第2章 计算机的发展及应用

天津科技大学主讲：于秀丽1计算机发展简史17世纪之前，中国人的智慧之光16世纪-17世纪初期，西方人的灵感17世纪中期-19世纪中期先驱的探索机械式计算机19世纪后期机械到电的飞跃机电式计算机20世纪电子文明的曙光电子计算机17世纪之前中国人的智慧之光天津科技大学主讲：于秀丽3最古老的计算工具算筹春秋时期出现。纵式和横式表示自然数，可进行加减乘除、开方及其它的代数计算。负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一无二的。祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到小数点后7位天津科技大学主讲：于秀丽4最古老的计算器算盘被誉作中国“第五大发明”，陕西歧山西周宫室遗址中出土了90粒青黄两色陶丸，青色20粒，黄色70粒，将算盘的发明时间提前到二千多年前的西周时期。“价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”16世纪-17世纪初期西方人的灵感天津科技大学主讲：于秀丽61621年冈特计算尺在发明计算机之前，计算尺是科学研究、工程设计和生产实践中使用最广泛、应用最便捷、最有价值的计算工具。在三百余年的辉煌历史时间内，计算尺为人类进步、世界文明作出了无法估量的伟大贡献。天津科技大学主讲：于秀丽7达芬奇机械式计算机1500年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算机17世纪中期-19世纪中期先驱的探索机械式计算机天津科技大学主讲：于秀丽91642年PASCAL(1623)加法机法国数学家、物理学家和思想家人类史上第一台机械式计算机，其原理对后续计算机产生了持久的影响。采用齿轮传动设备完成运算，穿孔卡存储数据。pascal从加法机的成功中得出结论：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可设想用机械模拟人的思维1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级语言向其表示敬意天津科技大学主讲：于秀丽101673年G.Leibnitz乘法机器1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，步进轮可利用多次加法完成乘法可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。天津科技大学主讲：于秀丽11编程序？？？1805Jacquard（杰卡德）天津科技大学主讲：于秀丽12程序控制思想的萌芽如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行。1725年，法国纺织机械师B.Bouchon发明利用穿孔纸带控制印花的方法1805J.Jacquard发明采用穿孔卡片的自动提花机——第一台能织出复杂图案的自动织布机编程序＝编织花布天津科技大学主讲：于秀丽131805Jacquard天津科技大学主讲：于秀丽14天津科技大学主讲：于秀丽151821年Babbage差分机1821年，英国数学家巴贝奇发明差分机，专门用于航海和天文计算。可处理3个5位数，计算精度达到6位小数。“差分”是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。天津科技大学主讲：于秀丽16DifferenceEngine（差分机）三个具有现代意义的装置保存数据的寄存器（齿轮式装置）；从寄存器取出数据进行运算的装置，机器的乘法以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置；最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。天津科技大学主讲：于秀丽17ThefirstprogrammerAdaAugustaAda描述了差分机如何进行编程，最早给出计算机程序设计的许多想法。讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作卡提出了存储位置或地址的想法“循环”(looping)的概念三角函数和级数相乘程序、贝努利函数程序天津科技大学主讲：于秀丽18AnalyticalEngine分析机——早期的机械通用计算机天津科技大学主讲：于秀丽19AnalyticalEngine天津科技大学主讲：于秀丽20AnalyticalEngine天津科技大学主讲：于秀丽211940MechanicalanalogmachinesdesignedbyLordKelvin机电式计算机19世纪后期机械到电的飞跃天津科技大学主讲：于秀丽23赫尔曼·霍勒斯制表机赫尔曼·霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形1888年赫尔曼发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。天津科技大学主讲：于秀丽24Punchedtape/card穿孔卡片的出现加速了二十世纪工业和商业的发展天津科技大学主讲：于秀丽25Punchedcard容量：2000张卡，相当于现在的20KB重量：6.6Kg.天津科技大学主讲：于秀丽26PunchedcardProcess天津科技大学主讲：于秀丽271890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。1900年美国人口普查由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月时间。霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR（计算制表记录）公司1924年IBM成立赫尔曼·霍勒斯制表机天津科技大学主讲：于秀丽281904年弗莱明发明真空电子二极管1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。天津科技大学主讲：于秀丽291906年弗雷斯特发明真空电子三极管1906年，美国人德弗雷斯特发明电子三极管。在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增。这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。天津科技大学主讲：于秀丽30现代真空电子管天津科技大学主讲：于秀丽311938年朱斯的Z系列计算机1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机第一台采用二进制和真空电子管的计算机。朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、Z-3和Z-4。Z-3使用了2600个继电器，在1944年美军对柏林进行的空袭中被炸毁。天津科技大学主讲：于秀丽321943年英国“巨人”计算机Colossus1943年英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军Enigma密码。第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。二战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报天津科技大学主讲：于秀丽33艾肯的MARK—I1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，研制成功机电式计算机MARK-I。世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。MARK-1外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800公里电线，每分钟进行200次运算。电子计算机的诞生天津科技大学主讲：于秀丽35世界上第一台电子数字计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功18000多个电子管，1500多个继电器，耗电150千瓦，重30吨，占地150m2，运算速度5000次/秒左右尽管从今天的眼光来看，这台计算机性能低且耗费巨大，但它却是科学史上的一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。宣告人类进入电子计算机时代。担任开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特当时年仅24岁。天津科技大学主讲：于秀丽36ENIAC天津科技大学主讲：于秀丽37ENIAC天津科技大学主讲：于秀丽38VacuumtubeinENIAC天津科技大学主讲：于秀丽39InputPannel(42)天津科技大学主讲：于秀丽40Cable天津科技大学主讲：于秀丽41Programing天津科技大学主讲：于秀丽42Debug(线路检查)天津科技大学主讲：于秀丽43ENIAC&VonNeumann天津科技大学主讲：于秀丽44ENIAC的问题十进制计算机每一位数由一圈共10个真空管表示通过开关和插拔电缆进行手动编程输入程序和数据可能需要半天时间能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？？EVDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)天津科技大学主讲：于秀丽45现代电子计算机之父1944~1945年间，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯·诺伊曼机体系延续至今。天津科技大学主讲：于秀丽46硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规模集成电路1978－现在五10000000大规模集成电路1972－19771000000中小规模集成电路1965－1971200000晶体管1958－196440000电子管1946－1957速度/（次/秒）硬件技术时间代三四二一天津科技大学主讲：于秀丽47第一代计算机1946开始的电子管计算机时代运算速度一般为每秒几千次到几万次，体积庞大，功耗大，价格昂贵，成本很高，可靠性较低。存储器：水银延迟线辅助存储器：磁鼓、纸带、卡片使用机器语言/汇编语言，应用领域集中在科学计算第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础天津科技大学主讲：于秀丽48存储器的出现1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。天津科技大学主讲：于秀丽49高级语言的出现1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一个高级程序语言FORTRAN，它被广泛用于科学计算。天津科技大学主讲：于秀丽50第二代计算机1958开始的晶体管计算机时代运算速度提高到每秒几万次到几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低，功耗降低。主存储器：磁芯辅助存储器：磁盘、磁带在软件上出现了算法语言和操作系统应用领域从科学计算扩展到了数据处理。FORTRAN、ALGOL-60、COBOL天津科技大学主讲：于秀丽51第三代计算机1965开始的集成电路计算机时代运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，功耗显著降低。主存储器：半导体在此期间，形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，“小型计算机”开始出现。软件技术与计算机外围设备发展迅速。天津科技大学主讲：于秀丽52第四代计算机1972年开始,大规模/超大规模集成电路计算机时代运算速度提高到每秒几百万次到几千万次，MIPS-GIPS-TIPS,可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低。在此期间，“微型计算机”开始出现。多机处理/网络化成为第四代计算机的一个重要特征天津科技大学主讲：于秀丽53二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片存储器芯片1971年8位16位32位64位4位（4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位2.1天津科技大学主讲：于秀丽54Intel公司的典型微处理器产品80808位1974年808616位1979年2.9万个晶体管8028616位1982年13.4万个晶体管8038632位1985年27.5万个晶体管8048632位1989年120.0万个晶体管Pentium64位（准）1993年310.0万个晶体管PentiumPro64位（准）1995年550.0万个晶体管PentiumⅡ64位（准）1997年750.0万个晶体管PentiumⅢ64位（准）1999年950.0万个晶体管PentiumⅣ64位2000年4200.0万个晶体管2.12007年芯片上可集成3亿5千万个晶体