l01-計(jì)算機(jī)發(fā)展史課件

1、第1講 計(jì)算機(jī)發(fā)展史莊波計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系電話件：本講內(nèi)容課程概述【了解】計(jì)算機(jī)發(fā)展史【了解】馮諾依曼模型【掌握】課程概述1.本課程主要任務(wù)介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的主要領(lǐng)域概況介紹主要核心課程專業(yè)導(dǎo)學(xué)本專業(yè)培養(yǎng)方案學(xué)習(xí)方法課程概述2.主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)基本原理數(shù)據(jù)表示，數(shù)制，運(yùn)算計(jì)算機(jī)硬件電路，體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)軟件程序，算法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)，軟件工程高級主題計(jì)算機(jī)安全，人工智能，計(jì)算機(jī)新技術(shù)專業(yè)導(dǎo)學(xué)培養(yǎng)方案，學(xué)習(xí)方法課程概述3.學(xué)習(xí)重點(diǎn)重點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)的基本問題基本原理基本思想基本方法為后續(xù)課程做準(zhǔn)備本講內(nèi)容課程概述【了解】計(jì)算機(jī)發(fā)展史【了解】

2、馮諾依曼模型【掌握】1946年之前 古典計(jì)算機(jī)器時(shí)代1946至今 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代1985年以后 計(jì)算機(jī)發(fā)展的新方向個(gè)人計(jì)算機(jī)與智能計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 羅素：“人類花費(fèi)了幾千年的時(shí)間才認(rèn)識到，兩只雞的“2”和兩天的“2”是一回事?！敝袊鐾恋臐h代算籌 夏侯陽算經(jīng)：“一縱十橫，百立千僵千十相望，萬百相當(dāng)。滿位以上，五在上方，六不積算，五不單張?！?614的算籌表示 數(shù)術(shù)紀(jì)遺：“珠算控帶四時(shí)，經(jīng)緯三才（天、地、人三才）?！?一、機(jī)械計(jì)算機(jī) 1. 機(jī)械式加法機(jī) 法國人帕斯卡于17世紀(jì)制造出一種機(jī)械式加法機(jī)，它成為世界上第一臺機(jī)械式計(jì)算機(jī)。 2. 機(jī)械式乘法機(jī) 1672年德國人萊布尼茲發(fā)明了乘法計(jì)算

3、機(jī) 。3. 差分機(jī)和分析機(jī) 英國人查爾斯巴貝奇研制出差分機(jī)和分析機(jī)，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，差分機(jī)和分析機(jī)占有重要的地位。 分析機(jī) 差分機(jī) 4. 手搖式機(jī)械計(jì)算機(jī) 手搖計(jì)算機(jī)是1878年由一位在俄國工作的瑞典發(fā)明家奧涅爾制造的，這是一種齒數(shù)可變的齒輪計(jì)算機(jī)。 德國的布龍斯維加公司，他們從1892年起投產(chǎn)，到1912年，年產(chǎn)量已高達(dá)2萬臺。 圖是1936年荷蘭飛利浦公司制造的一種二進(jìn)制手搖機(jī)械式計(jì)算機(jī)。 5. 暢銷的機(jī)械計(jì)算機(jī)1893年，德國人施泰格爾研制出一種叫作“大富豪”的計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)是在法國人伯列制作的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。 圖是第一臺電穿孔卡片設(shè)備，

4、配有計(jì)數(shù)器，打孔器，接觸壓力機(jī)和分類箱。 7. 微分分析儀 1930年，美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的博士V.布什，在一些工程技術(shù)人員的協(xié)助下，試制出一臺微分分析儀的樣機(jī)。 左圖，布什發(fā)明的微分分析儀是一臺用電機(jī)帶動的計(jì)算機(jī)，運(yùn)算裝置由機(jī)械構(gòu)成。 右圖2，布什博士和其他技術(shù)人員正在微分分析儀上進(jìn)行工作。他們的操作與現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的操作相去甚遠(yuǎn)。 二、計(jì)算機(jī)前期準(zhǔn)備1.圖靈提出重要概念1936年，年僅24歲的英國人圖靈發(fā)表了著名的論應(yīng)用于決定問題的可計(jì)算數(shù)字一文，提出思考實(shí)驗(yàn)原理計(jì)算機(jī)概念。2.信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)首次闡明了布爾代數(shù)在開關(guān)電路上的作用 1938年，香農(nóng)發(fā)表了著名的論文繼電器和開關(guān)電路

5、的符號分析，首次用布爾代數(shù)進(jìn)行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算，可以通過繼電器電路來實(shí)現(xiàn) 4.K型計(jì)算機(jī) K型計(jì)算機(jī)是美國人斯蒂比茲1937年11月發(fā)明的。 4.M型系列計(jì)算機(jī)1939年9月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出M1型計(jì)算機(jī)。 1944年和1945年，貝爾實(shí)驗(yàn)室又先后研制出M3與M4型機(jī) 。1949年，貝爾實(shí)驗(yàn)室又制造出了M6型計(jì)算機(jī) 。5.阿塔納索夫提出了計(jì)算機(jī)的三原則 1939年10月，美國理論物理學(xué)家阿塔納索夫與貝利合作，設(shè)計(jì)并試制成功一臺世界上最早的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的樣機(jī)，稱為“ABC機(jī)”。 阿塔納索夫提出了計(jì)算機(jī)的三條原則：（1）以二進(jìn)制的邏輯基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，以保證精度；（2

6、）利用電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制，邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，以保證計(jì)算速度；（3）采用把計(jì)算功能和二進(jìn)制數(shù)更新存貯的功能相分離的結(jié)構(gòu)。 6.維納的計(jì)算機(jī)五原則（1）不是模擬式，而是數(shù)字式；（2）由電子元件構(gòu)成，盡量減少機(jī)械部件；（3）采用二進(jìn)制，而不是十進(jìn)制；（4）內(nèi)部存放計(jì)算表；（5）在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯數(shù)據(jù)。 第一代計(jì)算機(jī) 1946年1957年：1944年到1945年間，馮諾依曼主持設(shè)計(jì)了 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)方案，它明確了計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組 成，包括：運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸 入和輸出設(shè)備，并描述了這五部分的職

7、能和相互 關(guān)系。1946年，馮諾依曼和戈?duì)柕滤雇?、勃克斯等?在EDVAC方案的基礎(chǔ)上，提出了電子計(jì)算機(jī) 邏輯設(shè)計(jì)初探的設(shè)計(jì)報(bào)告，標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī) 時(shí)代的真正開始。馮諾依曼是20世紀(jì)最偉大的全才之一6.英國的“巨人”計(jì)算機(jī) 1943年12月，第一臺“巨人”計(jì)算機(jī)在英國投入運(yùn)行。它破譯密碼的速度快，性能可靠，內(nèi)部有1500只電子管，配備5個(gè)以并行方式工作的處理器，每個(gè)處理器以每秒5000個(gè)字符的速度處理一條帶子上的數(shù)據(jù)。 1944年6月，第2臺“巨人”計(jì)算機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，它的速度比第一臺“巨人”快4倍。7.美國的全機(jī)電式計(jì)算機(jī) 1944年，“馬克”1號計(jì)算機(jī)問世，于哈佛大學(xué)投入運(yùn)行。它是在美國麻省理

8、工學(xué)院的物理學(xué)家艾肯的指導(dǎo)下，完成研制的。 （左圖）“馬克”1號（MARK I）大型計(jì)算機(jī)于1944年8月7日投入運(yùn)行（右圖）這是艾肯于1949年9月研制成功的“馬克”3號計(jì)算機(jī)。 三、電子計(jì)算機(jī) 1.第一臺電子計(jì)算機(jī)1946年2月15日，世界上第一臺通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC）宣告研制成功。“埃尼阿克”的成功，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一座紀(jì)念碑，是人類在發(fā)展計(jì)算技術(shù)的歷程中，到達(dá)的一個(gè)新的起點(diǎn)。 被遺忘的計(jì)算機(jī)之父John Vincent Atanasoff Clifford E. Berry 事實(shí)清楚，毫無疑問，莫克利關(guān)于ENIAC的基本構(gòu)思是來自于阿坦納索夫，所宣稱的在ENIA

9、C上的發(fā)明也是源于阿坦納索夫。莫克利和艾克特沒有發(fā)明第一臺自動電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，他們做的只是阿坦納索夫發(fā)明中的概念與設(shè)計(jì)原理的演變。1939年至1940年之間，阿坦納索夫和貝里，在依阿華州立大學(xué)制造了第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。莫克利和艾克特在25年中吹噓他們自己為第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明人，賦予他們此種榮譽(yù)的專利是無效的。莫克利剽竊了阿坦納索夫的思想，將其攫為己有，在世界上宣稱那是他的發(fā)明長達(dá)30年。莫克利和艾克特實(shí)際上已經(jīng)擁有了25年的計(jì)算機(jī)發(fā)明專利權(quán)，他們獲得了巨額的不義之財(cái)，但他們無法再逃脫道義的懲罰。 The United States District Court for the Dis

10、trict of Minnesota released its judgment on October 19, 1973：2.第一代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展 1949年5月，英國劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室 根據(jù)馮諾伊曼的思想，制成電子延遲存貯自動計(jì)算機(jī)“埃迪薩克”（EDSAC），這是第一臺帶有存儲程序結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)。 從1953年起，美國的IBM公司開始批量生產(chǎn)應(yīng)用于科研的大型計(jì)算機(jī)系列，從此電子計(jì)算機(jī)走上了工業(yè)生產(chǎn)階段。 下圖是在第一代電子計(jì)算機(jī)中使用的磁鼓。磁鼓被用來作為電子計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)與指令的存儲器，它的使用是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上重大的技術(shù)進(jìn)步 3.第二代電子計(jì)算機(jī)（晶體管） 1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制

11、成功第一臺使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)，取名“催迪克”（TRADIC），裝有800個(gè)晶體管。 1958年，美國的IBM公司制成了第一臺全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)。1959年，IBM公司又生產(chǎn)出全部晶體管化的電子計(jì)算機(jī)IBM 7090。 1964年，中國制成了第一臺全晶體管電子計(jì)算機(jī)441B型。 4.第三代電子計(jì)算機(jī)（集成電路） 1958年，世界上第一個(gè)集成電路誕生 。1964年4月7日，美國IBM公司同時(shí)在14個(gè)國家，全美63個(gè)城市宣告，世界上第一個(gè)采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)系列IBM 360系統(tǒng)研制成功 。5.第四代計(jì)算機(jī)（超大規(guī)模集成電路） 在1967年和1977年，分別出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模

12、集成電路 。美國ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)，是第一臺全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計(jì)算機(jī)，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已到了第四代。 美國航空航天管理局阿莫斯研究中心的ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)，是第一臺全面采用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器的陣列計(jì)算機(jī)，是第四代計(jì)算機(jī)的標(biāo)志性產(chǎn)品。6.第五代電子計(jì)算機(jī)（智能計(jì)算機(jī)）第五代電子計(jì)算機(jī)是智能電子計(jì)算機(jī)，它是一種有知識，會學(xué)習(xí)，能推理的計(jì)算機(jī)，具有能理解自然語言，聲音，文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機(jī)能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學(xué)習(xí)到的知識，進(jìn)行思維，聯(lián)想，推理，并得出結(jié)論，能解決復(fù)雜問題，具有匯集，記憶，檢索有

13、關(guān)知識的能力。 7.巨型電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 巨型電子計(jì)算機(jī)是相對于大型計(jì)算機(jī)而言的一種運(yùn)算速度更高，存儲容量更大，功能更完善的計(jì)算機(jī)。巨型機(jī)是指每秒能運(yùn)算5000萬次以上，存儲容量超過百萬個(gè)字的電子計(jì)算機(jī)。 在軍事上，巨型機(jī)主要應(yīng)用在快速判明目標(biāo)和輔助決策，在高速自動化指揮控制系統(tǒng)中心，在破譯技術(shù)以及核武器，航天工具等裝備的設(shè)計(jì)和模擬方面都是主力。 在民用方面，巨型機(jī)的使用日漸廣泛，已深入到機(jī)械，氣象，電子，人工智能等幾十個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在大型科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)，其他的機(jī)種難以與之抗衡。 8.巨型并行矢量計(jì)算機(jī)矢量計(jì)算機(jī)也被稱為“向量計(jì)算機(jī)”，它是一種能夠進(jìn)行矢量運(yùn)算，以流水處理為主要特征的電子計(jì)算機(jī)。

14、對多組數(shù)據(jù)（每組一般為兩個(gè)數(shù)據(jù)）成批地進(jìn)行同樣的運(yùn)算，得到一批結(jié)果的運(yùn)算方法，即被稱為“矢量運(yùn)算”。 9. 第六代神經(jīng)計(jì)算機(jī)（模仿人類大腦功能）第六代電子計(jì)算機(jī)是模仿人的大腦判斷能力和適應(yīng)能力，并具有可并行處理多種數(shù)據(jù)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。 神經(jīng)電子計(jì)算機(jī)的信息不是存在存儲器中，而是存儲在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)中。若有節(jié)點(diǎn)斷裂，電腦仍有重建資料的能力，它還具有聯(lián)想記憶，視覺和聲音識別能力。 四、計(jì)算機(jī)小型化1.20世紀(jì)60年代的小型化 1960年，美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）生產(chǎn)了第一臺速度為每秒3000次的小型集成電路計(jì)算機(jī) 2. 70年代的微機(jī)和個(gè)人電腦 英特爾公司在1971年和1972年先后開

15、始生產(chǎn)4004和8008微處理器，以及由它們構(gòu)成的MCS-4和MCS-8微型計(jì)算機(jī)。 1976年，美國硅谷的喬布斯和沃茲匹克這兩個(gè)年僅20歲的青年設(shè)計(jì)成功了“蘋果”微型機(jī)，為計(jì)算機(jī)進(jìn)入家庭首開先河。 3.筆記本型電腦問世進(jìn)入20世紀(jì) 90年代以來，個(gè)人電腦開始向膝上機(jī)發(fā)展，筆記本型電腦尤其受人歡迎。 4.袖珍計(jì)算機(jī)1992年，美國一家計(jì)算機(jī)公司推出一種袖珍的計(jì)算機(jī)，大小與能裝在口袋里的日歷薄差不多。5.超小型智能化計(jì)算機(jī) 電子計(jì)算機(jī)發(fā)展到第三代，開始出現(xiàn)了小型化傾向。計(jì)算機(jī)開始普及到商業(yè)管理領(lǐng)域，自動控制行業(yè)和科學(xué)單位等。 6.介于大型計(jì)算機(jī)與個(gè)人電腦之間的工作站工作站是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)

16、展起來的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，介于高檔PC機(jī)與小巨型機(jī)之間。工作站是一種新型高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它以其獨(dú)特的計(jì)算能力，良好的用戶界面，優(yōu)異的圖形功能和靈活的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，成為計(jì)算機(jī)家族中的一名新成員。 五、多樣化計(jì)算機(jī)探索 1.光計(jì)算機(jī)的研制 2.DNA電腦 3.高速超導(dǎo)計(jì)算機(jī) 4. 量子計(jì)算機(jī)研究六、中國計(jì)算機(jī)發(fā)展史 古典時(shí)代： 在早期計(jì)算工具和算學(xué)理論的發(fā)明創(chuàng)造方面，中國曾取得極其輝煌的成就： 中國古代經(jīng)典發(fā)明創(chuàng)造：中國古代經(jīng)典發(fā)明創(chuàng)造：中國古代用陽、陰兩爻構(gòu)成的八卦，被認(rèn)為是世界上最早的二進(jìn)制表示法由八卦演變而來的算術(shù)羅經(jīng)1.第一代電子管計(jì)算機(jī)研制(1958-1964年) 104機(jī) 103機(jī) 11

17、9機(jī) 1958年，中國研制成功第一臺小型電子管計(jì)算機(jī) 2.第二代晶體管計(jì)算機(jī)研制(1965-1972年)109乙機(jī)加以改進(jìn)，兩年后又推出109丙機(jī)，為用戶運(yùn)行了15年，有效算題時(shí)間10萬小時(shí)以上，在我國兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用，被用戶譽(yù)為“功勛機(jī)”。 109機(jī) 3.第三代基于中小規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)研制(1973-80年代初) 1973年，北京大學(xué)與北京有線電廠等單位合作研制成功運(yùn)算速度每秒100萬次的大型通用計(jì)算機(jī)。 1983年中國科學(xué)院計(jì)算所完成我國第一臺大型向量機(jī)757機(jī)，計(jì)算速度達(dá)到每秒1000萬次。 757機(jī) 4.第四代基于超大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)研制(80年代中期至今) “銀河”計(jì)

18、算機(jī)從1978年開始研制，到1983年通過了國家鑒定。它是由中國國防科技大學(xué)自行設(shè)計(jì)的第一個(gè)每秒向量運(yùn)算1億次的巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 銀河-I 2008年8月31日報(bào)道：全國首臺突破百萬億次運(yùn)算速度的超級計(jì)算機(jī)“曙光5000”由中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所、曙光信息產(chǎn)業(yè)有限公司自主研制成功。其浮點(diǎn)運(yùn)算處理能力可以達(dá)到230萬億次(交付用戶使用能力200萬億次)，Linpack速度預(yù)測將達(dá)到160萬億次，這個(gè)速度將有望讓中國高性能計(jì)算機(jī)再次躋身世界前十。除了超強(qiáng)計(jì)算能力，它還擁有全自主、超高密度、超高性價(jià)比、超低功耗以及超廣泛應(yīng)用等特點(diǎn)。 “天河一號”2009年由國防科技大學(xué)在長沙研制成功，具備每秒鐘1

19、206萬億次的峰值速度和每秒563.1萬億次的Linpack實(shí)測性能?！疤旌右惶枴背晒ρ兄剖怪袊蔀槔^美國之后第二個(gè)能研制千萬億次計(jì)算機(jī)的國家。在2009年11月全球超級計(jì)算機(jī)TOP500排名榜中，排名第五。用“天河一號”計(jì)算一秒的速度相當(dāng)于全國13億人連續(xù)計(jì)算88年，而其存儲量則相當(dāng)于4個(gè)館藏2700萬冊的國家圖書館藏書量之和。 2010年8月5日從國家超級計(jì)算天津中心了解到，中國首臺國產(chǎn)千萬億次超級計(jì)算機(jī)“天河一號”的機(jī)柜等主要設(shè)備已運(yùn)抵天津?yàn)I海新區(qū)，進(jìn)行系統(tǒng)裝配。美國克雷公司制造的“美洲虎”（）以每秒萬億次的實(shí)測性能和萬億次的峰值性能高居榜首。 我國研制的曙光和曙光超級計(jì)算機(jī)曾兩次位居世

20、界第名。 天河一號是第一臺采用混合異構(gòu)系統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)，體現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。 隨著“天河一號”的問世，我國成為世界上繼美國之后第二個(gè)能夠研制千萬億次超級計(jì)算機(jī)的國家。作為中國國家超級計(jì)算天津中心的業(yè)務(wù)主機(jī)，“天河一號”將應(yīng)用于石油勘探數(shù)據(jù)處理、生物醫(yī)藥研究、航空航天裝備研制等領(lǐng)域，為國內(nèi)外用戶提供超級計(jì)算服務(wù)。使用“龍芯一號”的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品我國計(jì)算機(jī)發(fā)展存在的問題（1）自主創(chuàng)新能力不足；（2）核心技術(shù)缺失（CPU制造技術(shù)，高科技材料技術(shù)，操作系統(tǒng)技術(shù)，高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)）；（3）發(fā)展體制存在缺陷；（4）相關(guān)法律法規(guī)不夠健全，缺乏法律意識；我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展本講內(nèi)容課程概述【了解】計(jì)算機(jī)發(fā)展史【了解】馮諾依曼模型【掌握】 如果程序能夠以某種形式與數(shù)據(jù)一同存儲于存儲器中，計(jì)算機(jī)就可以通過在存儲器中讀取程序來獲取指令，并執(zhí)行相應(yīng)動作。這樣，通過設(shè)置存儲器的值就可以編寫和修改程序。 Photograph o