计算机导论

计算机导论—总体介绍

课程定位：学习计算机知识的入门课程；

计算机专业的核心课程之一；

计算机专业完整知识体系的绪论。

课程作用：了解计算机的发展简史，激发学习兴趣和学习动力；

掌握计算机的基本知识，构建专业知识体系框架；

熟练掌握常用软件的操作技能并初步具备系统的组装与维护

能力，提高计算机应用能力；

跟踪计算机科学技术的最新进展及发展趋势 , 促进研究性学习；

培养计算思维，强化创新意识和创新能力。

计算机导论

计算机导论—总体介绍

教学理念：努力提高大学生的学习能力、创新能力、实践能力、

交流能力和社会适应能力。

要采取各种措施，增加学生自主学习的时间和空

间，拓宽学生知识面，增强学生学习兴趣，完善学

生的知识结构，促进学生个性发展。

（摘自教育部文件）

计算机导论

计算机导论—总体介绍

教学特点：教学内容多、课上学时少，课余时间多。

书厚 课少 自主学习

教师教学：重点讲授、适当引导。

学生学习：尽快适应大学学习生活；

全面读书、力求理解、认真思考、勤于实践；

注重计算思维的培养；

知识学习、能力提高和素质培养协调统一。

（作业 / 读书报告 / 实验报告 / 小论文）

计算机导论

计算机导论—教学安排 第 1 章：计算机发展简史 4 学时 第 2 章：计算机专业知识体系 2 学时 第 3 章：计算机基础知识 6 学时 第 4 章：操作系统与网络知识 4 学时 第 5 章：程序设计知识 3 学时 第 6 章：软件开发知识 3 学时 第 7 章：计算机系统安全知识 6 学时 第 8 章：计算机领域的典型问题 2 学时 第 9 章：计算机学科方法论 3 学时 总结复习 1 学时

计算机导论

第 1 章 计算机发展简史

需要是发明之母。

Necessity is the Mother of Invention.

计算工具及计算技术是随着人类实践的需求逐步发展起来的。

计算机导论

第 1 章 计算机发展简史1.1 第一台电子数字计算机的诞生1.2 计算机的发展1.3 中国计算机发展简史1.4 著名的计算机公司1.5 著名的计算机科学家1.6 计算机学术组织1.7 计算机奖项1.8 本章小结

计算机导论

1.1 第一台电子数字计算机的诞生早期的计算工具机械计算机机电计算机电子计算机

计算机导论

1.1.1 早期的计算工具手指：人们习惯于十进制计数法与此有关。

结绳：结之多少，随物众寡。 算筹：祖冲之的圆周率就是借助算筹计算出来的。

运筹帷幄之中，决胜千里之外。 算盘：从唐朝一直延续到现在，仍有人在使用。

计算机导论

1.1.2 机械计算机1621 年，英国数学家奥垂德发明了圆形滑动计算尺。1642 年，法国科学家帕斯卡发明了齿轮式能实现加减法运算的计算器 Pascaline 。1673 年，德国数学家莱布尼茨建造了一台能进行加减乘除四则运算的机械式计算机。

计算机导论

1.1.2 机械计算机1777 年，英国的查尔斯 · 马洪发明了逻辑演示器 。1822 年，英国数学家巴贝奇研制成功差分机。 1833 年，巴比奇设计出

了分析机模型，这个模 型包括了现代计算机所 具有的 5 个基本组成部分。

计算机导论

1.1.3 机电计算机1886 年，美国统计学家霍勒瑞斯用电磁继电器代替一部分机械元件，制成了第一台机电穿孔卡系统—制表机。1941 年，德国工程师朱斯研制成功全部采用继电器的计算机Z-3 ，这是世界上第一台完全由程序控制的机电计算机。 1944 年，美国哈佛大学教授艾肯设计的机电计算机 Mark-Ⅰ

投入运行。

计算机导论

1.1.4 电子计算机1937 年，美国衣阿华州立学院的阿塔纳索夫教授就开始进行研制电子计算机的探索。第一台电子计算机 ENIAC 的设计者莫奇利曾经看过他的关于电子计算机设计的笔记本。1946 年 2 月 15 日 ，世界上第一台电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生。

计算机导论

1.1.4 电子计算机

计算机导论

1.1.4 电子计算机ENIAC 的基本情况

36 岁的莫奇利提出总体设计， 24 岁的埃克特负责工程技术问题， 30 岁的戈尔斯坦负责组织协调。占地面积 170平方米；用了大约 18000只电子管， 1500 个继电器， 70000只电阻， l8000只电容；耗资近 49万美元；重 30吨。运算速度为每秒 5000次加法。耗电量惊人，功率为 l50 千瓦，常常因为电子管烧坏而需要停机检修。存储容量小，至多只能存 20 个字长为 l0位的十进制数。与后来的存储程序型的计算机不同，它的程序是外插型的，使用很不方便。

计算机导论

1.2 计算机的发展第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机第五代计算机计算机的发展趋势计算机的分类计算机的特点计算机的应用领域

计算机导论

1.2.1 第一代计算机主要特点

用电子管代替机械齿轮和继电器作为基本元器件，运算速度一般为每秒几千次至几万次。采用二进制形式，程序设计语言为机器语言。程序可以存储，使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓、磁芯等作为存储器。输入输出装置主要用穿孔卡片，速度很慢。

计算机导论

1.2.1 第一代计算机应用领域

主要用于科学计算。代表机型

IBM 公司的 IBM 700 系列。

计算机导论

1.2.2 第二代计算机主要特点

用晶体管代替了电子管。采用磁芯存储器作主存，采用磁盘与磁带作辅存。出现了汇编语言和高级语言；出现了监控程序。作为现代计算机体系结构的许多新技术相继出现。出现了超级计算机。

计算机导论

1.2.2 第二代计算机应用领域

科学计算：数据量不大，运算强度大。

数据处理：数据量大，运算强度不大。

实时控制：及时性要求高。

代表机型 IBM 7000 系列。

计算机导论

1.2.3 第三代计算机主要特点

用集成电路取代了晶体管。用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。走向了系列化、通用化和标准化。操作系统有了很大发展。出现了结构化、模块化程序设计方法。出现了小型计算机。

计算机导论

1.2.3 第三代计算机应用领域应用领域进一步拓展。

代表机型IBM 360 系统。

计算机导论

1.2.4 第四代计算机主要特点

用微处理器或超大规模集成电路取代了普通集成电路。存储容量进一步扩大。输入采用了光学字符识别和条形码等技术。高级程序设计语言得到广泛使用。微型计算机进入了千家万户。互联网广泛应用，形成所谓的地球村。巨型计算机也得到快速发展。

计算机导论

1.2.4 第四代计算机应用领域几乎覆盖到人类生活的各个领域。

代表机型IBM 4300 系列、 3080 系列、 3090 系列等。

计算机导论

1.2.5 第五代计算机研究目标

使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，实现接近人的思维方式。

研究成果由于各种因素的制约，并没有完全实现预期的研究目标，所以目前的计算机仍属于第四代计算机。但这一时期在智能计算机领域完成了大量的基础性研究工作，促进了人工智能和机器人技术的发展。目前，日本、美国的机器人技术是世界上最先进的。

计算机导论

1.2.6 计算机的发展趋势巨型化

功能特别强大，用于解决一些特别复杂的攻关难题，如国防安全、中长期天气预报、地质勘探等。2008 年 6月， IBM 研制出世界上最快的超级计算机Roadrunner ，运算速度超过每秒 1000万亿次浮点运算。全世界 60亿人每天 24 小时、每周 7天执行纯手工计算，需要 46

年时间才能完成 Roadrunner 一天的工作量。Roadrunner占地 540平方米、总重 227吨、造价约 1亿美元，主要用于美国核武器模拟及天文、能源、人类基因科学、气候变化等方面的研究。

计算机导论

1.2.6 计算机的发展趋势

计算机导论

1.2.6 计算机的发展趋势微型化

在保持计算机功能的前提下，使其体积越来越小。台式机、笔记本、掌上电脑、嵌入式计算机就是微型化的体现。

计算机导论

1.2.6 计算机的发展趋势网络化

实现网络化，才能真正做到资源共享，计算机才能发挥更大的作用，给人们的的日常生活带来更大的便利。

计算机导论

1.2.6 计算机的发展趋势智能化

计算机处理过程化的计算工作及事务处理工作已经达到了相当高的水平，是人力望尘莫及的。但在智能性工作方面，计算机还

远远不如人脑。如何让计算机具有人脑的智能，

模拟人的推理、联想、思维等 功能，是一个重要发展方向。

计算机导论

1.2.7 计算机的分类超级计算机

体积最大、速度最快、功能最强、价格也最高。主要为国家安全、空间技术、天气预报、石油勘探、生命科学等领域的高强度计算服务。IBM 的 Roadrunner、我国的曙光 5000A都属于超级计算机。

大型计算机高性能大容量的通用计算机，标准化的体系结构和批量生产。在银行、税务、大型企业、大型工程设计等领域得到广泛应用。

IBM 360 、 IBM 4300 和 IBM 3090等是典型代表。

计算机导论

1.2.7 计算机的分类小型计算机

介于微型计算机和大型计算机之间的一种计算机。PDP 系列、 VAX-11 系列等是代表。逐步被高性能微机取代。

工作站配备有大屏幕显示器、大容量存储器和图形加速卡的微型计算机。逐步被高性能微机取代。

计算机导论

1.2.7 计算机的分类微型计算机

台式计算机和笔记本计算机个人数字助理单片机和嵌入式计算机

服务器通过网络为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机。强调高速的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力。

计算机导论

1.2.8 计算机的特点运算速度快

世界上最快计算机的运算速度已超过 1000万亿次每秒。我国研制的最快计算机的运算速度达到 233万亿次每秒。

运算精度高我国古代著名数学家祖冲之计算出圆周率 π 的值在 3.141592

6 ～ 3.1415927 之间，这是当时非常了不起的成就。国外有位著名数学家整整花了 15 年的时间，才把圆周率 π 的值计算到小数点后 707位。计算机用 602 个小时将圆周率计算到小数点后 12 411亿位。

计算机导论

1.2.8 计算机的特点记忆能力强如果按纯文本方式存储， 80GB 的硬盘可以存储13 000 多部 300万字的大部头书籍。判断能力好

计算机和人下棋 / 机器人足球比赛。自动运行

在程序的控制下自动运行。

计算机导论

1.2.9 计算机的应用领域科学计算

大型工程设计、航空航天、石油勘探、核能利用、地震预报与监测和天气预报等。

信息处理各种管理系统和办公自动化系统。

过程控制火星探测器、宇宙飞船、汽车自动装配、数控机床、无人侦察机、导弹的巡航飞行等都需要计算机控制。

失之毫厘，差之千里。

计算机导论

1.2.9 计算机的应用领域计算机辅助系统

计算机辅助设计（ CAD)、计算机集成制造系统 （ CIMS）、计算机辅助软件工程（ CASE）、计算机辅助教学（ CAI）。

人工智能IBM 公司研制的深蓝计算机系统， 1997 年 5月，以 2 胜 1 负 3平的成绩战胜 1985 年以来一直占据世界冠军宝座的卡斯帕罗夫。

网络应用截至 2009 年 6 月 30 日，我国网民规模达到 3.38亿人，居世界第一。网络已应用于人们的工作、生活和娱乐中。

计算机导论

1.3 中国计算机发展简史1956 年 8月，成立了以著名数学家华罗庚教授为主任的中国科学院计算技术研究所筹备委员会。1958 年 8 月 1 日，我国第一台通用小型计算机— 103 机研制成功，仿制前苏联的 M-3 小型机。1959 年 10 月 1 日，我国第一台大型通用计算机— 104 机研制成功，仿制前苏联的 BЭCM 大型机。1960 年，我国第一台自行设计的计算机— 107 机研制成功，运算速度为 250次每秒。1964 年，我国第一台自行设计的大型通用计算机— 119 机研制成功，浮点运算速度为 5万次每秒。

计算机导论

1.3 中国计算机发展简史1965 年 4月，我国第一台自行设计的晶体管计算机 441-B通过国家鉴定，运算速度为 1.2万次每秒浮点运算。1967 年 9月，大型通用晶体管计算机 109丙研制成功，浮点运算速度为 11.5万次每秒。1972 年正式交付使用的 111 计算机，采用小规模集成电路。1973 年 8月，集成电路计算机 150 机研制成功。1985 年，研制成功与 IBM PC 机兼容的长城 0520CH微机。1983 年 11月，研制成功我国第一台大型向量机 -757 机。

计算机导论

1.3 中国计算机发展简史1983 年 11月，运算速度为 1亿次每秒的向量巨型计算机银河 -Ⅰ在国防科技大学研制成功。1992 年 11月，研制成功 10亿次每秒的银河 -Ⅱ 。1997 年 6月，研制成功 130亿次每秒的银河 -Ⅲ 。

计算机导论

1.3 中国计算机发展简史1993 年 10月，中科院计算所研制成功曙光一号计算机。1995 年以后，研制成功曙光 1000/2000/3000/4000A 。2008 年 6月，超级计算机曙光 5000A 研制成功，使用了6600 颗 AMD 巴塞罗那型 4核处理器，峰值运算速度达到每秒 230万亿次，世界高性能计算机排名第十。

计算机导论

1.3 中国计算机发展简史2002 年 9月，我国首枚具有自主知识产权的高性能通用CPU芯片—龙芯 1号通过鉴定。2006 年 9月，增强型龙芯 2 号—龙芯 2E通过鉴定，主频最高达到 1GHz ，定点运算速度达到每秒 20亿次。2007 年 5 月 2 日，性能更优的龙芯 2F 开始流片。

计算机导论

1.4 著名的计算机公司Intel 公司IBM 公司微软公司联想集团公司

计算机导论

1.4.1 Intel 公司成立于 1968 年，名字取自两个英文单词 Integrated和 Electronic 的组合，中文翻译成英特尔。1971 年，推出了世界上第一枚微处理器 4004 。1978 年后，陆续推出 8086/286/386/486 。1993 年后，陆续推出 Pentium/P2/P3/P4 。目前还有超线程、多核 CPU等。

计算机导论

1.4.2 IBM 公司IBM 公司的全称为国际商业机器公司

（ International Business Machines Corporation）。

早期产品是打孔卡片制表机 。1952 年 12月研制出 IBM 第一台存储程序计算机 IBM 701 ，IBM 公司逐步占据了计算机制造业的霸主地位。大型计算机有 IBM700 系列 /7000 系列 /360 系列 /4300 系列等。个人计算机有 IBM PC 系列。超级计算机有 IBM BlueGene 系列。

计算机导论

1.4.3 微软公司微软公司诞生于 1975 年，由比尔 ·盖茨和保罗 · 艾伦创立。1975 年 7月，他们与 MITS签署协议，允许MITS 在全世界范围内使用和转让 Basic 及源代码，盖茨他们获利 18万美元。1981 年 6月，为 IBM PC 机开发出操作系统 MS DOS ，在1985 年到 1995 年间占据 PC 机操作系统的统治地位。 1985 年 6月，开发出 OS/2操作系统，赢利 20亿美元。1995 年推出 Windows95 ，逐渐取代了 MS DOS 。

计算机导论

1.4.3 微软公司微软公司目前的主要产品操作系统 MS Windows系列；数据库管理系统 MS SQL Server；办公软件 Office 系列；网页浏览器 Internet Explorer（ IE）；媒体播放器 Windows Media Player；开发工具包 Visual Studio；在线服务MSN。

计算机导论

1.4.4 联想集团公司1984 年 10月成立， 11 名科技人员 /20万元资金 / 一间 20平米的平房。早期产品是“联想式汉字系统” --联想汉卡。1990 年开始推出联想微机。1996 年，联想微机首次位居国内市场占有率第一。 2005 年 5 月 1 ，联想集团以 17.5亿美元正式完成对 IBM 全球 PC业务的收购，使联想成为全球个人电脑行业的第三大供应商。2006 年度的营业收入达到 1389亿元。2008 年北京奥运会赞助商，提供 3万台计算设备。

计算机导论

1.5 著名的计算机科学家计算机理论和结构的奠基人

阿伦 ·图灵（ A. M. Turing ， 1912-1954） 冯 ·诺依曼（ J. von Neumann ， 1903-1957）

中国国家最高科学技术奖获得者吴文俊（ 1919-）王 选（ 1937-2006） 金怡濂（ 1929-）

计算机导论

1.5.1 图灵1936 年，图灵发表的论文论可计算数及其在判定问题中的应用奠定了计算机理论基础。图灵提出的计算模型被称作图灵机。1950 年 10月，发表了论文计算机和智能，并提出了图灵测试 。美国计算机学会设有图灵奖。

计算机导论

1.5.1 图灵计算模型——图灵机的工作过程读写磁头在所扫描的方格上写上符号，原有符号自然消除；磁头向右或向左移动一个方格，机器由当前状态变为另一个状态，进入下一步工作； 如此周而复始，除非遇到命令机器停止工作的状态。

计算机导论

1.5.2 冯 ·诺依曼1944 年夏天，戈尔斯坦偶遇冯 ·诺依曼，后者了解了正在研制中的 ENIAC 。1945 年 6 月 30 日，莫尔学院发布了冯 ·诺依曼总结的 EDVAC方案。EDVAC奠定了现代计算机的基本结构。

明确了计算机的 5 个组成部分。采用二进制计数和计算。采用存储程序方式。

计算机导论

1.5.3 吴文俊提出了全新的计算机证明几何定理的吴方法。把逻辑推理问题转换成计算问题。

提出了求解非线性方程组的完整方法。

目前从事数学机械化的研究。

计算机导论

1.5.4 王选在汉字激光照排领域做出了突出贡献。汉字字形的压缩和还原技术。以页面描述语言为基础的远程传版新技术。开放式彩色桌面出版系统。

新闻采编流程计算机管理系统。 中国计算机学会设有王选奖。

计算机导论

1.5.5 金怡濂在高性能计算机领域做出了重要贡献。参加了我国第一台大型通用电子计算机— 104 机的研制。主持完成了多机并行计算机系统的研制。

研制出国内领先水平的并行计算机系统 。主持研制成功神威巨型计算机系统。

计算机导论

1.6 计算机学术组织电气和电子工程师学会计算机协会

Institute of Electrical and Electronic Engineers-Computer Society

简记 IEEE-CS

美国计算机学会Association for Computing Machinery

简记 ACM

中国计算机学会China Computer Federation

简记 CCF

计算机导论

1.6 计算机学术组织中国计算机学会设置的专业委员会

电子政务与办公自动化 理论计算机科学人工智能与模式识别 多媒体数据库 体系结构软件工程 计算机安全开放系统 计算机应用虚拟现实与可视化 网络与数据通讯系统软件 中文信息技术计算机辅助设计与图形学 互联网

高性能计算 普适计算

计算机导论

1.7 计算机奖项国际图灵奖（ Turing Award）IEEE-CS 计算机先驱奖（ Computer Pioneer Award）

国内国家最高科学技术奖国家自然科学奖国家技术发明奖国家科技进步奖中国计算机学会的王选奖

计算机导论

1.7.1 图灵奖ACM 于 1966 年设立。主要奖励在计算机科学理论与软件方面作出贡献的科学家。一般每年奖励一名计算机科学家，只有少数年度有两人或三人共享此奖。计算机界最负盛名、最崇高的—个奖项，有计算领域的诺贝尔奖（ Nobel Prize in computing）之称，目前每年的奖金为 25万美元。1966 ～ 2008 年的 43届图灵奖，共有 55 名科学家获此殊荣。

计算机导论

1.7.2 计算机先驱奖IEEE-CS 设立于 1980 年。获奖者的成果必须是在 15 年以前完成的。兼顾了理论与实践、设计与工程实现、硬件与软件、系统与部件等各个领域的计算机科学家。每年可以有多人获奖。

1980 ～ 2006 年共有 116位获奖者。

计算机导论

1.8 本章小结人类实践中不断提高的计算需求导致了电子计算机的诞生— 20 世纪最重要的科学成就之一。计算机在人们的工作、生活及娱乐中发挥着非常重要的作用，并在一定程度上改变着人们的生活方式。了解计算机的发展简史，对于学习成功的经验、吸取失败的教训，学习科学家们勇于创新、用于探索、辛勤工作、锲而不舍的科学精神，是非常有益的。