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第1章前世今生

--計算與計算機學習目標理解計算和計算機器理解計算機科學和計算機科學中的經典問題熟悉計算機硬件和軟件發(fā)展的歷史和趨勢了解計算機用戶角色的轉換了解系統(tǒng)程序員和應用程序員掌握計算機系統(tǒng)的概念掌握計算機系統(tǒng)的分層結構掌握計算機的特點、分類理解計算機對生活方式的改變了解計算機的應用領域內容提要認識計算機和計算機科學計算機的發(fā)展從計算工具到計算機計算機硬件發(fā)展計算機軟件發(fā)展計算機系統(tǒng)及其抽象分層計算機的特點及分類計算機與社會什么是計算?1.1.1計算與計算機計算是“數據”在“運算符”的操作下,按“規(guī)則”進行的數據變換3+5=8各種計算“規(guī)則”越來越復雜,加減運算、對數運算、指數運算、微積分運算......除了學規(guī)則外,還要應用這些“規(guī)則”來求解各種問題“規(guī)則”可以學習,但是應用“規(guī)則”來求解問題有時卻超出了人的計算能力…知道規(guī)則,很難(或者沒有辦法)通過人工計算得到結果化簡,把復雜問題化簡為簡單規(guī)則的組合設計一種機器,代替人工計算用來幫助人們計算的機器稱為計算機等式數目比未知數數目少;要求找出對所有等式都成立的整數組合問題?(1)哪些問題可以自動計算?哪些問題可以在有限時間、有限空間內自動計算?算法分析(2)如何低成本、高效地實現(xiàn)自動計算?構建計算機器(3)如何方便有效地利用計算機器進行計算。計算機的應用1.1.2計算機科學研究計算機器和可計算系統(tǒng)的理論方面的學科,包括:計算系統(tǒng)的硬件設計與構造、發(fā)現(xiàn)和提出新的問題、尋找新問題的求解算法、發(fā)現(xiàn)和設計使用計算機的新方式圍繞如何構造各種計算機器

應用各種計算機器理解計算系統(tǒng)是如何工作的?理解如何利用計算系統(tǒng)來控制和處理現(xiàn)實世界的各種事物?計算思維(ComputationalThinking)Learning<->Doing<->Thinking1.1.3計算機科學中的經典問題經典問題往往以深入淺出的形式來表達深奧的科學規(guī)律和本質內容,在學科研究中常常用來輔助說明思想、原理、方法和技術哥尼斯堡七橋問題與圖論哲學家就餐問題與資源管理漢諾塔問題與可計算性證比求易問題與并行計算TSP問題與組合爆炸問題兩軍問題與計算機網絡圖靈測試與人工智能Story1哥尼斯堡七橋問題與圖論哥尼斯堡七橋問題與圖論歐拉回路的判定規(guī)則:(1)如果通奇數橋的地方多于兩個,則不存在歐拉回路;(2)如果只有兩個地方通奇數橋,可以從這兩個地方之一出發(fā),找到歐拉回路;(3)如果沒有一個地方是通奇數橋的,則無論從哪里出發(fā),都能找到歐拉回路。CADB“七橋”是圖論研究的開始,圖論已廣泛應用在計算學科、運籌學、控制論、信息論等學科中抽象是提取問題中最本質的東西,忽視問題非本質的東西哈密頓回路問題哈密頓回路:要求從一個城市出發(fā),經過每個城市恰好一次,然后回到出發(fā)城市。1983141202131545679101112161718尚未找到圖G是否存在哈密頓回路的充分必要條件Story2哲學家共餐問題與資源管理

哲學家的生活進程可表示為:(1)思考問題;(2)餓了停止思考,左手拿起一只筷子(如果左側哲學家已持有它,則等待);(3)右手拿起一只筷子(如果右側哲學家已持有它,則等待);(4)進餐;(5)放下左手筷子;(6)放下右手筷子;(7)重新回到狀態(tài)(1)思考問題;哲學家共餐問題與資源管理程序并發(fā)執(zhí)行時進程同步的兩個關鍵問題——死鎖和資源耗盡:(1)按哲學家的生活進程,當所有的哲學家都同時拿起左手筷子時,則所有哲學家都將拿不到右手筷子,并處于等待狀態(tài),那么,哲學家都將無法進餐,最終餓死。(2)將哲學家的生活進程修改為當拿不到右手筷子時,就放下左手筷子。但是,可能在一個瞬間,所有的哲學家都同時拿起左手筷子,則自然拿不到右手筷子,于是都同時放下左手筷子,等一會,又同時拿起左手筷子,如此重復下去,則所有的哲學家都將無法進餐。操作系統(tǒng)必須徹底解決由于資源共享而產生的--競爭問題!Story3漢諾塔問題與可計算性在世界剛被創(chuàng)建的時候有一座鉆石寶塔(塔A),其上有64個金碟。所有碟子按從大到小的次序從塔底堆放至塔頂。緊挨著這座塔有另外兩個鉆石寶塔(塔B和塔C)。從世界創(chuàng)始之日起,婆羅門的牧師們就一直在試圖把塔A上的碟子移動到塔C上去,其間借助于塔B的幫助。每次只能移動一個碟子,任何時候都不能把一個碟子放在比它小的碟子上面。當牧師們完成任務時,世界末日也就到了。漢諾塔問題與可計算性BABCABCAACABC(a)(b)(c)(d)漢諾塔問題與可計算性n個碟子的漢諾塔問題需要移動的碟子數是n-1第一步為,第二步為1,第三步為。因此:漢諾塔問題與可計算性●64個碟子的漢諾塔問題,需要移動的碟子數為:

264-1=18,446,744,073,709,551,615●

如果每秒移動一次,一年有31,536,000秒,則僧侶們一刻不停地來回移動,也需要花費5849億年的時間●假定計算機以每秒1000萬個碟子的速度進行移動,則需要花費58,490年的時間。理論上可以計算的問題,實際上并不一定能行,這屬于計算復雜性領域的研究內容。將可以在多項式時間內求解的問題看作是易解問題,可以在可接受的時間內實現(xiàn)問題求解;將需要指數時間求解的問題看作是難解問題,計算時間隨著問題規(guī)模的增長而快速增長計算問題分為可計算(理論上可計算&時間上可計算)與不可計算從前,有一個酷愛數學的年輕國王艾述向鄰國一位聰明美麗的公主秋碧貞楠求婚。公主出了這樣一道題:求出48770428433377171的一個真因子。若國王能在一天之內求出答案,公主便接受他的求婚。國王回去后立即開始逐個數地進行計算,他從早到晚,共算了三萬多個數,最終還是沒有結果。國王向公主求情,公主將答案相告:233092827是它的一個真因子。國王很快就驗證了這個數確能除盡48770428433377171這個數。公主說:“我再給你一次機會,如果這次你還求不出來,將來你只好做我的證婚人了?!盨tory4證比求易問題與并行計算證比求易問題與并行計算國王立即回國,向時任宰相的大數學家孔喚石求教,大數學家在仔細地思考后認為一個17位的數,其最小的一個真因子不會超過9位,于是,他給國王出了一個主意:按自然數的順序給全國的老百姓每人編一個號發(fā)下去,等公主給出數目后,立即將它通報全國,讓每個老百姓用自己的編號去除這個數,除盡了就立即上報,賞金兩萬。經過宰相孔喚石的指點,國王最終求婚成功。證比求易問題●

在計算復雜性領域中,一般認為求解一個問題往往比較困難,但驗證一個問題相對來說就比較容易——證比求易。●求大整數S=48770428433377171的因子是個難解問題,但是驗證a=223,092,871是不是大整數S的因子卻很容易;●求一個線性方程組的解可能很困難,但是驗證一組值是否是方程組的解卻很容易。

當將一個問題分解到多個處理器上解決時,由于算法中不可避免地存在必須串行執(zhí)行的操作,從而大大地限制了并行計算機系統(tǒng)的加速能力。就難解性問題而言,單純地提高計算機系統(tǒng)的速度是遠遠不夠的,而降低算法的復雜度的數量級才是最關鍵的。Story5TSP問題與組合爆炸TSP問題(又稱貨郎擔問題、郵遞員問題、售貨員問題)是數學家克克曼于19世紀初提出的一個數學問題,是指旅行家要旅行n個城市然后回到出發(fā)城市,要求各個城市經歷且僅經歷一次,并要求所走的路程最短。由于TSP問題有著貌似簡單的表述、重要的應用、以及和其他NP完全問題的重要關系,它在近200年的時間里強烈地吸引著計算機科學工作者。TSP問題8abdc23571否18a→d→c→b→a6否23a→d→b→c→a5是11a→c→d→b→a4否23a→c→b→d→a3是11a→b→d→c→a2否18a→b→c→d→a1是否最短路徑長度路徑序號●10城市的TSP問題有大約180,000個可能解。●

20城市的TSP問題有大約60,000,000,000,000,000個可能解?!?/p>

50城市的TSP問題有大約1062個可能解,而一個行星上也只有1021升水。TSP問題對于具有n個頂點的TSP問題,可能的解有:

(n-1)!/2個。

組合爆炸●組合優(yōu)化問題:尋找一個組合對象,比如一個排列或一個組合,這個對象能夠滿足特定的約束條件并使得某個目標函數取得極值?!駸o論從理論的觀點還是實踐的觀點,組合優(yōu)化問題都是計算領域中最難的問題,其原因是:(1)隨著問題規(guī)模的增大,組合對象的數量增長產生組合爆炸;(2)還沒有一種已知算法能在可接受的時間內,精確地求解絕大多數這類問題。Story6

兩軍問題與計算機網絡一支白軍被圍困在一個山谷中,山谷的兩側是藍軍。困在山谷中的白軍人數多于山谷兩側的任一支藍軍,而少于兩支藍軍的總和。若一支藍軍對白軍單獨發(fā)起進攻,則必敗無疑;但若兩支藍軍同時發(fā)起進攻,則可取勝。兩支藍軍希望同時發(fā)起進攻,這樣他們就要傳遞信息,以確定發(fā)起攻擊的具體時間。假設他們只能派譴士兵穿越白軍所在的山谷(惟一的通信信道)來傳遞信息,那么在穿越山谷時,士兵有可能被俘,從而造成消息的丟失。現(xiàn)在的問題是:如何通信,以便藍軍必勝。不存在使藍軍必勝的通信約定(協(xié)議)兩軍問題與計算機網絡網絡協(xié)議(簡稱協(xié)議),是為網絡中的數據交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合互聯(lián)網軟件的分層結構計算機網絡云服務Story7圖靈測試與人工智能提問者回答者A

回答者B“機器能思考嗎?”人工智能分布式的控制系統(tǒng)將很多模式的識別和決策分配給了現(xiàn)場的控制設備,這些控制設備對生產過程所產生的數據以及背后的模式會有深刻的了解,進而做出代替人腦的智能判斷我們雖然可以對語言進行準確的識別,但是人類表達中那些微妙語意,以及語言背后的情感和雙關語是機器今天無法理解的,關于語意的識別需要構建更新的類似人腦的模式分辨方式和新的學習系統(tǒng)人工智能研究方向一在人工智能方面,有兩個主要的研究方向:一種是采用傳統(tǒng)的編程技術,使系統(tǒng)呈現(xiàn)智能的效果,而不考慮所用方法是否與人或動物機體所用的方法相同,這種方法叫工程學方法,這一方面的成果是極其顯著的。包括科大訊飛的語音識別,還有IBM的人機大戰(zhàn)的成功,都屬于工程學的方法。人工智能研究方向二另一種是模擬法,與人類或生物機體所用的方法相同或類似:原則是編程者為每一個角色設計一個智能系統(tǒng)來進行控制,這個智能系統(tǒng)可能開始時候什么也不懂,就像出生嬰兒一樣,但是它能夠快速學習,逐漸適應環(huán)境,甚至通過犯錯不斷吸取教訓,下一次運行的時候就能改正,至少不會永遠錯下去……遺傳算法和人工神經網絡,都屬于這個范疇。因為第一種工程學的方法會占用大量的計算資源,而當我們考察人腦的運行方式的時候,會發(fā)現(xiàn)它更接近模型法。其實在實時處理龐大的數據方面,雖然人腦略遜一籌,而且運行速度也比較慢,也不夠精確,但是在識別、解釋和根據模式做出反應方面,人腦卻是當前的計算機根本無法代替的。而且整個大腦耗費的能源與一個20W的燈泡相當,所占體積也不足2L,但是在大規(guī)模計算機系統(tǒng),99%的系統(tǒng)分給了供電和降溫,僅用1%來處理信息。因此科學家們一直試圖模擬人腦工作的芯片,IBM在這方面已經獲得了關鍵突破,2014年8月,IBM對外宣稱,他們開發(fā)的新一代芯片TrueNorth,采用模擬人腦結構中的神經突觸內核,其芯片采用了54億個晶體管。是傳統(tǒng)PC處理的4倍以上,其效果相當于100萬個神經元和2.56億個突觸。每一個結構都能使用一種名叫Crossbar的通信模式來存儲處理,并向其他結構傳輸數據,每一個這樣的內核都使用了事件驅動設計,也就是說它不會一直運行,只有在需要的時候次才會啟動,從而使得芯片運行更節(jié)能。1.2計算機的發(fā)展了解歷史可以了解技術的進步、解釋為什么計算機是今天這個樣子,對我們有什么啟示,為進一步發(fā)展奠定了基礎計算涉及到數據、規(guī)則和規(guī)則的執(zhí)行,計算機器必須解決的問題數據如何表示、如何存儲及自動存儲;計算規(guī)則如何表示、如何執(zhí)行及自動執(zhí)行不同的發(fā)展階段體現(xiàn)了對這些問題的解決方式計算輔助工具Pascal機械計算機:自動計算--固定的計算規(guī)則Babbage機械計算機:(特定)程序--可有限變化的計算規(guī)則現(xiàn)代計算機:一般程序--任意可變的計算規(guī)則計算機器的簡要發(fā)展歷程從表示-自動存儲-自動執(zhí)行計算機的發(fā)展歷史(年代)手動式計算工具20世紀60年代機械式計算工具1642年1886年機電式計算機20世紀30年代電子計算機元代1300年算盤遠古1832年分析機計算器計算機的硬件發(fā)展計算機的前世——手工計算工具——機械式計算工具——機電式計算機計算機的今生電子——計算機是一種電子設備數字——計算機內部是二進制數字世界計算機的未來●中國:結繩記事算籌算盤●英國:Napier算籌

計算尺●計算工具:手指算籌

●運算:加減運算乘除運算乘方、開方、三角函數算盤計算尺早期歷史——手工計算工具跳過詳細內容到機械式計算工具早期歷史——手工計算工具英國的巨石柱群(Stonehenge):多年來,科學家與考古學家對于在西歐許多地區(qū)發(fā)現(xiàn)的由石塊圍成的圓圈非常感興趣.其中英國的巨石柱群是最典型的例子,其石塊位置與太陽位置之間的關聯(lián)使得有人將巨石柱群描繪成一部天文電腦。早期歷史——手工計算工具算籌:第一個人造計算工具。

我國古代勞動人民最先創(chuàng)造和使用了這種簡單的計算工具。

南北朝時期,祖沖之用算籌作為計算工具將圓周率精確到3.1415926和3.1415927之間。春秋戰(zhàn)國時期

祖沖之(429—500年)

算盤:計算工具發(fā)展史上第一次重大改革。●我國古代勞動人民創(chuàng)造的?!裨谟⒄Z中,算盤有兩種拼法:abacus和Suan-Pan。

算盤由算籌演變而來,并且和算籌并存競爭了一個時期,終于在元代后期取代了算籌。元代后期早期歷史——手工計算工具早期歷史——手工計算工具納皮爾Napier算籌:英國人發(fā)明。

用加法操作來實現(xiàn)乘法操作。

1617年……數學原理:根據對數原理,在兩個圓盤的邊緣標注對數刻度,然后讓它們相對轉動,基于對數原理用加減法來實現(xiàn)乘除運算。18世紀末,瓦特在尺座上添置了一個滑標。1621年對數計算尺:英國人發(fā)明。早期歷史——手工計算工具早期歷史——機械式計算工具1623年,德國科學家契克卡德(W.Schickard)為天文學家開普勒(Kepler)制作了一臺機械計算機。這臺機械計算機能做6位數加減法,還能做乘法運算帕斯卡加法器:法國人發(fā)明。背景:鐘表技術、齒輪技術。帕斯卡加法器由齒輪組成、以發(fā)條為動力、通過轉動齒輪來實現(xiàn)加減運算、用連桿實現(xiàn)進位。1642年啟示:可以用機械工具來模擬人的思維活動。早期歷史——機械式計算工具萊布尼茨四則運算器:德國人發(fā)明。工作原理同帕斯卡加法器,能進行四則運算。乘法運算采用進位-加,后來演化為二進制,被現(xiàn)代計算機采用。1673年需要手動上發(fā)條,然后就可以機械地實現(xiàn)計算——手動機械。早期歷史——機械式計算工具

Jacquard織布機:法國人發(fā)明。用穿孔卡片控制紡織圖案JosephJacquard(杰卡德)發(fā)明,可編程織布機,通過讀取穿孔卡片上的編碼信息來自動控制織布機的編織圖案。不是計算設備,第一次使用了穿孔,為輸入設備的出現(xiàn)奠定了基礎20世紀70年代還在普遍使用。1804年早期歷史——機械式計算工具0101001000110100011001011822年差分機:英國人(巴貝奇)發(fā)明。背景:英國工業(yè)革命,航海和天文計算。原理:任何連續(xù)函數都可以用多項式嚴格地逼近,例如:早期歷史——機械式計算工具采用寄存器(齒輪式裝置)來存儲數據,使計算工具從手動機械躍入自動機械。第一次出現(xiàn)內存。不僅輸入信息需要機械化,而且操作信息也要機械化。分析機:英國人(巴貝奇)發(fā)明。背景:瓦特發(fā)明了蒸氣機。以齒輪為元件、以蒸汽為動力。雖然沒有實現(xiàn),但意義重大,采用了具有現(xiàn)代意義的裝置:(1)存儲裝置(2)運算裝置(3)控制裝置(4)輸入和輸出裝置1832年早期歷史——機械式計算工具采用了與Jacquard織布機類似的卡片輸入●英國著名詩人拜倫的獨生女愛達?奧古斯塔為分析機編制了人類歷史上第一批計算機程序?!駳v史上第一位程序員?!駩圻_和巴貝奇為計算機的發(fā)展創(chuàng)造了不朽的功勛,他們對計算機的預見超前了一個多世紀,正是他們的辛勤努力,為后來計算機的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎。愛達(Ada)早期歷史——機械式計算工具制表機:美國人發(fā)明。背景:機電技術、美國人口普查,參與了美國1890年的人口普查工作第一臺自動進行加減乘除運算、累計存檔、制作報表的機電式計算工具。輸入、輸出、存儲均用穿孔卡片。人類歷史上第一次利用計算工具進行大規(guī)模數據的自動處理。Hollerith被稱為“信息處理之父”雇傭第一批“數據錄入員”來處理穿孔卡Hollerith創(chuàng)建了IBM公司1886年早期歷史——機電式計算機機械和電子設備的總稱布爾:英國數學家。他的最大發(fā)現(xiàn)就是用一套符號來進行邏輯演算,即布爾代數。布爾代數:關于0和1的代數系統(tǒng),用基礎的邏輯符號系統(tǒng)描述物體和概念,這為今后數字計算機開關電路設計提供了最重要的數學方法。早期歷史——數字計算機的萌芽香農:1938年在MIT獲得電氣工程碩士學位,碩士論文題目是《繼電器與開關電路的符號分析》。在布爾代數和繼電器開關電路之間架起了橋梁。把布爾代數的“真”與“假”和電路系統(tǒng)的“開”與“關”對應起來,并用1和0表示。于是他用布爾代數分析并優(yōu)化開關電路,這就奠定了數字電路的理論基礎。早期歷史——數字計算機的萌芽用于復數計算的全電磁式計算機model-K:美國斯蒂比茲(G.Stibitz)制造將電傳打字機用電話線連接上遠在紐約的計算機,異地操作進行復數計算,實現(xiàn)了計算機的遠程通信。是實現(xiàn)計算機遠程遙控的第一人,而且也是舉世公認的“數字計算機之父”。早期歷史——機電式計算機Z系列計算機:德國人發(fā)明朱斯(K.Zuse):第一個采用電器元件制造計算機先后研制出Z-1、Z-2、Z-3、Z-4第一臺采用二進制和繼電器的通用程序計算機。二進制、浮點記數法、帶存儲地址的指令等思想已經有人提出,但朱斯第一次將這些思想具體實現(xiàn)。成立了朱斯計算機公司1938年早期歷史——數字計算機的萌芽巨人計算機:英國人制造1941年,朱斯向德國政府申請基金用來建造計算機,用于破譯敵人的密碼,德國政府沒有批準。與此同時,英國政府秘密組建一個由科學家和工程師組成的絕密小組,他參與了世界上最早的電子計算機的研制工作。1943年,圖靈等人研制成功Colossus(巨人計算機),使得英國軍方能夠竊取并破譯德國的軍事情報。1943年早期歷史——數字計算機的萌芽圖靈:英國著名的數學家和邏輯學家,被稱為計算機科學之父、人工智能之父,是計算機邏輯的奠基者。人們?yōu)榧o念其在計算機領域的卓越貢獻而設立“圖靈獎”。1945年,提出了通用計算機的概念1947年,提出自動程序設計的思想1950年,提出關于機器思維的問題,他的論文“機器能夠思維嗎?引起了廣泛的注意和深遠的影響。1952年,寫了一個國際象棋程序。早期歷史——數字計算機的萌芽控制論之父:維納一戰(zhàn)期間,在阿貝丁試炮場,為高射炮編制射程表1940年,維納提出:現(xiàn)代計算機應該是數字式的、由電子元件構成、采用二進制、內部存儲數據1948年,維納發(fā)表《控制論》早期歷史——數字計算機的萌芽MARK-I:美國人1944年研制成功。是世界上第一臺大型通用自動數字計算機哈佛大學數學教授霍華德·艾肯在讀過巴貝奇和愛達的筆記后,被巴貝奇的遠見卓識所震驚,提出用機電的方法,而不是純機械的方法來實現(xiàn)分析機。在IBM的資助下完成的1936年早期歷史——數字計算機的出現(xiàn)MARK-I部分繼電器,MARK-II全部采用繼電器MARK-III采用電子管早期歷史——數字計算機的出現(xiàn)ENAIC:1946年,第一臺真正運轉的數字計算機,馮.諾伊曼做顧問ENIAC致命的缺陷有兩個:一是沒有存儲器;二是用布線接板進行控制馮.諾伊曼開始致力于另一臺著名機器EDVAC的建造,通常稱為馮.諾伊曼機此時,明確提出計算機的五大部件,并用二進制代替十進制運算1.2.2計算機的今生計算機是用來進行高速計算的電子計算機器計算機要解決的幾個問題“控制與計算”----微處理器,又稱CPU(CentralProcessingUnit)“輸入”----如何將外部信息輸入到計算機中?“輸出”----如何將計算機中信息輸出到外界(顯示或打印)?“永久存儲與臨時存儲”----如何將計算機中的信息永久保存或臨時保存?計算機的發(fā)展是伴隨著構成計算機的元器件和各個構成部件的發(fā)展而發(fā)展電子管:可自動控制0和1變化的元件晶體管集成電路:可自動實現(xiàn)一定變換的元件超大規(guī)模集成電路(VLSI)元器件的發(fā)展計算的控制體積越來越??;可靠性越來越高;電路規(guī)模越來越大;速度越來越快;功能越來越強大;元器件的發(fā)展對我們的啟示從輸入變換到輸出從單個到復雜系統(tǒng)微處理器字長。CPU一次操作所能處理的二進制數據的位數稱為字長。微處理器的字長從早期的4位、8位、16位發(fā)展到現(xiàn)在的32位、64位和128位等。主頻。CPU每秒所能完成操作的次數稱為主頻,是CPU工作的時鐘頻率。第一臺計算機主頻只有4.77MHz,發(fā)展到幾十MHz、幾百MHz、幾GHz,現(xiàn)在已經達到幾十GHz。晶體管數量。由于光刻技術、納刻技術的發(fā)展,微處理器芯片上晶體管的數目不斷增多,第一臺計算機有18000個電子管,發(fā)展為幾十萬只、幾百萬只、幾千萬只、幾億只,現(xiàn)在已經超過幾十億只。微處理器:將運算和執(zhí)行部件集成在一塊芯片上,稱為中央處理單元(CentralProcessingUnit,CPU)輸入設備穿孔卡片(0和1的輸入)

鍵盤(文字符號的輸入)

鼠標(點輸入)

掃描儀(紙質文檔/圖像的輸入)

觸摸屏(人對屏幕上圖形的直接控制)

語言輸入(自動識別人的語音)

體感設備(感知人體的動作輸入)

物聯(lián)網(感知周圍環(huán)境變化的輸入)輸出設備顯示器CRT

光柵掃描顯示器

數字光柵掃描顯示器

液晶顯示器

等離子顯示器

三維顯示器

觸控顯示器等打印機存儲設備汞延遲線磁芯、磁帶和磁鼓“溫徹斯特”硬盤SerialATA接口的硬盤CD-ROM光盤驅動器DVD光盤FlashRAM、MultimediaCard、USBremovabledisk、固態(tài)硬盤、納米存儲、量子存儲等。從微處理器使用的元器件可以把計算機分為4代,同時伴隨的是各部件的發(fā)展由于計算機仍然在使用電路板,仍然在使用微處理器,仍然沒有突破馮·諾依曼體系結構,所以,我們還不能為這一代計算機畫上休止符。1946年1959年1965年1971年第一代計算機第二代計算機第三代計算機第四代計算機計算機的發(fā)展標志:1946年ENIAC。電子元件:電子管。主存儲器:磁鼓,輔助存儲設備:磁帶外設:輸入設備:穿孔卡片

輸出設備:穿孔卡片或行式打印機所需環(huán)境:可控制溫度的機房。重大事件:1951年問世的UNIVAC準確預測了1952年美國大選艾森豪威爾獲勝;1952年IBM生產第一批商業(yè)化計算機IBM701。用戶:政府和銀行,主要用于科學計算第一代計算機(1946-1959)UNIVAC計算機:第一款商用計算機奠定了計算機工業(yè)的基礎用于美國人口普查局、美國總統(tǒng)大選莫克利??颂氐谝淮嬎銠C(1946-1959)標志:1959年菲爾克公司研制成功晶體管計算機。電子元件:晶體管(1948年美國貝爾實驗室發(fā)明)主存儲器:磁芯,輔助存儲器:磁盤引進編址寄存器和浮點運算硬件典型的計算機:IBM7094,CDC1640等。用戶:科學計算、數據處理和工業(yè)控制。計算機的發(fā)展第二代計算機(1959-1964)IBM:InternationalBusinessMachines,國際商業(yè)機器公司CDC:ControlDataCorporation,控制數據公司標志:IBM360系列計算機電子元件:集成電路主存儲器:半導體存儲器用戶:政府機構、中小企業(yè)等重大事件:1965年DEC公司推出小型計算機PDP-8開始使用微程序設計技術,出現(xiàn)了終端計算機的發(fā)展第三代計算機(1965-1971)DEC:DigitalEquipmentCorporation,數字設備公司摩爾定律:一個集成電路板上能夠容納的電路的數量每年增長一倍。集成電路:將大量的晶體管和電子線路集成在一塊硅片上,因此也稱芯片。標志:Intel公司研制的微處理器Intel4004電子元件:大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路重大事件:微型計算機——PC機的出現(xiàn)工作站——Sun公司推出Risc工作站,使用unix巨型計算機——“銀河”億次巨型計算機。用戶:各行各業(yè),男女老少。計算機的發(fā)展第四代計算機(1971-至今)70年代末,出現(xiàn)了個人計算機:IBMPC是1981年面世1976年蘋果公司成立,推出APPLEI;1977年推出非常受歡迎的的APPLEII;性能好、價格低,時價相當于一臺高檔家電。微型計算機的發(fā)展微型計算機的誕生1984年,Macintosh問世,第一部正式上市的圖形界面和桌面概念的計算機,開創(chuàng)了圖形界面的先河!后來逐步推出iPod音樂播放器、iTunes音樂商店、iPhone手機以及最新推出的iPad平板計算機等知名產品1.2.3計算機的未來現(xiàn)在看來,70年前的ENIAC非常原始,將來也會覺得今天最好的計算機很原始。未來的計算機是什么樣子的,觀察目前實驗室里的研究成果可見一般計算機的發(fā)展趨勢1.高性能計算——無所不能的計算發(fā)展高速度、大容量、功能強的超級計算機,用于處理龐大而復雜的問題。制超級計算機的技術水平體現(xiàn)了一個國家的綜合國力,因此,超級計算機的研制是各國在高技術領域競爭的熱點。在市場驅動下,超級計算機正從科學計算向經濟和商業(yè)各個領域擴展,用于商業(yè)的超級計算機,其數量急劇增加,最高性能已突破萬億次。應用:航天工程、基因工程、石油勘探等。普適計算(PervasiveComputing)是指任何時間任何地點都可以進行計算,強調和環(huán)境融為一體的計算,而計算機本身則從人們的視線里消失。普適計算徹底改變了“人使用計算機”的傳統(tǒng)方式,讓人與計算環(huán)境更好地融合在一起,在不知不覺中達到“計算機為人服務”的目的。實現(xiàn)普適計算需要解決的問題包括:①隨時隨地的聯(lián)網問題;②各種設備、設施的感知和控制問題,即嵌入式技術;③普適計算模型問題,眾多設備、設施聯(lián)網后,如何進行控制:統(tǒng)一控制、分布控制、自治控制還是遠程控制等。計算機的發(fā)展趨勢2.普適計算——無所不在的計算服務屬于商業(yè)范疇,計算屬于技術范疇,服務計算是商業(yè)與技術的融合。服務計算就是把計算當成一種服務提供給用戶。傳統(tǒng)的計算模式需要購置必要的計算設備和軟件,不計算的時候,設備和軟件就處于閑置狀態(tài)。如果將計算資源,如計算節(jié)點、存儲節(jié)點、軟件等集中起來,提供給需要的用戶使用,用戶可以按需定制、按需使用資源,這就是云計算(CloudComputing)的概念。按計算資源的類型,云計算可以分為3種模式:①基礎設施即服務:將硬件部分,如計算節(jié)點、存儲節(jié)點等按服務提供;②平臺即服務:將操作系統(tǒng)、中間件等按服務提供;③軟件即服務:將應用軟件按服務提供。計算機的發(fā)展趨勢3.服務計算與云計算:萬事皆服務的計算物聯(lián)網相當于帶有神經系統(tǒng)的互聯(lián)網,通過各種傳感器感知物體的各種信息,傳送到互聯(lián)網上,供人們訪問,使得物體與物體、物體與人、人與人相互連接。計算機的發(fā)展趨勢4.物聯(lián)網計算機的發(fā)展趨勢:手動機械化自動化智能化;計算機在很多方面,如復雜、量大的計算方面比人更快,在哪些方面不如人類:模式識別、聯(lián)想、推理等?如何讓計算機具有人腦的智能,模擬人的推理、聯(lián)想和思維等功能,研制出具有某些情感和智力的計算機,使計算機在人類生活中扮演著更加重要的角色。應用:人和計算機無障礙交流,例如寫程序。智能計算機是把信息采集、存儲、處理、通信和人工智能結合在一起的計算機系統(tǒng),由以處理數據信息為主,轉向以處理知識信息為主,并有推理、聯(lián)想和學習人工智能方面的能力,能幫助人類開拓未來的知識領域和獲取新的知識。情感計算機,能理解人類嗎?計算機的發(fā)展趨勢5.智能計算背景:集成電路的發(fā)展正在(或已經)接近理論極限。新型計算機可能會突破現(xiàn)有計算機的體系結構。新一代計算機是微電子技術、光學技術、超導技術、電子仿生技術等多學科相結合的產物。能進行知識處理、自動編程、測試和排錯,以及用自然語言、圖形、聲音和文字進行輸入和輸出。生物計算機——用蛋白分子做芯片;光計算機——用光作為信息的載體;量子計算機——用量子來表示信息;……計算機的發(fā)展趨勢6.新型計算計算機軟件的發(fā)展自計算機誕生之日起,人們探索的重點不僅在于建造運算速度更快、處理能力更強的計算機還在于開發(fā)能讓人們更有效地使用這種計算設備的各種軟件軟件使計算機硬件富有生命力在硬件上面加上一層又一層的軟件(即控制機器處理不同問題的程序),功能就得到擴展和延伸。有了軟件,人們能夠以更簡單的方法來解決更復雜的問題。了解軟件發(fā)展的歷史,可以理解如何構造軟件、軟件如何運行計算機軟件發(fā)展第一代程序是用機器語言編寫的機器語言就是內置在計算機電路中的指令,由0和1組成程序設計人員必須記住每種二進制數字的組合表示什么使用機器語言的程序設計人員要對數字非常敏感,而且要非常細心。缺點:用機器語言進行程序設計不僅耗時,而且容易出錯第一代軟件(1951-1959)計算機硬件

硬件軟件機器語言

出現(xiàn)了匯編語言使用助記符表示每條機器語言指令出現(xiàn)了系統(tǒng)程序員和應用程序員第一代軟件(1951-1959)計算機硬件

硬件軟件語言翻譯程序

匯編語言

機器語言計算機軟件發(fā)展第二代軟件是由高級語言編寫的指令類似于英語句子和算術表達式,使編程更容易最早的兩種語言:FORTRAN(為數學應用程序設計的語言)和COBOL(為商業(yè)應用程序設計的語言)第二代軟件(1959-1965)優(yōu)點:高級語言的出現(xiàn)使得在多臺計算機上運行同一個程序稱為可能缺點:隨著在硬件層上附件的軟件變得越來越復雜,應用程序員離計算機硬件越來越遠了FORTRAN——第一個高級語言1954年,約翰·巴克斯領導的小組開發(fā)出第一個高級程序設計語言Fortran,大大提高了程序開發(fā)效率Fortran推動IBM704走向世界,成為當時最成功的計算機,也使IBM成為計算機產業(yè)的老大計算機軟件發(fā)展計算機的高速處理得不到充分發(fā)揮,經常處于等待狀態(tài)第三代軟件不再使用實用程序來處理頻繁執(zhí)行的任務,而是讓操作系統(tǒng)進行管理出現(xiàn)了多用途的應用程序出現(xiàn)了計算機用戶的概念計算機的管家

缺點:雖然語言層還在加深,但是程序設計員們仍然在使用一些最內層的語言。第三代軟件(1965-1971)操作系統(tǒng)——方便用戶●更好、更強大的操作系統(tǒng)被開發(fā)出來●引入了鼠標的概念和點擊式的圖形界面●DOS(字符界面)

Windows(圖形界面)美國加利福尼亞大學的道格.英格爾伯特(DougEngelbart)博士發(fā)明了世界上第一只鼠標。1968年鼠標在舊金山聯(lián)合計算機會議上首次亮相,直到1981年才出現(xiàn)第一臺使用鼠標的商用計算機計算機軟件發(fā)展出現(xiàn)了結構化程序設計方法,出現(xiàn)了Pascal、Modula-2、C、C++工具軟件(應用程序軟件包)開始出現(xiàn),可以讓一個沒有計算機經驗的人員實現(xiàn)一些特定的任務更好、更強大的操作系統(tǒng)也開發(fā)出來了第四代軟件(1971-1989)計算機軟件發(fā)展微軟公司的崛起:Windows在PC市場上占有顯著優(yōu)勢,微軟辦公套件成為主流面向對象的程序設計方法成為大型程序設計項目的首選:改變了結構化設計基于任務的層次劃分,面向對象的設計則基于數據對象的劃分,出現(xiàn)了JAVA語言Internet的出現(xiàn),萬維網的普及,使得用戶概念發(fā)生了改變HTML瀏覽器出現(xiàn)了中間件第五代軟件(1990-今天)計算機軟件發(fā)展快速批量地構造更復雜的程序構件:常用對象,可重復使用軟件架構:構建之間的連接.NETJAVAEECORBA面向服務的軟件第六代軟件(新一代)軟件的發(fā)展(總結)計算機用戶概念的變化

起初,計算機用戶和程序員是一體的;

20世紀50年代,出現(xiàn)了系統(tǒng)程序員和應用程序員的區(qū)分,但計算機用戶仍然是程序員;

20世紀70年代,計算機用戶不僅是程序員,還包括使用應用軟件的非專業(yè)人員;應用程序員離計算機硬件也越來越遠今天,所有使用計算機的人都是計算機用戶。1.3計算機系統(tǒng)及其抽象分層計算機系統(tǒng)由計算機硬件、計算機軟件、數據構成計算機硬件:構成計算機系統(tǒng)的所有物理器件、部件和設備的集合;計算機軟件:提供計算機執(zhí)行的指令的集合;數據是計算機系統(tǒng)的核心計算機系統(tǒng)的抽象分層計算機系統(tǒng)非常復雜,如何認識它呢?按照各部分在計算機中的作用,可以將計算機系統(tǒng)抽象地看成一個層次結構,由許多層構成。將每個分層逐個地從計算機系統(tǒng)中剝離出來,每次只探討一個分層。這樣每個分層自身就顯得清晰簡單。下一次對上一層起支撐作用。計算機系統(tǒng)的分層重點:讓計算機能夠良好地運轉起來重點:用計算機解決真實世界的問題各種應用:QQ、電子郵件、辦公軟件、財務軟件、Google……計算機的管家

windows、Unix、MacOS等計算機成為一種文化,計算機網絡正在日益改變著人們的生活、工作和學習習慣信息(數據、指令)如何編碼各種類型的程序設計語言及程序設計方法如何由門組成邏輯電路,再組成集成電路,構成計算機的部件

人們很容易掌握細節(jié),卻容易失去全局觀念。請記住計算機系統(tǒng)的分層結構,接下來會依次介紹每一個分層信息表示層反映了在計算機上表示信息的方式,它是一個純概念層。計算機上的所有信息都采用二進制數字1和0表示。要理解計算機處理信息的方式和相關技術,首先必須理解二進制數制以及它與其他數制的關系。硬件層探討計算機系統(tǒng)的物理硬件組成。計算機硬件由最基本的門和電路構成,它們按照某些基本原理控制電流。核心電路和門構成較復雜的具有一定功能的專用部件。多個部件按照一定方式構成計算機硬件系統(tǒng)。程序設計層程序設計層負責解決人們的一些問題、用于實現(xiàn)計算的指令以及管理數據。程序由各種語言實現(xiàn)。計算機如何解決問題。如何更好地用各種語言編制程序。操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)OS用來管理計算機的各種資源,提供人與計算機交互的接口。如WindowXP、Linux或MacOS等操作系統(tǒng)讓我們與計算機系統(tǒng)進行交互,管理硬件設備、程序和數據。了解操作系統(tǒng)的功能是理解計算機系統(tǒng)的關鍵。網絡通信層計算

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