计算机概述.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章 计算机基础知识,第,1,节,计算机,概述,计算机是人类历史上最伟大的发明之一，至今已有,70,年的历程，在人类科学发展的历史上，没有哪门科学能想计算机科学这样发展的迅速，并对人类生产、生活、工作和学习产生如此巨大的影响。,计算机是一门科学，也是一种自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理的电子工具。掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识和应用能力，是信息社会中必备的基本素质。,1.1.1,计算机发展简史,计算机发展概况,社会的发展，复杂的计算促进了先进计算工具的出现，如绳结、算盘、计算尺、机械计算机，电子计算机等，特别是战争的需要。,第一台计算机的诞生,世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰,莫克利（,John Mauchly,）和工程师普雷斯伯,埃克特（,J-Presper Eckert,）领导的科研小组于,1943,年开始研制并于,1946,年完成，取名为,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator And Calculator,）电子数字积分计算机。,5000,次加法,/,秒,体重,30,吨,占地,170m,2,17468,只电子管,6000,个继电器,功率,174KW,第一台电子计算机（,ENIAC,）,2.,计算机的分代,第一代,（,1946-1959,）,电子管,5,千,-4,万（次,/,秒,）,第二代,（,1959-1964,）,晶体管,几十万,-,百万（次,/,秒）,第三代,（,1964-1970,）,中小规模集成电路,百万,-,几百万（次,/,秒）,第四代,（,1972-,至今）,(,超）大规模集成电路,几百万,-,几亿（次,/,秒）,第一代,（,19461959,）,电子管,5,千,4,万（次,/,秒）,第一代计算机的特点：,采用电子管作为基本物理器件。体积大、能耗高、速度慢、容量小，应用也仅限于科学计算和军事目的。,20,世纪,50,年代，,IBM 704,型采用电子管的第一代电子计算机。,第二代,（,19591964,）,晶体管,几十万,百万（次,/,秒）,第二代计算机的特点：,采用晶体管作为基本物理器件。体积小、能耗低、稳定性强，这一时期适用于事务处理的,FORTRAN,语言得到广泛的应用，因此，应用范围从单纯的科学计算和军事目的扩展到事务处理、工程设计、数据处理等方面。,IBM,公司于,1959,年生产的,IBM 7090,型采用晶体管的第二代电子计算机。它的体积减小了，运算速度却更快。,ENIAC,划时代的实验装置,晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。,电子管的缺点：,体积大；,耗能高、散热量大。,晶体管的优点：,体积小；,耗能低；,性能稳定。,第三代,（,19641972,）,中小规模集成电路,百万,几百万（次,/,秒）,第三代计算机的特点：,采用中小规模集成电路作为基本物理器件。它具有通用化、系列化、标准化的特点。,1964,年,4,月,IBM360,系统问世。它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表,第四代,（,1972,至今）,（超）大规模集成电路,几百万,几亿（次,/,秒）,第四代计算机的特点：,采用大规模和超大规模集成电路作为基本物理器件。这一时期的计算机计算速度可达几百万甚至上亿次每秒。在系统结构方面发展了并行处理技术分布式计算机系统和计算机网络等；软件方面发展了数据库系统，分布式操作系统、高效可靠的高级语言以及软件工程标准化等。,英国国家航空管理局的控制中心，空中交通管制用,IBM,计算机进行控制,3,、我国计算机发展,1958,年研制出第一台电子计算机，,1964,年研制出第二代计算机,NO.1,天河二号,以持续计算速度每秒,3.39,亿亿次的优越性能位居榜首。天河二,号被,部署到广州的国家超级计算机中心。标志着中国自,2010,年,11,月天河一号成为,500,强榜单第一位的超级计算机之后,，又一,次返回到世界超算第一位。,NO.2,泰坦原世界排名第,1,位，现世界排名第,2,位。取得了持续计算速度每秒,1.76,亿亿次的记录。泰坦是名单上最节能的系统之一。,NO.3,红杉今年名次也下滑一位，现在位于榜单第三位。,红杉于,2011,出世，使用,1572864,核心并已取得了持续计算速度每秒,1.72,亿次的性能记录。,1.1.2,计算机,的,特点,计算机能够按照程序确定的步骤，对输入的数据进行加工处理、存储或传送以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率一级改善人们的生活质量。计算机之所以具有如此强大的功能，能够应用于各个领域是由它的特点决定的。,1,、高速、精确的运算能力,目前世界上已有超过每秒万万亿次运算速度的计算机。,2010,年,11,月天河一号成为,500,强榜单第一位的,超级计算机，,2012,年,6,月公布的世界级超级计算机排名显示，排名第一的是,IBM,的“红杉”（,Sequoia,），其运算速度达到每秒,16324,万亿次浮点运算。我国的“天河一号”运算速度达到,2570,万亿次，排名世界第五。,2013,年,5,月中国的超级计算机,天河,二号,以持续计算速度每秒,3.39,亿亿次的优越性能位居榜首。天河二,号被,部署到广州的国家超级计算机中心。标志着中国,自天河一号之后，又一次返回,到世界超算第一位,。,截止目前为止，天河二号已连续,3,年蝉联超级计算机第一位。,2,、准确的逻辑判断能力,计算机能够进行逻辑处理，也就是说它能够“思考”。这是计算机科学界一直为之努力实现的，虽然它现在的“思考”只能局限在某一个专业的方面，还不具备人类思考的能力，但在信息查询方面，已经能够根据要求进行匹配检索，这已经是计算机的一个常规应用。,3,、强大的存储能力,计算机能存储大量数字、文字、图像、视频、声音等各种信息，“记忆力”大的惊人，它可以轻易的“记住”一个大型图书馆的资料。存储能力不只是存储容量大，而且保存时间长。无论是文字还是图像都可以长期保存。,4,、自动功能,计算机可以将预先编好的一组指令（程序）先“记”下来，然后自动逐条的取出这些指令并执行，工作过程自动化，不需要认为干预，且可反复执行，,5,、网络和通信功能,计算机技术发展到今天，可以将一个个城市计算机连接到一起形成一个网络，也可以将一个个国家的计算机连接在一个计算机网上，目前最大的应用最广的“,Internet,”王连接了,200,多个国家和地区的计算机，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，将世界变成了地球村。,计算机网络的重要意义是：它改变了人类交流的方式和获得信息的途径。,那么为什么计算机会有这么多的特点呢，这是由计算机的体系结构来决定的。讲到这里，,就不能不提到美国科学家冯,.,诺伊曼。,冯,.,诺伊曼,（,Von Neumann,）,说到,计算机，,就不能不提到美国科学家冯,.,诺伊曼。从,20,世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。,20,世纪,30,年代中期，美国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。,冯诺依曼理论的要点是：,数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。,人们把冯诺依曼的这个理论称为,冯诺依曼体系结构,。当前,最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以,冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。,程序内存是诺伊曼的另一杰作。通过对,ENIAC,的考察，诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点没有真正的存储器。,ENIAC,只在,20,个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其他电路中。这样，解题之前，必需先想好所需的全部指令，通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。,针对这个问题，诺伊曼提出了程序内存的思想：把运算程序存在机器的,存储器,中，程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现，标志着电子计算机的成熟，已成为电子计算机设计的基本原则。,根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：,把需要的程序和数据送至计算机中。,必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。,能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。,能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。,能够按照要求将处理结果输出给用户。,为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：,输入数据和程序的,输入设备,记忆程序和数据的,存储器,完成数据加工处理的,运算器,控制程序执行的,控制器,输出处理结果的,输出设备,具体,内容我们第二章再给大家讲解,1.1.3,计算机的应用,计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”因此得名。而今的计算机几乎和所有学科相结合，在经济社会各方面起着越来越重要的作用，现在计算机在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各个领域得到了广泛的应用。,1,、,科学计算,指,计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。一般要求计算机速度快、精度高，存储容量相对大,。如著名的人类基因序列分析计划、导弹、卫星轨道计算，日常的天气预报等等，科学,计算是计算机最早的应用方面,。,2,、,数据,/,信息处理,信息处理,主要是指非数值形式的数据处理，包括对,数据（图像、文字、声音）资料,的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作,。,3,、,过程控制,是指利用计算机对生产过程、制造过程或运行过程进行检测与控制，即通过实时监控目标对象的状态，及时调整被控对象，使被控对象能够正确地完成生产制造或运行。,过程控制的优点：能够代替人在有害的环境中作业，能够保证质量、连续作业，不受外界影响，精度高，速度快，质量好。,广泛应用于,科学技术、军事领域、工业、农业等各个,领域。,4,、,计算机辅助系统,计算机辅助是计算机应用的一个非常广泛的领域，几乎过去所有由人进行的具有设计性质的过程都可让计算机完成部分或全部工作。,有,计算机辅助教学,（,CAI,）,、计算机辅助设计,（,CAD,）,、计算机辅助制造,（,CAM,）,、计算机辅助测试,（,CAT,）,、,计算机方针模拟（,Simulation,）,等系统,。,计算机模拟和仿真是计算机辅助的重要方面，集成电路的设计、测试之复杂是人工难以完成的，只有计算机能做到，再如核爆炸和地震灾害的模拟，对于设计一个电路，使用计算机模拟就可以不使用电源、示波器、万用表等工具进行传统的实验，只要把电路图和使用的元器件通过软件在计算机中就可模拟实现，并可以根据这个结果修改设计。,5,、网络通信,是,计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将处在不同地域的计算机用通讯线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的,。,6,、,人工智能,(AI,),用,计算机模拟人类的某些智力活动。人工智能学科包括：知识工程、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人和神经计算等多方面的研究。目前人工智能已应用于机器人、医疗诊断、故障诊断、计算机辅助教育经营管理等诸多方面。,7,、,多媒体应用,多媒体是数字,、文字、声音、图形、图像和动画等多种,媒体的集合。多媒体技术是指人和计算机交互地进行上述多种媒介信息的捕捉、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为表格、文字、图形、动画、音频、视频、等视听信息有机结合的表现形式。,目前,多媒体计算机技术,的广泛应用于商业、服务业、教育、广告宣传、文化娱乐等方面。多媒体技术和人工智能相结合哈出尽了虚拟现实（,Virtual Reality,）,。,8,、嵌入式系统,不是所有计算机都是通用的。有很多特殊计算机用于不同的设备中，包括大量的消费电子产品和工业制造系统，都是把处理芯片嵌入其中，完成特定的处理任务，成为嵌入式系统。如数码相机、数码摄像机一级高级电动玩具中都是用了不同功能的处理器。,1.1.4,计算机,的分类,1,、按,用途划分,（,1,）通用机：适用解决多种一般问题，该类计算机使用领域广泛、通用性较强，在科学计算、数据处理和过程控制等多种用途中都能适应。,（,2,）专用机：用于解决某个特定方面的问题，配有为解决某问题的软件和硬件，如在生产过程自动化控制、工业智能仪表等专门应用。,2,、按,处理对象划分,（,1,）数字计算机：计算机处理时输入和输出的数值都是数字量。,（,2,）模拟计算机：处理的数据对象直接为连续的电压、温度、速度等模拟数据。,（,3,）数字模拟混合计算机：输入输出既可是数字也可是模拟数据。,3,、按计算机的性能、规模和处理能力，如提及、字长、运算速度、存储容量、外部设备和软件配置等，可将计算机分为巨型机、大型通用机、微型计算机、工作站、服务器等。,1,、巨型机,应用,于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达每秒百万亿次，研制巨型机是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志,。天河二号等。,2,、大型通用机,具有较高的运算速度，每秒可以执行几千万条指令，而且有较大的存储空间。往往用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用,微型计算机,：,是微电子技术飞速发展的产物。它的中央处理器,（,CPU,）采用微处理器芯片，体积小巧轻便，广泛用于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处理。,微型机又分为独立式,微机,（常用的微机），嵌入式微机（用户直接使用的是产品如电冰箱、洗衣机、微波炉等），嵌入式微机一般是单片机或单板机。,微型计算机的结构主要有：单片机、单板机、多芯片机和多板机。,工作站,工作站,是一,种高档的微型计算机，它以,个人计算机和分布式网络计算为基础,，,通常配有,高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内存储器和外部存储器,，并且具有极强的信息和高性能的图形、图像处理功能的计算机。,主要,面向专业应用领域,，为,满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。,服务器,服务器”恰当的描述了计算机在应用中的角色，它是提供“服务”的，作为网络的节点，存储、处理,80%,的数据信息，被称为是,网络的灵魂,。,在网络环境下为多个用户提供服务的共享服务，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等,。,服务器的特点：,只有,在客户机的请求下才为其提供服务,服务器,对客户透明,服务器,严格说是一种软件的概念,1.1.5,计算机科学研究与,应用,最初的计算机知识为了军事上大量数据计算的需要，而如今的计算机可以听、说、看，远远超出了“计算机的机器”这样狭义的概念。本节介绍科学研究方面的人工智能、网格计算、中间件技术和云计算。,1,、人工智能,人工智能的主要内容是研究如何让计算机来完成过去只有人才能做的只能的工作，核心目标是赋予计算机人脑一样的功能。,指纹,识别、计算机辅助翻译、手写输入技术、语音输入,等等。人工智能让计算机有更接近人类的思维和只能，实现人机交互，让计算机能够听懂人们说话，看懂人们的表情，能够进行人脑思维。,2,、网格,计算,研究,如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把它们分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终结果，从而圆满完成一个大型计算任务,。,对,用户而言，就好像拥有了一台功能强大的虚拟计算机，这就是网格计算的思想。,网格计算本质利用,互联网把不同位置的电脑组成一个,“虚拟的超级计算机,”,。它有两个优势：,一是数据处理能力超强,，,二是充分利用网上的闲置处理能力,。,网格技术的特点是：,1,、能够提供资源共享，实现应用程序的互联互通。（计算机网络实现的是硬件的连通，网格实现的是应用层面的连通。）,2,、协同工作。很多网格节点可以共同处理一个项目。,3,、基于国际的开放技术标准。,4,、网格可以提供动态的服务，能够适应变化。,3,、中间件技术,中间件：介于应用软件和操作系统之间的,系统软件。,即在客户机和服务器之间增加一组服务，这种服务就是中间件，如,ODBC,（开放数据库互联）,。,4,、,云计算,是分布式计算、网格计算、并行计算、网络存储及虚拟化计算机和网络技术发展融合的产物，或者说是它们的商业实现。,云计算的构成包括硬件、软件和服务。用户不再需要购买复杂的硬件和软件，只需要支付相应的费用给“云计算”服务商，通过网络就可以方便地获取所需要的计算、存储等资源。,数据在云端，软件在云端，任何时间，任何地点都可以进行计算,1.1.6,未来计算机的发展趋势,1,、电子计算机,的发展,方向,（,1,）巨型,化,指的是计算速度更快、储存容量更大、功能更完善、可靠性更高，其运算速度可达每秒万万亿次，存储容量超过几百,T,字节。巨型计算机主要应用在航空航天、军事工业、气象、电子、人工智能等几十个前沿科学中发挥巨大的作用。,（,2,）,微型化,微型计算机从过去的台式机迅速向便携机、掌上机发展，低廉的价格、方便的使用、丰富的软件，使其受到人们青睐。同时作为工业控制的心脏，使仪器设备实现“智能化”，随着微电子技术的发展，微机的性价比将不断提高，更受人们欢迎。,（,3,）,网络化,网络化是指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，已共享软件、硬件和数据资源。目前在交通、金融、企业管理、教育、电信、商业、娱乐等行业中得到了广泛应用。,（,4,）,智能化,智能化是指计算机模拟人的感觉和思维过程的能力。智能化是计算机发展的一个重要方向。智能计算机具有解决问题和逻辑推理能力的功能以及只是处理和知识库管理的功能等。未来的计算机能够接受自然语言的命令、有视觉听觉和触觉。目前的机器人有的可以代替工人从事危险的劳动，有的能与人下棋等（,AlphaGo,大战李世石）。,2,、未来,新一代,计算机,（,1,）,模糊,计算机,1956,年查得创立了,模糊信息理论,。判断问题不在已是和非两种绝对的值或,0,和,1,两种数码来表示，而是取多指，如接近、几乎、差不多以及差得远等模糊值来表示。用这种模糊不确定的判断进行工程处理的就是模糊计算机。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计算机。模糊计算机除了具有一般的计算机功能外，还具有学习思考判断和对话的能力，甚至可以帮助人们充实复杂的脑力劳动。日本东京以北仙台地铁在模糊计算机控制下，在,1986,年后一直安全平稳运行，,1990,年后，日本松下把模糊计算机应用在洗衣机里，根据衣服的肮脏成都和材料调剂洗衣程序，吸尘器可根据地毯材料和灰尘量和厚度调整其功率，模糊计算机还能应用于疾病诊断、发酵工程控制、海空导航巡视方面。,（,2,）,生物计算机,微电子技术和生物工程,这两项高科技的互相渗透为研究生物计算机提供了可能，原理是脱氧核糖核酸（,DNA,）在不同的状态下可以产生有信息和无信息的变化相当于计算机中的,0,和,1,，将蛋白质分子制成集成电路，即计算机中的芯片，,DNA,发生化学反应转化成另一种基因代码，转换前的相当于输入数据，反应后的相当于运算结果。利用这个过程就可以制成新的生物计算机。生物计算机的研究将是一个漫长的过程。,（,3,）光子,计算机,光子计算机用光信号进行数字计算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成光路技术、把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再利用光导纤维连接成计算机。光子计算机发展取决于光逻辑器件和光存储器件的发展，常用的,CD-ROM,，,VCD,，,DVD,都是光存储的发展产物。美国、日本、德国走在光子计算机发展的前列。,（,4,）超导,计算机,1911,年，昂尼斯发现纯汞可以在,4.2K,的低温下电阻变为零的超导现象。超导分为,低温超导,和,高温超导,两种。而常用的计算机使用的是半导体，如果用超导材料后能耗低、运算速度更快、使用时间更长，目前各国科学家都致力于研究超导计算机，还有很多技术难关待突破。,（,5,）量子,计算机,20,世纪,60,年代至,70,年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力,。,传统的计算机是对二进制位,0,和,1,的编码进行处理并解释为计算结果。每个位的物理实现时通过一个肉眼可见的物理系统完成，例如从数字字母到我们所急用的调制解调器的状态都可以通过一系列的,0,和,1,的组合来代表。传统的计算机和量子计算机的区别是传统计算机准循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机遵循的是第一无二的量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。,在量子计算机中，用“量子位”来代替传统计算机的二进制位。二进制只能用“,0,”和“,1,”表示两个状态表示信息。而量子位则用离子的量子力学状态来表示信息，两个状态可以在一个“量子位”中并存，量子位即可以表示二进制的“,0,”和“,1,”，也可以用这两个状态的组合表示信息。，正因此，量子计算机被认为可以进行传统电子计算机无法完成的复杂计算机，其运算速度是传统计算机无法比拟的。,