计算机基础知识-质量工程课件.ppt
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1、计算机应用基础绍兴文理学院上虞分院计算机应用基础教学组2012.09第1章 计算机基础知识本章要点:计算机的基础知识计算机的基本组成和基本原理微型计算机系统 现代计算机是一种能帮助人们收集、存储、加工、传递各种信息的数字化电子设备。计算机技术及其应用已渗透到科学技术、国民经济、社会生活等各个领域,改变了人们传统的工作、学习和生活方式,现代信息技术的发展使得各行各业的人们都已经离不开计算机这个强大的信息处理工具。本章主要介绍计算机的基础知识和计算机系统。1.1计算机基础知识 计算机技术的飞速发展,极大地改变了人们的生活和工作。在信息化社会中,掌握计算机的基础知识及操作技能是工作、学习、生活所必须
2、具有的基本素质。本节将讲述计算机的诞生,计算机发展及趋势,计算机特点、分类和计算机在信息社会中的应用。1.1.1计算机的诞生与发展一、计算机诞生的“史前”时代 计算机是一种机器,是人类发明的一种工具。真正意义上的计算机历史至少可以追溯到公元前至1200年前,在Sumer一些有文化的居民用陶土碑和代表我国古代人民智慧的结晶算盘记录他们的商业事务。1642年法国物理学家帕斯卡发明了机械的齿轮式加减法器,1673年德国数学家莱布尼兹发明了乘除器,诞生了能进行四则运算的机械式计算器,商品的机械计算机在1820真正出现了。在十九世纪三四十年代英国发明家查里斯巴贝齐设计了差分机和分析机。他设计的分析机虽有
3、了今天计算机的基本框架,但由于技术限制,用机械方式实现如此复杂的过程几乎是不可能的,巴贝齐的计算机器都没有完成。在计算机的奠基方面,其中最重要的代表人物是英国数学家阿兰图灵(AlanM.Turing)和美籍匈牙利数学家冯诺依曼(John Von Neumann,如图1.1所示)。图灵在二十世纪四十年代提出了一种自动计算机器的模型,这种模型后来被人们称为“图灵机”。他指出了一个原理:图灵机是一种非常强有力的计算“工具”,一切可能的机械式计算过程都可以由图灵机实现。图灵又进一步指出:存在着一个“通用”图灵机,它可以实现所有图灵机的功能。这个结论告诉人们,完全没有必要再去一个个地制造加法机器、乘法机
4、器、最大公约数机器等等,只要能制造出一种具有与“通用图灵机”功能等价的机器,所有计算问题的运行基础就能一下子迎刃而解了。图灵的工作对于计算机领域的发展是如此重要,以致在计算机领域中最重要的奖项用他的名字命名,这就是著名 的“图灵奖”图灵对计算机的贡献主要有两个:建立了图灵机的理论模型,发展了可计算性理论,对数字计算机的一般结构,可实现性和局限性都产生了意义深远的影响。提出了定义机器智能的图灵测试,奠定了人工智能的基础。美籍匈牙利数学家冯诺依曼在1944年参加由莫奇利和埃克特领导的ENIAC计算机的研究,他提出了存储程序式通用电子计算机方案,他认为计算机应具备计算器,逻辑控制装置,存储器,输入设
5、备,输出设备五个部分,成功设计了世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC,并将这五个部分的功能应用于EDVAC。图1.1 图灵 冯诺依曼理论的要点主要有二个:数字计算机的数制采用二进制。计算机应该按照程序顺序执行。冯诺依曼理论确立了计算机的基本结构,直到今天,通用计算机仍采用冯诺依曼理论的存储程序和程序控制的设计思想,被称为冯诺依曼结构计算机。图1.2 冯诺依曼 二、第一台电子数字计算机的诞生 第二次世界大战期间,美国军方为了解决计算大量军用数据的难题,成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组,开始研制世界上第一台电子计算机。经过三年紧张的工作,图1.3 第一台电子计算机 19
6、46年2月1日,世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)宣告研制成功。如图1.3所示。ENIAC的研制成功,是人类信息技术发展史上的一座里程碑,是在发展计算技术的历程中达到的一个新的高度,同时也是一个新的起点。图1.3 第一台电子计算机 ENIAC计算机的最初设计方案,是由36岁的美国工程师莫奇利于1943年提出的。总工程师由年仅24岁的埃克特担任。ENIAC共使用了18000个电子管,1500个继电器以及其他器件,安装在面积为915米2的室内。ENIAC的存储量很小,只能存放20个10位的十进制数
7、,运算速度为5000次/秒加法运算。虽然ENIAC的能力根本无法与现在的计算机相比,但它开启了人类用计算机处理信息的崭新一页。ENIAC的存储容量很小,程序是用线路连接的方式实现的,不便于使用;为了进行几分钟或几小时的数字计算,要花费几小时甚至天的时间做准备。ENIAC用了多个开关和配线盘。每当进行不同的计算时,科学家们就要切换开关和改变配线,这使当时从事计算的科学家看上去更像在干体力活。由于耗电大,电子管的寿命又短,工作时常常会因烧坏电子管而被迫停机检修。美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出了解决此问题之道,这就是“程序存储方式”。通俗地讲就是把原来通过切换开关和改变配线来控制的运算步骤,以程序方式
8、预先存放在计算机中,然后让其自动计算。在以后的时期中,计算机的发展正是沿着“程序存储方式”这一道路前进的。三、计算机的发展 计算机从最初用电子管作为元器件,发展到今天用超大规模集成电路作为元器件,已走过了60多年的历程。习惯上,人们根据计算机所用的逻辑元器件的种类不同对计算机进行了分类,大致上分成4个发展阶段。1、采用电子管的第一代计算机(19461957年)第一代计算机的逻辑元件采用电子管(如图1.4所示),通常称为电子管计算机。主要用于数值计算。主要特点是:(1)采用电子管作为基本逻辑部件,体积大,耗电量大,寿命短,可靠性大,成本高。(2)容量很小,后来外存储器使用了磁鼓存储信息,扩充了容
9、量。(3)输入输出装置落后,主要使用穿孔卡片,速度慢,使用十分不便。(4)没有系统软件,只能用机器语言和汇编语言编程图1.4 电子管 图1.5 晶体管 图1.6 集成电路 2、采用晶体管的第二代计算机计算机(19581964年)第二代计算机的逻辑元件采用晶体管(如图1.5所示),即晶体管计算机。应用范围由数值计算扩大到数据处理和工业控制。主要特点是:(1)采用晶体管制作基本逻辑部件,体积减小,重量减轻,能耗降低,成本下降,计算机的可靠性和运算速度均得到提高。(2)普遍采用磁芯作为贮存器,采用磁盘/磁鼓作为外存储器。(3)开始有了系统软件(监控程序),提出了操作系统概念,出现了高级语言。3、采用
10、集成电路的第三代计算机(19651970年)第三代计算机采用集成电路(如图1.6所示)制作逻辑开关部件。主要特点是:(1)采用中,小规模集成电路制作各种逻辑部件,体积小,重量更轻,耗电更省,寿命更长,成本更低,运算速度有了更大的提高。(2)采用半导体存储器作为主存,取代了原来的磁芯存储器,使存储器容量和存取速度有了大幅度的提高,增加了系统的处理能力。(3)系统软件有了很大发展,出现了分时操作系统,多用户可以共享计算机软硬件资源。(4)在程序设计方面上采用了结构化程序设计,为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。4、使用超大规模集成电路的第四代计算机(1971年至今)第四代计算机的逻辑元件采用大
11、规模集成电路(LSI)。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。目前使用的计算机都属于第四代计算机。主要特点是:(1)基本逻辑部件采用大规模、超大规模集成电路,使计算机体积,重量,成本均大幅度降低,出现了微型机。(2)作为主存的半导体存储器,其集成度越来越高,容量越来越大;外存储器除广泛使用软,硬磁盘外,还引进了光盘、大容量的移动存储器。(3)各种使用方便的输入输出设备相继出现。(4)软件产业高度发达,各种实用软件层出不穷,极大地方便了用户。(5)计算机技术与通信技术相结合,计算机网络把世界紧密地联系在一起。(6)多媒体技术崛起,计算机集图像,图形,声音,文字,处理于一体,在信息处理领域掀
12、起了一场革命,与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。从20世纪80年代开始,发达国家开始研制第五代计算机,研究的目标是能够打破以往计算机固有的体系结构,使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力,向智能化发展,实现接近人的思考方式图1.7 Intel 迅驰 CPU实物图起止年代主要元件主要元件图例速度(次/秒)特点与应用领域第一代19461957年电子管5千1万次计算机发燕尾服的初级阶段,体积巨大,运算速度较低,耗电量大,存储容量小,主要用来进行科学计算。第二代19581964年晶体管几万几十万次体积减小,耗电较少,运算速度较高,价格下降,不仅用于科学计算,还用于数据处理和事务
13、管理,并逐渐用于工业控制。第三代19651970年中、小规模集成电路几十万几百万次体积、功耗进一步减小,可靠性及速度进一步提高,应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面。第四代1971年至今大规模和超大规模集成电路几千万千万亿次性能大幅度提高,价格大幅度下降,广泛应用于社会生活的各个领域,进入办公室和家庭,在办公自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域中大显身手。四、新一代计算机的构想 新一代计算机,即第五代电子计算机也被称为“智能计算机”。从20世纪80年代开始,日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。普遍认为新一代计算
14、机应该是智能型的,它能模拟人的智能行为,理解人类自然语言,并继续向着微型化,网络化发展。第五代计算机的目标是成为有人工智能的计算机,它具备了常识、推论、闪出智能火花、判断功能。智能计算机突破了传统的冯诺依曼式机器的概念,舍弃了二进制结构,把许多处理机并联起来,并行处理信息,速度大大提高。它的智能化人机接口使人们不必编写程序,只需发出命令或提出要求,电脑就会完成推理和判断,并且给出解释。日本公布的第五代计算机称为知识信息处理系统(KIPS)。它不像前四代计算机那样按事先的程序来解决问题,而是根据用户提出的问题自动选择内置在知识库中的规则,通过推理来解答问题。因此,这种智能计算机必须包括支持逻辑推
15、理的推理机,支持知识库及其查询的知识库机,以及多媒体人机界面等。虽然KIPS至今没有实现,但随着各国对智能计算机研制的深入,采用非冯诺依曼结构的各种并行结构计算机(如向量计算机、阵列计算机、数据流计算机等)不断涌现,为研制并行推理机、知识库查询机,以及与它们配套的核心创造了条件。目前的主流计算机仍以冯诺依曼结构为主体。科学家预言,未来将出现光计算机、生物计算机、超导计算机和模糊计算机等。1、光计算机 是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光计算机的基本组成部件是集成光路。运用集成光路技术,可以把光开关或光存储等器件集成在一块芯片上,制成单一功能的集成光路;也可以将光
16、源、光波导(用以构成集成光路中的连接元件)、光开关、光存储等器件集成在一块芯片上,以组成一个完整的光系统。要得到一台光计算机,可以选用集成光路进行组装,而光导纤维则能用作光计算机之间的直接通信线。光计算机的优点在于运算速度快。与当前运算速度最高的巨型计算机相比要快数百倍。存储容量大。它的存储容量可达100亿亿二进制信息位,将是现有电子计算机的几万亿倍。可以同时处理几路信息。不受磁场影响。光计算机是利用光传输信息,不会受磁场影响。世界上许多国家正在努力发展光计算机。据1983年英国皇家学会宣布,英、法、前联邦德国、意大利等西欧国家的科学家集中在英国共同研制世界上第一台光计算机。1984年6月美国
17、宣布已经制造了第一台光计算机的设备,不过它只能在接近绝对零度条件下工作。日本对光计算机研究甚为重视,从1979年开始推行“光电子技术开发计划”。目前光计算机的研究工作仍处于实验室阶段。今后,光计算机将开始取代电子计算机。2、生物计算机 利用有机分子作为基本部件制成的计算机。因为有机分子存在于生物体内,所以这种计算机又称“生物计算机”。目前,生物计算机研制工作正沿着两种截然不同的方向进行。第一种是用有机分子取代当代的半导体,研制一种能完成数字计算机逻辑元件和存储元件功能的分子电子器。因此,生物计算机通常也称分子计算机。另一种是模拟活生物体。因为机体的免疫系统内,当大量病菌侵入血液,白血球能识别进
18、入血液的病原菌表面分子结构后,在白细胞内外引起一连串防御性的化学反应。科学家希望类似的反应能在由彼此相互作用的蛋白质和其他复杂分子构成的生物计算机中出现。事实上,生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当,程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中表示出来。由于有机分子构成的生物化学元件的特殊性,生物计算机就具有显著的优点:体积小、功效高。以分子水平的线路为目标的生物化学元件线度可达几百埃(10-8cm),一平方毫米的面积上可容数亿个电路,比目前的电子计算机提高了几百倍。可靠性高。因为生物本身具有自我修复的机能,所以即使计算机芯片出了故障也能自我
19、修复。耗能少。有机分子构成的生物化学元件是利用化学反应工作的,需要能量少,不存在发热问题。目前,生物计算机正在崛起,上世纪80年代初,美国首先燃起了生物计算机的兴趣之火,1983年11月召开了近40名不同学科的科学家对制造生物计算机的可能性问题进行讨论。1987年英国拨款3000万英镑用于研制生物计算机。目前,生物计算机的研制还在继续。3、超导计算机 用超导器件作为元件的计算机。1911年荷兰物理学家昂尼斯发现水银冷却到4.2K时,电流可无阻地流过,这种现象称为超导电现象。具有超导电性质的物质,叫超导体。1962年正在英国剑桥大学攻读物理博士学位的约瑟夫森制成了超导开关器件和超导存储器这两种计
20、算机中最基本的器件。这两种器件又称约瑟夫森器件。这种器件具有如下特点:开关速度快。目前已达几微微秒,比高速硅集成电路快几百倍。功耗非常小。仅为硅集成电路的几百分之一。有人预测,过去需要10千瓦功率的大中型计算机,如用约瑟夫森器件制成的超导计算机,则只需1节干电池。功耗小,散发热量少,集成度高。器件结构基本上和现行大规模集成电路相同。因此,超导计算机的性能是目前计算机所无法比拟的。事实上,近十几年来,人们一直为实现超导计算机而努力奋斗,制造了具有独特优点的各种器件。例如,美国于1976年曾观察到单一约瑟夫森器件的开关速度为29微微秒;1978年在第25届国际固体电路会议上报告称:一种实验性超导开
21、关逻辑电路,开关速度为42微微秒;1983年11月日本却获得开关速度为5.6微微秒。尽管目前进展很快,但与研制成超导计算机还有相当距离。其主要原因是:各类约瑟夫森器件相连结是个难题;超导计算机要有超低温环境,这就需要附加一整套超低温设备;超导计算机如何与输入、输出等外部设备相接等问题都有待解决。所以,有人把超导计算机称为“梦幻式计算机”,可见制造超导计算机相当困难。4、模糊计算机 是一种专门用以处理模糊信息的计算机。众所周知,迄今为止的电子计算机采用的数学语言都是由“0”和“1”两个数码构成的。具有两大优点:一是信息十分精确,判别一个简单的概念,往往需要进行一大堆数学运算,得出很高的精度。二是
22、硬件容易实现(只需两种状态即可)。但有一个明显的缺点是对自然现象和人类社会中大量的模糊信息就不能只用当前计算机中的“1”(是)和“0”(非)这样“一板一眼”两值逻辑来处理,有的甚至使计算机无能为力。因事物具有相对性,它们中间没有截然可分的界限,这些没有确切界限的事物及其表达形式被称为模糊概念。它是一种不规则的逻辑,由此构成的信息是含义模糊的信息,即模糊信息。例如要表达一个人老态龙钟,便可用白发苍苍、步履蹒跚、面容憔悴等一些形容词来说明,这便是典型的模糊信息。人脑能非常敏捷地处理模糊信息,因此,科学家们设想制造模糊计算机,这种计算机除了具有一般计算机的功能外,还像人脑一样具有学习、思考、判别和对
23、话功能。日本于1984年首先提出研制模糊计算机,并以不规则、非逻辑为基本函数的理论为基础,设计、试制成功模糊集成电路,使计算机的体积大幅度下降。但要真正能够研制成尽可能具有人脑功能的模糊计算机,就必需要集中大量电子学、心理学、大脑生理学、语言学等专家一起来开发和研制。如果一旦研制成功具有人工智能水平的计算机,必将对人类社会产生极其深刻的影响。五、计算机发展趋势 计算机发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化等多极方向发展。巨型化:天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算,要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量,这就需要研制功能更强的巨型计算机。微型化:专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家
24、用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭,但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机,以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现,迅速普及。网络化:将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接,就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享,使计算机的实际效用大大提高。计算机联网不再是可有可无的事,而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET,也译为国际互联网)就是一个通过通信线路连接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网,人们足不出户就可获取大量的信息,与世界各地的亲友快捷通信,还能进行网上贸易
25、等。智能化:目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动,因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能,比如:能听懂人类的语言,能识别图形,能自行学习等,这就需要进一步进行研究。近年来,通过进一步的深入研究,人们发现由于电子电路的局限性,理论上电子计算机的发展也有一定的局限,因此人们正在研制不使用集成电路的计算机,例如生物计算机、光子计算机、超导计算机等。六、计算机在我国的发展 华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和最主要的开拓者之一。1952年在全国大学院系调整时,他从清华大学电机系物色了闵乃大、夏培肃和王传英三位科研人员在他任所长的中国科学院数学所内建立了中国第一个电子计算机科研
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