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1、帕斯卡的加法机帕斯卡的加法机 莱布尼兹的乘法机莱布尼兹的乘法机 巴贝奇差分机巴贝奇差分机巴贝奇分析机巴贝奇分析机古老的计算工具古老的计算工具算盘算盘 人类追求的计算工具人类追求的计算工具计计算算机机是是一一种种能能按按照照事事先先存存储储的的程程序序，自自动动、高高速速进进行行大大量量数数值值计计算算和和各各种种信信息息处处理理的的现现代代化化智智能能电电子子设设备备（俗俗称称电脑）。电脑）。计算机计算机概述概述第一台电子计算机：埃尼阿克第一台电子计算机：埃尼阿克第一台电子计算机：埃尼阿克第一台电子计算机：埃尼阿克第一台计算机主要用于军事领域的科学计算。世界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”（
2、ENIAC），诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学，这个庞然大物为来宾表演了它的“绝招”在1秒钟内进行了5000次加法运算，这比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。它包含了17,468 真空管7,200水晶 二极管,1,500 中转,70,000 电阻器,10,000 电容器，1500继电器，6000多个开关，耗电量150千瓦，造价48万美元。ENIAC长30.48米，宽1米，占地面积约170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，这一组数据，可想而知是多么的笨重。代次代次起止年起止年份份所用电子所用电子元器件元器件数据处理数据处理方式方式运算速
3、运算速度度应用领应用领域域第一代第一代19461958电子管电子管汇汇编编语语言言、代代码程序码程序5千千3万万次次/秒秒军事及科研军事及科研第二代第二代19581964晶体管晶体管高高级级程程序序设设计计语言语言数数十十万万几几百万次百万次/秒秒事事务务处处理理、数据处理数据处理第三代第三代19641970中中、小小规规模模集集成电路成电路结结构构化化、模模块块化化程程序序设设计计、实时处理实时处理数数百百万万几几千万次千万次/秒秒工工业业控控制制、数据处理数据处理第四代第四代1971今今大大规规模模、超超大大规模集成电路规模集成电路分分时时、实实时时数数据据处处理理、计计算算机网络机网络上
4、上亿亿条条指指令令/秒秒工工业业、生生活活等各方面等各方面电子计算机的发展电子计算机的发展第一代电子计算机又称又称“电子管计算机电子管计算机”。以电子管为主要。以电子管为主要电路元件的电子计算电路元件的电子计算机。第一台电子管计机。第一台电子管计算机于算机于1946年在年在美国美国制成，取名埃尼阿克制成，取名埃尼阿克(eniac)。1946-1957年年生产的电子计算机都生产的电子计算机都是第一代电子计算机。是第一代电子计算机。第二代电子计算第二代电子计算机采用晶第二代电子计算机采用晶体管制造的电子计算机。体管制造的电子计算机。国外第二代电子计算机的国外第二代电子计算机的生存期大约是生存期大约
5、是1957-1964年。年。其其软件软件开始使用面向过程开始使用面向过程的的程序设计语言程序设计语言，如，如fortran、algol等。中国第等。中国第一台一台晶体管计算机晶体管计算机于于1967年制成，运算速度为每秒年制成，运算速度为每秒五万次。五万次。第三代电子计算机采用集成电路制造的电子计算机。1964年开始出现，60年代末大量生产。其机种多样化、系列化，外部设备品种繁多，并开始与通信设备相结合而发展为由多机组成的计算机网。运算速度可达每秒几百万次，甚至几千万次、上亿次。中国于1970年研制成第一台集成电路计算机。第四代电子计算机 1967年和1977年分别出现了大规模和超大规模集成电
6、路。由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，被称为第四代电子计算机。美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。1975年，美国阿姆尔公司研制成470V/6型计算机，随后日本富士通公司生产出M-190机，是比较有代表性的第四代计算机。计算机的分类计算机按处理数据数字式计算机模拟式计算机数字模拟混合按用途分类通用计算机专用计算机按规模分类巨型机大型机小型机微型机工作站1、运算速度快运算速度快计算机的特点计算机的特点2、存储容量大存储容量大3、具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力4、能进行自动控制能进行自动控制5、计算精
7、度高计算精度高 1.信息处理信息处理信息处理是指对各种信息进行收集、信息处理是指对各种信息进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利存储、整理、分类、统计、加工、利用和传播等一系列活动的统称。用和传播等一系列活动的统称。计算机的应用计算机的应用计算机为什么又称为电脑？因为计算机和人的大脑一样也是信息采集、加工、处理的器官。计算机是一种信息处理机。计算机是一种信息处理机。2.科学计算科学计算 （数值计算）（数值计算）早期的计算机主要用于科学计早期的计算机主要用于科学计算。目前在航天、汽车、造船和建筑算。目前在航天、汽车、造船和建筑等工程技术领域中，计算工作量往往等工程技术领域中，计算工作量往往是
8、很大的。借助于计算机完成这些复是很大的。借助于计算机完成这些复杂的计算以是必经只路。杂的计算以是必经只路。3.计算机辅助设计计算机辅助设计/辅助制造辅助制造计算机辅助设计简称计算机辅助设计简称CAD。计算机辅助制造简称计算机辅助制造简称CAM。CAD只利用计算机实现工程设计自动化只利用计算机实现工程设计自动化缩短设计周期，提高设计质量。缩短设计周期，提高设计质量。利用利用CAM输出的信息控制生产过程的输出的信息控制生产过程的自动加工成为自动加工成为CAM 4.过程控制过程控制过程控制是利用计算机检测生产现场，过程控制是利用计算机检测生产现场，采集现场数据。根据采集的数据按一采集现场数据。根据采
9、集的数据按一定算法调整生产现场执行机构，用以定算法调整生产现场执行机构，用以控制产平的质量。控制产平的质量。5.计算机模拟计算机模拟计算机模拟是指利用计算机程序和相计算机模拟是指利用计算机程序和相应的设备模拟实际环境，用于实验或应的设备模拟实际环境，用于实验或训练。训练。6.计算机辅助教学计算机辅助教学CAI随着多媒体随着多媒体 技术和网络技术的发展，技术和网络技术的发展，网上教学和远程教育以在许多学校展网上教学和远程教育以在许多学校展开。开。智能化智能化计算机的发展趋势计算机的发展趋势网络化网络化微型化微型化巨型化巨型化CRAY-CRAY-运算速度可达每秒几百亿次运算的运算速度可达每秒几百亿
10、次运算的超级计算机超级计算机超级计算机超级计算机1975年世界上第一台超级计算机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、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。算的高科技领域。银河银河银河银河计算机发展计算机发展巨型化巨型化Altair 8800计算机不再是单一的计算机器，而是一种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。信息机器，一种个人的信息机器。计算机发展计算机发展微型化微型化计算机网络：计算机网络：计算机网络：计算机网络：计算机
11、技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。的通讯和合作。计算机发展计算机发展网络化网络化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。笛卡尔（笛卡尔（1637）第一代机器人第一代机器人机械手（机械手（1962年出现）年出现）第二代机器人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人第三代机器人第三代机器人装有启发式
12、计算机的装有启发式计算机的“智能机器人智能机器人”DeepblueDeepblueGarry Kasparov Garry Kasparov 计算机发展计算机发展智能化智能化智能手机的代表智能手机的代表操作系统：Android OS v2.2CPU型号：NVIDIA Tegra2CPU频率：1024MHz可用空间 16GB内存：1GB ROM+1GB RAM主屏尺寸：4.0英寸下一代计算机下一代计算机随着计算机技术的发展，它已经成为我们工作上的工具，生活中的控制中心是必然的事情。计算机的未来充满了变数。性能的大幅度提高是不可置疑的，而实现性能的飞跃却有多种途径。不过性能的大幅提升并不是计算机发
13、展的唯一路线，计算机的发展，还应当变得越来越人性化，同时也要注重环保等等。基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究，这些计算机是：超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。摩尔定律摩尔定律微芯片上集成的晶体管数目每微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番，价个月翻一番，价格降低一半格降低一半第五代电子计算机第五代电子计算机从从20世纪世纪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。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的，它能模代计算机的研究。人们普遍认为新
14、一代计算机应该是智能型的，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。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。综合起来大概有以下几个研究方向。综合起来大概有以下几个研究方向。人工智能计算机人工智能计算机巨型计算机巨型计算机多处理机多处理机激光计算机激光计算机超导计算机超导计算机生物晶体计算机（生物晶体计算机（DNA计算机）计算机）量子计算量子计算超导计算机超导计算机芯片的集成度越高，计算机的体积越小，这样才不致因信号传输而降芯片的集成度越高，计算机的体积越小，这样才不致因信号传输而降低整机速度。但这样一来就使机器发热严重。解决问题的出路是研制低
15、整机速度。但这样一来就使机器发热严重。解决问题的出路是研制超导计算机。电流在超导体中流过时，电阻为零，介质不发热。超导计算机。电流在超导体中流过时，电阻为零，介质不发热。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应超导隧道效应”，即由超导体，即由超导体绝缘体绝缘体超导体组成的器件（约瑟夫逊超导体组成的器件（约瑟夫逊结结），当对其两端加电压时，），当对其两端加电压时，电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过，形成微小电流，电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过，形成微小电流，而该器件两端的压降几乎为零。与传统的半导体计算机相比，使用约而该器件两端的
16、压降几乎为零。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需的时间却要快令所需的时间却要快100倍。倍。1999年年11月，日本超导技术研究所与企业合作，制作了由月，日本超导技术研究所与企业合作，制作了由1万个约瑟万个约瑟夫逊元件组成的超导集成电路芯片。据悉，该所定于夫逊元件组成的超导集成电路芯片。据悉，该所定于2003年生产这种年生产这种超导芯片，超导芯片，2010年前后制造出这种超导计算机。年前后制造出这种超导计算机。纳米计算机纳米计算机在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片
17、便不能工在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如特性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效果在纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可能就能克服上述困难。可以用不同的原理实现纳米应，可能就能克服上述困难。可以用不同的原理实现纳米级计算，目前已提出了四种工作机制：级计算，目前已提出了四种工作机制：（1）电子式纳米计算技术；）电子式纳米计算技术；（2）基于生物化学物质与）
18、基于生物化学物质与DNA的纳米计算机；的纳米计算机；（3）机械式纳米计算机；）机械式纳米计算机；（4）量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计）量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。算机技术的基础。光子计算机光子计算机与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行计算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量计算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。片。研制光计算机的设想早在研制光计算机的设想早在20
19、世纪世纪50年代后期就已提出。年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维年，贝尔实验室的戴维.米勒研制成功小型光开关，为米勒研制成功小型光开关，为同实验室的艾伦同实验室的艾伦.黄研制光处理器提供了必要的元件。黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年年1月，黄的实验室开始用光计算机工作。光计算机月，黄的实验室开始用光计算机工作。光计算机有全光学型和光电混合型。上述贝尔实验室的光计算机就有全光学型和光电混合型。上述贝尔实验室的光计算机就采用了混合型结构。采用了混合型结构。相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算速度。研相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算速度。研制光计算机，需要开发出
20、可用一条光束控制另一条光束变制光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学化的光学“晶体管晶体管”。现有的光学。现有的光学“晶体管晶体管”庞大而笨拙，庞大而笨拙，若用它们造成台式若用它们造成台式计算机将有辆汽车那么大。因此，要想计算机将有辆汽车那么大。因此，要想短期内使光学计算机实用化还很困难。短期内使光学计算机实用化还很困难。DNA计算机计算机1994年年11月月，美美国国南南加加州州大大学学的的阿阿德德勒勒曼曼博博士士用用DNA碱碱基基对对序序列列作作为为信信息息编编码码的的载载体体，在在试试管管内内控控制制酶酶的的作作用用下下，使使DNA碱碱基基对对序序列列发发生生反反应应，
21、以以此此实实现现数数据据运运算算。阿阿德德勒勒曼曼在在科科学学上上公公布布了了DNA计计算算机机的的理理论论，引引起起了了各各国学者的广泛关注。国学者的广泛关注。阿阿德德勒勒曼曼的的计计算算机机的的计计算算与与传传统统的的计计算算机机不不同同，计计算算不不再再只只是是简简单单的的物物理理性性质质的的加加减减操操作作，而而又又增增添添了了化化学学性性质质的的切切割割、复复制制、粘粘贴贴、插插入入和和删删除除等等种种种种方方式式。DNA计计算算机机的的最最大大优优点点在在于于其其惊惊人人的的存存储储容容量量和和运运算算速速度度：1立立方方厘厘米米的的DNA存存储储的的信信息息比比一一万万亿亿张张光
22、光盘盘存存储储的的还还多多；十十几几个个小小时时的的DNA计计算算，就就相相当当于于所所有有电电脑脑问问世世以以来来的的总总运运算算量量。更更重重要要的的是是，它它的的能能耗耗非非常常低低，只只有有电电子子计计算算机机的一百亿分之一。的一百亿分之一。与与传传统统的的“看看得得见见、摸摸得得着着”计计算算机机不不同同，目目前前的的DNA计计算算机机还还是是躺躺在在试试管管里里的的液液体体。它它离离开开发发、实实际际应应用用还还有有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。量子计算机量子计算机量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，
23、利量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或或1，也能同时代表，也能同时代表0和和1以及以及0和和1之间的中间值，故无论从数之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样的比喻：假设一只老鼠准备绕过倍。对此，有人曾经作过这样的比喻：假设一只老鼠准备绕过一只
24、猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过 量子计算机在外形上有较大差异，它没有盒式外壳；看起来像量子计算机在外形上有较大差异，它没有盒式外壳；看起来像是一个被其它物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息是一个被其它物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储；但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用的长期存储；但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景。前景。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观
25、如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。这些计算机机异常敏感，哪怕是量子态的操纵确实太困难了。这些计算机机异常敏感，哪怕是最小的干扰最小的干扰-比如一束从旁边经过的宇宙射线比如一束从旁边经过的宇宙射线-也会改变机器也会改变机器内计算原子的方向，从而导致错误的结果。目前，量子计算机内计算原子的方向，从而导致错误的结果。目前，量子计算机只能利用大约只能利用大约5个原子做最简单的计算。要想做任何有意义的个原子做最简单的计算。要想做任何有意义的工作都必须使用数百万个原子工作都必须使用数百万个原子 人工智能人工智能人工智能是人造的智能人工智能是人造的智能,是计算机
26、是计算机科学、逻辑学、认知科学交叉形成科学、逻辑学、认知科学交叉形成的一门科学。其基本目标就是使机的一门科学。其基本目标就是使机器表现出类似人类的智慧器表现出类似人类的智慧,使机器使机器具有类似人类的智能行为具有类似人类的智能行为,使机器使机器思维思维(Making Machine“Think”)”)。智能接口技术是研究如何使人们能智能接口技术是研究如何使人们能够方便自然地与计算机交流。为了够方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，要求计算机能够看实现这一目标，要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，至能够进行不同语言之间的翻
27、译，而这些功能的实现又依赖于知识表而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。示方法的研究。因此，智能接口技术的研究既有巨大的应用价值，又有基础的理论意义。目前，智能接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音识别、语音合成、图像识别、机器翻译以及自然语言理解等技术已经开始实用化。计算机正在改变我们的生活计算机正在改变我们的生活计算机自动控制技术计算机在航空航天方面的应用计算机在军事上应用广泛国际互联网让人们生活联系更加紧密众所周知的众所周知的你可能不知道的你可能不知道的汽车碰撞试验风洞实验核研究模拟宇宙大爆炸计算材料学网络有风险，进入需谨慎网络有风险，进入需谨慎信息窃取技术严重侵害了人们的正常
28、生活网络电话在提供方便的同时，也隐藏着危险“熊猫烧香”病毒曾猖獗一时计算机十大犯罪案例网络欺诈网络犯罪网络犯罪合理利用网络合理利用网络认识了解网络，掌握基本的网络知识，充认识了解网络，掌握基本的网络知识，充分利用计算机与互联网给我们带来的各方分利用计算机与互联网给我们带来的各方面的便利条件；面的便利条件；学会鉴别各种网络行为，辨别来自各方的学会鉴别各种网络行为，辨别来自各方的信息，谨慎对待网友的各种请求，同时谨信息，谨慎对待网友的各种请求，同时谨慎进行互联网活动，对自己的言行负责；慎进行互联网活动，对自己的言行负责；了解基本的计算机与网络的防护知识，尽了解基本的计算机与网络的防护知识，尽力做好
29、自己的计算机设备以及个人资料不力做好自己的计算机设备以及个人资料不被非法盗用，保护自己的隐私和财产；被非法盗用，保护自己的隐私和财产；我国计算机的发展我国计算机的发展1958年研制出第一台电子管计算机1964年研制出第二代晶体管计算机1971年研制出第三代集成电路计算机1977年研制出第一台微机DJS0501983年研制成功银河亿次机（第四代计算机）2002年9月联想集团研制成功“深腾1800”计算机，运算速度超过1万亿次/秒2003年12月，我国自主研发出国内最快、世界第三的10万亿次曙光4000A高性能计算机 2010年，中国国防科大研制的“天河一号”在高性能计算机排行榜上位列第一，曙光公司部署在深圳计算中心的“星云”排行第三；