计算机的起源与发展历程

1.1计算机的起源与发展历程1.1.4现代计算机的分类1.1.3电子计算机的发展阶段1.1.2电子计算机的问世1.1.1计算机的起源1.1.5未来计算机技术发展展望1.2计算机在信息社会中的应用1.3.1计算机系统的组成1.2.2计算机应用与信息社会1.2.1计算机的特性与应用1.3.2计算机硬件系统的构成1.3计算机系统的组成与工作原理了解计算机的起源与发展历程，计算机在信息社会中的应用，掌握计算机的组成和计算机硬件系统的构成。教学目标及基本要求教学重点计算机的组成和计算机硬件系统的构成。第1讲计算机应用基础知识概述(一)教学难点计算机硬件系统的构成。计算机的起源电子计算机的问世电子计算机的发展阶段现代计算机的分类未来计算机技术发展展望教学内容第1讲计算机应用基础知识概述(一)计算机的特性与应用计算机应用与信息社会计算机系统的组成计算机硬件系统的构成教学内容第1讲计算机应用基础知识概述(一)1学时教学时间第1讲计算机应用基础知识概述(一)1.1计算机的起源与发展历程1.1.1计算机的起源1．最早的计算工具：人的双手（图1-1所示）图1-1人的双手2．劳动实践中发明的计算工具原始社会：结绳、垒石春秋战国：算筹唐代末：算盘（图1-2所示）1.1.1计算机的起源图1-2算盘3．十七世纪以来出现的计算工具1622年英国数学家奥特瑞德：计算尺1642年法国物理学家帕斯卡：齿轮式加减法器1673年德国数学家莱布尼兹：能进行四则运算的机械式计算机1.1.1计算机的起源3．近代的计算机发展1822年英国数学家查尔斯·巴贝奇：差分机1834年英国数学家查尔斯·巴贝奇：分析机1944年美国科学家霍德华·艾肯：提出用机电方法来实现巴贝奇分析机，制造出MarkI计算机1.1.1计算机的起源已使计算机具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构想，建构了今天电子计算机硬件系统组成的基本框架。1.1计算机的起源与发展历程1.1.2电子计算机的问世1．计算机发展中最杰出的代表人物英国的艾兰·图灵主要贡献：一是建立了图灵机（TM）的理论模型，对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响；二是提出了定义机器智能的图灵测试（TuringTest），奠定了“人工智能”的理论基础。计算机发展中最杰出的代表人物美籍匈牙利人冯·诺依曼在纯粹数学、应用数学、量子物理学、逻辑学、气象学、军事学、计算机理论及应用、对策论和经济学诸领域都有重要建树和贡献。首先提出了在计算机内存储程序的概念，使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作，使具有“存储程序”的计算机成为现代计算机的重要标志。1.1.2电子计算机的问世第一台电子计算机：埃尼亚克（ENIAC），如图1-3所示。1946年2月14日诞生于美国。需要功率150kW，17000多只电子管、10000多只电容器、7000多只电阻、1500多个继电器，占地160m2，重30t，是名符其实的庞然大物。优点：每秒能够完成加法运算5000次。利用它计算炮弹从发射到进入轨道的40个点仅用了3s，而用手工操作台式计算机则需7～10小时，速度提高了8400倍以上。缺点：不能存储程序、使用十进制数、且在机外用线路连接的方法来编排程序等严重缺陷。ENIAC宣告了电子计算机时代的到来。2．计算机发展的“第一”第一台电子计算机：埃尼亚克(ENIAC)图1-3埃尼亚克(ENIAC)计算机发展的“第一”第一台“存储程序”式计算机：EDVAC（离散变量自动电子计算机），1952年研制成功并投入使用，其运算速度是ENIAC的240倍。第一台“存储程序”控制的实验室计算机：EDSAC，1949年5月在英国剑桥大学完成。第一台“存储程序”控制的商品化计算机：UNIVAC-I，1951年问世。1.1计算机的起源与发展历程1.1.3电子计算机的发展阶段1．电子管计算机（1946～1957年）组成：基本逻辑元件是电子管，内存储器采用水银延迟线或磁鼓，外存储器采用磁带等。特点：速度慢，可靠性差，体积庞大，功耗高，价格昂贵。编程语言：机器语言，汇编语言。代表产品：ENIAC、EDSAC、UNIVAC-Ⅰ等。应用领域：军事研究中的科学计算。1.1.3电子计算机的发展阶段2．晶体管计算机（1958～1964年）组成：基本逻辑元件为晶体管，内存大量使用磁性材料制成的磁芯，外存采用磁盘和磁带。特点：体积小，重量轻，速度快，逻辑运算功能强，可靠性大大提高。编程语言：汇编语言，FORTRAN、COBOL等。代表产品：IBM700系列。应用领域：扩展到数据处理和工业控制方面。1.1.3电子计算机的发展阶段3．集成电路计算机（1965～1970年）组成：基本逻辑元件为中小规模集成电路，内存大量使用半导体存储器，而外存大量使用高速磁盘。特点：体积、功耗减小，可靠性、运行速度提高，内存容量大，价格低。编程语言：操作系统，BASIC，Pascal等。代表产品：IBM360和PDP-11等。应用领域：已扩大到各个领域。1.1.3电子计算机的发展阶段4．大规模和超大规模集成电路计算机(1971年至今)组成：基本逻辑元件为大规模和超大规模集成电路。内存采用半导体存储器，外存则采用大容量磁盘和光盘。特点：计算机速度达到每秒几百万次至上亿次。编程语言：VC++等面向对象程序设计语言。代表产品：巨型机，工作站，微型计算机，个人计算机（PC）等。1.1计算机的起源与发展历程1.1.4现代计算机的分类1．巨型机：也称为超级计算机特点：占地最大，价格最贵，功能最强，浮点运算速度最快（1998年已达3.9万亿次/秒）。应用领域：多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计，空间技术，石油勘探，中、长期天气预报以及社会模拟等领域。是衡量一个国家经济实力与科技水平的重要标志。1.1.4现代计算机的分类2．小巨型机：也称为小型超级电脑或桌上超级计算机出现于20世纪80年代中期。该机的功能略低于巨型机，速度达1GFLOPS，即每秒10亿次，而价格只有巨型机的十分之一，可满足一些特殊用户的需求。3．大型主机：也称为大型电脑特点：大型、通用，具有很强的处理和管理能力。应用领域：主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和科研院所。1.1.4现代计算机的分类4．小型机特点：结构简单，可靠性高，成本较低，不需要长期培训即可维护和使用。应用领域：主要用于广大中、小用户。1.1.4现代计算机的分类5．工作站特点：是介于PC与小型机之间的一种高档微机，其运算速度比微机快，且有较强的联网功能。应用领域：主要用于特殊的专业领域，例如图像处理、计算机辅助设计等。1.1.4现代计算机的分类6．个人计算机：也就是PC机特点：设计先进（总是率先采用高性能处理器CPU）、软件丰富、功能齐全、价格便宜。应用领域：应用非常广泛，几乎无处不在，无所不用，除了台式的，还有膝上型、笔记本型、掌上型、手表型等。1.1.4现代计算机的分类1.1计算机的起源与发展历程1.1.5未来计算机发展展望计算机发展的整体趋势：体积变小性能提高速度提高1.1.5未来计算机发展展望1．超越冯·诺依曼结构（两个方向）创建新的程序设计语言，即所谓的“非冯·诺依曼语言”：LISP、PROLOG和F.P.LISP语言等。从计算机元件方面，提出了与人脑神经网络相类似的新型超大规模集成电路的设想，即“分子芯片”。1.1.5未来计算机发展展望2．高速计算机新近研制的“空气胶滞体”导线在传输信号的过程中几乎不吸收任何信号，并可以降低电耗，从而成倍地提高计算机的运行速度。运算速度最快的Linux超级计算机：美国IBM公司制造的两台IBMLinux集群计算机，每秒可执行2万亿次浮点运算。1.1.5未来计算机发展展望3．生物计算机（20世纪80年代中期开始）特点：采用了生物芯片，由蛋白质分子构成。信息以波的形式传播，运算速度非常快，能耗低，存储能力大，具有生物体的一些特点，如能自动修复芯片故障，还能模仿人脑的思考机制。应用：美国首次公布的生物计算机被用来模拟电子计算机的逻辑运算，解决虚构的7城市间最佳路径问题。1.1.5未来计算机发展展望4．光学计算机定义：就是利用光作为信息的传输媒体。光子的优点：速度等于光速，具有频率及偏振特征，传输信息能力强，抗干扰能力强。光学计算机特点：并行能力强，具有超高速的运算潜力，且在室温下就可以正常工作。光学计算机研究成果：由法国、德国等60多名科学家联合研制开发成功的世界上第一台光学计算机，其运算速度比目前世界上最快的超级计算机快1000多倍，并且准确性极高。研究现状：目前光学计算机的许多关键技术，如光存储技术与光存储器、光电子集成电路等都已取得重大突破。1.1.5未来计算机发展展望5．量子计算机定义：是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。这种多现实态是量子力学的标志。优点：解题速度快。存储量大。搜索功能强。研究成果：美国科学家已成功实现了4量子位逻辑门，取得了4个锂离子的量子缠结状态。1.2计算机在信息社会中的应用1.2.1计算机的特性与应用1．计算机的基本特性运算速度快：第一台电子计算机的运算速度是每秒5000次，小型机：几百万次/秒，巨型机：几十亿甚至几百亿次/秒。运算精度高：计算机内部采用二进制进行运算，计算的精确度取决于字长和算法。从理论上讲，计算机的运算精度是不受限制的。计算机的基本特性具有逻辑判断能力：由于二进制的采用，使得计算机可以进行逻辑运算并作出判断和选择，使其在某种程度上更接近于“人脑”。具有超强的记忆能力：计算机的存储器中可以存储海量的数据，是单纯的人脑所不能及的。具有自动控制能力：计算机具有逻辑判断能力和记忆能力，使得计算机可以在无需人为干预的情况下自动按照程序设定完成既定任务。计算机的基本特性具有网络功能：大型企事业单位，可以通过计算机进行信息处理，并通过网络实现信息传输和共享，实现其管理工作。目前最大、应用范围最广的“国际互联网”（Internet），连接了全世界190多个国家和地区的几千万台计算机。网上的所有计算机用户可共享网上资料、交流信息、互相学习。1.2.1计算机的特性与应用2．计算机的应用（1）科学计算也称为数值计算，主要是将计算机用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。是计算机的传统应用领域，例如，气象预报、地震探测、导弹卫星轨迹的计算等。计算机的应用（2）数据处理也称信息处理，是对大量非数值数据（文字、符号、声音、图像等）进行加工处理，例如，编辑、排版、分析、检索、统计、传输等。广泛应用于办公自动化、情报检索、事务管理等。近年来，利用计算机来综合处理文字、图形、图像、声音等的多媒体数据处理技术，已成为计算机最重要的发展方向。目前数据处理已成为计算机应用的主流。计算机的应用（3）过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集动态的监测数据，并按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或调节。不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性、准确性和可靠性。主要应用于冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等工业领域，在军事、交通等领域也得到了广泛的应用。计算机的应用（4）企业管理计算机管理信息系统的建立，使各企业的生产管理水平登上了新的台阶。大型企业生产资源规划管理软件（如MRPII）的开发和使用，为企业实现全面资源管理、生产自动化和集成化、提高生产效率和效益奠定了牢固的基础。计算机的应用（5）电子商务是指通过计算机和网络进行的商务活动。计算机网络的建成，使得金融业务率先实现自动化，电子货币改传统的货币交易方式为“电子贸易”，不仅方便快捷，且减少了现金的流通量，避免了货币交易的风险和麻烦。以银行为例，自动化的实现可使银行每日处理上百万笔业务，交易价值达上百万美元。计算机的应用（6）数据库应用（DatabaseApplications）是计算机应用的基本内容之一。任何发达国家，从国民经济信息系统和跨国科技情报网到个人的亲友通信