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1、计算机的发展及应用计算机的发展及应用1本讲稿第一页，共三十七页第二章第二章 教学目的：教学目的：建建立立起起单单机机系系统统的的整整体体概概念念，并并初初步步了了解解有有关关计计算机硬件系统的基本常识和基本概念。算机硬件系统的基本常识和基本概念。2本讲稿第二页，共三十七页内容提要内容提要2.3 计算机的展望计算机的展望 2.2 计算机的应用计算机的应用 2.1 计算机的发展史计算机的发展史 3本讲稿第三页，共三十七页2.1 计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 50
2、0多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)4本讲稿第四页，共三十七页第一台数字电子计算机ENIAC Herman H.Goldstine 二战期间美国设在马里兰州阿伯丁试验基地的弹道研究室二战期间美国设在马里兰州阿伯丁试验基地的弹道研究室每天要为陆军提供每天要为陆军提供6张火力表。弹道的计算比较复杂，不同的大炮张火力表。弹道的计算比较复杂，不同的大炮有不同的弹道轨迹，同时还受到地形、风向、射击角度和炮弹的类有不同的
3、弹道轨迹，同时还受到地形、风向、射击角度和炮弹的类型等许多因素的制约，一张表要计算几百条弹道轨迹。型等许多因素的制约，一张表要计算几百条弹道轨迹。一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行时一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行时间间60秒的弹道就得需要秒的弹道就得需要20多小时。多小时。当时，负责阿伯丁弹道研究室弹道计算任务的是拥有数学博士当时，负责阿伯丁弹道研究室弹道计算任务的是拥有数学博士学位的学位的陆军中尉赫尔曼陆军中尉赫尔曼戈德斯坦戈德斯坦。一个偶然的机会，戈德斯坦。一个偶然的机会，戈德斯坦得知宾夕法尼亚大学莫尔电工学院有人正在进行电子计算装置的研得知宾夕法尼亚大学莫尔电工学院有
4、人正在进行电子计算装置的研制，便当即决定给予支持。制，便当即决定给予支持。5本讲稿第五页，共三十七页第一台数字电子计算机ENIAC John W.Mauchly 1942年年8月，莫克莱与戈德斯坦共同起草了一份题为月，莫克莱与戈德斯坦共同起草了一份题为高速电子管计算装置的使用高速电子管计算装置的使用(The Use of High-Speed Vacuum Tube Device for Calculating)的报告，提出了电子计算机的设计方案，它是的报告，提出了电子计算机的设计方案，它是一台一台“电子数值积分计算机（电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integr
5、ator And Calculator）”，简称，简称ENIAC。Herman H.Goldstine6本讲稿第六页，共三十七页ENIAC 埃克特Accumulator Decade Plug-in Unit,from ENIAC Progress Report,30 June,1944John Presper Eckert7本讲稿第七页，共三十七页第一台数字电子计算机ENIAC 埃克特于埃克特于1944年年1月写出了磁带计算机的报告，提出将数据和指令月写出了磁带计算机的报告，提出将数据和指令存放到同一类型的存储器或磁带上的想法存放到同一类型的存储器或磁带上的想法最早出现的存储程序思最早出现的
6、存储程序思想；想；1944年年3月，他又提出了使用水银延迟线制作存储装置的设想。月，他又提出了使用水银延迟线制作存储装置的设想。8本讲稿第八页，共三十七页President Truman in front of ENIAC第一台数字电子计算机ENIAC 9本讲稿第九页，共三十七页 ENIAC主频主频100 kHz，加法时间，加法时间0.2ms，乘法时间，乘法时间2.8ms。ENIAC重达重达30吨，占地吨，占地170平方米，平方米，共用了共用了18600个电子管，运算速度达到每秒个电子管，运算速度达到每秒5000次，比当时的计算机快次，比当时的计算机快1000倍，是手工计算的倍，是手工计算的2
7、00,000倍。但也存在着严重的不足：倍。但也存在着严重的不足：使用十进制，一方面造成数据存储十分困难，因为很难找到具有十种不同稳定状态的电气使用十进制，一方面造成数据存储十分困难，因为很难找到具有十种不同稳定状态的电气元件；另一方面十进制运算电路比较复杂，影响了计算速度。元件；另一方面十进制运算电路比较复杂，影响了计算速度。无程序存储功能，无程序存储功能，ENIAC为外插接型计算机，所有计算的控制需要通过手工与为外插接型计算机，所有计算的控制需要通过手工与其板面开关和插接导线来完成。其板面开关和插接导线来完成。存储容量小，只有存储容量小，只有20个字节的寄存器存储数字。个字节的寄存器存储数字
8、。故障率高，维护量大。故障率高，维护量大。ENIAC由近由近2万只电子管组成，电子管工作时散发的热量很大，影响万只电子管组成，电子管工作时散发的热量很大，影响了电子管的使用寿命。了电子管的使用寿命。功耗大，功耗大，ENIAC工作时耗电量为每小时工作时耗电量为每小时150千瓦。千瓦。第一台数字电子计算机ENIAC 10本讲稿第十页，共三十七页ENIAC研制小组主要成员，左一为埃克特，右四为莫克莱，左四为戈德斯坦。第一台数字电子计算机ENIAC 11本讲稿第十一页，共三十七页纪录片制片人（左）和纪录片制片人（左）和4名名“奶奶级奶奶级”电脑高电脑高手在一起，她们分别是贝蒂（左二）、马琳（左手在一起
9、，她们分别是贝蒂（左二）、马琳（左三）、凯瑟琳（右一），前排坐着的贝蒂三）、凯瑟琳（右一），前排坐着的贝蒂辛德辛德霍伯顿目前也已去世。霍伯顿目前也已去世。隐形电脑：隐形电脑：ENIAC程序师的故事程序师的故事 12本讲稿第十二页，共三十七页ENIAC的启示 科学研究和技术发明最有可能成功的领域是那些符合时代潮流的技术领域，即符合当时社会的需要；科学研究和技术发明最有可能成功的领域是那些符合时代潮流的技术领域，即符合当时社会的需要；科学研究和技术发明依赖于当时社会工业条件和科学技术准备。科学研究和技术发明依赖于当时社会工业条件和科学技术准备。ENIAC当时的有利条件包括：在当时的有利条件包括：在
10、机械式和机电式计算机的制造中积累了丰富的经验；而电子技术的发展，是重要的技术前提；理论方面机械式和机电式计算机的制造中积累了丰富的经验；而电子技术的发展，是重要的技术前提；理论方面包括巴贝奇提出的通用计算机的结构，图灵机的提出及布尔代数的创立等；包括巴贝奇提出的通用计算机的结构，图灵机的提出及布尔代数的创立等；获得经济上的支持，是获得经济上的支持，是ENIAC成功的重要条件；成功的重要条件；ENIAC的成功，从某种意义上说，是科学管理的一个胜利。科学管理可以使技术设想的成功，从某种意义上说，是科学管理的一个胜利。科学管理可以使技术设想与社会需要吻合；使技术在实际中应用的情况迅速反映到技术改进中
11、，以促使技术不断与社会需要吻合；使技术在实际中应用的情况迅速反映到技术改进中，以促使技术不断克服弱点、不断创新；科学管理，符合当代技术发明和科学研究综合化的趋势。现代的克服弱点、不断创新；科学管理，符合当代技术发明和科学研究综合化的趋势。现代的发明和创造依靠许多人的合作，而协作精神和科学管理起着关键作用。发明和创造依靠许多人的合作，而协作精神和科学管理起着关键作用。13本讲稿第十三页，共三十七页冯诺依曼的EDVAC方案 1944年年1月月29日，埃克特经过严密思考，写了一个有关磁盘计算机日，埃克特经过严密思考，写了一个有关磁盘计算机的报告，首次提出了将程序和数据都放在磁盘上的设想；的报告，首次
12、提出了将程序和数据都放在磁盘上的设想；1945年年6月，月，冯冯诺依曼提出了一个全新的存储程序通用计算机方案诺依曼提出了一个全新的存储程序通用计算机方案“EDVAC”(Electronic Discrete Variable Automatic Computer意为意为“离散变量自动电离散变量自动电子计算机子计算机”)；精通精通7 7门语言；门语言；鉴于冯鉴于冯 诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为诺依曼在发明电子计算机中所起到关键性作用，他被西方人誉为“计算机之父计算机之父”；在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父博弈论之
13、父”；在物理领域，冯在物理领域，冯诺依曼在诺依曼在3030年代撰写的年代撰写的量子力学的数学基础量子力学的数学基础已经被证明对原子物理学的已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。发展有极其重要的价值。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。在化学方面也有相当的造诣，曾获苏黎世高等技术学院化学系大学学位。14本讲稿第十四页，共三十七页冯诺依曼的EDVAC方案 1945年年6月月30日，冯日，冯诺依曼起草了诺依曼起草了First Draft of a Report on the EDVAC：明确规定新型计算机有明确规定新型计算机有5个组成部分个组成部分：(1)计算器计
14、算器CA；(2)逻辑控制装置逻辑控制装置CC；(3)存储器存储器M；(4)输入输入I；(5)输出输出O 同同ENIAC相比，相比，EDVAC方案有两个重大改进：方案有两个重大改进：(1)为充分发挥电子元件的高速度而采用了二进制；为充分发挥电子元件的高速度而采用了二进制；(2)提出了提出了“存储程序存储程序”，可以自动地从一个程序指令进到下一个程序指令，可以自动地从一个程序指令进到下一个程序指令，其作业顺序可以通过一种称为其作业顺序可以通过一种称为“条件转移条件转移”的指令而自动完成。的指令而自动完成。长达长达101页的页的EDVAC方案是计算机发展史上的一个划时代的文献。在这个方案中，方案是计
15、算机发展史上的一个划时代的文献。在这个方案中，首次提出了存储程序的概念，解决了第一台电子计算机首次提出了存储程序的概念，解决了第一台电子计算机 ENIAC的重大缺陷。也正是的重大缺陷。也正是在这一方案中，提出了现代计算机发展的基本体系结构，从而奠定了现代计算在这一方案中，提出了现代计算机发展的基本体系结构，从而奠定了现代计算机的发展基础。机的发展基础。15本讲稿第十五页，共三十七页冯诺依曼的EDVAC方案 1952年，冯诺伊曼等人完成了EDVAC机的建造工作。EDVAC只用了3600只电子管，占地面积不足ENIAC的1/3，几乎具备了现代电子计算机的一切特征。Photograph of EDV
16、AC,ca.1948.Plan of EDVAC16本讲稿第十六页，共三十七页数字电子计算机数字电子计算机数字电子计算机数字电子计算机第一代：约第一代：约1946-1957 1946-1957 电子真空管电子真空管第二代：约第二代：约1957-1964 1957-1964 晶体管晶体管第三代：约第三代：约1965-1971 1965-1971 中小规模集成电路中小规模集成电路第四代：约第四代：约1972-19771972-1977 大规模集成电路大规模集成电路威廉威廉肖克利，晶体管之父肖克利，晶体管之父19561956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖杰克杰克基尔比，集成电路之父基尔比，集成电路
17、之父20002000年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖发明人：罗伯特发明人：罗伯特诺伊斯、杰克诺伊斯、杰克基尔比基尔比17本讲稿第十七页，共三十七页硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四
18、二二一一2.118本讲稿第十八页，共三十七页二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展1968 年，罗伯特年，罗伯特诺伊斯（诺伊斯（Robert Noyce）、戈登）、戈登摩尔（摩尔（Gordon Moore）和安迪）和安迪格鲁夫（格鲁夫（Andy Grove）在硅谷共同创立了英特尔公司。）在硅谷共同创立了英特尔公司。Only the Paranoid Survive!-Andy Grove了解了解19本讲稿第十九页，共三十七页摩尔定律摩尔定律lMoores Law：The number of transistors per integrated circuit would doub
19、le every 18 month.l这个论断是在第一块平面集成电路产生这个论断是在第一块平面集成电路产生4 4年以年以后的后的19651965年做出的。年做出的。l当时认为这个发展趋势将持续到当时认为这个发展趋势将持续到19751975年。年。IntelIntel公司创建人公司创建人之一戈登之一戈登摩尔摩尔l事实上，这个发展规律在目前仍是正确的。事实上，这个发展规律在目前仍是正确的。20本讲稿第二十页，共三十七页IntelIntel微处理器发展概述微处理器发展概述 1.1.第第1 1代微处理器代微处理器 lIntel4004/4040Intel4004/40404 4位微处理器位微处理器(1
20、971)(1971)lIntel8008 Intel8008 低档低档8 8位微处理器位微处理器(1972)(1972)2.2.第第2 2代微处理器代微处理器 lIntel8080/8085Intel8080/8085 8 8位微处理器位微处理器(1974)(1974)l指令比较完善，有了中断与指令比较完善，有了中断与DMADMAl汇编、汇编、BASICBASIC、FORTRANFORTRANIntel 4004Intel 8085了解了解21本讲稿第二十一页，共三十七页3.3.第第3 3代微处理器代微处理器 lIntel8086Intel80861616位微处理器位微处理器(1978)(19
21、78)数据总线数据总线数据总线数据总线16161616位、地址总线位、地址总线位、地址总线位、地址总线20202020位位位位lIntel8088 Intel8088 准准1616位微处理器位微处理器(1979)(1979)外部数据总线外部数据总线外部数据总线外部数据总线8 8 8 8位，内部数据总线位，内部数据总线位，内部数据总线位，内部数据总线16161616位位位位IBM PCIBM PCIBM PCIBM PC(1981)(1981)(1981)(1981)、IBM PC/XTIBM PC/XTIBM PC/XTIBM PC/XTlIntel80286Intel80286 高档高档16
22、16位微处理器位微处理器(1982)(1982)数据总线数据总线数据总线数据总线16161616位，地址总线位，地址总线位，地址总线位，地址总线24242424位位位位IBM PC/ATIBM PC/ATIBM PC/ATIBM PC/AT 实地址模式、虚地址保护模式实地址模式、虚地址保护模式实地址模式、虚地址保护模式实地址模式、虚地址保护模式 虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址虚地址模式可寻址16MB16MB16MB16MB物理地址和物理地址和物理地址和物理地址和1GB1GB1GB1GB的虚拟的虚拟的虚拟的虚拟地址地址地址地址IntelIntel微处理器发展概述微处理器发展概述
23、 了解了解22本讲稿第二十二页，共三十七页IntelIntel微处理器发展概述微处理器发展概述了解了解23本讲稿第二十三页，共三十七页Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）
24、位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2.12007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个个晶体管晶体管 预计预计2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管24本讲稿第二十四页，共三十七页世界上最快的计算机世界上最快的计算机l美国洛斯阿拉莫斯国家实验的美国洛斯阿拉莫斯国家实验的IBM Roadr
25、unnerIBM Roadrunner计算机计算机 每秒每秒1.1051.105千万亿次千万亿次 25本讲稿第二十五页，共三十七页2.1最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 http:/www.top500.org26本讲稿第二十六页，共三十七页三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器 汇编语言汇编语言 面向机器面向机器 高级语言高级语言 面向问题面向问题 FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算 PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计 C 面向对象面向对象 Java 适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各
26、种语言2.127本讲稿第二十七页，共三十七页l世界上第一位程序员是谁？世界上第一位程序员是谁？l普罗米修斯唐璜的作者？普罗米修斯唐璜的作者？28本讲稿第二十八页，共三十七页爱达洛夫雷斯 在爱达在爱达27岁时岁时(1843年年)，她成为巴贝奇科学研究，她成为巴贝奇科学研究上的合作伙伴。爱达非常准确地评价道：上的合作伙伴。爱达非常准确地评价道：“分析机分析机编织编织的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样全一样”。于是，为分析机编制一批函数计算程序。于是，为分析机编制一批函数计算程序的重担，落到了她的肩头。爱达开天辟地第一次为的重担，落到了她的肩头。爱达开天辟
27、地第一次为计算机编出了程序，其中包括计算三角函数的程序、计算机编出了程序，其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。爱达编制的级数相乘程序、伯努利函数程序等等。爱达编制的这些程序，即使到了今天，电脑软件界的后辈仍然这些程序，即使到了今天，电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。人们公认她是世界上第一不敢轻易改动一条指令。人们公认她是世界上第一位软件工程师。位软件工程师。爱达洛夫雷斯英国诗人拜伦之女 29本讲稿第二十九页，共三十七页爱达的主要贡献1、指出分析机可以编程，发现编程、指出分析机可以编程，发现编程的基本要素，如循环、子程序，被的基本要素，如循环、子程序，被誉为世界
28、上第一位程序员。誉为世界上第一位程序员。2、建议分析机用二进制存储。、建议分析机用二进制存储。3、预言分析机能唱歌、绘画。、预言分析机能唱歌、绘画。身披素雅的斗蓬身披素雅的斗蓬鬓角上斜插一朵白色的康乃馨鬓角上斜插一朵白色的康乃馨显得那么典雅端庄显得那么典雅端庄 30本讲稿第三十页，共三十七页2.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.13
29、1本讲稿第三十一页，共三十七页3.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.132本讲稿第三十二页，共三十七页2.2 计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造33本讲稿第三十三页，共三十七页四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系
30、统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.234本讲稿第三十四页，共三十七页2.3 计算机的展望计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能智能功能要求计算机的速度达要求计算机的速度达1015/秒秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制l 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约l 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本l 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟35本讲稿第三十五页，共三十七页三、？替代传统的硅芯片三、？替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.336本讲稿第三十六页，共三十七页本章掌握要点本章掌握要点1）计算机的发展历史l作业：作业：P38 2.7 P38 2.737本讲稿第三十七页，共三十七页