第1章-计算机基础知识(1-2)

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1、第1章 计算机基础知识(1),主讲: 王兆华 中国传媒大学计算机与网络中心 ,1,计算机的发展、特点及应用 计算机系统组成与工作原理（重点、难点） 计算机中的信息表示（重点、难点） 计算机安全基本知识,本章主要讲授内容（4学时）,1.1计算机的发展、特点及应用,什么是计算机？ 历史上人类使用的计算工具 第一台电子计算机(ENIAC) 计算机的发展过程 计算机发展趋势 计算机的特点 计算机的分类 计算机的应用领域,3,4,1.1计算机的发展、特点及应用,1、什么是计算机？ 一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。 通常我们所说的“计算机”是指“电

2、子计算机”由许多相关的电子元器件、部件、装置构成的电子设备。,1.1计算机的发展、特点及应用,2、追踪人类计算工具的发展历史 手指记数法 结绳计数 算筹 算盘 计算尺 手摇计算机 程控计算机 电子计算机微型计算机,5,1.1计算机的发展、特点及应用,3、认识第一台电子计算机,6,1.1计算机的发展、特点及应用,3、认识第一台电子计算机 简称：ENIAC 全称：Electronic Numerical Integrator And Calculator（电子数字积分器和计算器） 时间：1946年 地点：美国宾夕法尼亚大学 研制人：约翰.莫克利 和 普雷斯伯.埃克特 作用：军事项目的研究 ENIA

3、C诞生的意义： ENIAC机的问世表明了电子数字计算机时代的到来，具有划时代的伟大意义，是科学技术发展史上的重大里程碑。,7,1.1计算机的发展、特点及应用,3、认识第一台电子计算机 ENIAC的特点 5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,8,1.1计算机的发展、特点及应用,第一台电子计算机VS算筹,9,1.1计算机的发展、特点及应用,第一台电子计算机VS算筹 祖冲之在世界数学史上第一次将圆周率值计算到小数点后7位，用时15年 ENIAC用40s计算到小数点后700多位,10,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程

4、根据计算机的性能和采用的主要物理器件，一 般把计算机的发展分为五代。,11,第一代计算机 电子管 （1946 1957 ）,第二代计算机 晶体管 （1958 1964 ）,第三代计算机 中小规模 集成电路 （1965 1971 ）,第四代计算机 大规模、超大 规模集成电路 （1972 今 ）,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程,12,第一代计算机 电子管 （1946 1957 ）,处理速度：每秒指令几千条,外存：穿孔卡片、纸带,内存：汞延迟线,逻辑元件：电子管,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程,13,第一代计算机 电子管 （1946 1957 ）,1.1计

5、算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程,14,第二代计算机 晶体管 （1958 1964 ）,处理速度：每秒指令几百万条,外存：磁带,内存：磁芯存储器,逻辑元件：晶体管,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程,15,第三代计算机 中小规模 集成电路 （1965 1971 ）,处理速度：每秒指令几千万条,外存：磁带、磁盘,内存：半导体存储器,逻辑元件：集成电路,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程,16,第四代计算机 大规模、超大 规模集成电路 （1972 今 ）,处理速度：每秒指令数亿条以上,外存：磁带、磁盘、光盘等,内存：半导体存储器,逻辑元件：大规模集成

6、电路,1.1计算机的发展、特点及应用,4、计算机的发展过程 第五代计算机 是超大规模集成电路、人工智能、软件工程、新型计算机系统等的综合产物。具有人的部分智能，能识别和处理声音、图像，具有学习和推理能力。 新一代计算机 神经网络计算机、第六代计算机、光计算机,17,1.1计算机的发展、特点及应用,了解我国计算机的发展简史 （1）我国自1956年开始研制计算机，1958年研制成功 国内第一台电子管计算机103机（八一型）; （2）1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体 管计算机109系列，为两弹试验发挥了重要作用； （3）1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上 亿次的银河-I巨型

7、机，这是我国高速计算机研制 的一个重要里程碑； （4） 1985年，电子工业部计算机管理局研制成功与 IBM PC机兼容的长城0520CH微机； （5）1993年，国家智能计算机研发中心研制成功曙光 一号，为国内首创超大规模集成电路计算机；,18,1.1计算机的发展、特点及应用,了解我国计算机的发展简史 （6）曙光4000A在2004年全球高性能计算机TOP500排行榜中，成功跻身前十名，使中国成为继美、日后第三个研制和应用10万亿次超级计算机的国家。 （7）2008年6月24日，曙光5000落户上海超级计算机中心，峰值速度230万亿次。 （8）随着第一台国产千万亿次超级计算机“天河一号”20

8、09年10月29日在湖南长沙亮相，作为算盘这一古老计算器的发明者，中国拥有了历史上计算速度最快的工具， 天河一号千万亿次超级计算机系统，每秒钟1206万亿次的峰值速度。 （9）2010年，国防科学技术大学在“天河一号”的基础上，对加速节点进行了扩充与升级，新的“天河一号A”系统已经完成了安装部署，其实测运算能力从上一代的每秒563.1万亿次倍增至2507万亿次，成为目前世界上最快的超级计算机！,19,1.1计算机的发展、特点及应用,5、计算机的发展趋势 巨型化 微型化 多媒体化 智能化 网络化,20,天河一号,1.1计算机的发展、特点及应用,6、计算机的特点 运算速度快 精确度高 记忆能力强

9、有逻辑判断能力 能在程序控制下自动进行工作,21,用“天河一号”计算一秒，则相当于全国13亿人连续计算88年。如果用“天河一号”计算一天，一台当前主流微机得算160年。“天河一号”的存储量，则相当于4个国家图书馆藏书量之和。,1.1计算机的发展、特点及应用,7、计算机的分类 按功能分专用计算机和通用计算机 专用计算机功能单一、适应性差，但在特定用途下最有效、最经济、最快速 通用机功能齐全、适应性强 通用机根据运算速度、输入输出能力、数据存储能力、指令系统和机器价格等分为5类： 巨型机、大型机、小型机、工作站、微型机（个人计算机）,22,巨型机,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 超级计算

10、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学计算的高科技领域,23,中国的超级计算机： 国防科技大学研制的：“天河一号”、“银河1号”、 “银河2号”和“银河3号”等 国家智能计算机中心推出的：“曙光1000” 、“曙光200I”和“曙光4000A”等。,或者称大型主机，英文名mainframe。大型机使用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大型机一词，最初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计算机系统，以用来同小一些的迷你机和微型机有所区别。 很长一段时间,大型机是商业计算的核心:工资、档案、库存、账户全都由一个大型中央计算机处理。专门的计算机MIS部门负责维

11、护、备份、二次开发和升级等。 大型主机主要用于商业领域,如银行和电信,24,大型机,小型机,小型机是指采用8-32颗处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能 64 位计算机。国外小型机对应英文名是minicomputer和midrange computer。midrange computer是相对于大型主机和微型机而言 在60年代后期和70年代初期开始有厂商生产小型机。小型机比大型机便宜,有交互能力。小型机主要优点是可以为公司或部门服务,而不仅仅是计算中心。 而UNIX服务器，也就是中国业内习惯上说的小型机,25,工作站,工作站，英文名称为Workstation，是一种以个人

12、计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。 80年代中后期, “迷你小型机”工作站出现了。工作站的性能在很多场合足以替代小型机,而价格则接近PC机。工作站与PC机运行在同一网络上,有足够的性能为部门级应用开发提供环境。,26,超声医学影像工作站,1.1计算机的发展、特点及应用,8、计算机的应用领域(1) 科学计算(数值计算) 数据处理,27,地质剖面图,气象云图,Excel等办公自动化软件,1.1计算机的发展、特点及应用,8、计算机的应

13、用领域(2) 过程控制 计算机辅助系统 计算机辅助设计(CAD -Computer Aided Design )、计算机辅助制造（CAM- Computer Aided Manufacturing ） 计算机集成制造系统(CIMS) 计算机辅助教育（CBE）：计算机辅助教学（CAI- Computer Aided Instruction ）和计算机管理教学（CMI） 人工智能 机器人、专家系统、模式识别、智能检索 计算机网络 计算机娱乐,28,计算机的发展、特点及应用 计算机系统组成与工作原理（重点、难点） 计算机中的信息表示（重点、难点） 计算机安全基本知识,本章主要讲授内容（4学时）,1.

14、2 计算机系统组成与工作原理,1.2.1 计算机系统的组成 1.2.2 计算机的工作原理 1.2.3 微型计算机硬件组成,30,1.2.1 计算机系统的组成,计算机之父 约翰冯诺依曼 John von Neumann 19031957 美藉匈牙利科学家 冯诺依曼机,31,32,冯诺依曼计算机(1),1945年6月冯诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想： 计算机的基本组成 采用二进制进行信息表示 存储程序原理 从而形成了目前的计算机体系结构。世界上的第一台存储程序计算机是剑桥大学制成的EDSAC(1949年投入运行)。,33,冯诺依曼计算机(2),计算机是由五大部件组成 运算器 控制

15、器 存储器 输入设备 输出设备,34,冯诺依曼计算机(3),计算机的两个基本能力： 一是能够存储程序； 二是能够自动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（内存）以二进制的形式来存放所要执行的程序和数据的（将数据和程序同样看待） 称之为 CPU 的部件可以自动地依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,1.2.1 计算机系统的组成,35,计算机系统,硬件系统：计算机的实体设备,软件系统：在计算机硬件设备上运行的各种程序、相关文档和数据的总称，控制计算机的各种信息,计算机系统是一个整体，硬件系统和软件系统不可分割，两者的结合才能发挥计算机系统的功能，相辅相

16、成，缺一不可。,1.2.1 计算机系统的组成,1、计算机的硬件系统(五大组成部分) 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备,36,中央处理器,CPU (central processing unit),外部设备(I/O设备),计算机硬件(Hardware)是指计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体，它是计算机实现其功能的物质基础。 硬件是看得见、摸得着的设备。,1.2.1 计算机系统的组成,计算机硬件系统的逻辑结构,37,1.2.1 计算机系统的组成,1、计算机的硬件系统 运算器 对二进制数据进行算术运算、逻辑运算的部件，所以也称为算术逻辑部件（ALU-Arithmetical and Logical Unit），简称算逻部件,38,字长(word length , word size) 运算器一次所能处理的运算数（二进制数）的基本位数 一般等于运算器中寄存器所能容纳数据的位数（二进制数）,Very Important,1.2.1 计