杀死比尔白眉道人是谁:第一章 信息技术基础知识(教案）

第一章 信息技术基础知识

一、本章概述

本章是教材的第一章，这一章的内容对学习信息技术会起到举足轻重的作用，通过学习使学生有较强的信息意识。了解和掌握信息技术的发展及其对现代社会的影响，计算机的组成，硬件和软件知识，计算机的工作原理及计算机的诞生与发展。

二、本章教学目标：

1、      知识目标：通过本章的学习，使学生了解信息和信息技术的概念，计算机的基本构成和基本原理。

2、      技能目标：消除对计算机的神秘感，能认识信息技术的发展变化及其对现代社会的影响。为安装计算机打下基础。为学习下面的内容作好准备，使他们具有获取信息、传输信息、处理信息和应用信息的意识。

3、       情感目标：培养学生对信息技术的兴趣和意识，从现在起，养成正确使用计算机得良好习惯。

三、．教学内容及课时安排

第一节 信息与与信息技术 约1课时

1.    信息的含义

2. 什么是信息技术
3. 正确认识信息技术的作用，养成使用信息技术的良好习惯。

第二节 计算机系统的基本组成约1课时

1.    计算机的硬件系统

2.    计算机软件系统

3.    计算机工作原理

4. 计算机的诞生与发展

四、教学的重点和难点

1.    信息的概念

2. 计算机工作原理

五、教学方法和教学手段：采用课堂教学、讲授与自学式。

六、具体的备课情况：

第一节“信息与信息技术”

教学目标：培养学生的信息意识

教学重点：信息与信息技术的概念

教学过程：

一、信息

1、信息的含义

（1）列举生活中的例子，使学生信息有一个感性的认识。

（2）信息的来源 （它普遍存在于自然界和人类社会中）

（2）信息概念的描述： （信息就是消息。它是多种多样的，可以用文字、符号、图像、声音、语言等载体呈现。信息和物质、能量一样，成为人类社会赖以生存和发展的重要资源。）

二、信息技术

（1）信息技术的定义

信息技术是指对各种信息进行获取、加工、处理、存储、传播与应用等方面的技术。现代信息技术包括以激光为核心的电子技术、计算机技术和网络技术，它是对大量信息进行快速地采集、处理、存储与传播的一门高新技术。 

（2）信息技术的发展

①介绍信息技术的应用（计算机在生活各个领域的应用）

随着计算机技术、网络技术、多媒体技术的发展和信息高速公路的兴起，信息技术的应用领域将越来越广泛，对社会生产力的发展起到巨大的作用。

（参考） 在当今这样一个“信息爆炸”的时代，信息量越来越大，特别是多媒体技术的发展，各种文字、图形、声音、动画在全球范围内传播，如果还是采用以前传播信息的方式，就像狭窄的公路上挤满了大量的车辆在慢慢爬行。为了解决信息传递过程中这种“车多路窄”的拥挤现象，早在1993年，美国就率先提出了建立信息高速公路的设想，随后世界各国都开始效仿，现在，信息高速公路已成为全世界的热门话题。

   信息高速公路的兴建将改变产业结构，使信息产业成为各行各业之首。到时人们可以舒适地坐在家中，只需通过计算机就可以办公；学生可以不到学校，坐在家里就可以听课，上全国最名牌的学校；电子商务的大力发展，使人们坐在计算机前就可以一天24小时逛各大商场，购买自己喜爱的商品；生了病，“计算机医生”会上门为你服务；人们不需外出，在计算机前就可以周游世界，特别是未来“虚拟现实”技术的发展，人们将会有身临其境的感觉……

     今后的信息社会简直就是一个“世外桃园”，我想同学们一定会无比向往吧。不过，要想做未来信息社会的主人，我们必须更加努力地学习，掌握好现代信息处理的工具和方法，特别是计算机的有关知识，否则，我们将会成为未来信息社会的“文盲”。

②发展前景：（几个新名词）

（参考）信息技术是指对各种信息进行获取、加工、处理、存储、传播与应用等方面的技术。现代信息技术包括以激光为核心的电子技术、计算机技术和网络技术，它是对大量信息进行快速地采集、处理、存储与传播的一门高新技术。 

很早以前人们利用烽火台传递军事信息，报告敌情，这种原始的信息传递方式只能传递十分简单的信息，而且很难进行远距离传送，信息也不一定准确；随着邮政业的发展，人们开始用邮件传递信息，它给人们带来了很大的方便，它能够传递大量的文字信息，但是速度较慢，依赖于交通的发展，而且不能传递声音、影像等；电报、电话、电视的发明使信息的传递发生了巨大的变化，它是用电子和电磁波的方式传递信息，有什么紧急事，很快就可以用电报或者电话传递给对方。

以上这些信息传递方式与信息工具的信息处理能力还不够强大。随着计算机与网络技术的迅猛发展，信息技术发生了质的变化，它将人类社会带入了信息时代，人们通过计算机可以处理与传递大量复杂的信息，可以同时传递文字、声音、图像、动画等多媒体信息，而且具有很强的交互性。

现代信息技术的发展缩小了世界的距离，缩短了时空差，使我们的地球变成了“地球村”，它彻底改变了我们的工作方式和生活方式。

三、树立正确态度,养成良好习惯

(1)正确认识信息技术（积极   消极）

(2)养成良好习惯（1——8）

　小结：练习与思考 （1——5）

教后记：

第2课  计算机的组成

教学目标

(1)了解计算机组成各部分的名称和作用。

(2)知道什么是计算机软件，了解计算机软件的作用。

(3)了解计算机处理信息的过程。

重点难点

(1)计算机是由特定功能的各种设备组合在一起的一个整体。

(2)计算机硬件和软件的概念。

教学过程

一、导入

同学们，计算机这个词对于我们来说已经不再陌生了，它已经渗透到我们生活中的每个环节中去了。那么你们知道哪些有关计算机的名词呢？(根据学生的回答，教师作出相应的小结)。同学们，你们所说的这些名词有的是计算机的硬件，有的是计算机的软件，还有一些则是计算机的应用，今天我们就要学习计算机的组成，计算机是由硬件和软件两个部分组成的。通过大家的共同努力，我相信大家都会成为一个计算机小行家。

二、新授(以台式微机为例)

1．硬件

计算机硬件从外观上看，计算机由主机、显示器、键盘、鼠标器等部分组成。(结合实物讲解)硬件就是我们实实在在能够看到的计算机部分。

学生看书，结合图片自学各部分名称及作用。教师补充，区分输入、输出设备。

(1)主机

主机是计算机的心脏和大脑，在里面有很多的部件，分别实现各种连接和处理功能。它能存储输入和处理的信息，进行运算，控制其他设备的工作。

打开计算机主机箱，里面有一块印刷电路板，这就是计算机的主机板(简称主板)，一般地，计算机的重要控件都做在计算机的主板上。主板上还许多部件，如ROM、RAM、总线槽、插座、电池等。机箱内还有硬盘、软驱、光驱、电源和小喇叭等。

其中核心部分是微处理器和内存储器。微处理器是计算机中集成程度最高的芯片，平时我们所说的“486”、“586”都是指微处理器的档次和型号。Inter公司是生产微处理器的最著名的厂商，1993年生产出了80586，取名Pentium(奔腾)，1995年推出了Pentium Pro芯片，接着，又推出了Pentium Ⅲ处理器，现在又有了Pentium Ⅳ处理器。内存是暂时存放数据用的，通常有8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等各种规格。

(2)输入设备

键盘主要用来输入文字和命令，是一种输入设备。其实输入设备还有很多，我们常用的还有鼠标器、话筒、扫描仪、手写笔等。

(3)输出设备

显示器可以把计算机处理的数据给我们看，它是一种输出设备。输出设备还有打印机、音箱等。打印机通常有针打、喷打、激打之分。

一个计算机系统，通常由输入设备、主机、输出设备三部分组成。主机是计算机的核心，输入／输出设备中除了显示器、键盘必不可少外，其他的可根据需要配备，当然，多一样设备，多一种功能。以上都是能够看到的部分，我们把它们叫做硬件。

2．软件

计算机光有硬件还不行，它等于是一具尸体，没有生命力，要是想让计算机完成我们想做的工作，使它“活”起来，必须给它安装一些无形的东西，这些就是软件。比如，要用计算机画画，我们必须给计算机安装画画软件。在课堂上演示安装Windows的画图程序。

计算机其实由软件和硬件构成，硬件是可以看到的，是物质基础，软件则是它的思想灵魂。

计算机软件大体上可以分为系统软件和应用软件两大类。

(1)系统软件

系统软件是一种综合管理计算机硬件和软件资源，为用户提供工作环境和开发工具的大型软件。系统软件主要有操作系统和程序设计语言两类。

操作系统是计算机的大管家，它负责管理和控制计算机各个部件协调一致地工作，是一个最基本、最重要的系统软件。一台计算机必须安装了操作系统才能正常工作。DOS、Windows、Unix、Linux等都是计算机上使用的操作系统软件。现在我们最常用的是美国微软公司的Windows系列操作系统。我国也有了自己的操作的系统—红旗Linux，现在正在推广运用当中。

 (2)应用软件

应用软件是计算机用户为了解决某些具体问题而编制的软件。有了应用软件，才能在计算机上画图、写文章，制作多媒体报告、玩游戏等，如WPS、Word、PowerPoint等都是应用软件。

三、计算机信息处理过程

计算机的硬件组成有点像人的大脑、眼睛、耳朵及笔、纸等，计算机处理信息的过程也类似于人脑处理信息的过程。

比如我们要把书上的一段文字在Word中用拼音输入法输入到计算机中，我们首先应该用眼睛看这段文字，眼睛把看到的字传给大脑，大脑要对这个字进行处理，看看认识不认识这个字，如果认识，大脑就可以产生这个字的拼音编码(不认识可以利用字典查出这个字的读音)，然后大脑指挥手利用键盘输入这个字。这样继续下去一段文字就会输入进去了。人在这一连串的动作中眼睛相当于输入设备；大脑相当于主机进行各种处理工作；手就相当于输出设备，把大脑的处理表现出来(利用键盘输入字)。

计算机的工作过程也像人一样，在输入字的这个过程中，首先通过输入设备键盘把这个字的编码信息输入主机，由主机对信息进行加工处理，再把加工处理后的信息通过输出设备输出(在屏幕出打印这个字)。

由此可见，计算机的工作过程可以用“输入、处理、输出”6个字来概括。

四、小结

今天你知道了哪些计算机知识？

五、练习

(1)填空

①内存储器一般可以分为        和        两类。

②奔腾Ⅰ、奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ是指计算机        的型号。

③常见的外存储器有       、       和       等几种。

(2)你能说出计算机硬件由哪些设备组成吗？

(3)想一想：如果你要在计算机中玩下象棋的游戏，该怎么办？

第二节 计算机系统的基本组成

教学目标：了解计算机的硬件、软件系统和工作原理及诞生与发展

教学重点：计算机系统的组成

教学难点：工作原理

教学过程：

一、计算机的硬件系统

问题：通过图片或实物观察计算机由哪些部分构成？

1、主机   （1）中央处理器

（2）内存储器

（3）其他部件

2、            外部设备  （1）输入设备   （键盘、鼠标、扫描仪、手写板、麦 克        风、数码相机等）

（2）输出设备   （显示器、打印机、音箱）

（3）外存储设备 （软、 硬  、光）

（参考1）：微型计算机系统的组成：主机、外部设备。
a.微处理器：又称为中央处理器（CPU），由运算器和控制器组成，是微机的核心部件。控制器是微机的指挥、控制中心，主要功能是控制、管理微机系统各个部件协调一致地工作，运算器的主要功能是完成各种算术运算、逻辑运算等。
b.内存储器：半导体存储器，是主机的一个组成部分，用来存放当前正在使用的或者随时要使用的程序或数据。分为只读存储器（ROM）及随机存储器（RAM）。ROM存储的信息只能读出，不能写入，断电后信息不丢失。RAM存储的信息可读可写，断电后信息丢失。在微机中，内存是以8位二进制数作为一个存储单元的，每个存储单元都有一个地址。在32位微机中，一次可以对4个单元进行访问。
c.主机：由微处理器和内存储器组成。
d.总线：是连接微机各部件的一组公共信号线。分为数据总线（DB），通过它可在微处理器的累加器与接口部件之间传送数据及控制信息、控制总线（CB），通过它对微处理器对外设接口进行寻址、地址总线（AB），微处理器通过它传送控制信号。目前微机使用总线的标准有ISA总线、MCA总线、EISA总线及PCI总线等，Pentium（奔腾）微机的局总线标准普遍采用PCI总线。
e.外部设备：微机硬件中，除主机以外的其它硬件设备统称为外总设备。主要有外存储器、输入设备及输出设备。
f.外设接口电路：外部设备不直接与CPU相连，而是通过外设接口电路与系统总线相连的。
g.主机箱：用于安装固定微机硬件：电源、系统主板、CPU、内存、外存、外设接口电路等。有立式和卧式之分。
h.微处理器的主要性能指标：字长和主频。

字长：计算机中每次能处理的一个字的二进制位数。一般有8位字长、16位字长、32位字长及64位字长等。对于32位字长的微机，表示一个字的信息需要4个字节（每个字节8位）。
.主频：是微处理器主时钟在一秒钟内发出的时钟脉冲数，单位为兆赫（MHz）。
.进位计数制：按进位的方法进行计数。在计算机中常用的进位计数制有二进制（用B表示），如1010111B表示(1010111)2、十进制（D）、八进制（Q）及十六进制（H）。
.计算机中的数据：不仅是指数值，还包括字符、符号、图形、图像、音频及视频信息等。
.位：是指计算机中最小的数据单位，即一个0或1在计算机中称为1位。单位为bit（比特），1位即1个比特。
31.字节：计算机中通常将8位作为一个基本单位，称为字节。单位为Byte（拜特）。
.1千字节（1KB）、1兆字节（1MB）、十亿字节（1GB）。1KB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB
.字：是计算机进行数据存储和数据处理的运算单位。由一个或若干个字节组成。一个字的二进制位数为字长。按字长可将计算机分为8位机、16位机、32位机及64位机。
.字长与计算机的性能：字长越长，运算速度越快；字长越长，计算机有更大的寻址空间，内存容量就越大；字长越长，系统指令数量越多，功能就越强。
i.微型计算机是以微处理器为核心，通过总线连接内存储器构成主机，通过I/O接口电路与外部设备相连接构成硬件系统。即输入/输出设备必须通过I/O接口才能和系统总线相连接。
j.微机中的接口有：总线接口、串行口及并行口。
k.适配器：是对微机系统中驱动某一个外部设备而设计的功能模块电路的统称。如显示器通过显示适配器（显示卡）与系统总线相连。
l.外部设备驱动程序：是操作系统对外部设备驱动、控制及管理的软件。在微机上安装上了外部设备适配器后，还应安装它的驱动程序才能正常工作。
m.外存储器：又称为辅助存储器，一般用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用各种程序和数据。外存中的信息必须先调入内存才能为微处理器所利用。目前微机上常用的外存储器是软盘、硬盘及只读光盘（CD-ROM）。
n.软磁盘：应掌握软盘的分类、结构、容量、写保护口的作用以及软盘使用的注意事项。软盘经过格式化以后才能使用，磁盘格式化的功能是划分磁道、扇区、建立根目录、建立文件分配表等，软盘每磁道每扇区容量为512KB，最后一圈磁道为0磁道，软盘的引导程序存放在软盘的0面0磁道1扇区。
o.软盘驱动器：用于对软盘进行读写的设备。是微机的输入输出设备。
p.硬盘：应掌握硬盘的主要性能指标是容量、存取速度。硬盘使用的注意事项。
q.光盘存储器：应掌握光盘的分类、特点。理解CD-ROM、WORM、MO的意义，尤其是CD-ROM是只读光盘。
s.键盘：是微机必不可少的输入设备。要掌握Enter键、Shift键、CapsLock键、Tab键、Backspace键、NumLock键的功能。以及其它一些Windows中的常用的功能组合键。
t.鼠标：是Windows软件环境中非常重要的输入设备。掌握鼠标的分类、特点。鼠标器的主要性能指标是分辨率。
u.图形扫描仪：是一种图形、图像、照片等信息的输入设备。CDD扫描仪的主要性能指标有：扫描幅面、分辨率、灰度层次以及扫描速度。
v.其它输入设备：数字化仪、条形码读入器、触摸屏等。
w.显示器：应掌握显示器由监视器和显示控制适配器（显示卡）两部分组成。掌握显示器的分类。高分辨率显示器的分辨率为640×480、800×600、1024×768或1280×1024等。分辨率越高，清晰度越好，显示效果越好。
x.显示卡：是将监视器与系统总线连接起来的接口电路。其标准有CGA、EGA、VGA、TVGA及SVGA等。
y.打印机：是将计算机处理的文字及图形等信息打印到纸上的设备，其它打印输入到纸上也称为硬拷贝。应掌握打印机的分类及性能指标。
z.声音卡（声卡）：是微机处理音频信息的设备。可接话筒、音箱、游戏棒及MIDI设备。
a1.视频卡：是将微机处理视频信息的设备。可接摄像机、录像机、电视机和各种激光视盘等设备。
b1.调制解调器（Modem）：是调制器与解调器的简称。通过调制解调器微机与电话线路相连，并通过电话线与其它计算机进行通信。目前，拨号上网是通过调制解调器。调制解调器的主要性能指标是速率和规程。调制解调器分为内置式和外置式两类。
c1.多媒体技术：应掌握其概念。了解多媒体的几个基本元素以及多媒体技术的应用范围。
d1.超文本、超媒体、静态图像压缩标准（JPEG）、动态图像压缩标准（MPEG）：应理解。
e1.微机的性能指标：字长、主频、内存容量、外存容量、存取周期及运算速度等。
f1.微型计算机系统配置：应理解微型计算机系统配置中不但有硬件配置，还应包括各种软件配置，这样才是一套完整的计算机系统。

(参考2)：主机是计算机的心脏和大脑，在里面有很多的部件，分别实现各种连接和处理功能。它能存储输入和处理的信息，进行运算，控制其他设备的工作。

打开计算机主机箱，里面有一块印刷电路板，这就是计算机的主机板(简称主板)，一般地，计算机的重要控件都做在计算机的主板上。主板上还许多部件，如ROM、RAM、总线槽、插座、电池等。机箱内还有硬盘、软驱、光驱、电源和小喇叭等。

其中核心部分是微处理器和内存储器。微处理器是计算机中集成程度最高的芯片，平时我们所说的“486”、“586”都是指微处理器的档次和型号。Inter公司是生产微处理器的最著名的厂商，1993年生产出了80586，取名Pentium(奔腾)，1995年推出了Pentium Pro芯片，接着，又推出了Pentium Ⅲ处理器，现在又有了Pentium Ⅳ处理器。内存是暂时存放数据用的，通常有8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等各种规格。

二、计算机软件系统

（1）软件的定义

使学生明确计算机软件的概念，即计算机系统中的程序及其文档。

软件是人们与计算机硬件之间的接口界面，要使用计算机必须有软件。软件和硬件都是不可缺少的两个重要方面。

（2）软件的分类：系统软件 和应用软件

（参考3）：计算机光有硬件还不行，它等于是一具尸体，没有生命力，要是想让计算机完成我们想做的工作，使它“活”起来，必须给它安装一些无形的东西，这些就是软件。比如，要用计算机画画，我们必须给计算机安装画画软件。在课堂上演示安装Windows的画图程序。

计算机其实由软件和硬件构成，硬件是可以看到的，是物质基础，软件则是它的思想灵魂。

计算机软件大体上可以分为系统软件和应用软件两大类。

(1)系统软件

系统软件是一种综合管理计算机硬件和软件资源，为用户提供工作环境和开发工具的大型软件。系统软件主要有操作系统和程序设计语言两类。

操作系统是计算机的大管家，它负责管理和控制计算机各个部件协调一致地工作，是一个最基本、最重要的系统软件。一台计算机必须安装了操作系统才能正常工作。DOS、Windows、Unix、Linux等都是计算机上使用的操作系统软件。现在我们最常用的是美国微软公司的Windows系列操作系统。我国也有了自己的操作的系统—红旗Linux，现在正在推广运用当中。

 (2)应用软件

应用软件是计算机用户为了解决某些具体问题而编制的软件。有了应用软件，才能在计算机上画图、写文章，制作多媒体报告、玩游戏等，如WPS、Word、PowerPoint等都是应用软件。

一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

                                                      运算器

                                            中央处理器       控制器     

                         主机        内存储器

               硬件                  外存储器 

                         外设        输入设备

微型计算机                           输出设备

  系统                               操作系统

                       系统软件      服务软件

               软件                  编译或解释系统

                                     信息管理软件

应用软件      辅助设计软件

             文字处理软件

             图形软件

                                     各种程序包

三、计算机工作原理：

1、冯.诺依曼结构计算机

冯.诺依曼的设计思想

①5大基本部分，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

②计算机内部采用二进制来表示指令和数据

③将编好的程序和执行程序所需要的数据存储在计算机中，启动程序运行，计算自动逐条执行指令来完成任务。

2、计算机工作过程

计算机的工作原理跟电视、VCD机差不多，您给它发一些指令，它就会按您的意思执行某项功能。不过，您可知道，这些指令并不是直接发给您要控制的硬件，而是先通过前面提过的输入设备，如键盘、鼠标，接收您的指令，然后再由中央处理器（CPU）来处理这些指令，最后才由输出设备输出您要的结果。 　　现在，让我们用一道简单的计算题来回想一下人脑的工作方式。

　　题目很简单：8+4÷2=？

　　首先，我们得用笔将这道题记录在纸上，记在大脑中，再经过脑神经元的思考，结合我们以前掌握的知识，决定用四则运算规则和九九乘法口诀来处理，先用脑算出4÷2=2这一中间结果，并记录于纸上，然后再用脑算出8+2=10这一最终结果，并记录于纸上。

　　通过做这一简单运算题，我们发现一规律：首先通过眼、耳等感觉器官将捕捉的信息输送到大脑中并存储起来，然后对这一信息进行加工处理，再由大脑控制人把最终结果，以某种方式表达出来。

　　电脑正是模仿人脑进行工作的（这也是“电脑”名称的来源），其部件如输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备等分别与人脑的各种功能器官对应，以完成信息的输入、处理、输出。

　　下图即为计算机的工作原理图。

 （参考4）

计算机工作原理

奠定现在计算机发展的重要任务和思想

香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香农在发表的论文中，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。

阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：

1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；

2）利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；

3）采用把计算功能和二进制数更新存储的功能相分离的结构。

　 图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：

一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。

　存储程序工作原理

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。

计算机的工作原理：

运算（处理）

存储（记录）

控制（协调）

John von Neumann

冯.诺依曼

要求学生了解和理解冯.诺依曼结构的计算机必须由输入设备、运算器、存储器、控制器和输出设备五大部分组成。通过上图了解它们之间的关系。

小结：练习 p8

补充：

(1)填空

①内存储器一般可以分为        和        两类。

②奔腾Ⅰ、奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ是指计算机        的型号。

③常见的外存储器有       、       和       等几种。

(2)你能说出计算机硬件由哪些设备组成吗？

(3)想一想：如果你要在计算机中玩下象棋的游戏，该怎么办？

阅读材料     电子计算机的诞生与发展

教学目标：了解计算机的发展简史及计算机的发展趋势

教学重点：计算机的发展

教学过程：

这一节内容主要向学生展示计算机发展趋势，培养学生的创新意识。

一、计算机的发民展简史：

通过图片介绍世界第一台电子计算机

计算机的发展经历了4 代 （图片展示）

第一代（46�57）电子管时代

第二代（58�64）晶体管时代

第三代（65�71）中小规模集成电路

第四代（72�） 大规模集成电路

（参考材料：）从计算机诞生那天到现在，计算机已经成为信息处理的重要工具。计算机的诞生仅仅50多年但它的发展却是史无先例的：

1946年世界上第一台电子计算机“ENIAC”(Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机)在美国宾夕法尼亚大学研制成功。这台计算机总共使用了18000多只电子管，1500多个继电器，重量达30多吨，占地180平方米，耗电150千瓦，其运算速度为每秒钟5000次。

虽然世界上第一台电子计算机十分庞大，性能也不是很高，但是它却奠定了计算机的发展基础，在科学技术发展史上，开辟了一个新的纪元。

自世界上第一台电子计算机问世以来，在随后的几十年中，电子计算机以异常迅猛的速度发展。电子计算机从诞生到现在大致上经历了四代：

第一代是电子管计算机，开始于1946年，结构上以中央处理机为中心，使用机器语言，存储量小，主要用于数值计算。

第二代是晶体管计算机，开始于1958年，结构上以存储器为中心，使用高级程序设计语言，应用领域扩大到数据处理和工业控制等方面。

第三代是中小规模集成电路计算机，开始于1964年，这一代计算机仍然以存储器为中心，机种多样化、系列化，外部设备不断增加、功能不断扩大，软件的功能进一步完善，除了用于数值计算机和数据处理外，已经可以处理图像、文字等资料。

第四代是大规模和超大规模集成电路计算机，开始于1971年，应用范围非常广泛，已经深入到社会生活和生产的众多方面。因为有了大规模和超大规模集成电路，计算机的核心部件可以集成在一块或几块芯片上，从而出现了微型计算机。

二、计算机的发展趋势：

巨型化（银河Ⅰ号、银河Ⅱ号、银河Ⅲ号、神威Ⅰ）

微型化（纳米技术）

网络化

多媒体化

智能化（如：海尔智能超人电脑）

计算机的应用尽管已经渗透到科学技术的各个领域，并扩展到工业、农业、军事、商业以及家庭生活之中。但随着科学的飞速发展和全球范围内的新技术革命的不断兴起，现有的计算机的性能已经显得满足不了社会的需要。许多科学家认为以半导体材料为基础的集成技术已达到了无法突破的物理极限，要解决这个矛盾，必须开发新的材料，采用新的技术。于是人们正在积极探索和研制新一代的计算机。例如：生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机等等。可以说：当人类跨进21世纪，我们将处于历史上最激动人心和最有希望的时代。

三、参考资料：

1.    生物计算机

鹰击长空，鸽翔千里，虫鸣鸟啭，花繁叶茂，自然界充满着勃勃生机。

人类通过对自然界生物特性的研究与模仿，创立了一门新学科――仿生学，来达到更好地为人类服务。例如：核潜艇模仿鲸类体形；导航仪――振动陀螺仪，是受到苍蝇飞行的启迪而发明的；对青蛙眼睛的研究，制造了跟踪人造地球卫星的电子眼；受“变色龙”的启发，产生了保护色的应用和隐身科学……，真是“他山之石，可以攻玉”。

但是，在许多方面电了计算机还不如小小的昆虫之脑，螳螂能在0.05秒内,计算出飞掠眼前小虫飞的方向、速度和距离,一举捕获，这使巨大的计算机跟踪系统为之相形见拙。

因此，科学家把目光转向生物界，将仿生学应用到计算机领域之中。

计算机发展到今天，功能越来越强，体积不断缩小，这主要与光刻技术的不断提高密不可分。光刻是在硅晶片上蚀刻电路，是制造计算机芯片的重要环节。光刻技术的每一次改进都缩小了蚀点的尺寸，蚀点尺寸越小，信息在点与点间通过的距离就越短，芯片的运算速度也就越快。但是，光刻技术的发展是有限的，如果刻意追求缩小蚀点尺寸，会影响芯片的可靠性。

20世纪90年代以来，一些国家的科学家开始寻找能替代硅晶制造芯片的材料。他们发现一种生物工程产生的蛋白质分子，有开关特性，它的生物属性同人脑，存储量极大，电能消耗却极小，用它制造的芯片，称为生物芯片，用生物芯片的计算机叫做生物计算机。在生物计算机中信息是以波的形式传播，运算速度要比目前的计算机快百万倍，而且能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，并具有巨大的存储能力。

生物计算机的特点是：

① 计算机的体积小。生物芯片，在一平方毫米的芯片面积上可以容纳数亿个电路。

② 存储量大。比普通计算机高10亿倍以上。

③ 运算速度快。据科学家预测，生物计算机传递信息的速度比人脑思维速度快一百万倍。

④ 有自我修复功能。因为，它能发挥生物本身的调节机能。

生物计算机的问世，将会有广泛的用途。如果，生物计算机移入人脑，用来沟通神经细胞和网膜感光细胞之间的联系，能使盲人重见光明；使残疾人重新站起来，像正常人一样生活和工作；……。

目前，对生物计算机的研究正方兴未艾，已经取得许多实际成果。

魏茨曼科学研究所计算机科学部教授埃胡德·夏皮罗，在麻省理工学院举办的第五届DNＡ计算机国际会议上，展示了一个30厘米高塑料生物计算机模型。

如果用生物分子制造这种计算机，那么长度大约只有1毫米的2500万分之一，与细胞中核糖体的大小差不多。他是根据图灵机的原理设计的，与图灵机一样，为他的机械装置设计了一个“规则分子”。这样，对这个分子的处理就能够按照预定的方式改变另外一个分子。

科学家认为，如果能制造出这种计算机，那么在医学上将地广泛的用途。它能够在我们的血液中游泳，或者附在器官上，监视人们的健康状况。假如这种计算机的感知组织里有异常的生物变化，计算机能根据程序来决定合成和释放哪种药物以纠正错误。

美国乔治亚技术研究所的物理学家，已开始按大自然的方式研制混合生物计算机，这种计算机把有生命的神经元与硅电路配合起来，把神经元放到半导体计算机里使之产生类似大脑的系统。与大脑逼近，神经硅计算机能够独立地解决问题，需要编程员编写明细的指令。目前，这个研究组已经取得了第一次突破――用两个神经元作算术，他们把两个神经元会合在一起，并把它们连接到计算机。计算机向每个神经元发出代表不同数的信号，运用混沌理论，有选择地激励这两个神经元，计算机从随后的振动盒通信取得了一个简单加法问题的正确答案。

此外，他们所作的计算机模拟表明，更大的神经群应该也能作出乘法和布尔逻辑运算――数字计算机的基本原理。

但是，他们估计生物计算机商业化将需要10年或更长的时间。

2. 模糊计算机

在我们的日常生活中，经常会遇到模糊的概念。比如：明天天气怎么样？这件衣服的款式好看，这个人很高，这些都是没有确切的概念。就拿人的身高来讲，一般人认为身高1.80米是高个子，1.50米是矮个子，那么1.65米是高个子还是矮个子呢？这就难讲了。因为，高个子与矮个子之间，没有明确的界限。所以，高个子与矮个子这两个词本身是两个模糊概念。还有天气的冷与热、衣服的肮脏程度等等，人脑是可以得心应手在处理这些模糊问题。但是，要让计算机能模仿人脑，最困难是让计算机具有处理模糊概念的本领。因为，现在的计算机是以处理事情的精确见长，它是建立在数学模型的基础之上。所以，很难处理模糊信息。我们人类的大脑对模糊信息有极高的识别能力和判断能力。要使计算机具有处理模糊信息的能力，科学家正在付出了辛勤劳动，在不断的探索和实践。

1956年英国人查德创立了表达模糊信息的有效工具――模糊数学，模糊数学是用数学方法研究、处理模糊信息的分支。模糊数学理论的诞生，为科学家研制能摸拟人脑对复杂的模糊问题进行识别与判断的模糊计算机奠定了基础。

我们知道现在的计算机是采用0、1两个数字，组成二进行制逻辑，而模糊数学产生的上不规则、非逻辑函数，由此理论设计的模糊集成电路构成的计算机称为模糊计算机。

1974年，英国的马丹首先利用模糊控制语言研制成功的模糊控制器，用于控制蒸汽机和锅炉，取得了转好的控制效果。展示了模糊控制系统的应用前景。

1985年，设计的制造出的第一个模糊逻辑片，每秒钟能进行8万次模糊逻辑推理。目前，已经有每秒钟进行64.5万次以上的模糊推理的逻辑片。

据报导自1986年以来，日本东京以北320千米的仙台市的地铁管理上，在模糊逻辑计算机的控制下，列车在线路上行驶过程中，模糊逻辑计算机判断行车情况的错误，几乎比司机进行加速或刹车调节时所发生的判断错误少70％。所以，列车安全、平稳，乘客甚至不需要拉住拉手和吊带。

本世纪90年代开始，“模糊家电”初露头角，显示了新一代家用电器的发展潮流。

·         1990年日本推出的一种具有2个光学传感器的洗衣机，光学传感器可以对衣服的数量、肮脏程度、用水量、应投放洗涤剂量作出判断。之后，洗衣机的模糊逻辑计算机就可以从600多种有效洗涤循环周期中，选择最合适的循环周期，自动完成洗涤过程。这种先进的模糊洗衣机科学、合理，自动化程度高，深受广大用户的欢迎。

• 模糊吸尘器能够自动判别地毯、地板等类型，以及灰尘量和污脏程度，来调正吸尘器工作时的功率大小、工作方式和工作时间。具有用遥控功能的模糊吸尘器，可以根据预先安排好的路线自动完成各种吸尘工作，并且会自动绕过各种障碍。
• 模糊电冰箱能够自动测定冷藏室、冷冻室内食品的数量和种类，从而正确设定冰箱内的温度，如果冰箱内的温度发生变化，冰箱内的模糊计算机就会作出判断，自动进行压缩机、风扇或气阀的开闭、风扇转速的升降和除臭、除霜等控制、反馈或调正。使冰箱内自始至终处在最佳保鲜状态。此外，模糊冰箱还具有节能和环境污染等优点。
• 模糊空调机改变了一般空调机始终以不变的运转速度，以达到设定的温度才关闭电源的方式，模糊空调机能够模糊地设定：若室内温度升高了，就把制冷功率提高一些，若温度变得较低，就把制冷功率降低一些。这样，使空调机能平稳地按温度的变化而不断地改变它的输出，这种空调机既能使室内温度保持恒定，又可以节能。

随着电子技术和模糊逻辑技术的飞速发展，模糊计算机将会在各个领域中发挥它的“聪明才智”。

1.    光计算机

科学家的思维是最活跃的，科学家的创新意识是最强烈的。他们从光电传输和光电转换器件中得到启迪：既然光子与电子都能作为传输信息的载体，并能通过装置实现光电或电光的转换。那么，就可以用光子取代电子，设计出光计算机。

在本世纪50年代，科学家就开始研制光计算机，到80年代后期得到了很大的进展。

1991年，美国ＡＴ&Ｔ的贝尔研究所采用了由外部电子计算机来进行程序的，一台简单的光处理器。

1993年，美国科罗拉多大学的科学家研制成功了，第一台通用光计算机。使研究光计算机的进程迈出了历史性的一大步，这台光计算机可以存储和处理信息。

科学家预言，21世纪将是光计算机时代。光计算机具有许多优越性：

① 速度快。光速是每秒30万千米，而电子运行的速度只是在理想化的情况下才能接近光速。在电子计算机中的硅集成电路执行开头操作时，要受到杂质原子的阻碍，影响了运动速度。电子在硅元件内运动的速度是每秒60千米，在砷化镓材料中运动速度每秒只有500米。而且光开关每秒可进行10000亿次逻辑运算，比现在最快的电子计算机快几百倍。

② 能并行处理信息。光计算机可以容易实现并行处理，电子计算机中的电子是沿固定的导线流动的。光计算机利用反射镜、棱镜、分光镜等，可使光信息按任意方向输送。光在空间可以实现并行传递，而且光计算机传递信息的平行通道密度是很高的，一枚直径5分硬币大小的棱镜，信息通过能力可以超过全世界现有电话电缆的许多倍。

1.    消耗能量少。光计算机无发热问题，并且噪音干扰少。

光计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和住处处理的新型的计算机，一旦真正能研制成功，其运算速度可达一万亿次以上，存储量将达到100亿二进制单位。比电子计算机的速度快1000倍，存储量大100万倍。而且能使三维图像的实时处理、模式识别等难题迎刃而解。所以，科学家大胆地说:2000年，光计算机将开始替代电子计算机。我们期待着这个理想的实现。

1.    量子计算机

电子计算机诞生50多年来，已经成为“人类通用的智力工具”。但是，科学家已经意识到，虽然每隔18个月，微处理器的集成度便增加一倍的摩尔定律已然作用着，这种发展趋势可能将走到尽头。

要提高ＣＰＵ的性能主要努力是减小元件的尺寸，这样主频和运算速度才可以提高。一方面在ＣＰＵ内部集成更多的逻辑门；另一方面各元件之间的联线延迟会变得更小，元件的功耗也相应减小。但是，元件的微型化是有限度的，当集成技术的线宽达到亚微米（0.1微米）、纳米（10^－9米）或几个原子大小时，器件中的协载流子（电子和空穴）的运动将出现量子波动特性，也就是说晶体管开关元件将无法工作，现在的技术已基本接近这个极限。ＰⅢ采用的是0.18微米的制造工艺，在设计时已经考虑了量子修正。

为了突破这个极限，科学家们开始研制新型的量子元器件，如单原子电容、单电子晶体管等，把这些响应快、功耗小、尺寸更小的量子器件按经典方式连结成网络执行现有模式的计算，叫做纳米（量子）电子技术。量子电子技术是国际上正在兴起的一门新学科，虽说目前量子计算机处于概念阶段，这门新学科的兴起意味着量子计算机正向我们走来。

量子计算机有许多优点：

1.    电子计算机中信息是用二进制数据位（bit）存储，每一个数据位只能是一个数据，0或1。在量子计算机中，是用量子位进行存储，由于量叠加效应，量子位可以是0或1，也可以同时既存储0又存储1。所以，n个量子位可以同时存储2ⁿ个数据，这样大大提高了量子计算机的存储能力。

1.    量子计算机能够实行并行计算，这样可以减少操作次数，加快解题速度，其运算能力比电子计算机快100多倍。而且，当计算机系统某些部分发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算。

量子计算机虽然离我们还有一段距离，但科学家已经取得不小的成果。

1997年贝尔（Bell）实验室发明了一种量子搜索算法。对于一个未加索引的Ｎ项列表，经典算法搜索一个特定的项（例如在电话薄中，查某人的电话号码），需要一个一个地扫描对比，平均需要Ｎ／2步。而量子计算机，每一项的值用由若干量子位组成的寄存器的一个本征态实现。制备这Ｎ个态的叠加态，只用一步就可以完成所有Ｎ项的对比，这个高效率的算法无疑是一个重大的突破。

美国麻省理工学院（ＭＩＴ）成功地实现了利用核磁共振的量子计算机小规模实验。英国牛津大学也利用核磁共振原理，研制了体积与咖啡杯大小的“咖啡杯” 量子计算机使一些有机分子（如氯仿）在这里溶解于另一种有机溶液中。这些有机溶液同氯仿几乎不会相互作用，从而保证了量子态和环境的较好隔离。

1998年日本电报电话（NTT）基础研究所、理化学研究所与荷兰德尔佛托工业大学合作，实现了使两个原子共享电子的类似于分子键的人工分子。这种人工分子作为研制量子计算机基础技术，受到科学家的关注。

离子阱量子计算机把一系列自旋为1／2的冷离子禁锢在线性量子势阱里，组成一个相对稳定的绝热系统。这种量子计算机由激光来实现自旋翻转的“控制非”操作，并且很容易在任意离子间实现n位量子门。因此，有很大的发展前途。

为了研制出量子计算机，科学家正在不断努力，朝着成功的方向前进。

1.    超导计算机

超导计算机，是以超导器件为元器件的计算机。

大家都知道，金属的电阻与温度有关。湿度高，电阻大；湿度低，电阻小。那么在什么样的湿温度下，电阻会变得最小呢？科学家带着这个问题，艰辛地探索着。1911年的一天，荷兰著名低温物理学家卡曼林·昂纳斯与他的研究小组在观察低温下水银电阻变化的时候，当温度降到-268.82⁰C（相当一绝对温度4.2K）附近，发现水银的电阻变为零，他们简直不相信自己的眼睛,“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”这一发现，为人类展现了一个前景广阔的新技术领域。

金属导体的电阻完全消失的现象叫做超导，具有超导性质的导体叫做超导体。超导的应用前景是十分诱人的，由于超导体的导电能力强，用它来制造发电机的线圈，发电机的体积将大大缩小；用它来输电一根细线所输送的电能，可供一个城市使用；……。

1962年，年轻的英国科学家约瑟夫逊发现了超导隧道效应（约瑟夫逊效应），即液氮温度下在由二层超导体薄膜与一层绝缘介质组成的“超导体――绝缘体――超导体”组成器件，当两端加电压时，电子能象通过隧道一样毫无阻挡地通过绝缘介质，只有当电流达到某一临界电流或从外部加上小磁场使电流发生变化时，两层超导体之间才产生电压降，这个突变，正好构成了一个开关电路。这个现象的发现，预展了超导材料应用的可能性。为此约瑟夫于1973年获得了诺贝尔奖。

应用约瑟夫逊效应原理制成的超导开关元器件，运算速度非常快，是电子计算机中的集成电路的几百倍；此外，它的消耗能量很小，是集成电路的百分之几。有人预测，如果需要10千瓦功率的大中型电子计算机，那么超导计算机只用一节干电池就能工作了。

所以，世界各国科学家多在研究超导计算机，但还有许多技术难关有待突破，令人高兴的是国际物理学界在高临界温度的超导材料研究中成果不断。如果，常温超导性能得以实现，超导计算机必将成为现实。

教后记：