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欢迎大家选修《计算机导论》课程《计算机导论——计算思维和应用技术》清华大学出版社唐良荣唐建湘范丰仙易建勋编著第3页共103页作者声明•课件随教材免费赠送给读者，读者可自由传播、复制、修改本课件。•课件宽高比例为16：9，便于利用“弹幕”功能实现教学互动。•课件中部分图片来自因特网公开技术资料，图片版权属于原作者。•感谢因特网提供技术资料的企业和个人。•课件版权属于作者和清华大学出版社。易建勋2015年1月第4页共103页课件下载方法•校外不登录下载：•→任课教师→计算机与通信工程学院→教师姓名→选择课程→教学材料→选择下载栏目→浏览或下载•校内登录下载：•→网络教学→校内访问→用户名（你的学号）→密码（你的学号）→登录→进入→选择课程→教学材料→选择下载栏目→浏览或下载•清华大学出版社下载：•第5页共103页1.1.1早期的计算工具1.1.2中世纪的计算机1.1.3现代计算机发展1.1.4微型计算机发展《计算机导论——计算思维和应用技术》计算机第1章计算工具1.1计算机的发展1.2计算机的类型1.3计算机的特征1.4计算机新技术第6页共103页1.1.1早期的计算工具•计算技术是人类文明史的一个缩影。•计算机发展历程计算工具计算机器现代计算机微型计算机第7页共103页1.1.1早期的计算工具1、十进制记数法•古巴比伦楔形数字，60进制第8页共103页1.1.1早期的计算工具•古埃及十进制记数青蛙100000第9页共103页1.1.1早期的计算工具•中国商朝十进制数第10页共103页1.1.1早期的计算工具•玛雅文明象形文字，20进制玛雅数字第11页共103页1.1.1早期的计算工具【案例】早期记数系统。古埃及前3400年古巴比伦前2400年中国甲骨文前1600年古希腊前500年中国算筹前500年古印度前300年玛雅公元300年第12页共103页1.1.1早期的计算工具•位值概念：•西周金文：“伐鬼方……俘万三千八十一人”；•《逸周书·世俘》：“武王遂征四方，凡憝国九十有九国，馘磨亿有十万七千七百七十有九，俘人三亿万有二百三十。凡服国六百五十有二”。•注：憝（duì，灭亡）；馘磨（guómo，斩首）；亿（古代十万为亿）第13页共103页1.1.1早期的计算工具2、算筹•成语“运筹帷幄”中的“筹”就是指算筹。•祖冲之（429-500年）借助算筹将圆周率计算到了小数点后第7位。算筹的运算第14页共103页1.1.1早期的计算工具3、九九乘法口诀•中国最早的算法：九九乘法口诀表（湖南湘西里耶出土的秦简木椟）。第15页共103页1.1.1早期的计算工具【扩展】世界上最早的十进制乘法表•清华简《算表》（战国，公元前305年）第16页共103页1.1.1早期的计算工具4、算盘•古今中外算盘类型：沙盘类，算板类，穿珠类。•“珠算”一词最早见于三国时代徐岳（？-220年）的《数术纪遗》。•《数术纪遗》“劉會稽（注：刘宏）博學多聞，偏于數學……隸首注術，仍有多種，其一珠算”。•《数术纪遗》“珠算控带四时，经纬三才”。第17页共103页1.1.1早期的计算工具•【案例】画家张择端（1085-1145）《清明上河图》中，有一个15档的算盘。第18页共103页1.1.1早期的计算工具•【案例】古罗马（公元前27—395年）算盘第19页共103页1.1.1计算机的发展1.1计算机的发展1.1.1早期的计算工具1.1.2中世纪的计算机1.1.3现代计算机发展1.1.4微型计算机发展《计算机导论——计算思维和应用技术》第1章计算工具第20页共103页1.1.2中世纪的计算机1、机器计算的萌芽•1614年，苏格兰数学家约翰·纳皮尔（J.Napier）提出了对数。•他发明了简化乘法运算的纳皮尔算筹。第21页共103页1.1.2中世纪的计算机•1623年，德国谢克卡德（W.Schickard）设计的四则运算机器（没有文物证实）。现代猜测仿制的谢克卡德机器谢克卡德手稿第22页共103页1.1.2中世纪的计算机2、帕斯卡加法器•1642年，法国数学家帕斯卡（B.Pascal）制造了第一台加法运算机器。•帕斯卡：机器比动物更接近思维。•加法器在巴黎博览会引起轰动。第23页共103页1.1.2中世纪的计算机3．莱布尼茨的二进制思想•莱布尼兹（G.Leibnitz）1694年研制了一台能够做加、减、乘、除运算的机器。•莱布尼兹研究了定理证明的自动逻辑推理。•莱布尼兹预想用机器推理演算，使科学知识的产生实现自动化。第24页共103页1.1.2中世纪的计算机•1679年，莱布尼兹发明了二进制记数系统。•他断言：“二进制是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”。莱布尼兹二进制记数系统手稿第25页共103页1.1.2中世纪的计算机【扩展】中国早期的计算机。•皇帝的玩具——手摇计算机，康熙年间清宫造办处制。•木盒小抽屉中放着中国式的纳皮尔算筹一副；•盘式计算机能进行加、减、乘、除运算；•结合着算筹还能进行平方、立方、开平方、开立方等运算。清宫造办处仿制的计算机第26页共103页1.1.2中世纪的计算机4、巴贝奇自动计算机器（1）差分机设计制造•英国剑桥大学教授查尔斯·巴贝奇（CharlesBabbage）研制差分机；•1822年，第一台差分机研制成功；•差分机有25000个零件，重达4吨。•设计目标：•将计算到印刷表格的过程全部自动化；•全面消除人为错误。注：计算错误、抄写错误、校对错误、印制错误等。•差分机是专门用来计算特定多项式函数值的机器。注：“差分”是将函数表的复杂计算转化为差分运算。差分运算案例第27页共103页1.1.2中世纪的计算机•【案例】差分机模型第28页共103页1.1.2中世纪的计算机（2）分析机基本结构•1837年，巴贝奇开始设计由程序控制的通用分析机。•设计：提出过30种设计方案，并绘制了图纸，零件数量多达几万个。•目标：自动计算有100个变量的算题，每个数25位，每秒钟运算一次。•分析机具备现代计算机的基本特征：•存储器：保存数据的齿轮式寄存器（堆栈），可存储1000个50位十进制数；•运算装置：进行各种运算的装置（工场），可进行十进制四则运算；•程序控制：对操作进行程序控制，可运行“条件”“循环”等语句；•输入输出：用穿孔卡片作为程序输入设备，有数据输出装置。•图灵指出：“分析机实际上是一台万能数字计算机”。•由于巴贝奇的杰出贡献，他被称为计算机之父。第29页共103页1.1.2中世纪的计算机•计算机界的唐吉·诃德——巴贝奇出身英国贵族，死后身败名裂；贵为皇家院士，被人指为骗子；散尽万贯家财，竟无葬身之地；煽动军方烧钱，最后一无所得；最前沿的研究，贵妇充当粉丝；最先进的设计，土豪为之破产；跨世纪的成果，落得无人喝彩；耗尽一生心血，受尽委屈辛酸；只为心中的梦想——机器计算！——纪念计算机之父巴贝奇第30页共103页1.1.2中世纪的计算机5．爱达与程序设计•爱达指出：分析机可以像提花机那样进行编程。•爱达（AugustaAdaKing）的工作：•设计世界上第一个计算机程序：用机器进行伯努利运算；•协助巴贝奇完善分析机的设计；•建立了循环和子程序的概念；•编写：三角函数、级数相乘、伯努利函数等算法程序。•爱达预言：“这个机器未来可用于排版、编曲或是各种更复杂的用途”。提花机第31页共103页1.1.2中世纪的计算机•爱达是世界上第一个计算机程序设计师。爱达编制的世界上第一个计算机程序爱达第32页共103页1.1.2中世纪的计算机6、布尔与数理逻辑•英国数学家布尔（GeorgeBoole）终身没有接触过计算机；•但他的研究成果为现代计算机设计提供了重要的理论根据。•现代计算机的基本要求：所有信息都可用符号编码。•布尔的工作：将逻辑思维简化为二进制数学运算（布尔代数）。•布尔的工作当时没有得到重视；•有人嘲笑布尔代数是一种没有价值的工作成果。第33页共103页1.1.1计算机的发展1.1计算机的发展1.1.1早期的计算工具1.1.2中世纪的计算机1.1.3现代计算机发展1.1.4微型计算机发展《计算机导论——计算思维和应用技术》第1章计算工具第34页共103页1.1.3现代计算机发展1、现代计算机科学先驱•现代计算机指利用电子技术代替机械或机电技术的计算机。•英国科学家阿兰·图灵（1912-1954）计算机科学理论的创始人。•主要贡献：•“可计算”理论；•“图灵机理论”，建立抽象计算机模型；•“图灵测试”，奠定人工智能基础。阿兰·图灵ACM图灵杯第35页共103页1.1.3现代计算机发展•美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（1903-1957）计算机工程技术的先驱人物。•IEEE设立了“冯·诺依曼奖”，表彰在计算机科学和技术上具有杰出成就的科学家。•主要贡献：•现代计算机的五大结构；•“存储程序”设计思想；•“博弈论”；•“自动细胞机”理论。冯·诺依曼第36页共103页1.1.3现代计算机发展2、第一台现代电子数字计算机ABC•美国教授阿塔纳索夫和他的研究生克利福特•贝瑞，1939年10月研制成功ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）。•1990年，阿塔纳索夫获得全美最高科技奖“国家科技奖”。•ABC计算机结构：•采用二进制电路进行运算；•存储系统采用电容器，具有数据记忆功能；•输入系统采用IBM公司的穿孔卡片；•输出系统采用高压电弧烧孔卡片。ABC仿制模型第37页共103页1.1.3现代计算机发展•阿塔纳索夫计算机设计三个基本原则：（1）以二进制方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；（2）利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；（3）采用计算功能与存储功能的分离结构，以简化计算机设计。第38页共103页1.1.3现代计算机发展【扩展】1944年，霍德华·艾肯研制成功Mark-I电磁式计算机。第39页共103页1.1.3现代计算机发展3、ENIAC计算机•1946年，莫克利和埃克特研制成功ENIAC计算机。•ENIAC计算机•采用全电子管电路，•没有采用二进制，•采用18000多个电子管，•10000多个电容，•7000个电阻，•1500多个继电器，•耗电150kW，•重量达30t，•占地面积170m2。ENIAC计算机第40页共103页1.1.3现代计算机发展•ENIAC性能：•1秒钟内完成5000次加法运算，•在3/1000秒内完成2个10位数乘法，•计算一条炮弹弹道只需要20秒钟。•莫克利在设计ENIAC之前拜访过阿塔纳索夫，一起讨论过计算机设计经验。第41页共103页1.1.3现代计算机发展4．冯•诺依曼与EDVAC计算机•1945年，冯·诺依曼提出了计算机五大结构，存储程序的设计思想。•一份疑似冯·诺依曼手稿（？）的EDVAC系统结构设计草图如下所示。EDVAC系统结构EDVAC计算机第42页共103页1.1.3现代计算机发展5、IBMSystem360计算机•1964年的IBMSystem360是现代计算机最典型的代表产品。•IBM360的特点：通用化、标准化、系列化、兼容。•为了研发IBM360计算机：•IBM公司征召了6万多名新员工，•创建了5座新工厂，•耗资50亿美元，•历时5年时间进行研制，•出货时间不断延迟。IBM360第43页共103页1.1.3现代计算机发展•现代计算机基本元器件发展阶段：电子管→晶体管→中小规模集成电路→超大规模集成电路。第44页共103页1.1.3现代计算机发展【扩展】老式计算器。5891计算尺机械计算机第45页共103页1.1.1计算机的发展1.1计算机的发展1.1.1早期的计算工具1.1.2中世纪的计算机1.1.3现代计算机发展1.1.4微型计算机发展《计算机导论——计算思维和应用技术》第1章计算工具第46页共103页1.1.4微型计算机发展1、早期微机研究•微机研制起始于1970年代；•早期微机产品：•Kenbak-1：没有微处理器，没有操