S-1-发展历史及基础知识-8221-1815-20120924164520

大学计算机基础

ComputerConcepts北京交通大学计算机与信息技术学院《大学计算机基础》课程组计算机基础1计算机基础内容计算机发展历史及趋势1计算机系统基础知识22计算机概述计算机的定义Adevicethatcomputes,especiallyaprogrammableelectronicmachinethatperformshigh-speedmathematicalorlogicaloperationsorthatassembles,stores,correlates,orotherwiseprocessesinformation.计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置计算机基础3世界计算机发展历史计算机的发展自古至今，人们不断探索计算的方法和运算工具的研制电子计算机的发展到今天经历了四个阶段计算机基础4远古计数机械计算机第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机计算机的发展演化（一）算盘

Abacus七珠-十六进制；五珠-十进制

算珠的上下拨动与计算机的「upand

down」和「onandoff」概念计算机基础5古代人计数结绳计数木刻计数筹码计数谜语：著名作家谢尔顿在他的小说《假如明天来临》里讲过一个故事：骗子杰夫向经销商兜售一种袖珍计算机，说它“价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”。计算机的发展演化（二）计算尺 Sliderule十七世纪初，欧洲开始文艺复兴运动，自然科学因而蓬勃发展，由许多科学定理所建立的近代科学基础理论被陆续公开世人需要快速乘除计算1630年，英国数学家欧佛德(WilliamOughtred)依据比例及对数的原理，发明了计算尺18世纪末，以发明蒸汽机闻名于世的瓦特，成功地制出了第一把名副其实的计算尺，并引入滑标用于记录中间结果各种各样的计算尺计算尺WilliamOughtred（1575–1660）计算机基础6计算机的发展演化（三）加法器（Adder）1642年，法国数学家、物理学家、思想家、流体动力学家和概率论的创始人帕斯卡尔，利用机器齿轮的机械工作原理，发明了加法器Pascaline，由此开始了机械式计算工具的使用世界上最古老的计算器，是能执行加、减的运算计算机基础7加法器外观加法器内部机械装置BlaisePascal（1623-1662）计算机的发展演化（四）乘法器（Multiplier）Germanphilosopherandmathematician1674，制造出一台更完美的机械计算机，能够连续重复计算加法并支持乘法的计算器经过长期的使用演进，才出现近代的手摇计算器独立发明了微积分、并为计算机提出“二进制”的设计思路

计算机基础816位的乘法器伏羲八卦图WilhelmGottfriedLeibnitz（1646–1716）计算机的发展演化（四）纺织机械师的启示BasileBouchon：1725年，法国纺织机械师布乔（B.Bouchon）突发奇想，想出了一个“穿孔纸带”JosephMarieJacquard(1752-1834)：在1805年完成了“自动提花编织机”的设计制作标志着程序设计思想的萌芽计算机基础9计算机的发展演化（五）差分机（Differenceengine）Britishmathematician,philosopherandengineer1830年,设计了一部用来解数学多项式的差分机分析机（通用计算机）虽然并未完成，但由他提出完整计算器应具有输入、输出、计算、记忆及流程控制等功能的观点，却成为日后计算机的基本架构，被称为可编程计算机的发明者。差分机示意图差分机实物CharlesBabbage（1792-1871）计算机基础10计算机发展中的重要人物和思想布尔逻辑（BooleanLogic）Britishmathematician1847年，《theMathematicalAnalysisofLogic》1848年，提出布尔逻辑的理论AND，OR，NOT电话电路交换和电子计算机的基础理论计算机基础11GeorgeBoole(1815–1864)计算机的发展演化（五）数值统计机（ValueCountingMachine）Americanstatistician，thefatherofinformationprocessing1890，卡片制表系统，用于人口调查的统计机，被认为是今日计算机的起源；此种开创新纪元的机器，具有数据输入的打卡机，电子阅读机及累加器等设备1911年，计算机制表公司1924年，IBM计算机基础12具有数据输入的数值统计机数据卡HermanHollerith（1860–1929）计算机发展中的重要人物和思想香侬Americanmathematician,electronicengineer,andcryptographer现代信息论的著名创始人1938年，在其发表的硕士论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现1948年，创立了信息论计算机基础13ClaudeShannon(1916-2001)计算机发展中的重要人物和思想图灵

(Turing)Britishmathematician,logician,cryptanalyst,andcomputerscientist提出计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务图灵机（论可计算数及其在判定问题上的应用）一种思想模型，它由三部分组成一个控制器一条可以无限延伸的带子一个在带子上左右移动的读写头组成计算机基础14AlanTuring(1912-1954)TuringTest1950paper“Calculationandsmartonacomputercanhavesmartideas”Turingtest图灵测试是一种测试机器是不是具备人类智能的方法人工智能之父计算机基础15为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”TuringAward1966

A.J.Perlis新一代编程技术和编译架构1967

MauriceV.Wilkes内置存储程序1968

RichardW.Hamming检测及纠正错码1969

MarvinMinsky人工智能1970

J.H.Wilkinson促进高速数字计算机的应用1971

JohnMcCarthy人工智能1972

EdsgerW.Dijkstra编程语言1973

CharlesW.Bachman数据库1974

DonaldE.KnuthTEX《计算机程序设计的艺术》1975

AllenNewell和HerbertA.Simon人工智能1976

MichaelO.Robin和DanaS.Scott非决定性机器1977

JohnBackus高级编程系统设计1978

RobertW.Floyd算法1979

KennethE.Iverson互动式系统1980

C.AnthonyR.hoare对程序设计语言的定义计算机基础161981

EdgarF.Codd数据库管理系统1982

StevenA.CookNP-Completeness1983

KenThompson和DennisM.Ritchie操作系统1984

NiklausWirth计算语言1985

RichardM.Karp算法理论1986

JohnE.Hopcroft算法及数据结构(Cornell

U.)1987

JohnCocke面向对象的编程语言1988

IvanE.Sutherland计算机图形学1989

WilliamV.Kahan数值分析1990

FernandoJ.Corbato资源共享1991

RobinMilner并行理论(剑桥大学)1992

ButlerLampson个人分布式计算机系统1993

JurlisHartmanis和RichardE.Stearns计算复杂性1994

RajReddy和EdwardFeigenbaum人工智能1995

ManuelBlum计算复杂性理论计算机基础17TuringAward1996

AmirPnueli临时逻辑1997

DouglasEngelbart交互计算概念1998

JamesGray数据库1999FrederickP.Brooks,Jr.体系结构2000AndrewChi-ChihYao(姚期智)加密算法2001Ole-JohanDahl、KristenNygaard面向对象2002RonaldL.Rivest、AdiShamir、LeonardM.Adleman公共密钥(RSA巴黎高等师范)，2003AlanKaySmalltalk2004VintonG.Cerf、RobertE.Kahn互联网2005PeterNaurAlgol60语言1996

AmirPnueli临时逻辑2006

Frances

E.

Allen（第一位女性），编译器优化2007

EdmundM.Clarke，AllenEmerson和JosephSifakis（第一位法国人）自动检测2008BarbaraLiskov（又一位女性,MIT,第一女博士）程序语言设计2009CharlesThacker,设计制造第一款现代PC（微软）计算机基础18TuringAward2010

LeslieValiant哈佛大学教授,“Fortransformativecontributionstothetheoryofcomputation,includingthetheoryofprobablyapproximatelycorrect(PAC)learning,thecomplexityofenumerationandofalgebraiccomputation,andthetheoryofparallelanddistributedcomputing.”2011JudeaPearlUCLA教授，“Forfundamentalcontributionstoartificialintelligencethroughthedevelopmentofacalculusforprobabilisticandcausalreasoning”….计算机基础19TuringAward计算机的发展演化（六）继电器式计算器MarkI

（RelayCalculator-MarkI）马克一号(MarkⅠ)由哈佛大学与IBM公司合作发展出来，于1944年正式启用以继电器为主要组件的自动过程控制计算器其内部有72个储存记录器每秒可执行3个加法运算计算机基础20MarkI输入/输出设备继电器工作原理HowardHathawayAiken（1900-1973）对计算机有贡献的人计算机基础21ThomasAlvaEdisonFlemingJohnAmbroseLeeDeForest对计算机有贡献的人阿塔纳索夫Americanphysicist提出了计算机的三条原则以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度采用把计算功能和二进制数更新存储的功能相分离的结构计算机基础22Atanasoff-BerryComputerJohnVincentAtanasoff(1903-1995)第一台电子计算机的诞生ENICA军械部青年军官戈德斯坦（H.Glodstine）中尉（数学家，曾在密歇根大学任数学助理教授）宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院莫尔学院副教授莫契利，36岁的物理学家埃克特，24岁的电气工程师，不久前刚从莫尔学院毕业电子计算机的设计报告：“高速电子管计算装置的使用”（1943年）军械部的科学顾问，以“拓扑学”创立者闻名世界的数学权威，普林斯顿高级研究院的韦伯伦（O.Veblen）教授计算机基础23JohnWilliamMauchlyJohnPresperEckert计算机的发展演化（七）第一台电子计算机 ENIAC电子数值积分计算器ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月14日在美国宣告诞生ENIAC是美国宾州大学领导发展出来的以真空管为主要组件世界上第一部电子数字计算机具有20个储存记录器及程序记忆单元计算机基础24第一台电子计算机 ENIAC计算机基础25计算机的发展演化（八）第一台电子计算机5000次加法运算/秒体重约30吨大约8×3×100英尺（2.4米×0.9米×30米），占地1800平方英尺（167平方米）30个操作台17468只电子真空管7200个二极管1500个继电器70000个电阻10000个电容大约5百万个手动焊接点耗电150KW计算机基础26计算机发展中的重要人物和思想冯•诺依曼(JohnvonNeumann)提出了计算机的工作原理计算机工作过程就是执行程序

的过程冯•诺依曼的“程序存储”设计思想计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件计算机内部采用二进制来表示指令和数据编好的程序送入内存储器中，计算机能自动逐条取出指令和执行指令计算机基础27今天的计算机也被称作“冯•诺依曼结构”

(vonNeumannarchitecture)或“冯•诺依曼机”(vonNeumannmachine)JohnvonNeumann（1903–1957）电子计算机四个阶段-硬件、软件特点计算机基础28发展阶段年代元器件代表主要特征系统软件编程语言软件第一代1946-1957电子管ENIAC,EDVAC,UNIVAC5000次加法运算/秒无机器语言和汇编语言第二代1958-1964晶体管TRADIC,RCA501几万次到几十万次有了雏形（监控程序），提出操作系统概念出现高级语言，如FORTRAN、ALGOL60等第三代1965-1970集成电路IBM360几十万次到一百万次分时操作系统结构化程序第四代1970-大规模和超大规模集成电路INTEL微处理器千万次到百亿次以上操作系统不断完善日益丰富，面向对象方法计算机网络和多媒体技术不断发展电子管与晶体管电子管的缺点体积大耗能高、散热量大晶体管的优点体积小耗能低性能稳固晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的计算机基础29电子真空管晶体管-划时代的实验装置晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,300将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片10微米芯片计算机基础30微处理器的集成度（晶体管数/片单位：万）以Intel的CPU为例1982年80286：

13.4

1985年80386：

27.51989年80486：

1201993年Pentium：

3101997年PentiumⅡ：

7501999年PentiumⅢ：

9502000年PentiumⅣ：

42002002年ItaniumⅡ：

22000…Corei7拥有7.31亿个晶体管制作工艺由开始的10微米，发展到现在的45纳米半导体晶体管尺寸的极限—4到6纳米之间计算机基础31计算机第一定律—摩尔定律Moore'sLaw摩尔定律是由英特尔（Intel）创始

人之一戈登·摩尔1965年提出来的。摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则计算机基础32内容:集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，或者说，当价格不变时，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上这一定律揭示了信息技术进步的速度GordonMoore（1929-）计算机基础33Intel总裁兼CEOPaulOtellini展示22nm晶圆每18个月芯片能力增长一倍计算机第一定律—摩尔定律Moore'sLaw计算机基础34晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒MoreReference计算机基础35CPUhigh,Memorylow

(“MemoryWall”)计算机概述计算机的发展第五代计算机—智能化计算机正在研制计算机发展趋势巨型化微型化网络化智能化多功能化计算机基础36计算机发展—巨型化超级计算机

Supercomputer运算速度可达每秒数万亿次运算IntelCPU仅能达到数百亿次浮点运算它的体系设计和运作机制都与人们日常使用的个人电脑有很大区别由数百、数千甚至更多的处理器（机）组成1976年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用天气预报地震机理研究石油和地质勘探卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域计算机基础37第一台超级计算机“Cray-I”“Cray-I”及其开发者计算机发展—巨型化中国超级计算机国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”

1983年

银河1号1亿次/秒1993年

银河2号10亿次/秒1997年

银河3号130亿次/秒国家职能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光2000I”2004年

曙光4000A11万亿次/秒计算机基础38曙光4000A银河1号计算机发展—巨型化2012年6月，由IBM研制的超级计算机“红杉”(Sequoia)，夺得全球最快超级计算机宝座“红杉”的持续运算测试达到每秒16.324petaflops，即每秒16324万亿次运算，其峰值运算速度高达每秒20132万亿次，令其他计算机望尘莫及核心：1572864

电源：7890.00千瓦内存：1572864GB操作系统：Linux2010年6月曙光“星云”超级计算机发布，性能居全球第二星云”系统实测峰值达每秒1271万亿次（每秒执行1271万亿条指令）（1.271PFlops）2012年，星云下降到第十位核心：120640

电源：2580.00千瓦

内存：-----

操作系统：Linux2009年世界上最快的计算机是CrayJaguar位于美国田纳西州橡树岭国家实验室2011年11月份测定的处理速度是1.75千万亿次计算2012年退居第六位核心：298592

电源：5142.00千瓦

内存：598016GB操作系统：Linux“天河一号”是我国首次进入全球超级计算机500强排行榜它是中国首台千万亿次超级计算机系统其系统峰值性能为每秒1206万亿次双精度浮点运算2012年，天河-1A系统安装从2010年第一下降到第五位核心：186368

电源：4040.00千瓦

内存：229376GB

操作系统：Linux计算机基础39计算机发展—巨型化近五年排名第一的巨型机计算机基础40Altair8800计算机发展—微型化计算机基础41计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器计算机发展—网络化计算机网络计算机技术与通信技术结合的产物计算机网络的发展动力使用远程资源共享程序、数据和信息资源网络用户的通讯和合作计算机基础42计算机发展—智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的‘没有灵魂的机械’来”

——勒内.笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”DeepblueGarryKasparov计算机基础43计算机世界中的中国1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长闵大可 电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人 钱三强计算机基础44计算机世界中的中国1958年完成第一台小型通用数字电子计算机-103机该机字长32位每秒运算30次，改进后达到1800次/秒采用磁鼓内部存储器，容量为1K字三个机柜占地40平方米1959年完成大型通用数字电子计算机-104机运算速度每秒1万次计算机基础45103机104机计算机世界中的中国1960年中国自行设计、研制的小型通用数字电子计算机107计算机问世字长32位内存容量为1024字节有加减乘除等16条指令主要用于弹道计算1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）中国第一台百万次集成电路计算机“DJS－II”型的操作系统编制完成1971年研制成功111计算机，采用饱和型小规模集成电路，是我国最早研制成功的第三代计算机之一计算机基础46111机，我国第一批小规模集成电路通用数字电子计算机107机计算机世界中的中国1977年研制成功中国第一台微机DJS050字长8位基本指令76条直接寻址范围64K字节与Intel公司8080系列微型计算机完全兼容曙光、银河等系列高性能计算机系统，达到国际先进水平2001，中科院计算所研制成功我国第一款通用cpu—“龙芯”芯片，“龙芯二号”2005年亮相计算机基础47DJS050计算机世界中的中国改革开放以来，中国的计算机工业得到了飞速发展大批企业涌现电子商务和电子政务国民生产的支柱产业计算机基础48计算机世界中的日本辉煌打败Intel的芯片巨人，迫使Intel于1985年另辟战场（微处理器）笔记本电脑的领军人物失误第五代计算机（智能计算机）的开发者高清晰度模拟电视计算机基础49计算机世界中的印度世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一计算机基础50计算机世界中的韩国计算机芯片及硬件制造基地内存硬盘光驱显示器主要企业三星、LG、现代计算机基础51计算机世界中的台湾计算机芯片及硬件制造基地主板芯片各种板卡声卡、显示卡、网卡显示器主要企业华硕、威盛、宏基、明基企业正在大规模向大陆转移计算机基础52计算机系统

ComputerSystem计算机系统的组成计算机基础54计算机系统ComputerSystem硬件系统HardwareSystem软件系统SoftwareSystem计算机主机Host外部设备ExternalDevice系统软件SystemSoftware应用软件ApplicationSoftware计算机硬件组成一台计算机的物理设备的总称计算机基础55计算机硬件系统CPU外部设备ExternalDevice主机Host硬件HardwareSystem运算器Arithmeticunit控制器Controlunit存储器Memory输入设备InputDevices输出设备OutputDevices内存储器Internalmemory外存储器Externalstorage计算机基础56运算器

Arithmeticunit又称算术逻辑部件，简称ALU计算机用来进行数据运算的部件数据运算包括算术运算逻辑运算计算机基础57控制器

Controlunit用于分析指令、协调I/O操作和内存访问计算机的指挥系统计算机基础58存储器

Memory计算机中具有记忆能力的部件用于存储程序、数据和指令等计算机基础59输入设备

InputDevices输入程序和数据到计算机中的设备，如键盘鼠标扫描仪等计算机基础60输出设备

Outputdevice从计算机输出原程序、数据、运行结果和文档等的设备，如打印机绘图仪等计算机基础61CPUCPU(Central

ProcessingUnit)，是中央处理器的英文缩写运算器和控制器的统称计算机的核心和关键计算机的性能主要取决于CPU计算机基础62内存储器

Internalmemory简称内存，又称主存（mainmemory）是CPU能根据地址线直接寻址的存储空间由半导体器件制成特点是存取速度快，基本上能与CPU速度匹配，但容量有限按功能和存储信息的原理可分为两大类随机存储器RAM(RandomAccessMemory)既可读也可随时写入信息断电后信息丢失只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)只能读出信息，不能写入断电后信息不会丢失计算机基础63外存储器

Externalstorage简称外存辅助存储设备，主要用来存储一些暂时不用而又需要长期保存的程序和数据特点是存取速度较内存慢，但容量大当执行外存中的程序和数据时，必须通过CPU的输入/输出指令将其调入到RAM中后被CPU执行和处理如：硬盘、光盘、磁带等计算机基础64主机

HostCPU、内存和连接输入/输出设备的接口，统称为主机如：微机的主机就是通常所说的主机板，简称主板计算机基础65外部设备

ExternalDevice输入/输出设备统称外部设备简称I/O(Input/Output)设备I/O接口

interface外设与主机相联接的接口电路总线

BUS一组连接各个部件的公共通信线分为地址总线数据总线控制总线计算机基础66计算机软件系统软件是指计算机程序及有关程序的技术文档资料计算机基础67计算机软件系统计算机软件ComputerSoftware系统软件System

Software应用软件ApplicationSoftware操