计算机导论 课件 ch01 计算机发展概述

计算机发展概述第一章计算机导论职业教育计算机类专业系列教材01计算机发展简史PARTONE每个人都有两只手，可以用作简单的计算工具，在古代方便了人们的交易。随着人类生活和生产水平的不断发展，两只手计数显然是不够的，促使其他计算工具出现，如相继出现了结绳、算筹、算盘等手动计算工具。中国是四大文明古国之一，先辈们深知数学在生活中的重要性，中国计算工具的持续发展体现了先辈们在算术研究中的不懈努力。早期计算工具（a）手指（b）结绳（c）算筹（d）算盘手动计算工具信息数据就是一些符号编码，好的计算工具将有利于信息数据的处理①。春秋战国时期，算筹得到普遍的应用，筹算计数法已采用十进制，这种计数法对世界数学的发展具有重要意义。后来，中国发明了世界上第一种手动式计数器——算盘，并实现了珠算四则运算的全部口诀化。在14～16世纪，欧洲开始文艺复兴运动，产生了一些有意义的计算工具，如：计算问题的解决方法和结果首先取决于问题的抽象描述及信息数据的表示，也与对信息数据可完成的操作密切相关。1621年，英国数学家冈特根据对数表发明了计算尺。01计算尺1642年，法国科学家帕斯卡发明了人类历史上第一台机械式计算器，即加法器。02加法器1673年，德国数学家莱布尼茨制作了可进行加、减、乘、除运算的四则运算计算器。03四则运算计算器早期计算工具随着技术的不断进步，计算工具得到了进一步发展，如：19世纪20年代，英国数学家巴贝奇设计了用于完成复杂计算过程的机械，由于技术限制未能制作出实样。01差分计算器和分析机1938—1944年，德国人康拉德·楚泽设计并制造了该系列计算机。02机电方式的计算机Z1～Z31944年，美国人霍华德·艾肯在IBM公司的资助下制造了著名的MARKⅠ。MARKⅠ用穿孔纸带代替传统的齿轮传动装置。03最早的自动计算机早期计算工具1936年，数学家、逻辑学家艾伦·麦席森·图灵（1912—1954年）发表了一篇题为《论数字计算在决断难题中的应用》的论文，该论文中提出了一种可以进行自动计算的虚拟机——图灵机。它是一种形式化的数学模型，也称为理想计算机。图灵的设计思想为后来采用离散信息编码进行计算机体系结构的设计和计算提供了重要依据①。理想计算机艾伦·麦席森·图灵图灵将图灵机设计为三个部分：控制逻辑单元、磁头（读/写头）和纸带（输入和输出）。手动计算工具纸带上移动磁头后的执行方式和控制逻辑单元中的新运行状态是由磁头在纸带的当前移动位置记录的数字编码及控制逻辑单元中的当前操作状态决定的。计算结果由指令集（规则）与它们②共同确定。艾伦·麦席森·图灵被称为“计算机科学”之父、“人工智能”之父。它们是指磁头在纸带的当前移动位置记录的数字编码，以及控制逻辑单元中的当前操作状态。它们和指令集共同确定本次计算结果（重写记录在纸带当前位置的数字编码）。

这里计算结果还包含两项内容：纸带上移动磁头后的执行方式和控制逻辑单元中的新运行状态。对输入、输出的内容进行特定编码，形式上就可以将一台计算机变为能够处理任何编码的图灵机，称为通用图灵机。通用图灵机可以完成人们形式化描述的任何可行算法。图灵机与现代计算机有相似的指令执行过程。图灵机是一种形式化理想计算机的数学模型，显然计算机科学是以数学和电子科学为基础发展起来的。理想计算机1946年2月，ENIAC（电子数字积分计算机）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功。冯·诺依曼（1903—1957年）在认真总结ENIAC成功技术经验的基础上，于1945年3月发表了一篇全新的电子计算机设计方案报告《存储程序通用电子计算机方案》（又称EDVAC方案）。按照该方案，冯·诺依曼和宾夕法尼亚大学莫尔学院合作，于1952年设计研制了电子计算机——EDVAC，它也被称为电子离散变量自动计算机。电子计算机的产生冯·诺依曼电子计算机从开始发展时起，按照所处理的数据类型可分为模拟计算机（analoguecomputer）和数字计算机（digitalcomputer）。其主要区别在于计算机中信息的表示形式和处理方式不同。电子计算机按使用范围分类，可以分为通用计算机和专用计算机。通过存储程序方式，人类世界和计算机世界实现了交互，计算机的产生是20世纪重大的科技成果之一。现代电子计算机大多遵循冯·诺依曼体系结构。从EDVAC诞生时起，它使用的主要逻辑电路一直沿用至今，逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段。人们通常按硬件所采用的电子逻辑器件将电子计算机的发展划分成四个阶段。电子计算机的发展电子计算机发展的四个阶段互联网（一般指Internet）的发展过程中产生了大量应用计算机的用户，计算机科学技术中关键的基础技术之一就是互联网技术。互联网是由一些使用公用语言互相通信的计算机连接而成的全球网络，即广域网、局域网及单个计算机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络互联网是公共信息的载体，这种大众媒体的传播速度比其他任何通信媒介都快。根据用户数量和网络应用软件的类型，互联网的发展可分为初始阶段、推广阶段、普及阶段和发展阶段四个阶段。互联网发展的四个阶段互联网电子计算机的发展摩尔定律由戈登·摩尔提出，定律的内容：当价格保持不变时，集成电路上可容纳的元件数量将每18～24个月翻一番，性能将提升一倍。在信息产业中，该定律揭示了信息技术进步的速度。戈登·摩尔摩尔定律①1965年，作为仙童半导体研发实验室主任的戈登·摩尔被邀请为《电子》杂志35周年撰写观察和评论报告——《让集成电路填充满更多的元件》。戈登·摩尔在总结数据时发现：每种新芯片的容量大约是其前代产品的两倍，每种芯片都是在上一代芯片生产后的18～24个月内生产出来的。戈登·摩尔（科学家，企业家，1929一），英特尔公司的创始人之一。电子计算机的发展未来新的计算机在未来的新计算机中，人们所追求的是一种更接近人类的人工智能计算机。它了解人类的语言、文字和图形，人们不需要编写程序，通过说话即可向计算机发出命令并驱动它工作。新一代计算机是一种结合了信息获取、存储、处理和人工智能的智能计算机系统。它不仅可以进行一般信息处理，还可以面向知识处理。它具有形式推理、联想、学习和解释的能力，有助于人类开辟未知领域并获得新知识。电子计算机的发展2PARTTWO计算机的特点与类型计算机自出现以来发展迅速，在社会各个方面得到了广泛的应用，这与计算机所具有的特点是分不开的。计算机具有的特点如下。计算机的特点由电子电路组成的高速计算机可以每秒数千次至数亿亿次的极高速度运行，这是计算机的显著特征之一。许多复杂的科学计算过去通过手动方式需要数年或数十年才能计算出来，现在利用计算机只需要几天甚至几秒就可以完成。01运算速度快一些尖端科学技术，如人造卫星、宇宙飞船、深海探测等，在计算时要求得到高度准确的结果。电子计算机的有效数字可达十几位、几十位甚至上百位，可以精确地进行科学计算。02计算精度高计算机的内存储器可以存储大量数据，并且可以在需要时准确地读取数据。硬盘的存储容量单位已经从MB、GB发展到了TB、PB，甚至更高。03记忆能力强，存储容量大除算术运算之外，电子计算机还可以执行逻辑运算，如判断单词和符号、证明逻辑、进行推理等。这是其他任何工具无法比拟的。04具有逻辑判断力计算机不仅存储信息数据，还存储可自动执行的程序，并且能够在程序控制下自动执行程序①。这是计算机和其他任何计算工具之间最重要的区别。05具有在程序控制下自动运行程序的能力随着电子技术不断发生重大变化，电子设备的可靠性也在不断提高。在计算机的设计过程中，采用新结构可以使其更加可靠。计算机的以上特点正是促进其迅速发展并获得广泛应用的根本原因。06可靠性高电子计算机被称为具有冯·诺依曼体系结构的计算机，EDVAC方案的核心内容是存储程序的方法，计算机能够在程序控制下自动执行程序。计算机的特点计算机的种类很多，可以从不同的角度进行分类。计算机按用途可分为通用计算机（GeneralPurposeComputer）和专用计算机（SpecialPurposeComputer）。通用计算机具有功能多、配置齐全、应用广泛、通用性强等特点，可解决多种问题。专用计算机配备软件和硬件来解决具体问题，具有单一功能，但可以高速、可靠地解决具体问题。计算机通常按照运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合性能指标进行分类。电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）曾将计算机分为以下六大类。计算机的类型超级计算机（SuperComputer）超级计算机又称巨型计算机，是一种高性能计算机，其运算速度超过每秒1万亿次，具有运算速度快、使用效率高、硬件和软件齐全、功能强大等优点。它主要用于天气预报、科学模拟、流体动力学计算、核能研究、电子设计、地质数据分析（如石油勘探）等领域。超快计算速度是超级计算机最突出的特点，智能超级计算机是计算机发展的方向之一。例如，我国研制的神威·太湖之光安装在国家超级计算无锡中心，曾连续多次在全球超级计算机500强榜单中排名第一，峰值浮点运算速度达每秒12.5亿亿次。目前，美国橡树岭国家实验室（OakRidgeNationalLaboratory，ORNL）的新一代IBM超级计算机Summit已经达到了每秒20亿亿次的峰值浮点运算速度。神威·太湖之光计算机的类型小型超级计算机（Mini-superComputer）小型超级计算机又称台式超级计算机、小巨型计算机，其价格相对较低，发展迅速。大型主机（Mainframe）大型主机或称大型计算机，它包括通常所说的大型计算机和中型计算机。其在运算速度和规模上不如巨型计算机，结构也比巨型计算机简单，而价格比巨型计算机低很多。大型计算机属于大型商业服务器，如已经涉及日常业务活动的有云服务器、数据服务器、邮件服务器、Web服务器等。常用的大型计算机有IBMZ系列等。它是事务处理、商务处理、信息管理、大型数据库和数据通信的主要支柱计算机。计算机的类型小型计算机（MiniComputer）小型计算机是指使用精简指令集处理器，性能和价格介于小型超级计算机和大型主机之间的一种高性能64位计算机。在运算速度和结构规模方面，它比大、中型计算机差，但在功能方面与大、中型计算机很接近。小型计算机具有体积小、价格低、性价比高的优点，可用于一般企业和学校，如IBMP系列、HP9000系列。现在，小型计算机主要用于UNIX和Linux服务器。计算机的类型工作站（WorkStation）这里的工作站不是指网络计算机系统中的工作站，而是指个人计算机和小型计算机之间的高端微型计算机。工作站的运算速度和存储容量介于个人计算机和小型计算机之间。此外，其还具有专用性较强、兼容性较差的特点。工作站主要用于图像处理、计算机辅助设计等专业领域。工作站一般配备大屏幕显示器、大容量存储器，速度快，具有很强的通信功能。典型的工作站包括HPApplo工作站、Sun工作站和中国的华盛工作站。计算机的类型微型计算机（MicroComputer）微型计算机又称个人计算机（PersonalComputer，PC）。微型计算机具有体积小、功耗低、可靠性高、灵活性和适应性强、性价比高等特点，使计算机的应用更加广泛。微型计算机是目前增长最快、使用最广泛、效率最高的常用计算机。其性能和电路集成度几乎每18个月翻一番，产量每年增加数倍，应用领域不断扩大，价格每年下降约30%。目前，便携式笔记本计算机和袖珍型计算机由于尺寸的进一步减小而具有广阔的应用前景。计算机的类型3PARTTHREE计算机的应用信息管理是指对信息进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。信息是一种资源，信息管理是计算机应用的主导方向。据统计，80%以上的计算机主要用于信息管理。管理信息所使用的系统经历了从简单到复杂的三个发展阶段：电子数据处理系统、管理信息系统（ManagementInformationSystem，MIS）和决策支持系统（DecisionSupportSystem，DSS）。其中，DSS基于数据库、模型库和方法库，帮助管理决策者改进决策，并提高运营策略的正确性和有效性。信息管理计算机的高速度、大存储容量和连续运算的特性常常可辅助解决科学和工程技术中遇到的、大量复杂的科学计算问题（如用于卫星的飞行轨迹计算、天气预报、空间探索等），甚至可通过计算择优选择最佳解决方案。这类科学计算的案例很多，如贵州500m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope，FAST）在2016年建成，其早期数据中心在2018年进行扩容。FAST的新装置正式投用后，每天处理的数据计算分析量达40TB以上。由于其计算架构采用自主开发的分布式架构，系统在引入多CPU并行计算技术后，单台服务器单个1GB数据文件在3min内可完成计算处理，比扩容前提速近百倍。科学计算计算机辅助设计、辅助制造及辅助教学计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。01计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）计算机辅助制造是指利用计算机系统实现产品的加工过程控制。其输入信息是加工零件的工艺路线和工艺数据，输出信息是刀具的运动轨迹。一些企业集成了计算机辅助设计与制造，以及计算机辅助测试（ComputerAidedTest，CAT）和计算机辅助工程（ComputerAidedEngincering，CAE），形成了完整的集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems，CIMS），可实现设计、制造、测试与管理有机集成，形成一个高度自动化的系统，即形成所谓的“无人”生产线和“无人”工厂。02计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）计算机辅助设计、辅助制造及辅助教学计算机辅助教学是指使用计算机及计算机网络进行辅助教学工作，具有交互性、多样性、个别性、灵活性等特点。它可以通过动画和视频的可视化教学过程，通过人机对话为不同的学生选择不同的教学内容和进度方式，改变统一的教学模式，有助于提升学生的学习兴趣。同时，还可以使用计算机来辅导学生，如回答问题、更正作业及准备考试题目。计算机辅助教学为学生提供了良好的个性化学习环境，集成了多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术。它的使用可以有效缩短学习时间，提高教学质量和教学效率，实现最佳教学效果。03计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，CAI）计算机过程控制计算机过程控制是指实时检测、采集数据，并进行处理和判定，按最优值进行调节的过程。过程控制的一个突出优点是其高实时性。在需要精确控制的各种任务中，如导弹巡航和拦截、卫星发射和回收等，没有计算机的快速响应和调整，任务将无法成功。通常过程控制系统采用反馈控制的形式，主要控制参数有电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。利用计算机实现生产过程控制，不仅大大提高了生产过程自动化水平，降低了劳动强度，更重要的是提高了控制的准确性，从而提高了产品的质量和成品率。近年来，计算机过程控制系统已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电力、轻工等各个领域，并取得了很高的效益。企业管理、计划、调度、生产过程控制和营销管理，实现从原材料存储到产品交付的全自动化。人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指用计算机来“模仿”人类的智能，使计算机具有识别各种语言文字和语音、识别人脸和指纹、搜索图形和图像、审核内容和身份等能力，并能进行推理和拥有适应环境的能力。具有专业知识的专家系统的出现及具有一定思考能力的机器人的出现，是人工智能研究不断进步的标志。人工智能系统仿真是根据系统分析的目的，对设想的或实际的系统建立适当模型，并对模型进行完善实验及观察行为的过程，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真用于了解系统的行为，评估不同结构参数、操作策略对系统的影响，是解决设计问题的有效手段。例如，在设计大型商贸大厦之前，先用计算机设计建筑模型，可以使用仿真模型来理解设计布局，观察每个房间的光传输、人们在过道中的分流，以及模拟和研究每层的结构性缺陷和开裂破碎过程。这为设计人员提供了许多有价值的参数，缩短了设计时间，并通过系统仿真优化了程序，节省了大量的实验测试成本，提高了设计质量。系统仿真（SystemSimulation）计算机应用领域的快速发展使计算、理论和实验成为三大并行科研方法，三者相辅相成，相对独立。近年来，云计算、大数据、互联网、物联网、移动网络等新技术的快速发展引发了经济和社会领域的裂变与重构，包括金融、零售、电信、咨询、教育及房地产。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源的信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真。虚拟现实技术丰富了人类生活的空间，能使人们的形象思维和计算思维得到同步发展。例如，在汽车产品开发的整个过程中，人们可以通过产品的实体建模与造型，看到该产品的三维立体效果。汽车开发工程中应用虚拟现实技术，大大缩短了产品的设计周期，提高了市场反应能