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1、第1章绪论,2022年7月7日星期四,2,主要内容,1.1 计算机的产生1.2 计算机的发展1.3 计算机的主要指标1.4 计算机的特点和分类1.5 计算机的应用领域1.6 计算机科学与技术,2022年7月7日星期四,3,本章知识结构:,2022年7月7日星期四,4,学习目标:,了解计算机发展过程和发展趋势;了解计算机学科的体系和方法论;掌握计算机的主要技术指标;理解计算机的特点与分类。,1.1 绪论,1.1.1 图灵机模型1.1.2 第一台计算机1.1.3 冯诺依曼机模式,2022年7月7日星期四,6,1.1 计算机的产生,推动计算机发展的最重要原因是人类社会的需求。随着现代社会和科学技术的
2、发展,对新型的计算工具提出了更为强烈的需求。在计算机发展史中,图灵机模型、第一台计算机和冯诺依曼机模式是计算机产生过程中重要的三个事件。,2022年7月7日星期四,7,1.1.1 图灵机模型,1936年,英国剑桥大学著名数学家图灵在研究解决数学的一个基础理论问题时,发表了著名的“理想计算机”的论文。在该文中提出了现代通用数字计算机的数学模型。这种理论机器被称为图灵机。图灵分析和证明了这种图灵机可达到的功能。在理论上,图灵机的功能和现代计算机的功能基本类似。在随后的几十年时间里,图灵机成为计算机科学家、数学家、电子工程师研制实际计算机时,视其为在功能方面要达到的目标。另外,图灵在分析和证明图灵机
3、功能时所使用的形式化证明方法,也为计算机科学奠定了理论基础。,2022年7月7日星期四,8,1.1.2 第一台计算机,1946年2月,世界上第一台电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator AndComputer),即“电子数字积分式计算机”,在美国宾西法尼亚大学莫尔学院研制成功。ENIAC是二次大战时应美国军方快速计算导弹弹道的需求研制的,但它正式完工时已是1945年年底。ENIAC主要由电子管和继电器组成,计算速度为5千次秒,这样的计算速度比当时的计算工具有了很大的提高。 在此以前,对新的计算工具研制的主流是机械式实现方法,ENIAC的出现,引
4、导众多科学家和工程师把自己的注意力重点转向了电子实现方法,这为现代电子计算机的出现奠定了基础。,2022年7月7日星期四,9,1.1.3 冯诺依曼机模式,冯诺依曼出生于匈牙利,以后移居美国,成为普林斯特大学的数学教授。在J普雷斯泊埃克特与约翰冯。诺依曼的一次偶然会面中,他们讨论了ENIAC的工作原理和操作中的问题。冯诺依曼经过认真思考,提出了一个全新的电子计算机设计方案。这个方案的核心是存储程序方法。并且,冯诺依曼和宾夕法尼亚大学莫尔学院合作,于1952年按照这种方案设计完成了取名为EDVAC(电子离散变量自动计算机的英文缩写)的电子计算机。冯诺依曼提出的存储程序方法,就是设计一个包括存储部件
5、和处理部件的机器,程序存储在存储部件中,处理部件按照存储的程序有序地执行。存储程序方法是计算机发展的一个重要里程碑,现代计算机都是采用存储程序方法来实现自动计算的。通常把采用0、1符号编码方法和存储程序方法设计的计算机称为冯诺依曼计算机。把具有冯诺依曼计算机的特征简称为冯诺依曼机特征。,2022年7月7日星期四,10,1.2 计算机的发展,1.2.1 计算机的发展简史1.2.2 计算机的发展趋势,2022年7月7日星期四,11,1.2 计算机的发展,历史是一面镜子,学习它,将给你新的启迪。通过计算机发展史的学习,可以了解到计算机的强大生命力,以及人类对其寄予的厚望。,2022年7月7日星期四,
6、12,1.2.1 计算机发展简史,从第一台电子数字计算机诞生至今已有六十多年历史,发展速度是突飞猛进,给人类社会带来巨大的变化。计算机的发展经历了4代发展历程,每一代计算机的变革在技术上都是一次新的突破,在性能上都是一次质的飞跃。根据制造电子计算机采用的物理器件的不同,可以将计算机的发展过程分成如下几个阶段。,2022年7月7日星期四,13,1第一代计算机(1946年一1957年),第一代计算机的硬件主要采用电子管,一个电子管的体积和成人一个指头的体积近似,而一台计算机需要许多许多的电子管,所以这时的计算机体积非常庞大、价格也很高,运算速度每秒仅几千次。使用机器语言与符号语言编制程序。计算机只
7、能在少数尖端领域中应用,主要用于军事和科学计算。虽然第一代计算机与今天的计算机无法相比,但是它的诞生奠定了计算机发展的基础,对以后计算机的发展产生了深远影响。,2022年7月7日星期四,14,2第二代计算机(1958年一1964年),第二代计算机的硬件主要采用晶体管,外设采用磁盘、磁带,运算速度每秒几十万次。晶体管的体积较电子管的体积小,因此,晶体管计算机的体积较电子管计算机的体积小了很多。体积的缩小及相关技术的发展,带来了计算机运算速度的提高,存储容量的增大,功耗的降低以及可靠性的提高。晶体管是用半导体材料制造的,半导体材料便于控制并且功耗很低,集成度的提高有很大的发展空间,因此,这一时代为
8、未来计算机的迅速发展铺平了道路。在软件方面提出了操作系统的概念,开始使用FORTRAN,COBOL,ALGOL等高级程序语言,第二代计算机不仅用于科学计算,还用于数据处理和事务处理,并逐渐应用于工业控制领域。,2022年7月7日星期四,15,3第三代计算机(1965年一1971年),第三代计算机的硬件主要采用中、小规模集成电路,用半导体存储器代替了磁心存储器。运算速度可达每秒几十万次到几百万次。集成电路是把若干个元件集成在一个指关节大小的半导体基片上,并进行封装,具有一定功能的电子电路。开始时,集成电路的集成度比较低,称为小规模集成电路。随后集成电路的集成度提高了很多,称为中规模集成电路。在这
9、个时期,计算机系统软件也有了很大发展,出现了操作系统和会话式语言以及结构化程序设计的方法。计算机向标准化、多样化和通用化方向发展,并开始应用于各个领域。,2022年7月7日星期四,16,4第四代计算机(1972年至今),第四代计算机的硬件主要采用大规模与超大规模集成电路。单就集成度来说,这一时代和第3代相比,除集成度进一步提高外,没有太大的差别。但是,由于大规模、超大规模集成电路技术的发展,可以把整个处理器制造在一个指关节大小的芯片上,因此计算机的体系结构和构成方式有了很大的发展。计算机的各种性能都得到了大幅度的提高,运算速度从每秒几百万次到亿万次以上。操作系统不断完善,计算机软件产业高度发展
10、,层出不穷,计算机不断进人人们生产、生活的各个方面。微型机的产生为计算机的普及奠定了基础,计算机的发展进人了以计算机网络为特征的时代。,2022年7月7日星期四,17,1.2.2 计算机的发展趋势,计算机的应用有力地推动了国民经济的发展和科学技术的进步,同时也对计算机技术提出了更高的要求,从而促进了计算机的进一步发展。以超大规模集成电路为基础,未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。,2022年7月7日星期四,18,1.3 计算机的主要指标,评价计算机性能主要有下述基本技术指标。 1.3.1 主频 主频是计算机的主要指标之一,主频决定了计算机的运行速度,主频的单位是兆赫兹(M
11、HZ),例如Intel 8086为非5 MHZ,80286为8 MHZ,奔腾(Pentium)芯片已达到GHZ。,2022年7月7日星期四,19,1.3.2 字长,字长是指参与运算的数的二进制位数。字长标志着计算的精度,微型计算机的字长有8位、16位、32位等,Pentium芯片已达64位。运算精度与字长有关。字长越长,精度越高,当k位十进制数与k位二进制数相比较时,有如下关系: 10k=2c 两边取对数后,有下式: C/K=ln10/ln2=3.3 上式说明要保持k位十进制数的精度,至少要3.3倍c位二进制数位数。,2022年7月7日星期四,20,1.3 计算机的主要指标,1.3.3 存储容
12、量以字为单位的计算机可用字数乘以字长来表示存储容量,例如409616表示有4096个单元,每个单元字长为16位。1.3.4 运算速度计算机对执行不同的操作所需的时间可能不同,因而计算速度存在不同的计算方法。现在通常采用下述两种方法:指明加减、乘、除各需要多少时间;给出每秒执行的机器指令条数。,2022年7月7日星期四,21,1.3 计算机的主要指标,1.3.5 外围设备配置允许配置外围设备的最大数量和输入输出处理能力等。 1.3.6 指令系统的功能计算机的指令系统功能强大与否,也是计算机的一个重要指标。此外,系统软件的配置情况、诊断能力和容错能力等也是衡量计算机性能的重要指标。,2022年7月
13、7日星期四,22,1.4 计算机的特点和分类,1.4.1 计算机的特点1.4.2 计算机的分类,2022年7月7日星期四,23,1.4 计算机的特点和分类,虽然计算机种类繁多,而且不同类型的计算机的功能和性能不同。但各种类型的计算机具有相同的特点,下面将介绍计算机的主要特点和分类。1.4.1 计算机的特点计算机的主要特点表现在以下几个方面。,2022年7月7日星期四,24,1运算速度快,运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。运算速度快是计算机的一个突出特点。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次(如ENIAC机每秒钟仅
14、可完成5000次定点加法)发展到现在的最高可达每秒几千亿次乃至万亿次。计算机高速运算的能力极大地提高了工作效率,把人们从浩繁的脑力劳动中解放出来。过去用人工旷日持久才能完成的计算,而计算机在瞬间即可完成。对于许多数学问题,由于计算量太大,数学家们终其毕生也无法完成,使用计算机则可轻易地解决。,2022年7月7日星期四,25,2计算精度高,在科学研究和工程设计中,对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字(如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等),而计算机对数据的结果精度可达到十几位、几十位有效数字,根据需要甚至可达到任意的精度。,2022年7月7日星期四,26,3存储容
15、量大计算机的存储器可以存储大量数据,目前计算机的存储容量越来越大,已高达千兆数量级的容量。这是与传统计算工具的一个重要区别。4具有逻辑判断功能 计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外,还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。5自动化程度高,通用性强 由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内,工作时按程序规定的操作,一步一步地自动完成,一般无须人工干预,因而自动化程度高。计算机通用性的特点能能求解科学中各种类型的问题,并广泛地应用各个领域。,2022年7月7日星期四,27,1.4.2 计算机的分类,计算机的种类很多,分类如下。 1基于信息的形式和处
16、理方式的分类(1)数字计算机,是通过电信号的有无来表示数,并利用算术和逻辑运算法则进行计算的。它具有运算速度快、精度高、灵活性大和便于存储等优点,因此适合于科学计算、信息处理、实时控制和人工智能等应用。目前我们所用的计算机,一般都是数字计算机。(2)模拟计算机,是通过电压的大小来表示数,即通过电的物理变化过程来进行数值计算的。其优点是速度快,适合于解高阶的微分方程。在模拟计算和控制系统中应用较多,但通用性不强,信息不易存储,且计算机的精度受到了设备的限制。因此,不如数字计算机的应用普遍。,2022年7月7日星期四,28,1.4.2 计算机的分类,2基于用途的分类(1)专用计算机,它是为了解决一
17、些专门的问题而设计制造的。因此,它可以增强某些特定的功能,而忽略一些次要功能,使得专用计算机能够达到高速度、高效率地解决某些特定的问题。一般地,模拟计算机通常都是专用计算机。在军事控制系统中,广泛地使用了专用计算机。(2)通用计算机,具有功能多、配置全、用途广、通用性强等特点,我们通常所说的就是指通用计算机。,2022年7月7日星期四,29,1.4.2 计算机的分类,3按照计算机规模,并参考其运算速度、输入输出能力、存储能力等因素划分,通常将计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机等几类。(1)巨型机巨型机运算速度快,存储量大,结构复杂,价格昂贵,主要用于尖端科学研究领域,如:核武器、反导弹武
18、器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。巨型机从技术上朝两个方向发展:一方面是开发高性能器件,缩短时钟周期,提高单机性能。目前巨型机的时钟周期大约在2ns7ns。另一方面是采用多处理器结构,提高整机性能,如CRAY-4就采用了64个处理器。研制巨型机是现代科学技术、尤其是国防尖端技术发展的需要。很多国家竟相投入巨资开发速度更快、性能更强的超级计算机。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度已成为衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志。,2022年7月7日星期四,30,1.4.2 计算机的分类,(2)大型机大型机规模次于巨型机,有比较完善的指令系统和丰富的外部设备,其特点表现在通用性强、具
19、有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等,主要应用在计算机网络和大型计算中心中,如:公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂家等,如IBM4300机等。在信息化社会里,随着信息资源的剧增,带来了信息通信、控制和管理等一系列问题,而这正是大型机的特长。未来将赋予大型机更多的使命,它将覆盖“企业”所有的应用领域,如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全保护、大型科学与工程计算等。,2022年7月7日星期四,31,1.4.2 计算机的分类,(3)小型机小型机规模小、结构简单、设计试制周期短,便于及时采用先进工艺。这类机器由于可靠性高,对运行环境要求低,易于操作且便于维护,用户使用机器不必经过长期的专门
20、训练。因此小型机对广大用户具有吸引力,加速了计算机的推广普及。小型机应用范围广泛,如用在工业自动控制、大型分析仪器、测量仪器、医疗设备中的数据采集、分析计算等,也用作大型、巨型计算机系统的辅助机,并广泛运用于企业管理以及大学和研究所的科学计算等。,2022年7月7日星期四,32,1.4.2 计算机的分类,(4)微型机微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组成,使得它较之小型机体积更小、价格更低、灵活性更好,可靠性更高,使用更加方便。目前许多微型机的性能已超过以前的大中型机。1971年,美国的Intel公司成功地在一个芯片上实现了中央处理器的功能,制成了世界上第一片4位微处理器MP
21、U(microprocessing unit),也称Intel 4004,并由它组成了第一台微型计算机MCS-4,由此揭开了微型计算机大普及的序幕。随后,许多公司,如Motorola、Zilog等也争相研制微处理器,相继推出了8位、16位、32位微处理器。芯片内的主频和集成度也在不断提高,芯片的集成度几乎每18个月就提高一倍,而由它们构成的微型机在功能上也不断完善。,2022年7月7日星期四,33,1.4.2 计算机的分类,美国IBM公司采用Intel微处理器芯片,自1981年推出IBM PC(personal computer)微型个人机后,又推出IBM PC XT、IBM PC 286、3
22、86等一系列微型计算机,由于其功能齐全、软件丰富、价格便宜,很快占据了微型计算机市场的主导地位。目前,在微机领域,IBM已不再独领风骚,许多国内外厂商都生产各种兼容的采用Pentium III、K7等先进CPU的个人计算机。,2022年7月7日星期四,34,1.4.2 计算机的分类,(5)网络计算机(NC,network computer)当计算机最初用于信息管理时,信息的存储和管理是分散的。这种方式的弱点是数据的共享程度低,数据的一致性难以保证,于是以数据库为标志的一代信息管理技术发展起来,同时以大容量磁盘为手段、以集中处理为特征的信息系统也发展起来。20世纪80年代PC机的兴起冲击了这种集
23、中处理的模式,而计算机网络的普及更加剧了这一变化。数据库技术也相当延伸到了分布式数据库,客户机服务器的应用模式也应运而生。当然,这不是面向分散处理的简单的回归,而是螺旋式的上升。随着Internet的迅猛发展,网络安全、软件维护与更新、多媒体应用等迫使计算机工作者再次权衡集中与分散的问题,如是否可以把需要共享和需要保持一致的数据相对集中地存放,把经常更新的软件比较集中地管理,而把用户端的功能仅限于用户界面与通信功能等问题,这就导致了网络计算机的出现。,2022年7月7日星期四,35,1.4.2 计算机的分类,从NC的角度来看,可以把整个网络看成是一个巨大的磁盘驱动器,而NC可以通过网络从服务器
24、上下载大多数乃至全部应用软件。这就表明PC的使用者,从此可以不再为PC机的软硬件配置和文件的保存煞费苦心。由于应用软件和文件都是存储在服务器而不是各自的PC机上,因此无论是数据还是应用软件,用户总能获得最新的版本。,2022年7月7日星期四,36,4基于工作模式分类,(1)服务器服务器是一种可供网络用户共享的高性能计算机、服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部设备,其上运行网络操作系统,要求较高的运行速度,因此,很多服务器都配置了双CPU,服务器上的资源可供网络用户共享。,2022年7月7日星期四,37,1.4.2 计算机的分类,(2)工作站工作站是一种高档的微机系统。它具有较高的运算速度
25、,既具有大、中、小型机的多任务、多用户能力,又兼具微型机的操作便利和良好的人机界面。它可连接多种输入、输出设备,其最突出的特点是图形性能优越,具有很强的图形交互处理能力,因此在工程领域、特别是在计算机辅助设计(CAD)领域得到了广泛运用,可以说,工作站是专为工程师设计的机型。由于工作站出现的较晚,一般都带有网络接口,采用开放式系统结构,即公开计算机的软、硬件接口,并遵守国际工业界流行标准,以鼓励其他厂商、用户围绕工作站开发软、硬件产品。目前,多媒体等各种新技术已普遍集成到工作站中,其应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域,并可作为网络服务器。,2022年7月7日星期四,3
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