第一章计算机及信息技术概述

教学进度计算机科学与工程系第一章计算机及信息技术概述•计算机的历史和类型•计算机典型应用•计算机的未来发展趋势•计算机学科概要及计算机系统构成•信息技术基础知识•计算思维概述教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识1.1.1计算机发展历史上的重要人物和思想教学进度计算机科学与工程系法国物理学家帕斯卡(1623-1662)1642年，手摇驱动的齿轮进位式计算器1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系1673年，莱布尼茨发明机械式乘除法器1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识英国数学家巴贝奇Babbage1822年，“差分机”教学进度计算机科学与工程系Amodernreconstructionofthedifferenceengine.Fromei.cs.vt.edu/~history教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识巴贝奇试图发明功能更好的通用计算机——分析机，1834年据说成功了。教学进度计算机科学与工程系英国女数学家阿达(1815-1852)是巴贝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上“第一件计算机程序”。她还建议分析机用二进制存储。预言分析机能唱歌、绘画。英国诗人拜伦的女儿1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系教学进度计算机科学与工程系英国科学家阿兰图灵(理论计算机的奠基人1912-1954)1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器，隐含了现代计算机中“存储程序”的基本思想。半个世纪以来，数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。控制器（含运算功能）可在纸带上左右移动的读写头，用于读写数据(输入输出设备)可无限延伸的纸带。用于存储程序和数据（存储器）1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系美籍匈牙利数学家冯诺依曼1.1计算机基础知识冯·诺依曼：“如果不考虑巴贝奇、阿达和其他人早先提出的有关思想，计算机基本概念只能属于阿兰·图灵”教学进度计算机科学与工程系•计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；•应采用二进制简化机器的电路设计；•采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。1.1计算机基础知识七十多年来，现代计算机基本结构仍然是“冯·诺依曼计算机”。教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识1946年2月由宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC是第一台电子数字计算机。ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator电子数字积分计算机重30吨，占地167m2，耗电150千瓦18800个电子管，1500个继电器，保存80个字节每秒钟可做5000次加减法或400次乘法运算。“诞生了一个电子的大脑”致命缺陷：没有存储程序。1.1.2电子计算机时代教学进度计算机科学与工程系电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。第一代计算机1946－1958年以电子管为主要元件代表机型：ENIAC1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识第二代计算机1958－1964年以晶体管为主要元件采用晶体管的第二代电子计算机IBM7090型教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识第三代计算机1964－1971年以集成电路为主要元件采用集成电路的第一台电子计算机IBM360型教学进度计算机科学与工程系第四代计算机1971年至今以大规模/超大集成电路为主要元件巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系第五代计算机：据说是智能计算机1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系教学进度计算机科学与工程系巨型机大型机小型机微型机工作站服务器嵌入式计算机按计算机规模分类1.1计算机基础知识1.1.3计算机类型按计算机用途分类通用计算机专用计算机教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。运算速度快计算精度高存储容量大具有逻辑判断能力按照程序自动运行计算机特点1.1.4计算机的特点及应用领域教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识科学计算数据处理过程与实时控制人工智能计算机辅助设计与制造计算机应用领域远程通信与网络应用多媒体与虚拟现实教学进度计算机科学与工程系微机的发展(1975-1995)•1975年第一台个人电脑问世。•1981年第一台IBM-PC问世。•1985年386；1989年486；1993年奔腾出现。CPU进入32位时代。•1989年多媒体声卡问世。•1995年个人电脑出现CD-ROM光驱。•1995年Win95问世，操作系统进入Windows时代。多媒体和图形界面的出现使电脑真正进入家庭。教学进度计算机科学与工程系•1995年，3D加速芯片使显卡性能有了很大的发展。•1998年USB在PC上出现，即插即用的电子消费产品MP3/MP4等大量涌现。•Intel的CPU频率（2000年P4，2GHz；2004年P4，3.8GHz）。•2001年WindowsXP，集成大量应用程序，例如IE、MediaPlayer、图像浏览等。•2004年Google进入桌面，搜索大战。微机的发展(1995-2005)教学进度计算机科学与工程系电脑的展望：64位与双核•2003年9月，AMD公司生产了进入个人电脑最早64位CPU。•2005年4月，64位WindowsXP操作系统问世。。•2005年4月，CPU进入双核和多核时代。•2006年，WindowsVista32位/64位操作系统发布。教学进度计算机科学与工程系计算机发展趋势——巨型化CRAY-Ⅱ银河Ⅱ1.1.5未来的计算机1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系1.1计算机基础知识LosAlamosNationalLaboratoryOakRidgeNationalLaboratoryNASA/AmesResearchCenterLawrenceLivermoreNationalLaboratoryArgonneNationalLaboratoryTexasAdvancedComputingCenterNERSC/LBNLOakRidgeNationalLaboratoryNNSA/SandiaNationalLaboratoriesShanghaiSupercomputerCenter1Tianhe-2(MilkyWay-2)-TH-IVB-FEPCluster,IntelXeonE5-269212C2.200GHz,THExpress-2,IntelXeonPhi31S1PNUDT2Titan-CrayXK7,Opteron627416C2.200GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIAK20xCrayInc.3Sequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM4Kcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,TofuinterconnectFujitsu5Mira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM6PizDaint-CrayXC30,XeonE5-26708C2.600GHz,Ariesinterconnect,NVIDIAK20xCrayInc.7Stampede-PowerEdgeC8220,XeonE5-26808C2.700GHz,InfinibandFDR,IntelXeonPhiSE10PDell8JUQUEEN-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM9Vulcan-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM10SuperMUC-iDataPlexDX360M4,XeonE5-26808C2.70GHz,InfinibandFDRIBMTOP10November2013教学进度计算机科学与工程系•天河二号•“天河二号”同“天河一号”一样由中国国防科技大学开发，将于本年底在广州国家超级计算机中心投入使用。天河二号拥有多达312万计算机核心，102.4万GB内存，每秒浮点运算速度达33.86千万亿次，理论浮点运算速度峰值达54.90千万亿次，操作系统为中国自主研发的麒麟Linux。•美国“泰坦”•美国“红杉”•日本“KComputer”•美国“米拉”•美国“Stampede”•…教学进度计算机科学与工程系•Thesystemsranked#1since1993•IBMRoadrunner(since2008.06)•IBMBlueGene/L(2004.11-2008.06)•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)教学进度计算机科学与工程系计算机发展趋势——微型化1981年IBMPC计算机不再是单一的计算机器，而是一种个人的信息机器。1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系计算机发展趋势——网络化计算机网络：计算机技术＋通信技术网络的发展动力：共享远程资源，实现通信和合作。1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系计算机发展趋势——智能化DeepblueGarryKasparov1996年2月10日，卡斯帕罗夫战胜“深蓝”1997年5月12日，卡斯帕罗夫负于“更深的蓝”智能计算机将是一种具有类似于人的思维能力，能听会说，能想会做，能代替人的体力劳动以及脑力劳动的智能机器人。1.1计算机基础知识教学进度计算机科学与工程系未来的计算机——光计算机用光子器件替代电子器件。1.1计算机基础知识未来的计算机——生物计算机用生物工程技术生产的蛋白质分子作元件制成集成电路。未来的计算机——量子计算机利用处于多态的原子进行计算。最小的信息单元是一个量子比特。教学进度计算机科学与工程系1.2.1计算机硬件系统1.2计算机系统构成冯•诺依曼计算机结构计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。控制信号流数据流教学进度计算机科学与工程系计算机系统硬件软件中央处理器运算器控制器存储器内存外存ROMRAM输入输出设备系统软件应用软件磁盘光盘软盘硬盘键盘、鼠标、显示器、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、麦克风、音箱……1.2计算机系统构成教学进度计算机科学与工程系用户程序或文档其它系统软件操作系统硬件应用软件是指用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编写的程序。系统软件主要包括：（1）操作系统。（2）语言处理程序。（3）监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序等。1.2.2计算机软件系统1.2计算机系统构成教学进度计算机科学与工程系1.3.1信息技术概念1.3信息技术基础知识信息是一种知识，是接受者事先不知道不了解的知识。数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。4次信息革命：文字、造纸和印刷术、电报电话广播电视、计算机与网络信息≠数据现代信息技术：计算机技术＋微电子技术＋通信技术