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01_第1章计算机系统概述第第1 1章章 计算机系统概述计算机系统概述第第2 2章章 信息编码及在计算机中的表示信息编码及在计算机中的表示第第3 3章章 运算方法及运算器运算方法及运算器第第4 4章章 计算机的指令系统计算机的指令系统第第5 5章章 计算机的存储系统计算机的存储系统第第6 6章章 中央处理器中央处理器第第7 7章章 系统总线系统总线第第8 8章章 外围设备外围设备第第9 9章章 输入输入/输出系统输出系统目目 录录1.1.1 1.1.1 电子计算机的发展历史电子计算机的发展历史 世界上第一台电子计算机是在世界上第一台电子计算机是在19461946年由美国的年由美国的物理学家莫奇利物理学家莫奇利(John Mauchly)(John Mauchly)博士和埃克特博士博士和埃克特博士(J.Presper Eckert)(J.Presper Eckert)等人在宾夕法尼亚大学设计制等人在宾夕法尼亚大学设计制造的。起名叫造的。起名叫ENIACENIAC，ENIACENIAC的诞生，为计算机和信的诞生，为计算机和信息产业的发展奠定了基础，它在美国陆军弹道研究息产业的发展奠定了基础，它在美国陆军弹道研究所运行了约十年，一直工作到所运行了约十年，一直工作到19551955年。年。两两个个主主要要缺缺点点：一一是是存存储储容容量量太太小小 ；二二是是准准备时间太长。备时间太长。1-11-1 计算机发展与组成计算机发展与组成1946-1958 第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言、汇编语言编程。世界上第一台数字计算机ENIAC。1-1-1 1-1-1 发展概况发展概况1958-1964 第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。1964-1971 第三代集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。1971-第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。1981-第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。1946年由美国宾夕法尼亚大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），运算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造价100万美元。世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，由美国宾夕，由美国宾夕法尼亚大学于法尼亚大学于19461946年研制成功并投入使用。年研制成功并投入使用。世世界界上上第第一一台台具具有有存存储储程程序序功功能能的的计计算算机机叫叫EDVACEDVAC，译译作作“埃埃德德瓦瓦克克”，它它是是由由曾曾担担任任ENIACENIAC小小组组顾顾问问的的著著名名的的美美籍籍匈匈牙牙利利数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼(VonNeumann)(VonNeumann)博博士士领领导导设设计计的的。冯冯诺诺依依曼曼提提出出的的存存储储程程序序和和程程序序控控制制的的理理论论，及及他他首首先先确确立立的的计计算算机机硬硬件件由由输输入入部部件件、输输出出部部件件、运运算算器器、存存储储器器、控控制制器器五五个个基基本本部部件件组组成成的的基基本本结结构构和和组组成成的的思思想想，奠奠定定了了现现代代计计算算机机的的理理论论基基础础，计计算算机机发发展展至至今今，整整个个四四代代计计算算机机统统称称为为冯冯诺诺依依曼曼结结构构计计算算机机，世世人也称冯人也称冯诺依曼为诺依曼为“计算机鼻祖计算机鼻祖”。世世界界上上第第一一台台投投入入运运行行的的存存储储程程序序式式的的电电子子计计算算机机是是EDSACEDSAC，译译作作“埃埃德德沙沙克克”，该该机机于于19491949年年5 5月制成并投入运行，比月制成并投入运行，比EDVACEDVAC早一年多。早一年多。从从电电子子管管、晶晶体体管管、中中小小规规模模集集成成电电路路到到大大规规模模、超超大大规规模模集集成成电电路路计计算算机机的的发发展展道道路路，现现在在正正在在向向智智能能计计算算机机和和神神经经网网络络计计算算机机的的方方向向发发展。展。2020世世纪纪4040年年代代末末到到5050年年代代中中期期的的计计算算机机都都是是采采用用电电子子管管元元件件组组成成的的,此此时时计计算算机机称称为为第第一一代代计计算算机机,也也就就是是电电子子管管时时代的计算机。代的计算机。2020世世纪纪5050年年代代中中期期,晶晶体体管管发发明明了了,它它使使计计算算机机技技术术产产生生了了革革命命性性的的变变化化。晶晶体体管管很很快快代代替替电电子子管管用用到到计计算算机机上上，形形成了成了第二代第二代计算机，即晶体管计算机时代。计算机，即晶体管计算机时代。2020世世纪纪6060年年代代中中期期,半半导导体体工工艺艺的的发发展展,制制造造成成功功了了集集成成电电路路,计计算算机机也也开开始始采采用用中中小小规规模模集集成成电电路路作作为为计计算算机机的的主主要要元件，故元件，故第三代第三代计算机又称为中小规模集成电路计算机时代。计算机又称为中小规模集成电路计算机时代。19711971年年起起,第第四四代代大大规规模模超超大大规规模模集集成成电电路路计计算算机机时代。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。时代。这一代计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。以计算机所采用的元器件划分计算机的发展阶段以计算机所采用的元器件划分计算机的发展阶段 计计算算机机的的发发展展大大致致分分为为四四个个时时期期，大大型型机机时时期期、小小型型机机时时期期、PCPC机机时时期期（或或客客户户/服服务务器器、PC/PC/服服务务器器）时时期期和和InternetInternet（或以网络为中心）时期。（或以网络为中心）时期。大大型型机机时时期期(1946(1946年年7070年年代代初初)：7070年年代代初初以以前前主主要要生产大型机，生产大型机，IBMIBM公司生产的大型机占据着主要市场。公司生产的大型机占据着主要市场。小小型型机机时时期期(70(70年年代代初初8080年年代代初初)：以以DECDEC公公司司生生产产的的PDP-11PDP-11和和VAX-11VAX-11为为代代表表，这这两两种种机机型型占占领领了了当当时时的的小小型型机机市场。市场。PCPC机机时时期期(80(80年年代代初初9090年年代代初初)：8080年年代代起起进进入入了了PCPC机机时时代代，MicrosoftMicrosoft和和IntelIntel这这两两个个公公司司领领导导着着PCPC机机的的发发展展潮流。潮流。InternetInternet时时期期(90(90年年代代初初现现在在)：谁谁将将在在这这个个时时期期成成为领导为领导InternetInternet的发展，有待实践证明。的发展，有待实践证明。以计算机所应用特点划分计算机的发展阶段以计算机所应用特点划分计算机的发展阶段计算机的发展简史类型类型类型类型时期时期时期时期主要器件主要器件主要器件主要器件重重重重 要要要要 特特特特 征征征征第一代第一代第一代第一代1946-1946-19581958电子管电子管电子管电子管机器语言，汇编语言，速度低，体机器语言，汇编语言，速度低，体机器语言，汇编语言，速度低，体机器语言，汇编语言，速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算科学计算科学计算科学计算第二代第二代第二代第二代1958-1958-19641964晶体管晶体管晶体管晶体管算法语言，操作系统，体积缩小，算法语言，操作系统，体积缩小，算法语言，操作系统，体积缩小，算法语言，操作系统，体积缩小，可靠性提高，从科学计算扩大到数可靠性提高，从科学计算扩大到数可靠性提高，从科学计算扩大到数可靠性提高，从科学计算扩大到数据处理据处理据处理据处理第三代第三代第三代第三代1964-1964-19711971中、小规模中、小规模中、小规模中、小规模集成电路集成电路集成电路集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达体积小，可靠性大大提高，速度达几几几几MIPSMIPS，机种多样化，机种多样化，机种多样化，机种多样化，“小型计算小型计算小型计算小型计算机机机机”出现，出现，出现，出现，软件技术和外设发展迅软件技术和外设发展迅软件技术和外设发展迅软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大速应用领域不断扩大速应用领域不断扩大速应用领域不断扩大第四代第四代第四代第四代1971-1971-中、大及超中、大及超中、大及超中、大及超大规模集成大规模集成大规模集成大规模集成电路电路电路电路速度提高至速度提高至速度提高至速度提高至GIPSGIPS乃至乃至乃至乃至TIPSTIPS水平，多水平，多水平，多水平，多机并行处理和计算机网络迅速发展。机并行处理和计算机网络迅速发展。机并行处理和计算机网络迅速发展。机并行处理和计算机网络迅速发展。“微型计算机微型计算机微型计算机微型计算机”出现出现出现出现 各时代代表机型各时代代表机型各时代代表机型各时代代表机型时代时代机型机型产地产地产地产地一一ENIAC 1946 ENIAC 1946 十进制十进制EDSAC 1949 EDSAC 1949 二进制和二进制和“存储程序存储程序”103103（M-3M-3）195759 195759美美美美.宾州大学宾州大学宾州大学宾州大学英英英英.剑桥大学剑桥大学剑桥大学剑桥大学中科院计算所中科院计算所中科院计算所中科院计算所二二IBM 7090 1958IBM 7090 1958DJS-21,108,X-2,441BDJS-21,108,X-2,441B IBMIBM中国中国中国中国三三IBM360/370IBM360/370系列系列CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1CDC6000/7600,STAR-100,CRAY-1NOVA,PDP-11NOVA,PDP-11DJS-130/200DJS-130/200IBMIBMCDCCDC美美美美中国中国中国中国四四微型机微型机微型机微型机 APPLE,IBM-PC APPLE,IBM-PCVAXVAX系列系列系列系列长城长城长城长城0520,.0520,.APPLE APPLE，IBMIBMDECDEC长城计算机长城计算机长城计算机长城计算机1.1.2 1.1.2 微型计算机的发展历史微型计算机的发展历史 微型计算机以微型计算机以微处理器为核心微处理器为核心的计算机，属于第四代计算机。的计算机，属于第四代计算机。第第一一代代微微型型计计算算机机是是以以4 4位位微微处处理理器器和和早早期期的的8 8位位微微处处理理器器为为核核心心的的微微型型计计算算机机，4 4位位微微处处理理器器的的典典型型产产品品是是Intel4004Intel4004、40404040，早期的，早期的8 8位微处理器的典型产品是位微处理器的典型产品是Intel8008Intel8008。19731973年年1212月月，Intel8080Intel8080的的研研制制成成功功，标标志志着着第第二二代代微微型型计计算机的开始。算机的开始。19781978年年,INTEL,INTEL公公司司推推出出了了第第三三代代微微处处理理器器的的代代表表产产品品Intel8086Intel8086，接着又推出，接着又推出Intel8088(1979Intel8088(1979年年)。19851985年年 1010月月，INTELINTEL公公 司司 推推 出出 了了 3232位位 字字 长长 的的 微微 处处 理理 器器Intel80386Intel80386，标志了，标志了第四代第四代微型计算机的开始。微型计算机的开始。第第五五代代微微处处理理器器是是字字长长为为6464位位的的微微处处理理器器。20012001年年5 5月月2929日日IntelIntel公公司司正正式式发发布布推推出出的的6464位位微微处处理理器器芯芯片片ItaniumItanium，标标志志着着第五代微第五代微处处理器的开始。理器的开始。第四代计算机中微处理器的发展：Intel 4004 19711971年年1 1月，月，IntelIntel公司的霍夫研制成功世界上第公司的霍夫研制成功世界上第一块一块4 4位位芯片芯片Intel 4004Intel 4004，标志着，标志着第一代微处理器第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。问世，微处理器和微机时代从此开始。19711971年年1111月，月，IntelIntel推出推出MCS-4MCS-4微型计算机系统微型计算机系统（包括（包括4001 ROM4001 ROM芯片、芯片、4002 RAM4002 RAM芯片、芯片、40034003移位寄存器芯片和移位寄存器芯片和40044004微处理器）微处理器）4004 40044004包含包含23002300个晶体管，尺寸规格为个晶体管，尺寸规格为3mm4mm3mm4mm，计，计算性能远远超过当年的算性能远远超过当年的ENIACENIAC，最初售价为，最初售价为200200美元。美元。8080 第二代微处理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。Intel 8086 第三代微处理器19781978年年6 6月，月，IntelIntel推出推出4.77MHz4.77MHz的的80868086微处理器，微处理器，标志着第三代微处理器问世。它采用标志着第三代微处理器问世。它采用1616位寄存器、位寄存器、1616位数据总线和位数据总线和2900029000个个3 3微米技术的晶体管，售微米技术的晶体管，售价价360360美元。美元。Z80微处理器 ZilogZilog公司于公司于19761976年开发的年开发的Z80Z80微处理器，广泛用微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，于微型计算机和工业自动控制设备。当时，zilogzilog、MotorolaMotorola和和IntelIntel在微处理器领域三足鼎立。在微处理器领域三足鼎立。第一台第一台微型计算机微型计算机：Altair 8800 19751975年年4 4月，月，MITSMITS发布第一个通用型发布第一个通用型Altair 8800Altair 8800，售价售价375375美元，带有美元，带有1KB1KB存储器。这是世界上第一台存储器。这是世界上第一台微型计算机。微型计算机。AltairAltair定位在青年电脑迷市场定位在青年电脑迷市场 Paul AllenPaul Allen和和Bill GatesBill Gates在三周内为在三周内为AltairAltair开发出开发出BASICBASIC语言，语言，MITSMITS成为两个未来富翁的第一个客户成为两个未来富翁的第一个客户 Apple19761976年年3 3月，月，Steve WozniakSteve Wozniak和和Steve JobsSteve Jobs开发出微开发出微型计算机型计算机Apple IApple I，4 4月月1 1日愚人节这天，两个日愚人节这天，两个SteveSteve成成立了立了AppleApple计算机公司。计算机公司。Apple IIApple II是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价是第一个带有彩色图形的个人计算机，售价为为13001300美元。美元。Apple IIApple II及其系列改进机型风靡一时，及其系列改进机型风靡一时，这使这使AppleApple成为微型机时代最成功的计算机公司。成为微型机时代最成功的计算机公司。1981-PC元年早在早在19801980年年7 7月，一个负责月，一个负责“跳棋计划跳棋计划”的的1313人小组秘密来人小组秘密来到佛罗里达州波克罗顿镇的到佛罗里达州波克罗顿镇的IBMIBM研究发展中心，开始开发研究发展中心，开始开发后来被称为后来被称为IBM PCIBM PC的产品。一年后的的产品。一年后的8 8月月1212日，日，IBMIBM公司公司在纽约宣布第一台在纽约宣布第一台IBM PCIBM PC诞生，这个开创计算机历史新诞生，这个开创计算机历史新篇章的时刻。篇章的时刻。第一台第一台IBM PCIBM PC采用了主频为采用了主频为4.77MHz4.77MHz的的Intel 8088Intel 8088操作系统是操作系统是MicrosoftMicrosoft提供的提供的MS-DOSMS-DOSIBMIBM将其命名为将其命名为“个人电脑（个人电脑（Personal ComputerPersonal Computer）计算机的发展日新月异 从计算机的规模，运算速度上看，巨型机、大型机、中型机、小型机、巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机微型机、单片机从CPU的发展来看 400440048008-8086-8088-80186-8008-8086-8088-80186-80286-80386-80486-586-80286-80386-80486-586-pentium-PII-PIII-P4pentium-PII-PIII-P41.1.3 1.1.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势巨型化巨型化微小化微小化网络化网络化智能化智能化多媒体化多媒体化1.巨型化 巨型化是指发展高速的、大存储量和强功能的巨型计算机。巨型计算机主要应用于天文、气象、地质和核反应、航天飞机、卫星轨道计算等尖端科学技术领域,研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。因此，工业发达国家都十分重视巨型计算机的研制。目前运算速度为每秒几千亿次的巨型计算机已经投入运行，每秒上万亿次的巨型计算机也正在研制中。2.微小化 微小化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低，计算机的微小化已成为计算机发展的重要方向。各种便携式计算机、笔记本式计算机和手掌式计算机的大量面世和使用，是计算机微小化的一个标志。3.网络化 计算机网络化是计算机发展的又一个趋势。从计算机网络化是计算机发展的又一个趋势。从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。所单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化是指用现代通信技术和计算机技术谓计算机网络化是指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连起来，组成一个规把分布在不同地点的计算机互连起来，组成一个规模大、功能强的可以互相传输信息的网络结构。网模大、功能强的可以互相传输信息的网络结构。网络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资源能络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。今天，计算机网络可以通过被网络上的用户共享。今天，计算机网络可以通过卫星将远隔千山万水的计算机联入国际网络，如卫星将远隔千山万水的计算机联入国际网络，如InternetInternet。当前发展很快的微机局部网络正在现代。当前发展很快的微机局部网络正在现代企事业管理中发挥越来越重要的作用。计算机网络企事业管理中发挥越来越重要的作用。计算机网络是信息社会的重要技术基础。是信息社会的重要技术基础。4.智能化 计算机智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，即使计算机成为智能计算机。这也是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前，已研制出多种具有人的部分智能的“机器人”，可以代替人在一些危险的工作岗位上工作。5.多媒体计算机 多媒体技术是当前计算机领域中最引人注目的高新技术之一。多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机，这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机的联系，集成为一个系统，并具有交互性。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着人类接受和处理信息的最自然的方式发展。计算机发展的理论基础和规律1 1、逻辑代数、逻辑代数、逻辑代数、逻辑代数2 2、图灵机：、图灵机：、图灵机：、图灵机：英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来英国数学家图灵证明理想的通用数字计算机是可以制造出来的。现代通用数字计算机的数学模型的。现代通用数字计算机的数学模型的。现代通用数字计算机的数学模型的。现代通用数字计算机的数学模型3 3、冯、冯、冯、冯.诺依曼计算机原理：诺依曼计算机原理：诺依曼计算机原理：诺依曼计算机原理：二进制二进制二进制二进制存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行(程序控程序控程序控程序控制）制）制）制）4 4、MooreMoore定律：定律：定律：定律：微处理器内晶体管数每微处理器内晶体管数每微处理器内晶体管数每微处理器内晶体管数每1818个月翻一番个月翻一番个月翻一番个月翻一番5 5、BellBell定律：定律：定律：定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每如果保持计算能力不变，微处理器的价格每如果保持计算能力不变，微处理器的价格每如果保持计算能力不变，微处理器的价格每1818个月减少一半个月减少一半个月减少一半个月减少一半6 6、GilderGilder定定定定律律律律：未未未未来来来来2525年年年年（19961996年年年年预预预预言言言言）里里里里，主主主主干干干干网网网网的的的的带带带带宽宽宽宽将将将将每每每每6 6个个个个月月月月增增增增加加加加一倍一倍一倍一倍7 7、MetcalfeMetcalfe定律：定律：定律：定律：网络价值同网络用户数的平方成正比网络价值同网络用户数的平方成正比网络价值同网络用户数的平方成正比网络价值同网络用户数的平方成正比8 8、半导体存储器发展规律：、半导体存储器发展规律：、半导体存储器发展规律：、半导体存储器发展规律：DRAMDRAM密度每年增加密度每年增加密度每年增加密度每年增加60%60%，每三年翻四倍，每三年翻四倍，每三年翻四倍，每三年翻四倍9 9、硬盘存储技术发展规律：、硬盘存储技术发展规律：、硬盘存储技术发展规律：、硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍硬盘的密度每年增加约一倍硬盘的密度每年增加约一倍硬盘的密度每年增加约一倍计算机发展的趋势总趋势：速度越来越快，体积越来越小，总趋势：速度越来越快，体积越来越小，成本越来越低，功耗越来越低成本越来越低，功耗越来越低1、微型计算机已迈入、微型计算机已迈入64位的新时代位的新时代2、精减指令计算机（、精减指令计算机（RISC）正在逐步取代复杂指令计算机）正在逐步取代复杂指令计算机（CISC）3、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用、多媒体计算机技术、网络存储技术正在推广使用4、大规模并行处理系统（、大规模并行处理系统（MPP）的处理速度已达到）的处理速度已达到TFLOPS（每秒（每秒1012条浮点指令条浮点指令,万亿）级万亿）级5、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在、超立方体计算机、神经网络计算机等高性能计算机正在加紧研究、试制之中。加紧研究、试制之中。随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新随着电子器件速度极限的逼近人们又开始了全新时代计算机的研究时代计算机的研究 二十一世纪的计算机二十一世纪的计算机 光计算机：光计算机：光计算机：光计算机：光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光光能够像电一样传送信息，其抗干扰能力强，传输速度快，并且光学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计学器件的能耗非常低。尤为重要的是，光的独立性使得大规模的并行计算成为可能。算成为可能。算成为可能。算成为可能。生物计算机：生物计算机：生物计算机：生物计算机：生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算生物系统的信息处理过程是基于分子的计算与通讯过程，生物计算不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解不是按照传统的确定算法来解决问题，而是通过竞争优化的方式来求解问题。生物计算的主要形式是学习和记忆问题。生物计算的主要形式是学习和记忆问题。生物计算的主要形式是学习和记忆问题。生物计算的主要形式是学习和记忆 。生物系统在解决复杂图形和。生物系统在解决复杂图形和。生物系统在解决复杂图形和。生物系统在解决复杂图形和多重模式判定方面有独特的优势。多重模式判定方面有独特的优势。多重模式判定方面有独特的优势。多重模式判定方面有独特的优势。量子计算机：量子计算机：量子计算机：量子计算机：量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大量子计算的概念远比光子计算和生物计算出现得晚，但却具有更大的革命潜力的革命潜力的革命潜力的革命潜力 。信息存储器信息存储器信息存储器信息存储器 目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约目前，在室温下能够制造出单电子内存，在大约7 7平方纳米大小的平方纳米大小的平方纳米大小的平方纳米大小的位元上，位元上，位元上，位元上，每一平方纳米就能存储每一平方纳米就能存储每一平方纳米就能存储每一平方纳米就能存储250GB250GB的信息的信息的信息的信息。1.1.4 1.1.4 我国计算机产业的发展我国计算机产业的发展 我我国国的的计计算算机机产产业业起起步步于于5050年年代代中中期期。自自发发展展开开始始，我我国国的的计计算算机机产产业业走走过过了了坎坎坷坷的的道道路路，大大致致可可分分以以下下几几个个阶段。阶段。面对封锁，走面对封锁，走“自力更生、奋发图强自力更生、奋发图强”之路之路 改革开放，我国计算机产业实现两大转变改革开放，我国计算机产业实现两大转变 “抓应用，促发展抓应用，促发展”，培育市场成倍增长，培育市场成倍增长 广泛普及计算机知识，广泛普及计算机知识，PCPC进入家庭进入家庭 推动国民经济信息化建设成绩斐然推动国民经济信息化建设成绩斐然 在高性能计算机研制中取得突出成果在高性能计算机研制中取得突出成果 软件产业与计算机研究同步发展软件产业与计算机研究同步发展我国计算机技术的发展19531953年开始研究，年开始研究，年开始研究，年开始研究，19581958年研究出第一台计算机，年研究出第一台计算机，年研究出第一台计算机，年研究出第一台计算机，103103型型型型通用计算机通用计算机通用计算机通用计算机5050年来相继研究出了第二代，第三代计算机。年来相继研究出了第二代，第三代计算机。年来相继研究出了第二代，第三代计算机。年来相继研究出了第二代，第三代计算机。8080年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河年代研究出了每秒亿次的巨型机，银河I,II,I,II,其他如曙其他如曙其他如曙其他如曙光天演光天演光天演光天演(清华清华清华清华BBS,BBS,学校高性能计算中心学校高性能计算中心学校高性能计算中心学校高性能计算中心)。19851985年年年年6 6月，中月，中月，中月，中国第一台自行研制的微机长城国第一台自行研制的微机长城国第一台自行研制的微机长城国第一台自行研制的微机长城05200520研制成功，其广告词研制成功，其广告词研制成功，其广告词研制成功，其广告词是：是：是：是：“一台我们自己制造的能够处理中文的电脑一台我们自己制造的能够处理中文的电脑一台我们自己制造的能够处理中文的电脑一台我们自己制造的能够处理中文的电脑”。在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算在高性能计算，并行计算上已紧跟国际先进水平，但计算机的核心部件机的核心部件机的核心部件机的核心部件CPUCPU技术还远远落后。技术还远远落后。技术还远远落后。技术还远远落后。中科院研究开发的龙芯中科院研究开发的龙芯中科院研究开发的龙芯中科院研究开发的龙芯GODSONGODSON1.2 1.2 计算机的分类及其应用计算机的分类及其应用1.2.1 计算机的分类1.2.2 计算机的应用1.2.1 1.2.1 计算机的分类计算机的分类 按处理的信息形式分：数字计算机和模拟计算机。用脉冲编按处理的信息形式分：数字计算机和模拟计算机。用脉冲编码表示数字，处理的是数字信息，这类计算机是数字计算机；处码表示数字，处理的是数字信息，这类计算机是数字计算机；处理长度、电压、电流等模拟量的计算机称为模拟计算机。理长度、电压、电流等模拟量的计算机称为模拟计算机。按字长分：可分为按字长分：可分为 8 8 位机、位机、1616位机、位机、3232位机和位机和6464位机等。位机等。按结构分：可分为单片机、单板机、多芯片机与多板机。按结构分：可分为单片机、单板机、多芯片机与多板机。按用途分：可分为工业控制机与数据处理机等。按用途分：可分为工业控制机与数据处理机等。按按规规模模分分：可可分分为为巨巨型型机机、小小巨巨型型机机、大大中中型型机机、小小型型机机、工作站和微型机工作站和微型机(PC(PC机机)六类。六类。按按计计算算机机的的规规模模、运运算算速速度度、使使用用范范围围等等综综合合考考虑虑分分：高高性性能能计计算算机机、微微型型计计算算机机（个个人人计计算算机机）、工工作作站站、服服务务器器、嵌嵌入入式计算机等。式计算机等。1.2.2 1.2.2 计算机的应用计算机的应用 计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以计算机的应用范围，按其应用特点，可以分为以下几个方面下几个方面下几个方面下几个方面:1.1.1.1.科学计算科学计算科学计算科学计算2.2.2.2.数据处理数据处理数据处理数据处理3.3.3.3.过程控制过程控制过程控制过程控制4.4.4.4.计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统 5.5.5.5.计算机通信计算机通信计算机通信计算机通信 1.科学计算 计算机最早应用于科学计算（Scientific Computer）方面，主要是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)。在科学技术和工程设计中，有各类复杂的数学计算问题，比如核反应方程式、卫星轨道、材料结构受力分析等的计算，飞机、汽车、船舶、桥梁等的设计这些问题计算工作量很大，用一般的计算工具，靠人工来计算是不可想像的，用高速、大型计算机，就能快速、及时、准确地获得计算结果。早期的计算机主要用于科学计算方面，随着计算机技术的发展和应用的普及，科学计算方面的比重在逐年下降，但至今仍是一个主要的应用方面。用于科学计算方面的计算机要求速度快、精度高，存储容量相对也要求大。2.数据处理 数据处理（Data Processing）方面应用的比重在逐年上升，目前已成为计算机，尤其是微型计算机最主要的应用方面。计算机装机总数的80%左右应用于数据处理。所谓数据处理，泛指非科技工程方面的所有计算、管理和任何形式数据资料的处理，包括OA（Office Automation，办公自动化）、MIS（Management Information System，管理信息系统）、ES（Expert System，专家系统）等。例如，企业管理、库存管理、报表统计、情报检索、公文函件处理等。数据处理的特点是，要处理的原始数据量大，而算术运算相对较简单，有大量的逻辑运算与判断，结果要求以表格或文件形式存储、输出。比如高考招生工作中考生录取与统计工作，火车、飞机客票预订系统，物资管理与调度系统，工资计算与统计，图书资料情报检索以及图像处理系统等，应用深入到经济、市场、金融、商业、财政、档案、公安、法律、行政管理、社会普查各个方面。在以后相当长的时间里，数据和事务处理仍是计算机，特别是微型计算机的最主要的应用领域。由于数据处理的数据量大，要求应用于数据处理的计算机有大的存储容量。3.过程控制 过程控制(Process Control)是涉及面很广的一门学科，工业、农业、科学技术、国防以至我们日常生活等各个领域都应用着过程控制。特别是微型计算机诞生以后，过程控制有了强有力的工具，使过程控制进入了以计算机为主要控制设备的新阶段，从而也产生了计算机控制技术的新学科。用于控制的计算机，其输入信息往往是电压、温度、重量、位移等模拟量，常以电流的形式表示，所以先要将电流这样的模拟量转换成数字量，然后才由计算机进行处理或计算。计算机处理的结果是数字量，一般要它转换成模拟量才能去控制对象。因此，在计算机控制系统中，需有专门的数字/模拟转换设备和模拟/数字转换设备(称为D/A转换和A/D转换)。由于过程控制一般都是实时控制，所以对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高，否则将生产出不合格的产品，甚至造成重大的设备或人身事故。把计算机用于生产过程的实时控制，可大大提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量，降低生产成本，缩短生产周期。4.计算机辅助系统 计算机辅助系统有计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)、计算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing)、计算机辅助测试CAT（Computer Aided Testing）、计算机集成制造CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、计算机辅助教学CAI(Computer Aided Instruction)等。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理和模拟的能力，为了提高设计质量，缩短产品的设计周期，飞机、船舶、建筑工程、大规模集成电路等的设计制造部门利用计算机进行辅助设计和辅助制造，使CAD/CAM在各种产品的设计制造中占据着越来越重要的地位。例如，在大规模、超大规模集成电路的设计和生产过程中，要经过版图设计、照相制版、光刻、扩散、内部连接等许多道复杂的工序，这是人工难以解决的，借助于CAD和CAM，就可以较好地完成任务。CAD CAD是指利用计算机来帮助设计人员进行设计是指利用计算机来帮助设计人员进行设计工作。它的应用大致可以分为两大方面，一类是产工作。它的应用大致可以分为两大方面，一类是产品设计，如飞机、汽车、船舶、机械、电子产品以品设计，如飞机、汽车、船舶、机械、电子产品以及大规模集成电路等机械、电子类产品的设计；另及大规模集成电路等机械、电子类产品的设计；另一类是工程设计，如土木、建筑、水利、矿山、铁一类是