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1、计算机导论教案本讲稿第一页，共三十七页1.1 计算机的诞生与发展计算机的诞生与发展计算机的诞生计算机的诞生20世纪40年代中期，由于导弹、火箭、原子弹等现代科学的发展，出现了大量极其复杂的数学问题，原有的计算工具已无法满足要求；而电子学和自动控制技术的迅速发展，也为研制新的计算工具提供了物质技术条件。1946年，在美国宾夕法尼亚大学，由John Mauchly和J.P.Eckert 领导的研制小组为精确测算炮弹的弹道特性而制成了ENIAC 计算机，这是世界上第一台真正能自动运行的电子数字计算机。它使用了18800只电子管，1500 多个继电器，耗本讲稿第二页，共三十七页电150KW,占地面积1

2、50,重量达30,每秒钟能完成5000次加法运算。尽管存在着许多缺点，但是它为电子计算机的发展奠定了技术基础。它的问世，标志着电子计算机时代的到来。自从第一台电子计算机诞生以来，至今不过短短的40多年时间。然而，它发展之迅速，普及之广泛，对整个社会和科学技术影响之深远，远非其它任何学科所能比拟。时至今日，计算机已经成为人们生产劳动和日常生活中必备的重要工具。本讲稿第三页，共三十七页人类追求的计算工具人类追求的计算工具ENIACENIAC1642 Blaise Pascal加法器加法器加法器加法器Charles BabbageCharles Babbage1822 1822 差分机差分机1833

3、 1833 分析机分析机MARK IMARK I电子计算机时代电子计算机时代计算机发展史计算机发展史本讲稿第四页，共三十七页世界上第一台计算机世界上第一台计算机世界上第一台计算机世界上第一台计算机ENIACENIACENIACENIAC50005000次加法次加法/秒秒体重体重2828吨吨占地占地170m170m2 21880018800只电子管只电子管15001500个继电器个继电器功率功率150KW150KW本讲稿第五页，共三十七页计算机的发展概况计算机的发展概况 推动计算机发展的众多因素中，电子元器件的发展起着决定性的作用；其次，计算机系统结构和计算机软件技术的发展也起了重大的作用。从生

4、产计算机的主要技术来看，计算机的发展过程可以划分划分为四个阶段为四个阶段第一代第一代（19461956）电子管电子管5千千4万（次万（次/秒）秒）使用的逻辑元件为电子管；存储器使用的逻辑元件为电子管；存储器为延迟线、磁鼓、磁芯；典型机器为延迟线、磁鼓、磁芯；典型机器为为IBM-701，IBM-650；使用软件为；使用软件为机器语言、汇编语言，应用于科学机器语言、汇编语言，应用于科学计算，速度低、体积大、可靠性差、计算，速度低、体积大、可靠性差、维修复杂。维修复杂。本讲稿第六页，共三十七页 第二代第二代（19571964）晶体管晶体管几十万几十万百万（次百万（次/秒）秒）使用的逻辑元件为晶体管；

5、存储器为使用的逻辑元件为晶体管；存储器为磁芯、磁带、磁盘；典型机器为磁芯、磁带、磁盘；典型机器为IBM-7090，IBM-7094；出现了；出现了ALGOLGO、FORTRAN和和COBOL等面向进程的高级程序设计语言及其等面向进程的高级程序设计语言及其编译程序，并建立了多种程序库和管编译程序，并建立了多种程序库和管理软件。其主要用于数据处理、工业理软件。其主要用于数据处理、工业控制、科学计算。其特点是体积小、控制、科学计算。其特点是体积小、耗电少、可靠性有了较大提高。耗电少、可靠性有了较大提高。第三代第三代（19651970）中小规模集成电路中小规模集成电路百万百万几百万（次几百万（次/秒）

6、秒）存储器为磁芯、磁带、磁盘；典型存储器为磁芯、磁带、磁盘；典型机器为机器为IBM-370（大型），（大型），IBM-360（中型），（中型），PDP-II（小型）；（小型）；使用软件为结构化程序设计、操作使用软件为结构化程序设计、操作系统。它具有支持多任务系统的功系统。它具有支持多任务系统的功能，实现了多个计算机终端联机和能，实现了多个计算机终端联机和通讯网络化，运算速度较大提高，通讯网络化，运算速度较大提高，小型化、耗电少，可靠性、维护性小型化、耗电少，可靠性、维护性进一步提高。进一步提高。本讲稿第七页，共三十七页第四代第四代（197190年代）年代）超大规模集成电路超大规模集成电路几百万

7、几百万几亿（次几亿（次/秒）秒）逻辑元件为大规模和超大规模逻辑元件为大规模和超大规模集成电路。存储器为半导体、集成电路。存储器为半导体、磁盘、光盘；典型机器为磁盘、光盘；典型机器为ILLAC-IV（巨型）、（巨型）、IBM-3033（大型）、（大型）、80486、8098（弹片机），使用软件为数据（弹片机），使用软件为数据库、软件工程、程序设计自动库、软件工程、程序设计自动化；主要应用有十事务处理、化；主要应用有十事务处理、智能模拟，大型计算机普及到智能模拟，大型计算机普及到社会生活各个方面。社会生活各个方面。电子管的缺点：电子管的缺点：体积大；体积大；耗能高、散热量大。耗能高、散热量大。晶体

8、管的优点：晶体管的优点：体积小；体积小；耗能低；耗能低；性能稳定。性能稳定。ENIACENIAC划划时时代代的的实实验验装装置置本讲稿第八页，共三十七页晶晶体体管管数数单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百百万万条条/每每秒秒计算机第一定律计算机第一定律摩尔定律摩尔定律每每18个月芯片能力增长一倍。个月芯片能力增长一倍。本讲稿第九页，共三十七页晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,30010微米芯片微米芯片将电脑浓缩在一颗芯片上将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片微米芯片本讲稿第十页，共三十七页计算机发展趋势（计算机发展趋势（四种趋向）巨型化巨型化 CRAY-C

9、RAY-运算速度可达每秒几百亿次运算的运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机超级计算机超级计算机超级计算机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-II”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油超级计算机应用：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和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。学计算的高科技领域。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

10、光曙光3000”银河银河银河银河本讲稿第十一页，共三十七页 微型化微型化 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。本讲稿第十二页，共三十七页 网络化网络化 计算机网络：计算机网络：计算机网络：计算机网络：计算机技术与通信技术计算机技术与通信技术结合的产物。结合的产物。计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。网络用户的通讯和合作。本讲稿

11、第十三页，共三十七页 智能化智能化“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”DeepblueDeepblueGarry Kasparov Garry Kasparov 本讲稿第十四页

12、，共三十七页1.2 1.2 计算机的特点与应用计算机的特点与应用计算机的特点计算机的特点 计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此得名。但随着计算机技术的迅猛发展，它的应用范围不断扩大，不再局限于数值计算而广泛地应用于自动控制、信息处理、智能模拟等各个领域。计算机能处理各种各样的信息，包括数字、文字、表格、图形、图象等。计算机之所以具有如此强大的功能，这是由它的特点所决定的。概括地说，计算机主要具备以下几本讲稿第十五页，共三十七页方面的特点：运算速度快运算速度快 存储容量大存储容量大 具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力 工作自动化工作自动化计算机的应用范围计算机的应用范围计算机的应用十

13、分广泛，根据工作方式的不同大致可以分为以下几个方面：计算机算机辅助助设计（CAD）就是利用计算机来进行产品的设计。这种技术已广泛地应用本讲稿第十六页，共三十七页于机械、船舶、飞机、大规模集成电路版图等方面的设计。利用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。例如，计算机辅助制图系统是一个通用软件包，它提供了一些最基本的作图元素和命令，在这个基础上可以开发出各种不同部门应用的图库。这就使工程技术人员从繁重的重复性工作中解放出来。从而加速产品的研制过程，提高产品质量。CAD技术迅速发展，其应用范围日益扩大，又派生出许多新的技术分支，如计算机辅助制造CAM，计算机辅助教学CAI等

14、。数数值计算算 在科学研究和工程设计中，存在着大量繁烦、复杂的数值本讲稿第十七页，共三十七页计算问题，解决这样的问题经常是人力所无法胜任的。而高速度，高精度地解算复杂的数学问题正是电子计算机的特长。因而，时至今日，数值计算仍然是计算机应用的一个重要领域。数据数据处理理 就是利用计算机来加工、管理和操作各种形式的数据资料。数据处理一般地总是以某种管理为目的的。例如，财务部门用计算机来进行票据处理、账目处理和结算；人事部门用计算机来建立和管理人事档案，等等。与数值计算有所不同，数据处理着眼于对大量的 本讲稿第十八页，共三十七页数据进行综合和分析处理。一般不涉及复杂的数学问题，只是要求处理的数据量极

15、大而且经常要求在短时间内处理完毕。实时控制控制 也叫做过程控制，就是用计算机对连续工作的控制对象实行自动控制。要求计算机能及时搜集检测信号，通过计算处理，发出调节信号对控制对象进行自动调节。过程控制应用中的计算机对输入信息的处理结果的输出总是实时进行的。例如，导弹的发射和制导过程中，总是不停地测试当时的飞行参数，快速本讲稿第十九页，共三十七页地计算和处理，不断地发出控制信号控制导弹的飞行状态，直至到达即定的目标为止。实时控制在工业生产自动化、军事等方面应用十分广泛。模式模式识别 是一种计算机在模拟人的智能方面的应用。例如，根据频谱分析的原理，利用计算机对人的声音进行分解、合成，使机器能辨识各种

16、语音，或合成并发出类似人的声音。又如，利用计算机来识别各类图像、甚至人的指纹等等。本讲稿第二十页，共三十七页 综上所述，计算机是对输入的各类信息，如数值、文字、图像、电信号等等，自动高效地进行加工处理并输出结果的电子装置：早期的计算机应用因为受条件的限制，着眼于提高效率和减轻人的劳动强度，往往是比较单纯的。例如，一个数学软件包，它的功能可能很强，规模可能也很大，但只有数值计算的功能。又如，一个企业用计算机来计算工资、打印报表、管理雇员等，是属于计算机在数据处理方面的应用，这类应用是局部的和单纯的，很少涉及到诸如整个企业的全面信息联系这本讲稿第二十一页，共三十七页样的管理的内容。随着业务需求和计

17、算机技术的进步，计算机应用逐步向综合性的方向发展。例如，一个大型企业的MIS（信息管理系统）系统，可以包括多个子系统，如销售管理系统、生产管理系统、财务管理系统、人事管理系统、工程设计系统等，有些子系统主要是用来进行数据处理的，有些主要是用来进行自动控制的，有些既有复杂的数值计算功能，又有强大的数据处理能力。又如，利用计算机来模拟人的智力活动，如学习过程、适应能力、推理过程，制造一种具有“思维能力”，即具有“推理”、学习和自动“积累经验”本讲稿第二十二页，共三十七页功能的机器，就不能简单地认为是计算机在模式识别方面的应用，其中可能包括了复杂的数值计算、大量的数据处理、精确的自动控制等等功能，而

18、且，要与微电子制造技术等现代技术结合起来才能最终完成。本讲稿第二十三页，共三十七页计算机技术计算机技术 计算机技术的迅猛发展，促使人类走向丰富多彩的信息社会。信息时代的生产方式和生活方式具有数字化、集成化、智能化、移动化、个性化等等特点。将计算机的工作原理和技术应用于各种电子产品，如电视、音响、各种仪器仪表等，就是这些产品的数字化。数字化可以使产品的性能和质量提高到一个崭新的水平。例如，数字化的电视机不会受到干扰。数字化的音响有很高的保真度，声音特别清晰。智能化产品能够自动地、或经简单操作来实现各种功能。就像傻瓜照相机一样，只要按动快门，就会本讲稿第二十四页，共三十七页按照现有的条件而自动调节

19、，完成拍摄工作。集成化就是把所用到的多种功能集成在一种产品之上，使用户能够更方便地使用。移动化也是包括计算机在内的现代电子产品的一个重要特点，手提式计算机，以及采用计算机的基本工作原理设计，或者由计算机来控制的移动电话、移动电视等，都在不断地推陈出新。以计算机为龙头的电子产品以及由计算机辅助设计、制造的产品，由于设计和制造手段的先进快捷，很容易达到满足不同用户要求的目的，甚至可以在用本讲稿第二十五页，共三十七页户参与下设计、制造，因而具有个性化的特点。例如，如果顾客要做一件衣服，先把尺寸和自己的想法、要求输入计算机，计算机就会先把衣服设计好，在三维图形里让顾客试穿，直到顾客满意了，再进行裁剪、

20、缝制。这是参与式的、互相讨论的个性化服装设计。计算机不仅能处理数字和文字信息，还可以用听觉、触觉、三维图形、动画、甚至伴以嗅觉等多种媒体形式与人交换信息。例如，计算机可以输出数字化的视频动画信息，可以产生话语或高保真的本讲稿第二十六页，共三十七页音乐信号等等，这就是多媒体计算机的概念，它是当前非常活跃的一个研究和应用领域。由多媒体技术诱发的一种非常实用的技术叫做“虚拟现实虚拟现实”。感受“虚拟现实”环境的人戴上一个特殊的、安装了包括目视器等传感设备且与计算机相连的头盔，再配以其他传感设备，例如可以在计算机和人之间传递触觉信息的触觉手套等。就会感觉到自己完全置身于另一个世界，当人移动脚步，转动头

21、部，伸出手臂，就像在真实的环境中做这些事情一样，尽管这只是计算机模拟的一个虚拟的环境。本讲稿第二十七页，共三十七页这种技术的一种应用是利用计算机进行复杂危险环境的模拟。比如飞行员的训练，可以不在飞机上进行而是依靠一台虚拟现实设备，使受训的人全面地感觉到飞行的环境、情景、跑道、地形和驾驶仪表等等真实情况，他们在计算机模拟的飞机驾驶仓中操作的时候，感觉和真的飞行一样，这类模拟环境可以为受训者提供不同级别和不同难度的训练，使他们在不接触真实设备的情况下经历各种复杂情况，做排除故障的练习，体会各种正确或错误操作的后果等等，而且可以反复练习。这些练习往往是无法在真实的环境本讲稿第二十八页，共三十七页中进

22、行的。所有领域的科研、培训、实验等都可以采用这种方法。另一个以计算机技术为基础的应用叫做“科学计算可视化”。它将科学计算及其它各个领域的计算或测量所产生的大规模数据转换成计算机图形、图像信息，进行静态或动态显示，以便及时、正确地理解和把握其中的各种现象和结果。对于自然界中复杂的自然现象和发生的物理过程，对于科学实验中很多难以实际观察的现象、或者原本就不具有视觉效果无法观察的东西，如引力场等，通过计算机本讲稿第二十九页，共三十七页计算、绘制、并用显示设备将形象的图形、图像展现在人的面前，以便更深刻地分析和理解其实质，进而发现其中所蕴藏的规律，其重要性和意义是不言而喻的。信息社会的一个重要标志是计

23、算机网络无所不在。通过网络将个人、单位、地区、国家乃至整个世界连成一体。网络上流通的信息为大众所共享。任何人只要打开计算机就可以方便地查阅各行各业的信息，阅读各种电子书刊，发布消息、启事、通知等各种本讲稿第三十页，共三十七页文书，与网上的另外一个人象面对面地谈话一样地互相交换意见、享受网上的各种服务等等。在这样的信息社会里，世界上任何地区发生的任何政治、经济、生态事件都会立即产生全球影响，没有任何独善其身的乐土。信息社会使远程观测、远程信息反馈、远程遥控、复杂市场的多方面跟踪监测以及许多灾害预警等成为可能。信息社会更重要的标志是生产活动的现代化，目前发展起来的“并行工程并行工程”就是一个具体的

24、体现，“并行工程”就是在计算机网络中将设计、生产、销售部门都联系在一起，用虚拟现实让所有的设计、生产、销本讲稿第三十一页，共三十七页售人员都参加讨论和提出意见，然后一次投产、销售。这就省去了设计、初试、中试、修改设计等一系列中间过程，大大缩短了产品的开发过程，节省了大量的人力物力和财力。总之，以计算机技术为核心的信息技术将从根本上改变人类社会的生产方式和生活方式，对人类的未来产生深远的影响。本讲稿第三十二页，共三十七页1.3 1.3 微型机的发展微型机的发展（这里所说的微机是PC机，而不包括单片机、单板机。）微机系统硬件结构的特点是计算机的中央处理器(Central Processing Un

25、it，缩写为CPU，又称中央处理单元)，由大规模或超大规模集成电路构成，做在一个芯片上。这样的CPU称为微处理器(MicroProcessorUnit，缩写为MPU)。微处理器的出现开辟了计算机的新纪元。由不同规模构成的微处理器，就形成了微机不同的发展阶段，在20多年里形成了几代微机。本讲稿第三十三页，共三十七页第一代，第一代，19711971年年19721972年。年。Intel公司于1971年利用4位微处理器Intel?4004，组成了世界上第一台微型机MCS-4。1972年Intel公司又利用Intel8008组成了第一代8位（低档（低档8位位）微处理器。由由4 4位或第一代位或第一代8

26、 8位微处理器构成的计算机称为第一代微型机。位微处理器构成的计算机称为第一代微型机。第二代，第二代，19731973年年19771977年。年。这是由第二代8位（中高（中高档档8位位）微处理器(代表性的产品有Intel公司的Intel8080和8085，Motorola公司的MC680，美国Zilog公司的Z80等)构成的计算机，我们把它们称为第二代微第二代微型机。型机。本讲稿第三十四页，共三十七页第三代，第三代，19781978年年1980 1980 年。年。这是由 16 位微处理器(代表性的产品有 Intel 公司的Intel 8086，Z8000和MC6800等)构成的计算机，我们把它们

27、称为第三代微型机。第三代微型机。第四代，第四代，19811981年年19921992年。年。这是由32位微处理器(具有代表性的产品有 Intel 公司的Intel 80386、80486，MC68020等)构成的计算机，我们把它们称为第四代微型机第四代微型机。像Pentium这类微型机的性能可与20世纪80年代的大型计算机匹敌。本讲稿第三十五页，共三十七页第五代，第五代，19931993年年19981998年。年。这是由64位微处理器构成的计算机，代表性的产品有80586，即Pentium系列以及80686的Pentium Pro和Pentium，内存为16MB，32MB，64MB，可扩充到1

28、28MB以上，配备1.44MB的英寸软驱、光驱和几个G的硬驱。主频为60MHz400MHz。第六代，第六代，19991999年现在年现在。以Pentium 为代表，带有更强的多媒体效果和更贴近现实的体验。其主频为450MHz600MHz。本讲稿第三十六页，共三十七页总的说来，微型机技术发展得更加迅速，平均每两、总的说来，微型机技术发展得更加迅速，平均每两、三个月就有新的产品出现，三个月就有新的产品出现，平均每两年芯片集成度平均每两年芯片集成度提高一倍，性能提高一倍，性能价格比大幅度下降。提高一倍，性能提高一倍，性能价格比大幅度下降。这就是说，这就是说，微型机将向着重量更轻、体积更小、运微型机将向着重量更轻、体积更小、运算速度更快、功能更强、携带更方便、价格更便宜算速度更快、功能更强、携带更方便、价格更便宜和更易用的方向发展。和更易用的方向发展。本讲稿第三十七页，共三十七页