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1、天津科技大学 主讲：于秀丽计算机发展简史o17世纪之前，中国人的智慧之光o16世纪-17世纪初期，西方人的灵感o17世纪中期-19世纪中期 先驱的探索n机械式计算机o19世纪后期 机械到电的飞跃n机电式计算机o20世纪 电子文明的曙光n电子计算机117世纪之前中国人的智慧之光2天津科技大学 主讲：于秀丽最古老的计算工具o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。o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。o祖冲之用15年时间计算圆周率，精确到小数点后7位3天津科技大学 主讲：于秀丽最古老的计算器
2、o算盘被誉作中国“第五大发明”，o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。o“价格低廉，绝无故障，节约能源，十年中无需任何保养”416世纪-17世纪初期西方人的灵感5天津科技大学 主讲：于秀丽1621年冈特计算尺o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。o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。6天津科技大学 主讲：于秀丽达芬奇机械式计算机o1500年达芬奇手稿关于机械式计算工具的描述o后人根据达芬奇手稿仿制的机械式计算
3、机 717世纪中期-19世纪中期 先驱的探索机械式计算机8天津科技大学 主讲：于秀丽1642年PASCAL(1623)加法机o法国数学家、物理学家和思想家o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。o采用齿轮传动设备完成运算，穿孔卡存储数据。opascal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o1971年瑞典人沃斯发明PASCAL高级语言向其表示敬意9天津科技大学 主讲：于秀丽1673年G.Leibnitz乘法机器o1673年，德国数学家莱布尼兹发明乘法机，o步进轮可利用多次加法完成乘法o可以运行完整的四则运算的计算机。
4、o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。10天津科技大学 主讲：于秀丽编程序？编程序？1805 Jacquard（杰卡德）11天津科技大学 主讲：于秀丽程序控制思想的萌芽o如何将人的思想传送给机器，让机器按人的意志自动执行。o1725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o1805 J.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o编程序编织花布12天津科技大学 主讲：于秀丽1805 Jacquard 13天津科技大学 主讲：于秀丽14天津科技大学 主讲：于秀
5、丽1821年Babbage差分机o1821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。o“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。o20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。15天津科技大学 主讲：于秀丽Difference Engine（差分机）o三个具有现代意义的装置n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，n机器的乘法以累次加法来实现；n控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置
6、；o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。16天津科技大学 主讲：于秀丽 The first programmer Ada Augusta oAda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。o讨论预言了通用计算机的作用，控制卡、数据卡、操作卡 o提出了存储位置或地址的想法 o“循环”(looping)的概念o三角函数和级数相乘程序、贝努利函数程序17天津科技大学 主讲：于秀丽Analytical Engineo分析机早期的机械通用计算机18天津科技大学 主讲：于秀丽Analytical Engine19天津科技大学 主讲：于秀丽Analytical
7、Engine20天津科技大学 主讲：于秀丽1940 Mechanical analog machines designed by Lord Kelvin 21机电式计算机19世纪后期 机械到电的飞跃22天津科技大学 主讲：于秀丽赫尔曼霍勒斯制表机o赫尔曼霍勒斯博士发明穿孔卡片，是电脑软件的雏形o1888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。23天津科技大学 主讲：于秀丽Punched tape/cardo穿孔卡片的出现加速了二十世纪工业和商业的发展24天津科技大学 主讲：于秀丽Punched card容量：2000张卡，相当于现在的 20KB重量：
8、6.6 Kg.25天津科技大学 主讲：于秀丽Punched card Process26天津科技大学 主讲：于秀丽o1890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。o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o1924年IBM成立赫尔曼霍勒斯制表机27天津科技大学 主讲：于秀丽1904年弗莱明发明真空电子二极管o1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。o电子管的诞生，是人类电子文明的起点。28天津科技大学 主讲：于秀丽1906年弗雷斯特发明真空电子三极管o1906年，美国
9、人德弗雷斯特发明电子三极管。o在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增。o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。29天津科技大学 主讲：于秀丽现代真空电子管30天津科技大学 主讲：于秀丽1938年朱斯的Z系列计算机o1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机o第一台采用二进制和真空电子管的计算机。o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。31天津科技大学 主讲：于秀丽1943年英国“巨人”计算机Colossuso1943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
10、军Enigma密码。o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。o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32天津科技大学 主讲：于秀丽艾肯的MARKIo1944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。o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。oMARK-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。33电子计算机的诞生34天津科技大学 主讲：于秀丽世界上第一台电子数字计算机oE
11、NIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，美国宾夕法尼亚大学1946年研制成功o18000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o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。o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。35天津科技大学 主讲：于秀丽ENIAC36天津科技大学 主讲：于秀丽ENIAC37天津科技
12、大学 主讲：于秀丽Vacuum tube in ENIAC38天津科技大学 主讲：于秀丽Input Pannel(42)39天津科技大学 主讲：于秀丽Cable40天津科技大学 主讲：于秀丽Programing41天津科技大学 主讲：于秀丽Debug(线路检查)42天津科技大学 主讲：于秀丽ENIAC&Von Neumann43天津科技大学 主讲：于秀丽ENIAC的问题o十进制计算机n每一位数由一圈共10个真空管表示o通过开关和插拔电缆进行手动编程 n输入程序和数据可能需要半天时间o能否将程序和数据存在存储器中？存储程序？oEVDVAC (Electronic Discrete Variabl
13、e Automatic Computer)44天津科技大学 主讲：于秀丽现代电子计算机之父o19441945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：o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。45天津科技大学 主讲：于秀丽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 19781978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路
14、集成电路 1972197219771977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 1965196519711971 200 000 晶体管晶体管 1958195819641964 40 000 电子管电子管 1946194619571957 速度速度/（次（次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一46天津科技大学 主讲：于秀丽第一代计算机o1946开始的电子管计算机时代o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。o存储器：水银延迟线 o辅助存储器：磁鼓、纸带、卡片 o使用机器语言/汇编语言，应用领域集中在科学计算o
15、第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础47天津科技大学 主讲：于秀丽存储器的出现o1951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。48天津科技大学 主讲：于秀丽高级语言的出现o1956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。49天津科技大学 主讲：于秀丽第二代计算机o1958开始的晶体管计算机时代 o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。o主存储器：磁芯 o辅助存储器：磁盘、磁带 o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-
16、60、COBOL 50天津科技大学 主讲：于秀丽第三代计算机o1965开始的集成电路计算机时代o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。o主存储器：半导体o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。o软件技术与计算机外围设备发展迅速。51天津科技大学 主讲：于秀丽第四代计算机o1972年开始,大规模/超大规模集成电路计算机时代o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。o在此期间，“微型计算机”开始出现。o多机处理/网络
17、化成为第四代计算机的一个重要特征52天津科技大学 主讲：于秀丽二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2.153天津科技大学 主讲：于秀丽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
18、 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）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
19、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54天津科技大学 主讲：于秀丽计算机发展的6个规律oMoore定律：n微处理器内晶体管数每十八个月翻一番；oBell定律：n如保持计算能力不变，微处理器价格，每十八个月减少一半；oGilder定律：n未来25年（1996年预言），主干网带宽每6个月增加一倍；oMetcalfe定律 n网络价值同网络用户数的平方成正比。o半导体存储器发展规律：nDRAM密度每年增加60%，每三年翻四倍o硬盘存储技术发展规律：n硬盘的密度每年增加约一倍55天津科技大学 主讲：于秀丽新摩尔定理 由于国际互联网及电子商务的超高速
20、的由于国际互联网及电子商务的超高速的发展发展，从现在起，每从现在起，每1818个月个月,新增的存储量新增的存储量等于有史以来存储量之和等于有史以来存储量之和!19981998年图灵奖获得者年图灵奖获得者年图灵奖获得者年图灵奖获得者Jim GrayJim Gray56天津科技大学 主讲：于秀丽计算机分类计算机电子模拟计算机电子数字计算机通用计算机专用计算机巨型机大型机中型机小型机微型机单片机57天津科技大学 主讲：于秀丽2.2 计算机的应用计算机的应用一、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
21、络教育3.敏捷制造敏捷制造58天津科技大学 主讲：于秀丽四、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2.259天津科技大学 主讲：于秀丽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 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 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟60天津科技大学 主讲：于秀丽三、？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2.361