1、2022-3-153計算機學院師慶玲第一代第一代（19461957）電子管電子管5千千4萬（次萬（次/秒）秒）第二代第二代（19581963）晶體管晶體管幾十萬幾十萬百萬（次百萬（次/秒）秒）第三代第三代（19641970）集成電路集成電路百萬百萬幾百萬（次幾百萬（次/秒）秒）第四代第四代（1971至今）至今）大規模集成電路大規模集成電路幾百萬幾百萬幾億（次幾億（次/秒）秒）依據計算機采用的依據計算機采用的主要元器件主要元器件和性能和性能，一般將計算機的發，一般將計算機的發展分為四個階段或時代展分為四個階段或時代。電子管計算機電子管計算機埃尼亞克（埃尼亞克（ENIVAC） 電子管作基礎元件，體

2、積大，耗電量大，運行電子管作基礎元件，體積大，耗電量大，運行時產生大量的熱量，可靠性較差，價格昂貴。時產生大量的熱量，可靠性較差，價格昂貴。輸入、輸出設備輸入、輸出設備穿孔卡片穿孔卡片二進制機器語言二進制機器語言 計算機體積不斷縮小，功能不斷增計算機體積不斷縮小，功能不斷增強。強。 19571957年，計算機年，計算機高級程序語言高級程序語言FORTRANFORTRAN和和COBOLCOBOL相繼面世，并被應相繼面世，并被應用于第二代電子計算機編程。用于第二代電子計算機編程。 晶體管計算機晶體管計算機采用中、小規模集成電路制造的電子計算機采用中、小規模集成電路制造的電子計算機集成電路集成電路百

3、萬百萬幾百萬（次幾百萬（次/秒）秒）第四代計算機是指從第四代計算機是指從19701970年以后采用年以后采用大規模集成電路大規模集成電路（LSILSI）和和超大規模集成電路（超大規模集成電路（VLSIVLSI）為主要電子器件為主要電子器件制成的計算機。制成的計算機。大規模集成電路大規模集成電路LSILSI通常指集成度通常指集成度-1-1千和千和1 1萬之間的集成電路萬之間的集成電路超大規模集成電路是指超大規模集成電路是指集成度在集成度在1 1萬到萬到100100萬萬之間之間微處理器（微處理器（Micro Process UnitMicro Process Unit，MPUMPU）。微處理器具）

4、。微處理器具有計算機有計算機中央處理器（中央處理器（Central Process UnitCentral Process Unit，CPUCPU）的計算和控制單元的計算和控制單元 個人計算機時代的來臨個人計算機時代的來臨 進入進入2020世紀世紀9090年代以來，很多國家積極研究支持年代以來，很多國家積極研究支持邏輯推理和知識庫的邏輯推理和知識庫的智能計算機、神經網絡計算機和智能計算機、神經網絡計算機和生物計算機生物計算機等新一代計算機。等新一代計算機。新一代計算機主要是把信息采集、存儲、處理、通信新一代計算機主要是把信息采集、存儲、處理、通信和人工智能結合在一起的智能計算機，它將突破當前和

5、人工智能結合在一起的智能計算機，它將突破當前計算機的結構模式，更加著重邏輯推理或模擬的計算機的結構模式，更加著重邏輯推理或模擬的“智智能能”，即具有對知識進行處理和模擬功能。，即具有對知識進行處理和模擬功能。未來：量子計算機，神經網絡計算機，化學生物未來：量子計算機，神經網絡計算機，化學生物DNADNA計計算機，光計算機，超導計算機，納米計算機等。算機，光計算機，超導計算機，納米計算機等。 年代名稱元件語言應用第一代第一代19461946年年19571957電子管計算機電子管計算機電子管電子管 機器語言機器語言 匯編語言匯編語言 科學計算科學計算 第二代第二代1958195819641964晶

6、體管計算機晶體管計算機 晶體管晶體管 高級程序高級程序設計語言設計語言 數據處理數據處理 第三代第三代1965196519701970集成電路計算機集成電路計算機 中小規模中小規模集成電路集成電路 高級程序高級程序設計語言設計語言 廣泛應用到各個廣泛應用到各個領域領域 第四代第四代 19701970年現在年現在 集成電路計算機集成電路計算機 集成電路集成電路 面向對象的高面向對象的高級語言級語言網絡時代網絡時代 第五代第五代 未來計算機未來計算機 光量子、光量子、DNA等等2022-3-1511計算機學院師慶玲1 1按計算機處理數據的方式分類按計算機處理數據的方式分類 可分為可分為3 3 大類

7、：大類：模擬計算機（模擬計算機（Analog ComputerAnalog Computer）數字計算機（數字計算機（Digital ComputerDigital Computer）混合計算機（混合計算機（Hybrid ComputerHybrid Computer）。）。2 2按計算機的使用范圍分類按計算機的使用范圍分類專用計算機專用計算機通用計算機通用計算機 2022-3-1512計算機學院師慶玲3 3按計算機的類型與用途按計算機的類型與用途巨型機巨型機大型主機大型主機小型主機小型主機PCPC機（機（Personal ComputerPersonal Computer個人計算機，微型計算

8、機）個人計算機，微型計算機）以微處理器為中央以微處理器為中央處理單元處理單元工作站工作站 一種主要面向特定專業應用領域，具備強大的數據運算一種主要面向特定專業應用領域，具備強大的數據運算與圖形、圖像處理能力的高性能計算機。與圖形、圖像處理能力的高性能計算機。超級計算機或稱巨型機：超級計算機或稱巨型機： 計算機計算機的運算速度平均每秒的運算速度平均每秒10001000萬次以上萬次以上； 存貯存貯容量在容量在10001000萬位以上萬位以上。 如如美國的美國的ILLIAC-ILLIAC-，日本的，日本的NECNEC，歐洲的尤金，中國的，歐洲的尤金，中國的“天河天河”計算機，就屬于巨型計算機。計算機

9、，就屬于巨型計算機。大型主機：大型主機：通常所說的大、中型計算機。這是在微型機出通常所說的大、中型計算機。這是在微型機出現之前最主要的計算模式現之前最主要的計算模式。高性能計算機2022-3-1514計算機學院微型化微型化計算機發展趨勢計算機發展趨勢巨型化巨型化網絡化網絡化智能化智能化ENIAC2022-3-1515計算機學院Altair 8800指利用微電子技術和超大規模集成電路技術，把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機發展趨勢計算機發展趨勢2022-3-1516計算機學院運算速度可達運算速度可達每秒幾百億次運算的每秒幾百億次運算的1975年世界上第一臺超級計算機年世界上第一臺超

10、級計算機“Cray-I”中國超級計算機：中國超級計算機：國防科技大學研制的國防科技大學研制的“銀河銀河1號號”、 “銀河銀河2號號”和和“銀河銀河3號號”國家智能計算機中心推出的國家智能計算機中心推出的“曙光曙光1000”和和“曙光曙光200I”計算機發展趨勢計算機發展趨勢速度更快的、存儲量更大的和功能更強大速度更快的、存儲量更大的和功能更強大。主要應用于天文、。主要應用于天文、氣象、地質和核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科學技氣象、地質和核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科學技術領域，術領域，研制巨型計算機的技術水平是衡量一個國家科學技術研制巨型計算機的技術水平是衡量一個國家科學技術和

11、工業發展水平的重要標志和工業發展水平的重要標志。2022-3-1517計算機學院天河一號天河一號天河一號”是我國首臺千萬億次超級計算機。 2022-3-1518計算機學院曙光星云曙光星云2022-3-1519計算機學院計算機技術與通信技術結合計算機技術與通信技術結合的產物。的產物。使用遠程資源，共享程序、使用遠程資源，共享程序、數據和信息資源，網絡用戶數據和信息資源，網絡用戶的通訊和合作。的通訊和合作。計算機發展趨勢計算機發展趨勢計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源的全面共享2022-3-1520計算機學院“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的總有一天，人類會造出一些舉

12、止跟人一樣的沒有靈魂的機械沒有靈魂的機械來來”。 笛卡爾（笛卡爾（1637）人類第一個人類第一個“工業機器人工業機器人”：一頭在紡織機上挑紗的一頭在紡織機上挑紗的“驢驢”（1742年）年）第一代機器人第一代機器人機械手（機械手（1962年出現）年出現）第二代機器人第二代機器人具有具有“感覺感覺”的機器人的機器人第三代機器人第三代機器人裝有啟發式計算機的裝有啟發式計算機的“智能機器人智能機器人”計算機發展趨勢計算機發展趨勢圖靈及其貢獻圖靈及其貢獻u圖靈圖靈(Alan Turing, 19121954)，出生于英國倫敦，19 歲入劍橋皇家學院，22 歲當選為皇家學會會員。u1937 年，發表了論文

13、論可計算數及其在判定問題中的應用，提出了圖靈機模型圖靈機模型，后來，馮諾依曼根據這個模型設計出歷史上第一臺電子計算機。u1950 年，發表了劃時代的文章：機器能思考嗎?,成為了人工智能的開山之作。圖靈與圖靈機圖靈與圖靈機你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎了嗎？你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎了嗎？因為什么貢獻而獲獎呢？因為什么貢獻而獲獎呢？u計算機界于1966年設立了最高榮譽獎： ACM圖靈獎圖靈獎。1 1、圖靈機圖靈機的基本結構的基本結構19361936年年，2424歲的歲的圖靈構造圖靈構造了一臺抽象了一臺抽象的的“計算機計算機”，稱為，稱為“圖靈機圖靈機”。圖靈機圖靈機由由控制器、讀寫頭和控制器、讀

14、寫頭和存儲存儲帶組成。帶組成。存儲帶存儲帶：無限長，可左右無限長，可左右移動移動，每個，每個單元格中包含一單元格中包含一個符號。個符號。控制器控制器：包含控制包含控制規則規則和狀態和狀態寄存器，控制規則寄存器，控制規則就是圖靈機就是圖靈機程序，狀態程序，狀態寄存器記寄存器記錄機器當前的錄機器當前的狀態，以及下一個新狀態狀態，以及下一個新狀態。讀寫頭讀寫頭：負責負責讀出和寫入存儲帶上的符號。讀出和寫入存儲帶上的符號。u計算機界于1966年設立了最高榮譽獎：ACM圖靈獎圖靈獎。仿制的“圖靈機”模型 f f（x x）= =（X+1X+1）函數函數運算的圖靈機工作運算的圖靈機工作過程過程。假定假定x1

15、01字母表字母表= 0, 1, * 存儲帶M* 1 0 1 * 讀寫頭讀寫頭指令 當前狀態M當前值M新值M移動新狀態0初始*不動啟動1啟動*右移加法2加法01左移返回3加法10右移進位4加法*左移停機5進位01左移返回6進位10右移進位7進位*1右移溢出8溢出空*左移返回9返回11左移返回10返回00左移返回11返回*不動停機圖靈機程序u所謂計算計算就是計算者(人或機器)對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串0或1，執行指令一步一步地改變紙帶上的0或1，經過有限步驟有限步驟最后得到一個滿足預先規定的符號串的變換過程變換過程。什么是計算什么是計算100011101100110101100010110

16、101由“程序”控制，一步步將輸入“轉換”為輸出輸入輸出程序通用機器通用機器圖靈認為什么是計算圖靈認為什么是計算?u圖靈機就是指一個抽象的機器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個一個的小方格，每個方格有不同的顏色。有一個機器頭在紙帶上移來移去。機器頭有一組內部狀態，還有一些固定的程序。在每個時刻，機器頭都要從當前紙帶上讀入一個方格信息，然后結合自己的內部狀態查找程序表，根據程序輸出信息到紙帶方格上，并轉換自己的內部狀態，然后進行移動。100011101100110101100010110101由“程序”控制，一步步將輸入“轉換”為輸出輸入輸出程序通用機器通用機器圖靈機的思想圖靈機的思想是關于

17、數據、指令、程序及程序是關于數據、指令、程序及程序/指令自動執行的基本思想。指令自動執行的基本思想。u 輸入被制成一串0和1的紙帶，送入機器中-數據數據。如00010000100011u 機器可對輸入紙帶執行的基本動作基本動作包括：“翻轉0為1”，或 “翻轉1為0”, “前移一位”, “停止”。u 對基本動作的控制-指令指令，機器是按照指令的控制選擇執行哪一個動作，指令也可以用0和1來表示：01表示“翻轉0為1”(當輸入為1時不變)，10表示“翻轉1為0”(當輸入0時不變), 11表示“前移一位”, 00表示“停止”。u 輸入如何變為輸出的控制可以用指令編寫一個程序程序來完成, 如: 0111

18、10110111011100u 機器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，讀一條指令執行執行一條指令。由此實現自動計算自動計算。圖靈機模型理論是計算學科最核心的理論之一，圖靈機模型理論是計算學科最核心的理論之一，為計算機設計指明了方向，也是算法分析和程序為計算機設計指明了方向，也是算法分析和程序語言設計的基礎理論。語言設計的基礎理論。通用圖靈機能根據輸入編碼的不同而改變，進一通用圖靈機能根據輸入編碼的不同而改變，進一步展示了存儲程序和程序控制思想（程序和其輸步展示了存儲程序和程序控制思想（程序和其輸入可以先保存到存儲帶上，按和諧一步步運行直入可以先保存到存儲帶上，按和諧一步步運行直到給出結

19、果，并且結果也保存在存儲帶上）。到給出結果，并且結果也保存在存儲帶上）。計算機系統應該有：計算機系統應該有：存儲器（相當于存儲帶）存儲器（相當于存儲帶）中央處理器（控制器及其狀態），并且字母表可以僅有中央處理器（控制器及其狀態），并且字母表可以僅有和兩個符號；和兩個符號；為了能將數據保存到存儲器并將計算結果從存儲器送出為了能將數據保存到存儲器并將計算結果從存儲器送出來展示給用戶，計算機系統還應該有輸入出設備；來展示給用戶，計算機系統還應該有輸入出設備；結論：結論：u圖靈機模型圖靈機模型被認為是計算機的基本理論模型-計算機是使用相應的程序來完成任何設定好的任務。圖靈機是一種離散的、有窮的、構造性

20、的構造性的問題求解思路，一個問題的求解一個問題的求解可以通過構造其圖靈機可以通過構造其圖靈機(即程序即程序)來解決來解決。u圖靈認為：凡是能用算法方法解決的問題也一定能用圖靈機解凡是能用算法方法解決的問題也一定能用圖靈機解決決; 凡是圖靈機解決不了的問題任何算法也解決不了凡是圖靈機解決不了的問題任何算法也解決不了-圖靈可計算性問題。圖靈機是什么圖靈機是什么? 計算機系統 主機 外部設備 硬件系統 軟件系統 中央處理器 運算器 主存儲器 控制器 隨機存儲器 只讀存儲器 輸入設備 輸出設備 輔助存儲器 操作系統 程序設計語言 應用軟件包 應用程序 系統軟件 應用軟件 2022-3-1531計算機學

21、院師慶玲（控制器控制器輸入輸入設備設備輸出輸出設備設備數據流數據流地地 址址控制流控制流運算器運算器計算機工作原理計算機工作原理2022-3-1532計算機學院師慶玲存儲器分類 存儲器分為兩大類：存儲器分為兩大類：內存儲器和外存儲器，簡稱內存和外存。內存儲器又稱為主存儲器，外存儲器又稱為輔助存儲器。存儲器內存儲器外存儲器ROM（Read Only Memory）RAM（Random Access Memory）Cache磁盤（硬盤、軟盤）光盤（CD-ROM、CD-RW、DVD、MO）閃存（CF卡、MMC卡、SD卡）磁帶 計算機硬件由五個基本部分組成：計算機硬件由五個基本部分組成：運算器、運算器

22、、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。 計算機內部采用計算機內部采用二進制二進制來表示程序和數據。來表示程序和數據。 采用采用“存儲程序存儲程序”的方式，將程序和數據放的方式，將程序和數據放入同一個存儲器中（內存儲器），計算機能夠自入同一個存儲器中（內存儲器），計算機能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執行。動高速地從存儲器中取出指令加以執行。 2022-3-1536計算機學院師慶玲l位（位（bit）：表示：表示存儲數據的最小單位存儲數據的最小單位，二進制數，二進制數“0”或或“1”就是一位就是一位l字節（字節（Byte）：存儲信息的基本單位）：存儲信息的基本

23、單位，8位構成一個位構成一個字節，可作為一個單元來處理的一串二進制數位字節，可作為一個單元來處理的一串二進制數位l字（字（word）：）：計算機處理數據時，計算機處理數據時，CPU通過數據總通過數據總線一次存取、加工和傳送的數據稱為字線一次存取、加工和傳送的數據稱為字l字長字長：計算機的運算部件能同時處理的二進制數據計算機的運算部件能同時處理的二進制數據的位數，稱為字長。的位數，稱為字長。 數據存儲常用的基本單位數據存儲常用的基本單位2022-3-1537計算機學院師慶玲位位字字位、字節、字位、字節、字字節（字節（8位）位）數數據據存存儲儲的的組組織織形形式式2022-3-1538計算機學院師

24、慶玲1B1B（字節）（字節）8bit8bit（位）（位）1KB1KB2 21010B B1MB1MB2 21010K=2K=22020B B1GB1GB2 21010M=2M=23030B B1TB=21TB=21010G=2G=24040B B存儲器的容量是以字節作為基本計數單位存儲器的容量是以字節作為基本計數單位系統軟件（如操作系統）系統軟件（如操作系統）應用軟件（如辦公軟件）應用軟件（如辦公軟件）認識操作系統認識操作系統NT、9X、2000、XP服務于其他程序的程序服務于其他程序的程序計算機軟件可分為系統軟件和應用軟件兩大類計算機軟件可分為系統軟件和應用軟件兩大類操操作作系系統統各各種種

25、應應用用程程序序管理硬件資源管理硬件資源協調后臺工作協調后臺工作提供用戶與計算提供用戶與計算機的交互接口機的交互接口認識操作系統認識操作系統操作系統（OS）是控制計算機硬件和軟件資源的一組程序操作系統就是操作計算機的系統軟件 處理器（處理器（CPUCPU）管理）管理 文件管理文件管理 存儲管理存儲管理 設備管理設備管理 用戶接口用戶接口 從資源管理的觀點來看從資源管理的觀點來看:1微機的種類2022-3-15計算機文化基礎44主板是微型計算機主板是微型計算機系統中最大的一塊電路系統中最大的一塊電路板，有時又稱為母板或板，有時又稱為母板或系統板，是一塊帶有各系統板，是一塊帶有各種插口的大型印刷電

26、路種插口的大型印刷電路板（板（PCBPCB） 。它將主機。它將主機的的CPUCPU芯片、存儲器芯片、芯片、存儲器芯片、控制芯片、控制芯片、ROM BIOSROM BIOS芯芯片等結合在一起。片等結合在一起。返 回圖6 P55主板（1 1）主板主板 （2 2）中央處理器）中央處理器 （3 3）存儲器）存儲器 （4 4）顯卡）顯卡 （5 5）聲卡）聲卡 （6 6）總線）總線 （7 7）輸入設備）輸入設備 （8 8）輸出設備）輸出設備圖 P55主板（1 1）主板）主板 （2 2）中央處理器中央處理器 （3 3）存儲器）存儲器 （4 4）顯卡）顯卡 （5 5）聲卡）聲卡 （6 6）總線）總線 （7 7

27、）輸入設備）輸入設備 （8 8）輸出設備）輸出設備（1 1）主板）主板 （2 2）中央處理器）中央處理器 （3 3）存儲器）存儲器 （4 4）顯卡）顯卡 （5 5）聲卡）聲卡 （6 6）總線）總線 （7 7）輸入設備）輸入設備 （8 8）輸出設備）輸出設備（1 1）主板）主板 （2 2）中央處理器）中央處理器 （3 3）存儲器）存儲器 （4 4）顯卡）顯卡 （5 5）聲卡）聲卡 （6 6）總線）總線 （7 7）輸入設備）輸入設備 （8 8）輸出設備）輸出設備（1 1）主板）主板 （2 2）中央處理器）中央處理器 （3 3）存儲器）存儲器 （4 4）顯卡）顯卡 （5 5）聲卡）聲卡 （6 6）總線）總線 （7 7）輸入設備）輸入設備 （8 8）輸出設備）輸出設備 1 1、 計算機解決問題的過程計算機解決問題的過程計算計算1 1到到100100的和。的和。（1 1）分析問題：本題目就是一個求和的計算，分析問題：本題目就是一個求和的計算，但有規律，從但有規律，從1 1開始，逐個加開始，逐個加1 1，一直加到，一直加到100100。（2 2）用自然語言描述計算方法：用自然語言描述計算方法：Step1Step1：設計算的結果用：