计算机导论课件第1章

计算机导论课件说明该课件是袁方、王兵、李继民编著，清华大学出版社2014年8月出版的计算机导论（第3版）的配套课件。课件中的部分图片来源于互联网，向有关图片的提供者和网站表示感谢。第1章计算机发展简史需要是发明之母。NecessityistheMotherofInvention.计算工具及计算技术是随着人类实践的需求逐步发展起来的。第1章计算机发展简史1.1第一台电子数字计算机的诞生1.2计算机的发展1.3中国计算机发展简史1.4著名的计算机公司1.5著名的计算机科学家1.6计算机学术组织1.7计算机奖项1.1第一台电子数字计算机的诞生早期的计算工具机械计算机机电计算机电子计算机1.1.1早期的计算工具手指：人们习惯于十进制计数法与此有关。结绳：结之多少，随物众寡。算筹：祖冲之的圆周率就是借助算筹计算出来的。运筹帷幄之中，决胜千里之外。算盘：从唐朝一直延续到现在，仍有人在使用。1.1.2机械计算机1621年，英国数学家奥垂德发明了圆形滑动计算尺。1642年，法国科学家帕斯卡发明了齿轮式能实现加减法运算的计算器Pascaline。1673年，德国数学家莱布尼茨建造了一台能进行加减乘除四则运算的机械式计算机。1.1.2机械计算机1777年，英国的查尔斯·马洪发明了逻辑演示器。1822年，英国数学家巴贝奇研制成功差分机。1833年，巴比奇设计出了分析机模型，这个模型包括了现代计算机所具有的5个基本组成部分。1.1.3机电计算机1886年，美国统计学家霍勒瑞斯用电磁继电器代替一部分机械元件，制成了第一台机电穿孔卡系统—制表机。1941年，德国工程师朱斯研制成功全部采用继电器的计算机Z-3，这是世界上第一台完全由程序控制的机电计算机。1944年，美国哈佛大学教授艾肯设计的机电计算机Mark-Ⅰ投入运行。1.1.4电子计算机1937年，美国衣阿华州立学院的阿塔纳索夫教授就开始进行研制电子计算机的探索。第一台电子计算机ENIAC的设计者莫奇利曾经看过他的关于电子计算机设计的笔记本。1946年2月15日，世界上第一台电子数字计算机—电子数字积分和计算机（ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学诞生。1.1.4电子计算机1.1.4电子计算机ENIAC的基本情况36岁的莫奇利提出总体设计，24岁的埃克特负责工程技术问题，30岁的戈尔斯坦负责组织协调。占地面积170平方米；用了大约18000只电子管，1500个继电器，70000只电阻，l8000只电容；耗资近49万美元；重30吨。运算速度为每秒5000次加法。耗电量惊人，功率为l50千瓦，常常因为电子管烧坏而需要停机检修。存储容量小，至多只能存20个字长为l0位的十进制数。与后来的存储程序型的计算机不同，它的程序是外插型的，使用很不方便。1.2计算机的发展第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机第五代计算机计算机的发展趋势计算机的分类计算机的特点计算机的应用领域1.2.1第一代计算机主要特点用电子管代替机械齿轮和继电器作为基本元器件，运算速度一般为每秒几千次至几万次。采用二进制形式，程序设计语言为机器语言。程序可以存储，使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓、磁芯等作为存储器。输入输出装置主要用穿孔卡片，速度很慢。1.2.1第一代计算机应用领域主要用于科学计算。代表机型IBM公司的IBM700系列。1.2.2第二代计算机主要特点用晶体管代替了电子管。采用磁芯存储器作主存，采用磁盘与磁带作辅存。出现了汇编语言和高级语言；出现了监控程序。作为现代计算机体系结构的许多新技术相继出现。出现了超级计算机。1.2.2第二代计算机应用领域科学计算：数据量不大，运算强度大。数据处理：数据量大，运算强度不大。实时控制：及时性要求高。代表机型IBM7000系列。1.2.3第三代计算机主要特点用集成电路取代了晶体管。用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。走向了系列化、通用化和标准化。操作系统有了很大发展。出现了结构化、模块化程序设计方法。出现了小型计算机。1.2.3第三代计算机应用领域应用领域进一步拓展。代表机型IBM360系统。1.2.4第四代计算机主要特点用微处理器或超大规模集成电路取代了普通集成电路。存储容量进一步扩大。输入采用了光学字符识别和条形码等技术。高级程序设计语言得到广泛使用。微型计算机进入了千家万户。互联网广泛应用，形成所谓的地球村。巨型计算机也得到快速发展。1.2.4第四代计算机应用领域几乎覆盖到人类生活的各个领域。代表机型美国IBM的“红杉（Sequoia）”、我国国防科大的“天河二号”。IBM4300系列、3080系列、3090系列eServerz900系列、eServerz990系列zEnterpriseEC12系列（见图片）联想、惠普、戴尔的微机/笔记本。苹果的iPad。1.2.5第五代计算机研究目标使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化发展，实现接近人的思维方式。研究成果由于各种因素的制约，并没有完全实现预期的研究目标，所以目前的计算机仍属于第四代计算机。但这一时期在智能计算机领域完成了大量的基础性研究工作，促进了人工智能和机器人技术的发展。目前，日本、美国的机器人技术是世界上最先进的。1.2.6计算机的发展趋势巨型化功能特别强大，用于解决一些特别复杂的攻关难题，如国防安全、中长期天气预报、地质勘探等。微型化在保持计算机功能的前提下，使其体积越来越小。台式机、笔记本、平板电脑、嵌入式计算机等。1.2.6计算机的发展趋势网络化实现网络化，才能真正做到即时通信、资源共享、协同工作，计算机才能发挥更大的作用，给人们的的日常工作和生活带来更大的便利。1.2.6计算机的发展趋势智能化计算机处理过程化的计算工作及事务处理工作已经达到了相当高的水平，是人力望尘莫及的。但在智能性工作方面，计算机还远远不如人脑。如何让计算机具有人脑的智能，模拟人的推理、联想、思维等功能，是一个重要发展方向。1.2.7计算机的分类超级计算机体积最大、速度最快、功能最强、价格也最高。主要为国家安全、空间技术、天气预报、石油勘探、生命科学等领域的高强度计算服务。IBM的Roadrunner、我国的“天和二号”都属于超级计算机。大型计算机高性能大容量的通用计算机，标准化的体系结构和批量生产。在银行、税务、大型企业、大型工程设计等领域得到广泛应用。IBMeServerz900、eServerz990、zEnterpriseEC12等是典型代表。1.2.7计算机的分类小型计算机介于微型计算机和大型计算机之间的一种计算机。PDP系列、VAX-11系列等是代表。被高性能微机取代。工作站配备有大屏幕显示器、大容量存储器和图形加速卡的微型计算机。被高性能微机取代。1.2.7计算机的分类微型计算机台式计算机和笔记本计算机平板电脑单片机和嵌入式计算机服务器通过网络为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机。强调高速的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力。1.2.8计算机的特点运算速度快世界上最快计算机的运算速度已达到5.49亿亿次每秒（我国的“天河二号”）。运算精度高我国古代著名数学家祖冲之计算出圆周率π的值在3.1415926～3.1415927之间，这比西方早了一千多年。英国数学家威廉·尚克斯整整花了15年的时间，才把圆周率π的值计算到小数点后707位。计算机用73小时将圆周率计算到小数点后25769亿位。1.2.8计算机的特点记忆能力强如果按纯文本方式存储，1TB的硬盘可以存储16万册300万字的大部头书籍。判断能力好计算机和人下棋/机器人足球比赛。自动运行在程序控制下自动运行。1.2.9计算机的应用领域科学计算大型工程设计、航空航天、石油勘探、核能利用、地震预报与监测和天气预报等。信息处理各种信息管理系统和办公自动化系统。过程控制火星探测器、宇宙飞船、汽车自动装配、数控机床、无人侦察机、导弹的巡航飞行等都需要计算机控制。失之毫厘，差之千里。1.2.9计算机的应用领域计算机辅助系统计算机辅助设计（CAD)、计算机集成制造系统（CIMS）、计算机辅助软件工程（CASE）、计算机辅助教学（CAI）。人工智能IBM公司研制的深蓝计算机系统，1997年5月，以2胜1负3平的成绩战胜1985年以来一直占据世界冠军宝座的卡斯帕罗夫。网络应用截至2013年12月，我国网民规模达到6.18亿人，居世界第一。网络已广泛应用于人们的工作、生活和休闲娱乐中。1.3中国计算机发展简史1956年8月，成立了以著名数学家华罗庚教授为主任的中国科学院计算技术研究所筹备委员会。1958年8月1日，我国第一台通用小型计算机—103机研制成功，仿制前苏联的M-3小型机。1959年10月1日，我国第一台大型通用计算机—104机研制成功，仿制前苏联的BЭCM大型机。1960年，我国第一台自行设计的计算机—107机研制成功，运算速度为250次每秒。1964年，我国第一台自行设计的大型通用计算机—119机研制成功，浮点运算速度为5万次每秒。1.3中国计算机发展简史1965年4月，我国第一台自行设计的晶体管计算机441-B通过国家鉴定，运算速度为1.2万次每秒浮点运算。1967年9月，大型通用晶体管计算机109丙研制成功，浮点运算速度为11.5万次每秒（功勋计算机）。1972年正式交付使用的111计算机，采用小规模集成电路。1973年8月，集成电路计算机150机研制成功。1985年，研制成功与IBMPC机兼容的长城0520CH微机。1983年11月，研制成功我国第一台大型向量机-757机。1.3中国计算机发展简史1983年11月，运算速度为1亿次每秒的向量巨型计算机银河-Ⅰ在国防科技大学研制成功。1992年11月，研制成功10亿次每秒的银河-Ⅱ。1997年6月，研制成功130亿次每秒的银河-Ⅲ。1.3中国计算机发展简史1993年10月，中科院计算所研制成功曙光一号计算机。1995年以后，研制成功曙光1000/2000/3000/4000A。2008年6月，超级计算机曙光5000A研制成功，使用了6600颗AMD巴塞罗那型4核处理器，峰值运算速度达到每秒230万亿次，世界高性能计算机排名第十（2008年11月）。1.3中国计算机发展简史2002年9月，我国首枚具有自主知识产权的高性能通用CPU芯片—龙芯1号通过鉴定。2006年9月，增强型龙芯2号—龙芯2E通过鉴定，主频最高达到1GHz，定点运算速度达到每秒20亿次。2007年7月，性能更优的龙芯2F流片成功。2009年9月，4核CPU龙芯3A流片成功。2012年10月，8核CPU龙芯3B1500流片成功1.3中国计算机发展简史2010年8月，国防科技大学研制成功的“天河一号”超级计算机（二期系统），峰值运算速度达到4.7千万亿次每秒。在2010年11月公布的国际500强超级计算机排行榜中，“天河一号”名列第一。2013年5月，国防科技大学研制成功的“天河二号”超级计算机，峰值运算速度达到5.49亿亿次每秒。在2013年6月和2013年11月公布的国际500强超级计算机排行榜中，“天河二号”均名列第一。1.3中国计算机发展简史1.3中国计算机发展简史“天河二号”超级计算机包含16000个运算节点，每节点配备2颗IntelXeonE512核心的CPU、3个IntelXeonPhi57核心的运算协处理器。共计包含32000颗XeonE5主处理器和48000个XeonPhi协处理器，共312万个运算核心。峰值运算速度为5.49亿亿次每秒，持续运算速度达到3.39亿亿次每秒。“天河二号”每个节点拥有64GB内存，而每个XeonPhi协处理器板载8GB内存，每节点共88GB内存，整台计算机的内存总计为1.408PB（1408万亿字节）。外存为12.4PB（12400万亿字节）容量的硬盘阵列。配置的操作系统为具有自主知识产权的国产麒麟操作系统。1.3中国计算机发展简史“天河二号”由170个机柜组成，包括125个计算机柜、8个服务机柜、13个通信机柜和24个存储机柜，占地720平方米。每个计算机柜容纳4个机架，每个机