计 算 机 导 论

1. 计 算 机 导 论

2. 前 言 问题的提出： 1.谈谈你报计算机类专业的想法。 2.谈谈你对计算机的认识。 3.谈谈对计算机的工作原理认识。 4.为什么要学《计算机导论》这门课？ 5.如何学好《计算机导论》这门课？

3. “我会计算机”，已经没有优势，计算机人怎么办？“我会计算机”，已经没有优势，计算机人怎么办？ • 计算技术的泛化、平民化和工具化，早期人们对计算机科学与技术的那种神秘感已基本消失。 • 各个学科都在迅速地与计算机技术进行交叉“联姻”，挤兑计算机学科的发展空间。 • IT业的高度精细化、专业化，企业家的利润最大化追求，使传统的计算机人才培养模式与用人单位模式陷入两难的怪圈之中。

4. 《计算机导论》课的作用 • 计算机作为信息化社会的工具特点 • 计算机科学与技术的发展对计算机专业学生提出新的要求 • 飞速发展的计算机应用技术产生众多的应用领域，学什么? • 计算机学科的特点——集理科与工科为一体—理论与实践结合紧密，如何学？ • 《计算机导论》——从学科整体出发，综述性地、深入浅出地介绍计算机学科的有关知识与技能，起导向的作用——是从事计算机信息学科学习学生的“导游图”，是对整个计算机学科有一个鸟瞰式的纵览。

5. 《计算机导论》的学习目的与要求 • 理解计算机会“自动计算”的基本原理 • 掌握计算机的最基本的知识，结合技能课程的学习掌握和计算机的基本操作技能 • 知道目前计算机科学与技术发展的主要方向的基本内容和发展趋势，确立自己大学期间的学习努力方向 • 明白计算机学科的各专业所开课程的意义和作用，弄清各门课程之间的逻辑联系和计算机学科的知识逻辑结构。

6. 《计算机导论》具体学习要求 • 了解计算机的有关基本知识 • 了解计算机在人类社会信息化过程中的作用 • 初步知道计算机的基本构成，掌握计算机科学体系 • 了解计算机的工作原理 • 了解计算机应用的主要发展方向，结合自己的兴趣和能力优势，初步确定好自己大学期间的学习目标、努力方向 • 知道计算机科学学科的课程结构、主干课程学习方法、能力要求 • 知道计算机科学学科的基本问题、学科特点 • 了解计算机科学学科的学科形态、核心概念 • 初步掌握计算机科学学科的典型方法和典型实例 • 了解计算机科学学科的发展规律和趋势 • 知道计算机科学学科与相关学科的关系 • 形成初步的计算机应用能力

7. 《计算机导论》课程的学习方法 • 重视计算机学科的科学思想、方法的把握。 • 从宏观入手把握问题，不纠缠于个别细节，从学科体系上把握整个知识体系。 • 重视实践和动手能力的培养，和计算机专业技能课训练紧密结合，提高计算机的操作能力，同时，通过计算机专业技能的学习加深对《计算机导论》课程有关概念的理解。

8. 北大方正网络传播事业部陈超先生以亲身体会认为:北大方正网络传播事业部陈超先生以亲身体会认为: 计算机应用方向很多,潮流也很新,许多人这学一点,那个学一点,结果个个都不精通.总觉得是在原地打转.作为计算机的学生要做到面广且专.即对计算机的每一个领域都要了解,专业知识要专,对一个方向的专业知识要精通. 他认为:如果在刚进校门时就能得到老师这方面的指导也许四年大学的学习收获可能会更多一些. -----摘自清华大学主办《计算机教育》2004.第八期 p24

9. 计算机IT人才的基本素质要求 • 娴熟的开发技能 精通XX编程语言 熟悉XX数据库 熟悉XX开发平台 行业开发经验 • 综合的职业素养 商务演讲，人际沟通 团队合作，成熟理性

10. 阅读参考书 • 计算机科学概论（第八版）Computer Science : an overview，[美]J.Glenn Brookshear著，王保江等译， 人民邮电出版社，2003年9月。 • 黄荣胜等编 计算机科学与技术方法论 北京 人民邮电出版社 2002年

11. 第一章 绪论 • 学习目的和要求： • 1.讨论学习计算机的目的和方法 • 2.了解计算机发展的历史与人类向信息化迈进的必然性 • 3.理解了解计算机的冯•诺依曼模型 • 4.知道计算机的特点与分类 • 5.知道计算机的主要技术指标 • 6.掌握计算机存储容量单位及其换算 • 7.初步了解计算机的体系结构 • 8.知道计算机的应用与信息化社会的关系 • 9.熟悉计算机发展的趋势和自身发展面临的挑战

12. 回顾计算机的发明史，探究“自动计算”的原由和发明创新的原动力——人从本质上讲是一种“懒惰”而又富于进取的高级动物回顾计算机的发明史，探究“自动计算”的原由和发明创新的原动力——人从本质上讲是一种“懒惰”而又富于进取的高级动物 • 计算能力是人的基本能力之一，是人的智力的主要特征。 • “自动计算”是人类进化过程中的梦想 • 更快的计算是人类文明的标志和永恒的追求 • 人类计算能力发展的历史回顾 • 从认识多少始（有些动物也能感觉“多少”的概念） • 结绳、划痕计数——对应抽象的开始 • 计数符号的发明——各个文明都有自己的计数符号表示 • 进位制的产生 • 阿拉伯数字1、2、…、7、8、9、0 • 十进制、二进制、…、p进制 • 现代数学（特别是形式逻辑）的发展——计算模型理论和二进制的出现

13. 工业革命 计算量剧增 EDVAC 冯氏机 1950 美人口 普查机 1890 ABCJ机 解线性方程 1939 自动计算 的梦想 马克1号 电子与机械部件混合 193～IBM ENIAC 电子部件 1946 已有存储功能，但必须靠人操作 • 计算工具的发明 • 中国的筹算 • 算盘 • 帕斯卡机（法）1623－1662 • 莱布尼兹加法机（德）1646－1716 • 巴贝奇差分机（英）1792－1871 • “二次”大战催生了计算机——终于圆了人类自动计算的梦 • 图灵等一批数学家构造出了自动计算模型，从理论上作了准备 • 社会发展和战争的需求——美国人口普查、弹道计算

14. 计算机诞生后的迅猛发展的历史 • 第一代 （1946－1959）电子管 • 第二代（1959－1965） 晶体管 • 第三代（1965－1975） 集成电路 • 第四代（1975－ ） 超大规模集成电路 • 计算机为什么发明在西方，而不是在中国？ • 工业革命、战争的推动 • 中国是落后的农业国 • 计算机的基础是编码 • 中、西文字的差别是关键 • 拼音文字的线性结构、26个字母的易编码性 • 电报的发明——编码的理论研究 • 中文汉字的平面结构与组成的复杂性，编码的复杂性

15. 历史上的计算“机” 中国算盘（汉代）

16. 法国数学家帕斯卡发明的十进制加法器（1642）法国数学家帕斯卡发明的十进制加法器（1642）

17. 英国数学家巴贝奇发明的差分机（1884）

18. 5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW 计算机发展史 第一台电子计算机（ENIAC 1946）

19. 计算机发展史 ENIAC 划时代的实验装置 电子恐龙的缩骨法——晶体管 晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。 电子管的缺点： 体积大； 耗能高、散热量大。 晶体管的优点： 体积小； 耗能低； 性能稳定。

20. 晶 体 管 数 目 420,000,000 计算机发展史 10微米芯片 2,300 4004 奔腾4 将电脑浓缩在一颗芯片上 0.18微米芯片

21. 集成电路起初像基尔比模型那样，只是用一根导线在一块硅晶片上把几个晶体管连在一起。紧接着，连线的技术得到改进，由沉淀在晶体管四周硅材料上的小铝导体取代导线，由以前的在硅材料变硬后在上面铺线改为埋线。不久，埋线的技术又得到改进，使原来的导线由线变成了点，即通过在晶体管里掺杂一些特殊的杂质，由它们来导电。用类似的方法，其他一些元件如电阻和二极管等，也一步步融进硅晶片中。集成电路起初像基尔比模型那样，只是用一根导线在一块硅晶片上把几个晶体管连在一起。紧接着，连线的技术得到改进，由沉淀在晶体管四周硅材料上的小铝导体取代导线，由以前的在硅材料变硬后在上面铺线改为埋线。不久，埋线的技术又得到改进，使原来的导线由线变成了点，即通过在晶体管里掺杂一些特殊的杂质，由它们来导电。用类似的方法，其他一些元件如电阻和二极管等，也一步步融进硅晶片中。

22. 随着技术的进步，硅晶片越来越小，也越来越薄，而其上的晶体管数目和管线则越来越多。从基尔比模型上的4个晶体管，变成了60年代中期的10个，80年初的10000个，直至今日的十几亿个。随着技术的进步，硅晶片越来越小，也越来越薄，而其上的晶体管数目和管线则越来越多。从基尔比模型上的4个晶体管，变成了60年代中期的10个，80年初的10000个，直至今日的十几亿个。

23. 我们从元器件的间隔距离体会集成度： • ENIAC：一般为5厘米； • （1972年）4004微处理器芯片10微米； • （1974年）8080微处理器芯片6微米； • （1979年）8086微处理器芯片3微米； • （1985年）80386微处理器芯片1.5微米； • （1990年）80486微处理器芯片0.8微米； • （1993年）80586微处理器芯片0.6微米； • （1995年）“奔腾”0.5微米……突破0.2微米的记录……科学家早期预言0.05微米是芯片制造的极限 • …… • 至今IBM公司对外宣称已达到45nm=0.045微米，并正在向32nm前进。 • …… • 可以大胆的预测最后极限应该是以单个原子来构架晶体管（开关） • 纳米技术将大大地改变人类的生活，甚至人类本身（长生不老、永远年轻、设计自己的后代等）

24. 单 位 时 间 执 行 的 指 令 数 计算机发展史 百万条/每秒 计算机第一定律——摩尔定律 晶 体 管 数 每18个月芯片能力增长一倍。

25. 第三代 （1965~1970） 集成电路 百万~几百万（次/秒） 第四代 （1971~90年代） 超大规模集成电路 几百万~几亿（次/秒） 计算机发展史 第二代 （1957~1964） 晶体管 几十万~百万（次/秒） 第一代 （1946~1956） 电子管 5千~4万（次/秒） 计算机发展的几个阶段 1964年911机 1966年112机

26. 晶体管 标志 时间 性能特点 重要意义 第 一 代 电子管 20世纪40年代中到50年代后期 体积庞大，运算速度每秒5千次左右，存储容量小，功耗大，可靠性低 奠定了计算机的基础 第 二 代 一个部件可以制造在一个芯片上，可实现计算机的组装 20世纪50年代后期到60年代中期 体积大大缩小，功耗大大降低， 运算速度提高，存储容量提高， 可靠性提高 奠定了集成电路发展的基础 第 三 代 中小规模集成电路 20世纪60年代中期到70年代初期 体积大大缩小，功耗大大降低， 运算速度提高，存储容量提高， 可靠性提高 第 四代 大规模和超大规模集成电路 20世纪70年代初期至今 体积大大缩小，功耗大大降低， 运算速度提高，存储容量提高， 可靠性提高 计算机硬件的发展历史

27. 数 据 • 数据：是反映客观世界事物属性的原始记录，形式可以是数字、文字（文本）、图象/图形、音频信号、视频信号等。 • 存储数据:在计算机内部是以0、1两种状态来保存数据的。 • 组织数据：按照一定的形式来保存数据的方法（数据结构）

28. 信息 数据 计算机的简单模型

29. 计算机的简单模型

30. 相同的程序，不同的数据

31. 相同的数据，不同的程序

32. 计算机模型

33. 计算机的冯•诺依曼模型 程序 输入/输出 数据 输入 数据 输出 存储器 算术逻辑单元 控制单元

34. 计算机的特点与分类（一） • 计算机的特点 • 计算速度快 • 计算精度高 • 记忆能力强 • 高度自动化 • 具有一定的逻辑判断能力 • 可靠性高

35. 计算机的特点与分类（二） • 计算机的分类 • 按信息表示和处理方式 • 电子数字计算机 • 电子模拟计算机 • 电子数字/模拟混合计算机 • 按用途 • 通用机 • 专用机 • 按形体和性能 • 巨型机 • 大型机 • 中型机 • 小型机 • 微型机 • 单片机

36. 计算机的主要技术指标 • 字长：即计算机一次存取传递或加工数据的长度，刻划了计算机的计算机精度和处理能力，字长越长，精度越高，（并行）处理越强，当然价格也越贵，目前以16位、32位、64位、128位，微机以64位为主流，小型机64位，大中型机则从32位到128位都有。 • 主存容量：指主存（内存）储器所能存的二进制总量，反映了计算机容纳数据量的能力，主存越大，与外存交换数据的次数就越少，处理速度也就越快。 • 计算机执行指令的速度。简称为MIPS，单位为：百万条数/S(执行+、-次数)不过购机中一般很少讲，可以通过时钟频率来间接估计。 • 时钟周期（频率）（主频）：单位（Hz）是指CPU在单位时间（S）内发出的脉冲数， • 数据输入\输出最高速率：是指计算机的数据吞吐量。这除了与CPU有关外，还与外设有关。 • 性能价格比：不要肓目要求性能越高越好，要根据实际应用情况，做到满足需要，又具有性能好、价格适当的机子，也只能价格性能比好的产品才有市场竞争力。

37. 计算机存储容量单位的换算 存储容量是指存储器有多少个存储单元。我们知道最基本的存储单元是位(bit)，可以放一个“0”或“1”。但一般我们现在讲的都是以字节B(Byte)或机器字长(Word)，更多是指字节B作单位，存储容量单位的表示和换算关系如下： • 1B＝1字节＝8位（bit） • 1KB＝1024B＝210 B • 1MB＝1024KB＝220B＝1024×1024B • 1GB＝1024MB＝230B＝1024×1024×1024 B • 1TB＝1024GB＝240B＝1024×1024×1024×1024 B • 1PB＝1024TB＝250B＝1024×1024×1024×1024×1024 B • 1EB＝1024PB＝260B＝1024×1024×1024×1024×1024×1024 B 软磁盘3.5吋的容量为1.44MB；硬盘现在的容量非常大几十个GB甚至几百个GB的都有；光盘一张光碟的容量可达600～700MB，DVD光盘容量可达4.7G,甚至更高，光盘存储容量大，携带方便且更容易保存，是一种很好的存储介质。

38. 计算机硬件 • 输入/输出系统 • 存储系统 • 算术逻辑运算系统 • 控制系统

39. 数据流 地 址 控制流 计算机硬件基本组成 （外）存储器 输入 设备 输出 设备 （内）存储器 中央处理器（CPU） 运算器 控制器

40. 计算机软件 • 算法 • 语言 • 系统软件（操作系统） • 应用软件

41. 计算机硬件与软件的关系 应用软件 操作系统 计算机硬件系统 （裸机） 用户

42. 计算机的应用 • 科学计算 • 信息处理 • 实时控制 • 计算机辅助设计 • 人工智能

43. 计算机发展的趋势 • 计算机发展趋势 • 微型化 • 高速化 • 网络化 • 智能化 • 多媒体化 • 新一代计算机的设想 • 超级计算机 • 新概念计算机 • 光学计算机 • DNA计算机 • 量子计算机 • 超导计算机 • 神经网络计算机

44. CRAY-Ⅱ 银河Ⅱ 计算机发展——巨型化 运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。 中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”、 “银河2号”和“银河3号” 国家职能计算机中心推出的 “曙光1000”和“曙光200I”

45. Altair 8800 计算机发展——微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。

46. 计算机发展——网络化 计算机网络： 计算机技术与通信技术结合 的产物。 计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。

47. 人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人机械手（1962年出现） 第二代机器人具有“感觉”的机器人 第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人” Deepblue Garry Kasparov 计算机发展——智能化 “总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 ‘没有灵魂的机械’来”。 ——笛卡尔（1637）

48. 计算机自身发展面临的挑战 IC集成化与运算速度 智能化的出路 网络化与信息安全

49. 本章 课程小结 • 计算机发展的历史与人类向信息化迈进的必然性 • 计算机的冯•诺依曼模型 • 计算机的特点与分类 • 计算机的主要技术指标 • 计算机存储容量单位及其换算 • 计算机的体系结构 • 计算机的应用与信息化社会的关系 • 计算机发展的趋势和自身发展面临的挑战

50. 本章任务： • 1、从计算机发展史上出现的人物和发生的事件中体会计算机研制成功的因素以及科学研究的精神。 • 2、查阅资料：请你通过互联网或者书籍文献查找“信息科学”相关内容。 • 3、思考题：P15 1-7