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1、第1章 概述,大学计算机基础教程,目录,1.1 计算机的发展,1.2 计算机的分类,1.3 计算机的应用领域,1.4 计算机系统组成,2,华南理工大学计算机教学团队,1.1 计算机的发展,华南理工大学计算机公共基础教研室,3,计算机的诞生（1）,一般认为第一台真正意义下的电子计算机是1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生的，其名称为电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Calculator,简称为ENIAC），如图所示。,4,华南理工大学计算机教学团队,计算机的诞生（2）,1946年6月，美籍匈牙利数学家冯.诺依曼（von Neumann）
2、，发表了题为“电子计算机装置逻辑结构初探”的论文，并设计出第一台“存储程序”的离散变量自动电子计算机（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer,简称为EDVAC）。,5,华南理工大学计算机教学团队,现代计算机之父冯.诺依曼,1.1.2 计算机的发展阶段（1）,第一代：电子管计算机（1946年20世纪50年代中期）主要特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，其主存储器采用磁鼓、磁芯，外存储器采用卡片、纸带、磁带等。存储容量只有几千字节，运算速度为每秒几千次，主要使用机器语言编写程序。这一代的计算机体积大、价格高、维修困难，使用也不方便，
3、只在军事领域或科学研究领域使用，主要用于进行科学计算。,华南理工大学计算机教学团队,6,1.1.2 计算机的发展阶段（2）,第二代：晶体管计算机（20世纪50年代中期20世纪60年代中期）主要特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元件，其主存储器使用磁芯，外存储器使用磁带、磁盘。在软件方面开始使用 FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理及工业控制。相对第一代计算机，这一代计算机的运行速度更快、体积更小、功能更强。,华南理工大学计算机教学团队,7,1.1.2 计算机的发展阶段（3）,第三代：集成电路计算机（20世纪60年代中期2
4、0世纪70年代初期）主要特征是采用中、小规模的集成电路作为计算机的逻辑元件，其主存储器开始逐渐采用半导体元件，外存储器采用磁盘。存储容量可达几兆字节，运算速度可达每秒几十万次到几百万次。体积进一步缩小、性能进一步提高、成本进一步降低。在软件方面，操作系统开始使用，使计算机的功能越来越强。从此，计算机进入普及阶段，广泛应用于科学计算、数据处理、过程控制等各个方面。,华南理工大学计算机教学团队,8,1.1.2 计算机的发展阶段（4）,第四代：大规模集成电路计算机（20世纪70年代初期至今）主要特征是采用了大规模集成电路（Large Scale Integration,简称为LSI）和超大规模集成电
5、路（Very Large Scale Integration,简称为VLSI）作为计算机的逻辑元件，其主存储器采用LSI/VLSI 半导体芯片，外存储器采用磁盘和光盘。存储容量大大增加，运算速度更快。,华南理工大学计算机教学团队,9,1.1.2 计算机的发展阶段（5）,1971 年，美国英特尔（Intel）公司推出了第一个微处理器芯片Intel4004,如图所示。该微处理器芯片是将中央处理器（Central Processing Unit,简称为CPU）集成在一块芯片上，这是大规模集成电路的标志。,华南理工大学计算机教学团队,第一个微处理器芯片Intel4004,10,1.1.2 计算机的发展
6、阶段（6）,1981年，IBM公司推出第一台个人计算机IBM PC（Personal Computer，简称为PC）5150，如图所示。这台计算机采用Intel公司的8088作为CPU，工作频率为4.77MHz，内存为16KB,一个160KB的5.25英寸的软盘驱动器，一个11.5英寸的单色显示器，没有硬盘，操作系统为微软公司的DOS1.0。,华南理工大学计算机教学团队,11,1.1.2 计算机的发展阶段（7）,1985年6月，长城0520微机研制成功，如下图所示，这是中国大陆第一台自行研制的兼容微型计算机。,华南理工大学计算机教学团队,长城0520,12,未来的新型计算机（1）,Intel公
7、司创始人之一的Gordon Moore于1965年在总结存储芯片的增长规律时指出：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。这种表述没有经过论证，只是一种现象的归纳。但是后来的集成电路工业的发展却很好地验证了这一说法，使其享有了“摩尔定律”的荣誉，如图所示。,华南理工大学计算机教学团队,13,未来的新型计算机（2）,20世纪70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。当代集成电路在制造技术中采用了光刻技术，集成电路内部的导线宽度达到了几十个纳米。但是，当晶体管元器件尺寸小到一定程度时，将发生电子漂移现象，单个电子将会从线路中“跳”出来，
8、这种单电子的量子行为，即量子效应，将产生干扰作用，晶体管将无法控制电子的进出，从而导致集成电路芯片无法正常工作。目前，计算机集成电路内部线的尺寸将接近这一极限。这就导致了科学家们必须进行新型计算机方面的研究。,华南理工大学计算机教学团队,14,未来的新型计算机（3）,1.量子计算机对量子计算机的研究，主要目的是为了解决经典计算机中的能耗问题。与现有的计算机类似，量子计算机的硬件也是由逻辑门原件和存储元件构成。在量子计算机中，数据采用量子位存储。由于量子具有叠加效应，一个量子位可以存储一位二进制数据，0 或1，也可以存储两位二进制数据0和1。因此，采用同样数量的存储单元存储信息时，量子计算机存储
9、的信息量比经典计算机存储的信息量大。量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算序列是量子比特序列。,华南理工大学计算机教学团队,15,未来的新型计算机（4）,2.光子计算机光子计算机是以光子代替电子，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。,华南理工大学计算机教学团队,16,未来的新型计算机（5）,3.
10、生物计算机生物计算机的运算过程是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。科学家通过对生物组织体的研究，发现生物组织体由无数的细胞组成，细胞由蛋白质、核酸等有机物组成，而有些生物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类利用遗传工程技术，仿制出具有这种性质的蛋白质分子，用来作为制造计算机的元器件。具有这种特征的计算机称为生物计算机。,华南理工大学计算机教学团队,17,1.2 计算机的分类,华南理工大学计算机公共基础教研室,18,1.2.1 计算机的类型,按照性能来分，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、和微型计算机。按照目前计算机市场的分布情况来分，大致可分为：大型计算
11、机、微型计算机、嵌入式系统三类。如图所示。,华南理工大学计算机教学团队,19,1.2.2 微型计算机的类型（1）,1.个人计算机1981年，IBM公司推出了个人计算机，它使用Intel公司的CPU作为计算机的中央处理器。以后，凡是能够兼容IBM PC的微型计算机都称为“PC机”。目前，大部分微机都是采用Intel公司和AMD公司的CPU产品，这两个公司的CPU与早期的“80X86”系列产品兼容，因此，也将是使用这些CPU产品的微机称为X86系列微机。,华南理工大学计算机教学团队,20,1.2.2 微型计算机的类型（2）,2.苹果系列微机美国Apple(苹果)电脑公司是早期微机厂商之一，Appl
12、e公司目前的微机产品主要有Apple Power Mac G4系列、Apple Power Mac G5 系列，如图1.7所示。这些产品在硬件和软件上均与PC机不兼容。Apple公司的Power Mac微机采用Motorola公司和IBM 公司联合开发的CPU芯片，Apple Power Mac G5微机采用双64位PowerPC G5 处理器，高端的型号拥有两块2.5GHz处理器。Apple微机采用基于UNIX的Mac OS X 操作系统。,华南理工大学计算机教学团队,21,1.2.2 微型计算机的类型（3）,华南理工大学计算机教学团队,图1.7 Apple Power Mac G5 微机,
13、22,1.2.2 微型计算机的类型（4）,3.一体微机由于显示器尺寸关系，早期计算机系统主要有三部分组成：显示器、主机和输入设备。随着显示器尺寸的缩小和超大规模集成电路的应用，电脑厂商开始把主机集成到显示器中，从而形成一体微机（all-in-one，简称为AIO）。如下图所示。,华南理工大学计算机教学团队,23,1.2.2 微型计算机的类型（5）,4.笔记本微机笔记本微机主要用于移动应用和办公，所以对计算机的体积和重量有限制，要求便于携带。笔记本微机在软件上与台式微机完全兼容，在硬件上虽然按照PC的规范设计、制造，但是，由于受体积、重量的限制，不同厂家设计、制造出来的产品部件一般是不能互换的。
14、在与台式微机配置相同的情况下，笔记本微机的性能要低于台式微机，价格却比台式微机高。笔记本微机屏幕采用液晶显示器，其大小有9、10、11、12、13、14、15、17、19、21英寸等多种类型。,华南理工大学计算机教学团队,24,1.2.2 微型计算机的类型（6）,5.平板微机平板微机是下一代移动商务PC的代表。从微软提出的平板微机概念产品上看，平板微机就是一款无须翻盖、没有键盘、小到足以放入女士手袋，功能完整的PC机。与笔记本微机相比，它除了拥有其所有功能外，还支持手写输入或者语音输入，移动性和便携性都更胜一筹。平板微机按结构设计大致可分为两种类型，即集成键盘的“可变式平板微机”和可外接键盘的
15、“纯平板微机”,华南理工大学计算机教学团队,25,1.2.2 微型计算机的类型（7）,华南理工大学计算机教学团队,图1.9 纯平板微机,图1.10 可变式平板微机,26,1.2.2 微型计算机的类型（8）,6.掌上微机掌上微机也称为PDA、Palm-size PC、Pocket PC。相对于传统微机，PDA的优点是轻便、小巧、可移动性强、功能丰富，具有计算器、记事本、备忘录等多种功能。掌上微机可以与GSM通信网络相连，作为手机使用，也可以进行无线数据传输。缺点是屏幕过小，且电池续航能力有限。,华南理工大学计算机教学团队,27,1.2.2 微型计算机的类型（9）,7.PC服务器PC 服务器一般采
16、用机柜式或刀片组合形式。机柜式PC服务器体积较大，便于日后扩充某些I/O设备；刀片式PC服务器体积较小，采用标准化的尺寸，扩充时在机柜中插入一个刀片式服务器即可。PC 服务器的硬、软件都与其它的PC机兼容，处理器采用Intel的高性能CPU，操作系统采用微软的Windows Server。,华南理工大学计算机教学团队,28,1.3 计算机的应用领域,华南理工大学计算机教学团队,29,1.3 计算机的应用领域（1）,1科学计算 科学计算即是数值计算，指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。在现代科学和工程技术中，经常会遇到大量复杂的数学计算问题，这些问题用一般的计算工具来解决非常困
17、难，而用计算机来处理却非常容易。早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断的能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。,华南理工大学计算机教学团队,4）计算机辅助教学 计算机辅助教学(Computer Aided Instruction，简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术,30,1.3 计算机的应用领域（2）,2过程检测与控制利用计算机对工业生产过程中的某些信
18、号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行分析处理，这样的系统称为计算机检测系统。特别是仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。,华南理工大学计算机教学团队,31,1.3 计算机的应用领域（3）,3信息管理信息管理又称数据处理，是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。利用计算机可以加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算、信息情报检索等。,华南理工大学计算机教学团队,32,1.3 计算机的应用领域（4）,4计算机辅助系统（1）计算机辅助设计计算
19、机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD），指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。（2）计算机辅助制造计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简称为 CAM），是指利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。,华南理工大学计算机教学团队,33,1.3 计算机的应用领域（5）,3）计算机辅助测试计算机辅助测试（Computer Aided Testing，简称为 CAT），是指通过计算机来收集和处理零部件的各种参数，从而检验零部件是否满足加工或装配要求。4）计算机辅助教学 计算机辅助教学(Computer Aided In
20、struction，简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。,华南理工大学计算机教学团队,34,1.4 计算机系统组成,华南理工大学计算机教学团队,35,计算机系统基本组成(1),一个完整的计算机系统应该包括硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统两大部分，如图1.12所示。,华南理工大学计算机教学团队,36,计算机系统基本组成(2),计算机硬件、软件和用户之间的关系如图1.13所示。裸机使用效率低，难以完成复杂的任务，操作系统是对裸机的扩充，是其它软件运行的基础。应用软件的开发和运行要有系统软件的
21、支持，用户直接使用的是应用软件,华南理工大学计算机教学团队,37,1.4.2 计算机系统的层次模型（1）,使用计算机的人可以分为多种角色：硬件设计人员、软件设计人员以及普通计算机用户等。每种角色都从不同角度，使用不同语言在计算机上做开发，因此，计算机系统是一个层次结构系统。从功能上看，现代计算机系统可分为五个层次级别，每一级都有不同的人使用不同语言工具进行程序设计。,华南理工大学计算机教学团队,微程序由硬件裸机直接执行,38,1.4.2 计算机系统的层次模型（2）,计算机系统各层次之间的关系十分紧密，上层是下层的功能扩展，下层是上层的功能基础。除第一级外，其它各级都得到它下层的功能支持。第一级
22、到第三级编写程序采用的语言，基本是二进制形式的数字化语言，机器执行和解释容易，但人类难于理解和记忆。第四、五两级编写程序所采用的语言是符号语言，用英文字母和符号来表示程序，因而便于大多数不了解硬件特性的人们使用计算机。,华南理工大学计算机教学团队,39,冯.诺依曼体系结构(1),1.冯.诺依曼奠定了现代计算机的基本结构，其基本思想包括：计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。把要执行的指令和待处理的数据按照顺序编成程序存储到计算机内部的内部存储器中,程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放，存放位置由内存地址确定。（存储程序原理）每条指令由操作码和操作数两部分构成。其中
23、操作码表示执行何种运算，操作数指出该运算的操作对象在存储器中的地址。内存储器是定长的线性组织，CPU通过内存地址可以直接读写内存。由控制器对计算机进行集中的顺序控制。,华南理工大学计算机教学团队,冯.诺依曼体系结构(2),计算机基本工作原理冯诺依曼型计算机的基本工作过程是在控制器的控制下，计算机自动地从内存中取指令、分析指令再执行该指令，接着取下一条指令，周而复始地工作。,华南理工大学计算机教学团队,41,小结(1),第一台计算机是1946年诞生的，其名称为ENIAC。第一台具有“存储程序”思想的计算机是由冯.诺依曼提出的，其名称为 EDVAC。计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规
24、模的集成电路四代变迁。大规模的集成电路，促使了微处理器和微型计算机的诞生,微处理器由控制器、运算器和。第一台个人计算机是由IBM公司在1981年推出的。未来计算机可能朝着量子计算机、光子计算机和生物计算机等方向发展。,华南理工大学计算机教学团队,42,小结(2),计算机的种类很多，从市场主要产品来分，有超级计算机、微机、嵌入式系统等几种。微型计算机按产品范围和特点可以划分为：个人计算机、苹果微机、一体微机、笔记本微机、平板微机、掌上微机等类型。计算机的应用领域十分广泛，如：科学计算，信息处理、过程控制与检测、计算机辅助系统等。计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。冯.诺依曼体系结构计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。,华南理工大学计算机教学团队,43,
