大學(xué)計算機基礎(chǔ)1

大學(xué)計算機基礎(chǔ)第一章概論第一章概論主要內(nèi)容1.1計算機的產(chǎn)生與發(fā)展1.2計算機分類與應(yīng)用1.3未來計算機展望計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子裝置。什么是計算機?1.1.1計算機的產(chǎn)生1.1計算機的產(chǎn)生與發(fā)展手指計數(shù)、木棍、石塊算盤:幾百年前我國發(fā)明手動式計算工具計算尺:1621年英國數(shù)學(xué)家岡特根據(jù)對數(shù)表設(shè)計1642年法國數(shù)學(xué)家帕斯卡發(fā)明了加法器，人類有史以來第一臺機械計算機。采用齒輪旋轉(zhuǎn)進位方式執(zhí)行運算，但是只能做加法和減法。1822年英國數(shù)學(xué)家巴貝奇發(fā)明了差分機1834年研制出分析機（有3個主要部分：保存數(shù)據(jù)的存儲庫、運算裝置和對操作順序進行控制）1.1計算機的發(fā)展過程機械計算（齒輪傳動）1673年在此基礎(chǔ)上，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨設(shè)計制造了手搖式計算器。1.1計算機的發(fā)展過程第一臺計算機的誕生（ENIAC）

1946年2月14日（艾尼亞克）美國賓夕法尼亞大學(xué)電子數(shù)字積分計算機重達30噸占地170m2耗電150千瓦使用18000個電子管5000次加減運算/秒機電方法制造計算機電子管1958年8月我國第一臺電子管計算機103誕生缺點：沒有存儲器，用布線接板進行控制，計算速度也就被這一工作抵消了。ENIACENIAC1.1.2近代電子數(shù)字計算機發(fā)展簡史時代年份器件存儲器軟件應(yīng)用運算速度一1946—1957電子管內(nèi)存:汞延遲線外存:磁鼓使用機器語言和匯編語言軍事研究科學(xué)計算幾千次/s二1958—1964晶體管內(nèi)存:磁芯外存:磁盤,磁帶使用高級語言數(shù)據(jù)處理事務(wù)處理工業(yè)控制幾十萬次/s三1965—1971集成電路內(nèi)存:磁芯,半導(dǎo)體存儲器外存:磁盤操作系統(tǒng)、編譯程序、網(wǎng)絡(luò)軟件開始廣泛應(yīng)用幾十萬到幾百萬/s四1972—大規(guī)模集成電路內(nèi)存:半導(dǎo)體存儲器外存:磁盤,光盤操作系統(tǒng)完善、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、計算機軟件的開發(fā)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域幾百萬到幾億萬/s晶體管超大規(guī)模集成電路電子管集成電路第五代計算機專家推測，以下三種新的概念將有可能成為第五代計算機的候選機。光計算機：

光計算機是利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、存儲和傳輸。在光子計算機中，不同波長的光表示不同的信號，可快速完成復(fù)雜的計算，光計算機的目標(biāo)是充分利用光的特性，設(shè)計更高速、更大容量存儲的計算機。與電子計算機相比，光計算機具有超高速的運算速度，強大的并行處理能力，大容量的存儲能力，以及很強的抗干擾能力。生物計算機：生物計算機（也稱為DNA分子計算機）是計算機科學(xué)和分子生物學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域。特點是使用以生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白分子為主要原材料的生物芯片。這類芯片不僅具有巨大的存儲能力，而且傳播數(shù)據(jù)的方式也不同于以往的計算機，具有最快的處理速度。生物計算機還具有較高的智能性，更宜于模擬人腦的機制，能如同人腦那樣進行思維、推理和識別文字，還能理解人的語言，可以應(yīng)用在各種重要的控制領(lǐng)域。量子計算機：量子計算機是一種采用基于量子力學(xué)原理的深層次計算模式進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機，不僅運算速度快、存儲量大，功耗抵，而且體積會大大縮小。1.2計算機的分類與應(yīng)用1.2.1計算機的分類按計算機處理數(shù)據(jù)的方式分類

（1）電子數(shù)字計算機以數(shù)字量（也稱不連續(xù)量）作為運算對象進行運算，特點是運算速度快，精確度高，具有記憶和邏輯判斷能力。計算機的內(nèi)部操作和運算是在程序控制下自動進行的。一般不特別說明，計算機指的是電子數(shù)字計算機。（2）電子模擬計算機以連續(xù)變化的模擬量（如電壓、長度、角度來模擬實際所需要計算的對象）作為運算量的計算機。主要用于過程控制和模擬仿真。

按計算機的運算速度和性能指標(biāo)分類巨型機：運算速度最快、存儲能力最大、處理能力最強。例如：銀河、曙光系列。微型機：以小、巧、輕、使用方便、價格便宜、軟件豐富、功能齊全等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。大型機：大型、通用、較快、較強,承擔(dān)服務(wù)器功能.例如：IBM-360,IBM-370,IBM-900等。

小型機：規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計試制周期短,工藝先進、使用維護簡單。如:IBM的AS/400。工作站：

介于PC與小型機之間,高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強。Sun、HP都是著名的工作站廠家。服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為多用戶提供服務(wù)的計算機系統(tǒng)。1.2.2計算機的應(yīng)用1.科學(xué)計算天文、地質(zhì)、核物理2.數(shù)據(jù)處理企業(yè)管理、辦公自動化、統(tǒng)計3.過程控制冶金、機械、化工、航天4.計算機輔助系統(tǒng)

CAD(輔助設(shè)計）CAM（輔助制造）CAE（輔助教育、CAI輔助教學(xué)、CMI計算機管理教學(xué)）5.人工智能模擬人腦，計算機診斷6.計算機模擬虛擬實驗室，工廠，仿真，汽車、航天員模擬訓(xùn)練7.計算機網(wǎng)絡(luò)在信息時代，人們的工作幾乎每天都要面對計算機，借助計算機完成各項工作。計算機網(wǎng)絡(luò)改變了人們傳統(tǒng)的生活工作方式信息交流與傳播

電子郵件、聊天、微博、通訊、傳媒

電子商務(wù)網(wǎng)上訂票、網(wǎng)上購物等電子政務(wù)虛擬政府、網(wǎng)上辦公

文化教育瀏覽新聞、查閱書刊、接受教育、網(wǎng)上招生、報名、信息共享8.娛樂消遣欣賞DVD影碟、音樂進行游戲或娛樂1.3未來計算機展望

巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化更快的運算速度、更大的存儲容量、更強的處理能力以及更高的可靠性。運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機應(yīng)用：天氣預(yù)報、地震機理研究、衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。集中體現(xiàn)了計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。銀河億次巨型計算機

1.計算機發(fā)展趨勢

計算機的發(fā)展趨勢

巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化使用方便、體積小，成本低和功能齊全方向發(fā)展嵌入式技術(shù)家電、儀器儀表，筆記本電腦，掌上計算機計算機的發(fā)展趨勢

巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化利用計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合,把分布在不同地點的計算機互連起來,組成規(guī)模強大的計算機網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)方便、及時、可靠、安全、高效的信息服務(wù)計算機的發(fā)展趨勢

巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化使計算機具有視覺、聽覺、語言、行為、思維、邏輯推理等能力。第一代機器人機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人具有“感覺”的機器人第三代機器人裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”Deepblue(“深藍”）Garry

Kasparov

典型案例2.計算機新技術(shù)領(lǐng)域

（1）高性能計算(HighPerformanceComputing，HPC)高性能計算是計算機科學(xué)的一個分支，主要是指從體系結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件開發(fā)等方面研究開發(fā)高性能計算機的技術(shù)，通常使用很多處理器或者某一集群中組織的幾臺計算機的計算系統(tǒng)和環(huán)境。高性能計算是以速度為核心，它包括兩方面途徑：一是提高單一處理器的計算性能，二是把這些處理器集成，由多個CPU構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)，進行并行計算。目前世界上頂級的高性能計算機有成百上千、甚至上萬個CPU，這些處理器協(xié)同計算，才能夠提供需要的速度。

1.3未來計算機展望

（2）云計算

云計算是一種能夠?qū)討B(tài)伸縮的虛擬化資源通過互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)的方式提供給用戶的計算模式，用戶不需要知道如何管理那些支持云計算的基礎(chǔ)設(shè)施。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”，用戶通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的資源。云計算是并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的融合和發(fā)展，是這些計算機科學(xué)概念的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)。用戶可以按需計量使用這些資源，從而實現(xiàn)讓計算成為一種公用設(shè)施來按需而用的夢想。云計算最基本的概念：通過整合、管理、調(diào)配分布在網(wǎng)絡(luò)各處的計算機資源，并以統(tǒng)一的界面同時向大量用戶提供服務(wù)。借助云計算，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在瞬間處理數(shù)以萬計甚至億計的信息，實現(xiàn)和超級計算機同樣強大的效能。計算機的新技術(shù)領(lǐng)域（3）普適計算（PervasiveComputing)

普適計算強調(diào)和環(huán)境融為一體的計算，指在任何時間、任何地點都可以計算，也稱無處不在的計算。在普適計算的模式下，人們可以在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)化、微型化以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，普適計算正在逐漸成為現(xiàn)實。未來的普適計算將集移動通信技術(shù)、計算技術(shù)和嵌入式技術(shù)于一體，通過將普適計算設(shè)備嵌入人們生活的各種環(huán)境中，將計算從桌面上解放出來，使用戶能以各種靈活的方式享受計算能力和資源服務(wù)。那時候，人們周圍到處都是計算機，這些計算機將依據(jù)不同的計算要求而呈現(xiàn)不同的模樣，不同的名稱。計算機的新技術(shù)領(lǐng)域（4）網(wǎng)格計算網(wǎng)格計算是HPC領(lǐng)域的一個分支，網(wǎng)格計算不同于傳統(tǒng)的HPC環(huán)境。針對復(fù)雜科學(xué)計算的新型計算模式，利用計算機網(wǎng)絡(luò)把分散在不同地理位置的計算機組成一個虛擬超級計算機，每臺計算機就是一個“節(jié)點”，整個計算由成千上萬個節(jié)點組成的一張網(wǎng)格。數(shù)據(jù)處理能力超強，可以充分利用網(wǎng)上閑置的處理能力，實現(xiàn)資源與信息共享。

2003年，耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院網(wǎng)格計算項目組嘗試了利用網(wǎng)格計算技術(shù)，加速進行抗SARS病毒藥物的篩選。方法是：參與這個項目的用戶，只需在網(wǎng)絡(luò)上下載一個軟件，啟動后以后臺方式運行，利用計算機的閑置能力工作，自動從網(wǎng)站上獲取數(shù)據(jù)包，運算完成后自動發(fā)送回去，不需人工干預(yù)。計算機的新技術(shù)領(lǐng)域（5）生物計算生物計算包括兩個方面：一是晶體管的密度已經(jīng)接近所用技術(shù)的極限，要繼續(xù)提高計算機性能，就要尋找新的計算機結(jié)構(gòu)，生物計算機成為一種選擇。另一方面，分子生物學(xué)的突飛猛進已經(jīng)使其成為資料量最大的學(xué)科，借助計算機進行分子生物信息研究，可以通過數(shù)量分析的途徑獲取突破性的成果。

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)DNA處在不同的狀態(tài)下，可以產(chǎn)生有信息和無信息的變化，這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們對生物元件的研究和開發(fā)。目前生物傳感器的研制已經(jīng)取得了不少實際成果生物計算更重要的方面是利用計算機進行基因組研究，運用大規(guī)模高效的理論和數(shù)字計算，歸納、整理基因組的信息和特征，模擬生命體內(nèi)的信息流過程，進而揭示代謝、發(fā)育、分化、進化的規(guī)律，探索人類健康和疾病的根源。計算機的新技術(shù)領(lǐng)域（6）物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings）是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)。其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的作用是使物體變得更加智能化，使日常生活中的任何物品都變得有感覺，有思想。在物聯(lián)網(wǎng)時代，每一件物體均可尋址，每一件物體均可通信，每一件物體均可控制。計算機的新技術(shù)領(lǐng)域信息(Information)是對各種事物變化和特征的反映，是事物間相互作用和聯(lián)系的表征。信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化而成為計算機能夠處理的數(shù)據(jù)，同時也是經(jīng)過計算機處理后作為問題解答而輸出的數(shù)據(jù)。1.3.3計算機與信息化社會1.信息與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(Data)是記錄下來可以鑒別的符號，是信息的載體，是對客觀實體的一種描述形式，這種描述形式可以進行通信、翻譯轉(zhuǎn)換或加工處理。數(shù)據(jù)有多種表現(xiàn)形式：數(shù)字、文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。1.3未來計算機展望數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系：

既有聯(lián)系，又相互區(qū)別。數(shù)據(jù)是信息的載體，是信息的具體表現(xiàn)形式，而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是有用的、經(jīng)過加工處理的數(shù)據(jù)。信息有意義，數(shù)據(jù)則沒有。活動數(shù)據(jù)信息決策示例1：“2012年農(nóng)村居民人均純收入7917元，比上年增長13.5%”。扣除價格上漲因素，實際增長10.7%。經(jīng)過大量的原始數(shù)據(jù)資料分析后得出的結(jié)論，其表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)。示例2：“某個病人的體溫是39℃”

。病歷卡上記載病人的體溫39℃是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)39℃本身是沒有意義的。當(dāng)數(shù)據(jù)以某種形式經(jīng)過處理、描述或與其它數(shù)據(jù)比較時，才能成為信息。計算機與信息化社會2.信息技術(shù)信息技術(shù)：指獲取信息、處理信息、存儲信息和傳播信息中所用到的技術(shù)。信息技術(shù)的組成微電子技術(shù)計算機技術(shù)通信技術(shù)傳感技術(shù)微電子技術(shù)是信息技