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1、计算机发展史计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论前言p计算机的发展已历经了计算机的发展已历经了6060多个春华秋实。多个春华秋实。6060余年在人类余年在人类的历史长河中只是一瞬间,然而这种工具却彻底改变了的历史长河中只是一瞬间,然而这种工具却彻底改变了我们的生活。我们的生活。p回顾计算机发展的历史,并依此上溯它的起源,真令人回顾计算机发展的历史,并依此上溯它的起源,真令人惊叹沧海桑田的巨变;历数计算机发展史上的英雄人物惊叹沧海桑田的巨变;历数计算机发展史上的英雄人物和跌宕起伏的发明故事,给我们留下了长久的思索和启和跌宕起伏的发明故事,给我们留下了
2、长久的思索和启迪。迪。p请随着我们的史话倒转时空,从计算机最初的源头说起。请随着我们的史话倒转时空,从计算机最初的源头说起。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论内容内容早期计算工具早期计算工具机械式计算机机械式计算机机电式计算机机电式计算机电子计算机电子计算机 早期计算工具计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 人人类类最早的最早的“计计算工具算工具”是手指。是手指。远远古古时时代,我代,我们们的祖的祖先用手指来帮助先用手指来帮助计计数;数;英文英文单词单词“Digit”既表示既表示“手指手指”又表示又表
3、示“整数数字整数数字”。一、早期计算工具一、早期计算工具计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 中国古中国古书书中中记载记载的的“上古上古结绳结绳而治而治”;拉丁文中拉丁文中“Calculus”的原意是用于的原意是用于计计算的小石子;算的小石子;绳绳子、石子的用途:延子、石子的用途:延长长手指的手指的计计算能力和存算能力和存储储能力。能力。一、早期计算工具一、早期计算工具计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 “运筹策于帷幄之中,决胜于千里之外。运筹策于帷幄之中,决胜于千里之外。”我国古代我国古代劳动劳动人
4、民人民最先最先创创造和使用了造和使用了“算筹算筹”这这种种计计算工具。算工具。南北朝南北朝时时期,祖冲之用算筹作期,祖冲之用算筹作为计为计算工具将算工具将圆圆周率精确到周率精确到3.1415926和和3.1415927之之间间,这个结果比西方早了近一千年。这个结果比西方早了近一千年。一、早期计算工具一、早期计算工具示例:示例:计计算算 206+15个位向十位产生进位个位向十位产生进位计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论一、早期计算工具一、早期计算工具算算盘盘:一种用位置:一种用位置(行或列行或列)表示数位的表示数位的计计算工具。算算工具。算盘盘珠放
5、在珠放在不同列上表示不同的数不同列上表示不同的数值值,位与位之,位与位之间间没有数据的机械没有数据的机械传传送。送。我国古代我国古代劳动劳动人民人民创创造的造的,计计算工具算工具发发展史上第一次重大改革。展史上第一次重大改革。在英在英语语中,算中,算盘盘有两种拼法:有两种拼法:abacus 和和 Suan-Pan。算算盘盘由算筹演由算筹演变变而来,并且和算筹并存而来,并且和算筹并存竞竞争了一个争了一个时时期,期,终终于在元代后期取代了算筹。于在元代后期取代了算筹。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论手动式计算工具手动式计算工具计算尺计算尺 数学原理
6、:根据数学原理:根据对对数原理,在两个数原理,在两个圆盘圆盘的的边缘标边缘标注注对对数数刻度,然后刻度,然后让让它它们们相相对转动对转动,基于,基于对对数原理用加减法来数原理用加减法来实实现现乘除运算。乘除运算。18世世纪纪末,瓦特在尺座上添置了一个滑末,瓦特在尺座上添置了一个滑标标。1621 年年对数计算尺:英国人发明。对数计算尺:英国人发明。一、早期计算工具一、早期计算工具计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论祖冲之如何用算筹计算圆周率?祖冲之如何用算筹计算圆周率?人类为什么要发明计算工具?人类为什么要发明计算工具?记记数数计计算算应应用、需求用
7、、需求驱动计驱动计算工具的算工具的发发展展一、早期计算工具一、早期计算工具机械式计算机计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 17 17世纪世纪,随着机械装置的发明和发展随着机械装置的发明和发展,有人设想利用杠杆、有人设想利用杠杆、齿轮、盘、轮和轴等各种机械零件组成的装置,通过它们齿轮、盘、轮和轴等各种机械零件组成的装置,通过它们的一定运动能执行算术运算的一定运动能执行算术运算,从而实现了机械式计算装置。从而实现了机械式计算装置。限于当时的制造工具、工艺水平和操作能力限于当时的制造工具、工艺水平和操作能力,最初开发的装最初开发的装置较原始和粗糙置较原
8、始和粗糙,但毕竟前进了一大步但毕竟前进了一大步,开始了初步、低级开始了初步、低级的自动计算的历程。的自动计算的历程。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论帕斯卡帕斯卡(Blaise Pascal 1623-1662)法国数学家和哲学家,19岁时发明了加法器。二、机械式计算机二、机械式计算机帕斯卡加法器帕斯卡加法器帕斯卡加法器帕斯卡加法器背景:钟表技术、齿轮技术。背景:钟表技术、齿轮技术。帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位。连杆实现进位。计
9、算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 帕斯卡的加法器是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个帕斯卡的加法器是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,旋紧发条后才能转动,只能做加法和减法。长方盒子,旋紧发条后才能转动,只能做加法和减法。1649年获皇家专利,谈到年获皇家专利,谈到“主要的发明和重大的进展在于:主要的发明和重大的进展在于:某一位的小轮或轴完成了十个数字的转动,使下一位小轮转某一位的小轮或轴完成了十个数字的转动,使下一位小轮转动一个数字。动一个数字。”启示:可以用机械工具来模拟人的思维活动。启示:可以用机械工具来模拟人的思维活动。二、机械式
10、计算机二、机械式计算机帕斯卡加法器帕斯卡加法器帕斯卡加法器帕斯卡加法器计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论机械式计算工具机械式计算工具莱布尼茨四则运算器莱布尼茨四则运算器 手手动动上上发发条相当于条相当于现现代代计计算机的什么操作?算机的什么操作?输入操作,如果找不到输入信息的机械方法,那么就不是输入操作,如果找不到输入信息的机械方法,那么就不是真正意义上的机械式计算工具。真正意义上的机械式计算工具。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论莱布尼磁莱布尼磁(Gottfried Wilhelm Leibniz
11、,16461716),德国哲学家、数学家。帕斯卡撰写的关于加法计算机的论帕斯卡撰写的关于加法计算机的论文,使被称为文,使被称为“西方文明最伟大的人物西方文明最伟大的人物之一之一”的莱布尼茨(的莱布尼茨(G.LeibnitzG.Leibnitz)醍醐)醍醐灌顶,勾起强烈的发明欲。灌顶,勾起强烈的发明欲。二、机械式计算机二、机械式计算机莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 工作原理同帕斯卡加法器,能进行四则运算。工作原理同帕斯卡加法器,能进行四则运算。除采用一般机械零件外,主要发明
12、了阶梯形轴,第一次除采用一般机械零件外,主要发明了阶梯形轴,第一次实现了带有可变齿数的齿轮,从而保证完成乘除法。实现了带有可变齿数的齿轮,从而保证完成乘除法。乘法运算采用进位乘法运算采用进位-加,后来演化为二进制,被现代计算加,后来演化为二进制,被现代计算机采用。机采用。二、机械式计算机二、机械式计算机莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器莱布尼兹四则运算器计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论机械的含机械的含义义?需要手动上发条,然后可以机械地实现计算需要手动上发条,然后可以机械地实现计算手动机械。手动机械。手手动动上上发发条相当于
13、条相当于现现代代计计算机的什么操作?算机的什么操作?输入操作,如果找不到输入信息的机械方法,那么就不是输入操作,如果找不到输入信息的机械方法,那么就不是真正意义上的机械式计算工具。真正意义上的机械式计算工具。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论查尔斯巴贝奇查尔斯巴贝奇(Charles Babbage,17911871),英国数学家。英国数学家。二、机械式计算机二、机械式计算机巴贝奇差分机巴贝奇差分机巴贝奇差分机巴贝奇差分机1822年发明差分机。年发明差分机。背景:英国工业革命,航海和天文计算。背景:英国工业革命,航海和天文计算。差分机原理:任何连续
14、函数都可以用多差分机原理:任何连续函数都可以用多项式严格地逼近,例如:项式严格地逼近,例如:采用寄存器(齿轮式装置)来存储数采用寄存器(齿轮式装置)来存储数据使计算工具从手动机械跃入自动机械。据使计算工具从手动机械跃入自动机械。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论难难点和关点和关键键是什么?是什么?不仅输入信息需要机械化,而且操作信息也要机械化。不仅输入信息需要机械化,而且操作信息也要机械化。计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论二、机械式计算机二、机械式计算机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分
15、析机1832年设计分析机。年设计分析机。背景:瓦特发明了蒸气机。背景:瓦特发明了蒸气机。以齿轮为元件、以蒸汽为动力。虽然以齿轮为元件、以蒸汽为动力。虽然没有实现,但意义重大,采用了具有现没有实现,但意义重大,采用了具有现代意义的装置:代意义的装置:(1)存储装置)存储装置(2)运算装置)运算装置(3)控制装置)控制装置(4)输入和输出装置)输入和输出装置计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 巴贝奇被认为是巴贝奇被认为是“计算机时代的鼻祖计算机时代的鼻祖”,“计算计算之父之父”,他研制的差分引擎原型机和设计的分析引,他研制的差分引擎原型机和设计的分析
16、引擎擎(Analytical Engine)(Analytical Engine),按今天的标准,他采用按今天的标准,他采用的技术是够原始的,但他的思想远远超前于他的时的技术是够原始的,但他的思想远远超前于他的时代。现代计算技术留有他的思想的烙印。代。现代计算技术留有他的思想的烙印。他的兴趣广泛、富于想象,勇于探索、不断创新,他的兴趣广泛、富于想象,勇于探索、不断创新,以对科学执着的精神,为计算科学和技术的发展做以对科学执着的精神,为计算科学和技术的发展做出了杰出的贡献。出了杰出的贡献。二、机械式计算机二、机械式计算机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分析机计算机软件技术基础计算机软件
17、技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论巴贝奇的分析引擎仅是他巴贝奇的分析引擎仅是他的思想,因没有得到财政支的思想,因没有得到财政支持持,他始终没有建成。他始终没有建成。1906年他的大儿子享利年他的大儿子享利P巴巴贝奇得到贝奇得到R.W.门罗的帮助,门罗的帮助,按其设计建造了加工器,证按其设计建造了加工器,证明运转正常。明运转正常。二、机械式计算机二、机械式计算机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分析机巴贝奇分析机机电式计算机计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论背背 景景机械式计算器的发展已有近三百年的历史,机器结构日益完善,机械式计算
18、器的发展已有近三百年的历史,机器结构日益完善,功能与性能不断取得进展。功能与性能不断取得进展。精密机械制造技术与工艺水平不断提高。精密机械制造技术与工艺水平不断提高。机械式计算器速度慢。机械式计算器速度慢。机械式计算器在计算时要手工操作机械式计算器在计算时要手工操作(如手摇计算器如手摇计算器),操作员费,操作员费力,劳动强度大。力,劳动强度大。十九世纪电能的使用已逐步推广。十九世纪电能的使用已逐步推广。计算需求日益增长。计算需求日益增长。从而产生机电式计算器:利用电脉冲输入数据和控制;利用电从而产生机电式计算器:利用电脉冲输入数据和控制;利用电力传动。力传动。计算机软件技术基础计算机软件技术基
19、础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论三、机电式计算机三、机电式计算机制表机制表机制表机制表机制表机:美国人发明。制表机:美国人发明。背景:机电技术、美国人口普查,参与背景:机电技术、美国人口普查,参与了美国了美国1890年的人口普查工作。年的人口普查工作。第一台可以自动进行加减乘除运算、累第一台可以自动进行加减乘除运算、累计存档、制作报表的机电式计算工具。计存档、制作报表的机电式计算工具。输入、输出、存储均用穿孔卡片。输入、输出、存储均用穿孔卡片。人类历史上第一次利用计算工具进行大人类历史上第一次利用计算工具进行大规模数据的规模数据的自动处理自动处理。1886 年年计算机软件技术基
20、础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论Z-1计算机:德国人发明。计算机:德国人发明。先后研制出先后研制出Z-2、Z-3、Z-4。第一台采用二进制和继电器的通用程第一台采用二进制和继电器的通用程序计算机。二进制、浮点记数法、带存序计算机。二进制、浮点记数法、带存储地址的指令等思想已经有人提出,但储地址的指令等思想已经有人提出,但朱斯第一次将这些思想具体实现。朱斯第一次将这些思想具体实现。1938 年年三、机电式计算机三、机电式计算机z z系列系列系列系列计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论1941年,朱斯向德国政府申请年,
21、朱斯向德国政府申请基金用来建造计算机,用于破译敌基金用来建造计算机,用于破译敌人的密码,德国政府没有批准。人的密码,德国政府没有批准。与此同时,英国政府秘密组建一与此同时,英国政府秘密组建一个由科学家和工程师组成的绝密小个由科学家和工程师组成的绝密小组,组,1943年,图灵等人研制成功年,图灵等人研制成功Colossus(巨人计算机),使得(巨人计算机),使得英国军方能够窃取并破译德国的军英国军方能够窃取并破译德国的军事情报。事情报。1943 年年三、机电式计算机三、机电式计算机巨人计算机巨人计算机巨人计算机巨人计算机计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算
22、机导论三、机电式计算机三、机电式计算机MARK-IMARK-I:美国人:美国人发发明,明,1944年研制成功。年研制成功。哈佛大学数学教授霍哈佛大学数学教授霍华华德德艾肯在艾肯在读过读过巴巴贝贝奇和奇和爱爱达达的笔的笔记记后,被巴后,被巴贝贝奇的奇的远见远见卓卓识识所震惊,提出用机所震惊,提出用机电电的方法,而不是的方法,而不是纯纯机械的方法来机械的方法来实现实现分析机。分析机。1936 年年电子计算机计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 电子管诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。电子管诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。真空三
23、极管不仅具有放大功能,还可充当开关器件,其速度真空三极管不仅具有放大功能,还可充当开关器件,其速度要比继电器快成千上万倍。计算机的历史也由此跨进电子的要比继电器快成千上万倍。计算机的历史也由此跨进电子的纪元。纪元。时值战火纷飞的二次世界大战关键时期,战争对大量军用时值战火纷飞的二次世界大战关键时期,战争对大量军用数据计算的计算需求像一只有力的巨手,给计算机的诞生铺数据计算的计算需求像一只有力的巨手,给计算机的诞生铺平了道路。平了道路。背背 景景计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论四、电子计算机四、电子计算机ABCABCABC计计算机:美国人算机:美
24、国人约约翰翰.阿塔阿塔纳纳索夫索夫发发明。明。第一次提出采用第一次提出采用电电子技子技术术来提高来提高计计算机的运算速度。算机的运算速度。1939 年年计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论莫莫克克利利埃埃克克特特1943 年年 ENIAC:美国人:美国人发发明。明。背景:背景:军军械部械部为计为计算算弹弹道和射道和射击击表表启启动动的的计计划,划,宾宾夕法尼夕法尼亚亚大学。大学。四、电子计算机四、电子计算机ENIACENIAC计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 1946年年2月在宾夕法尼亚月在宾夕法尼
25、亚大学研制成功的大学研制成功的ENIACENIAC。:1800018000个电子管构成个电子管构成:重达重达3030吨吨:占地占地170170平方米平方米:启动工耗启动工耗160160千瓦千瓦:保存保存8080个字节个字节:每秒每秒5 5千次加、减法运算千次加、减法运算:价值价值4040万美元万美元Electronic Numerical Integrator And Calculator四、电子计算机四、电子计算机ENIACENIAC计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论四、电子计算机四、电子计算机ENIACENIAC计算机软件技术基础计算机软件技
26、术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论 ENIACENIAC机器表面布满电表、电线和指示灯机器表面布满电表、电线和指示灯,电子管平均每电子管平均每隔隔7 7分钟就要被烧坏一只,必须不停更换。分钟就要被烧坏一只,必须不停更换。ENIACENIAC的的运算速度超出运算速度超出 Mark Mark 至少至少10001000倍。一条炮弹的轨倍。一条炮弹的轨迹,迹,2020秒钟就能被它算完,比炮弹本身的飞行速度还要快。秒钟就能被它算完,比炮弹本身的飞行速度还要快。ENIAC ENIAC 标志着电子计算机的创世,人类社会从此大步迈标志着电子计算机的创世,人类社会从此大步迈进了进了计算机计算机
27、时代的门槛,使得人类社会发生了巨大的变化。时代的门槛,使得人类社会发生了巨大的变化。ENIACENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术。机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术。ENIACENIAC机本身存在两大缺点:机本身存在两大缺点:(1 1)没有)没有存储器存储器;(2 2)它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速)它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速度也就被这一工作抵消了。度也就被这一工作抵消了。四、电子计算机四、电子计算机ENIACENIAC计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论约翰约翰冯冯诺依曼,美籍匈牙利数学家诺依
28、曼,美籍匈牙利数学家(John Von Neuman,19031957)计算机体系结构:计算机体系结构:1.计算机由五大部件构成;计算机由五大部件构成;2.采用二进制;采用二进制;3.提出提出“程序存储控制程序存储控制”理论。理论。1946年年1952年,研制第一台年,研制第一台设计的存储程序式电子计算机:设计的存储程序式电子计算机:EDVAC。四、电子计算机四、电子计算机EDVACEDVAC计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论电子管计算机电电子子管管25瓦瓦灯灯泡泡:第一代:电子管计算机第一代:电子管计算机(1945-1956)(1945-195
29、6)1、主要特点:以电子管为主要逻辑元件2、主要用途:进行复杂的科学运算四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论:第二代:晶体管计算机第二代:晶体管计算机(1956-1963(1956-1963)1954年,美国年,美国贝尔实验室室研制成功第一台使用晶体管研制成功第一台使用晶体管线路的路的计算机,取名算机,取名“催迪克催迪克”(TRADIC),),装有装有800个个晶体管晶体管。四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论晶体管
30、计算机的特点尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等。提高了计算机的计算能力,使数据的绝对值可达2的几十次方或几百次方伴随出现了打印机,磁带,磁盘,内存以及操作系统等。而且开发了一些高级语言,软件产业也由此产生。四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史:第二代:晶体管计算机第二代:晶体管计算机(1956-1963(1956-1963)计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论:第三代:集成电路数字计算机第三代:集成电路数字计算机(1964-1971)(1964-1971)1964年,美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列
31、IBM360系统 集成电路板体积变小,功耗更低体积变小,功耗更低价格降低价格降低运算速度提高运算速度提高应用领域进一步扩大应用领域进一步扩大四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论:第四代:大规模、超大规模集成电路计算机第四代:大规模、超大规模集成电路计算机 (1971-1971-现在现在)体积越来越小四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史开始运用鼠标进行可视化操作计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论功能越来越强大价格越来越低计算能力越来越强大:第四代:大规
32、模、超大规模集成电路计算机第四代:大规模、超大规模集成电路计算机 (1971-1971-现在现在)四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础大学计算机导论大学计算机导论从电子技术的角度划分从电子技术的角度划分 由于计算机仍然在使用电路板,仍然在使用微处理由于计算机仍然在使用电路板,仍然在使用微处理器,仍然没有突破冯器,仍然没有突破冯诺依曼体系结构,所以,我们还诺依曼体系结构,所以,我们还不能为这一代计算机画上休止符。不能为这一代计算机画上休止符。1946年年 1959年年 1965年年 1971年年第一代计算机第一代计算机第二代计算机第二代计算机第三代计算机第三代计算机第四代计算机第四代计算机四、电子计算机的发展史四、电子计算机的发展史