章计算机概述上一页下一页返回首页3.计算机的工作过程4.计算机的性能指标1)主频2)字长3)内存容量4)运算速度5)存取周期通常把运算器和控制器做在一块半导体芯片上，称为中央处理器(微处理器)，简称返本节CPU(CenterProcessingUnit)。第1章计算机概述上一页下一页返回首页几种类型的CPU（奔腾、奔腾Ⅱ、Cyrix686、K6-2）几个常用的硬件图9•CPU字长：内部各寄存器之间一次能够传递的数据位•位宽与外部设备之间一次能够传递的数据位•X位CPU通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。例如，PentiumCPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。•CPU外频：CPU总线频率•CPU主频：CPU内核电路的实际工作频率•生产工艺技术：通常用微米数字来描述早期的芯片CPUP4微处理器内部结构国产“龙芯”返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页补充：我国CPU的发展图10返本节龙芯（Loongson，旧称GODSON[1]）于2002年8月10日，中国科学院计算所自主开发的通用CPU，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。第一型的速度是266MHz，最早在2002年开始使用。龙芯2号速度最高为1GHz。龙芯3号还未有成品，而设计的目标则在多核心的设计。龙芯1号（Godson-1）于2002年研发完成，是一颗32位元的处理器，内频（也称：主频）是266MHz。龙芯2号（Godson-2）于2003年正式完成并发布。龙芯2号是64位元处理器，内频为300MHz至500MHz，500MHz版约与1GHz版的Intel[[PentiumIII]]、Pentium4拥有相近的效能水平。第1章计算机概述上一页下一页返回首页返本节曙光50002008年8月底，由中国科学院计算技术研究所、曙光信息产业有限公司自主研发制造的百万亿次超级计算机——曙光5000A，近日已经在天津高新区的曙光公司产业基地成功下线。曙光5000A高性能计算机是国家863计划高性能计算机及其核心软件重大专项支持的研究项目，是面向网格的高性能计算机，可以为网格提供计算服务，同时也是面向信息服务的超级服务器，可以提供多目标的系统服务。曙光5000A采用网格技术,体系结构以构件性(Component)、标准性(Standard)、协作性(Coordinate)为基准,采用服务化(Service)、安全化(Security)、专业化(Specialization)、智能化(Intellengce)的3SI技术路线。其设计浮点运算速度峰值为每秒230万亿次，采用最新的四核AMDBarcelona(主频2.0GHz)处理器，采用基于刀片架构的HPP体系架构,共有约30000颗计算核心,大于100TB海量内存，700TB数据存储能力，采用低延迟的20Gb的网络互联，Linpack测试速度预测将达到160T，效率大于70%，是目前国内运算速度最快的高性能计算机。曙光5000一天完成的工作量，相当于全中国所有人每天24小时、每年365天利用手持计算机不停地进行计算，46年时间的工作量。图11第1章计算机概述上一页下一页返回首页存储器：存储器是用来存储程序和数据的部件。存储器又分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅助存储器)两类。内存储器简称内存，用来存储当前要执行的程序和数据以及中间结果和最终结果。内存储器又分成随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(RandomOnlyMemory)和高速缓冲存储器Cache。外存储器简称外存，用来存储大量暂时不参与运算的数据和程序以及运算结果。后援存储器（磁带库、光盘）辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）主存储器（DRAM）Cache存储器ALU寄存器存储器层次结构图返本节第1章计算机概述上一页下一页返回首页常见的几种内存条图12返本节用于台式机内存条用于笔记本电脑内存条内存是程序存储的基本要素，存取速度快，但价格较贵，容量不可能配置的非常大；而外存响应速度相对较慢但容量可以做得很大（如一张3.5英寸软盘片容量1.44MB，一张光盘片容量640MB,硬盘容量可达几百GB及以上）。外存价格比较便宜并且可以长期保存大量程序或数据，是计算机中必不可少的重要设备。第1章计算机概述上一页下一页返回首页常见的外存设备图11返本节硬盘移动硬盘光盘数码伴侣(存储卡)软盘U盘图13第1章计算机概述上一页下一页返回首页输入设备：输入设备是将用户的程序、数据和命令输入到计算机的内存的设备。最常用的输入设备是键盘，常用的输入设备还有鼠标器、扫描仪、手写板等。输出设备：输出设备是显示或硬拷贝计算机运算和处理结果的设备。最常用的输出设备是显示器和打印机，常用的输出设备还有绘图仪等。返本节图14图15第1章计算机概述上一页下一页返回首页1.2.3计算机软件系统计算机的软件系统是计算机系统中不可缺少的组成部分，没有软件，计算机是无法正常工作的。只有硬件系统而没有软件系统的计算机称为“裸机”，裸机是无法工作的，必须配备相应的软件系统，计算机才能完成一项项工作。软件是提高计算机