北京大学《计算概论》课件:ch02-2-计算机-互联网-信息社会名师教学资料.ppt
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1、第二讲:第二讲:计算机、互联网与信息社会计算机、互联网与信息社会北京大学北京大学 信息科学技术学院信息科学技术学院20132013年年9 9月月9/7/2023北京大学21.1 1.1 信息与信息社会信息与信息社会1.2 1.2 计算机的发展历史计算机的发展历史1.3 1.3 计算机的研究范畴计算机的研究范畴1.4 1.4 计算机的应用领域计算机的应用领域1.5 1.5 互联网互联网1.6 1.6 互联网应用互联网应用1.7 1.7 信息社会发展带来的问题信息社会发展带来的问题主要内容主要内容历史历史n启蒙时代:1936年,图灵机理论模型n第一代计算机:1940年代 冯诺伊曼体系结构,电子管n
2、第二代:晶体管n第三代:集成电路n第四代:大规模集成电路n第五代:生物,量子等nInternet时代:1990年代开始n姚期智:下一代互联网是量子网络 nhttp:/ 1、发明文字发明文字使得使得 信息信息 得以在得以在 更大的范围内更大的范围内 跨越时间和空间跨越时间和空间 而传播而传播2 2、发明算术发明算术使得使得 量化的数字信息量化的数字信息 可以被可以被 加工和变换加工和变换3 3、发明活字印刷发明活字印刷使得使得 大量信息的批量复制大量信息的批量复制 成为可能,使信息成为一种可大规成为可能,使信息成为一种可大规模共享的资源模共享的资源4 4、计算机和互联网的出现计算机和互联网的出现
3、目前,通用数字计算机和计算机互联网络的出现,使得全球性目前,通用数字计算机和计算机互联网络的出现,使得全球性的信息传输、加工、和互动的信息传输、加工、和互动 成为可能成为可能1.1 信息与信息社会9/7/2023北京大学5信息社会的技术特点信息社会的技术特点q 数字化信息资源的大量生产数字化信息资源的大量生产q 信息表现形式的多样化信息表现形式的多样化数据的存储形式,传播形式,和多媒体数据的存储形式,传播形式,和多媒体 表现形式(文表现形式(文字、声音、图像、影像等)字、声音、图像、影像等)q 信息的变换与加工信息的变换与加工信息查询、浏览、摘取、格式转换、统计等信息查询、浏览、摘取、格式转换
4、、统计等q 信息共享信息共享1.1 信息与信息社会9/7/2023北京大学6q 社会关系网社会关系网 既是既是 互联网信息的源泉,又是互联网信息共互联网信息的源泉,又是互联网信息共享和消费的市场享和消费的市场q 存在不同规模、不同用途的互联网络存在不同规模、不同用途的互联网络家庭局域网:家庭娱乐、家电管理家庭局域网:家庭娱乐、家电管理学校院系学校院系 的的 内部办公网内部办公网校园网校园网全国教育网全国教育网 CERNETCERNET跨国公司业务网跨国公司业务网银行网银行网电信网电信网1.1 信息与信息社会9/7/2023北京大学71.2 计算机的发展历史n历史上的计算工具历史上的计算工具机械
5、式手动计算机机械式手动计算机法国数学家、哲学家帕斯卡在法国数学家、哲学家帕斯卡在16421642年发明了年发明了一种机械计算机,并于一种机械计算机,并于16491649年取得专利。年取得专利。帕斯卡的计算机采用一种齿轮系统,其中一帕斯卡的计算机采用一种齿轮系统,其中一小轮转十个数字,下一个小轮便转动一个数小轮转十个数字,下一个小轮便转动一个数字,通过齿轮系的联动,可以进行加法和减字,通过齿轮系的联动,可以进行加法和减法的运算法的运算 中国的算盘中国的算盘我国古代发明创造的重要成就之一,至今已有我国古代发明创造的重要成就之一,至今已有一千多年的历史。一千多年的历史。9/7/2023北京大学81.
6、2 计算机的发展历史计算机的理论模型计算机的理论模型现代计算机产生于现代计算机产生于抽象的抽象的 图灵机图灵机 (Turing Machine)(Turing Machine)英国数学家英国数学家A.M TuringA.M Turing于于19361936年提出的一种理想的计年提出的一种理想的计算机器的数学模型算机器的数学模型 大半个世纪以来,数学家、计算机科学家提出了各种大半个世纪以来,数学家、计算机科学家提出了各种各样的计算模型,但最终都被证明是同图灵机等价的各样的计算模型,但最终都被证明是同图灵机等价的 图灵机是计算机科学的重要基础之一图灵机是计算机科学的重要基础之一 “图灵奖图灵奖”:
7、计算机领域的:计算机领域的“诺贝尔奖诺贝尔奖”9/7/2023北京大学91.2 计算机的发展历史 第一台计算机:ENIACnENIACENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)n19461946,美国宾夕法尼亚大学,美国宾夕法尼亚大学n占地占地15001500平方英尺,重达平方英尺,重达3030吨吨n每秒每秒50005000次加法运算次加法运算n用于计算炮弹的弹道轨迹用于计算炮弹的弹道轨迹n缺点:缺点:n没有存储器没有存储器n用布线板进行控制,控制效率极低用布线板进行控制,控制效率极低9/7/2023北京大学101.2 计算机的发展
8、历史 第一台现代意义上的计算机:EDVACnEDVACEDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)n19451945年提出设计方案,年提出设计方案,19511951年完成年完成n占地面积和消耗电力只有占地面积和消耗电力只有ENIACENIAC的的1/31/3n每秒每秒20002000次乘法运算,或次乘法运算,或1000010000次加法运算次加法运算n特点:特点:n采用二进制表示数据和程序采用二进制表示数据和程序n使用使用“存储程序存储程序”的方式对计的方式对计算机进行控制算机进行控制冯冯诺依曼诺依曼(主要设计者)(主要设计者)9
9、/7/2023北京大学111.2 计算机的发展历史 第一台现代意义上的计算机:EDVACn现代计算机的结构:现代计算机的结构:“冯冯诺依曼诺依曼”结构结构9/7/2023北京大学121.2 计算机的发展历史 计算机的过去体积巨大的专用设体积巨大的专用设备备9/7/2023北京大学131.2 计算机的发展历史 计算机的现在体积越来越小体积越来越小性能越来越高性能越来越高多种多样多种多样用途广泛用途广泛9/7/2023北京大学14(1)(1)第一代计算机第一代计算机(1946(1946年年-1957-1957年年)电子管计算机电子管计算机采用电子管作为逻辑线路主要元件。应用范围十分有限,主要应用于
10、军事采用电子管作为逻辑线路主要元件。应用范围十分有限,主要应用于军事领域及科学计算。领域及科学计算。(2)(2)第二代计算机第二代计算机(1957(1957年年-1964-1964年年)晶体管计算机晶体管计算机采用晶体管作为逻辑线路主要元件。与第一代计算机相比,由于晶体管体采用晶体管作为逻辑线路主要元件。与第一代计算机相比,由于晶体管体积小、耗电少、寿命长、计算性能有了很大改进,成本随之下降。应用范积小、耗电少、寿命长、计算性能有了很大改进,成本随之下降。应用范围扩大到数据处理和事务管理等方面。围扩大到数据处理和事务管理等方面。(3)(3)第三代计算机第三代计算机(1964(1964年年-19
11、70-1970年年)集成电路计算机集成电路计算机采用中、小规模集成电路代替了传统的独立式晶体管。与第二代计算机相采用中、小规模集成电路代替了传统的独立式晶体管。与第二代计算机相比,这一时期的计算机其软件、硬件系统都向标准化、模块化、系列化发比,这一时期的计算机其软件、硬件系统都向标准化、模块化、系列化发展。应用范围扩大到工业控制等领域。展。应用范围扩大到工业控制等领域。1.2 计算机的发展历史 计算机发展的时代划分9/7/2023北京大学15(4)(4)第四代计算机第四代计算机(1970(1970年年-今今)大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机采用大规模、超大规模集成电路为计算机主要功能元
12、件。应用范围几乎无采用大规模、超大规模集成电路为计算机主要功能元件。应用范围几乎无所不在!所不在!(5)(5)第五代计算机(第五代计算机(?-?-?)计算机发展的新方向计算机发展的新方向 目前还没有一个确定的发展方向。目前的研究方向有:目前还没有一个确定的发展方向。目前的研究方向有:生物生物DNA计算机计算机、量子计算机量子计算机、光子计算机光子计算机等等等等.1.2 计算机的发展历史 计算机发展的时代划分 上述四代计算机的设计都采用上述四代计算机的设计都采用“冯冯诺依曼诺依曼”结构,结构,“以以二进制二进制、存储程序存储程序以及以及指令和数据统一存储指令和数据统一存储”为基础为基础9/7/2
13、023北京大学16波音飞机波音飞机对准尺寸标准对准尺寸标准 万分之一米万分之一米零件数量零件数量 百万级百万级但与自然界的生物基因系统相比,生物但与自然界的生物基因系统相比,生物系统的复杂性还要高出几个数量级系统的复杂性还要高出几个数量级!1.2 计算机的发展历史 计算机系统的特点奔腾芯片奔腾芯片对准尺寸标准对准尺寸标准 千万分之一米千万分之一米 零件数量零件数量 千万级千万级/亿级亿级数字芯片是人造的最复杂的系统之一数字芯片是人造的最复杂的系统之一9/7/2023北京大学17摩尔定律摩尔定律q CPUCPU芯片上的零件密度每芯片上的零件密度每1818个月增加个月增加1 1倍倍19711971
14、年年Intel 4004Intel 4004芯片芯片 23002300个晶体管个晶体管 目前目前 IntelIntel酷睿酷睿2 2双核芯片双核芯片 晶体管数量达到晶体管数量达到 上亿数量级上亿数量级q CPUCPU的性能每的性能每1818个月提高一倍,价格下降一半个月提高一倍,价格下降一半性能越来越快,价格越来越便宜;应用领域越来越广泛性能越来越快,价格越来越便宜;应用领域越来越广泛1.2 计算机的发展历史 计算机的发展速度姚期智:姚期智:下一代互联网是量子网络下一代互联网是量子网络 n过去十几年里,物理学家和计算机学家联合研究,发现,在原子里面存在另外一种力量,不是能量。是一种惊人的计算力
15、量。所以,做量子信息研究的人,基本的精神,有没有方法能够把这些能量、计算力量从原子里面释放出来。n那么,这些计算能量对于有些问题,有惊人的加速的效应。一个是在现在的普通计算机,要用一亿年,十亿年,二十亿年,才能解决的问题。在量子网络里面,只要几分钟就可以做好的。nhttp:/ 计算机领域的主要研究范畴n计算机体系结构n操作系统n计算机网络n数据库技术n程序设计语言n软件工程软件工程n图形图像处理n编译原理n算法设计与分析nn数理逻辑n计算复杂性理论n人工智能n9/7/2023北京大学20 计算机的应用已经深入到人类社会的各个方面,计算机的应用已经深入到人类社会的各个方面,并逐渐成为一种基础性的
16、工具并逐渐成为一种基础性的工具n家庭生活(理财、娱乐、购物、新闻浏览、家庭生活(理财、娱乐、购物、新闻浏览、)n社会社会/企业管理企业管理n现代化教育现代化教育n科学研究科学研究n产品研发产品研发n工业自动化控制工业自动化控制n信息交换信息交换n电信、银行、邮局、医院、电信、银行、邮局、医院、n1.4 计算机的应用领域9/7/2023北京大学211.5 互联网nInternetInternet(因特网)(因特网)n信息的网络、信息的海洋信息的网络、信息的海洋n相互连接相互连接 的的 计算机网络计算机网络n计算机网络计算机网络 是一种是一种 将处于不同地理位置且具有将处于不同地理位置且具有独立功
17、能的多个计算机系统通过独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路通信设备和线路连接起来,在功能完善的连接起来,在功能完善的网络软件的网络软件的支持下,实支持下,实现彼此之间的数据通信和资源共享现彼此之间的数据通信和资源共享 的的 系统系统n计算机网络计算机网络 是是 计算机科学计算机科学 和和 通信科学通信科学 密切结合的产物密切结合的产物9/7/2023北京大学221.5 互联网n互联网络的组成互联网络的组成n各种类型的计算机或嵌入式设备各种类型的计算机或嵌入式设备n互联线路或无线通信介质互联线路或无线通信介质n网络通信设备与网络软件网络通信设备与网络软件n互联网络分类:互联网络分类:n广域
18、网(广域网(WANWAN):跨越国家和省市地域的网络:跨越国家和省市地域的网络n局域网(局域网(LANLAN):一个建筑物范围内、利用以太网技术形:一个建筑物范围内、利用以太网技术形成的计算机网络成的计算机网络n内联网(内联网(IntranetIntranet):企业:企业/组织的内部网(可能是组织的内部网(可能是WANWAN、LANLAN)9/7/2023北京大学231.5.1 互联网的发展历史n19691969年,为了能在爆发核战争时保障通信联络,美国国防部高级研究年,为了能在爆发核战争时保障通信联络,美国国防部高级研究计划署计划署ARPAARPA资助建立了世界上第一个分组交换试验网资助建
19、立了世界上第一个分组交换试验网ARPANETARPANETn7070年代末到年代末到8080年代初,各种类型的计算机网络蓬勃发展;产生了网络年代初,各种类型的计算机网络蓬勃发展;产生了网络之间相互连接的需求,并导致之间相互连接的需求,并导致TCP/IPTCP/IP协议协议的出现(的出现(19801980年)年)n19861986年,美国国家科学基金会年,美国国家科学基金会NSFNSF资助建成了基于资助建成了基于TCP/IPTCP/IP技术的主干网技术的主干网NSFNETNSFNET,世界上第一个互联网产生;,世界上第一个互联网产生;19951995年,年,NSFNETNSFNET开始商业化运行
20、开始商业化运行n19941994年,中国建设了年,中国建设了CERNETCERNET示范网工程;中国第一个全国性的示范网工程;中国第一个全国性的TCP/IPTCP/IP互联网互联网n截止截止20122012年,全球互联网的用户数量已达年,全球互联网的用户数量已达2424亿亿9/7/2023北京大学241.5.2 局域网互联网的细胞互联网的细胞n局域网中的硬件成分局域网中的硬件成分n计算机:计算机:n网卡(网卡(NCNC)n连接线路连接线路:n有线:双绞线有线:双绞线n无线无线n网络设备:网络设备:n集线器(集线器(HUBHUB)n交换机(交换机(SwitcherSwitcher)n路由器(路由
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