ucb_计算机与计算机系统_2010.ppt
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1、大学计算机基础大学计算机基础第第1学习主题内容学习主题内容 计算机与计算机系统计算机与计算机系统阅读章节阅读章节本部分内容包含以下阅读章节本部分内容包含以下阅读章节第第1章章 计算机与信息社会计算机与信息社会2.1 计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理5.1 应用软件概述应用软件概述11.1 程序和程序设计语言程序和程序设计语言计算机的全称计算机的全称一般所说的计算机称为一般所说的计算机称为“电子数字通用计算机电子数字通用计算机”数字数字:计算机采用数字化方式处理信息;一切非数:计算机采用数字化方式处理信息;一切非数字化的信息,必须首先进行字化的信息,必须首先进行“数字化数字化
2、“通用通用:采用冯:采用冯 诺依曼提出的诺依曼提出的“程序存储式通用计算程序存储式通用计算机机”的体系结构和设计方案;能够解决具有的体系结构和设计方案;能够解决具有“可解可解算法算法”的问题的问题文化文化对人类生产、工对人类生产、工作、学习及生活作、学习及生活方式产生广泛而方式产生广泛而深刻影响的事物深刻影响的事物计算机文化计算机文化当今,计算机已当今,计算机已“无处不在无处不在”应用的领域广泛应用的领域广泛已经成为一种文化已经成为一种文化有这样一句话:有这样一句话:在现代社会生活中,没有一个人能离开计算在现代社会生活中,没有一个人能离开计算机;也没有一个人真正离开过计算机机;也没有一个人真正
3、离开过计算机计算机硬件技术的发展阶段计算机硬件技术的发展阶段超大规模超大规模集成电路集成电路集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管计算机技术的发展计算机技术的发展直观地体现在计算直观地体现在计算机所使用的电子元机所使用的电子元器件的不同以及由器件的不同以及由此带来的计算机技此带来的计算机技术性能的变化和提术性能的变化和提高高其中超大规模集成其中超大规模集成电路技术的发展贡电路技术的发展贡献巨大献巨大新一代新一代新一代新一代计算机计算机计算机计算机1946-19581958-19641964-19701970今今提高处理速度提高处理速度提高处理速度提高处理速度增加存储容量增加存储容量增加存储容
4、量增加存储容量降低能耗降低能耗降低能耗降低能耗计算机的计算机的5个发展趋势个发展趋势未来的计算机主要发展趋势为:未来的计算机主要发展趋势为:巨型化巨型化微型化微型化网络化网络化多媒体化多媒体化智能化智能化巨型化指运算速度更高存巨型化指运算速度更高存储容量更大高端计算机储容量更大高端计算机微型化指依托电子技术的发长,微型化指依托电子技术的发长,进一步提高集成进一步提高集成 度缩小体积利用度缩小体积利用高性能的超大规模集成电路,制高性能的超大规模集成电路,制作质量更加可靠性能更加良好价作质量更加可靠性能更加良好价格更加低廉体积更加小巧的微型格更加低廉体积更加小巧的微型计算机计算机网络化指用通信线路
5、把分布在不网络化指用通信线路把分布在不同地理位置上的计算机互联起来同地理位置上的计算机互联起来形成一个大规模功能强的网络系形成一个大规模功能强的网络系统共享硬件软件和信息等公共资统共享硬件软件和信息等公共资源实现信息通信传递源实现信息通信传递多媒体化指数字技术为核心的图多媒体化指数字技术为核心的图形图像音频视频等形图像音频视频等信息信息与与计算机计算机与与通信手段通信手段等融为一体的信息环等融为一体的信息环境。人们可以以更接近自然的方境。人们可以以更接近自然的方式获取和交换信息式获取和交换信息智能化指让计算机突破智能化指让计算机突破“计算计算”和和“信息处理信息处理”的初级功能,具有人的初级功
6、能,具有人类的智慧能像人一样会思考会学习类的智慧能像人一样会思考会学习模拟人的感觉和行为,能理解人类模拟人的感觉和行为,能理解人类的语言,与人自然的交流具有人的的语言,与人自然的交流具有人的部分功能代替人的部分体力和智力部分功能代替人的部分体力和智力工作工作新材料、新技术、新原理及新结构新材料、新技术、新原理及新结构体系不断涌现体系不断涌现计算机硬件技术发展之计算机硬件技术发展之-电子管电子管电子管时代:电子管时代:46-5746-57年年磁芯存储、无外存磁芯存储、无外存无计算机语言无计算机语言体积巨大、高耗能体积巨大、高耗能计算机硬件技术发展之计算机硬件技术发展之晶体管晶体管晶体管时代:晶体
7、管时代:58-6458-64年年体积减小、耗电降低、速度提高体积减小、耗电降低、速度提高开始发展计算机语言开始发展计算机语言开始进入尖端应用开始进入尖端应用贝尔实验室使用贝尔实验室使用800只晶体只晶体管组装了世界上第一台晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机管计算机TRADIC计算机硬件技术发展之计算机硬件技术发展之集成电路集成电路标准集成电路时代:标准集成电路时代:65-7065-70年年体积更减、速度更高体积更减、速度更高计算机语言标准化计算机语言标准化开始商业产品开始商业产品大规模集成电路时代:大规模集成电路时代:7171年以后年以后体积桌面化、掌上化、微型化体积桌面化、掌上化、微型化应
8、用范围和领域全面普及应用范围和领域全面普及计算机应用网络化、多媒体化计算机应用网络化、多媒体化目前已达到每平方英寸的芯片上集成目前已达到每平方英寸的芯片上集成1 1亿亿(10109 9)个电子元件的集成密度个电子元件的集成密度PDP-8-第一台集成电路的计算机第一台集成电路的计算机60年代年代 美国基尔比和诺伊斯发明美国基尔比和诺伊斯发明关于计算机硬件性能的发展关于计算机硬件性能的发展关于计算机硬件性能的发展关于计算机硬件性能的发展 -摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律戈顿戈顿摩尔,摩尔,Intel公司的创始人之一公司的创始人之一 摩尔定律是对计算机芯片制造技术发展趋势的一种分析摩尔定律是对计算
9、机芯片制造技术发展趋势的一种分析预测;于预测;于1965年提出,年提出,主要有以下三种主要有以下三种“版本版本”:1、集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔、集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个个月月(或或每两年每两年)翻一番翻一番2、微处理器的性能每隔、微处理器的性能每隔18个月个月(或或每两年每两年)提高一倍,提高一倍,而价格下降一倍而价格下降一倍3、用一个美元所能买到的电脑性能,每隔、用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18个月个月(或或每两年每两年)翻两番翻两番摩尔定律的验证曲线摩尔定律的验证曲线摩尔定律的验证例摩尔定律的验证例据据Intel公司公布的统计结果,单个芯片上的元件数
10、目从公司公布的统计结果,单个芯片上的元件数目从1971年的年的2300个,增长到个,增长到1997年年7.5百万个,百万个,26年内增加年内增加了了3200倍倍如果按摩尔本人如果按摩尔本人“每两年翻一番每两年翻一番”的预测,的预测,26年中应包括年中应包括13个翻番周期,每经过一个周期,芯片上集成的元件数个翻番周期,每经过一个周期,芯片上集成的元件数应提高应提高2n倍(倍(n为翻番的周期个数);因此到第为翻番的周期个数);因此到第13个周期个周期即即26年后元件数应提高了年后元件数应提高了2124096倍倍作为一种发展趋势的预测,这与实际的增长倍数作为一种发展趋势的预测,这与实际的增长倍数32
11、00倍可倍可以算是以算是相当接近相当接近了了 摩尔定律的终结摩尔定律的终结摩尔定律问世至今已近摩尔定律问世至今已近40多年了多年了半导体芯片制造工艺水平是以一种令人目眩的速度提高半导体芯片制造工艺水平是以一种令人目眩的速度提高目前已达到每平方英寸的芯片上集成目前已达到每平方英寸的芯片上集成1亿亿(109)个元件的个元件的集成密度集成密度事实上,芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小事实上,芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去,这就意味着,芯片单位面积上可集成的元件数量下去,这就意味着,芯片单位面积上可集成的元件数量总会达到极限;摩尔定律也将随之终结总会达到极限;摩尔定律也将随之终结计
12、算机单芯片时代的即将结束计算机单芯片时代的即将结束Intel在发布在发布3.8GHz(主频主频)的产品后,宣布停止的产品后,宣布停止4GHz的产品计划的产品计划AMD(Advanced Micro Device(高级微型设备高级微型设备);超;超微公司微公司)在实际频率超过在实际频率超过2GHz以后也无法大幅度提以后也无法大幅度提升,升,3GHz成为了成为了AMD无法逾越的一道坎无法逾越的一道坎但,社会对计算机速度的渴望,生产厂家对处理器但,社会对计算机速度的渴望,生产厂家对处理器芯片性能的追逐不会芯片性能的追逐不会“终结终结”双核微处理器双核微处理器双核处理器是指在一个处理器上集成两个一样功
13、能的双核处理器是指在一个处理器上集成两个一样功能的处理器核心,从而提高计算能力;也就是将两个物理处理器核心,从而提高计算能力;也就是将两个物理处理器核心整合在一个内核中处理器核心整合在一个内核中每个核心采用独立式设计,通过处理器的控制仲裁器每个核心采用独立式设计,通过处理器的控制仲裁器负责两个核心之间的任务分配;两个核心共享系统总负责两个核心之间的任务分配;两个核心共享系统总线和其他组件线和其他组件双核不一定就是双速双核不一定就是双速需要针对性软件系统支持和支撑需要针对性软件系统支持和支撑简单对比简单对比巨型计算机例巨型计算机例国产国产“神威神威-II”巨型计算机巨型计算机主机系统有主机系统有
14、384个个CPU峰值运算速度达每秒峰值运算速度达每秒3840亿次亿次主存储器容量为主存储器容量为48GB磁盘存储器容量为磁盘存储器容量为2.5TB 巨型计算机例巨型计算机例IBM:ASCI White8192个个 CPU 最大运算速度每秒最大运算速度每秒73040亿次亿次有消息报告有消息报告2008年年7月月8日,中国首款百万日,中国首款百万亿次超级计算机曙光亿次超级计算机曙光5000A正正式推出式推出超过超过200万亿次万亿次/秒秒IBM的产品的产品“走鹃走鹃”以每秒以每秒1000万亿次的运算速度雄居当万亿次的运算速度雄居当年之榜首年之榜首有消息报告有消息报告2010年,曙光星云超级计算机,
15、处理速度达到了年,曙光星云超级计算机,处理速度达到了1.27千万亿次计算千万亿次计算世界上最快的计算机,位于美国田纳西州橡树岭国家世界上最快的计算机,位于美国田纳西州橡树岭国家实验室,去年实验室,去年11月份测定的处理速度是月份测定的处理速度是1.75千万亿次千万亿次在国际权威组织的排名中,中国计算机排名第五在国际权威组织的排名中,中国计算机排名第五在计算机在计算机500强排名中,美国有强排名中,美国有282台入选台入选美国下一步准备继续提高计算机的运算速度,争取达美国下一步准备继续提高计算机的运算速度,争取达到到“亿亿次亿亿次”的单位级别。此目标希望在的单位级别。此目标希望在2018年到年到
16、2020年实现年实现巨型计算机的用途巨型计算机的用途天气预报、石油地震资料处理、核能开发利用、计算流体天气预报、石油地震资料处理、核能开发利用、计算流体力学、基因与蛋白分析、大型机械设计和材料科学等领域力学、基因与蛋白分析、大型机械设计和材料科学等领域“曙光曙光”可以在可以在20秒种内实时完成秒种内实时完成1万个万个5000万瓦以上的万瓦以上的并网发电机组和并网发电机组和22万伏变电站构成的全国电网的电力安全万伏变电站构成的全国电网的电力安全评估;可在评估;可在10分钟内完成上海证券交易所分钟内完成上海证券交易所10年的年的1000多支多支股票交易信息的股票交易信息的200种证券指数的计算;能
17、在种证券指数的计算;能在1小时内同时小时内同时完成关于中国周边、北方大部、北京周边、北京完成关于中国周边、北方大部、北京周边、北京2008年奥年奥运会场馆周边所需要的运会场馆周边所需要的36小时气象预报的计算,包括风向、小时气象预报的计算,包括风向、风速、温度、湿度等,精度风速、温度、湿度等,精度1公里,可精确到每个奥运会公里,可精确到每个奥运会场馆场馆微型计算机微型计算机现在普遍使用的是微型计算机现在普遍使用的是微型计算机典型技术指标典型技术指标CPU主频:主频:3.2GHz 主存储容量:主存储容量:1024-2048MB硬盘存储容量:硬盘存储容量:250-360GB计算机最主要的性能指标计
18、算机最主要的性能指标运算速度运算速度单位时间内可以完成的运算次数单位时间内可以完成的运算次数存储容量存储容量可以存储的数据、程序等信息的数量可以存储的数据、程序等信息的数量计算机的典型应用计算机的典型应用计算机的应用类型计算机的应用类型科学计算科学计算数据处理数据处理电子商务电子商务过程控制过程控制CAD/CAM/CIMS多媒体技术多媒体技术虚拟现实虚拟现实人工智能人工智能计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域工商:电子商务工商:电子商务教育:多媒体教育、远程教育教育:多媒体教育、远程教育医药:医药:CAT、MRI、远程医疗、远程医疗政府:电子政府政府:电子政府娱乐:虚拟现实、电影特技娱乐:
19、虚拟现实、电影特技科研:数据采集、计算分析科研:数据采集、计算分析家庭:家庭信息化家庭:家庭信息化计算机技术发展带来的困惑计算机技术发展带来的困惑计算机病毒和黑客计算机病毒和黑客计算机疾病计算机疾病信息泛滥和道德问题信息泛滥和道德问题版权和著作权等法律问题版权和著作权等法律问题人际关系的拉近与疏远人际关系的拉近与疏远网络游戏病网络游戏病拼命追赶先进技术带来的疲惫和焦虑拼命追赶先进技术带来的疲惫和焦虑计算机的应用特点计算机的应用特点与一般的计算设备比较与一般的计算设备比较运算速度运算速度运算速度运算速度快精度高快精度高快精度高快精度高信息存信息存信息存信息存储量大储量大储量大储量大有逻辑判断有逻
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