1、大學計算機基礎第一章第一章 概論概論第一章 概論主要內容主要內容1.1 1.1 計算機的產生與發展計算機的產生與發展 1.2 1.2 計算機分類與應用計算機分類與應用1.3 1.3 未來計算機展望未來計算機展望計算機是一種能夠按照事先計算機是一種能夠按照事先存儲存儲的程序，的程序，自動、高速自動、高速進行大量進行大量數數值計算值計算和各種和各種信息處理信息處理的現代化的現代化智能電子裝置。智能電子裝置。什么是計算機什么是計算機?1.1.1 計算機的產生1.1 計算機的產生與發展手指計數、木棍、石塊v 算算 盤盤: :幾百年前幾百年前我國發明手動式計算工具我國發明手動式計算工具v 計算尺計算尺:

2、 :16211621年英國數學家岡特根據對數表設計年英國數學家岡特根據對數表設計16421642年年法國數學家法國數學家帕斯卡發明了加法器，帕斯卡發明了加法器，人類有史以來第一臺機械計算機。人類有史以來第一臺機械計算機。采用齒輪旋轉進位方式執行運算，但是采用齒輪旋轉進位方式執行運算，但是只能做加法和減法。只能做加法和減法。18221822年英國數學家巴貝奇發明了差分機年英國數學家巴貝奇發明了差分機18341834年研制出分析機（有年研制出分析機（有3 3個主要部分：個主要部分：保存數據的存儲庫、運算裝置和對操作保存數據的存儲庫、運算裝置和對操作順序進行控制）順序進行控制）1.1 計算機的發展過

3、程v機械計算（齒輪傳動）機械計算（齒輪傳動）16731673年在此基礎上，德國數學家萊布尼年在此基礎上，德國數學家萊布尼茨設計制造了手搖式計算器。茨設計制造了手搖式計算器。1.1 計算機的發展過程第一臺計算機的誕生第一臺計算機的誕生（ENIACENIAC） 1946 1946年年2 2月月1414日日（艾尼亞克）艾尼亞克） 美國賓夕法尼亞大學美國賓夕法尼亞大學電子數字積分計算機電子數字積分計算機:重達重達3030噸噸:占地占地170170m m2 2:耗電耗電150150千瓦千瓦:使用使用1800018000個電子管個電子管:50005000次加減運算次加減運算/ /秒秒v 機電方法制造計算機

4、機電方法制造計算機電子管電子管19581958年年8 8月我國第一臺電子管計算機月我國第一臺電子管計算機103103誕生誕生缺點：沒有存儲器，用布線缺點：沒有存儲器，用布線接板進行控制，計算速度也接板進行控制，計算速度也就被這一工作抵消了就被這一工作抵消了 。ENIACENIAC1.1.2 近代電子數字計算機發展簡史時代年份器件存儲器軟件應用運算速度一一 1946194619571957電子管電子管內存內存: :汞延遲線汞延遲線外存外存: :磁鼓磁鼓使用機器語言使用機器語言和匯編語言和匯編語言軍事研究軍事研究科學計算科學計算幾千次幾千次/s/s二二1958195819641964晶體管晶體管內

5、存內存: :磁芯磁芯外存外存: :磁盤磁盤, ,磁帶磁帶使用高級語言使用高級語言數據處理數據處理事務處理事務處理工業控制工業控制幾十幾十萬次萬次/s/s三三1965196519711971集成集成電路電路內存內存: :磁芯磁芯, ,半導半導體存儲器體存儲器外存外存: :磁盤磁盤操作系統、編操作系統、編譯程序、網絡譯程序、網絡軟件軟件開始廣開始廣泛應用泛應用幾十萬到幾十萬到幾百萬幾百萬/s/s四四1972 1972 大規模大規模集成集成電路電路內存內存: :半導體存半導體存儲器儲器外存外存: :磁盤磁盤, ,光盤光盤操作系統完善、操作系統完善、數據庫系統、計數據庫系統、計算機軟件的開發算機軟件的

6、開發廣泛應用廣泛應用于各領域于各領域幾百萬到幾百萬到幾億萬幾億萬/s/s晶體管超大規模集成電路電子管集成電路第五代計算機第五代計算機專家推測，以下三種新的概念將有可能成為第五代計專家推測，以下三種新的概念將有可能成為第五代計算機的候選機。算機的候選機。光計算機：光計算機： 光計算機是利用光子取代電子進行數據運算、存儲和傳輸。光計算機是利用光子取代電子進行數據運算、存儲和傳輸。在光子計算機中，不同波長的光表示不同的信號，可快速完成在光子計算機中，不同波長的光表示不同的信號，可快速完成復雜的計算，光計算機的目標是充分利用光的特性，設計更高復雜的計算，光計算機的目標是充分利用光的特性，設計更高速、更

7、大容量存儲的計算機。與電子計算機相比，光計算機具速、更大容量存儲的計算機。與電子計算機相比，光計算機具有超高速的運算速度，強大的并行處理能力，大容量的存儲能有超高速的運算速度，強大的并行處理能力，大容量的存儲能力，以及很強的抗干擾能力。力，以及很強的抗干擾能力。生物計算機：生物計算機： 生物計算機（也稱為生物計算機（也稱為DNADNA分子計算機）是計算機科學和分子分子計算機）是計算機科學和分子生物學相結合而發展起來的新興研究領域。特點是使用以生物生物學相結合而發展起來的新興研究領域。特點是使用以生物工程技術產生的蛋白分子為主要原材料的生物芯片。這類芯片工程技術產生的蛋白分子為主要原材料的生物芯

8、片。這類芯片不僅具有巨大的存儲能力，而且傳播數據的方式也不同于以往不僅具有巨大的存儲能力，而且傳播數據的方式也不同于以往的計算機，具有最快的處理速度。生物計算機還具有較高的智的計算機，具有最快的處理速度。生物計算機還具有較高的智能性，更宜于模擬人腦的機制，能如同人腦那樣進行思維、推能性，更宜于模擬人腦的機制，能如同人腦那樣進行思維、推理和識別文字，還能理解人的語言，可以應用在各種重要的控理和識別文字，還能理解人的語言，可以應用在各種重要的控制領域。制領域。量子計算機：量子計算機： 量子計算機是一種采用基于量子力學原理的深層次量子計算機是一種采用基于量子力學原理的深層次計算模式進行高速數學和邏輯

9、運算、存儲及處理量子信息的計算模式進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機，不僅運算速度快、存儲量大，功耗抵，而且體積會計算機，不僅運算速度快、存儲量大，功耗抵，而且體積會大大縮小。大大縮小。1.2 計算機的分類與應用1.2.1 1.2.1 計算機的分類計算機的分類按計算機處理數據的方式分類按計算機處理數據的方式分類 （1 1）電子數字計算機）電子數字計算機 以數字量（也稱不連續量）作為運算對象進行運算，特以數字量（也稱不連續量）作為運算對象進行運算，特點是運算速度快，精確度高，具有記憶和邏輯判斷能力。計點是運算速度快，精確度高，具有記憶和邏輯判斷能力。計算機的內部操作和運算是在程序

10、控制下自動進行的。一般不算機的內部操作和運算是在程序控制下自動進行的。一般不特別說明，計算機指的是電子數字計算機。特別說明，計算機指的是電子數字計算機。 （2 2）電子模擬計算機）電子模擬計算機 以連續變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模擬實際以連續變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模擬實際所需要計算的對象）作為運算量的計算機。主要用于過程控所需要計算的對象）作為運算量的計算機。主要用于過程控制和模擬仿真。制和模擬仿真。 按計算機的運算速度和性能指標分類按計算機的運算速度和性能指標分類巨型機：巨型機：運算速度最快、存儲能力最大、處理能力最強。運算速度最快、存儲能力最大、處理能力最強。例如：銀河

11、、曙光系列。例如：銀河、曙光系列。微型機微型機：以小、巧、輕、使用方便、價格便宜、軟件豐富、：以小、巧、輕、使用方便、價格便宜、軟件豐富、功能齊全等優勢而擁有廣大的用戶。功能齊全等優勢而擁有廣大的用戶。大型機大型機：大型、通用、較快、較強：大型、通用、較快、較強, ,承擔服務器功能承擔服務器功能. .例如：例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900 IBM-360,IBM-370,IBM-900 等。等。 小型機小型機：規模小，結構簡單，設計試制周期短：規模小，結構簡單，設計試制周期短, ,工藝先進、工藝先進、使用維護簡單。使用維護簡單。如如:IBM:IBM的的AS/400AS/40

12、0。工作站：工作站： 介于介于PCPC與小型機之間與小型機之間, , 高分辨率、大容量內外存，高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強。圖形功能較強。SunSun、HPHP都是著名的工作站廠家。都是著名的工作站廠家。服務器：服務器：網絡環境下為多用戶提供服務的計算機系統。網絡環境下為多用戶提供服務的計算機系統。1.2.2 計算機的應用1. 1. 科學計算科學計算天文、地質、核物理天文、地質、核物理2. 2. 數據處理數據處理企業管理、辦公自動化、統計企業管理、辦公自動化、統計3. 3. 過程控制過程控制冶金、機械、化工、航天冶金、機械、化工、航天4. 4. 計算機輔助系統計算機輔助系統 CAD(C

13、AD(輔助設計）輔助設計）CAMCAM（輔助制造）輔助制造）CAECAE（輔助教育、輔助教育、CAICAI輔助教學、輔助教學、CMICMI計算機管理教學）計算機管理教學）5. 5. 人工智能人工智能 模擬人腦，計算機診斷模擬人腦，計算機診斷6. 6. 計算機模擬計算機模擬 虛擬實驗室，工廠，仿真，汽車、虛擬實驗室，工廠，仿真，汽車、航天員模擬訓練航天員模擬訓練7.7.計算機網絡計算機網絡 在信息時代，人們的工作幾乎每天都要面對計算機，借助計在信息時代，人們的工作幾乎每天都要面對計算機，借助計算機完成各項工作。計算機網絡改變了人們傳統的生活工作方式算機完成各項工作。計算機網絡改變了人們傳統的生活

14、工作方式 信息交流與傳播信息交流與傳播 電子郵件、聊天、微博、通訊、傳媒電子郵件、聊天、微博、通訊、傳媒 電子商務電子商務 網上訂票、網上購物等網上訂票、網上購物等 電子政務電子政務 虛擬政府、網上辦公虛擬政府、網上辦公 文化教育文化教育 瀏覽新聞、查閱書刊、接受教育瀏覽新聞、查閱書刊、接受教育 、網上招生、報名、信息共享、網上招生、報名、信息共享8 8. .娛樂消遣娛樂消遣 欣賞欣賞DVDDVD影碟、音樂影碟、音樂 進行游戲或娛樂進行游戲或娛樂1.3 未來計算機展望 巨型化巨型化 微型化微型化 網絡化網絡化 智能化智能化v更快的運算速度、更大的存儲容量、更強更快的運算速度、更大的存儲容量、更

15、強的處理能力以及更高的可靠性。的處理能力以及更高的可靠性。v運算速度可達每秒幾百億次運算的運算速度可達每秒幾百億次運算的應用：天氣預報、地震機理研究、衛星應用：天氣預報、地震機理研究、衛星圖像處理等大量科學計算的高科技領域。圖像處理等大量科學計算的高科技領域。v集中體現了計算機科學技術的發展水平。集中體現了計算機科學技術的發展水平。銀河億次巨型計算機銀河億次巨型計算機 1.1.計算機發展趨勢計算機發展趨勢 計算機的發展趨勢 巨型化巨型化 微型化微型化 網絡化網絡化 智能化智能化v使用方便、體積小，成本低和功能齊使用方便、體積小，成本低和功能齊全方向發展全方向發展v嵌入式技術嵌入式技術v家電、儀

16、器儀表，筆記本電腦，掌上家電、儀器儀表，筆記本電腦，掌上計算機計算機計算機的發展趨勢 巨型化巨型化 微型化微型化 網絡化網絡化 智能化智能化v利用計算機技術與通信技術結合利用計算機技術與通信技術結合, ,把分布在不同地點的計算機互連起把分布在不同地點的計算機互連起來來, ,組成規模強大的計算機網絡。組成規模強大的計算機網絡。v實現方便、及時、可靠、安全、實現方便、及時、可靠、安全、高效的信息服務高效的信息服務計算機的發展趨勢 巨型化巨型化 微型化微型化 網絡化網絡化 智能化智能化 使計算機具有視覺、聽覺、語言、行使計算機具有視覺、聽覺、語言、行為、思維、邏輯推理等能力。為、思維、邏輯推理等能力

17、。v 第一代機器人第一代機器人 機械手（機械手（19621962年出現）年出現）v 第二代機器人第二代機器人 具有具有“感覺感覺”的機器人的機器人v 第三代機器人第三代機器人 裝有啟發式計算機的裝有啟發式計算機的“智智能機器人能機器人”典型案例2.2.計算機新技術領域計算機新技術領域 （1 1）高性能計算）高性能計算(High Performance Computing(High Performance Computing，HPC)HPC) 高性能計算是計算機科學的一個分支，主要是指從體系高性能計算是計算機科學的一個分支，主要是指從體系結構、并行算法和軟件開發等方面研究開發高性能計算機的結構、

18、并行算法和軟件開發等方面研究開發高性能計算機的技術，通常使用很多處理器或者某一集群中組織的幾臺計算技術，通常使用很多處理器或者某一集群中組織的幾臺計算機的計算系統和環境。機的計算系統和環境。 高性能計算是以速度為核心，它包括兩方面途徑：一是高性能計算是以速度為核心，它包括兩方面途徑：一是提高單一處理器的計算性能，二是把這些處理器集成，由多提高單一處理器的計算性能，二是把這些處理器集成，由多個個CPUCPU構成一個計算機系統，進行并行計算。構成一個計算機系統，進行并行計算。 目前世界上頂級的高性能計算機有成百上千、甚至上萬目前世界上頂級的高性能計算機有成百上千、甚至上萬個個CPUCPU，這些處理

19、器協同計算，才能夠提供需要的速度。，這些處理器協同計算，才能夠提供需要的速度。 1.3 未來計算機展望 （2 2）云計算）云計算 云計算是一種能夠將動態伸縮的虛擬化資源通過互聯網以服務的云計算是一種能夠將動態伸縮的虛擬化資源通過互聯網以服務的方式提供給用戶的計算模式，用戶不需要知道如何管理那些支持云計方式提供給用戶的計算模式，用戶不需要知道如何管理那些支持云計算的基礎設施。提供資源的網絡被稱為算的基礎設施。提供資源的網絡被稱為“云云”，用戶，用戶通過網絡以按需、通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源。易擴展的方式獲得所需的資源。 云計算是并行計算、分布式計算和網格計算的融合和發展，是這云計

20、算是并行計算、分布式計算和網格計算的融合和發展，是這些計算機科學概念的發展和商業實現。用戶可以按需計量使用這些資些計算機科學概念的發展和商業實現。用戶可以按需計量使用這些資源，從而實現讓計算成為一種公用設施來按需而用的夢想。源，從而實現讓計算成為一種公用設施來按需而用的夢想。 云計算最基本的概念：通過整合、管理、調配分布在網絡各處的云計算最基本的概念：通過整合、管理、調配分布在網絡各處的計算機資源，并以統一的界面同時向大量用戶提供服務。借助云計算，計算機資源，并以統一的界面同時向大量用戶提供服務。借助云計算，網絡服務提供者可以在瞬間處理數以萬計甚至億計的信息，實現和超網絡服務提供者可以在瞬間處

21、理數以萬計甚至億計的信息，實現和超級計算機同樣強大的效能。級計算機同樣強大的效能。計算機的新技術領域（3 3）普適計算（）普適計算（Pervasive Computing)Pervasive Computing) 普適計算強調和環境融為一體的計算，指在任何時間、任普適計算強調和環境融為一體的計算，指在任何時間、任何地點都可以計算，也稱無處不在的計算。在普適計算的模式何地點都可以計算，也稱無處不在的計算。在普適計算的模式下，人們可以在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的下，人們可以在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。獲取與處理。 隨著計算機網絡化、微型化以及嵌入式技術的發展

22、，普適隨著計算機網絡化、微型化以及嵌入式技術的發展，普適計算正在逐漸成為現實。未來的普適計算將集移動通信技術、計算正在逐漸成為現實。未來的普適計算將集移動通信技術、計算技術和嵌入式技術于一體，通過將普適計算設備嵌入人們計算技術和嵌入式技術于一體，通過將普適計算設備嵌入人們生活的各種環境中，將計算從桌面上解放出來，使用戶能以各生活的各種環境中，將計算從桌面上解放出來，使用戶能以各種靈活的方式享受計算能力和資源服務。那時候，人們周圍到種靈活的方式享受計算能力和資源服務。那時候，人們周圍到處都是計算機，這些計算機將依據不同的計算要求而呈現不同處都是計算機，這些計算機將依據不同的計算要求而呈現不同的模

23、樣，不同的名稱。的模樣，不同的名稱。計算機的新技術領域（4 4）網格計算）網格計算 網格計算是網格計算是HPCHPC領域的一個分支，網格計算不同于傳統領域的一個分支，網格計算不同于傳統的的HPCHPC環境。針對復雜科學計算的新型計算模式，利用計算環境。針對復雜科學計算的新型計算模式，利用計算機網絡把分散在不同地理位置的計算機組成一個虛擬超級計機網絡把分散在不同地理位置的計算機組成一個虛擬超級計算機，每臺計算機就是一個算機，每臺計算機就是一個“節點節點”，整個計算由成千上萬，整個計算由成千上萬個節點組成的一張網格。數據處理能力超強，可以充分利用個節點組成的一張網格。數據處理能力超強，可以充分利用

24、網上閑置的處理能力，實現資源與信息共享。網上閑置的處理能力，實現資源與信息共享。 20032003年，耶魯大學醫學院網格計算項目組嘗試了利用網年，耶魯大學醫學院網格計算項目組嘗試了利用網格計算技術，加速進行抗格計算技術，加速進行抗SARS SARS 病毒藥物的篩選。方法是：病毒藥物的篩選。方法是：參與這個項目的用戶，只需在網絡上下載一個軟件，啟動后參與這個項目的用戶，只需在網絡上下載一個軟件，啟動后以后臺方式運行，利用計算機的閑置能力工作，自動從網站以后臺方式運行，利用計算機的閑置能力工作，自動從網站上獲取數據包，運算完成后自動發送回去，不需人工干預。上獲取數據包，運算完成后自動發送回去，不需

25、人工干預。計算機的新技術領域（5 5）生物計算）生物計算 生物計算包括兩個方面：一是晶體管的密度已經接近所用生物計算包括兩個方面：一是晶體管的密度已經接近所用技術的極限，要繼續提高計算機性能，就要尋找新的計算機結技術的極限，要繼續提高計算機性能，就要尋找新的計算機結構，生物計算機成為一種選擇。另一方面，分子生物學的突飛構，生物計算機成為一種選擇。另一方面，分子生物學的突飛猛進已經使其成為資料量最大的學科，借助計算機進行分子生猛進已經使其成為資料量最大的學科，借助計算機進行分子生物信息研究，可以通過數量分析的途徑獲取突破性的成果。物信息研究，可以通過數量分析的途徑獲取突破性的成果。 2020世紀

26、世紀7070年代，人們發現年代，人們發現DNADNA處在不同的狀態下，可以產處在不同的狀態下，可以產生有信息和無信息的變化，這個發現引發了人們對生物元件的生有信息和無信息的變化，這個發現引發了人們對生物元件的研究和開發。目前生物傳感器的研制已經取得了不少實際成果研究和開發。目前生物傳感器的研制已經取得了不少實際成果 生物計算更重要的方面是利用計算機進行基因組研究，運生物計算更重要的方面是利用計算機進行基因組研究，運用大規模高效的理論和數字計算，歸納、整理基因組的信息和用大規模高效的理論和數字計算，歸納、整理基因組的信息和特征，模擬生命體內的信息流過程，進而揭示代謝、發育、分特征，模擬生命體內的

27、信息流過程，進而揭示代謝、發育、分化、進化的規律，探索人類健康和疾病的根源。化、進化的規律，探索人類健康和疾病的根源。計算機的新技術領域（6 6）物聯網）物聯網 物聯網（物聯網（The Internet of thingsThe Internet of things）是基于互聯網、傳統）是基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化化和普適服務智能化3 3個重要特征。個重要特征。 物聯網的核

28、心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品延伸和擴展的網絡。其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯網是通過射頻識別、紅外感應之間進行信息交換和通信。物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。現對物品的智能化識別、

29、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網的作用是使物體變得更加智能化，使日常生活中的任何物聯網的作用是使物體變得更加智能化，使日常生活中的任何物品都變得有感覺，有思想。在物聯網時代，每一件物體均可物品都變得有感覺，有思想。在物聯網時代，每一件物體均可尋址，每一件物體均可通信，每一件物體均可控制。尋址，每一件物體均可通信，每一件物體均可控制。 計算機的新技術領域(Information)(Information)是對各種事物變化和特征的反映，是對各種事物變化和特征的反映，是事物間相互作用和聯系的表征。是事物間相互作用和聯系的表征。 信息經過轉化而成為計算機能夠處理的數據，同時信息經過轉化而成為計

30、算機能夠處理的數據，同時也是經過計算機處理后作為問題解答而輸出的數據。也是經過計算機處理后作為問題解答而輸出的數據。1.3.3 1.3.3 計算機與信息化社會計算機與信息化社會1.信息與數據信息與數據(Data)(Data)是記錄下來可以鑒別的符號，是信息的是記錄下來可以鑒別的符號，是信息的載體，是對客觀實體的一種描述形式，這種描述形載體，是對客觀實體的一種描述形式，這種描述形式可以進行通信、翻譯轉換或加工處理。式可以進行通信、翻譯轉換或加工處理。 數據有多種表現形式：數字、文字、圖形、圖數據有多種表現形式：數字、文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。像、音頻和視頻等。1.3 未來計算機展望 既有聯

31、系，又相互區別。數據既有聯系，又相互區別。數據是信息的載體，是信息的具體表現是信息的載體，是信息的具體表現形式，而信息是數據的內涵，是有形式，而信息是數據的內涵，是有用的、經過加工處理的數據。信息用的、經過加工處理的數據。信息有意義，數據則沒有。有意義，數據則沒有。活動活動數據數據信息信息決策決策示例示例1 1：“20122012年農村居民人均純收入年農村居民人均純收入79177917元，比上年增長元，比上年增長13.5%”13.5%”。扣除價格上漲因素，實際增長。扣除價格上漲因素，實際增長10.7%10.7%。經過大量的原經過大量的原始數據資料分析后得出的結論，其表現形式是數據。始數據資料分析后得出的結論，其表現形式是數據。示例示例2 2： “某個病人的體溫是某個病人的體溫是3939” 。病歷卡上記載病人的病歷卡上記載病人的體溫體溫39是數據。數據是數據。數據39本身是沒有意義的。當數據以某本身是沒有意義的。當數據以某種形式經過處理、描述或與其它數據比較時，才能成為信息。種形式經過處理、描述或與其它數據比較時，才能成為信息。計算機與信息化社會指獲取信息、處理信息、存儲信息和傳指獲取信息、處理信息、存儲信息和傳播信息中所用到的技術。播信息中所用到