1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.4現代計算機的分類,1.1.3電子計算機的發展階段,1.1.2電子計算機的問世,1.1.1計算機的起源,第1講計算機應用基礎知識概述(一),1.1.5未來計算機技術發展展望,1.2計算機在信息社會中的應用,1.3.1計算機系統的組成,1.2.2計算機應用與信息社會,1.2.1計算機的特性與應用,1.3.2計算機硬件系統的構成,1.3計算機系統的組成與工作原理,了解計算機的起源與發展歷程，計算機在信息社會中的應用，掌握計算機的組成和計算機硬件系統的構成。,教學目標及基本要求,教學重點,計算機的組成和計算機硬件系統的構成。,第1講計算機應用基礎知識概述(一),0d58b4b8余罪,教學難點,計算機硬件系統的構成。,計算機的起源電子計算機的問世電子計算機的發展階段現代計算機的分類未來計算機技術發展展望,教學內容,第1講計算機應用基礎知識概述(一),計算機的特性與應用計算機應用與信息社會計算機系統的組成計算機硬件系統的構成,教學內容,第1講計算機應用基礎知識概述(一),1學時,教學時間,第1講計算機應用基礎知識概述(一),1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.1計算機的起源,1最早的計算工具：人的雙手（圖1-1所示）,圖1-1人的雙手,2勞動實踐中發明的計算工具,原始社會：結繩、壘石春秋戰國：算籌唐代末：算盤（圖1-2所示）,1.1.1計算機的起源,圖1-2算盤,3十七世紀以來出現的計算工具,1622年英國數學家奧特瑞德：計算尺1642年法國物理學家帕斯卡：齒輪式加減法器1673年德國數學家萊布尼茲：能進行四則運算的機械式計算機,1.1.1計算機的起源,3近代的計算機發展,1822年英國數學家查爾斯巴貝奇：差分機1834年英國數學家查爾斯巴貝奇：分析機1944年美國科學家霍德華艾肯：提出用機電方法來實現巴貝奇分析機，制造出MarkI計算機,1.1.1計算機的起源,已使計算機具有輸入、處理、存儲、輸出及控制5個基本裝置的構想，建構了今天電子計算機硬件系統組成的基本框架。,1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.2電子計算機的問世,1計算機發展中最杰出的代表人物,英國的艾蘭圖靈,主要貢獻：一是建立了圖靈機（TM）的理論模型，對數字計算機的一般結構、可實現性和局限性產生了意義深遠的影響；二是提出了定義機器智能的圖靈測試（TuringTest），奠定了“人工智能”的理論基礎。,計算機發展中最杰出的代表人物,美籍匈牙利人馮諾依曼,在純粹數學、應用數學、量子物理學、邏輯學、氣象學、軍事學、計算機理論及應用、對策論和經濟學諸領域都有重要建樹和貢獻。首先提出了在計算機內存儲程序的概念，使用單一處理部件來完成計算、存儲及通信工作，使具有“存儲程序”的計算機成為現代計算機的重要標志。,1.1.2電子計算機的問世,第一臺電子計算機：埃尼亞克（ENIAC），如圖1-3所示。,1946年2月14日誕生于美國。需要功率150kW，17000多只電子管、10000多只電容器、7000多只電阻、1500多個繼電器，占地160m2，重30t，是名符其實的龐然大物。優點：每秒能夠完成加法運算5000次。利用它計算炮彈從發射到進入軌道的40個點僅用了3s，而用手工操作臺式計算機則需710小時，速度提高了8400倍以上。缺點：不能存儲程序、使用十進制數、且在機外用線路連接的方法來編排程序等嚴重缺陷。ENIAC宣告了電子計算機時代的到來。,2計算機發展的“第一”,第一臺電子計算機：埃尼亞克(ENIAC),圖1-3埃尼亞克(ENIAC),計算機發展的“第一”,第一臺“存儲程序”式計算機：EDVAC（離散變量自動電子計算機），1952年研制成功并投入使用，其運算速度是ENIAC的240倍。第一臺“存儲程序”控制的實驗室計算機：EDSAC，1949年5月在英國劍橋大學完成。第一臺“存儲程序”控制的商品化計算機：UNIVAC-I，1951年問世。,1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.3電子計算機的發展階段,1電子管計算機（19461957年）,組成：基本邏輯元件是電子管，內存儲器采用水銀延遲線或磁鼓，外存儲器采用磁帶等。特點：速度慢，可靠性差，體積龐大，功耗高，價格昂貴。編程語言：機器語言，匯編語言。代表產品：ENIAC、EDSAC、UNIVAC-等。應用領域：軍事研究中的科學計算。,1.1.3電子計算機的發展階段,2晶體管計算機（19581964年）,組成：基本邏輯元件為晶體管，內存大量使用磁性材料制成的磁芯，外存采用磁盤和磁帶。特點：體積小，重量輕，速度快，邏輯運算功能強，可靠性大大提高。編程語言：匯編語言，FORTRAN、COBOL等。代表產品：IBM700系列。應用領域：擴展到數據處理和工業控制方面。,1.1.3電子計算機的發展階段,3集成電路計算機（19651970年）,組成：基本邏輯元件為中小規模集成電路，內存大量使用半導體存儲器，而外存大量使用高速磁盤。特點：體積、功耗減小，可靠性、運行速度提高，內存容量大，價格低。編程語言：操作系統，BASIC，Pascal等。代表產品：IBM360和PDP-11等。應用領域：已擴大到各個領域。,1.1.3電子計算機的發展階段,4大規模和超大規模集成電路計算機(1971年至今),組成：基本邏輯元件為大規模和超大規模集成電路。內存采用半導體存儲器，外存則采用大容量磁盤和光盤。特點：計算機速度達到每秒幾百萬次至上億次。編程語言：VC+等面向對象程序設計語言。代表產品：巨型機，工作站，微型計算機，個人計算機（PC）等。,1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.4現代計算機的分類,1巨型機：也稱為超級計算機,特點：占地最大，價格最貴，功能最強，浮點運算速度最快（1998年已達3.9萬億次/秒）。應用領域：多用于戰略武器（如核武器和反導彈武器）的設計，空間技術，石油勘探，中、長期天氣預報以及社會模擬等領域。是衡量一個國家經濟實力與科技水平的重要標志。,1.1.4現代計算機的分類,2小巨型機：也稱為小型超級電腦或桌上超級計算機,出現于20世紀80年代中期。該機的功能略低于巨型機，速度達1GFLOPS，即每秒10億次，而價格只有巨型機的十分之一，可滿足一些特殊用戶的需求。,3大型主機：也稱為大型電腦,特點：大型、通用，具有很強的處理和管理能力。應用領域：主要用于大銀行、大公司、規模較大的高校和科研院所。,1.1.4現代計算機的分類,4小型機,特點：結構簡單，可靠性高，成本較低，不需要長期培訓即可維護和使用。應用領域：主要用于廣大中、小用戶。,1.1.4現代計算機的分類,5工作站,特點：是介于PC與小型機之間的一種高檔微機，其運算速度比微機快，且有較強的聯網功能。應用領域：主要用于特殊的專業領域，例如圖像處理、計算機輔助設計等。,1.1.4現代計算機的分類,6個人計算機：也就是PC機,特點：設計先進（總是率先采用高性能處理器CPU）、軟件豐富、功能齊全、價格便宜。應用領域：應用非常廣泛，幾乎無處不在，無所不用，除了臺式的，還有膝上型、筆記本型、掌上型、手表型等。,1.1.4現代計算機的分類,1.1計算機的起源與發展歷程,1.1.5未來計算機發展展望,計算機發展的整體趨勢：,1.1.5未來計算機發展展望,1超越馮諾依曼結構（兩個方向）,創建新的程序設計語言，即所謂的“非馮諾依曼語言”：LISP、PROLOG和F.P.LISP語言等。從計算機元件方面，提出了與人腦神經網絡相類似的新型超大規模集成電路的設想，即“分子芯片”。,1.1.5未來計算機發展展望,2高速計算機,新近研制的“空氣膠滯體”導線在傳輸信號的過程中幾乎不吸收任何信號，并可以降低電耗，從而成倍地提高計算機的運行速度。運算速度最快的Linux超級計算機：美國IBM公司制造的兩臺IBMLinux集群計算機，每秒可執行2萬億次浮點運算。,1.1.5未來計算機發展展望,3生物計算機（20世紀80年代中期開始）,特點：采用了生物芯片，由蛋白質分子構成。信息以波的形式傳播，運算速度非常快，能耗低，存儲能力大，具有生物體的一些特點，如能自動修復芯片故障，還能模仿人腦的思考機制。應用：美國首次公布的生物計算機被用來模擬電子計算機的邏輯運算，解決虛構的7城市間最佳路徑問題。,1.1.5未來計算機發展展望,4光學計算機,定義：就是利用光作為信息的傳輸媒體。光子的優點：速度等于光速，具有頻率及偏振特征，傳輸信息能力強，抗干擾能力強。光學計算機特點：并行能力強，具有超高速的運算潛力，且在室溫下就可以正常工作。,光學計算機,研究成果：由法國、德國等60多名科學家聯合研制開發成功的世界上第一臺光學計算機，其運算速度比目前世界上最快的超級計算機快1000多倍，并且準確性極高。研究現狀：目前光學計算機的許多關鍵技術，如光存儲技術與光存儲器、光電子集成電路等都已取得重大突破。,1.1.5未來計算機發展展望,5量子計算機,定義：是指利用處于多現實態下的原子進行運算的計算機。這種多現實態是量子力學的標志。優點：解題速度快。存儲量大。搜索功能強。研究成果：美國科學家已成功實現了4量子位邏輯門，取得了4個鋰離子的量子纏結狀態。,1.2計算機在信息社會中的應用,1.2.1計算機的特性與應用,1計算機的基本特性,運算速度快：第一臺電子計算機的運算速度是每秒5000次，小型機：幾百萬次/秒，巨型機：幾十億甚至幾百億次/秒。運算精度高：計算機內部采用二進制進行運算，計算的精確度取決于字長和算法。從理論上講，計算機的運算精度是不受限制的。,計算機的基本特性,具有邏輯判斷能力：由于二進制的采用，使得計算機可以進行邏輯運算并作出判斷和選擇，使其在某種程度上更接近于“人腦”。具有超強的記憶能力：計算機的存儲器中可以存儲海量的數據，是單純的人腦所不能及的。具有自動控制能力：計算機具有邏輯判斷能力和記憶能力，使得計算機可以在無需人為干預的情況下自動按照程序設定完成既定任務。,計算機的基本特性,具有網絡功能：大型企事業單位，可以通過計算機進行信息處理，并通過網絡實現信息傳輸和共享，實現其管理工作。目前最大、應用范圍最廣的“國際互聯網”（Internet），連接了全世界190多個國家和地區的幾千萬臺計算機。網上的所有計算機用戶可共享網上資料、交流信息、互相學習。,1.2.1計算機的特性與應用,2計算機的應用,（1）科學計算也稱為數值計算，主要是將計算機用于科學研究和工程技術中提出的數學問題的計算。是計算機的傳統應用領域，例如，氣象預報、地震探測、導彈衛星軌跡的計算等。,計算機的應用,（2）數據處理也稱信息處理，是對大量非數值數據（文字、符號、聲音、圖像等）進行加工處理，例如，編輯、排版、分析、檢索、統計、傳輸等。廣泛應用于辦公自動化、情報檢索、事務管理等。近年來，利用計算機來綜合處理文字、圖形、圖像、聲音等的多媒體數據處理技術，已成為計算機最重要的發展方向。目前數據處理已成為計算機應用的主流。,計算機的應用,（3）過程控制又稱實時控制，指用計算機及時采集動態的監測數據，并按最佳值迅速地對控制對象進行自動控制或調節。不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以提高控制的及時性、準確性和可靠性。主要應用于冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天等工業領域，在軍事、交通等領域也得到了廣泛的應用。,計算機的應用,（4）企業管理計算機管理信息系統的建立，使各企業的生產管理水平登上了新的臺階。大型企業生產資源規劃管理軟件（如MRPII）的開發和使用，為企業實現全面資源管理、生產自動化和集成化、提高生產效率和效益奠定了牢固的基礎。,計算機的應用,（5）電子商務是指通過計算機和網絡進行的商務活動。計算機網絡的建成，使得金融業務率先實現自動化，電子貨幣改傳統的貨幣交易方式為“電子貿易”，不僅方便快捷，且減少了現金的流通量，避免了貨幣交易的風險和麻煩。以銀行為例，自動化的實現可使銀行每日處理上百萬筆業務，交易價值達上百萬美元。,計算機的應用,（6）數據庫應用（DatabaseApplications）是計算機應用的基本內容之一。任何發達國家，從國民經濟信息系統和跨國科技情報網到個人的親友通信、銀行儲蓄，均與數據庫打交道。辦公自動化與生產自動化也離不開數據庫的支持。,計算機的應用,（7）人工智能（ArtificialIntelligence）也稱智能模擬，是將人腦進行演繹推理的思維過程、規則和采取的策略、技巧等編制成程序，在計算機中存儲一些公理和規則，然后讓計算機去自動進行求解。主要應用在機器人、專家系統、模擬識別、智能檢索等方面，此外還在自然語言處理、機器翻譯、定理證明等方面得到應用。,計算機的應用,（8）文化教育利用高速信息公路網可實現遠距離雙向交互式教學和多媒體結合的網上教學方式。它改變了傳統的以教師課堂傳授為主、學生被動學習的方式，使學習的內容和形式更加豐富靈活，同時也加強了信息處理、計算機通信技術和多媒體等方面內容的教育，提高了全民族的文化素質與信息化意識。,計算機的應用,（9）計算機模擬（ComputerSimulation）是用計算機程序代替實物模型來做模擬實驗。既廣泛應用于工業部門，也適用于社會科學領域。20世紀80年代末出現的“虛擬現實（VR）”新技術將成為21世紀初期最有前景的新技術之一。,計算機的應用,（10）計算機輔助系統包括計算機輔助設計、計算機輔助制造和計算機輔助教育等。計算機輔助設計（CAD）：是指用計算機幫助各類設計人員進行工程或產品設計。例如，飛機、船舶、建筑、機械和大規模集成電路設計等。,計算機輔助系統,計算機輔助制造（CAM）：是指用計算機進行生產設備的管理、控制和操作的技術。計算機輔助教育（CBE）：包括計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助測試（CAT）和計算機管理教學（CMI）。主要應用有網上教學和遠程教學。,計算機的應用,（11）信息高速公路實際上是一個交互式多媒體網絡，它將通常所使用的通信工具等信息通過通信設施傳遞到網絡所連接的用戶終端，從而使人們獲得信息的方式發生根本變化。1993年美國提出建立“國家信息基礎設施”計劃。Internet，是以計算機為核心的跨地區、多用戶、大容量、高速度的交互式綜合網絡體系。,計算機的應用,（12）娛樂隨著PC的發展，計算機娛樂也更加豐富。播放影碟，聽音樂。在網上，可以聊天、游戲和在線影視。在影視界，可用計算機產生電影特效，使得電影效果更好。如侏羅紀公園和玩具總動員中的角色和動畫也都是由計算機制作的。,1.2計算機在信息社會中的應用,1.2.2計算機應用與信息社會,1計算機的廣泛應用導致信息時代的到來,計算機技術作為信息社會的關鍵技術，給社會帶來了深遠的影響，在發展過程中廣泛滲透到人類社會的各個領域。計算機作為一種知識、技術、能力、修養，已成為人類必須具備的一種文化。如果沒有基本的計算機知識和應用能力，就會成為信息社會的文盲。,計算機的廣泛應用導致信息時代的到來,在信息社會的網絡環境中，計算機已不僅僅是一種工具，而是完全融入人類的生活，成為計算機文化。計算機網絡技術的發展給學習者帶來了跨校、跨行業、跨國界的知識資源，使傳統的教育模式受到沖擊。人們可以利用計算機獲取大量的知識，從而促進文化的傳播。,計算機的廣泛應用導致信息時代的到來,媒體對人們的影響力非常大，而現代媒體技術離開了計算機就不再成為媒體。正是由于計算機技術的發展，以及計算機的愈來愈智能化、人性化，才使得今天的媒體更加多樣化和個性化。計算機理論及其技術對自然科學、社會科學的廣泛滲透表現出其豐富的文化內涵，例如，生物信息技術和信息安全學科的產生等。,1.2.2計算機應用與信息社會,2信息社會的主要特點,信息化社會里，尤其是計算機網絡的普及和“信息高速公路”的建設，徹底改變了人們的生活、學習和工作方式。信息社會主要有以下特點。人類腦力勞動的相當部分將由計算機信息處理系統來代替。社會信息交換將很大程度上圍繞信息網絡及其信息服務中心展開。,信息社會的主要特點,信息高速公路的建立，使大量的信息快速傳輸成為現實，使人類的活動縮短了時空的距離，并在社會的各個方面對人類的日常生活產生極大的影響。信息產業將成為信息化社會主要支柱產業之一信息社會開始形成虛擬社會，如虛擬商店、虛擬市場、虛擬銀行、虛擬公司、虛擬的研究中心、虛擬的社會組織等。,信息社會的主要特點,知識由工業社會中的非獨立性生產要素變成獨立性生產要素。專業技術階層成為社會的主導階層和中堅力量。產業結構趨于軟化，即在社會生產和再生產過程中，體力勞動和資源的投入相對減少，腦力勞動和科學技術投入相對增加。信息社會是智力密集的社會。,1.2.2計算機應用與信息社會,3計算機技術在信息社會中的地位,計算機技術被認為是信息技術的核心。現代社會幾乎所有的信息工作都與計算機應用及網絡技術息息相關。計算機可以進行科學計算，處理文字、圖像和聲音等各種信息。計算機的應用已深入到社會的各個領域，成為人們工作、學習和生活中不可缺少的工具。,1.3計算機系統的組成與工作原理,1.3.1計算機系統的組成,1計算機系統的基本組成,一套完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，兩者不可分割。如圖1-4所示。硬件：是指計算機的各種看得見、摸得著的實實在在的裝置，是計算機系統的物質基礎。軟件：是指所有應用計算機的技術，是看不見、摸不著的程序和數據，但用戶能感到它的存在。,計算機系統的基本組成,計算機系統,圖1-4計算機系統的組成,辦公軟件包、數據庫管理系統、實時控制系統,1.3.1計算機系統的組成,2計算機硬件系統與軟件系統的層次關系,硬件系統是計算機系統的物理基礎，沒有硬件，軟件就無從談起。兩者層次關系如圖1-5。,圖1-5計算機系統的層次關系,計算機硬件系統與軟件系統的層次關系,（1）計算機硬件位于最底層，沒有軟件的計算機習慣稱為“裸機”，裸機是無法工作的。（2）操作系統距離硬件最近的軟件，它向下控制硬件，向上支持其他軟件。其他軟件必須在操作系統的支持下才能運行。,計算機硬件系統與軟件系統的層次關系,（3）實用程序包括各種實用軟件，如語言處理程序、數據庫管理系統以及各種實用工具程序。（4）應用軟件及應用軟件的用戶通常可以把計算機系統看作是一組應用程序，而不去關心計算機的硬件細節。,計算機硬件系統與軟件系統的層次關系,軟件系統是在硬件系統的基礎上，為了更有效地使用計算機而配置的。軟件與硬件的關系并不是絕對的，計算機中的任何一個操作，既可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現，任何一條指令的執行也是如此。計算機系統的軟件與硬件可以互相轉化，互為補充。隨著技術的不斷發展，軟件和硬件之間的界限將變得越來越模糊。,1.3計算機系統的組成與工作原理,1.3.2計算機硬件系統的構成,1計算機硬件系統的基本構成,計算機的硬件系統基本上沿襲馮諾依曼提出的傳統框架，由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大基本部件構成，如圖1-6所示。計算機的基本功能是接受計算機程序的控制來實現數據的輸入、計算、輸出等一系列操作。,計算機硬件系統的基本構成,圖1-6計算機硬件系統的基本結構和工作過程,計算機硬件系統的基本構成,（1）控制器能夠控制中央處理器乃至整個計算機硬件系統的工作，是計算機的指揮中心。構成部分：主要包括指令寄存器、指令譯碼器、時序信號發生器、程序控制器等。功能：可以識別、分析并執行各種指令。,計算機硬件系統的基本構成,（2）運算器主要用來對信息和數據進行各種處理，如各種算術和邏輯運算等，是計算機的核心部件。構成部件：由加法器和補碼器構成。,指令的解釋和執行部件，是計算機的心臟。,計算機硬件系統的基本構成,（3）存儲器主要的功能是用來“記憶”，也就是用于存儲各種信息和數據，它可以分為內存儲器和外存儲器。內存儲器：又稱主存儲器、內存，它與CPU一起構成主機。包括三種內存儲器。只讀存儲器ROM：用戶只能讀取信息，不能更改隨機存儲器RAM：可不斷進行各種讀寫操作高速緩沖存儲器Cache,存儲器,外存儲器：也稱輔助存儲器、外存，是內存的延伸和拓展。它存儲容量大，通常容量為幾十GB，可用來存儲CPU暫時不會用到的信息和數據。外存只與內存交換信息，而CPU則只和內存交換信息。外存主要有磁盤存儲器、光盤存儲器、軟盤存儲器等。,計算機硬件系統的基本構成,（4）輸入設備輸入設備可以將各種外部信息和數據轉換成計算機可以識別的電信號，從而使計算機能夠接收。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標等。（5）輸出設備輸出設備可以將計算機內部處理后得出的電信號形式的信息傳遞出來，讓人們能夠接收，如顯示器