第一章計算機及信息技術(shù)概述

第一章計算機及信息技術(shù)概述計算機的歷史和類型計算機典型運用計算機的未來開展趨勢計算機學科概要及計算機系統(tǒng)構(gòu)成信息技術(shù)根底知識計算思想概述1.1計算機根底知識1.1.1計算機開展歷史上的重要人物和思想法國物理學家帕斯卡(1623-1662)1642年，手搖驅(qū)動的齒輪進位式計算器1.1計算機根底知識1673年，萊布尼茨發(fā)明機械式乘除法器1.1計算機根底知識1.1計算機根底知識英國數(shù)學家巴貝奇Babbage1822年，“差分機〞Amodernreconstructionofthedifferenceengine.From/~history1.1計算機根底知識巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計算機

——分析機，1834年聽說勝利了。英國女數(shù)學家阿達(1815-1852)是巴貝奇的協(xié)作同伴。她用穿孔卡片設計了世界上“第一件計算機程序〞。她還建議分析機用二進制存儲。預言分析機能唱歌、繪畫。英國詩人拜倫的女兒1.1計算機根底知識英國科學家阿蘭圖靈(實際計算機的奠基人1912-1954)1.1計算機根底知識圖靈機：這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了現(xiàn)代計算機中“存儲程序〞的根本思想。半個世紀以來，數(shù)學家們提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的?？刂破鳌埠\算功能〕可在紙帶上左右挪動的讀寫頭，用于讀寫數(shù)據(jù)(輸入輸出設備)可無限延伸的紙帶。用于存儲程序和數(shù)據(jù)〔存儲器〕1.1計算機根底知識美籍匈牙利數(shù)學家

馮諾依曼1.1計算機根底知識馮·諾依曼：“假設不思索巴貝奇、阿達和其他人早先提出的有關(guān)思想，計算機根本概念只能屬于阿蘭·圖靈〞計算機應由運算器、控制器、存儲器、

輸入設備和輸出設備五大部件組成；應采用二進制簡化機器的電路設計；采用“存儲程序〞技術(shù),以便計算機能保管和自動依次執(zhí)行指令。1.1計算機根底知識七十多年來，現(xiàn)代計算機根本構(gòu)造依然是“馮·諾依曼計算機〞。1.1計算機根底知識1946年2月由賓夕法尼亞大學研制勝利的ENIAC是第一臺電子數(shù)字計算機。ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計算機重30噸，占地167m2，耗電150千瓦18800個電子管，1500個繼電器，保存80個字節(jié)每秒鐘可做5000次加減法或400次乘法運算。“誕生了一個電子的大腦〞致命缺陷：沒有存儲程序。1.1.2電子計算機時代電子技術(shù)的開展促進了電子計算機的更新?lián)Q代。第一代計算機1946－1958年以電子管為主要元件代表機型：ENIAC1.1計算機根底知識1.1計算機根底知識第二代計算機1958－1964年以晶體管為主要元件采用晶體管的第二代電子計算機IBM7090型1.1計算機根底知識第三代計算機1964－1971年以集成電路為主要元件采用集成電路的第一臺電子計算機IBM360型第四代計算機1971年至今以大規(guī)模/超大集成電路為主要元件巨型機、大型機、小型機、微型機以及便攜機1.1計算機根底知識第五代計算機：聽說是智能計算機1.1計算機根底知識1.1計算機根底知識巨型機大型機小型機微型機任務站效力器嵌入式計算機按計算機規(guī)模分類1.1計算機根底知識1.1.3計算機類型按計算機用途分類通用計算機公用計算機1.1計算機根底知識計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進展大量數(shù)值計算和各種信息處置的現(xiàn)代化智能電子設備。運算速度快計算精度高存儲容量大具有邏輯判別才干按照程序自動運轉(zhuǎn)計算機特點1.1.4計算機的特點及運用領域1.1計算機根底知識科學計算數(shù)據(jù)處置過程與實時控制人工智能計算機輔助設計與制造計算機運用領域遠程通訊與網(wǎng)絡運用多媒體與虛擬現(xiàn)實微機的開展(1975-1995)1975年第一臺個人電腦問世。1981年第一臺IBM-PC問世。1985年386；1989年486；1993年奔騰出現(xiàn)。CPU進入32位時代。1989年多媒體聲卡問世。1995年個人電腦出現(xiàn)CD-ROM光驅(qū)。1995年Win95問世，操作系統(tǒng)進入Windows時代。多媒體和圖形界面的出現(xiàn)使電腦真正進入家庭。1995年，3D加速芯片使顯卡性能有了很大的開展。1998年USB在PC上出現(xiàn)，即插即用的電子消費產(chǎn)品MP3/MP4等大量涌現(xiàn)。Intel的CPU頻率〔2000年P(guān)4，2GHz；2004年P(guān)4，3.8GHz〕。2001年WindowsXP，集成大量運用程序，例如IE、MediaPlayer、圖像閱讀等。2004年Google進入桌面，搜索大戰(zhàn)。微機的開展(1995-2005)電腦的展望：64位與雙核2003年9月，AMD公司消費了進入個人電腦最早64位CPU。2005年4月，64位WindowsXP操作系統(tǒng)問世。。2005年4月，CPU進入雙核和多核時代。2006年，WindowsVista32位/64位操作系統(tǒng)發(fā)布。計算機開展趨勢——巨型化CRAY-Ⅱ銀河Ⅱ1.1.5未來的計算機1.1計算機根底知識1.1計算機根底知識LosAlamosNationalLaboratory

OakRidgeNationalLaboratory

NASA/AmesResearchCenter

LawrenceLivermoreNationalLaboratory

ArgonneNationalLaboratory

TexasAdvancedComputingCenter

NERSC/LBNL

OakRidgeNationalLaboratory

NNSA/SandiaNationalLaboratories

ShanghaiSupercomputerCenter

1Tianhe-2(MilkyWay-2)-TH-IVB-FEPCluster,IntelXeonE5-269212C2.200GHz,THExpress-2,IntelXeonPhi31S1P

NUDT2Titan-CrayXK7,Opteron627416C2.200GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIAK20x

CrayInc.3Sequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM4Kcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,TofuinterconnectFujitsu5Mira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,CustomIBM6PizDaint-CrayXC30,XeonE5-26708C2.600GHz,Ariesinterconnect,NVIDIAK20x

CrayInc.7Stampede-PowerEdgeC8220,XeonE5-26808C2.700GHz,InfinibandFDR,IntelXeonPhiSE10PDell8JUQUEEN-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM9Vulcan-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.600GHz,CustomInterconnectIBM10SuperMUC-iDataPlexDX360M4,XeonE5-26808C2.70GHz,InfinibandFDRIBMTOP10November2021天河二號“天河二號〞同“天河一號〞一樣由中國國防科技大學開發(fā)，將于本年底在廣州國家超級計算機中心投入運用。天河二號擁有多達312萬計算機中心，102.4萬GB內(nèi)存，每秒浮點運算速度達33.86千萬億次，實際浮點運算速度峰值達54.90千萬億次，操作系統(tǒng)為中國自主研發(fā)的麒麟Linux。美國“泰坦〞美國“紅杉〞日本“KComputer〞美國“米拉〞美國“Stampede〞…Thesystemsranked#1since1993IBMRoadrunner(since2021.06)IBMBlueGene/L(2004.11-2021.06)NECEarthSimulator(2002.06-2004.11)IBMASCIWhite(2000.11-2002.06)IntelASCIRed(1997.06-2000.11)HitachiCP-PACS(1996.11-1997.06)HitachiSR2201(1996.06-1996.11)FujitsuNumericalWindTunnel(1994.11-1996.06)IntelParagonXP/S140(1994.06-1994.11)FujitsuNumericalWindTunnel(1993.11-1994.06)TMCCM-5(1993.06-1993.11)計算機開展趨勢——微型化1981年IBMPC計算機不再是單一的計算機器，

而是一種個人的信息機器。1.1計算機根底知識計算機開展趨勢——網(wǎng)絡化計算機網(wǎng)絡：計算機技術(shù)＋通訊技術(shù)網(wǎng)絡的開展動力：共享遠程資源，實現(xiàn)通訊和協(xié)作。1.1計算機根底知識計算機開展趨勢——智能化DeepblueGarryKasparov1996年2月10日，卡斯帕羅夫戰(zhàn)勝“深藍〞1997年5月12日，卡斯帕羅夫負于“更深的藍〞智能計算機將是一種具有類似于人的思想才干，能聽會說，能想會做，能替代人的膂力勞動以及腦力勞動的智能機器人。1.1計算機根底知識未來的計算機——光計算機用光子器件替代電子器件。1.1計算機根底知識未來的計算機——生物計算機用生物工程技術(shù)消費的蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路。未來的計算機——量子計算機利用途于多態(tài)的原子進展計算。最小的信息單元是一個量子比特。1.2.1計算機硬件系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)構(gòu)成馮?諾依曼計算機構(gòu)造計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成。控制信號流數(shù)據(jù)流計算機系統(tǒng)硬件軟件中央處置器運算器控制器存儲器內(nèi)存外存ROMRAM輸入輸出設備系統(tǒng)軟件運用軟件磁盤光盤軟盤硬盤鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、麥克風、音箱……1.2計算機系統(tǒng)構(gòu)成用戶程序或文檔其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)硬件運用軟件是指用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件為處理各