第一章 计算机发展历史

第一章计算机发展历史第1页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论2这次课的主要内容计算机发展历史我国计算机发展奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想计算机的类别计算机与社会问题计算机发展历史计算机的类别第2页，共66页，2023年，2月20日，星期三第一节计算机发展历史第3页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论4计算机的发展历史1946年之前古典计算机器时代

1946～至今现代计算机时代

1985年以后计算机发展的新方向——个人计算机与智能计算机第4页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论5古典计算机器时代计算设备还不是科学，而是工具。出现一些具备计算和存储信息能力的设备。辅助计算的基本手段出现，主要针对的是数字。

主要特点：计算设备作为人脑计算的辅助工具，不具备自动计算能力。古典计算机器时代第5页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论6算盘时代这一阶段出现了表示语言和数字的文字及其书写工具，最主要的计算工具是算盘。机械时代这一时期计算装置的特点是借助于各种机械装置齿轮杠杆等自动传送（十进位），而机械装置的动力则来自计算人员的手。机电时代使用电力作为计算机器动力，但计算机构本身还是机械式的。古典计算机器时代第6页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论7帕斯卡的加法机古老的计算工具—算盘莱布尼兹的乘法机

巴贝奇差分机巴贝奇分析机早期的计算机器古典计算机器时代的典型成果第7页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论8早期的计算机器哈佛大学研制的机电式自动顺序控制计算机MARKI古典计算机时代的典型成果返回第8页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论9第一台电子计算机ENIAC现代计算机时代的典型成果

第一台电子计算机ENIAC1946年世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，读作“埃尼阿克”）在美国宾夕法尼亚大学研制成功。5000次加法/秒体重30吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW第9页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论10现代计算机时代的典型成果晶体管计算机晶体管与电子管的比较：体积比电子管小很多耗电大大降低稳定性有很大提高电子管实物晶体管实物1955年，贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。(TransistorDigitalComputer)第10页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论11现代计算机时代的典型成果集成电路计算机集成电路与晶体管的比较：集成电路实物晶体管实物1964年4月7日，在IBM公司成立50周年之际，由年仅40岁的吉恩·阿姆达尔(Gene

Amdahl)担任主设计师，历时四年研发的IBM360计算机问世，标志着第三代计算机的全面登场，这也是IBM历史上最为成功的机型之一。第11页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论12现代计算机时代的典型成果大规模集成电路计算机

1971年，Intel公司宣称，他们首创了一种“开启集成电路新纪元”的半导体芯片，即第一块微处理器芯片4004。所谓微处理器芯片是将CPU集成在一块芯片上。第12页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论13现代计算机时代1946-至今现代计算机时代第一代（1946年~1956年）：电子管计算机第二代（1957年~1964年）：晶体管计算机第三代（1965年~1970年）：小规模集成电路计算机第四代（1971年~1990年）：超大规模集成电路计算机第五代（1991年至今）：以互联网为标志的信息系统第13页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论14现代计算机时代第14页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论15主要特点逻辑元件——电子管主存——磁鼓辅存——磁带软件——机器语言、符号语言应用——科学计算主要成就数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。1946年6月，冯·诺依曼提出了“存储程序”的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计算机的基础。第一代电子计算机第15页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论16主要特点逻辑元件——晶体管主存——磁芯辅存——磁盘软件——高级程序设计语言、操作系统应用——除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制主要成就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。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。第二代电子计算机第16页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论17主要特点逻辑元件——集成电路主存——半导体辅存——磁盘软件——高级程序设计语言、操作系统应用——除科学计算外，数据处理、过程控制主要成就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，典型代表是IBM360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。结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。第三代电子计算机第17页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论18主要特点逻辑元件——大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI）主存——LSI/VLSI半导体芯片辅存——磁盘、光盘软件——高级程序设计语言、操作系统应用——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第四代电子计算机第18页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论19主要成就1971年Intel公司成功地研制出了4004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486、586、Itanium、IntelCore2。微型计算机出现，典型代表是IBMPC。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。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，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。第四代电子计算机第19页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论20电子计算机发展历史总结起止年代主要元件主要元件图例速度（次/秒）特点与应用领域第一代1946年～20世纪50年代末电子管5千～1万次体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小；主要用来进行科学计算第二代20世纪50年代中～20世纪60年代中晶体管几万～几十万次体积减少，耗电较少，运算速度较高，价格下降；不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务管理，并逐渐用于工业控制第三代20世纪60年代中～20世纪70年代初中、小规模集成电路几十万～几百万次体积、功耗进一步减少，可靠性和速度进一步提高；应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面第四代20世纪70年代初～至今大规模和超大规模集成电路几千万～几百万亿次性能大幅度提高，价格大幅度下降，广泛应用于社会生活的各个方面，进入办公室和家庭；在办公室自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域中大显身手第20页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论21第五代电子计算机从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型化、网络化发展。综合起来大概有以下几个研究方向。人工智能计算机巨型计算机多处理机激光计算机超导计算机生物晶体计算机（DNA计算机）量子计算第21页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论22普适计算什么是普适计算

普适计算示意图2普适计算示意图1计算机的发展趋势在普适计算时代，计算机主要不是以单独的计算设备的形态出现，二是将嵌入式处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以信息设备的形式出现。第22页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论23普适计算的特征（1）user-centeric：以人为中心的计算。（2）invisibility：不可见的计算。（3）accessanythingbyanybodyviaanydevices,anywhereanytime：在任何时间和地点，可通过任何设备，访问任何信息。（4）hundredsofhandheldandwearablecomputers：许多手持式和可穿戴式计算机。（5）hundredsofwirelesscomputingdevicesperpersonperoffice,ofallscales：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）hundredsofdevicestosenseandcontrolappliances：许多传感设备和控制设备。

计算机的发展趋势第23页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论24普适计算典型项目（1）麻省理工学院的Oxygen项目（2）Microsoft公司的EasyLiving项目（3）AT&T实验室和英国剑桥大学合作的研究项目SentientComputing（4）卡内基梅隆大学的Aura项目（5）乔治亚理工学院的TheAwareHouse项目乔治亚理工学院的TheAwareHouse计算机的发展趋势第24页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论25计算机的发展趋势摩尔定律微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番第25页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论26计算机的发展趋势第26页，共66页，2023年，2月20日，星期三第二节我国计算机发展第27页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论28我国计算机的发展

古典时代：

在早期计算工具和算学理论的发明创造方面，中国曾取得极其辉煌的成就：

第28页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论29中国古代经典发明创造：我国计算机的发展第29页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论30中国古代经典发明创造：中国古代用阳、阴两爻构成的八卦，被认为是世界上最早的二进制表示法由八卦演变而来的算术罗经我国计算机的发展第30页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论31近现代：

1958年研制出第一台电子管计算机1964年研制出第二代晶体管计算机1971年研制出第三代集成电路计算机1977年研制出第一台微机DJS0501983年研制成功银河亿次机（第四代计算机）2002年9月研制成功“深腾1800”计算机，运算速度超过1万亿次/秒2003年12月，我国自主研发出国内最快、世界第三的10万亿次曙光4000A高性能计算机

我国计算机的发展第31页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论32我国计算机发展存在的问题（1）自主创新能力不足；（2）核心技术缺失（CPU制造技术，高科技材料技术，操作系统技术，高性能网络服务器技术）；（3）发展体制存在缺陷；（4）相关法律法规不够健全，缺乏法律意识；我国计算机的发展第32页，共66页，2023年，2月20日，星期三第三节奠定计算机理论基础的重要人物及思想第33页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论34逻辑代数创始人，英国数学家——乔治·布尔(GeorgeBoole，1815-1864)奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想1.3.1布尔及逻辑代数第34页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论35奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想信息论创始人，美国科学家——

克劳德·香农(ClaudeShannon，1916-2001)1.3.2香龙及计算机开关电路第35页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论361.3.3图灵、图灵机及图灵测试

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：24岁，提出图灵机理论；31岁，参与Colossus（二战时英国破解德国通信密码的计算机）的研制；33岁，构思了仿真系统；35岁，提出自动程序设计概念；38岁，设计了“图灵测试”；在后来还创造了一门新学科——非线性力学；……计算机与人工智能之父，英国数学家、逻辑学家——阿兰·图灵（AlanTuring，1912-1954）奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第36页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论371.3.3图灵、图灵机及图灵测试1.图灵机1936年5月28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”(OnComputableNumbers,withanApplicationtotheEntscheidungsproblem)。在这篇开创性的论文中，图灵给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机(TuringMachine)”的设想。图灵机模型示意图奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第37页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论381.3.3图灵、图灵机及图灵测试2.图灵测试1950年10月，图灵发表一篇题为“计算机器与智能”(Computingmachineryandintelligence)的论文，成为划时代之作。在这篇论文里，图灵第一次提出“机器思维”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，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“图灵测试”（TuringTesting）。奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第38页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论391.3.3图灵、图灵机及图灵测试3.图灵奖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(AssociationforComputingMachinery，ACM)于1966年开始设立图灵奖(TuringAward)，这是计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。首位华人获奖者——2000年图灵奖得主，姚期智首位女性获奖者——2006年图灵奖得主，法兰西斯·艾伦姚期智法兰西斯·艾伦(FrancesAllen)奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第39页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论40被“遗忘”的电子计算机之父

——约翰·阿塔纳索夫（JohnAtanasoff，1903-1995）存放在衣阿华州立大学的ABC计算机(Atanasoff-BerryComputer)奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想1.3.4阿塔纳索夫及ABC计算机第40页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论411.3.5维纳及计算机设计五原则维纳提出的现代计算机设计五原则：不是模拟式，而是数字式；由电子元件构成，尽量减少机械部件；采用二进制，而不是十进制；内部存放计算表；在计算机内部存储数据。【维纳1943年在所发表的论文“行为、目的和目的论”（Behavior,purpose,andteleology.Phil.Sci.10(1943).）中，首次提出了“控制论”这个概念。1948年维纳在麻省理工学院出版社（MITPress）出版了里程碑式的著作《控制论——动物和机器中的通信与控制问题》（Cybernetics:OrtheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine.Cambridge），为控制论奠定了理论基础，标志着它的正式诞生。】控制论创始人——诺伯特·维纳（NorbertWiener，1894-1964）奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第41页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论421.3.6冯·诺伊曼及冯·诺伊曼结构1945年6月30日，冯·诺依曼发表“101页报告”——FirstDraftofaReportontheEDVAC；1946年7、8月间，冯·诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告“电子计算机逻辑设计初探”（Preliminarydiscussionofthethelogicaldesignofanelectroniccomputinginstrument）。现代电子计算机之父——冯·诺伊曼这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼结构（vonNeumannArchitecture）”。报告明确指出：采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；计算机由5部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；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，从而自动完成程序描述的处理工作。(即，“存储程序”思想)奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第42页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论431.3.6冯·诺伊曼及冯·诺伊曼结构注意：ENIAC并不是基于“存储程序”工作的计算机！第一台“存储程序”电子计算机——EDSAC，英国剑桥大学教授威尔克斯主持。下面机器是较早实现“冯·诺依曼结构”、按照“存储程序＋程序控制”工作的计算机：IAS——冯·诺依曼主持EDVAC——冯·诺依曼主持EDSAC——莫里斯·威尔克斯主持冯·诺伊曼及IAS机EDVAC奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想第43页，共66页，2023年，2月20日，星期三第四节计算机的类别第44页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论45计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）第45页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论46计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）是通用计算机。通常是由一个用户来使用（单用户，Single-user）。配有文字、声音、图象等输入输出设备。可通过网络与其他计算机相联。高档台式机可充当服务器。第46页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论47计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）功能与台式机类似。一体化结构。耗电更少，并配有电池，可在没有交流电源的场合使用。可装在文件包中。第47页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论48计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）以联网为标志。计算能力比台式机更强，特别是在图形处理方面。价格比台式机高得多。随着台式机能力的不断提高，有可能被台式机所替代。第48页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论49计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）向用户提供专门的功能。靠电池供电。可装在衣袋中。有些已具有无线通信能力。是嵌入式计算机的一类。第49页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论50计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）具有比微机更强的数据处理能力和数据存储能力。多个用户可以同时使用（多用户，Multi-user）。目前主要用作服务器。第50页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论51计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）具有比小型机更强的数据处理能力。价格比小型机高。在银行等最早使用计算机的行业中广泛使用。第51页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论52计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）拥有最强的并行计算能力，主要用于科学计算。在气象、军事、能源等领域承担大规模、高速度的计算任务。趋势是用许多台计算机构成一台超级计算机。第52页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论53计算机的类别微型计算机（微机，Microcomputer）台式计算机（Desktop）膝上型电脑（Laptop）/笔记本计算机（Notebook）工作站（Workstation）掌上型电脑（Palmtop）、个人数字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）小型计算机（小型机，Minicomputer）主机（大型机，Mainframecomputer）超级计算机（Supercomputer）专用计算机（Special-purposecomputer）/嵌入式计算机（Embeddedcomputer）具有面向特定电子设备的专门计算能力。一般被嵌入在特定的电子设备中，直接控制电子设备。具有广泛的发展前途。第53页，共66页，2023年，2月20日，星期三第五节计算机与社会问题第54页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论55计算机与社会问题：

计算机的出现和迅猛发展给人类社会带来了很多新问题。在伦理上，人们面临着许多挑战传统社会行为准则的抉择。在科学上，计算机技术及其应用应该规范到什么程度？在哲学上，人们开始了智能行为的存在与智能本身存的争论。同时，整个社会也在讨论：新的计算机应用是代表新的自由还是新的控制？计算机与社会问题第55页，共66页，2023年，2月20日，星期三7/11/200910:11AM第0章绪论56计算机发展所带来的社会问题（1）人们的生产与生活越来越依赖计算机（图1）；（2）对人类社会传统的社会伦理观念产生重大影响（图2）；（3）计算机犯罪问题日益严重（