計(jì)算機(jī)概述

1、第一部分 計(jì)算機(jī)概述,,內(nèi)容概要,計(jì)算機(jī)的定義計(jì)算機(jī)的歷史計(jì)算機(jī)的類型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用重量級(jí)人物介紹關(guān)鍵術(shù)語(yǔ),計(jì)算機(jī)的定義 (1),什么是計(jì)算機(jī)（computer）？能夠計(jì)算的機(jī)器什么是計(jì)算（computation）？對(duì)數(shù)據(jù)的加工過(guò)程什么是數(shù)據(jù)（data）？客觀事物（object）的表示什么是信息（information）？被人類賦予特定含義的數(shù)據(jù),? ? ?,計(jì)算機(jī)的定義 (2),廣義用現(xiàn)代化的方法完成信息

2、處理的工具。狹義：Computers are electronic devices that can follow instructions to accept input, process the input and then produce information. （計(jì)算機(jī)是能夠依照指令來(lái)接受輸入、處理輸入和產(chǎn)生信息的電子設(shè)備。）,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,硬件（hardware）直觀的機(jī)器部分，由電子元件和機(jī)電元件組成；包括：存

3、儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入輸出設(shè)備；硬件必須由軟件控制才能工作，沒有配備任何軟件的機(jī)器稱為“裸機(jī)”。軟件（software）系統(tǒng)的語(yǔ)言和程序部分機(jī)器本身毫無(wú)智力可言，必須由人們提供各種指令來(lái)告訴它做什么、如何做和何時(shí)做。這些指令被總稱為軟件。軟件是由一組用所謂“編程語(yǔ)言”編寫的程序組成。程序則由指令組成。,計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的關(guān)系,硬件——鋼琴軟件——樂(lè)譜,硬件——肉體軟件——靈魂,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),運(yùn)算器,存儲(chǔ)器,控制器,輸

4、入設(shè)備,輸出設(shè)備,通信設(shè)備,計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理軟件數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件應(yīng)用軟件,計(jì)算機(jī)的歷史,早期的計(jì)算工具（17世紀(jì)以前）機(jī)械式計(jì)算機(jī)（ 17世紀(jì)~1930）電子計(jì)算機(jī)（1930~1950）現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)（1950~現(xiàn)在）,早期的計(jì)算工具 (1),最早的人造計(jì)算工具是算籌。祖沖之就是用算籌算出圓周率π值在 3.1415926和3.1415927之間，這一結(jié) 果比西方早了近一千年。,早期的計(jì)算工具 (2),

5、珠算是由算籌演變而來(lái)，這是計(jì)算工 具發(fā)展史上第一次重大改革。,早期的計(jì)算工具 (3),1621年英國(guó)數(shù)學(xué)家威廉?奧垂德（William Oughtred，1575-1660） 根據(jù)對(duì)數(shù)原理發(fā)明了圓形計(jì)算尺（circular slide rule），這是最早的模擬計(jì)算工具。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (1),17世紀(jì)歐洲出現(xiàn)了利用齒輪技術(shù)設(shè)計(jì)制造的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。1623年威爾赫姆?謝克哈特（ Wilhelm Schickard，1592-1635）

6、制作了一個(gè)能進(jìn)行六位以內(nèi)數(shù)加減法，并能通過(guò)鈴聲輸出答案的“計(jì)算鐘”。,法國(guó)學(xué)家帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662）年輕時(shí)為了幫助父親算帳，于1642年發(fā)明了齒輪式能實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算的計(jì)算器，稱為Pascaline。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (2),當(dāng)時(shí)Pascal曾制造了50臺(tái)這樣的計(jì)算器作為商品出售。為了紀(jì)念帕斯卡的貢獻(xiàn)，1971年尼可萊斯?沃思（Niklaus Wirth）教授將自己發(fā)明的一種重要的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言命名為Pa

7、scal語(yǔ)言，這是一種很好的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，在20世紀(jì)80年代末、90年代初曾得到廣泛學(xué)習(xí)和使用。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (3),萊布尼茨（G. W. Leibnitz，1646-1716）是德國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家和思想家，他和牛頓同時(shí)創(chuàng)立了微積分。1673年，萊布尼茨建造了一臺(tái)能進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械式計(jì)算機(jī)，轟動(dòng)了歐洲。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (4),萊布尼茨的這臺(tái)機(jī)器，在進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)，采用進(jìn)位-加（shift-add）的方法，這種方法，后來(lái)演化為二進(jìn)

8、制，被現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)采用。萊布尼茲的四則運(yùn)算器受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)條件限制，可靠性差，沒有成為商品計(jì)算工具銷售使用。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (5),1777年英國(guó)的查爾斯·馬洪（Charles Mahon，1753-1816）發(fā)明了邏輯演示器（logic demonstrator）。這是個(gè)袖珍式的簡(jiǎn)單器械，能解決傳統(tǒng)的演繹推理、概率以及邏輯形式的數(shù)值問(wèn)題，它被稱為計(jì)算機(jī)決策與邏輯功能的先驅(qū)。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (6),1801年法國(guó)人約瑟夫&

9、#183;雅各（Joseph Marie Jacquard，1752-1834）發(fā)明了穿孔卡織布機(jī)，引起法國(guó)絲織工業(yè)的革命。雅各織布機(jī)當(dāng)然不是計(jì)算機(jī)，但它強(qiáng)烈地影響著穿孔卡輸入輸出裝置的開發(fā)。如果找不到輸入信息和控制操作的機(jī)械方法，那么真正意義上的機(jī)械式計(jì)算機(jī)是不可能出現(xiàn)的。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (7),1820年法國(guó)人德·考爾瑪（Charles de Colmar，1785-1870）改進(jìn)了萊布尼茨的設(shè)計(jì)，制成第一個(gè)商用的機(jī)械計(jì)算

10、機(jī)，并生產(chǎn)了1500臺(tái)。1862年在倫敦國(guó)際博覽會(huì)上獲得獎(jiǎng)牌。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (8),到了19世紀(jì)初，英國(guó)數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage，1792-1871）取得了突破性進(jìn)展，計(jì)算機(jī)不但能快速地完成加、減、乘、除運(yùn)算，還能夠自動(dòng)完成復(fù)雜的運(yùn)算，從手動(dòng)機(jī)械躍入自動(dòng)機(jī)械的新時(shí)代。當(dāng)時(shí)為了解決航海、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中復(fù)雜的計(jì)算，許多數(shù)學(xué)表，如對(duì)數(shù)表、函數(shù)表應(yīng)運(yùn)而生。這些數(shù)表盡管帶來(lái)了一定的方便，但

11、其中的錯(cuò)誤也非常多，巴貝奇決心研制新的計(jì)算工具，用機(jī)器取代人工來(lái)計(jì)算這些實(shí)用價(jià)值很高的數(shù)學(xué)用表。巴貝奇在馬洪發(fā)明的邏輯演示器的影響下，于1822年開始設(shè)計(jì)差分機(jī)（difference engine），其目標(biāo)是能計(jì)算具有20位有效數(shù)字的6次多項(xiàng)式的值。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (9),巴貝奇新的研制計(jì)劃是分析機(jī)（analytical engine）的設(shè)計(jì)。分析機(jī)的重要貢獻(xiàn)在于它包括了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所具有的5個(gè)基本組成部分。,（1）輸入裝置：用

12、穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)；（2）存儲(chǔ)裝置：巴比奇稱它位倉(cāng)庫(kù)（store），該裝置被設(shè)計(jì)為能存儲(chǔ)1000個(gè) 50位10進(jìn)制數(shù)的容量，它既能存儲(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)，又能存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果；（3）資料處理裝置：巴比奇稱它為磨坊（mill），通過(guò)它來(lái)完成加、減、乘、除運(yùn)算，還能根據(jù)運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)改變計(jì)算的進(jìn)程，用現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是使用了條件轉(zhuǎn)移指令；（4）控制裝置：使用指令進(jìn)行控制，用程序自動(dòng)改變操作次序，他們是通過(guò)穿孔卡片順序輸入處理裝置的；（5）輸出裝置

13、：用穿孔卡片或打印方法輸出。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (10),1847年英國(guó)數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家喬治·布爾（George Bool，1815-1864）開始創(chuàng)立邏輯代數(shù)，1854年出版了名著《布爾代數(shù)》（Boolean Algebra）。他的邏輯理論建立在兩個(gè)邏輯值“0”、“1”和三個(gè)運(yùn)算符“與”（and）、“或”（or）、“非”（not）的基礎(chǔ)上，這種簡(jiǎn)化的二值邏輯為數(shù)字計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)、開關(guān)邏輯元件和邏輯電路的設(shè)計(jì)鋪平了道路。,機(jī)械式

14、計(jì)算機(jī) (11),威廉·杰文斯（William Jevons，1835-1882）認(rèn)為布爾代數(shù)邏輯是自亞里斯多德以來(lái)邏輯學(xué)中最偉大的進(jìn)展，杰文斯于1869年發(fā)明了一臺(tái)邏輯機(jī)，使用四個(gè)邏輯字母來(lái)進(jìn)行布爾運(yùn)算比不用機(jī)器的邏輯學(xué)家能更快地解決復(fù)雜的問(wèn)題。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (12),1872年弗蘭克·鮑德溫（Frank Baldwin）開始建立美國(guó)的手搖計(jì)算器工業(yè)。這些手搖計(jì)算器在1960年電子計(jì)算器出現(xiàn)之前，一直是廣泛使用的

15、機(jī)械計(jì)算器，當(dāng)然它已由手搖變?yōu)殡妱?dòng)。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (13),1886美國(guó)人口統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)學(xué)家赫爾曼?霍勒瑞斯（Herman Hollerith，1860-1929）博士，借鑒了雅各的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，制成了第一臺(tái)機(jī)電式穿孔卡系統(tǒng)—制表機(jī)（tabulating machine），這臺(tái)機(jī)器參與了1890年的美國(guó)人口普查工作。結(jié)果僅僅用了6周的時(shí)間就得出了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)（62622250人），赫爾曼?霍勒瑞斯也因此大發(fā)其財(cái)。,機(jī)械

16、式計(jì)算機(jī) (14),這次人口普查工作完成后，霍勒瑞斯于1896年創(chuàng)建了制表機(jī)公司TMC（Tabulating Machine Company），1911年TMC與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年CTR公司改名為國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（International Business Machines Corporation），這就是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域赫赫有名的IBM公司。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (15),英國(guó)著名詩(shī)人拜倫的女兒愛達(dá)?

17、奧古斯塔?拉夫拉斯伯爵夫人（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）是一位思維敏捷的數(shù)學(xué)家，愛達(dá)意識(shí)到巴比奇的理論設(shè)計(jì)是完全可行的，她支持這項(xiàng)工作，改正其中的錯(cuò)誤，并建議用二進(jìn)制存儲(chǔ)取代原設(shè)計(jì)的十進(jìn)制存儲(chǔ)。 她指出分析機(jī)可以像雅各織布機(jī)一樣進(jìn)行編程，并發(fā)現(xiàn)了進(jìn)行程序設(shè)計(jì)（program design）和編程(programming)的基本要素，還為某些計(jì)算開發(fā)了一些指令，例如可以重復(fù)使用某

18、些穿孔卡片，按現(xiàn)代的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)這就是“循環(huán)程序”和“子程序”。由于她在程序設(shè)計(jì)上的開創(chuàng)性工作，被譽(yù)為是世界上第一位程序員。,機(jī)械式計(jì)算機(jī) (16),1975年1月，美國(guó)國(guó)防部提出使用一種通用高級(jí)語(yǔ)言的必要性，并為此進(jìn)行了國(guó)際范圍的設(shè)計(jì)投標(biāo)。1979年5月最后確定了新設(shè)計(jì)的語(yǔ)言。海軍后勤司令部的杰克·庫(kù)柏(Jack Cooper)為這個(gè)新語(yǔ)言起了一個(gè)美麗的名字Ada,用于紀(jì)念愛達(dá)。,電子計(jì)算機(jī) (1),第一個(gè)采用電器元件來(lái)制造

19、計(jì)算機(jī)的是德國(guó)工程師朱斯（K. Zuse）。 1941年，他的Z-3計(jì)算機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，這是世界上真正的第一臺(tái)通用程序控制計(jì)算機(jī)。,電子計(jì)算機(jī) (2),1936年美國(guó)哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德·艾肯（Howard Aiken，1900-1973）提出用機(jī)電的方法，而不是純機(jī)械的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分析機(jī)的想法，這就是Mark-I機(jī)電計(jì)算機(jī)的設(shè)想，Mark-I的計(jì)算機(jī)在哈佛大學(xué)投入運(yùn)行。Mark-I只是部分采用了繼電器，其后，在1945年至1

20、947年間，艾肯又領(lǐng)導(dǎo)制造成功一臺(tái)全部使用繼電器的計(jì)算機(jī)Mark-II。,電子計(jì)算機(jī) (3),1946年莫克利(John Mauchly)和埃克特(J. Presper Eckert) 設(shè)計(jì)了第一臺(tái)通用的、完全電子化的計(jì)算機(jī)ENIAC (Electronic Numerical Integrator Calculator)。,電子計(jì)算機(jī) (4),ENIAC的優(yōu)點(diǎn)：采用了電子線路來(lái)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和儲(chǔ)存信息 ，由于廣泛采用了電子線

21、路，ENIAC同以往計(jì)算機(jī)相比最突出的優(yōu)點(diǎn)就是高速度 能同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)加法或減法。在這一點(diǎn)上，ENIAC可以看作是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的并行計(jì)算機(jī)的前身。ENIAC的缺陷：它的存儲(chǔ)容量太小，至多只能存20個(gè)字長(zhǎng)l0位的十進(jìn)制數(shù)。它與后來(lái)的“存儲(chǔ)程序”型的計(jì)算機(jī)不同，它的程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，很不便于使用，僅為了進(jìn)行幾分鐘或上小時(shí)的數(shù)字計(jì)算，準(zhǔn)備工作就要用去幾小時(shí)甚至l--2天的時(shí)間。,電子計(jì)算機(jī) (5),

22、1951年， Eckert- Mauchly計(jì)算機(jī)公司開始交付UNIVAC I機(jī)器，這種機(jī)器售價(jià)為250,000美元，共生產(chǎn)了48套，從而使之成為第一臺(tái)成功的商業(yè)化計(jì)算機(jī)。,現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī),1946年，美藉匈牙利科學(xué)家馮· 諾依曼提出了存儲(chǔ)程序的概念。迄今為止所有進(jìn)入實(shí)用的電子計(jì)算機(jī)都是按馮· 諾依曼的提出的結(jié)構(gòu)體系和工作原理設(shè)計(jì)制造的，故又統(tǒng)稱為“馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)” (指令和指令所操作的數(shù)據(jù)都一起放在內(nèi)

23、存中的計(jì)算機(jī)) 。,現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程 (1),第一代計(jì)算機(jī)（1950~1959）電子管（vacuum tube）代替電磁繼電器；二進(jìn)制代替十進(jìn)制；穿孔卡作為輸入輸出裝置。,第二代計(jì)算機(jī)（1959~1965）晶體管（transistor）代替電子管；普遍采用磁心存儲(chǔ)器作為主存，磁盤與磁帶作為輔存；出現(xiàn)了FORTRAN和COBOL這樣的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。,現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程 (2),第三代計(jì)算機(jī)（1965~1975）

24、集成電路（Integrated Circuit，IC）代替晶體管；先是小規(guī)模集成電路，后是大規(guī)模集成（Large Scale Integrated，LSI）電路。,第四代計(jì)算機(jī)（1975~1985）超大規(guī)模集成電路VLSI（Vely Large Scale Integration）代替普通集成電路；微型計(jì)算機(jī)(microcopmputer)出現(xiàn)。,現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程 (3),第五代計(jì)算機(jī)（1985~現(xiàn)在）日本的第五代計(jì)算機(jī)系

25、統(tǒng)FGCS(Fifth Generation Computer System)，又稱智能計(jì)算機(jī)；筆記本電腦、掌上電腦；第二代存儲(chǔ)介質(zhì)（CD-ROM、DVD）多媒體……,現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),微型化和巨型化智能化網(wǎng)絡(luò)化,計(jì)算機(jī)的類型,數(shù)字計(jì)算機(jī)（digital computer）對(duì)離散的數(shù)字量進(jìn)行處理，輸出的結(jié)果仍然是離散的數(shù)字量。模擬計(jì)算機(jī)（analog computer）對(duì)連續(xù)的物理量（電流、電壓等）進(jìn)行處理，獲

26、得的輸出仍然是連續(xù)的物理量。,由于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬計(jì)算機(jī)已基本消亡。,數(shù)字計(jì)算機(jī)的分類,通用數(shù)字計(jì)算機(jī)（general）計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造并不針對(duì)某一具體應(yīng)用，而是通過(guò)所執(zhí)行的程序完成具體的功能。專用數(shù)字計(jì)算機(jī)（special）專門針對(duì)某一具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的、靠硬件（有時(shí)有少量軟件）完成其功能。專用機(jī)的趨勢(shì)：用通用芯片，搭建專用系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)）。,通用計(jì)算機(jī)的分類,超級(jí)計(jì)算機(jī)（Supercomputers)工作站（

27、Workstations）服務(wù)器（Server computers）微型計(jì)算機(jī)（Microcomputers）又稱個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer, PC）嵌入式計(jì)算機(jī)（Embedded Computer）微處理器（Microprocessor）,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理自動(dòng)控制輔助設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)人工智能多媒體技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)……,重量級(jí)人物介紹 (1),圖靈（Alan Turing，191

28、2~1954）,1936年上研究生時(shí)發(fā)表了一篇題為“論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用”,(On Computable Numbers With an Application to Entscheidungs Problem)的論文，提出了圖靈機(jī)（Turing Machine），奠定了計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)；,第二次世界大戰(zhàn)中，Turing 領(lǐng)導(dǎo)的小組制造出了破譯德軍 Enigma 密碼的計(jì)算機(jī)，并成功地完成了任務(wù)；1950年10月發(fā)表的

29、論文“計(jì)算機(jī)和智能”（Computing Machinery and Intelligence）。在這篇經(jīng)典的論文中，圖靈進(jìn)一步闡明了他認(rèn)為計(jì)算機(jī)可以有智能的思想，并提出了測(cè)試機(jī)器是否有智能的方法，人們稱之為“圖靈測(cè)試”(Turing Test)。,重量級(jí)人物介紹 (2),馮·諾依曼（Von Neumann）,全新的存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案——離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)（Electronic Discrete Variable

30、Computer, EDVAC ）方案誕生。具體介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想，給出了電子計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備5類部件組成。,1946年6月，與同事共同完成了“關(guān)于電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的研究報(bào)告，一個(gè),量子物理博弈論,關(guān)鍵術(shù)語(yǔ),data: 數(shù)據(jù)information: 信息computer: 計(jì)算機(jī)hardware: 硬件software: 軟件program: 程序instruct

31、ion: 指令program language:編程語(yǔ)言,input/output device: 輸入/輸出(I/O)設(shè)備optical disk: 光盤compact disc (CD): 緊湊格式盤digital versatile (video) disc: DVD, 數(shù)字式通用盤,關(guān)鍵術(shù)語(yǔ),system software: 系統(tǒng)軟件application software: 應(yīng)用軟件Integrated Circu

32、it: 集成電路Vely Large Scale Integration (VLSI): 超大規(guī)模集成電路Supercomputer: 超級(jí)計(jì)算機(jī),mainframe computer: 大型機(jī)minicomputer: 小型機(jī)workstation:工作站server computer: 服務(wù)器microcomputer: 微型計(jì)算機(jī)personal computer (PC): 個(gè)人計(jì)算機(jī),關(guān)鍵術(shù)語(yǔ),Embedded

33、Computer: 嵌入式計(jì)算機(jī)Microprocessor: 微處理器desktop computer: 臺(tái)式計(jì)算機(jī)laptop computer: 膝上型計(jì)算機(jī)notebook computer: 筆記本電腦,palmtop computer: 掌上電腦personal digital assistant (PDA): 個(gè)人數(shù)字化助理tablet PC: 帶手寫板的筆記本電artificial intelligence