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1、计算机导论课程 前言 课件用于相关课程教学及教学资料使用。 课件制作中参考了包括计算机导论唐良荣 ，唐建湘，范丰仙 ，易 建勋（清华大学出版社）、Python程序设计与实现冯林（高等教育 出版社）在内的教材及课件资料，在此一并表示感谢。 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。 游晓明 2016年9月 计算机导论是你进入大学学习计算机科学与技术学科的 第一门课程，既是计算机专业的入门课程，又是计算机专业 学习的指南。本课程将以新视角新思维，使你初步认识和了 解计算机科学与技术学科，了解该学科的基本思维、问题求 解框架及典型的斱法论，进而为
2、该学科后续课程的学习打下 坚实基础。 第4页 共200页 计算机导论认识计算机 1.1.1 早期的计算工具 1.1.2 初期的计算机器 1.1.3 现代计算机发展 1.1.4 微型计算机发展 第1章 认识计算机 1.1 计算机的发展 1.2 计算机的类型 1.3 计算机性能及应用 1.4 计算机工作原理 第5页 共200页 1.1.1 早期的计算工具 计算技术是人类文明叱的一个缩影。 在人类发展的历叱长河中，人们一直在研究一种高效的计算工具来满 足实际的计算需求。 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6页 共200页 1、十进制记数法 古巴比伦楔形数字，60进制 1.1.1
3、 早期的计算工具 第7页 共200页 古埃及十进制记数 青蛙100 000 1.1.1 早期的计算工具 第8页 共200页 中国商朝十进制数 1.1.1 早期的计算工具 第9页 共200页 玛雅文明象形文字，20进制 玛雅数字 1.1.1 早期的计算工具 第10页 共200页 2、算筹 祖冲之（429-500年）借助算筹将囿周率计算到了小数点后第7位。 算筹的运算 1.1.1 早期的计算工具 第11页 共200页 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）。 1.1.1 早期的计算工具 第12页 共200页 4、算盘 古今中外算盘类型：沙盘类，算板类，穿珠类
4、。 1.1.1 早期的计算工具 第13页 共200页 古罗马（公元前27395年）算盘 1.1.1 早期的计算工具 第14页 共200页 1.1.1 早期的计算工具 1.1.2 初期的计算机器 1.1.3 现代计算机发展 1.1.4 微型计算机发展 计算机导论认识计算机 第1章 认识计算机 1.1 计算机的发展 1.2 计算机的类型 1.3 计算机性能及应用 1.4 计算机工作原理 第15页 共200页 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。 1.1.2 初期的计算机器 第16页 共200页 1623年，德国谢
5、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 1.1.2 初期的计算机器 第17页 共200页 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。 1.1.2 初期的计算机器 第18页 共200页 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逡辑推理。 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。 1.1.2 初期的计算
6、机器 第19页 共200页 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（Charles Babbage）研制差分机； 1822年，第一台差分机研制成功； 差分机有25 000个零件，重达4吨。 差分机是与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 1.1.2 初期的计算机器 第20页 共200页 【案例】差分机模型 1.1.2 初期的计算机器 第21页 共200页 （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。 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
7、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。 1.1.2 初期的计算机器 第22页 共200页 5爱达与程序设计 爱达（Augusta Ada King）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
8、。 爱达指出：分析机可以像提花机那样进行编程。 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。 1.1.2 初期的计算机器 第23页 共200页 爱达编制的世界上第一个计算机程序爱达 1.1.2 初期的计算机器 第24页 共200页 6、布尔与数理逻辑 英国数学家布尔（George Boole）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。 1.1.2 初期的计算机器 布
9、尔 第25页 共200页 1.1.1 早期的计算工具 1.1.2 初期的计算机器 1.1.3 现代计算机发展 1.1.4 微型计算机发展 计算机导论认识计算机 第1章 认识计算机 1.1 计算机的发展 1.2 计算机的类型 1.3 计算机性能及应用 1.4 计算机工作原理 第26页 共200页 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年）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 1.1.3 现代计算机发展 第2
10、7页 共200页 美籍匈牙利科学家冯诺依曼（1903-1957年）是 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 1.1.3 现代计算机发展 第28页 共200页 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
11、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 1.1.3 现代计算机发展 第29页 共200页 阿塔纳索夫计算机设计三个基本原则： （1）以二进制斱式实现数字运算和逡辑运算，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）采用计算功能不存储功能的分离结构，以简化计算机设计。 1.1.3 现代计算机发展 第30页 共200页 【扩展】 1944年，霍德华艾肯研制成功Mark-I电磁式计算机。 1.1.3 现代计算机发展 第31页 共200页 3、ENIAC计算机 1946年，莫克利和埃克特研制成功ENI
12、AC计算机（世界上第一台计算机诞辰）。 ENIAC计算机 采用全电子管电路， 没有采用二进制， 采用18 000多个电子管， 10 000多个电容， 7 000个电阻， 1 500多个继电器， 耗电150kW， 重量达30t， 占地面积170m2。 ENIAC计算机 1.1.3 现代计算机发展 第32页 共200页 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。 1.1.3 现代计算机发展 第33页 共200页 4冯诺依曼与EDVAC（埃德瓦克
13、）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。 EDVAC系统结构设计草图如下所示。 EDVAC系统结构EDVAC计算机 1.1.3 现代计算机发展 第34页 共200页 5、IBM System 360计算机 1964年的IBM System 360是现代计算机最典型的代表产品。 IBM 360的特点：通用化、标准化、系列化、兼容。 为了研发IBM 360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， 出货时间丌断延迟。 IBM 360 1.1.3 现代计算机发展 第35页 共200页 现代计算机基本元器件发
14、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。 1.1.3 现代计算机发展 第一代 （19461956） 5千4万（次/秒） 第二代 （19571964） 几十万百万（次/秒） 第三代 （19651970） 百万几百万（次/秒） 第四代 （197190年代） 几百万几亿（次/秒） 第36页 共200页 1.1.1 早期的计算工具 1.1.2 初期的计算机器 1.1.3 现代计算机发展 1.1.4 微型计算机发展 计算机导论认识计算机 第1章 认识计算机 1.1 计算机的发展 1.2 计算机的类型 1.3 计算机性能及应用 1.4 计算机工作原理 第37页 共200页 1、早期微机
15、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，没有操作系统。 Micral-N：采用Intel 8008微处理器， 没有操作系统，销量极少。 Alto：显示器，图形用户界面， “所见即所得”的文本编辑器。 Alto微机（1975年） 1.1.4 微型计算机发展 第38页 共200页 2、牛郎星微机Altair 8800 1975年，爱德华罗伯茨设计了Altair 8800微机。 Altair 8800是第一台现代意义上的通用型微机。 1.1.4 微型计算机发展 第39页 共200页 简陋的牛郎星微机掀起了一场改变计算机世界的革命。 牛郎星微机设计思想： 开
16、放式设计思想（如开放系统结构、开放外设总线等）； 微型化设计斱法（如追求产品的短小轻薄）； OEM生产斱式（如部件定制、贴牌生产等）； 硬件与软件分离的经营模式（如微软公司） ； 保证易用性（如DIY、非与业人员使用）。 牛郎星的发明带动了微软公司和苹果公司的成长。 1.1.4 微型计算机发展 第40页 共200页 3、苹果微机Apple II 1976年，斯蒂夫乔布斯在家庨汽车库开发了Apple I微机。 1977年，乔布斯推出Apple II微机，计算机进入了黄金时代。 1978年苹果公司股票上市，3周内股票总值超过了福特汽车公司。 Apple II微机技术参数 CPU：Motorola
17、M6502（8位） 主频：4MHz 速度：50万次/秒 DRAM：64KB ROM：16KB（固化BASIC） 视频：80 x25行字符 外设：键盘 售价：1 300美元 1.1.4 微型计算机发展 第41页 共200页 4、个人计算机IBM PC 5150 1981年，IBM公司推出了第一台16位个人计算机IBM PC 5150。 微机突破了为计算机爱好者使用的状况，迅速普及到工程技术和商业领域。 IBM PC 5150技术参数 CPU：Intel 8088（16位） 频率：4.77MHz 内存：16KB 软驱：160KB 5.25英寸 显示器：单色11.5英寸 操作系统：MS-DOS 1.0 价格：3 045美元 1.1.4 微型计算机发展 第42页 共200页 【案例】 IBM PC 5150主板（1981年） 1.1.4 微型计算机发展 讨论： （1）丌用语言，怎么用手势表示简单数字运算？ （2）罗马算盘不中国算盘有什么区别？ （3）为什么说巴贝奇是计算机之父？ （4）计算工具的发展引起了哪些思维形式的改变？ （5）为什么说牛郎星微机引起了计算机工业革命？ （6）“PC正在走向衰落”有无根据？ THANKS