計算機導論 課件 ch01 計算機發(fā)展概述

計算機發(fā)展概述第一章計算機導論職業(yè)教育計算機類專業(yè)系列教材01計算機發(fā)展簡史PARTONE每個人都有兩只手，可以用作簡單的計算工具，在古代方便了人們的交易。隨著人類生活和生產水平的不斷發(fā)展，兩只手計數(shù)顯然是不夠的，促使其他計算工具出現(xiàn)，如相繼出現(xiàn)了結繩、算籌、算盤等手動計算工具。中國是四大文明古國之一，先輩們深知數(shù)學在生活中的重要性，中國計算工具的持續(xù)發(fā)展體現(xiàn)了先輩們在算術研究中的不懈努力。早期計算工具（a）手指（b）結繩（c）算籌（d）算盤手動計算工具信息數(shù)據(jù)就是一些符號編碼，好的計算工具將有利于信息數(shù)據(jù)的處理①。春秋戰(zhàn)國時期，算籌得到普遍的應用，籌算計數(shù)法已采用十進制，這種計數(shù)法對世界數(shù)學的發(fā)展具有重要意義。后來，中國發(fā)明了世界上第一種手動式計數(shù)器——算盤，并實現(xiàn)了珠算四則運算的全部口訣化。在14～16世紀，歐洲開始文藝復興運動，產生了一些有意義的計算工具，如：計算問題的解決方法和結果首先取決于問題的抽象描述及信息數(shù)據(jù)的表示，也與對信息數(shù)據(jù)可完成的操作密切相關。1621年，英國數(shù)學家岡特根據(jù)對數(shù)表發(fā)明了計算尺。01計算尺1642年，法國科學家帕斯卡發(fā)明了人類歷史上第一臺機械式計算器，即加法器。02加法器1673年，德國數(shù)學家萊布尼茨制作了可進行加、減、乘、除運算的四則運算計算器。03四則運算計算器早期計算工具隨著技術的不斷進步，計算工具得到了進一步發(fā)展，如：19世紀20年代，英國數(shù)學家巴貝奇設計了用于完成復雜計算過程的機械，由于技術限制未能制作出實樣。01差分計算器和分析機1938—1944年，德國人康拉德·楚澤設計并制造了該系列計算機。02機電方式的計算機Z1～Z31944年，美國人霍華德·艾肯在IBM公司的資助下制造了著名的MARKⅠ。MARKⅠ用穿孔紙帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪傳動裝置。03最早的自動計算機早期計算工具1936年，數(shù)學家、邏輯學家艾倫·麥席森·圖靈（1912—1954年）發(fā)表了一篇題為《論數(shù)字計算在決斷難題中的應用》的論文，該論文中提出了一種可以進行自動計算的虛擬機——圖靈機。它是一種形式化的數(shù)學模型，也稱為理想計算機。圖靈的設計思想為后來采用離散信息編碼進行計算機體系結構的設計和計算提供了重要依據(jù)①。理想計算機艾倫·麥席森·圖靈圖靈將圖靈機設計為三個部分：控制邏輯單元、磁頭（讀/寫頭）和紙帶（輸入和輸出）。手動計算工具紙帶上移動磁頭后的執(zhí)行方式和控制邏輯單元中的新運行狀態(tài)是由磁頭在紙帶的當前移動位置記錄的數(shù)字編碼及控制邏輯單元中的當前操作狀態(tài)決定的。計算結果由指令集（規(guī)則）與它們②共同確定。艾倫·麥席森·圖靈被稱為“計算機科學”之父、“人工智能”之父。它們是指磁頭在紙帶的當前移動位置記錄的數(shù)字編碼，以及控制邏輯單元中的當前操作狀態(tài)。它們和指令集共同確定本次計算結果（重寫記錄在紙帶當前位置的數(shù)字編碼）。

這里計算結果還包含兩項內容：紙帶上移動磁頭后的執(zhí)行方式和控制邏輯單元中的新運行狀態(tài)。對輸入、輸出的內容進行特定編碼，形式上就可以將一臺計算機變?yōu)槟軌蛱幚砣魏尉幋a的圖靈機，稱為通用圖靈機。通用圖靈機可以完成人們形式化描述的任何可行算法。圖靈機與現(xiàn)代計算機有相似的指令執(zhí)行過程。圖靈機是一種形式化理想計算機的數(shù)學模型，顯然計算機科學是以數(shù)學和電子科學為基礎發(fā)展起來的。理想計算機1946年2月，ENIAC（電子數(shù)字積分計算機）在美國賓夕法尼亞大學莫爾學院研制成功。馮·諾依曼（1903—1957年）在認真總結ENIAC成功技術經驗的基礎上，于1945年3月發(fā)表了一篇全新的電子計算機設計方案報告《存儲程序通用電子計算機方案》（又稱EDVAC方案）。按照該方案，馮·諾依曼和賓夕法尼亞大學莫爾學院合作，于1952年設計研制了電子計算機——EDVAC，它也被稱為電子離散變量自動計算機。電子計算機的產生馮·諾依曼電子計算機從開始發(fā)展時起，按照所處理的數(shù)據(jù)類型可分為模擬計算機（analoguecomputer）和數(shù)字計算機（digitalcomputer）。其主要區(qū)別在于計算機中信息的表示形式和處理方式不同。電子計算機按使用范圍分類，可以分為通用計算機和專用計算機。通過存儲程序方式，人類世界和計算機世界實現(xiàn)了交互，計算機的產生是20世紀重大的科技成果之一?，F(xiàn)代電子計算機大多遵循馮·諾依曼體系結構。從EDVAC誕生時起，它使用的主要邏輯電路一直沿用至今，邏輯代數(shù)的應用已成為設計電子計算機的重要手段。人們通常按硬件所采用的電子邏輯器件將電子計算機的發(fā)展劃分成四個階段。電子計算機的發(fā)展電子計算機發(fā)展的四個階段互聯(lián)網（一般指Internet）的發(fā)展過程中產生了大量應用計算機的用戶，計算機科學技術中關鍵的基礎技術之一就是互聯(lián)網技術。互聯(lián)網是由一些使用公用語言互相通信的計算機連接而成的全球網絡，即廣域網、局域網及單個計算機按照一定的通信協(xié)議組成的國際計算機網絡互聯(lián)網是公共信息的載體，這種大眾媒體的傳播速度比其他任何通信媒介都快。根據(jù)用戶數(shù)量和網絡應用軟件的類型，互聯(lián)網的發(fā)展可分為初始階段、推廣階段、普及階段和發(fā)展階段四個階段?；ヂ?lián)網發(fā)展的四個階段互聯(lián)網電子計算機的發(fā)展摩爾定律由戈登·摩爾提出，定律的內容：當價格保持不變時，集成電路上可容納的元件數(shù)量將每18～24個月翻一番，性能將提升一倍。在信息產業(yè)中，該定律揭示了信息技術進步的速度。戈登·摩爾摩爾定律①1965年，作為仙童半導體研發(fā)實驗室主任的戈登·摩爾被邀請為《電子》雜志35周年撰寫觀察和評論報告——《讓集成電路填充滿更多的元件》。戈登·摩爾在總結數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)：每種新芯片的容量大約是其前代產品的兩倍，每種芯片都是在上一代芯片生產后的18～24個月內生產出來的。戈登·摩爾（科學家，企業(yè)家，1929一），英特爾公司的創(chuàng)始人之一。電子計算機的發(fā)展未來新的計算機在未來的新計算機中，人們所追求的是一種更接近人類的人工智能計算機。它了解人類的語言、文字和圖形，人們不需要編寫程序，通過說話即可向計算機發(fā)出命令并驅動它工作。新一代計算機是一種結合了信息獲取、存儲、處理和人工智能的智能計算機系統(tǒng)。它不僅可以進行一般信息處理，還可以面向知識處理。它具有形式推理、聯(lián)想、學習和解釋的能力，有助于人類開辟未知領域并獲得新知識。電子計算機的發(fā)展2PARTTWO計算機的特點與類型計算機自出現(xiàn)以來發(fā)展迅速，在社會各個方面得到了廣泛的應用，這與計算機所具有的特點是分不開的。計算機具有的特點如下。計算機的特點由電子電路組成的高速計算機可以每秒數(shù)千次至數(shù)億億次的極高速度運行，這是計算機的顯著特征之一。許多復雜的科學計算過去通過手動方式需要數(shù)年或數(shù)十年才能計算出來，現(xiàn)在利用計算機只需要幾天甚至幾秒就可以完成。01運算速度快一些尖端科學技術，如人造衛(wèi)星、宇宙飛船、深海探測等，在計算時要求得到高度準確的結果。電子計算機的有效數(shù)字可達十幾位、幾十位甚至上百位，可以精確地進行科學計算。02計算精度高計算機的內存儲器可以存儲大量數(shù)據(jù)，并且可以在需要時準確地讀取數(shù)據(jù)。硬盤的存儲容量單位已經從MB、GB發(fā)展到了TB、PB，甚至更高。03記憶能力強，存儲容量大除算術運算之外，電子計算機還可以執(zhí)行邏輯運算，如判斷單詞和符號、證明邏輯、進行推理等。這是其他任何工具無法比擬的。04具有邏輯判斷力計算機不僅存儲信息數(shù)據(jù)，還存儲可自動執(zhí)行的程序，并且能夠在程序控制下自動執(zhí)行程序①。這是計算機和其他任何計算工具之間最重要的區(qū)別。05具有在程序控制下自動運行程序的能力隨著電子技術不斷發(fā)生重大變化，電子設備的可靠性也在不斷提高。在計算機的設計過程中，采用新結構可以使其更加可靠。計算機的以上特點正是促進其迅速發(fā)展并獲得廣泛應用的根本原因。06可靠性高電子計算機被稱為具有馮·諾依曼體系結構的計算機，EDVAC方案的核心內容是存儲程序的方法，計算機能夠在程序控制下自動執(zhí)行程序。計算機的特點計算機的種類很多，可以從不同的角度進行分類。計算機按用途可分為通用計算機（GeneralPurposeComputer）和專用計算機（SpecialPurposeComputer）。通用計算機具有功能多、配置齊全、應用廣泛、通用性強等特點，可解決多種問題。專用計算機配備軟件和硬件來解決具體問題，具有單一功能，但可以高速、可靠地解決具體問題。計算機通常按照運算速度、字長、存儲容量、軟件配置及用途等多方面的綜合性能指標進行分類。電氣和電子工程師協(xié)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）曾將計算機分為以下六大類。計算機的類型超級計算機（SuperComputer）超級計算機又稱巨型計算機，是一種高性能計算機，其運算速度超過每秒1萬億次，具有運算速度快、使用效率高、硬件和軟件齊全、功能強大等優(yōu)點。它主要用于天氣預報、科學模擬、流體動力學計算、核能研究、電子設計、地質數(shù)據(jù)分析（如石油勘探）等領域。超快計算速度是超級計算機最突出的特點，智能超級計算機是計算機發(fā)展的方向之一。例如，我國研制的神威·太湖之光安裝在國家超級計算無錫中心，曾連續(xù)多次在全球超級計算機500強榜單中排名第一，峰值浮點運算速度達每秒12.5億億次。目前，美國橡樹嶺國家實驗室（OakRidgeNationalLaboratory，ORNL）的新一代IBM超級計算機Summit已經達到了每秒20億億次的峰值浮點運算速度。神威·太湖之光計算機的類型小型超級計算機（Mini-superComputer）小型超級計算機又稱臺式超級計算機、小巨型計算機，其價格相對較低，發(fā)展迅速。大型主機（Mainframe）大型主機或稱大型計算機，它包括通常所說的大型計算機和中型計算機。其在運算速度和規(guī)模上不如巨型計算機，結構也比巨型計算機簡單，而價格比巨型計算機低很多。大型計算機屬于大型商業(yè)服務器，如已經涉及日常業(yè)務活動的有云服務器、數(shù)據(jù)服務器、郵件服務器、Web服務器等。常用的大型計算機有IBMZ系列等。它是事務處理、商務處理、信息管理、大型數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)通信的主要支柱計算機。計算機的類型小型計算機（MiniComputer）小型計算機是指使用精簡指令集處理器，性能和價格介于小型超級計算機和大型主機之間的一種高性能64位計算機。在運算速度和結構規(guī)模方面，它比大、中型計算機差，但在功能方面與大、中型計算機很接近。小型計算機具有體積小、價格低、性價比高的優(yōu)點，可用于一般企業(yè)和學校，如IBMP系列、HP9000系列?，F(xiàn)在，小型計算機主要用于UNIX和Linux服務器。計算機的類型工作站（WorkStation）這里的工作站不是指網絡計算機系統(tǒng)中的工作站，而是指個人計算機和小型計算機之間的高端微型計算機。工作站的運算速度和存儲容量介于個人計算機和小型計算機之間。此外，其還具有專用性較強、兼容性較差的特點。工作站主要用于圖像處理、計算機輔助設計等專業(yè)領域。工作站一般配備大屏幕顯示器、大容量存儲器，速度快，具有很強的通信功能。典型的工作站包括HPApplo工作站、Sun工作站和中國的華盛工作站。計算機的類型微型計算機（MicroComputer）微型計算機又稱個人計算機（PersonalComputer，PC）。微型計算機具有體積小、功耗低、可靠性高、靈活性和適應性強、性價比高等特點，使計算機的應用更加廣泛。微型計算機是目前增長最快、使用最廣泛、效率最高的常用計算機。其性能和電路集成度幾乎每18個月翻一番，產量每年增加數(shù)倍，應用領域不斷擴大，價格每年下降約30%。目前，便攜式筆記本計算機和袖珍型計算機由于尺寸的進一步減小而具有廣闊的應用前景。計算機的類型3PARTTHREE計算機的應用信息管理是指對信息進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。信息是一種資源，信息管理是計算機應用的主導方向。據(jù)統(tǒng)計，80%以上的計算機主要用于信息管理。管理信息所使用的系統(tǒng)經歷了從簡單到復雜的三個發(fā)展階段：電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)（ManagementInformationSystem，MIS）和決策支持系統(tǒng)（DecisionSupportSystem，DSS）。其中，DSS基于數(shù)據(jù)庫、模型庫和方法庫，幫助管理決策者改進決策，并提高運營策略的正確性和有效性。信息管理計算機的高速度、大存儲容量和連續(xù)運算的特性常?？奢o助解決科學和工程技術中遇到的、大量復雜的科學計算問題（如用于衛(wèi)星的飛行軌跡計算、天氣預報、空間探索等），甚至可通過計算擇優(yōu)選擇最佳解決方案。這類科學計算的案例很多，如貴州500m口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope，F(xiàn)AST）在2016年建成，其早期數(shù)據(jù)中心在2018年進行擴容。FAST的新裝置正式投用后，每天處理的數(shù)據(jù)計算分析量達40TB以上。由于其計算架構采用自主開發(fā)的分布式架構，系統(tǒng)在引入多CPU并行計算技術后，單臺服務器單個1GB數(shù)據(jù)文件在3min內可完成計算處理，比擴容前提速近百倍?？茖W計算計算機輔助設計、輔助制造及輔助教學計算機輔助設計是利用計算機系統(tǒng)輔助設計人員進行工程或產品設計，以實現(xiàn)最佳設計效果的一種技術。01計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）計算機輔助制造是指利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)產品的加工過程控制。其輸入信息是加工零件的工藝路線和工藝數(shù)據(jù)，輸出信息是刀具的運動軌跡。一些企業(yè)集成了計算機輔助設計與制造，以及計算機輔助測試（ComputerAidedTest，CAT）和計算機輔助工程（ComputerAidedEngincering，CAE），形成了完整的集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystems，CIMS），可實現(xiàn)設計、制造、測試與管理有機集成，形成一個高度自動化的系統(tǒng)，即形成所謂的“無人”生產線和“無人”工廠。02計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）計算機輔助設計、輔助制造及輔助教學計算機輔助教學是指使用計算機及計算機網絡進行輔助教學工作，具有交互性、多樣性、個別性、靈活性等特點。它可以通過動畫和視頻的可視化教學過程，通過人機對話為不同的學生選擇不同的教學內容和進度方式，改變統(tǒng)一的教學模式，有助于提升學生的學習興趣。同時，還可以使用計算機來輔導學生，如回答問題、更正作業(yè)及準備考試題目。計算機輔助教學為學生提供了良好的個性化學習環(huán)境，集成了多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術。它的使用可以有效縮短學習時間，提高教學質量和教學效率，實現(xiàn)最佳教學效果。03計算機輔助教學（ComputerAidedInstruction，CAI）計算機過程控制計算機過程控制是指實時檢測、采集數(shù)據(jù)，并進行處理和判定，按最優(yōu)值進行調節(jié)的過程。過程控制的一個突出優(yōu)點是其高實時性。在需要精確控制的各種任務中，如導彈巡航和攔截、衛(wèi)星發(fā)射和回收等，沒有計算機的快速響應和調整，任務將無法成功。通常過程控制系統(tǒng)采用反饋控制的形式，主要控制參數(shù)有電壓、電流、溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。利用計算機實現(xiàn)生產過程控制，不僅大大提高了生產過程自動化水平，降低了勞動強度，更重要的是提高了控制的準確性，從而提高了產品的質量和成品率。近年來，計算機過程控制系統(tǒng)已廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、電力、輕工等各個領域，并取得了很高的效益。企業(yè)管理、計劃、調度、生產過程控制和營銷管理，實現(xiàn)從原材料存儲到產品交付的全自動化。人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指用計算機來“模仿”人類的智能，使計算機具有識別各種語言文字和語音、識別人臉和指紋、搜索圖形和圖像、審核內容和身份等能力，并能進行推理和擁有適應環(huán)境的能力。具有專業(yè)知識的專家系統(tǒng)的出現(xiàn)及具有一定思考能力的機器人的出現(xiàn)，是人工智能研究不斷進步的標志。人工智能系統(tǒng)仿真是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，對設想的或實際的系統(tǒng)建立適當模型，并對模型進行完善實驗及觀察行為的過程，以獲得正確決策所需的各種信息。系統(tǒng)仿真用于了解系統(tǒng)的行為，評估不同結構參數(shù)、操作策略對系統(tǒng)的影響，是解決設計問題的有效手段。例如，在設計大型商貿大廈之前，先用計算機設計建筑模型，可以使用仿真模型來理解設計布局，觀察每個房間的光傳輸、人們在過道中的分流，以及模擬和研究每層的結構性缺陷和開裂破碎過程。這為設計人員提供了許多有價值的參數(shù)，縮短了設計時間，并通過系統(tǒng)仿真優(yōu)化了程序，節(jié)省了大量的實驗測試成本，提高了設計質量。系統(tǒng)仿真（SystemSimulation）計算機應用領域的快速發(fā)展使計算、理論和實驗成為三大并行科研方法，三者相輔相成，相對獨立。近年來，云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網、物聯(lián)網、移動網絡等新技術的快速發(fā)展引發(fā)了經濟和社會領域的裂變與重構，包括金融、零售、電信、咨詢、教育及房地產。虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源的信息融合、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真。虛擬現(xiàn)實技術豐富了人類生活的空間，能使人們的形象思維和計算思維得到同步發(fā)展。例如，在汽車產品開發(fā)的整個過程中，人們可以通過產品的實體建模與造型，看到該產品的三維立體效果。汽車開發(fā)工程中應用虛擬現(xiàn)實技術，大大縮短了產品的設計周期，提高了市場反應能