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1、第二章计算机发展及应用第1页，共33页，编辑于2022年，星期二内容提要内容提要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第2页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1 计算机的发展史计算机的发展史2.1.1 计算机的产生和发展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 500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第3页，共33页，编辑于
2、2022年，星期二世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)2.1第4页，共33页，编辑于2022年，星期二5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室每天要为陆军提供6张火力表。弹道的计算比较复杂，不张火力表。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型等许多因素的制约，一张表要计算几百条角度和炮弹的类型等许多因素的制约，一张表
3、要计算几百条弹道轨迹。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间一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行时间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制，便当即决定给予支持。的研制，便当即决定给予支持。第5页，共33页，编辑于2022年，星期
4、二6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，它是一台的报告，提出了电子计算机的设计方案，它是一台“电子数值积分计算机（电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，简称，简称ENIAC。Herman H.Goldst
5、ine第6页，共33页，编辑于2022年，星期二7 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，共用了平方米，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200,000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
6、制运算电路比较复杂，影响了计算速度。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。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其板为外插接型计算机，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。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。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。很大，影响了电子管的使用寿命。功耗大，功耗大，ENIAC工作时
7、耗电量为工作时耗电量为150千瓦。千瓦。第一台数字电子计算机ENIAC 第7页，共33页，编辑于2022年，星期二8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
8、克基尔比，集成电路之父基尔比，集成电路之父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、杰克基尔比基尔比第8页，共33页，编辑于2022年，星期二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
9、/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一2.1第9页，共33页，编辑于2022年，星期二102.1.2 2.1.2 微型计算机的出现和发展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了解了解第10页，共33页，编辑于2022年，星期二11摩尔定律lMoores Law：The number of
10、 transistors per integrated circuit would double every 18 month.l这个论断是在第一块平面集成电路产生4年以后的1965年做出的。l当时认为这个发展趋势将持续到1975年。IntelIntel公司创建人之公司创建人之一戈登一戈登摩尔摩尔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。第11页，共33页，编辑于2022年，星期二12IntelIntel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
11、器(1971)(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了解了解第12页，共33页，编辑于2022年，星期二133.3.第第3 3代微处理器代微处理器 lIntel808616位微处理器(1978)数据总线16位、
12、地址总线20位lIntel8088 准16位微处理器(1979)外部数据总线8位，内部数据总线16位IBM PC(1981)、IBM PC/XTlIntel80286 高档16位微处理器(1982)数据总线16位，地址总线24位IBM PC/AT 实地址模式、虚地址保护模式 虚地址模式可寻址16MB物理地址和1GB的虚拟地址IntelIntel微处理器发展概述微处理器发展概述 了解了解第13页，共33页，编辑于2022年，星期二14Intel微处理器发展概述了解了解第14页，共33页，编辑于2022年，星期二15Intel 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
13、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）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
14、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 个晶体管个晶体管第15页，共33页，编辑于2022年，星期二第一台第一台von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机2.1第16页，共33页，编辑于2022年，星期二IBM System360 2.1第17页，共33页，编辑于2022年，星期二2.11:chinaSystem Name：Tianhe-1A Site：National Supercomputi
15、ng Center in TianjinApplication area：Research Main Memory：229376 GB Installation Year：2010 Operating System：Linux Processor：Intel EM64T 最大平均速度最大平均速度:2566.00 TFLOPS Power:4040.00KW 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2010.11）第18页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）2:United StatesSystem
16、 Name：Jaguar Site：DOE/SC/Oak Ridge National LaboratoryApplication area：Research 最大平均速度最大平均速度:1759.00 TFLOPSPower:6950.60 KW 第19页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）3:chinaSystem Name：Nebulae(星云）星云）Site：National Supercomputing Centre in Shenzhen Application area：Research 最大平均速度最
17、大平均速度:1271.00 TFLOPSPower:2580.00KW 第20页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2007.11）4:JapanSystem Name：TSUBAME 2.0 Site：GSIC Center,Tokyo Institute of TechnologyApplication area：Research 最大平均速度最大平均速度:1192.00TFLOPSPower:1398.61KW 第21页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 200
18、7.11）5:United StatesSystem Name：Hopper Site：DOE/SC/LBNL/NERSCApplication area：Research 最大平均速度最大平均速度:1054.00 TFLOPSPower:2910.00KW 第22页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1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.org第23页，共33页，编辑于2022年，星期二2.1.3 软件技术的兴起和发展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
19、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.各种语言各种语言2.1第24页，共33页，编辑于2022年，星期二25l世界上第一位程序员是谁？l唐璜的作者？英国诗人拜伦第25页，共33页，编辑于2022年，星期二26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，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：究上的合作伙伴。爱达非常准确地评价道：“分分析机析机编织编织的代数模式同杰卡德织布机编织的的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一
20、样花叶完全一样”。于是，为分析机编制一批函数。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。爱达开天辟计算程序的重担，落到了她的肩头。爱达开天辟地第一次为计算机编出了程序，其中包括计算三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、级数相乘程序、伯努利函数程序角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。爱达编制的这些程序，即使到了今天，电等等。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不敢轻易改动一条指令。人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位软件工程师。们公认她是世界上第一位软件工程师。爱达洛夫雷斯英国诗人拜伦之女 第26页，
21、共33页，编辑于2022年，星期二27爱达的主要贡献1、指出分析机可以编程，发现编程的、指出分析机可以编程，发现编程的基本要素，如循环、子程序，被誉为基本要素，如循环、子程序，被誉为世界上第一位程序员。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 第27页，共33页，编辑于2022年，星期二2.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
22、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2.1第28页，共33页，编辑于2022年，星期二3.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2.1第29页，共33页，编辑于2022年，星期二2.2 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
23、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.敏捷制造敏捷制造第30页，共33页，编辑于2022年，星期二四、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2.2第31页，共33页，编辑于2022年，星期二2.3 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、线延迟第32页，共33页，编辑于2022年，星期二三、？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2.3第33页，共33页，编辑于2022年，星期二