1、 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论1大学计算机教程大学计算机教程 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论21.2 计算机的分类 1.3 计算机的应用1.4 计算机未来的发展方向 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论3 1946 1946年年2 2月，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大月，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为学诞生，取名为“电子数值积分器和计算器（电子数值积分器和计算器（Electronic Electronic Numerical
2、 Integrator And CalculatorNumerical Integrator And Calculator）”，简称埃尼亚克，简称埃尼亚克（ENIACENIAC）。）。这台计算机占地这台计算机占地167m2 167m2，重达，重达3030余吨，运算速度只有余吨，运算速度只有50005000次次/秒。从秒。从19461946年年2 2月开始投入使用，到月开始投入使用，到19551955年年1010月最月最后切断电源，服役后切断电源，服役9 9年多。虽然它每秒只能进行年多。虽然它每秒只能进行50005000次加减次加减运算，但它预示了科学家将从繁重的计算中解脱出来。至今运算，但它预
3、示了科学家将从繁重的计算中解脱出来。至今人们公认，人们公认，ENIACENIAC机的问世，表明了电子计算机时代的到来，机的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。具有划时代意义。1.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论41.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世埃尼亚克埃尼亚克计算机计算机 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论51.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世 ENIACENIAC机本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用机本身存在两大缺点：
4、一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了。在布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了。在ENIACENIAC尚未投入运行前，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学尚未投入运行前，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学家家 冯冯诺依曼就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换骨的诺依曼就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。在短短改造。在短短1010个月里，冯个月里，冯诺依曼迅速把概念变成了方案。诺依曼迅速把概念变成了方案。他和他的同事研制了人类第二台计算机，新机器方案命名为他和他的同事研制了人类第二台计算机，新机器方案命名为“离散变量自动电子计算机离散变量自动电子计算
5、机”，英文缩写，英文缩写EDVACEDVAC。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论6计算机之父的美籍匈牙利数学家计算机之父的美籍匈牙利数学家 冯冯诺依曼诺依曼 1.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论71.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世 1945 1945年年6 6月，冯月，冯诺依曼与戈德斯坦等人，联名发表了一篇诺依曼与戈德斯坦等人，联名发表了一篇长达长达101101页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“101101
6、页报页报告告”。在在EDVACEDVAC报告中，报告中，冯冯诺依曼明确规定出计算机的五大部诺依曼明确规定出计算机的五大部件：件：运算器运算器CACA、逻辑控制器逻辑控制器CCCC、存储器存储器MM、输入装置、输入装置I I和输和输出装置出装置OO，并描述了五大部件的功能和相互关系。，并描述了五大部件的功能和相互关系。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论81.1.
7、1 电子计算机的问世电子计算机的问世 与与ENIACENIAC相比，相比，EDVACEDVAC的改进首先在于冯的改进首先在于冯诺依曼巧妙地诺依曼巧妙地想出想出“存储程序存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设
8、计的机器统称为且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机诺依曼机”。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论91.1.1 电子计算机的问世电子计算机的问世 自冯自冯诺依曼设计的诺依曼设计的EDVACEDVAC计算机始，计算机始，直到今天我们用直到今天我们用“奔腾奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的“传人传人”，大大小小千千万万台计算机，都没能够跳出，大大小小千千万万台计算机，都没能够跳出“诺诺依曼机依曼机”的掌心。冯的掌心。冯诺依曼为现代计算机的发展指明了方向，诺依曼为现代计算
9、机的发展指明了方向，从这个意义上讲，他是当之无愧的从这个意义上讲，他是当之无愧的“电子计算机之父电子计算机之父”。当。当然，随着人工智能和神经网络计算机的发展，然，随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但冯一统天下的格局已经被打破，但冯诺依曼对于发展电脑做出诺依曼对于发展电脑做出的巨大功绩，永远也不会因此而泯灭其光辉。的巨大功绩，永远也不会因此而泯灭其光辉。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论101.1.2 计算机的发展 第一代计算机第一代计算机电子管计算机电子管计算机 （1946年年1957年）年）第一代
10、计算机的基本特征是采用电子管作为计算机第一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编的逻辑元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，第一代计算机语言编写程序。由于当时电子技术的限制，第一代计算机每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KBKB。这个时期计。这个时期计算机的特点是：体积庞大，运算速度慢，可靠性差，耗电算机的特点是：体积庞大，运算速度慢，可靠性差，耗电量大且维修困难。第一代计算机主要用于军事和科学研究量大且维修困难。第一代计算机主要用于军事和科学研究工作。工作。计
11、算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论111.1.2 计算机的发展 第二代计算机第二代计算机晶体管计算机晶体管计算机 （1958年年1964年）年）第二代计算机的基本特征是其逻辑元件逐步由电子第二代计算机的基本特征是其逻辑元件逐步由电子管改为半导体晶体管，内存所使用的器件大多使用磁芯存管改为半导体晶体管，内存所使用的器件大多使用磁芯存储器。运算速度可达储器。运算速度可达每秒几十万次每秒几十万次，内存容量扩大到几十，内存容量扩大到几十KBKB。与此同时，计算机软件也有了较大发展，出现了。与此同时，计算机软件也有了较大发展，出现了FORTRANFORTRAN
12、、COBOLCOBOL、ALGOLALGOL等高级编程语言。相对于第等高级编程语言。相对于第一代计算机而言，第二代计算机的特点是：体积减少，重一代计算机而言，第二代计算机的特点是：体积减少，重量减轻，耗电量减少，运算速度加快，可靠性增强。第二量减轻，耗电量减少，运算速度加快，可靠性增强。第二代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理。理。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论121.1.2 计算机的发展 第三代计算机第三代计算机中、小规模集成电路计算机中、小规模集成电路计算机（1965年年19
13、70年）年）随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几mm2mm2的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的逻的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代计算机的基本特征是其逻辑元件采用小规辑电路。第三代计算机的基本特征是其逻辑元件采用小规模集成电路模集成电路SSISSI（Small Scale IntegrationSmall Scale Integration）和中规模集成电）和中规模集成电路路MSIMSI（Middle Scale IntegrationMiddle Scale Integration）。第三代计算机的运
14、算）。第三代计算机的运算速度可达每秒速度可达每秒几十万次到几百万次几十万次到几百万次。存储器进一步发展，。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来越低，而软件越来越完善。其特体积越来越小，价格越来越低，而软件越来越完善。其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算速度、可靠性等进一步增加。这一时期，计算机开始广泛速度、可靠性等进一步增加。这一时期，计算机开始广泛应用在社会的各个领域。应用在社会的各个领域。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论131.1.2 计算机的发展 第四代计算机第四代计算
15、机大规模和超大规模集成电路大规模和超大规模集成电路计算机（计算机（1971年至今）年至今）进入进入2020世纪世纪7070年代以来，计算机采用大规模和超大年代以来，计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积、重量、耗规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。目前，计算机的速度最高可以达到每秒几速度方面发展。目前，计算机的速度最高可以达到每秒几十万亿次浮点运
16、算。操作系统不断完善，应用软件已经成十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已经成为现代工业的一部分。为现代工业的一部分。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论14 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论151.2.1 计算机的特点 1运算速度快运算速度快 由于计算机是由高速电子器件构成，加之能自动连续由于计算机是由高速电子器件构成，加之能自动连续工作，因而具有很高的运算速度。现代巨型计算机的速度工作，因而具有很高的运算速度。现代巨型计算机的速度已达每秒万亿次，其一秒钟完成的计算量，相当于一个人已达每秒万亿
17、次，其一秒钟完成的计算量，相当于一个人用手工计算几十年的工作量。计算机的快速运算为人们赢用手工计算几十年的工作量。计算机的快速运算为人们赢得了时间。得了时间。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论161.2.1 计算机的特点 2计算精度高计算精度高 计算机内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越计算机内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越多，精度也就越高，因此计算精度可用增加位数（字长）多，精度也就越高，因此计算精度可用增加位数（字长）来获得；另外还可通过算法来提高精度。来获得；另外还可通过算法来提高精度。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2
18、023-2-13第第1章章 绪论绪论171.2.1 计算机的特点 3具有很强的具有很强的“记忆记忆”和逻辑判断能力和逻辑判断能力 计算机的存储器使计算机具有计算机的存储器使计算机具有“记忆记忆”的功能，它能的功能，它能够存储大量信息。计算机除了能进行算术运算外，还能进够存储大量信息。计算机除了能进行算术运算外，还能进行逻辑运算，做出逻辑判断，并根据判断的结果自动选择行逻辑运算，做出逻辑判断，并根据判断的结果自动选择以后应执行什么操作。以后应执行什么操作。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论181.2.1 计算机的特点 4程序控制下自动操作程序控制下自
19、动操作 计算机与以前所有计算工具的本质区别在于它能够摆计算机与以前所有计算工具的本质区别在于它能够摆脱人的干预，自动、连续地进行各种操作。计算机从正式脱人的干预，自动、连续地进行各种操作。计算机从正式操作开始，到输出结果，整个过程都是在程序控制下自动操作开始，到输出结果，整个过程都是在程序控制下自动进行的。进行的。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论191.2.1 计算机的特点 5存储容量大存储容量大 目前的计算机配备了大容量的内存和外存，如目前标目前的计算机配备了大容量的内存和外存，如目前标准配置的微型机内存容量已达准配置的微型机内存容量已达1 1
20、2G2G；硬盘容量已达几百；硬盘容量已达几百G G。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论201.2.2 计算机的分类 电子计算机从总体上来说分为两大类电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机电子模拟计算机和电子数字计算机。和电子数字计算机。数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别 比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压电压计算方式计算方式数字计算数字计算电压组合和测量值电压组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制盘上连线盘上连线精度精度高高低低数据存储量
21、数据存储量大大小小逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无 计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论211.2.2 计算机的分类 数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机 专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是最快速的计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性很差。它的适应性很差。通用机适应性很大，但是牺牲了效率
22、、速度和经济性。通用机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论221.2.2 计算机的分类 通用计算机又分巨型机、微型机、工作站、服务器、通用计算机又分巨型机、微型机、工作站、服务器、单片机等。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性单片机等。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。巨型计算机现在又称为高性能计算机。高性能计算机巨型计算机现在又称为高性能计算机。高性能计算机的运算速度在每秒一万亿次以上，数据存储容量很大，结
23、的运算速度在每秒一万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。其数量虽然不多，但却有重要和特殊构复杂，价格昂贵。其数量虽然不多，但却有重要和特殊的用途。在军事上，可用于战略防御系统、大型预警系统、的用途。在军事上，可用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统等；在民用方面，可用于大区域中长期天气航天测控系统等；在民用方面，可用于大区域中长期天气预报、大面积物探信息处理、大型科学计算和模拟等。预报、大面积物探信息处理、大型科学计算和模拟等。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论231.2.2 计算机的分类 微型计算机又称为个人计算机（微型计算机又
24、称为个人计算机（Personal ComputerPersonal Computer，PCPC）自自IBMIBM公司于公司于19811981年采用年采用IntelIntel微处理器推出微处理器推出IBM PCIBM PC以以来，微型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等来，微型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点，在过去的优点，在过去的2020多年里得到迅速发展，成为计算机的主多年里得到迅速发展，成为计算机的主流。今天，微型机的应用已经遍及社会的各个领域，从工流。今天，微型机的应用已经遍及社会的各个领域，从工厂生产控制到政府办公自动化，从商店的数据处理到家庭厂生产控制到政府办公自
25、动化，从商店的数据处理到家庭的信息管理，几乎无所不在。微型机的种类很多，主要分的信息管理，几乎无所不在。微型机的种类很多，主要分为为3 3类：台式机、笔记本和个人数字助理类：台式机、笔记本和个人数字助理PDAPDA。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论241.2.2 计算机的分类 工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微机系统。自机系统。自19801980年美国年美国AppoloAppolo公司推出世界上第一个公司推出世界上第一个工作站工作站DN-100DN-100以来，工作站迅速发展，成为专长处理以来，工
26、作站迅速发展，成为专长处理某类特殊事务的一种独立的计算机类型。工作站通常某类特殊事务的一种独立的计算机类型。工作站通常配备有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内、外存配备有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内、外存储器，具有较强的数据、图形处理能力。储器，具有较强的数据、图形处理能力。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论251.2.2 计算机的分类 服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统。从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当算机系统。从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当服务器，关键是它
27、要安装网络操作系统、网络协议和各种服务器，关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。服务器的管理和服务有：文件、数据库、图形、服务软件。服务器的管理和服务有：文件、数据库、图形、图像以及打印、通信、安全、保密和系统管理、网络管理图像以及打印、通信、安全、保密和系统管理、网络管理等服务。根据所提供的服务，服务器可以分为文件服务器、等服务。根据所提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论261.3 计算机的应用 1.数值计算数值计算
28、数值计算是计算机的一个传统应用领域，也是应用最数值计算是计算机的一个传统应用领域，也是应用最早、最重要的一个应用领域。发明计算机的最基本目的就早、最重要的一个应用领域。发明计算机的最基本目的就是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的计算，目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。计算，目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论271.3 计算机的应用 2.信息处理信息处理 信息处理是指计算机对外部设备送来的各种复杂的数信息处理是指计算机对外部设备送
29、来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种管理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文管理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件管理。件管理。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论281.3 计算机的应用 3.过程控制过程控制 生产过程的自动控制，是计算机应用中的另一广泛领生产过程的自动控制，是计算机应用中的另一广泛领域，即由计算机进行数据搜索、采集，实现自动检测、
30、自域，即由计算机进行数据搜索、采集，实现自动检测、自动调节和自动控制，其特点是精度高、速度快、反应灵敏。动调节和自动控制，其特点是精度高、速度快、反应灵敏。典型的应用领域有：生产过程控制、交通自动管理、火警典型的应用领域有：生产过程控制、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等。自动警报系统、导弹控制系统等。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论291.3 计算机的应用 4.计算机辅助系统计算机辅助系统计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造等。计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造等。计算机辅助设计计算机辅助设计CADCAD（Co
31、mputer-Aided DesignComputer-Aided Design）是利用）是利用计算机帮助各类设计人员进行设计的技术。计算机帮助各类设计人员进行设计的技术。计算机辅助教育计算机辅助教育CBECBE（Computer-Based EducationComputer-Based Education）包括）包括计算机辅助教学计算机辅助教学CAICAI，计算机辅助测试，计算机辅助测试CATCAT，计算机管理，计算机管理教学教学CMICMI。计算机辅助制造计算机辅助制造CAMCAM（Computer-Aided ManufacturingComputer-Aided Manufactur
32、ing）是利用计算机控制生产过程，即用计算机进行生产设备的是利用计算机控制生产过程，即用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。管理、控制和操作。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论301.3 计算机的应用 5.计算机通讯与网络计算机通讯与网络 计算机通过网络互连，可以实现计算机之间的硬件、计算机通过网络互连，可以实现计算机之间的硬件、软件资源共享，促进地区间、国际间的通信与各种数据的软件资源共享，促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理。随着互联网的发展，计算机通信的应用已达传输和处理。随着互联网的发展，计算机通信的应用已达到前所未有的境界。其
33、中电子商务是指在到前所未有的境界。其中电子商务是指在InternetInternet上进行的上进行的商务交易，它涉及企业和个人的各种形式的基于数字化信商务交易，它涉及企业和个人的各种形式的基于数字化信息处理和传输的商业活动。息处理和传输的商业活动。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论311.3 计算机的应用 6.人工智能人工智能 人工智能（人工智能（AIAI）是计算机应用发展的又一个前沿方向，）是计算机应用发展的又一个前沿方向，它的主要目的是用计算机来模拟人类的某些智能活动，使它的主要目的是用计算机来模拟人类的某些智能活动，使其具有其具有“学习学习”、“适应能力适应能力”、“推理推理”等功能，在一等功能，在一定程度上具有定程度上具有“思维思维”能力。能力。AIAI的应用主要包括：模式识的应用主要包括：模式识别、专家系统、机器人、智能检索等。别、专家系统、机器人、智能检索等。计算机科学与工程学院计算机科学与工程学院 2023-2-13第第1章章 绪论绪论321.4 计算机未来的发展方向1）多极化）多极化2）网络化）网络化3）多媒体）多媒体4）智能化）智能化
