計算機導論課件第1章

1、計算機導論課件說明 該課件是袁方、王兵、李繼民編著，清華大學出版社2014年8月出版的計算機導論（第3版）的配套課件。 課件中的部分圖片來源 于互聯(lián)網，向有關圖片的提 供者和網站表示感謝。 計算機導論課件說明 第1章 計算機發(fā)展簡史 需要是發(fā)明之母。Necessity is the Mother of Invention. 計算工具及計算技術是隨著人類實踐的需求逐步發(fā)展起來的。 第1章 計算機發(fā)展簡史 第1章 計算機發(fā)展簡史1.1 第一臺電子數(shù)字計算機的誕生1.2 計算機的發(fā)展1.3 中國計算機發(fā)展簡史1.4 著名的計算機公司1.5 著名的計算機科學家1.6 計算機學術組織1.7 計算機獎項第

2、1章 計算機發(fā)展簡史1.1 第一臺電子數(shù)字計算機的誕生1.1 第一臺電子數(shù)字計算機的誕生早期的計算工具機械計算機機電計算機電子計算機1.1 第一臺電子數(shù)字計算機的誕生早期的計算工具1.1.1 早期的計算工具手指：人們習慣于十進制計數(shù)法與此有關。結繩：結之多少，隨物眾寡。 算籌：祖沖之的圓周率就是借助算籌計算出來的。 運籌帷幄之中，決勝千里之外。 算盤：從唐朝一直延續(xù)到現(xiàn)在，仍有人在使用。1.1.1 早期的計算工具手指：人們習慣于十進制計數(shù)法與此有1.1.2 機械計算機1621年，英國數(shù)學家奧垂德發(fā)明了圓形滑動計算尺。1642年，法國科學家帕斯卡發(fā)明了齒輪式能實現(xiàn)加減法運算的計算器Pascali

3、ne。1673年，德國數(shù)學家萊布尼茨建造了一臺能進行加減乘除四則運算的機械式計算機。1.1.2 機械計算機1621年，英國數(shù)學家奧垂德發(fā)明了圓形1.1.2 機械計算機1777年，英國的查爾斯馬洪發(fā)明了邏輯演示器 。1822年，英國數(shù)學家巴貝奇研制成功差分機。 1833年，巴比奇設計出 了分析機模型，這個模 型包括了現(xiàn)代計算機所 具有的5個基本組成部分。1.1.2 機械計算機1777年，英國的查爾斯馬洪發(fā)明了1.1.3 機電計算機1886年，美國統(tǒng)計學家霍勒瑞斯用電磁繼電器代替一部分機械元件，制成了第一臺機電穿孔卡系統(tǒng)制表機。1941年，德國工程師朱斯研制成功全部采用繼電器的計算機Z-3 ，這是

4、世界上第一臺完全由程序控制的機電計算機。 1944年，美國哈佛大學教授艾肯設計的機電計算機Mark-投入運行。1.1.3 機電計算機1886年，美國統(tǒng)計學家霍勒瑞斯用電磁1.1.4 電子計算機1937年，美國衣阿華州立學院的阿塔納索夫教授就開始進行研制電子計算機的探索。第一臺電子計算機ENIAC的設計者莫奇利曾經看過他的關于電子計算機設計的筆記本。1946年2月15日，世界上第一臺電子數(shù)字計算機電子數(shù)字積分和計算機（ENIAC）在美國賓夕法尼亞大學誕生。1.1.4 電子計算機1937年，美國衣阿華州立學院的阿塔納1.1.4 電子計算機1.1.4 電子計算機1.1.4 電子計算機ENIAC的基本

5、情況36歲的莫奇利提出總體設計， 24歲的?？颂刎撠煿こ碳夹g問題， 30歲的戈爾斯坦負責組織協(xié)調。占地面積170平方米；用了大約18000只電子管，1500個繼電器，70000只電阻，l8000只電容；耗資近49萬美元；重30噸。運算速度為每秒5000次加法。耗電量驚人，功率為l50千瓦，常常因為電子管燒壞而需要停機檢修。存儲容量小，至多只能存20個字長為l0位的十進制數(shù)。與后來的存儲程序型的計算機不同，它的程序是外插型的，使用很不方便。1.1.4 電子計算機ENIAC的基本情況1.2 計算機的發(fā)展第一代計算機第二代計算機第三代計算機第四代計算機第五代計算機計算機的發(fā)展趨勢計算機的分類計算機的

6、特點計算機的應用領域1.2 計算機的發(fā)展第一代計算機1.2.1 第一代計算機主要特點 用電子管代替機械齒輪和繼電器作為基本元器件，運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次。采用二進制形式，程序設計語言為機器語言。程序可以存儲，使用水銀延遲線、靜電存儲管、磁鼓、磁芯等作為存儲器。輸入輸出裝置主要用穿孔卡片，速度很慢。1.2.1 第一代計算機主要特點 1.2.1 第一代計算機應用領域主要用于科學計算。代表機型IBM公司的IBM 700系列。1.2.1 第一代計算機應用領域1.2.2 第二代計算機主要特點 用晶體管代替了電子管。采用磁芯存儲器作主存，采用磁盤與磁帶作輔存。出現(xiàn)了匯編語言和高級語言；出現(xiàn)了監(jiān)控

7、程序。作為現(xiàn)代計算機體系結構的許多新技術相繼出現(xiàn)。出現(xiàn)了超級計算機。 1.2.2 第二代計算機主要特點 1.2.2 第二代計算機應用領域 科學計算：數(shù)據(jù)量不大，運算強度大。數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)量大，運算強度不大。實時控制：及時性要求高。代表機型 IBM 7000系列。 1.2.2 第二代計算機應用領域 1.2.3 第三代計算機主要特點 用集成電路取代了晶體管。用半導體存儲器淘汰了磁芯存儲器。走向了系列化、通用化和標準化。操作系統(tǒng)有了很大發(fā)展。出現(xiàn)了結構化、模塊化程序設計方法。出現(xiàn)了小型計算機。1.2.3 第三代計算機主要特點 1.2.3 第三代計算機應用領域應用領域進一步拓展。代表機型IBM 360

8、系統(tǒng)。1.2.3 第三代計算機應用領域1.2.4 第四代計算機主要特點 用微處理器或超大規(guī)模集成電路取代了普通集成電路。存儲容量進一步擴大。輸入采用了光學字符識別和條形碼等技術。高級程序設計語言得到廣泛使用。微型計算機進入了千家萬戶?；ヂ?lián)網廣泛應用，形成所謂的地球村。巨型計算機也得到快速發(fā)展。1.2.4 第四代計算機主要特點 1.2.4 第四代計算機應用領域幾乎覆蓋到人類生活的各個領域。代表機型美國IBM的 “紅杉（Sequoia）”、我國國防科大的“天河二號”。 IBM 4300系列、3080系列、3090系列 eServer z900系列、eServer z990系列 zEnterpris

9、e EC12系列（見圖片）聯(lián)想、惠普、戴爾的微機/筆記本。蘋果的iPad。1.2.4 第四代計算機應用領域1.2.5 第五代計算機研究目標使計算機能夠具有像人一樣的思維、推理和判斷能力，向智能化發(fā)展，實現(xiàn)接近人的思維方式。研究成果由于各種因素的制約，并沒有完全實現(xiàn)預期的研究目標，所以目前的計算機仍屬于第四代計算機。但這一時期在智能計算機領域完成了大量的基礎性研究工作，促進了人工智能和機器人技術的發(fā)展。目前，日本、美國的機器人技術是世界上最先進的。1.2.5 第五代計算機研究目標 1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢巨型化功能特別強大，用于解決一些特別復雜的攻關難題，如國防安全、中長期天氣預報、地質勘探

10、等。微型化在保持計算機功能的前提下，使其體積越來越小。臺式機、筆記本、平板電腦、嵌入式計算機等。 1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢巨型化1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢網絡化實現(xiàn)網絡化，才能真正做到即時通信、資源共享、協(xié)同工作，計算機才能發(fā)揮更大的作用，給人們的的日常工作和生活帶來更大的便利。1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢網絡化1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢智能化計算機處理過程化的計算工作及事務處理工作已經達到了相當高的水平，是人力望塵莫及的。但在智能性工作方面，計算機還遠遠不如人腦。如何讓計算機具有人腦的智能， 模擬人的推理、聯(lián)想、思維等 功能，是一個重要發(fā)展方向。1.2.6 計算機的發(fā)展趨勢智能化1.

11、2.7 計算機的分類超級計算機體積最大、速度最快、功能最強、價格也最高。主要為國家安全、空間技術、天氣預報、石油勘探、生命科學等領域的高強度計算服務。IBM 的Roadrunner、我國的“天和二號”都屬于超級計算機。大型計算機高性能大容量的通用計算機，標準化的體系結構和批量生產。在銀行、稅務、大型企業(yè)、大型工程設計等領域得到廣泛應用。IBM eServer z900、eServer z990、zEnterprise EC12等是典型代表。1.2.7 計算機的分類超級計算機1.2.7 計算機的分類小型計算機介于微型計算機和大型計算機之間的一種計算機。PDP系列、VAX-11系列等是代表。被高性

12、能微機取代。工作站配備有大屏幕顯示器、大容量存儲器和圖形加速卡的微型計算機。被高性能微機取代。1.2.7 計算機的分類小型計算機1.2.7 計算機的分類微型計算機臺式計算機和筆記本計算機平板電腦單片機和嵌入式計算機服務器通過網絡為客戶端計算機提供各種服務的高性能計算機。強調高速的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力。 1.2.7 計算機的分類微型計算機1.2.8 計算機的特點運算速度快世界上最快計算機的運算速度已達到5.49億億次每秒（我國的“天河二號”）。運算精度高我國古代著名數(shù)學家祖沖之計算出圓周率的值在3.14159263.1415927之間，這比西方早了一千多年。英國數(shù)學

13、家威廉尚克斯整整花了15年的時間，才把圓周率的值計算到小數(shù)點后707位。計算機用73小時將圓周率計算到小數(shù)點后25769億位。1.2.8 計算機的特點運算速度快1.2.8 計算機的特點記憶能力強如果按純文本方式存儲，1TB的硬盤可以存儲16萬冊300萬字的大部頭書籍。判斷能力好計算機和人下棋/機器人足球比賽。自動運行在程序控制下自動運行。1.2.8 計算機的特點記憶能力強1.2.9 計算機的應用領域科學計算大型工程設計、航空航天、石油勘探、核能利用、地震預報與監(jiān)測和天氣預報等。信息處理各種信息管理系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)。過程控制火星探測器、宇宙飛船、汽車自動裝配、數(shù)控機床、無人偵察機、導彈的巡航

14、飛行等都需要計算機控制。 失之毫厘，差之千里。 1.2.9 計算機的應用領域科學計算1.2.9 計算機的應用領域計算機輔助系統(tǒng)計算機輔助設計（CAD)、計算機集成制造系統(tǒng) （CIMS）、計算機輔助軟件工程（CASE）、計算機輔助教學（CAI）。人工智能IBM公司研制的深藍計算機系統(tǒng)，1997年5月，以2勝1負3平的成績戰(zhàn)勝1985年以來一直占據(jù)世界冠軍寶座的卡斯帕羅夫。網絡應用截至2013年12月，我國網民規(guī)模達到6.18億人，居世界第一。網絡已廣泛應用于人們的工作、生活和休閑娛樂中。1.2.9 計算機的應用領域計算機輔助系統(tǒng)1.3 中國計算機發(fā)展簡史1956年8月，成立了以著名數(shù)學家華羅庚教

15、授為主任的中國科學院計算技術研究所籌備委員會。1958年8月1日，我國第一臺通用小型計算機103機研制成功，仿制前蘇聯(lián)的M-3小型機。1959年10月1日，我國第一臺大型通用計算機104機研制成功，仿制前蘇聯(lián)的BCM大型機。1960年，我國第一臺自行設計的計算機107機研制成功，運算速度為250次每秒。1964年，我國第一臺自行設計的大型通用計算機119機研制成功，浮點運算速度為5萬次每秒。1.3 中國計算機發(fā)展簡史1956年8月，成立了以著名數(shù)學家1.3 中國計算機發(fā)展簡史1965年4月，我國第一臺自行設計的晶體管計算機441-B通過國家鑒定，運算速度為1.2萬次每秒浮點運算。1967年9月

16、，大型通用晶體管計算機109丙研制成功，浮點運算速度為11.5萬次每秒（功勛計算機）。1972年正式交付使用的111計算機，采用小規(guī)模集成電路。1973年8月，集成電路計算機150機研制成功。1985年，研制成功與IBM PC機兼容的長城0520CH微機。1983年11月，研制成功我國第一臺大型向量機-757機。1.3 中國計算機發(fā)展簡史1965年4月，我國第一臺自行設計1.3 中國計算機發(fā)展簡史1983年11月，運算速度為1億次每秒的向量巨型計算機銀河-在國防科技大學研制成功。1992年11月，研制成功10億次每秒的銀河-。1997年6月，研制成功130億次每秒的銀河-。 1.3 中國計算機

17、發(fā)展簡史1983年11月，運算速度為1億次1.3 中國計算機發(fā)展簡史1993年10月，中科院計算所研制成功曙光一號計算機。1995年以后，研制成功曙光1000/2000/3000/4000A。2008年6月，超級計算機曙光5000A研制成功，使用了6600顆AMD巴塞羅那型4核處理器，峰值運算速度達到每秒230萬億次，世界高性能計算機排名第十（2008年11月）。1.3 中國計算機發(fā)展簡史1993年10月，中科院計算所研制1.3 中國計算機發(fā)展簡史2002年9月，我國首枚具有自主知識產權的高性能通用CPU芯片龍芯1號通過鑒定。2006年9月，增強型龍芯2號龍芯2E通過鑒定，主頻最高達到1GHz

18、，定點運算速度達到每秒20億次。2007年7月，性能更優(yōu)的龍芯2F流片成功。2009年9月，4核CPU龍芯3A流片成功。2012年10月， 8核CPU龍芯3B1500流片成功1.3 中國計算機發(fā)展簡史2002年9月，我國首枚具有自主知1.3 中國計算機發(fā)展簡史2010年8月，國防科技大學研制成功的“天河一號”超級計算機（二期系統(tǒng)），峰值運算速度達到4.7千萬億次每秒。在2010年11月公布的國際500強超級計算機排行榜中，“天河一號”名列第一。2013年5月，國防科技大學研制成功的“天河二號”超級計算機，峰值運算速度達到5.49億億次每秒。在2013年6月和2013年11月公布的國際500強超

19、級計算機排行榜中，“天河二號”均名列第一。1.3 中國計算機發(fā)展簡史2010年8月，國防科技大學研制成1.3 中國計算機發(fā)展簡史1.3 中國計算機發(fā)展簡史1.3 中國計算機發(fā)展簡史“天河二號”超級計算機包含16000個運算節(jié)點，每節(jié)點配備2顆Intel Xeon E5 12核心的CPU、3個Intel Xeon Phi 57核心的運算協(xié)處理器。共計包含32000顆Xeon E5主處理器和48000個Xeon Phi協(xié)處理器，共312萬個運算核心。峰值運算速度為5.49億億次每秒，持續(xù)運算速度達到3.39億億次每秒?！疤旌佣枴泵總€節(jié)點擁有64GB內存，而每個Xeon Phi協(xié)處理器板載8GB內

20、存，每節(jié)點共88GB內存，整臺計算機的內存總計為1.408PB（1408萬億字節(jié)）。外存為12.4PB（12400萬億字節(jié)）容量的硬盤陣列。配置的操作系統(tǒng)為具有自主知識產權的國產麒麟操作系統(tǒng)。1.3 中國計算機發(fā)展簡史“天河二號”超級計算機包含16001.3 中國計算機發(fā)展簡史“天河二號”由170個機柜組成，包括125個計算機柜、8個服務機柜、13個通信機柜和24個存儲機柜，占地720平方米。每個計算機柜容納4個機架，每個機架容納16塊主板，每個主板設置有兩個運算節(jié)點。由280人歷時兩年多研制完成，耗資約1億美元?！疤旌佣枴钡南到y(tǒng)存儲總容量相當于600億冊每冊10萬字的圖書。假設每人每秒鐘進

21、行一次運算，“天河二號”運算一小時，相當于13億人同時用計算器算上1000年。使用“天河二號”可以模擬到5000年前甚至更遠的氣候變化；傳統(tǒng)手段研發(fā)新車一般要經過上百次碰撞實驗，歷時兩年多才能完成，而利用“天河二號”進行模擬只需35次實車碰撞，兩個月即可完成。 1.3 中國計算機發(fā)展簡史“天河二號”由170個機柜組成，包1.4 著名的計算機公司Intel公司IBM公司微軟公司聯(lián)想集團公司1.4 著名的計算機公司Intel公司1.4.1 Intel公司成立于1968年，名字取自兩個英文單詞Integrated和 Electronic的組合，中文翻譯成英特爾。1971年，推出了世界上第一枚微處理器

22、4004。1978年后，陸續(xù)推出8086/286/386/486。1993年后，陸續(xù)推出Pentium/P2/P3/P4。2006年，酷睿2（Core 2 Duo）問世。2010年，推出基于sandy bridgr微架構的Core i3/i5/i7。2013年，Haswell CPU問世。近些年的CPU用到了超線程、多核等技術。 1.4.1 Intel公司成立于1968年，名字取自兩個英文1.4.2 IBM公司IBM公司的全稱為國際商業(yè)機器公司 （International Business Machines Corporation）。早期產品是打孔卡片制表機 。1952年12月研制出IBM第

23、一臺存儲程序計算機IBM 701，IBM公司逐步占據(jù)了計算機制造業(yè)的霸主地位。大型計算機有IBM700系列/360系列/4300系列/zEnterprise EC12系列等。個人計算機有IBM PC系列。超級計算機有IBM BlueGene 系列。2013年11月公布的全球10臺最高性能超級計算機中，有5臺是IBM公司的產品。1.4.2 IBM公司IBM公司的全稱為國際商業(yè)機器公司1.4.3 微軟公司微軟公司誕生于1975年，由比爾蓋茨和保羅艾倫創(chuàng)立。1975年7月，他們與MITS簽署協(xié)議，允許MITS在全世界范圍內使用和轉讓Basic及源代碼，蓋茨他們獲利18萬美元。1981年6月，為IBM

24、 PC機開發(fā)出操作系統(tǒng)MS-DOS，在1985年到1995年間占據(jù)PC機操作系統(tǒng)的統(tǒng)治地位。 1985年6月，開發(fā)出OS/2操作系統(tǒng)，贏利20億美元。1995年推出Windows95，逐漸取代了MS DOS，之后有98/2000/XP/Vista/7/8等版本。目前有辦公軟件/數(shù)據(jù)庫/瀏覽器/開發(fā)工具等。1.4.3 微軟公司微軟公司誕生于1975年，由比爾蓋茨和1.4.4 聯(lián)想集團公司1984年10月成立，11名科技人員/20萬元資金/一間20平米的平房。早期產品是“聯(lián)想式漢字系統(tǒng)”聯(lián)想漢卡。1990年開始推出聯(lián)想微機。1996年，聯(lián)想微機首次位居國內市場占有率第一。 2005年5月1，聯(lián)想集

25、團以17.5億美元正式完成對IBM全球PC業(yè)務的收購。2008年北京奧運會贊助商，提供3萬臺計算設備。2012年，使聯(lián)想成為全球個人電腦行業(yè)的第一大供應商。2012/2013財年的營業(yè)收入達到2086億元。1.4.4 聯(lián)想集團公司1984年10月成立，11名科技人1.5 著名的計算機科學家計算機理論和結構的奠基人阿倫圖靈（A. M. Turing，1912-1954） 馮諾依曼（J. von Neumann，1903-1957） 中國國家最高科學技術獎獲得者吳文?。?919-）王 選（1937-2006） 金怡濂（1929-）1.5 著名的計算機科學家計算機理論和結構的奠基人1.5.1 圖靈1

26、936年，圖靈發(fā)表的論文“論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用”奠定了計算機理論基礎。圖靈提出的計算模型被稱作圖靈機。1950年，發(fā)表論文“計算機器和智能”，提出了圖靈測試 。美國計算機學會設有圖靈獎。1.5.1 圖靈1936年，圖靈發(fā)表的論文“論可計算數(shù)及其在1.5.2 馮諾依曼1944年夏天，戈爾斯坦偶遇馮諾依曼，后者了解了正在研制中的ENIAC。1945年6月30日，莫爾學院發(fā)布了馮諾依曼總結的EDVAC方案。EDVAC奠定了現(xiàn)代計算機的基本結構。明確了計算機的5個組成部分。采用二進制計數(shù)和計算。采用存儲程序方式。1.5.2 馮諾依曼1944年夏天，戈爾斯坦偶遇馮諾依曼1.5.3 吳文俊提出

27、了全新的計算機證明幾何定理的吳方法。把邏輯推理問題轉換成計算問題。提出了求解非線性方程組的完整方法。目前從事數(shù)學機械化的研究。1.5.3 吳文俊提出了全新的計算機證明幾何定理的吳方法。1.5.4 王選在漢字激光照排領域做出了突出貢獻。漢字字形的壓縮和還原技術。以頁面描述語言為基礎的遠程傳版新技術。開放式彩色桌面出版系統(tǒng)。新聞采編流程計算機管理系統(tǒng)。 中國計算機學會設有王選獎。1.5.4 王選在漢字激光照排領域做出了突出貢獻。1.5.5 金怡濂在高性能計算機領域做出了重要貢獻。參加了我國第一臺大型通用電子計算機104機的研制。主持完成了多機并行計算機系統(tǒng)的研制。研制出國內領先水平的并行計算機系統(tǒng)

28、 。主持研制成功神威巨型計算機系統(tǒng)。1.5.5 金怡濂在高性能計算機領域做出了重要貢獻。1.6 計算機學術組織電氣和電子工程師學會計算機協(xié)會Institute of Electrical and Electronic Engineers-Computer Society簡記 IEEE-CS美國計算機學會Association for Computing Machinery簡記 ACM中國計算機學會China Computer Federation簡記 CCF1.6 計算機學術組織電氣和電子工程師學會計算機協(xié)會1.7 計算機獎項國際ACM圖靈獎（Turing Award）IEEE-CS計算機先驅獎（Computer Pioneer Award） 國內國家最高科學技術獎國家自然科學獎國家技術發(fā)明獎國家科技進步獎中國計算機學會的王選獎1.7 計算機獎項國際1.7.