第一章:计算机基础知识.ppt
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1、 是现代信息论的著名创始人。是现代信息论的著名创始人。1938年,香侬在发表的论文中,年,香侬在发表的论文中,首次用布尔代数进行开关电路分析,并证明布尔代数的逻辑运算可首次用布尔代数进行开关电路分析,并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。以通过继电器电路来实现。提出了计算机的三条原则:提出了计算机的三条原则:1)以二进制的逻辑基础来实现数字运算,以保证)以二进制的逻辑基础来实现数字运算,以保证 精度;精度;2)利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运)利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运 算,以保证计算速度;算,以保证计算速度;3)采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分)采用
2、把计算功能和二进制数更新存储功能相分 离的结构。离的结构。 奠定现代计算机发展的重要人物和思想图灵与图灵机为纪念图灵对计算机的贡献,为纪念图灵对计算机的贡献,美国计算机博物馆于美国计算机博物馆于1966年年设立了设立了“图灵奖图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种思想模型,图灵机是一种思想模型,它由三部分组成:它由三部分组成:一个控制器,一条可以无限延伸的一个控制器,一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读带子和一个在带子上左右移动的读写头。写头。John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼1949 冯诺依
3、曼计算机存储程序工作原理:存储程序工作原理: 计算机的两个基本能力:一是能够存储程序,二计算机的两个基本能力:一是能够存储程序,二是能够自动地执行程序。是能够自动地执行程序。 计算机是利用计算机是利用“存储器存储器”(内存)来存放所要执(内存)来存放所要执行的程序的,而称之为行的程序的,而称之为CPU的部件可以依次从存储器的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令,并加以分析和执行,直中取出程序中的每一条指令,并加以分析和执行,直至完成全部指令任务为止。至完成全部指令任务为止。第一台电子计算机(ENIAC)在ENIAC的研制过程中,美国数学家冯诺伊曼针对它存在的问题,提出一个全新的通用计算
4、机方案,这就是EDVAC方案。在这个方案中,冯诺伊曼提出了三个重要设计思想: (1) 计算机由5个基本部分组成:、和; (2) 采用二进制形式表示计算机的指令和数据; (3) 将程序(由一系指令组成)和数据存放在存储器中,并让计算机自动地执行程序这就是“”思想的基本定义。 5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170m218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器功率功率150KW第一代第一代(19461958)电子管电子管5千千4万(次万(次/秒)秒)第二代第二代(19591964)晶体管晶体管几十万几十万百万(次百万(次/秒)秒)第三代第三代(19651970)集成电路集
5、成电路百万百万几百万(次几百万(次/秒)秒)第四代第四代(1971至今)至今)集成电路集成电路几百万几百万几亿(次几亿(次/秒)秒)1964年年911机机1966年年112机机按计算机年代(四代电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路)计算机的发展阶计算机的发展阶段段逻辑器件逻辑器件运算速度运算速度起止年代起止年代代表的机型代表的机型特特 点点第第1 1代代电子管几千次/秒19461958UNIVAC-I、IBM650(小型机)和IBM709(大型机)内存储器采用水银延迟线,外存储器有纸带、卡片、磁带和磁鼓。程序设计语言还处于最低阶段,使用机器语方编程,尚无操作系统出现,操作
6、机器困难。第第2 2代代晶体管几十万次/秒19591964IBM-7090 IBM-7094CDC7600内存储器使用磁性材料制成的磁芯,外存储器有磁盘、磁带。出现了监控程序并发展为后来的操作系统,出现了高级程序设计语言BASIC、FORTRAN和COBOL,大大提出了计算机的工作效率。第第3 3代代集成电路几千万次/秒19651970IBM-360系列富士通F230系列体积、重量、功耗都进一步减小,出现了结构化、模块化的程序设计思想,出现了结构化的程序设计语言PASCAL。第第4 4代代大规模集成电路几亿次/秒1971至今IBM-4300系列3080系列、3090系列和9000系列开始引入光
7、盘,外部设备种类和质量都有很大提高。操作系统向虚拟操作系统发展、数据库管理系统不断完善和提高,程序语言进一步发展和改进 计算机发展大体上经历了三个阶段,即计算机发展大体上经历了三个阶段,即、和和。19461981年,计算机应用主要是在传统大型计算机中进行的;年,计算机应用主要是在传统大型计算机中进行的;19811991年,掀起了微型计算机年,掀起了微型计算机(简称微型机、微机或简称微型机、微机或PC机机)的普及应用热潮;从的普及应用热潮;从1991年年开始进入了以计算机网络为中心的新时代。开始进入了以计算机网络为中心的新时代。 1965年年Intel公司的创始人之一戈登公司的创始人之一戈登摩尔
8、曾预言,集成电路中的晶体管数每年摩尔曾预言,集成电路中的晶体管数每年(后后来改成了每隔来改成了每隔18个月个月)将翻一番,芯片的性能也随之提高一倍。这一预言,被计算机将翻一番,芯片的性能也随之提高一倍。这一预言,被计算机界称为界称为“摩尔定律摩尔定律”,近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。随着芯片集成,近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。随着芯片集成度的日益提高和计算机体系结构的不断改进,将会不断出现性能更好、体积更小、度的日益提高和计算机体系结构的不断改进,将会不断出现性能更好、体积更小、价格更低的计算机产品。价格更低的计算机产品。从从角度来看角度来看晶晶体体管管数数单单位位时时间间
9、执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒每每18个月芯片能力增长一倍。个月芯片能力增长一倍。4004197140.723008028619821662513.4万万 803861985年年32164027.5万万804861989年年3225100120万万Pentium1993年年32606233310万万Pentium II1997年年32133450750万万Pentium III1999年年32350550950万万Pentium 42000年年321400以上以上4200万万Itanium(安安腾腾)2001年年648002500万万(不包括不包括Cache)Itanium 2
10、2002年年6490010002.2亿亿 微型机的核心是微处理器,因此微型机的发展历程,从根本上说也就是微处理微型机的核心是微处理器,因此微型机的发展历程,从根本上说也就是微处理器的发展历程。器的发展历程。晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用:天气预报、地震机理研究、超级计算机应用:天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探,卫星图像处理等大量科学计石油和地
11、质勘探,卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。算的高科技领域。中国超级计算机:中国超级计算机:国防科技大学研制的国防科技大学研制的“银河银河1号号”、 “银河银河2号号”和和“银河银河3号号”国家职能计算机中心推出的国家职能计算机中心推出的“曙光曙光1000” 、“曙光曙光200I”和和“曙光曙光3000”Altair 8800计算机不再是单一的计算机器,而是一种计算机不再是单一的计算机器,而是一种信息机器,一种个人的信息机器。信息机器,一种个人的信息机器。计算机技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。使用远程资源,共享程序、使用远程资源,共享程序、数据和信息资源,网络用户
12、数据和信息资源,网络用户的通讯和合作。的通讯和合作。“总有一天,人类会造出一些举止跟人一样的总有一天,人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。 笛卡尔(笛卡尔(1637)人类第一个人类第一个“工业机器人工业机器人”:一头在纺织机上挑纱的一头在纺织机上挑纱的“驴驴”(1742年)年)第一代机器人第一代机器人机械手(机械手(1962年出现)年出现)第二代机器人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人第三代机器人第三代机器人装有启发式计算机的装有启发式计算机的“智能机器人智能机器人” 多媒体技术是多媒体技术是20世纪世纪80年代中后期兴起的一门跨学科的新技术。年代中后
13、期兴起的一门跨学科的新技术。 采用这种技术,可以使计算机具有处理图、文、声、像等多种媒体的能力采用这种技术,可以使计算机具有处理图、文、声、像等多种媒体的能力(即即成为多媒体计算机成为多媒体计算机),从而使计算机的功能更加完善和提高计算机的应用能力。当,从而使计算机的功能更加完善和提高计算机的应用能力。当前全世界已形成一股开发应用多媒体技术的热潮前全世界已形成一股开发应用多媒体技术的热潮 1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长组长 闵大可闵大可电机系教授电机系教授1954年小组经扩充和调整,并入中科院近代物理研究所年小组经扩充和调整
14、,并入中科院近代物理研究所负责人负责人 钱三强钱三强1958年完成第一台电子计算机年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的年中国自行研究的107计算机问世计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机(集成电路)年中国开始研制第三代计算机(集成电路)1977年研制成功中国第一台微机年研制成功中国第一台微机DJS050辉煌:辉煌:打败打败Intel的芯片巨人,迫使的芯片巨人,迫使Intel 于于1985年另辟年另辟战场(微处理器)战场(微处理器)笔记本电脑的领军人物笔记本电脑的领军人物失误:失误:第五代计算机(智能计算机)的开发者第
15、五代计算机(智能计算机)的开发者高清晰度模拟电视高清晰度模拟电视世界软件产业王国世界软件产业王国1985年,印度软件业产值为年,印度软件业产值为美元美元1994年,印度软件业产值为年,印度软件业产值为美元美元2000年,印度软件业产值为年,印度软件业产值为美元美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上,在软件出口规模和质量与总产值的比例上,印度居世界第一。印度居世界第一。计算机是一种计算机是一种“可以传授给人知识的工具可以传授给人知识的工具”,也是一种,也是一种“无比有力的知识工无比有力的知识工具具”。真正对人类生活带来直接冲击的,不是计算机硬件本身,而是来自软件这种真正对人类生活带来直接冲击的
16、,不是计算机硬件本身,而是来自软件这种人类知识的产物。人类知识的产物。按处理数据的方式分类按处理数据的方式分类 :模拟计算机和数字计算机;按应用范围分类:模拟计算机和数字计算机;按应用范围分类:专用计算机和通用计算机;按规模分类:根据计算机规模和性能,可以将计专用计算机和通用计算机;按规模分类:根据计算机规模和性能,可以将计算机分为以下几类:算机分为以下几类:1 1巨型计算机巨型计算机运算速度在每秒亿次以上的计算机可称为巨型计算机。运算速度在每秒亿次以上的计算机可称为巨型计算机。2. 2. 大型计算机大型计算机运算速度在每秒几千万次以上的计算机为大型计算机。运算速度在每秒几千万次以上的计算机为
17、大型计算机。 3. 3. 中型计算机中型计算机 运算速度在每秒百万次以上千万次以下的计算机为中型计算机,与大型运算速度在每秒百万次以上千万次以下的计算机为中型计算机,与大型计算机的区别不甚明显,通常用在国家重点科研机构、重点理工科院校。计算机的区别不甚明显,通常用在国家重点科研机构、重点理工科院校。 4. 4. 小型计算机小型计算机小型计算机的运算速度在每秒几百万次左右小型计算机的运算速度在每秒几百万次左右5 5工作站工作站工作站实际上是一台高档微机。它的运算速度通常比微机快,配有大工作站实际上是一台高档微机。它的运算速度通常比微机快,配有大容量的存储器和大屏幕显示器,并有较强的网络通信功能。
18、它主要用在计算容量的存储器和大屏幕显示器,并有较强的网络通信功能。它主要用在计算机图像处理和计算机辅助设计等专业领域。机图像处理和计算机辅助设计等专业领域。 6 6微型计算机微型计算机 微型计算机也称为个人计算机,简称微机、微型计算机也称为个人计算机,简称微机、PC机。机。 随着计算机技术的发展,各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的随着计算机技术的发展,各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的高档微机,其速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。高档微机,其速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。 计算机采用了高速电子器件和线路,并利用先进的计算技术,使它可计算机采用了高速电子器件和线路,并
19、利用先进的计算技术,使它可以有很高的运算速度。运算速度是指计算机能执行多少百万条指令每秒。以有很高的运算速度。运算速度是指计算机能执行多少百万条指令每秒。常用单位是常用单位是MIPS,例如,主频为,例如,主频为2 GHz的的Pentium 4微型机的运算速度微型机的运算速度为为40亿次每秒,即亿次每秒,即4000 MIPS。一般的计算机运算速度可达几百万次到。一般的计算机运算速度可达几百万次到几亿次每秒,现在有些高档计算机的运算速度甚至可达几百亿次至十几几亿次每秒,现在有些高档计算机的运算速度甚至可达几百亿次至十几太次每秒。太次每秒。1 1、快速运算能力、快速运算能力2 2、计算精度高、计算精
20、度高 由于计算机是根据事先编好的程序自动、连续地工作,可以避免人工由于计算机是根据事先编好的程序自动、连续地工作,可以避免人工计算可能因疲劳、粗心而产生的各种错误。例如,圆周率计算可能因疲劳、粗心而产生的各种错误。例如,圆周率的计算,历的计算,历代科学家采用人工计算只能算出小数点后代科学家采用人工计算只能算出小数点后500位。位。1981年日本人曾利用年日本人曾利用计算机算到小数点后计算机算到小数点后200万位,而目前已计算到小数点后上亿位。万位,而目前已计算到小数点后上亿位。计算机中拥有容量很大的存储设备,不仅可以存储所需的数据信息,计算机中拥有容量很大的存储设备,不仅可以存储所需的数据信息
21、,还可以存储指挥计算机工作的程序,同时可以保存大量的文字、图像、还可以存储指挥计算机工作的程序,同时可以保存大量的文字、图像、声音等信息资料。声音等信息资料。3 3、存储功能强、存储功能强4 4、逻辑判断能力、逻辑判断能力计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础,计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础,是计算机基本的、也是重要的功能。是计算机基本的、也是重要的功能。 计算机是自动化电子装置,在工作中无需人工参与,能自动执行存计算机是自动化电子装置,在工作中无需人工参与,能自动执行存放在存储器中的程序。人们事先编好程序后,向计算机发出指令,计算放在存储器中的
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