全书配套课件：大学计算机基础---计算机科学概论

1、第1章 计算机发展历史本章内容提要2大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论3大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论公元前公元前30003000年的年的古埃及人用结绳古埃及人用结绳来记录土地面积来记录土地面积和收获的谷物和收获的谷物公元前公元前20002000年的美索年的美索不达米亚人用泥板计数，不达米亚人用泥板计数，这块泥板上的契形文字这块泥板上的契形文字代表代表2525。我国古代数学家祖冲之我国古代数学家祖冲之就是用算筹计算出圆周就是用算筹计算出圆周率值介于率值介于3.14159263.1415926和和3.14159273.1415927之间。之间。4大

2、学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论珠算被称为我国珠算被称为我国“第五第五大发明大发明”，最早记录于，最早记录于汉朝人徐岳撰写的汉朝人徐岳撰写的数数术记遗术记遗一书里。一书里。算圣刘洪及其发明的算圣刘洪及其发明的珠算盘。珠算盘。5大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论John Napier(1550-1617)John Napier(1550-1617)约翰约翰纳皮尔纳皮尔纳皮尔算筹纳皮尔算筹(Napiers bones)1612年发明年发明6大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论威廉威廉奥却德奥却德( (William Oughtred)

3、William Oughtred)及其发明的圆形计算尺及其发明的圆形计算尺风靡风靡18181919世纪的计算尺世纪的计算尺7大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Casio 14-ACasio 14-A史上第一台商用小型电子计算器史上第一台商用小型电子计算器19571957年发明年发明一款普通的袖珍电子计算器一款普通的袖珍电子计算器8大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论威廉威廉契克卡德契克卡德德国图宾根大学教授，德国图宾根大学教授，于于16231623年制造了第一台年制造了第一台计算机。计算机。19601960年，契克卡德家乡人根据示年，契克卡德家乡人根据

4、示意图重新制作的契克卡德计算机：意图重新制作的契克卡德计算机：能做能做6 6位数加减法，设置了某种位数加减法，设置了某种“溢出溢出”响铃装置；机器上部附加响铃装置；机器上部附加一套圆柱型一套圆柱型“纳皮尔算筹纳皮尔算筹”，因此，因此也能进行乘除运算。也能进行乘除运算。Wilhelm Schickard(1592-1635)Wilhelm Schickard(1592-1635)9大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Blaise Pascal(1623Blaise Pascal(16231662)1662)保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加法

5、机，法机，16421642年发明：年发明：机器由系列齿轮组成的装置，外壳用黄机器由系列齿轮组成的装置，外壳用黄铜材料制作，是一个长铜材料制作，是一个长2020英寸、宽英寸、宽4 4英寸、英寸、高高3 3英寸的长方盒子，面板上有一列显示英寸的长方盒子，面板上有一列显示数字的小窗口，旋紧发条后才能转动，数字的小窗口，旋紧发条后才能转动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。布莱斯布莱斯帕斯卡帕斯卡 法国数学家、物理学家、思想家法国数学家、物理学家、思想家10大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Gottfried Leibniz(1646Gottfr

6、ied Leibniz(16461716) 1716) 16741674年，莱布尼茨发明乘法机。这是第一台可以年，莱布尼茨发明乘法机。这是第一台可以运行完整四则运算的计算机，长运行完整四则运算的计算机，长100100厘米、宽厘米、宽3030厘厘米、高米、高2525厘米，主要由不动的计数器和可动的定厘米，主要由不动的计数器和可动的定位机构两部分组成，整个机器由一套齿轮系统传位机构两部分组成，整个机器由一套齿轮系统传动。动。【公元公元17001700年左右，莱布尼茨从一位友人送给他年左右，莱布尼茨从一位友人送给他的中国的中国“易图易图”（八卦）里受到启发，悟出了二（八卦）里受到启发，悟出了二进制数

7、之真谛，率先提出了二进制的运算法则。进制数之真谛，率先提出了二进制的运算法则。】戈特费里德戈特费里德莱布尼兹莱布尼兹 德国数学家、微积分独立发明人德国数学家、微积分独立发明人11大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论明代宋应星所著明代宋应星所著天工开物天工开物天工开物天工开物中记载的小花楼提花机中记载的小花楼提花机12大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论英国曼彻斯特英国曼彻斯特“科学与工业博物馆科学与工业博物馆”中的杰卡德编织机中的杰卡德编织机(1805(1805年发明年发明) )布乔的穿孔卡片思想在杰卡德的自动布乔的穿孔卡片思想在杰卡德的自动编织机上实现

8、编织机上实现程序控制思想的萌程序控制思想的萌芽芽正面正面 侧面侧面13大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论现代计算机奠基人现代计算机奠基人英国剑桥大学教授查尔斯英国剑桥大学教授查尔斯巴贝奇巴贝奇18221822年，差分机年，差分机伦敦科学博物馆的复制品伦敦科学博物馆的复制品Charles Babbage (1791- 1871)Charles Babbage (1791- 1871)14大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论世界上第一位程序员世界上第一位程序员奥古斯塔奥古斯塔艾达艾达拜伦拜伦后人根据巴贝奇图纸制造的后人根据巴贝奇图纸制造的“分析机分析机”A

9、ugusta Ada Byron (1815Augusta Ada Byron (1815-1 -1852)852)18341834年，巴贝奇提出通用计算机年，巴贝奇提出通用计算机“分析机分析机”构想，直至他去世也未制成。构想，直至他去世也未制成。15大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论设计图纸之一设计图纸之一差分机和分析机存储器框架差分机和分析机存储器框架16大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论鲍德温发明的手摇计算机，鲍德温发明的手摇计算机，18731873年年弗兰克弗兰克鲍德温鲍德温( (Frank Baldwin)Frank Baldwin)17大

10、学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Herman Hollerith (1860-1929)Herman Hollerith (1860-1929)美国著名统计专家美国著名统计专家赫尔曼赫尔曼霍列瑞斯霍列瑞斯霍列瑞斯发明的自动制表机霍列瑞斯发明的自动制表机18大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论John Fleming (1848-1945)John Fleming (1848-1945)19041904年，英国青年工程师约翰年，英国青年工程师约翰弗弗莱明发明真空二极管莱明发明真空二极管Lee De Forest (1873-1961)Lee De For

11、est (1873-1961)19061906年，美国人李年，美国人李德德福雷斯特福雷斯特发明能起放大作用的真空三极管。发明能起放大作用的真空三极管。19大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Konrad Zuse (1910-1995)Konrad Zuse (1910-1995)数字计算机之父数字计算机之父克兰德克兰德楚泽楚泽德国博物馆中存放的德国博物馆中存放的Z4Z4计算机计算机20大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论Howard Aiken (1900-1973)Howard Aiken (1900-1973)MARKMARK系列计算机发明人系列计

12、算机发明人霍华德霍华德艾肯艾肯哈佛大学的哈佛大学的MARK-IMARK-I21大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论计算机软件之母计算机软件之母Grace Hopper (1906-1992)Grace Hopper (1906-1992)(a)(a)一本介绍霍波博士的书一本介绍霍波博士的书(b)(b)海军军官霍波海军军官霍波摄于摄于19841984年年保存在霍波笔记本中的第一个保存在霍波笔记本中的第一个“bugbug”22大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And Ca

13、lculatorElectronic Numerical Integrator And Calculator）：）：19461946年年2 2月月1414日，诞生在美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场日，诞生在美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场23大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论ENIAC的指标：的指标：l 每秒每秒5000次加法次加法l 17468个电子管个电子管l 7200个二极管、个二极管、70000个电阻器、个电阻器、10000个个电容器、电容器、6000个继电器个继电器l 占地占地170平方米平方米l 总重量总重量30吨吨l 耗电耗电174KWENIACENIAC两位设计者

14、两位设计者莫契利和埃克特莫契利和埃克特ENIACENIAC博物馆中的部分器件博物馆中的部分器件24大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 l l 逻辑元件逻辑元件电子管电子管 l l 主主 存存磁鼓磁鼓 l l 辅辅 存存磁带磁带 l l 软软 件件机器语言、符号语言机器语言、符号语言 l l 应应 用用科学计算科学计算 数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。 1946年年6月，美国数学家、普林斯顿大学教授约翰月，美国数学家、普林斯顿大学教授约翰冯冯诺依曼（诺依曼（John Von Neumann）提出了）提出了“存储程序存储

15、程序”的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计算机组成与工作原理基础。算机组成与工作原理基础。25大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论晶体管的三位发明人晶体管的三位发明人因这项伟大发明，三人获得因这项伟大发明，三人获得19561956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖威廉威廉肖克利肖克利约翰约翰巴丁巴丁沃尔特沃尔特布拉布拉坦坦26大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l 体积比电子管小很多体积比电子管小很多l 耗电大大降低耗电大大降低l 稳定性有很大提高稳定性有很大提高电子管实物电子管实物晶体管实物晶体管实物19551

16、955年，贝尔实验室使用年，贝尔实验室使用800800只晶体管组装了世界上第一只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机台晶体管计算机TRADICTRADIC。(Transistor Digital Computer)(Transistor Digital Computer)27大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l l 逻辑元件逻辑元件 晶体管晶体管l l 主主 存存 磁芯磁芯l l 辅辅 存存 磁盘磁盘l l 软软 件件 高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统l 应应 用用 除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制 首次

17、将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了速度和可靠性。速度和可靠性。 发明了高级语言。发明了高级语言。 首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。28大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l 1958年年9月月12日，在德克萨斯仪器（日，在德克萨斯仪器（TI）公司）公司工作的杰克工作的杰克基尔比（基尔比（Jack Kilby）完成了他的集成）完成了他的集成电路设计（将硅电阻器、电容器和晶体管装在一电路设计（将硅电阻器、电容器和晶体管装在

18、一块晶片上）。块晶片上）。1959年年2月月6日，基尔比向美国专利日，基尔比向美国专利局申报专利局申报专利“小型化电子电路（小型化电子电路（No. 3138743）”。l 1959年年7月月30日，美国仙童公司的罗伯特日，美国仙童公司的罗伯特诺伊诺伊斯（斯（Robort Noyce）也宣称制出第一块集成电路，）也宣称制出第一块集成电路，并向美国专利局申请专利并向美国专利局申请专利“半导体器件和引线结半导体器件和引线结构（构（No. 2981877）”。杰克杰克基尔比基尔比罗伯特罗伯特诺伊诺伊斯斯29大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论集成电路实物集成电路实物晶体管实物晶体管

19、实物19641964年年4 4月月7 7日，在日，在IBMIBM公司成公司成立立5050周年之际，由年仅周年之际，由年仅4040岁的岁的吉恩吉恩阿姆达尔阿姆达尔( (Gene Amdahl)Gene Amdahl)担任主设计师，历时四年研发担任主设计师，历时四年研发的的IBM360IBM360计算机问世，标志着计算机问世，标志着第三代计算机的全面登场，这第三代计算机的全面登场，这也是也是IBMIBM历史上最为成功的机型历史上最为成功的机型之一。之一。30大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 l l 逻辑元件逻辑元件集成电路集成电路 l l 主主 存存半导体半导体 l l 辅

20、辅 存存磁盘磁盘 l l 软软 件件高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统 l l 应应 用用科学计算、数据处理、过程控制科学计算、数据处理、过程控制 IBM公司首次提出了系列机的概念，圆满地解决了计算机兼容的问题，公司首次提出了系列机的概念，圆满地解决了计算机兼容的问题，典型代表是典型代表是IBM360系列机。系列机。 控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规整化。控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规整化。 结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。31大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 1971年

21、，年，Intel公司宣称，他们首创了一种公司宣称，他们首创了一种“开启集成电路新纪元开启集成电路新纪元”的半的半导体芯片，即第一块微处理器芯片导体芯片，即第一块微处理器芯片4004。 所谓微处理器芯片是将所谓微处理器芯片是将CPU（Central Processing Unit，中央处理器）集成，中央处理器）集成在一块芯片上。在一块芯片上。第一块微处理器芯片第一块微处理器芯片Intel 4004Intel 4004及其发明人特德及其发明人特德霍夫霍夫32大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论1975年年4月，微型仪器与自动测量系统公司（月，微型仪器与自动测量系统公司（MITS

22、）推出了首台通用型推出了首台通用型Altair 8800，售价，售价375美元，带有美元，带有1KB存储器，这是世界上第一台微型计算机。存储器，这是世界上第一台微型计算机。1981年年8月月12日，日，IBM公司正式推出了全球第一台个公司正式推出了全球第一台个人计算机人计算机IBM PC。该机采用主频。该机采用主频4.77MHz的的Intel 8088微处理器，运行微处理器，运行Microsoft公司专门为公司专门为IBM PC开开发的发的MS-DOS操作系统。操作系统。第一台微型计算机第一台微型计算机Altair 8800Altair 8800第一台个人计算机第一台个人计算机IBM PCIB

23、M PC33大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 比尔比尔盖茨（盖茨（ Bill Gates ）在哈佛大学学习期间就）在哈佛大学学习期间就为第一台微型计算机为第一台微型计算机Altair 8800开发了开发了BASIC编程语言编程语言的一个版本。的一个版本。 1975年，年仅年，年仅20的盖茨与好友保罗的盖茨与好友保罗艾伦艾伦(Paul Allen)共同创建了共同创建了Microsoft公司。公司。 1981年诞生的年诞生的IBM PC机选用机选用Microsoft公司的公司的MS-DOS作为操作系统，随着作为操作系统，随着PC机的风行，机的风行，Microsoft公司公司

24、逐渐成为世界第一大微机软件开发商。逐渐成为世界第一大微机软件开发商。比尔比尔盖茨盖茨保罗保罗艾伦艾伦34大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 l l 逻辑元件逻辑元件 大规模大规模/超大规模集成电路（超大规模集成电路（LSI/VLSI） l l 主主 存存 LSI/VLSI半导体芯片半导体芯片 l l 辅辅 存存 磁盘、光盘磁盘、光盘 l l 软软 件件 高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统 l l 应应 用用 科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机网络为科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机网络为特征的应用时代特征的应用时代35大学计算机基础大

25、学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 1971年年Intel公司成功地研制出了公司成功地研制出了4004微处理器芯片。从此，随着微处理器芯片。从此，随着LSI/VLSI技术的发展，微处理器每隔两三年就有一个新的产品问世，至今已发展到技术的发展，微处理器每隔两三年就有一个新的产品问世，至今已发展到486、586、Itanium、Intel Core 2。 微型计算机出现，典型代表是微型计算机出现，典型代表是IBM PC。 面向对象、可视化程序设计概念出现；软件产业高度发达，各种实用软面向对象、可视化程序设计概念出现；软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了用户。件层出不穷，极大地

26、方便了用户。 计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起。计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起。 多媒体技术崛起，计算机集图像、图形、声音、文字处理于一体，在信多媒体技术崛起，计算机集图像、图形、声音、文字处理于一体，在信息处理领域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实息处理领域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。施当中。36大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l l 人工智能计算机人工智能计算机l l 巨型计算机巨型计算机l l 多处理机多处理机l l 激光计算机激光计算机l l

27、超导计算机超导计算机l l 生物晶体计算机（生物晶体计算机（DNA计算机）计算机）l 量子计算量子计算37大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论38大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l 1847年，出版年，出版逻辑的数学分析逻辑的数学分析（The Mathematical Analysis of Logic。l 1854年，出版年，出版思维规律的研究思维规律的研究逻辑与概率的数学逻辑与概率的数学理论基础理论基础（An Investigation of the Laws of Thought, on Which are Founded the Mathem

28、atical Theories of Logic and Probabilities。l 以这两部著作为基础，布尔建立了一门新的数学学科以这两部著作为基础，布尔建立了一门新的数学学科逻辑代数，也称布尔代数。它为百年后出现的数字计算逻辑代数，也称布尔代数。它为百年后出现的数字计算机开关电路设计提供了最重要的数学方法和理论基础。机开关电路设计提供了最重要的数学方法和理论基础。 逻辑代数创始人，逻辑代数创始人，英国数学家英国数学家乔治乔治布尔布尔( (George George BooleBoole，1815-1864)1815-1864)39大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论

29、l 1938年，年仅年，年仅22岁的香农在硕士论文的基础上，发表岁的香农在硕士论文的基础上，发表论文论文“继电器和开关电路的符号分析继电器和开关电路的符号分析”（A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits），首次阐述了如何），首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关将布尔代数运用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。电路的理论基础。【香农于香农于1948年年6月和月和10月在月在贝尔系统技术杂志贝尔系统技术杂志（Bell System Technical Journal）上连载发表了他影响深远的论

30、文）上连载发表了他影响深远的论文“通信的数学原理通信的数学原理”（A Mathematical Theory of Communication）；）；1949年，香农又在该杂年，香农又在该杂志上发表了另一著名论文志上发表了另一著名论文“噪声下的通信噪声下的通信”（Communication in the Presence of Noise）。这两篇论文成为了信息论的奠基性著作，香农成为）。这两篇论文成为了信息论的奠基性著作，香农成为信息论的奠基人。信息论的奠基人。】信息论创始人，信息论创始人，美国科学家美国科学家克 劳 德克 劳 德 香 农香 农( (Claude ShannonClaude

31、Shannon，1916-2001)1916-2001)40大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自这位伟大的科学家：法也源自这位伟大的科学家：l 24岁，提出图灵机理论；岁，提出图灵机理论；l 31岁，参与岁，参与Colossus（二战时英国破解德国通信密码的（二战时英国破解德国通信密码的计算机）的研制；计算机）的研制；l 33岁，构思了仿真系统；岁，构思了仿真系统；l 35岁，提出自动程序设计概念；岁，提出自动程序设计概念；l 38岁，设计了岁，设计了“图灵测试图灵测试”；

32、l 在后来还创造了一门新学科在后来还创造了一门新学科非线性力学；非线性力学；l 计算机与人工智计算机与人工智能之父，英国数能之父，英国数学家、逻辑学家学家、逻辑学家阿兰阿兰图灵图灵（Alan TuringAlan Turing，1912-19541912-1954）41大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 1936年年5月月28日，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为日，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为“论可计算数及其在判定问题上的应用论可计算数及其在判定问题上的应用”(On Computable Numbers, with an Application t

33、o the Entscheidungsproblem)。在这篇开创性的论文中，。在这篇开创性的论文中，图灵给图灵给“可计算性可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机图灵机(Turing Machine)”的设想。的设想。图灵机模型示意图图灵机模型示意图42大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 1950年年10月，图灵发表一篇题为月，图灵发表一篇题为“计算机器与智能计算机器与智能”(Computing machinery and intelligence)的论文，成为划时代之作。的论文，成为划时代之作。 在这篇论文里，图灵第一

34、次提出在这篇论文里，图灵第一次提出“机器思维机器思维”的概念。他还对智的概念。他还对智能问题从行为主义的角度给出了定义，由此提出一假想：一个人在不能问题从行为主义的角度给出了定义，由此提出一假想：一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式，和对方进行一系列的问答，接触对方的情况下，通过一种特殊的方式，和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么，就可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是那么，就可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是能思维的。这就是著名的能思

35、维的。这就是著名的“图灵测试图灵测试”（Turing Testing）。）。43大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，国际计算机协会为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，国际计算机协会(Association for Computing Machinery，ACM)于于1966年开始设立图灵奖年开始设立图灵奖(Turing Award)，这是计算机界最负盛名的奖项，有这是计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖计算机界诺贝尔奖”之称。之称。姚期智姚期智法兰西斯法兰西斯艾伦艾伦( (Frances AllenFrances Allen

36、) )44大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 在计算机发展史上，有一位被在计算机发展史上，有一位被“遗忘遗忘”的电子计算机之父的电子计算机之父美国物理美国物理学家约翰学家约翰阿塔纳索夫。他先于莫契利和埃克特提出用电子管制作计算机，提阿塔纳索夫。他先于莫契利和埃克特提出用电子管制作计算机，提出了清晰的计算机组成三原则，并先于出了清晰的计算机组成三原则，并先于ENIAC制成一台试验样机，可惜没被制成一台试验样机，可惜没被所在的依阿华大学重视，既没有给予足够的投资，也没申请专利，而后一直所在的依阿华大学重视，既没有给予足够的投资，也没申请专利，而后一直搁置在衣阿华大学物理楼的储

37、存室里。搁置在衣阿华大学物理楼的储存室里。被被“遗忘遗忘”的电子计算机之父的电子计算机之父约翰约翰阿塔纳索夫阿塔纳索夫（John AtanasoffJohn Atanasoff，1903-19951903-1995）存放在衣阿华州立大学的存放在衣阿华州立大学的ABCABC计算机计算机( (Atanasoff-Berry Computer)Atanasoff-Berry Computer)45大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 维纳提出的现代计算机设计五原则：维纳提出的现代计算机设计五原则：l 不是模拟式，而是数字式；不是模拟式，而是数字式；l 由电子元件构成，尽量减少机械

38、部件；由电子元件构成，尽量减少机械部件；l 采用二进制，而不是十进制；采用二进制，而不是十进制；l 内部存放计算表；内部存放计算表；l 在计算机内部存储数据。在计算机内部存储数据。【维纳维纳1943年在所发表的论文年在所发表的论文“行为、目的和目的论行为、目的和目的论”（Behavior, purpose, and teleology. Phil. Sci. 10(1943).）中，首次提出了）中，首次提出了“控制论控制论”这个概念。这个概念。1948年维纳在麻省理工学院出版社（年维纳在麻省理工学院出版社（MIT Press）出版了里程碑式的著作）出版了里程碑式的著作控制论控制论动物和机器中的

39、通信与控制问题动物和机器中的通信与控制问题（Cybernetics: Or the Control and Communication in the Animal and the Machine. Cambridge），为控制论奠定了理），为控制论奠定了理论基础，标志着它的正式诞生。论基础，标志着它的正式诞生。】控制论创始人控制论创始人诺伯特诺伯特维纳维纳（Norbert WienerNorbert Wiener，1894-19641894-1964）46大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论l 1945年年6月月30日，冯日，冯诺依曼发表诺依曼发表“101页报告页报告”Fi

40、rst Draft of a Report on the EDVAC；l 1946年年7、8月间，冯月间，冯诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告“电子计算电子计算机逻辑设计初探机逻辑设计初探”（Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument）。）。现代电子计算机之父现代电子计算机之父冯冯诺伊曼诺伊曼 这两篇报告的综合设计思想，便是著名的这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯冯诺依曼结诺依曼结构（构（von Neumann Archi

41、tecture）”。报告明确指出：。报告明确指出：l 采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；l 计算机由计算机由5部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；出装置；l 程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描述的处理工作。而自动完成程序描述的处理工作。47大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机

42、科学概论第一台第一台“存储程序存储程序”电子电子计算机计算机EDSACEDSAC，英国，英国剑桥大学教授威尔克斯主剑桥大学教授威尔克斯主持。持。下面机器是较早实现下面机器是较早实现“冯冯诺依曼结构诺依曼结构”、按照、按照“存储程序程序控制存储程序程序控制”工作的计算机：工作的计算机：l IAS冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDVAC冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDSAC莫里斯莫里斯威尔克斯主持威尔克斯主持冯冯诺伊曼及诺伊曼及IASIAS机机EDVACEDVAC48大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图2.1 浮点数据格式图2.1 浮点数据格式49大学计算机基础大学计算机基础计

43、算机科学概论计算机科学概论ENIACIntel Core Duo 2006首次登场首次登场1946年年2006年年性能性能5 000次加法次加法/秒秒21.6亿次运算亿次运算/秒秒功耗功耗170kW最多最多31W重量重量28t几乎可以忽略几乎可以忽略大小大小80英尺英尺8英尺英尺90.3mm2器件数量器件数量17 840支电子管支电子管151.6百万支晶体三极管百万支晶体三极管成本成本US$487 000US$637表表1.4 60年来神化般的进步年来神化般的进步50大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论银河银河-十亿次巨型计算机十亿次巨型计算机曙光曙光4000A超级计算机超

44、级计算机北京气象局所用的北京气象局所用的长城至翔刀片式服务器长城至翔刀片式服务器51大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论52大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论普适计算示意图普适计算示意图2 2普适计算示意图普适计算示意图1 153大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论（1）user-centeric：以人为中心的计算。：以人为中心的计算。（2）invisibility：不可见的计算。：不可见的计算。（3）access anything by anybody via any devices, anywhere anytime：在任何：在

45、任何时间和地点，人们通过任何设备，访问任何信息。时间和地点，人们通过任何设备，访问任何信息。（4）hundreds of handheld and wearable computers：许多手持式和可穿戴式：许多手持式和可穿戴式计算机。计算机。（5）hundreds of wireless computing devices per person per office, of all scales：大量遍布在每个办公室、每个人的，各种规格的无线计算设备。大量遍布在每个办公室、每个人的，各种规格的无线计算设备。（6）hundreds of devices to sense and control

46、 appliances：许多传感设备和控：许多传感设备和控制设备。制设备。54大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论（1）麻省理工学院的）麻省理工学院的Oxygen项目项目（2）Microsoft公司的公司的Easy Living项目项目（3）AT&T实验室和英国剑桥大学合作的研究项目实验室和英国剑桥大学合作的研究项目Sentient Computing（4）卡内基梅隆大学的）卡内基梅隆大学的Aura 项目项目（5）乔治亚理工学院的）乔治亚理工学院的The Aware House项目项目乔治亚理工学院的乔治亚理工学院的The Aware HouseThe Aware

47、House55大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 1965年，年，Intel公司的缔造者之一戈登公司的缔造者之一戈登摩尔（摩尔（Gordon Moore）在总结）在总结存储器芯片的增长规律时，指出存储器芯片的增长规律时，指出“微芯片上集成的晶体管数目每微芯片上集成的晶体管数目每12个月翻个月翻一番一番”。在随后的年月里，发现微芯片的容量通常每。在随后的年月里，发现微芯片的容量通常每1824个月翻一番。个月翻一番。因而，因而，“微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番”就被人们称为摩尔定就被人们称为摩尔定律（律（Moores Law），如图所

48、示。），如图所示。56大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论57大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 (1) (1)电子计算机史前史；电子计算机史前史； (2) (2)第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机ENIACENIAC的产生，的产生，6060年来一共经历了电子管计算年来一共经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机四代；机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机四代； (3) (3)为电子计算机的出现奠定了理论基础的大师级科学家及其他们的思想；为电子计算机的出现奠定了理论基础的大师级科学家及其他们的思想

49、； (4) (4)中国计算机发展历史，列举了中国计算机大事记；中国计算机发展历史，列举了中国计算机大事记； (5) (5)前计算机技术的发展趋势，展望了未来的计算机。前计算机技术的发展趋势，展望了未来的计算机。第2章 计算机组成与工作原理本章内容提要59大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论60大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论每位数符为每位数符为09，逢十进一。，逢十进一。N10 = (式2.1)每位数符为每位数符为0或或1，逢二进一。，逢二进一。 N2 = (式2.2)110nmiiiA12nmiiiB61大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计

50、算机科学概论每位数符为每位数符为07，逢八进一。，逢八进一。N8 = (式2.3)每位数符为每位数符为09，AF，逢十六进一。，逢十六进一。 N16 = (式2.4)18nmiiiC116nmiiiD62大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F63大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论按式

51、（按式（2.2）按权展后，再求和。）按权展后，再求和。 例(110111.101) = 125 124 023 122 121 120 12-1 02-212-3 = (55.625) 64大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论整数部分除整数部分除2取余，余数从后向前排列；取余，余数从后向前排列；小数部分乘小数部分乘2取整，整数从前向后排列。取整，整数从前向后排列。 例(12.6875) 10 =(1100.1011) 2 2 12 ( 0 0.6875 2 6 ( 0 2 2 3 ( 1 1.3750 2 1 ( 1 2 0 0.750 2 1.50 2 1.065大学计算

52、机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 从小数点开始分别向左、向右每三位分为一组，再将每从小数点开始分别向左、向右每三位分为一组，再将每组用对应的八进制数位表示。组用对应的八进制数位表示。 例( 11 101 010 011.101 110 )2 = (3523.56)8 3 5 2 3 5 6 二进制数转换为八进制数时为上述逆运算。二进制数转换为八进制数时为上述逆运算。66大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 从小数点开始分别向左、向右每四位分为一组，再将每组用对应的从小数点开始分别向左、向右每四位分为一组，再将每组用对应的十六进制数位表示。十六进制数位表示。

53、例(1111 0101 0011.1011 1000)2 =(F53.B8) 16 F 5 3 B 8 二进制数转换为八进制数时为上述逆运算。二进制数转换为八进制数时为上述逆运算。 十进制转换成八进制、十六进制的原理与十进制转换成二进制原理类十进制转换成八进制、十六进制的原理与十进制转换成二进制原理类似，仅需将基数改成似，仅需将基数改成8、16即可。即可。67大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论机器字长的所有位都表示数值大小，步骤：机器字长的所有位都表示数值大小，步骤：l 首先将整数转换为二进制形式；首先将整数转换为二进制形式；l 如果二进制位数不足位，则在二进制的左边补如

54、果二进制位数不足位，则在二进制的左边补0。 例将9存储在8位字长的存储单元中。 解：首先将9转换成二进制数1001；然后高位补4个0使总位数为8，得到00001001；最后将该数存储在存储单元中。68大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 在数据的最高位为符号位，在数据的最高位为符号位，0表示表示“正数正数”，1表示表示“负数负数”。 例将9存储在8位字长的存储单元中。 解：8位中，最高位为符号位，余下7位是有效数值位；最后存储的结果是10001001。【机器中整数的表示一般有原码、反码和补码表示法，此例是原码表示。机器中整数的表示一般有原码、反码和补码表示法，此例是原码表示

55、。】69大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论 每四位二进制数为一组，表示一位十进制数。二进制编码每四位二进制数为一组，表示一位十进制数。二进制编码00001001，分别代表十进制数位，分别代表十进制数位0-9。图2.1 浮点数据格式图2.1 浮点数据格式图图2.1 浮点数据格式浮点数据格式70大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论ASCII码（码（American Standard Code for Information Interchange）连续存放的字符编码连续存放的字符编码汉字输入码（输入汉字用）汉字输入码（输入汉字用） 汉字机内码（机内存储和处

56、理汉字用）汉字机内码（机内存储和处理汉字用） 汉字字形码（输出汉字用）汉字字形码（输出汉字用） 1981年我国国家标准局公布了年我国国家标准局公布了GB2312-80，即，即信息交换用汉字编码字符信息交换用汉字编码字符集集基本集基本集，简称国标码。共收集常用汉字，简称国标码。共收集常用汉字6763个，各种图形符号个，各种图形符号682个，个，共计共计7445个。个。71大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论位图图像、矢量图像位图图像、矢量图像 在一般声像设备中，音频和视频信息通常都表示为模拟量，但计算机的在一般声像设备中，音频和视频信息通常都表示为模拟量，但计算机的CPU却只

57、能处理数字量。因此，无论音频信息或视频信息，在进入却只能处理数字量。因此，无论音频信息或视频信息，在进入CPU以前都以前都要先转换为二进制数据（模要先转换为二进制数据（模/数转换），才能交给数转换），才能交给CPU加工处理；反之，从加工处理；反之，从CPU输出的声音输出的声音/图像信息，也要先从二进制数据转换为音频图像信息，也要先从二进制数据转换为音频/视频模拟信号视频模拟信号（数（数/模转换），然后交给声像设备播放。模转换），然后交给声像设备播放。图图2.3 黑白图像的位图图像表示黑白图像的位图图像表示72大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论73大学计算机基础大学计算机基

58、础计算机科学概论计算机科学概论图图2.5 非门的各种表示法非门的各种表示法图图2.6 与门的各种表示法与门的各种表示法74大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.7 或门的各种表示法或门的各种表示法图图2.8 异或门的各种表示法异或门的各种表示法75大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.9 与非门的各种表示法与非门的各种表示法图图2.10 或非门的各种表示法或非门的各种表示法76大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.11 三输入与门的各种表示法三输入与门的各种表示法77大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科

59、学概论图图2.12 晶体三极管示意图晶体三极管示意图78大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.13 用晶体构造门示例用晶体构造门示例(a)构造非门(b)构造与非门(c)构造或非门79大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.14 组合电路示例组合电路示例80大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。图图2.15 时序电路示例时序电路示例R-SR-S锁存器锁存器图图2.16 集成电路芯片示例集成电路芯片示例81大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论规规

60、模模缩缩 写写门门 数数小规模集成电路SSI110中规模集成电路MSI10100大规模集成电路LSI100100000超大规模集成电路VLSI多于100000表表2.4 集成电路分类集成电路分类82大学计算机基础大学计算机基础计算机科学概论计算机科学概论图图2.17 冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构负责各种算术运算和负责各种算术运算和 逻辑运算。逻辑运算。整个计算机的指挥中整个计算机的指挥中 心，负责往其他部件心，负责往其他部件 发送控制命令。发送控制命令。计算机的记忆部件。计算机的记忆部件。负责将程序和数据负责将程序和数据 输入计算机。输入计算机。负责将程序执行结负责将程序执行结 果输出计算机。果输出计算机