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1、大学计算机基础大学计算机基础胡刚林2010年9月第一讲第一讲 计算机技术的发展过程及趋势计算机技术的发展过程及趋势第一章第一章 计算机的基本概念计算机的基本概念学习目标学习目标v1v了解大学计算机基础课程。v2v了解计算机技术的发展和计算机的分类。v3v了解计算机的主要应用领域。关于计算机学科关于计算机学科v 计算机学科是研究计算机的设计，制造和利用进行信息获取，表示，存储，处理控制等的理论，原则，方法和技术的学科。包括科学和技术二方面。计算机科学侧重于研究现象揭示规律。计算机技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行处理的方法和技术手段。v非计算机专业学习计算机相关课程的目的!大学计算机基础
2、大学计算机基础课程的作用与任务课程的作用与任务v 大学计算机基础是大学本科各专业学生必修的公共基础课程，是学习其他计算机相关课程的基础。它为学生提供一个关于计算机科学与技术学科的入门介绍，使他们能对该学科有一个整体的认识。课程的主要任务是培养学生的计算机基础理论和基本技能，培养学生信息技术的应用能力。重点掌握计算机软硬件技术与网络技术的基础知识，熟悉软件设计与信息处理的基本过程。同时熟练应用办公软件，了解信息系统安全的基础知识。1.1 1.1 信息技术（信息技术（ITIT）v辞海：信息信息是可以用语言、文字、数据、图表、图形或其它可以让使用者识别的符号表示并可进行传递、处理、应用的对象。v我国
3、学者：信息信息是事物的运动状态及其状态变化的方式的描述。v香农：信息香农：信息是用来消除不确定的东西。ITInformation Technologyv技术技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存储、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。1.1 1.1 信息的特征信息的特征信息的特征信息的特征可存储可传递特定范围有效性可识别1.1 1.1 信息技术组成信息技术组成信息技术传感技术通信技术计算机技术v信息化是用信息技术来改造其他产业与行业信息化是用信息技术来改造其他产业与行业1.1 1.1 信息技术的发展信息技术的发展晶体管 二极管 用电信号作为载体（视觉与听觉）1.1.1 1.1.1 计算
4、机的发展计算机的发展1642年 Blaise Pascalvv加法器加法器加法器加法器v1822年 差分机vvENIACENIACv进入现代计算机阶段v公元前1100年vv珠算珠算珠算珠算v1946年1.1.1 1.1.1 现代计算机的理论奠基人现代计算机的理论奠基人vv香香香香农农是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。1.1.1 1.1.1 现代计算机的理论奠基人现代计算机的理论奠基人v阿兰麦席森图灵（Alan Mathison Turing，1912.61954.6），英国数学家、逻辑学家
5、，被称为计算机科学之父、人工智能之父。他是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自于这位伟大的科学家。为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”。v1936年提出“图灵机”(Turing Machine)的设想，图灵机被公认为现代计算机的原型，这台机器可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。“图灵机”不是一种具体的机器，而是一种思想模型。v图灵去美国普林斯顿大学攻读博士学位期间遇见了冯诺依曼，后者对他的论文击节赞赏，并随后由此提出了“存储程序”概念。1.1.1 1.1.1 现代计算机的理论奠
6、基人现代计算机的理论奠基人1946年提出存储程序的思想采用二进制形式表示数据和指令。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分组成计算机硬件系统。计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。v约翰约翰冯冯诺依曼诺依曼（John Von Neuman，19031957），美藉匈牙利人。），美藉匈牙利人。电子管计算机晶体管计算机中小规模集成电路大规模与超大规模集成电路按照元器件分类1.1.1 1.1.1 现代计
7、算机的发展现代计算机的发展1.1.1 1.1.1 计算机的发展计算机的发展1 1电子管计算机电子管计算机v5000次加法/秒；体重28吨；占地170m2；18800只电子管；1500个继电器；功率150KW。vvENIACENIAC2 2晶体管计算机晶体管计算机v1954年5月24日,贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。3 3 中小规模集成电路计算机中小规模集成电路计算机vPDP-8全世界第一台使用集成电路的计算机。60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随后，集成电路的集成度以每3-4年集成电路计算机高一个数量级的速度增长。集
8、成电路（Integrated Circuit，简称IC）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。4 4 大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机vv银河银河银河银河v国防科技大学研制的国防科技大学研制的“银河银河1号号”、“银河银河2号号”和和“银河银河3号号”v国家职能计算机中心推出的国家职能计算机中心推出的“曙光曙光1000”、“曙光曙光200I”和和“曙光曙光3000”vvCRAY-CRAY-1.1.2 1.1.2 计算机的特点计算机的特点计算机的特点计算机的特点计算机的特点计算机的特点2 23 34 41 1运算速度快运算速度快计算机精度计算机
9、精度记忆能力强记忆能力强逻辑判断能力强逻辑判断能力强能自我控制能自我控制5 51.1.3 1.1.3 计算机的分类计算机的分类计算机的分类按工作原理划分按功能划分模拟式电子计算机数字式电子计算机混合式计算机按规模划分按工作模式划分专用计算机通用计算机巨型机大型机小型机微型机单片机工作站服务器1.1.3 1.1.3 计算机的分类计算机的分类综合指标分类高性能计算机微型计算机工作站服务器嵌入式计算机1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算机的发展趋势计算机计算机发展趋势发展趋势25341巨型化巨型化微型化微型化网络化网络化智能化智能化多媒体化多媒体化1.1.4 1.1.4 计算机的发展趋势计算
10、机的发展趋势晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片1.1.4 1.1.4 戈登戈登摩尔摩尔v1965 年，作为英特尔公司的创始人之一，摩尔应邀为电子杂志撰写了一篇名为让集成电路填满更多元件的文章，摩尔在文中对未来半导体元件工业的发展趋势做出了预测。他指出，单块硅芯片上所集成的晶体管数目大约每年增加1倍。1975 年，他又将原来的预测更新为每两年增加1倍，后来预测的时间更准确，是两者的平均数:18个月。v戈登摩尔1929年出生在美国加州的旧金山。摩尔是集科学家与富豪融为一身的双面人。1965年提出“摩尔定律”，1968年创办Intel公司，1987年
11、将CEO的位置交给格鲁夫。1990年被布什总统授予“国家技术奖”，2000年创办拥有50亿美元资产的基金会。2001年退休，退出Intel的董事会。戈登摩尔当年的戈登摩尔1.1.4 1.1.4 计算机第一定律计算机第一定律摩尔定律摩尔定律晶体管数每18个月芯片能力增长一倍!单位时间执行的指令数百万条/每秒我国计算机的发展我国计算机的发展v我国从1956年开始电子计算机科研和教学工作，大型计算机的研究发展一直走在世界前列。主要里程碑有1983年：我国研制成功每秒运行1亿次的“银河”巨型计算机。1992 年：我国研制成功每秒运行10亿次的“银河”巨型计算机。1997 年：我国研制成功每秒运行130
12、亿次的“银河”巨型计算机。我国计算机的发展我国计算机的发展v微型计算机由于存在研发速度慢，资金投入、制造技术、制造工艺等方面问题，发展比较滞后。目前，我国微机CPU技术，已经达到“Pentium-”水平。我国计算机的发展我国计算机的发展v北京龙芯中科技术服务中心有限公司是由我国首枚通用处理器“龙芯”处理器的研制单位中国科学院计算技术研究所发起、并由中科院计算所和北京市等多家单位共同出资成立的龙芯技术市场化、产业化公司。v中科院计算所于2001年开始研制龙芯处理器，2002年8月研制成功的龙芯1号是国内第一款32位通用CPU，2003年10月研发成功的龙芯2号是国内第一款64位通用CPU，200
13、9年研制成功的龙芯3号是我国第一款多核通用CPU。经过多年的研发积累，龙芯CPU设计技术已经达到世界先进水平。目前，龙芯CPU的主要应用涉及国家安全、低成本个人电脑、服务器高性能机、行业终端、信号处理、网络安全、工业控制、消费类电子等多个领域。1.2 1.2 计算机的应用领域计算机的应用领域 计算机计算机社会用途社会用途银行银行商业商业建筑业建筑业制造业制造业教育业教育业1.2 1.2 计算机的应用领域计算机的应用领域v得益于嵌入式技术的发展v这是计算机最初的应用，也是目前很重要的一个应用v电子数据处理(EDP)v管理信息系统(MIS)v决策支持系统(DSS)科学计算科学计算过程控制过程控制数
14、据处理数据处理1.2 1.2 计算机的应用领域计算机的应用领域v应用领域：问题求解；逻辑推理与定理证明；自然语言处理；智能信息检索技术与专家系统v 辅助设计；（CAD）v 辅助制造；（CAM）v 辅助工程；（CAE）v 辅助教学；（CAI）v计算机技术与通信技术的结合电子商务电子政务CAX智能模拟智能模拟网络应用网络应用SiSiSiSiSi共价健共价健价电子价电子束缚电子束缚电子v形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构稳定结构。v在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电。在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电。补充知识
15、：本征半导体补充知识：本征半导体补充知识：本征半导体补充知识：本征半导体v本征半导体的导电原理v价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电）（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为，同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正（带正电）电）。这一现象称为本征激发。v Siv Siv Siv Si空穴空穴自由电子自由电子v温度愈高，晶体中产生的自温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。由电子便愈多。v在外电场的作用下，空穴吸在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，引相邻原子的价
16、电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。当于正电荷的移动）。补充知识：补充知识：N N型半导体和型半导体和 P P 型半导体型半导体v在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。v掺杂后自由电子数目大掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电为这种半导体的主要导电方式，称为方式，称为电子半导体电子半导体或或N型半导体型半导体。掺入五价磷元素掺入五价磷元素SiSiSiv Sip+多余电子多余电子磷原子磷原子在常温下即可变为自由电子在常温下即可变
17、为自由电子失去一个电子变为正离子失去一个电子变为正离子补充知识：补充知识：N N型半导体和型半导体和 P P 型半导体型半导体v 掺杂后空穴数目大量增掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为体的主要导电方式，称为空空穴半导体穴半导体或或 P型半导体型半导体。v掺入三价硼元素掺入三价硼元素SiSiSiv 在在 P 型半导体中型半导体中空穴空穴是是多数载流子，自由电子多数载流子，自由电子是是少数少数载流子。载流子。B硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电电子子子子变为变为负负离子离子离子离子空穴空穴v无论无论N N型或型或P P型半导体都是
18、中性的，型半导体都是中性的，对外不显电性对外不显电性。补充知识：补充知识：PNPN结的形成结的形成因电场作用所产生的因电场作用所产生的运动称为漂移运动。运动称为漂移运动。v 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动v 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。小小 结结v计算机技术是信息技术的一个分支；v现代计算机按照所使用的元件不同，分为电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路四个发展阶段；v实验室所用的计算机属于第四代大规模集成电路所制造的电子数字通用计算机；v计算机的应用涉及各个方面，已成为现代人工作生活的重要工具。西南大学育才学院公共计算机教研室胡刚林