計算機概述

1、第一部分 計算機概述,,內(nèi)容概要,計算機的定義計算機的歷史計算機的類型計算機的應(yīng)用重量級人物介紹關(guān)鍵術(shù)語,計算機的定義 (1),什么是計算機（computer）？能夠計算的機器什么是計算（computation）？對數(shù)據(jù)的加工過程什么是數(shù)據(jù)（data）？客觀事物（object）的表示什么是信息（information）？被人類賦予特定含義的數(shù)據(jù),? ? ?,計算機的定義 (2),廣義用現(xiàn)代化的方法完成信息

2、處理的工具。狹義：Computers are electronic devices that can follow instructions to accept input, process the input and then produce information. （計算機是能夠依照指令來接受輸入、處理輸入和產(chǎn)生信息的電子設(shè)備。）,計算機系統(tǒng)的組成,硬件（hardware）直觀的機器部分，由電子元件和機電元件組成；包括：存

3、儲器、運算器、控制器、輸入輸出設(shè)備；硬件必須由軟件控制才能工作，沒有配備任何軟件的機器稱為“裸機”。軟件（software）系統(tǒng)的語言和程序部分機器本身毫無智力可言，必須由人們提供各種指令來告訴它做什么、如何做和何時做。這些指令被總稱為軟件。軟件是由一組用所謂“編程語言”編寫的程序組成。程序則由指令組成。,計算機軟硬件系統(tǒng)的關(guān)系,硬件——鋼琴軟件——樂譜,硬件——肉體軟件——靈魂,計算機硬件系統(tǒng),運算器,存儲器,控制器,輸

4、入設(shè)備,輸出設(shè)備,通信設(shè)備,計算機軟件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理軟件數(shù)據(jù)庫管理軟件應(yīng)用軟件,計算機的歷史,早期的計算工具（17世紀以前）機械式計算機（ 17世紀~1930）電子計算機（1930~1950）現(xiàn)代電子計算機（1950~現(xiàn)在）,早期的計算工具 (1),最早的人造計算工具是算籌。祖沖之就是用算籌算出圓周率π值在 3.1415926和3.1415927之間，這一結(jié) 果比西方早了近一千年。,早期的計算工具 (2),

5、珠算是由算籌演變而來，這是計算工 具發(fā)展史上第一次重大改革。,早期的計算工具 (3),1621年英國數(shù)學家威廉?奧垂德（William Oughtred，1575-1660） 根據(jù)對數(shù)原理發(fā)明了圓形計算尺（circular slide rule），這是最早的模擬計算工具。,機械式計算機 (1),17世紀歐洲出現(xiàn)了利用齒輪技術(shù)設(shè)計制造的機械式計算機。1623年威爾赫姆?謝克哈特（ Wilhelm Schickard，1592-1635）

6、制作了一個能進行六位以內(nèi)數(shù)加減法，并能通過鈴聲輸出答案的“計算鐘”。,法國學家帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662）年輕時為了幫助父親算帳，于1642年發(fā)明了齒輪式能實現(xiàn)加減法運算的計算器，稱為Pascaline。,機械式計算機 (2),當時Pascal曾制造了50臺這樣的計算器作為商品出售。為了紀念帕斯卡的貢獻，1971年尼可萊斯?沃思（Niklaus Wirth）教授將自己發(fā)明的一種重要的程序設(shè)計語言命名為Pa

7、scal語言，這是一種很好的結(jié)構(gòu)化語言，在20世紀80年代末、90年代初曾得到廣泛學習和使用。,機械式計算機 (3),萊布尼茨（G. W. Leibnitz，1646-1716）是德國偉大的數(shù)學家和思想家，他和牛頓同時創(chuàng)立了微積分。1673年，萊布尼茨建造了一臺能進行四則運算的機械式計算機，轟動了歐洲。,機械式計算機 (4),萊布尼茨的這臺機器，在進行乘法運算時，采用進位-加（shift-add）的方法，這種方法，后來演化為二進

8、制，被現(xiàn)代電子計算機采用。萊布尼茲的四則運算器受當時生產(chǎn)條件限制，可靠性差，沒有成為商品計算工具銷售使用。,機械式計算機 (5),1777年英國的查爾斯·馬洪（Charles Mahon，1753-1816）發(fā)明了邏輯演示器（logic demonstrator）。這是個袖珍式的簡單器械，能解決傳統(tǒng)的演繹推理、概率以及邏輯形式的數(shù)值問題，它被稱為計算機決策與邏輯功能的先驅(qū)。,機械式計算機 (6),1801年法國人約瑟夫&

9、#183;雅各（Joseph Marie Jacquard，1752-1834）發(fā)明了穿孔卡織布機，引起法國絲織工業(yè)的革命。雅各織布機當然不是計算機，但它強烈地影響著穿孔卡輸入輸出裝置的開發(fā)。如果找不到輸入信息和控制操作的機械方法，那么真正意義上的機械式計算機是不可能出現(xiàn)的。,機械式計算機 (7),1820年法國人德·考爾瑪（Charles de Colmar，1785-1870）改進了萊布尼茨的設(shè)計，制成第一個商用的機械計算

10、機，并生產(chǎn)了1500臺。1862年在倫敦國際博覽會上獲得獎牌。,機械式計算機 (8),到了19世紀初，英國數(shù)學家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage，1792-1871）取得了突破性進展，計算機不但能快速地完成加、減、乘、除運算，還能夠自動完成復雜的運算，從手動機械躍入自動機械的新時代。當時為了解決航海、工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中復雜的計算，許多數(shù)學表，如對數(shù)表、函數(shù)表應(yīng)運而生。這些數(shù)表盡管帶來了一定的方便，但

11、其中的錯誤也非常多，巴貝奇決心研制新的計算工具，用機器取代人工來計算這些實用價值很高的數(shù)學用表。巴貝奇在馬洪發(fā)明的邏輯演示器的影響下，于1822年開始設(shè)計差分機（difference engine），其目標是能計算具有20位有效數(shù)字的6次多項式的值。,機械式計算機 (9),巴貝奇新的研制計劃是分析機（analytical engine）的設(shè)計。分析機的重要貢獻在于它包括了現(xiàn)代計算機所具有的5個基本組成部分。,（1）輸入裝置：用

12、穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)；（2）存儲裝置：巴比奇稱它位倉庫（store），該裝置被設(shè)計為能存儲1000個 50位10進制數(shù)的容量，它既能存儲運算數(shù)據(jù)，又能存儲運算結(jié)果；（3）資料處理裝置：巴比奇稱它為磨坊（mill），通過它來完成加、減、乘、除運算，還能根據(jù)運算結(jié)果的符號改變計算的進程，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是使用了條件轉(zhuǎn)移指令；（4）控制裝置：使用指令進行控制，用程序自動改變操作次序，他們是通過穿孔卡片順序輸入處理裝置的；（5）輸出裝置

13、：用穿孔卡片或打印方法輸出。,機械式計算機 (10),1847年英國數(shù)學家、邏輯學家喬治·布爾（George Bool，1815-1864）開始創(chuàng)立邏輯代數(shù)，1854年出版了名著《布爾代數(shù)》（Boolean Algebra）。他的邏輯理論建立在兩個邏輯值“0”、“1”和三個運算符“與”（and）、“或”（or）、“非”（not）的基礎(chǔ)上，這種簡化的二值邏輯為數(shù)字計算機的二進制數(shù)、開關(guān)邏輯元件和邏輯電路的設(shè)計鋪平了道路。,機械式

14、計算機 (11),威廉·杰文斯（William Jevons，1835-1882）認為布爾代數(shù)邏輯是自亞里斯多德以來邏輯學中最偉大的進展，杰文斯于1869年發(fā)明了一臺邏輯機，使用四個邏輯字母來進行布爾運算比不用機器的邏輯學家能更快地解決復雜的問題。,機械式計算機 (12),1872年弗蘭克·鮑德溫（Frank Baldwin）開始建立美國的手搖計算器工業(yè)。這些手搖計算器在1960年電子計算器出現(xiàn)之前，一直是廣泛使用的

15、機械計算器，當然它已由手搖變?yōu)殡妱印?機械式計算機 (13),1886美國人口統(tǒng)計局的統(tǒng)計學家赫爾曼?霍勒瑞斯（Herman Hollerith，1860-1929）博士，借鑒了雅各的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲數(shù)據(jù)，制成了第一臺機電式穿孔卡系統(tǒng)—制表機（tabulating machine），這臺機器參與了1890年的美國人口普查工作。結(jié)果僅僅用了6周的時間就得出了準確的數(shù)據(jù)（62622250人），赫爾曼?霍勒瑞斯也因此大發(fā)其財。,機械

16、式計算機 (14),這次人口普查工作完成后，霍勒瑞斯于1896年創(chuàng)建了制表機公司TMC（Tabulating Machine Company），1911年TMC與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年CTR公司改名為國際商業(yè)機器公司（International Business Machines Corporation），這就是在計算機領(lǐng)域赫赫有名的IBM公司。,機械式計算機 (15),英國著名詩人拜倫的女兒愛達?

17、奧古斯塔?拉夫拉斯伯爵夫人（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）是一位思維敏捷的數(shù)學家，愛達意識到巴比奇的理論設(shè)計是完全可行的，她支持這項工作，改正其中的錯誤，并建議用二進制存儲取代原設(shè)計的十進制存儲。 她指出分析機可以像雅各織布機一樣進行編程，并發(fā)現(xiàn)了進行程序設(shè)計（program design）和編程(programming)的基本要素，還為某些計算開發(fā)了一些指令，例如可以重復使用某

18、些穿孔卡片，按現(xiàn)代的術(shù)語來說這就是“循環(huán)程序”和“子程序”。由于她在程序設(shè)計上的開創(chuàng)性工作，被譽為是世界上第一位程序員。,機械式計算機 (16),1975年1月，美國國防部提出使用一種通用高級語言的必要性，并為此進行了國際范圍的設(shè)計投標。1979年5月最后確定了新設(shè)計的語言。海軍后勤司令部的杰克·庫柏(Jack Cooper)為這個新語言起了一個美麗的名字Ada,用于紀念愛達。,電子計算機 (1),第一個采用電器元件來制造

19、計算機的是德國工程師朱斯（K. Zuse）。 1941年，他的Z-3計算機開始運轉(zhuǎn)，這是世界上真正的第一臺通用程序控制計算機。,電子計算機 (2),1936年美國哈佛大學應(yīng)用數(shù)學教授霍華德·艾肯（Howard Aiken，1900-1973）提出用機電的方法，而不是純機械的方法來實現(xiàn)分析機的想法，這就是Mark-I機電計算機的設(shè)想，Mark-I的計算機在哈佛大學投入運行。Mark-I只是部分采用了繼電器，其后，在1945年至1

20、947年間，艾肯又領(lǐng)導制造成功一臺全部使用繼電器的計算機Mark-II。,電子計算機 (3),1946年莫克利(John Mauchly)和?？颂?J. Presper Eckert) 設(shè)計了第一臺通用的、完全電子化的計算機ENIAC (Electronic Numerical Integrator Calculator)。,電子計算機 (4),ENIAC的優(yōu)點：采用了電子線路來執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和儲存信息 ，由于廣泛采用了電子線

21、路，ENIAC同以往計算機相比最突出的優(yōu)點就是高速度 能同時執(zhí)行幾個加法或減法。在這一點上，ENIAC可以看作是20世紀60年代出現(xiàn)的并行計算機的前身。ENIAC的缺陷：它的存儲容量太小，至多只能存20個字長l0位的十進制數(shù)。它與后來的“存儲程序”型的計算機不同，它的程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來實現(xiàn)的，很不便于使用，僅為了進行幾分鐘或上小時的數(shù)字計算，準備工作就要用去幾小時甚至l--2天的時間。,電子計算機 (5),

22、1951年， Eckert- Mauchly計算機公司開始交付UNIVAC I機器，這種機器售價為250,000美元，共生產(chǎn)了48套，從而使之成為第一臺成功的商業(yè)化計算機。,現(xiàn)代電子計算機,1946年，美藉匈牙利科學家馮· 諾依曼提出了存儲程序的概念。迄今為止所有進入實用的電子計算機都是按馮· 諾依曼的提出的結(jié)構(gòu)體系和工作原理設(shè)計制造的，故又統(tǒng)稱為“馮·諾依曼型計算機” (指令和指令所操作的數(shù)據(jù)都一起放在內(nèi)

23、存中的計算機) 。,現(xiàn)代電子計算機發(fā)展進程 (1),第一代計算機（1950~1959）電子管（vacuum tube）代替電磁繼電器；二進制代替十進制；穿孔卡作為輸入輸出裝置。,第二代計算機（1959~1965）晶體管（transistor）代替電子管；普遍采用磁心存儲器作為主存，磁盤與磁帶作為輔存；出現(xiàn)了FORTRAN和COBOL這樣的高級程序設(shè)計語言。,現(xiàn)代電子計算機發(fā)展進程 (2),第三代計算機（1965~1975）

24、集成電路（Integrated Circuit，IC）代替晶體管；先是小規(guī)模集成電路，后是大規(guī)模集成（Large Scale Integrated，LSI）電路。,第四代計算機（1975~1985）超大規(guī)模集成電路VLSI（Vely Large Scale Integration）代替普通集成電路；微型計算機(microcopmputer)出現(xiàn)。,現(xiàn)代電子計算機發(fā)展進程 (3),第五代計算機（1985~現(xiàn)在）日本的第五代計算機系

25、統(tǒng)FGCS(Fifth Generation Computer System)，又稱智能計算機；筆記本電腦、掌上電腦；第二代存儲介質(zhì)（CD-ROM、DVD）多媒體……,現(xiàn)代電子計算機的發(fā)展趨勢,微型化和巨型化智能化網(wǎng)絡(luò)化,計算機的類型,數(shù)字計算機（digital computer）對離散的數(shù)字量進行處理，輸出的結(jié)果仍然是離散的數(shù)字量。模擬計算機（analog computer）對連續(xù)的物理量（電流、電壓等）進行處理，獲

26、得的輸出仍然是連續(xù)的物理量。,由于數(shù)字計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬計算機已基本消亡。,數(shù)字計算機的分類,通用數(shù)字計算機（general）計算機的設(shè)計與制造并不針對某一具體應(yīng)用，而是通過所執(zhí)行的程序完成具體的功能。專用數(shù)字計算機（special）專門針對某一具體應(yīng)用設(shè)計的、靠硬件（有時有少量軟件）完成其功能。專用機的趨勢：用通用芯片，搭建專用系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)）。,通用計算機的分類,超級計算機（Supercomputers)工作站（

27、Workstations）服務(wù)器（Server computers）微型計算機（Microcomputers）又稱個人計算機（Personal Computer, PC）嵌入式計算機（Embedded Computer）微處理器（Microprocessor）,計算機的應(yīng)用,科學計算數(shù)據(jù)處理自動控制輔助設(shè)計和輔助教學人工智能多媒體技術(shù)應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)……,重量級人物介紹 (1),圖靈（Alan Turing，191

28、2~1954）,1936年上研究生時發(fā)表了一篇題為“論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用”,(On Computable Numbers With an Application to Entscheidungs Problem)的論文，提出了圖靈機（Turing Machine），奠定了計算機科學的理論基礎(chǔ)；,第二次世界大戰(zhàn)中，Turing 領(lǐng)導的小組制造出了破譯德軍 Enigma 密碼的計算機，并成功地完成了任務(wù)；1950年10月發(fā)表的

29、論文“計算機和智能”（Computing Machinery and Intelligence）。在這篇經(jīng)典的論文中，圖靈進一步闡明了他認為計算機可以有智能的思想，并提出了測試機器是否有智能的方法，人們稱之為“圖靈測試”(Turing Test)。,重量級人物介紹 (2),馮·諾依曼（Von Neumann）,全新的存儲程序通用電子計算機方案——離散變量自動電子計算機（Electronic Discrete Variable

30、Computer, EDVAC ）方案誕生。具體介紹了制造電子計算機和程序設(shè)計的新思想，給出了電子計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5類部件組成。,1946年6月，與同事共同完成了“關(guān)于電子計算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計”的研究報告，一個,量子物理博弈論,關(guān)鍵術(shù)語,data: 數(shù)據(jù)information: 信息computer: 計算機hardware: 硬件software: 軟件program: 程序instruct

31、ion: 指令program language:編程語言,input/output device: 輸入/輸出(I/O)設(shè)備optical disk: 光盤compact disc (CD): 緊湊格式盤digital versatile (video) disc: DVD, 數(shù)字式通用盤,關(guān)鍵術(shù)語,system software: 系統(tǒng)軟件application software: 應(yīng)用軟件Integrated Circu

32、it: 集成電路Vely Large Scale Integration (VLSI): 超大規(guī)模集成電路Supercomputer: 超級計算機,mainframe computer: 大型機minicomputer: 小型機workstation:工作站server computer: 服務(wù)器microcomputer: 微型計算機personal computer (PC): 個人計算機,關(guān)鍵術(shù)語,Embedded

33、Computer: 嵌入式計算機Microprocessor: 微處理器desktop computer: 臺式計算機laptop computer: 膝上型計算機notebook computer: 筆記本電腦,palmtop computer: 掌上電腦personal digital assistant (PDA): 個人數(shù)字化助理tablet PC: 帶手寫板的筆記本電artificial intelligence