1、2023年7月18日,1,第一章 计算机概述及发展,2023年7月18日,2,第一章 计算机的发展史,1.1 计算机概述1.2 计算机的发展1.3 计算机的主要应用领域1.4 计算机系统的主要技术指标1.5 未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,3,提纲,一、计算机概述二、计算机的发展三、计算机的主要应用领域四、计算机系统的主要技术指标五、未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,4,1.1 计算机概述,电子计算机的定义电子数字计算机定义：电子计算机是一种能按照人们事先编好的程序连续、自动地工作，并能对输入的数据信息进行加工、存储、传送的电子设备。电脑,2023年7月18日,5,1.1
2、 计算机概述,计算机的特点运算速度快计算精度高记忆能力强具有逻辑判断能力能自动执行程序可靠性高、通用性强,2023年7月18日,6,1.1 计算机概述,计算机分类专用计算机通用计算机分类巨型机：大型机：小型机：微型机微机、PC机工作站：专用于处理某类特殊事务的高档微机服务器：提供网络服务的高档微机单片机：单片微型计算机(Micro Controller Unit)，民用和工业控制领域。,2023年7月18日,7,提纲,一、计算机概述二、计算机的发展三、计算机的主要应用领域四、计算机系统的主要技术指标五、未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,8,1.2 计算机的发展,先驱的探索，古老的计算
3、从手工到机械自动 史前时期，我们的祖先就采用石块和贝壳记数；周朝，出现了算筹唐代时期，开始使用算盘；17世纪，出现了计算尺；1642年，法国数学家Pascal创造了第一台能完成加、减运算的机械计算器（齿轮加法器），计算税收，世界上第一个机械计算机，是机械计算其发展史上的一个重要里程碑,唐朝算盘,1642年 Pascal 加法器,2023年7月18日,9,1.2 计算机的发展,近代计算机械计算到电动计算 1801年，Joseph-Marie Jacquard展示了一种自动提花织机（Jacquard loom），通过设计不同的控制卡片，能够织出不同的图案。卡片是最早的机械记忆的示例；由于穿孔卡系统
4、只允许两种操作（串线和不串线），这是所有计算机的二进制语言的前身；程序控制概念出现了，这对计算机程序设计的思想产生了巨大的影响。1822年，英国数学家巴贝奇（Charles Babbage）提出了自动计算机的基本概念，并设计出差分机和解析机；Babbage第一次将计算机分为“输入器”“输出器”、“存储器”、“运算器”和“控制器”5个部分，这是现代计算机结构模式的最早构思形式。利用提花织机的穿孔卡的原理控制机器的运行，这就是最早向计算机传送指令的方法。,1801年穿孔卡式提花织机,巴贝奇的 差分机和解析机,2023年7月18日,10,1.2 计算机的发展,近代计算机械计算到电子计算 1884年，
5、美国工程师霍雷斯创造了第一台电动计算机,用于人口普查；（IBM的雏形初现）19世纪末20世纪初，计算机开始了真正意义上的由机械向电子时代的过渡1906 年，美国人Lee De Forest 发明电子管，为电子计算机的发展奠定了基础。电子器件逐渐演变成为计算机的主体，而机械部件则渐渐处于从属位置。计算机也正式开始了由量到质的转变，由此导致电子计算机正式问世。,1888年 Hollerith制表机,2023年7月18日,11,1.2 计算机的发展,1642年 Pascal 加法器,唐朝算盘,1888年 Hollerith制表机,巴贝奇的 差分机和解析机,1801年穿孔卡式提花织机,2023年7月1
6、8日,12,1.2 计算机的发展,计算机理论的奠基人图灵(Alan Turing)逻辑学家，被称为人工智能之父图灵提出了计算抽象模型，被后人称为“图灵机”有限状态自动机一种思想模型，为可计算性理论奠定了基础，是整个现代计算机的理论基础。与“冯诺依曼机”齐名，被永远载入计算机的发展史中。图灵奖ACM设立的计算机界最高奖项,图灵机带子相当于存储器，可以存储计算的中间结果，并作为输入输出的媒介。控制器可以控制读写头在磁带上来回移动并切换状态，控制器的命令相当于指令。图灵机是可编程控制的。,2023年7月18日,13,1.2 计算机的发展,现代计算机的探索1944年，美国哈佛大学数学教授霍华德阿肯提出
7、设计思想，由IBM承建，设计出新一代“自动程序控制计算机”，哈佛Mark-I计算机，机电全自动到电子数字。该机器没有使用电子管，而是使用的老式的继电器，耗资10万美元，重5吨，约有10万个零件，可以进行加、减、乘、除运算。,2023年7月18日,14,1.2 计算机的发展,电子计算机的奠基人是美籍匈牙利科学家冯诺依曼。于1945年提出了“程序内存式”计算机的设计思想：二进制为运算基础；采用“存储程序”方式工作。解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题，为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则，至今一直沿用。,匈牙利原名Neumann Jnos英文名John von
8、Neumann,2023年7月18日,15,冯诺依曼体系结构,计算机的硬件基本结构，由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五部分组成，运算器和控制器组合为中央处理器（Central Processing Unit），简称为CPU。程序和数据放在共享存储器内，CPU取出指令和数据进行相应的计算,2023年7月18日,16,莱布尼茨（1646-1716），德国伟大的数学家、物理学家、唯心主义哲学家。年，系统提出二进制的运算法则。,1与0，一切数字的神奇渊源。这是造物的秘密美妙的典范，因为，一切无非都來自上帝。,二进制的发明者莱布尼茨,德国图灵根著名德郭塔王宫图书馆保存着一份莱布尼茨珍贵的手稿，其
9、标题：,从中国八卦图参悟出二进制数之真谛,2023年7月18日,17,1.2 计算机的发展,第一台电子计算机的诞生 世界上第一台电子数字计算机是1946年2月在美国宾西法尼亚大学诞生的，它称为ENIAC是英文Electronic Numerical Integrator And Calculator 的缩写，意为电子数字积分计算机。18000多只电子管、1500个继电器占地170平米，重达30吨。关于世界上第一台计算机的疑问另一种说法是：世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学的约翰 文森特阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克利福特贝瑞（Cliffo
10、rd Berry）先生在1937年至1941年间开发的“阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，简称ABC）”。,2023年7月18日,18,1.2 计算机的发展,ENIAC包括控制部分、存储部分、运算部分和输入输出部分，采用十进制运算，运算部件通过直接计数而不是利用逻辑电路进行加、减、乘、除等运算。但是，也存在一些严重问题采用十进制运算，因没有十种稳定状态的电气元件，影响了运算速度无程序存储功能，所有功能需要手工设置开关和连线来完成功耗大，ENIAC一启动，费城周围的所有灯光都会变暗,2023年7月18日,19,1.2 计算机的发展,计算机的分代根据电子计算
11、机所采用的电子器件，一般把电子计算机发展分为四个阶段。,2023年7月18日,20,1.2 计算机的发展,采用电子管作为逻辑元件是第一代计算机的标志1950问世的计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动计算机），首次实现了冯诺依曼体系的两个重要设想 IBM公司1952年推出的IBM 701在商战中胜出，不仅使IBM实现了全面的转型，更奠定了IBM的产业霸主地位,电子管,IBM701,2023年7月18日,21,1.2 计算机的发展,电子计算机电子器件的演变,2023年7月18日,22,晶体管,世界上第一台晶体
12、管计算机TRADIC,第二代电子计算机（晶体管计算机）代表机型IBM7094控制台外观,2023年7月18日,23,集成电路的发明开拓了电子器件微型化的新纪元，引领人们走进信息社会。它的诞生使微处理器的出现成为了可能，也使计算机走进人们生产、生活的各个领域，成为人们工作、学习、娱乐不可或缺的工具。,1958年杰克基尔比发明的世界上第一块基于锗的集成电路,1959年罗伯特诺伊斯发明的基于硅的集成电路,集成电路,1962年，世界上第一台采用集成电路计算机IBM360,2023年7月18日,24,IBM360的贡献,IBM S/360计算机的研制过程为现代计算机发展做出了重大的贡献。提出了“兼容性”
13、的概念“兼容性”意味着IBM计算机不管型号上有多大的区别，但必须能够用相同的方式处理相同的指令，共享相同的软件，配置相同的外设，并能够相互连接在一起工作。在此以前，仅IBM公司晶体管计算机就有20多个型号，并且软件、硬件都不能互换使用，给用户带来了极大的不便。开创了软件研发的新纪元为了让软件能够适用于所有的计算机，必须编制几百万条计算机指令。投入编写程序的软件工程师多达2000人，第一次使软件开发的费用超过了硬件。,2023年7月18日,25,1971年，Intel推出的世界上第一款微处理器4004,采用Intel 4004 CPU的Busicom 141-PF计算器，其计算性能与世界上第一台
14、电子管计算机ENIAC（占地167平方米）相当,1981年，IBM公司推出的第一台PCIBM5150,2023年7月18日,26,1.2 计算机的发展,我国电子计算机的发展1958年，我国第一台小型电子管通用计算机103机（八一型）2001年，中科院计算所研制成功我国第一款通用CPU,”龙芯”芯片目前，我国是第三个拥有制造十万亿次超级计算机能力的国家遗憾和落后：高性能CPU等器件的设计和生产能力仍然很低,2023年7月18日,27,1.2 计算机的发展,随着技术的进展，计算机按规模、速度和功能等开始分化成巨型机、通用大型机、小型机和微型机。它们之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功
15、率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。这个时代，微处理器的问世，是微电子领域有史以来最重要的发明之一，微处理器时代的到来预示着微型计算机将获得广泛的应用，更多计算机的出现将对人类社会产生翻天覆地的影响。,2023年7月18日,28,巨型机超级计算机,美国能源部下属洛斯阿拉莫斯国家实验室(Alamos National Laboratory)的IBM超级计算机“走鹃”（Roadrunner）,每秒1.105千万亿次(petaflop/s)的浮点运算速度12960个IBM PowerXCell 8i CPU6480个AMD公司的Opeteron双核处理器内存 103.6
16、TB,2023年7月18日,29,巨型机超级计算机,2008年8月，百万亿次运算 的“曙光5000A”超级计算机峰值运算达230万亿次每秒，运算速度在当时相当于世界第七,2023年7月18日,30,TOP500,中国目前运行速度最快的计算机千万亿次超级计算机曙光“星云”于2010年底落户深圳。曙光“星云”由曙光公司天津产业基地研制生产，其系统峰值为每秒3000万亿次，实测Linpack性能达到每秒1271万亿次，是中国第一台、世界第三台实测双精度浮点计算超过千万亿次的超级计算机。在2010年5月31日发布的第35届全球超级计算机500强排名中，名列第二位。http:/www.top500.or
17、g/,2023年7月18日,31,大型机,大型机（Mainframe）是指在各个大企业、大机关、大公司里面使用的大型计算机系统。，最初这样的计算机都是装在带框（frame）的大铁盒子里面，故此而得名。有完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，具有很强的管理和处理数据的能力。主要用于银行业务、大型企业管理、高校和科研所的科学计算、计算中心和计算机网络等。IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位可靠性（R）、可用性（A）、服务性（S）,2023年7月18日,32,小型机,小型机（Minicomputer）是相对大型机而言的。在计算机的历史上，小型机曾经风光一时。上个世纪60年代，晶体管
18、发明以后，开始出现一种体积比大型机小，功率损耗比大型机少，价格比大型机便宜很多的计算机，开始在各个商业，教学，事业单位使用。,2023年7月18日,33,1.2 计算机的发展,微型计算机的发展直到70年代大规模集成电路的发展及微处理器Intel 4004和Intel 8008的出现，导致了微机的诞生。微机是以微处理器（控制器和运算器）为核心，配备上存储器，输入和输出设备的计算机。微机的发展是随着微处理器的发展而发展的,2023年7月18日,34,1.2 计算机的发展,第一代：微型计算机（19711972年）以4位微处理Intel4004、Intel4040等为代表的微型计算机。第二代：微型计算
19、机（19731977年）以8位微处理Intel8080、ZilogZ80、Motorola 6502为代表的微型计算机。第三代：微型计算机（19781981年）以16位微处理Intel8086、8088、80286为代表的微型计算机。如IBM PC机和286微型计算机。第四代：微型计算机（19812001）以32位微处理Intel 80386、Intel 80486、Pentium（586）、Pentium/IV为代表。第五代：微型计算机（2001以后）Intel 64位奔四处理器AMD推出64位处理器：Opteron（皓龙）2003年3月，Intel有史以来首次发布一种完整的计算解决方案迅驰
20、移动计算技术中国：龙芯二号,2023年7月18日,35,2023年7月18日,36,2023年7月18日,37,1.2 计算机的发展,摩尔定律1965年4月，戈登摩尔（Gorden Moore）在电子学杂志上发表文章预言：集成电路芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。1975年，摩尔又在国际电信联盟的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况把增长率修正为每两年翻一番。,2023年7月18日,38,提纲,一、计算机概述二、计算机的发展三、计算机的主要应用领域四、计算机系统的主要技术指标五、未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,39,1、科学计算,也称数值计算，是指用计算机来解决科学研究和
21、工程技术中所提出的复杂的数学问题。,计算机的主要应用领域,2023年7月18日,40,2、数据处理,也称信息据处理，计算机可以在短时间内对大量数据及各种各样的数据进行处理，以满足信息时代的要求。,2023年7月18日,41,3、自动控制,自动控制是指在工业生产过程中，对控制对象进行自动控制和自动调节的控制方式，又叫过程控制。,2023年7月18日,42,4、计算机辅助设计,利用计算机来辅助人们设计和制造产品。,2023年7月18日,43,5、计算机网络,将在不同地理位置上的计算机或终端连接起来，实现计算机资源共享和通信。,2023年7月18日,44,6、娱乐,可以用微型计算机进行各种娱乐活动。
22、如游戏、听音乐、看电影、新闻等。,2023年7月18日,45,提纲,一、计算机概述二、计算机的发展三、计算机的主要应用领域四、计算机系统的主要技术指标五、未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,46,运算速度字长主频内存容量外设配置,1.4 计算机系统的主要技术指标,2023年7月18日,47,运算速度是指计算机每秒钟内执行指令的数目，单位用MIPS(Million of Instructions Per Second，百万条指令秒)表示。目前微机的运算速度已达到几千万次加减法指令/每秒。截止2009年，IBM的走鹃（Roadrunner）是世界上运行速度最快的计算机，其每秒钟的浮点运算速
23、度为1.105千万亿次(petaflop/s)Tips 有时候，计算机运算速度还用“浮点运算次数”描述。浮点是指浮点数，就是带小数的数。浮点运算比一般的整数运算要复杂得多。巨型机的速度都是用浮点运算次数来描述。浮点运算次数的英文简称是FLOPs，是FLoating point OPerations的缩写。,1.运算速度,2023年7月18日,48,指计算机一次能直接处理的二进制数据的位数。如一台CPU字长为32位，表示其一次能处理的最大二进制数为32。字长的位数越多，计算机的运算能力越强，精度越高。,2.字长,2023年7月18日,49,3.主频,主频是指CPU的时钟频率，即CPU在单位时间（
24、秒）内平均“操作”的次数。通常，时钟频率以兆赫（MHz）为单位。时钟频率越高，其运算速度就越快。主频=外频*倍频（MHz）Intel CPU前端总线=外频*4（MHz）AMD CPU 前端总线=外频*2（MHz）CPU数据带宽=前端总线*8（MB/s）,2023年7月18日,50,4.内存容量,主存储器简称内存。内存越大，则运算或处理信息的速度更快和容量更多。但内存容量越大，机器价格也越高。存储容量一般KB、MB和GB为单位，B（Byte）为字节，8位(bit)二进制数为一个字节，1B=8bit 1KB1024B=210Byte 1MBl024KB 1GB1024MB 1TB 1024GB,2
25、023年7月18日,51,5.高速缓存,主存的存取速度有限，CPU的速度很快，所以当CPU从主存中读取或写入数据时常常需要等待。为了更好提高CPU的效率，产生了高速缓存技术Cache。高速缓存位于CPU和主存之间，用于协调CPU和主存之间的数据传输，即暂存CPU最经常需要使用的部分数据和指令，因为高速缓存Cache存取速度高于主存，能够大大提高系统性能，但Cache一般价格较高，因此容量较小。现代计算机一般使用两级缓存技术，其中一级缓存与CPU集成在一起，速度接近CPU；二级缓存在主板上，可扩展。一般来说，缓存越大，系统的性能越好。,2023年7月18日,52,提纲,一、计算机概述二、计算机的
26、发展简史三、计算机的主要应用领域四、计算机系统的主要技术指标五、未来计算机的发展趋势,2023年7月18日,53,1.5 未来计算机的发展趋势,冯诺依曼体系结构巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化 利用空气的绝缘性能来成倍地提高计算机运行速度的新技术，“空气胶滞体”导线 非冯诺依曼结构有可能引发计算机革命的新技术至少有三种：生物计算机的兴起光子计算机量子计算机,2023年7月18日,54,生物计算机 采用了生物芯片，更高速、更低能耗、具有生物体的一些自适应自修复特点光子计算机 在光子计算技术中，光能够像电一样传送信息，甚至传送效果更好。优点：光传输速度快，光器件能耗低。预计，光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000。难点：光学晶体管的制造技术还不成熟。量子计算机 潜在的运算速度是无止境的。第五代计算机 日本为主,2023年7月18日,55,题后语计算机与通信,信息与通讯技术（InformationandCommunicationsTechnology，简称ICT）I与C的融合，已经带来巨大的成功，未来ICT更是潜力无穷智慧地球感知中国下一代网络、泛在网络、三网融合,2023年7月18日,56,课后练习,课后选择题 1-12从课后简答题 14、16、17中任选一题,2023年7月18日,57,The End,
