大学计算机导论.ppt

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1、大学计算机导论大学计算机导论大学计算机导论大学计算机导论发展概述发展概述大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.1计算机的发展历史1.2计算机的分代以及分类1.3现代信息技术简介1.4计算机在当代的应用1.5计算机的发展趋势 计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.1 1.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 空间科学领域空间科学领域生物科技领域生物科技领域基础科学研究领域基础科学研究领域建筑建筑/城市规划领域城市规划领域Computers Are Everywhere!计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.1 1.1 计算机的

2、发展历史计算机的发展历史 计算机的产生和发展不是一蹴而就的，而是经历了漫长的历史过程。在这个过程中，科学家们经过艰难的探索，发明了各种各样的“计算机”，这些“计算机”顺应了当时历史的发展，发挥了巨大的作用，推动了社会的进步，也推动了计算机技术的发展。为了全面地了解计算机产生的背景，首先要了解电子计算机产生之前的计算历史，然后要了解电子计算机的产生过程。计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.1.1 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史史前时代史前时代 算筹u算筹又称为筹、策、算子等u算筹在中国起源很早（春秋晚期战国初年）u提出了逢十进一

3、的概念，确定了十进制计数法u中国著名科学家祖冲之借助算筹作为计算工具计算出圆周率古代算筹古代算筹祖冲之祖冲之（ADAD.429-AD.500)429-AD.500),数学家数学家,科学家科学家计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论计算机发展计算机发展1.11.1.1.1 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史史前时代史前时代 算盘u算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具u由古代“算筹”演变而来u素有“中国计算机”之称u到了明代，珠算不但能进行加减乘除的运算，还能计算土地面积和各种形状东西的大小。算盘算盘大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论

4、1.11.1.2.2 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史机械时代机械时代 机械计算机u1623年，德国科学家契克卡德(W.Schickard)为天文学家开普勒(Kepler)制作了一台机械计算机u契克卡德计算机能做6位数加减法，或许设置了某种“溢出”响铃装置；机器上部附加一套圆柱型“纳皮尔算筹”，因此也能进行乘除运算切克卡德切克卡德W.SchickardW.Schickard，科学家科学家计算机发展计算机发展1592-1635大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.2.2 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史机械时代机械时代 机械计算

5、机u法国科学家布莱斯帕斯卡是被公认为是制造出机械计算机的第一人布莱斯布莱斯帕斯卡帕斯卡Blaise PascalBlaise Pascal（）（）科学家科学家帕斯卡主机帕斯卡主机 巴黎国立博物馆巴黎国立博物馆计算机发展计算机发展加法器大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.2.2 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史机械时代机械时代 机械计算机u德国著名数学家戈特弗里德威廉莱布尼茨将帕斯卡的“加法器”扩大为乘除运算u戈特弗里德和牛顿分别独立发明了微积分戈特弗里德戈特弗里德威廉威廉莱布尼茨莱布尼茨Gottfried Wilhelm LeibnizGottfr

6、ied Wilhelm Leibniz（）（）哲学家，数学家哲学家，数学家莱布尼茨主机莱布尼茨主机 计算机发展计算机发展加减乘除大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.2.2 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史机械时代机械时代 差分机和分析机u英国剑桥大学著名科学家查理斯巴贝奇在1822年研制出第一台差分机u差分机的升级版分析机u分析机拥有储存库(被称为Store)，运算室（被称为Mill)和控制室，接近现代计算器的雏形查理斯查理斯巴贝奇巴贝奇Charles BabbageCharles Babbage（）（）剑桥大学数学教授剑桥大学数学教授差分机模型差

7、分机模型伦敦博物馆伦敦博物馆计算机发展计算机发展可编程大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.2.2 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史机械时代机械时代 首位程序员u阿达.奥古斯塔于1815年生于伦敦，是英国著名诗人拜伦的女儿。她是位数学家，也是穿孔机程序创始人。她建立了循环和子程序概念，为计算程序拟定“算法”，写作了第一份“程序设计流程图”，被视为“第一个为计算机写程序的人”。谷歌纪念首位程序员谷歌纪念首位程序员阿达阿达.奥古斯塔奥古斯塔计算机发展计算机发展算法代码：三角函数程序，条件跳转结构大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.3

8、.3 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史模拟时代模拟时代 大规模数据处理u19世纪末，赫尔曼霍列瑞斯(HermanHollerith：1860-1929)首先用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理。计算机开始为个人使用u布什(V.Bush)为了求解与电路有关的微分方程，制作了一台模拟计算装置助其求解u1873年，美国人鲍德温(F.Baldwin)，利用齿数可变齿轮，设法制造出一种小型计算机样机赫尔曼的模拟计算机赫尔曼的模拟计算机计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.3.3 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史模拟时代

9、模拟时代 逻辑数学引入计算机领域逻辑数学引入计算机领域u英国数学家布尔凭借其著作英国数学家布尔凭借其著作逻辑的数学分析逻辑的数学分析和和思维规律的研究思维规律的研究逻辑与概率的数学理论基础逻辑与概率的数学理论基础建建立了一门新的数学学科立了一门新的数学学科布尔代数布尔代数继电器引入计算机领域继电器引入计算机领域u 1938 1938年，美国数学家香农年，美国数学家香农(C.Shannon)(C.Shannon)第一次第一次 在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁，在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁，以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到 技术彻

10、底改变了数字电路的设计。技术彻底改变了数字电路的设计。现代继电器计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.3.3 电子计算机产生之前的计算历史电子计算机产生之前的计算历史模拟时代模拟时代 电磁式阵列计算机uTheIBMAutomaticSequenceControlledCalculator(ASCC)，也叫MarkI。在计算机发展史上占据重要地位，是计算机“模拟时代”里最后一台著名的计算机，发明者是美国哈佛大学艾肯(H.Aiken)博士右桥右桥I/OI/O控制器控制器MARK I MARK I 全图全图计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算

11、机导论导论1.11.1.4.4 欢迎来到现代！欢迎来到现代！电子计算机时代电子计算机时代 阿兰.图灵u抽象的计算模型-图灵机u基于图灵机模型的计算机ACEl1945年，图灵领导一批优秀的电子工程师，着手制造自动计算引擎(AutomaticComputingEngineerACE)l1950年，ACE样机公开表演，被称为世界上最快最强有力的电子计算机阿兰阿兰.麦克森麦克森.图灵图灵Alan Mathison TuringAlan Mathison Turing（）（）数学家，逻辑学家，密码学家，数学家，逻辑学家，密码学家，人工智能之父人工智能之父计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算

12、机算机导论导论1.11.1.4.4 欢迎来到现代！欢迎来到现代！电子计算机时代电子计算机时代 冯.诺依曼体系u冯诺依曼体系结构与现代计算机理论l数字计算机的数制采用二进制，抛弃十进制l计算机按照程序顺序执行l奠定了现代电子计算机的体系结构和工作原理输入设备控制器输出设备储存器运算器冯诺依曼标准模型冯诺依曼标准模型计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.4.4 欢迎来到现代！欢迎来到现代！电子计算机时代电子计算机时代 ENIAC与EDVACuENIAC（电子数字积分计算机）是世界上第一台数字电子计算机，由美国宾夕法尼亚大学研制l占地170平方米，重30吨，耗

13、电150千瓦，包含18,800只电子管，1500个继电器，每秒能执行5000次加法运算或者400次乘法运算。采用十进制uEDVAC（电子离散变量自动计算机）是第一台采用冯诺依曼体系的通用计算机l完全采用冯诺依曼体系，包括二进制ENIACENIAC宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.11.1.4.4 欢迎来到现代！欢迎来到现代！电子计算机时代电子计算机时代 现代电子计算机u2013世界超级计算机排名，“天河二号”夺冠持续计算速度3.39亿亿次/秒，拥有16,000个节点，每个节点由2个IntelXeonIvyBridge的处理器及合共3

14、,120,000个计算核心的三个至强批处理器组成内存空间为1,375TB,其中1000TB为系统储存器，375TB为协处理器独占，外部储存器空间为12.4PB天河二号天河二号国防科技大学国防科技大学计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.2.1 1.2.1 计算机的分代计算机的分代 计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一，按照采用的电子器件划分，计算机大致已经历了四个阶段：计算机发展计算机发展时代时代年份年份电子器件电子器件特点特点第一代1946-1957电子管逻辑元件：电子管；主存：磁鼓或延迟线；外存：纸带、卡片、磁带运算速度几千，几万次/秒；语言：机器语言或汇编

15、；用途：科学领域第二代1958-1964晶体管逻辑元件：晶体管；主存：磁性材料；外存：磁盘、磁带运算速度几十万次/秒；软件：使用操作系统，高级语言等第三代1965-1970中小规模集成电路逻辑元件：集成电路；主存：半导体；运算速度几十万、几百万次/秒；软件：高级语言进一步发展，Basic第四代1971大规模超大规模集成电路逻辑元件：集成电路；主存：高集成度半导体；运算速度上亿/秒；软件：数据库、分布式操作系统，高级语言中了丰富。外设丰富、应用丰富大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.2.1 1.2.1 计算机的分代计算机的分代 未来发展方向新型计算机u光子计算机利用光子取代电子进行数

16、据运算、传输和存储。不同波长的表示不同的数据u量子计算机利用处于多现实态下的原子进行运算，无传输损耗。量子计算机芯片量子计算机芯片计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论2011 HappyMid-Autumn festival上海锐普广告有限公司1.2.2 1.2.2 计算机的分代计算机的分代 摩尔定律u集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍u微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半。u用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两倍。摩尔定律与英特尔摩尔定律与英特尔计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.2.2

17、1.2.2 计算机的分类计算机的分类 工作站（专用机）与通用机工作站（专用机）与通用机计算机发展计算机发展大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论信息技术概述信息技术概述1.3 1.3 现代信息技术简介现代信息技术简介 现代信息技术基础知识u信息l信息既是对各种事物变化和特征的反映，又是事物间相互作用和联系的表征l信息同物质、能源是人类生存和社会发展的三大基本资源u数据l数据是信息的载体l信息有意义，而单纯的数据则没有大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.3 1.3 现代信息技术简介现代信息技术简介 现代信息技术的内容u信息基础技术l微电子技术l光电子技术u信息系统技术l信息获取

18、、处理、传输、控制和储存技术u信息应用技术l针对实用目的发展起来的技术群类信息技术概述信息技术概述大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.3 1.3 现代信息技术简介现代信息技术简介 现代信息技术的特点u数字化u多媒体化u高速化、网络化、宽频带u智能化NBNNBN国立宽带网络计划，国立宽带网络计划，下行速度下行速度1Gbps1Gbps(截止截止2013)2013)，澳大利亚澳大利亚信息技术概述信息技术概述大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.4 1.4 计算机在当代的应用计算机在当代的应用 计算机应用计算机应用u科学计算ScientificCalculationl也称为数值计

19、算l应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算l计算工作量大，数值变化范围大l主要应用于科研领域u数据处理DataProcessingl也称为非数值计算l对大量数据进行统计分析、合并、分类等加工处理l涉及的数据量大，但计算方法较简单l主要应用于银行、企业和政府机关u过程控制ProcessControll利用计算机对控制对象进行实时的自动控制或自动调节l应用在各个轻重工业领域大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.4 1.4 计算机在当代的应用计算机在当代的应用 u电子商务E-Commercel利用计算机和网络进行的新型商务活动l分为以下几种形式B2B(BusinesstoBus

20、iness)，例如阿里巴巴B2C(BusinesstoCustomer)，例如亚马逊，京东，天猫等C2C(CustomertoCustomer)，例如E-bay，淘宝等B2G(BusinesstoGovernment)，例如Vodafone的B2G业务等ITM(Interactivetradingmode)，线上对实体uCAD/CAM/CMIS辅助设计lCAD（ComputerAidedDesign)计算机辅助设计lCAM(ComputerAidedManufacturing)计算机辅助制造lCMIS(ComputerIntegratedManufactureSystem)计算机集成制造系统计

21、算机应用计算机应用大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.4 1.4 计算机在当代的应用计算机在当代的应用 u多媒体技术l以计算机技术为核心，将现代声响技术和通信技术融为一体，以追求更自然，更丰富的界面l覆盖计算机绝大部分应用领域l正在改变人类生活和工作方式u娱乐l利用计算机技术给人类提供娱乐活动l随着电子设备的普及变得更加流行l从侧面促进了计算机硬件和软件的更新进步计算机应用计算机应用大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论1.4 1.4 计算机在当代的应用计算机在当代的应用 计算机发展趋势和新技术计算机发展趋势和新技术u微型化u巨型化u网络化u智能化u微型化微型化是指利用微电子

22、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。计算机的微型化以成为计算机发展的重要方向，各种笔记本电脑，平板电脑和智能手机的大量面世，即是计算微型化的一个标志u巨型化巨型化是指研制速度更快的、存储量更大的和功能强大的巨型计算机。起运算能力一般在每秒一百亿以上、内容容量在几百兆字节以上，主要应用于天文、气象、地质和核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域。巨型计算机的技术水平是衡量一个国家技术和工业发展水平的重要标志u网络化网络技术可以更好的管理网上的资源，它把整个互联网虚一台空前强大的一体化系统，犹如一台巨型机，在这个动态变化的网络环境中，实现计算资源、存储资源

23、、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，从而让用户享受可灵活控制的、智能的、协作式的信息服务，并获得前所未有的使用方便性谷歌云计算数据中心，谷歌云计算数据中心，美国俄克拉荷马州美国俄克拉荷马州u智能化计算机智能化是指计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。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IBMIBM沃森超级计算机，美国沃森超级计算机，美国大学大学大学大学计计算机算机算机算机导论导论计算机发展趋势和新技术计算机发展趋势和新技术u嵌入式计算机u网格计算u中间件技术u云计算u嵌入式计算机Embed

24、dedComputerl将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中。系统和功能软件固化起来l广泛应用于各种家电中，如电冰箱，全自动洗衣机，数字电视机，数码照相机等。数量已经超过了PC嵌入式计算机主板嵌入式计算机主板u网格计算GirdComputingl也称为分布式计算l利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”l充分利用闲置的计算机资源l是云计算的雏形网格计算覆盖范围网格计算覆盖范围u中间件技术MiddlewareTechnologyl介于应用软件和操作系统之间的系统软件l在服务器和客户机之间增加的应用服务器l使用通用标准，能被重用，也能向其他应用程序提供接口调用组件l是SOA（面向服务体系架构）的实现关键中间件模型中间件模型u云计算CloudComputingl云计算是一种通过互联网以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化的资源的计算模式l主要架构由公有云，私有云和混合云组成l随着互联网基础硬件设施的提升而加速发展l是未来计算机领域发展的重要方向之一云计算模型云计算模型