第一单元 任务1-1 计算机的发展、特点及性能指标（课件）-《计算机软件与硬件基础》（高等教育出版社）同步精品课堂

第一单元 任务1-1 计算机的发展、特点及性能指标 计算机软件与硬件基础 同步精品课堂 高等教育出版社 任务一 计算机的发展 任务二 计算机的特点 任务三 计算机的性能指标 掌握国家标准《机械制图》中有关图幅、比例、字体图线等基本规定。 教学目标 一 1、了解计算机的发展历程 2、了解我国计算机的发展 3、理解计算机的特点和性能指标 教学重难点 二 教学重点： 1、计算机的特点 2、计算机的性能指标 教学难点： 理解计算机性能指标的实际意义 导入新课 三 计算机自出现以来发展迅速，你是否了解计算机的历史？你是否了解中国计算机的历史？你是否了解未来计算机的发展方向？ ENIAC “109”丙 量子计算机 任务一 计算机的发展 新知讲授 四 1、计算机的诞生 名称：电子数字积分计算机（简称ENIAC） 诞生时间：1946年2月 诞生地点：美国宾夕法尼亚大学 开发者：莫克利和埃克特 特点：重30余吨，占地约170平方米，使用了18000多个电子管，另外还有大量的电阻、电容、继电器、开关等，运算速度为每秒5000次加法运算 新知讲授 四 2、计算机的四个发展阶段 发展阶段 关键技术 主要特点 主要应用领域 第一代 1946-1957年 采用电子管；输入输出使用穿孔卡片和纸带；程序设计使用机器语言和汇编语言 运算速度为每秒几千次至几万次，体积庞大、功耗高，运算速度低，可靠性差且维护困难。造价很高 科学计算。 第二代 1957-1964年 采用晶体管； 出现了高级语言和批处理系统 运算速度为每秒几万次至几十万次，比电子管计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定 科学计算、数据处理、事务处理、工业控制等 第三代 1964-1970年 采用中小规模集成电路；高级语言有了很大发展，分时系统开始普及 运算速度为每秒几十万至几百万次，集成电路的使用推进了计算机的小型化、高性能和低成本 开始应用于各领域 第四代 1971年至今 采用大规模、超大规模集成电路，多核处理器提升了并行处理能力，发展了数据库系统，出现了图形用户界面操作系统、网络系统、分布式系统 运算速度为每秒千万次以上；向巨型化、微型化、网络化、智能化和多媒体化发展 普及至社会各领域 新知讲授 四 第一代电子管计算机（1946-1957） 电子器件 电子管 系统结构 输入输出使用穿孔卡片和纸带。内存几KB 维护困难：埃尼阿克用了1.8万只电子管，占地170m*2，重31t，耗电150kW。电子管很容易坏，维护时得从诸多电子管中找到坏了的那一只来更换。 软件发展 机器语言和汇编语言 应用范围 科学计算 运算速度 几千至几万（次/秒） 新知讲授 四 第二代晶体管计算机（1957-1964） 电子器件 晶体管 系统结构 存储技术有了一定发展 软件 出现了高级语言（如FORTRAN、COBOL、ALGOL），批处理系统开始出现 应用范围 除科学计算外，还用于数据处理、事务处理、工业控制 运算速度 几千至几万（次/秒） 新知讲授 四 第三代集成电路计算机（1964-1970） 电子器件 中、小规模集成电路 系统结构 出现半导体存储器 显示器和键盘等终端开始普及 软件 高级语言有了很大发展 分时系统开始普及 应用范围 开始广泛应用在各个领域 运算速度 几十万到几百万（次/秒） 新知讲授 四 第四代大规模集成电路计算机（1971年至今） 电子器件 大、超大规模集成电路 系统结构 发展了并行处理技术 多核处理器逐渐流行 软件发展 发展了数据库系统、软件工程标准化系统；出现了图形用户界面操作系统、网络系统、分布式系统 应用范围 普及各行各业、各家各户 运算速度 每秒千万次以上 新知讲授 四 目前的计算机 目前计算机仍然采用集成电路作为主要电子元件，但是正处于一个多元变革的阶段，在硬件、软件、架构、应用甚至材料等多个领域寻求突破。 各国都在竞相开发高性能的超级计算机 移动计算与云计算成为主流，边缘计算开始兴起 人工智能推动了各个应用领域的革命性变化 新知讲授 四 任务实施步骤1：探究计算机微型化的原因 电子元件的发展，尤其是晶体管的诞生对计算机发展起到了重要作用。 电子管 晶体管 集成电路 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 我国计算机的发展起步于20世纪50年代，半个多世纪来，经历了从无到有、从弱到强的跨越式发展。这一历程展现了从仿制跟踪到自主创新的跨越，核心器件国产化率从零提升至100%，在国防、科研等领域发挥了关键作用。 ‌奠基阶段（1950年代） ‌自主突破（1960-1970年代） ‌产业化与超算时代（1970后） DJS-103 109乙、109丙、DJS-150 信创计算机、银河-I巨型机、神威·太湖之光、祖冲之3号量子计算机等 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ①‌奠基阶段（1950年代） DJS-103（八一型）是中国首台电子管计算机，1958年由中科院计算所研制成功，标志着我国计算机事业的开端。 采用电子管技术，初始速度30次/秒，改进后达1800次/秒，内存1KB。该机突破西方技术封锁，全国共量产49台。现存唯一完整机组藏于曲阜师范大学，是中国计算机发展的重要文物。 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ②‌自主突破（1960-1970年代） 1965年，中科院计算所研制成功第一台晶体管计算机“109乙”。109乙采用锗晶体管，运算速度1万次/秒； 1967年，对“109乙”加以改进，推出“109丙”，升级为硅晶体管，速度达11.5万次/秒，内存4-32KB。“109丙”为两弹试验中发挥了重要作用，被称为“功勋机”。 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ②‌自主突破（1960-1970年代） 1973年，由北京大学、北京有线电厂等单位共同设计“DJS-150”，是中国首台百万次集成电路计算机。 该机首次搭载了中国自主设计的操作系统——多道批处理系统（BD-200语言编译程序），由北大杨芙清、俞士汶等团队开发，支持多任务并行处理，标志着中国软件技术从单一程序向系统化管理的跃升‌。 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ③‌产业化与超算时代（1970后） 1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，标志着我国成为继美国、日本之后第三个能独立设计和制造超级计算机的国家。 2002年龙芯一号CPU问世，结束我国无自主芯片历史。采用MIPS指令集架构，主频266MHz，性能相当于Pentium II水平。 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ③‌产业化与超算时代（1970后） 2016年"神威·太湖之光"以每秒9.3亿亿次运算登顶全球超算榜首。2025年祖冲之3号量子计算机实现百万比特级运算，速度超经典计算机千万亿倍。 新知讲授 四 3、我国计算机的发展 ③‌产业化与超算时代（1970后） 信创计算机：基于信息技术应用创新（简称“信创”）理念设计和生产的计算机设备。信创计算机的各个核心组件（包括CPU、存储器、操作系统、办公软件等）将逐步实现国产化替代，减少对国外技术的依赖，提升国家信息安全水平。 组成部分 国外主流技术 信创主流技术 CPU处理器 Intel (x86架构), AMD (x86架构) 龙芯、海光、飞腾、鲲鹏、兆芯、申威等 存储器 三星、SK海力士、美光、西部数据 长鑫存储 、紫光国芯、长江存储 、光威、华为、同有科技 操作系统 Windows, macOS, Linux (发行版) 桌面OS：统信UOS、麒麟软件（Kylin） 服务器OS：中兴新支点、麒麟、统信 办公软件 Microsoft Office, WPS 永中Office、数科OFD（版式软件）、金山WPS 新知讲授 四 根据所学的知识，用时间坐标轴的形式将我国计算机的发展历程在时间轴上表示出来。要求写出时间、名称、意义等。 小组讨论并完成绘制。 完成时间轴的绘制任务： 新知讲授 四 4、未来计算机 随着科学计算、工程模拟、大数据、人工智能等领域的发展，对计算机的计算能力提出了更高的需求。未来计算机或新型计算机，是指超越了传统计算机架构，或者能够应用于特定应用场景的计算设备，往往具有超高速的运算能力以及更加高级的特性。目前，以量子计算机为代表的未来计算机正在引领新一轮计算革命。 2020年，由中国科学院潘建伟院士团队成功构建光量子计算机"九章"，使中国成为全球第二个实现"量子优越性"的国家。2023年，"九章三号"研制成功，它在1μs内可完成复杂样本计算任务，当前全球最快的超级计算机约需200亿年才能完成。 我国在保持光量子计算优势的同时，在超导量子计算机领域也取得重要进展。潘建伟团队研发的"祖冲之"系列以及本源量子计算科技（合肥）股份有限公司推出的"本源悟空"，正推动超导量子计算的产业化进程。 新知讲授 四 4、未来计算机 除了量子计算机以外，还有其他几种形态的未来计算机。 量子计算机 光学计算机 超导计算机 DNA计算机 神经形态计算机 新知讲授 四 4、未来计算机 计算机类型 主要特性 量子计算机 遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算，为解决传统计算机难以处理的复杂问题提供了新的可能性。 DNA计算机 利用DNA分子的化学和生物学特性来进行计算，信息以DNA序列的形式存储，具有极高的存储密度，通过生化反应来执行运算。 光学计算机 利用光子而非电子作为信息载体，通过光信号进行编码，通过光学元件和光学效应执行运算，具有高速度、低能耗、高带宽的优势。 神经形态计算机 模仿人脑神经元网络进行输入、计算、输出，能够处理复杂的信息，以及强大的学习和适应能力。 超导计算机 利用超导材料在低温下电阻消失、电流可以无损失流动的现象，实现低功耗、低散热、高速度的计算。 任务二 计算机的特点 新知讲授 四 ①、高速、精准的运算能力（算得快） 计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的百亿亿次。运算精度方面一般可以提供几十位有效二进制位数或十几位十进制有效数字，如果运用软件算法，可以突破硬件字长的限制，实现更高精度的计算。 ②、准确的逻辑判断能力（判得准） 通过编程，计算机可以根据预设的条件和规则进行逻辑运算、逻辑推理，并作出相应的决策。 ③、强大的存储能力（存得多） 由于存储技术的发展和存储设备价格的下降，目前计算机配置的存储容量越来越大，能满足大容量信息的存储要求。 新知讲授 四 ④、自动运行的能力（自动化） 电子计算机内部操作运算是根据人们事先编制的程序自动控制进行工作的，不需要人工干预，因而自动化程度高。 ⑤、网络和通信功能（能共享） 网络与通信功能使得人们更加方便的共享资源、传播知识、交流文化。还能够与家电、汽车、医疗设备、农业设施等各种设备连接，实现更加高效与智能化的管理。 快速记忆各特点的关键词，1min后完成连线练习 新知讲授 四 计算精度一般可提供十几位十进制有效数字，目前速度百亿亿次。 通过编程，计算机能根据预设的条件和规则进行逻辑运算和逻辑推理。 根据程序自动控制，无需人工干预，自动化程度高。 目前的存储容量能满足大容量信息的存储要求。 共享资源、传播知识、交流文化。 高速、精准的运算能力 准确的逻辑判断能力 强大的存储能力 自动运行功能 网络和通信功能 任务三 计算机的性能指标 新知讲授 四 计算机的性能指标是评估、优化和选择计算机系统的重要依据，直接影响系统效率和用户体验，主要性能指标有字长、主频、运算速度、内存储器容量和存取周期等。此外，外存储器容量，计算机的可靠性、维护性、平均无故障时间和性能价格比也都是计算机的技术指标。 新知讲授 四 字长 指计算机能够直接处理二进制数的位数（如32位、64位） 标志着计算机的运算精度 对计算机的计算精度、处理速度、内存寻址空间等性能都有显著影响 新知讲授 四 任务实施步骤2：探究字长对计算机的重要性 决定了在一次运算中能够同时处理的二进制位数。 决定了运算数据的精度。 决定了CPU内部各部件之间以及计算机各部件之间一次能够传输的二进制位数。 整个计算机的字长不仅受CPU字长的影响，还受数据总线（其宽度决定了CPU与内存或其他设备之间一次可以传输的数据量）、操作系统（64位的CPU如果运行32位的操作系统，那么只能利用32位的CPU功能，而且内存访问空间和系统兼容性也会受到限制）等其他因素的影响。 新知讲授 四 主频 指CPU的工作时钟频率，即中央处理器主时钟在每秒钟内所能产生的脉冲信号次数（即时钟周期数） 主频很大程度上决定了计算机的运行速度 单位：吉赫兹（GHz） 例：Intel Core i9-14900KS的主频为3.2GHz，那么它每秒可以产生多少个时钟周期？ 3.2Ghz=3.2*103Mhz=3.2*106Khz=3.2*109hz，因此每秒可以产生3.2*109个时钟周期 新知讲授 四 运算速度 指每秒执行的指令数，即中央处理器在每秒钟内所能完成基本指令数目的平均速度。 用加权平均法来求得等效速度 单位：MIPS（每秒执行百万条指令的数量，主要衡量整数运算能力 目前微型计算机的运算速度可达每秒几千亿次。 新知讲授 四 内存储器容量 指内存储器中能存储信息的最大数量 单位：字节（Byte，简称为B） 1KB=1024B=210B 1PB=1024TB=250B 1MB=1024KB=220B 1EB=1024PB=260B 1GB=1024MB=230B 1ZB=1024EB=270B 1TB=1024GB=240B 1YB=1024ZB=280B 位(b)与字节(Byte)的区别: 位(b)：是计算机中最小的数据单位，位有两种状态：0和1，可以表示二进制数中的某一位。 字节(Byte)：是计算机中数据存储的基本单位，简写成B，1个字节由8个位组成。 新知讲授 四 任务实施步骤3：了解计算存储器的存储容量 例1：在计算机中一个汉字占2个字节，4GB的存储容量可以存放多少本50万字中文小说？ 每本小说所占存储容量：2*250000=500000B 存放本数=存储容量总量/每本所占存储容量=4GB/500000B=4*230B/500000B≈8589本 例2：我国最大的丛书《四库全书》收录了3000多种书籍，共36000余册，总字数约8亿字，如果不考虑图片信息，需要多少存储空间？ 800000000*2B=1600000000B=1600000000/1024/1024/1024≈1.5G 新知讲授 四 存取周期 连续启动两次独立的读或写操作所需的最短时间 存取周期越短，存取速度越快 单位：纳秒（ns） 师生互动 五 1、简述我国计算机的发展历程。 2、未来计算机由哪些类型 3、计算机有哪些性能指标 答案： 1、DJS-103、109乙、109丙、DJS-150、银河Ⅰ、神威太湖之光、祖冲之3号等 2、量子计算机、DNA计算机、光学计算机、神经形态计算机、超导计算机 3、字长、主频、运算速度、内存储器容量、存储周期 随堂练习 六 1 、世界上第一台数字式电子计算机诞生于( )年，命名为( ) A.1946 ENIAC B.1971 ENIAC C.1971 ENACI D.1946 ENACI 答案：A 解析：世界上第一台数字式电子计算机诞生于1946年2月，简称 ENIAC)，中文名译为“埃尼阿克” 随堂练习 六 2 、开始使用机器语言和汇编语言的计算机，采用的物理器件是( )。 A.电子管 B.晶体管 C.中、小规模集成电路 D.大规模、超大规模集成电路 答案：A 解析：第一代电子计算机程序设计使用机器语言和汇编语言，第一代电子计算机采用电子管作为主要电子器件。 随堂练习 六 3 、在系统结构方面发展了并行处理技术、分布式计算机系统和计算机网络是第( )代电子计算机。 A.一 B.二 C.三 D.四 答案：D 解析：第四代电子计算机在系统结构方面发展了并行处理技术、分布式计算机系统和计算机网络等。 随堂练习 六 4 、（多项选择题）电子计算机作为一种计算工具，具有( )的特点。 A.高速、精准的运算能力 B.网络和通信功能 C.强大的存储能力 D.自动运行功能 答案：ABCD 解析：高速、精确的运算能力。准确的逻辑判断能力。强大的存储能力。自动运行功能。网络和通信功能。 随堂练习 六 5 、(是非选择题)字节、主频、运算速度、内存储器容量、存取周期都是计算机的性能指标。( ) A.正确 B.错误 答案：B 解析：字节是存储单位 随堂练习 六 6 、(是非选择题)我国第一台电子管计算机DJS-150在1958年研制成功。( ) A.正确 B.错误 答案：B 解析：1958年，我国第一台电子管计算机“DJS-103”研制成功，标志着我国计算机事业的开端。 随堂练习 六 7、(是非选择题)量子计算机利用超导材料在低温下电阻消失、电流可以无损失流动的现象，实现低功耗、低散热、高速度的计算。( ) A.正确 B.错误 答案：B 解析：超导计算机利用超导材料在低温下电阻消失、电流可以无损失流动的现象，实现低功耗、低散热、高速度的计算。 随堂练习 六 8、“ ”为两弹一星试验中的计算任务发挥了重要作用，被称为“ ” 答案：109丙 功勋机 解析：“109丙”为两弹一星试验中的计算任务发挥了重要作用，被称为“功勋机” 课堂小结 七 谢谢 $