计算机导论-第五课(西安交大)

第七部分现代计算机发展史

体积在变性能在变规格在变机械式和电动式的模拟计算机的瓶颈灵活性差须手动装配（像是重新改编程序）才能处理下一个待解问题效率低，精度差复杂运算需要耗时较长时间和人力3

电子计算的物理基础

电子计算的物理基础-电子管电子管的发明源自——“爱迪生效应”电子管，是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。56用电平表示状态—电子存储7现代计算机—流程化的计算

流水线生产方式：1复杂问题被分解为简单的步骤。2每个步骤由专业的技

工来完成3所有步骤通过一个有

序递进的生产线连接

起来。

电子计算的理论基础

电子计算机的产生1936年，在他的一篇具有划时代意义的论文——《论可计算数及其在判定问题中的应用》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)中，论述了一种假想的通用计算器，也就是理想计算机，被后人称为“图灵机”(TuringMachine——TM)。阿伦•图灵AlanTuring1912—1954年电子计算机的理论基础-图灵机图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程在纸上写上或擦除某个符号把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置图灵机就其计算能力而言，可以模拟现代任何计算机，蕴含了现代存储程序式计算机的思想10图灵机的带子可以看作是具有可擦写功能的存储器图灵模型图灵的观点及结论凡是能用算法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。图灵机是从过程这一角度来刻画计算的本质，其结构简单、操作运算规则也较少，从而为更多的人所理解图灵模型：可编程化的数据处理器程序是告诉计算机怎样处理数据的指令集11冯·诺依曼模型在图灵机基础上把数据存在存储器中大约在1944-1945年，冯·诺依曼提出：由于程序和数据在逻辑上是等同的，那么程序也应当存储在计算机的内存中将程序与数据一样看待，对程序像数据那样进行编码后一起共同存放在存储器中。使计算机通过改变存储器中的内容，对数据进行操作。从原来对程序和数据的严格区别到一样看待，这是计算机史上的一场革命冯·诺依曼思想存储程序，顺序执行冯·诺依曼模型计算机：存储器，算术逻辑单元，控制单元及输入和计算机：存储器，算术逻辑单元，控制单元及输入和ENIAC和冯·诺依曼1946年2月，美国宾夕法尼亚大学成功研制出了ENIAC，这是世界上第一台数字电子计算机。莫尔学院的两位青年学者——36岁物理学家约翰•莫齐利(JohnMauchly)和他的学生，24岁的电气工程师布雷斯帕•埃克特(PresperEckert)，向戈德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计方案——“高速电子管计算装置的使用”ENIAC和冯·诺依曼1944年夏，在阿贝丁火车站，戈德斯坦邂逅了数学家约翰•冯•诺依曼(JohnVonNouma：1903—1957年)，于是戈德斯坦向冯•诺依曼介绍了正在研制电子计算机，冯•诺依曼非常感兴趣。几天之后，冯•诺依曼就专程到莫尔学院参观还未完成的ENIAC，并参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议ENIAC和冯·诺依曼这台名为ENIAC(电子数字积分计算机的缩写）的机器，使用18800个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，占地170平方米，重达30吨，可谓“庞然大物”也ENIAC和冯·诺依曼冯•诺依曼决定重新设计一台计算机，命名为“离散变量自动电子计算机”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticCalculator：EDVAC)

1946年6月，冯•诺依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯顿大学高级研究院，完成了另一台ISA(高级研究院的英文缩写)电子计算机，他们联名发表了计算机史上著名的“101页报告”2023/2/1冯•诺依曼的基本思想：(1)不是模拟，而是数字的；(2)采用电子元件，不是机械式的；(3)采用二进制；(4)计算与存储交互；(5)把计算机从逻辑上划分为5大部分，即运算器、控制器、存储器、输入/输出设备。2023/2/1冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系与现代计算机的对应关系控制器与运算器已经合并入CPU冯氏结构的“内存储器”指的是CPU中的寄存器组件冯氏结构的“外存储器”指的是内存组件硬盘等现代外存储，并不属于冯氏结构的“外存储器”。冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构其实是一种普适的计算模式。自人类发明计算工具以来，过去所有的计算工具都是冯氏体系的子集。冯•诺依曼计算机的基本特点(1)采用存储程序方式。(2)存储器是按地址访问的线性编址的惟一结构。(3)指令由操作码和地址码组成。(4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。(5)机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。(6)数据以二进制表示。计算机的五大部件1.运算器运算器又称算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit——ALU)，是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断。运算器是在控制器的控制之下实现其功能的，运算结果由控制器发出的指令送到内存储器中。2.控制器控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，控制器是用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。通常把运算器、控制器做在一个大规模集成电路块上称为中央处理器，又称CPU(CentralProcessingUnit)。3.存储器存储器是计算机的记忆装置，用于存放原始数据、中间数据、最终结果和处理程序。向存储器里存入信息也称为“写入”，写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为“读出”，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以重复取出，多次利用。存储器可分为两种：内存储器与外存储器。通常把内存储器、运算器和控制器合称为计算机主机，也可以说主机是由CPU与内存储器组成的，而主机以外的装置称为外部设备，外部设备包括输入/输出设备，外存储器等。4.输入/输出设备输入/输出设备简称I/O(Input/Output)设备。用户通过输入设备将程序和数据输入计算机，输出设备将计算机处理的结果(如数字、字母、符号和图形)显示或打印出来。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等；常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。计算机的软件系统软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术文档。计算机软件系统分为系统软件和应用软件。没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机，裸机向外部世界提供的界面只是机器指令。用户及其他程序都通过系统软件来使用计算机。1．系统软件计算机系统软件由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成，指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到预定的目标。简单地说，系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益。2023/2/12．应用软件应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件，包括用户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用。应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运作，但它必须在系统软件的支持下才能工作。计算机系统主要技术指标1．字长2．时钟周期和主频3．运算速度4．内存容量5．数据输入输出最高速率2023/2/1计算机的分类根据计算机的总体规模(按照计算机的字长、运算速度、存储量大小、功能强弱、配套设备多少、软件系统的丰富程度)对计算机分类，可分为巨型机(SuperComputer)、大/中型计算机(Mainframe)、小型计算机(Minicomputer)、微型计算机(Microcomputer)和网络计算机(NetworkComputer)五大类。常见的微型机还可以分为台式机、便携机、笔记本电脑、掌上型电脑等多种类型。计算机的基本运作方式计算机的基本运作方式可概括为“IPOS循环”。IPOS循环即输入(Input)、处理(Processing)、输出(Output)和存储(Storage)，它反映了计算机进行数据处理的基本步骤。1．输入2．处理3．输出4．存储2023/2/1

现代电子计算机的发展阶段

电子数字计算机电子数字计算机(ElectronicDigitalComputer)简称为电子计算机或计算机，也是人们常说的电脑，是二十世纪最辉煌的成就之一计算机给人类带来了巨大的变化计算机的定义：

计算机是一种能按照事先存储的程序，自动地、高速地、精确地进行大量数值计算，并且具有记忆(存储)能力、逻辑判断能力、可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备按照采用的电子器件划分，计算机大致已经历了四个阶段：其主要特征是逻辑器件使用电子管，用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备，用磁鼓或磁带作为外存储器，使用机器语言编程。第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置，主要用于科学计算。其代表机型有：ENIAC、IBM650(小型机)、IBM709(大型机)等。第一代计算机(1946年—1957年)物理基础第二代计算机(1958年—1964年)其主要特征是使用晶体管代替了电子管，内存储器采用了磁芯体，引入了变址寄存器和浮点运算硬件，利用I/O处理机提高了输入输出能力在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序，降低了程序设计的复杂性其代表机型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等物理基础AppliedOperatingSystemConcepts卡片早期主机计算系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机AppliedOperatingSystemConcepts50年代早期出现了穿孔卡片程序写在卡片上然后读入计算机但计算过程则依然如旧早期计算机系统AppliedOperatingSystemConcepts$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

$JOB,10,429754

CherryChen

典型的FMSJOB结构第三代计算机(1965年—1972年)其主要特征是用半导体、小规模集成电路(IntegratedCircuit——IC)作为元器件代替晶体管等分立组件，用半导体存储器代替磁芯存储器，使用微程序设计技术简化处理机的结构，这使得计算机的体积和耗电量显着减小，而计算速度和存储存量却有较大提高，可靠性也大大加强。在软件方面则广泛地引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统和功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。计算机开始定向标准化、模块化、系列化，此时，计算机的应用进入到许多科学技术领域。其代表机器有：IBM360系列、富士通F230系列等。物理基础成熟的主机计算模式终端AppliedOperatingSystemConcepts多任务分时交互通信/网络跨越发展第四代计算机(1972年—)其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路，大规模和超大规模块集成电路的出现，使计算机沿着两个方向飞速向前发展。一方面，利用大规模集成电路制造多种逻辑芯片，组装出大型、巨型计算机。另一方面，利用大规模集成电路技术，将运算器、控制器等部件集成在一个很小的集成电路芯片上，从而出现了微处理器。完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，以及通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机进入了一个大发展的阶段。物理基础AppliedOperatingSystemConcepts小型计算机，电子游戏和UNIX的成功1969年，在贝尔退出MULTICS研制项目后，KenThompson和DennisM.Ritchie想申请经费买计算机从事操作系统研究，但多次申请得不到批准。项目无着落，他们在一台无人用的PDP-7上，重新摆弄原先在MULTICS项目上设计的“空间旅行”游戏。为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行，他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell和汇编程序。到了1970年，在一切完成后，给新系统起了个同MULTICS发音相近的名字UNIX。随后，UNIX用C语言全部重写，自此，UNIX诞生了。AppliedOperatingSystemConcepts随着大规模集成电路发展，个人计算机时代到来了各种类型的个人计算机和软件层出不穷。1973年GaryKildall看到对个人计算机操作系统的需求,设计了CP/M操作系统(