計算機科學概論2023/2/61第0章

計算的歷史與未來2023/2/62計算機科學概論本章提要12342023/2/63計算機的史前時代機械式計算機卡片時代程式化計算機的萌芽6789早期的數(shù)字計算機電子計算機計算機的發(fā)展趨勢奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想5模擬計算機0.1.1石頭計算到算盤2023/2/640.１

計算機的史前時代公元前2000年的美索不達米亞人用泥板計數(shù)，這塊泥板上的契形文字代表25。我國古代數(shù)學家祖沖之就是用算籌計算出圓周率值介于3.1415926和3.1415927之間。0.1.1石頭計算到算盤2023/2/65珠算被稱為我國“第五大發(fā)明”算圣劉洪及其發(fā)明的珠算盤0.1.2計算尺和計算器2023/2/66JohnNapier(1550-1617)約翰·納皮爾納皮爾算籌(Napier’sbones)1612年發(fā)明0.1.2計算尺和計算器

1.計算尺2023/2/67威廉·奧特雷德(WilliamOughtred)及其發(fā)明的圓形計算尺風靡18－19世紀的計算尺0.1.2計算尺和計算器

2.計算器2023/2/68Casio14-A史上第一臺商用小型電子計算器1957年發(fā)明一款普通的袖珍電子計算器0.2.1施卡德計算機2023/2/690.2

機械式計算機威海姆·施卡德，德國圖賓根大學教授，于1623年制造了第一臺機械式計算機。施卡德計算機復制品1960年，施卡德家鄉(xiāng)人根據(jù)示意圖重新制作。0.2.2帕斯卡加法機2023/2/610保存在巴黎國立工藝博物館的帕斯卡加法機，1642年發(fā)明。布萊斯·帕斯卡

法國數(shù)學家、物理學家、思想家0.2.3萊布尼茲乘法機2023/2/6111674年，萊布尼茨發(fā)明乘法機。戈特費里德·萊布尼茲

德國數(shù)學家、微積分獨立發(fā)明人0.3.1“編織”的程序2023/2/6120.3

卡片時代明代宋應星所著《天工開物》《天工開物》中記載的小花樓提花機2023/2/613英國曼徹斯特“科學與工業(yè)博物館”中的杰卡德編織機(1805年發(fā)明)布喬的穿孔卡片思想在雅卡爾自動編織機上實現(xiàn)——程序控制思想的萌芽正面?zhèn)让?.3.1“編織”的程序2023/2/6140.3.2穿孔制表機美國著名統(tǒng)計專家赫爾曼·何樂禮何樂禮發(fā)明的自動制表機2023/2/6150.3.2穿孔制表機FORTRAN程序打孔卡0.4.1差分機2023/2/6160.4

差分機和分析機現(xiàn)代計算機奠基人——英國劍橋大學教授查爾斯·巴貝奇差分機二號——倫敦科學博物館的復制品0.4.2分析機2023/2/617世界上第一位程序員——奧古斯塔·艾達·拜倫后人根據(jù)巴貝奇圖紙制造的“分析機”1834年，巴貝奇提出通用計算機“分析機”構想，直至他去世也未制成。2023/2/618設計圖紙之一——差分機和分析機存儲器框架2023/2/6190.5

模擬計算機美國NCAC劉易斯飛行推進實驗室

的微分分析儀，攝于1951年?，F(xiàn)代電腦之父、微分分析儀發(fā)明人萬尼瓦爾·布什2023/2/6200.6

早期的數(shù)字計算機0.6.1Z系列計算機數(shù)字計算機之父克蘭德·楚澤德國博物館里存放的Z-4Z-1的復制品2023/2/6210.6.2ABC計算機被遺忘的電子計算機之父阿塔納索夫ABC計算機復制品——愛荷華州立大學達勒姆中心一樓2023/2/6220.6.3巨人計算機二戰(zhàn)期間用來破譯德國密碼的巨人計算機2023/2/6230.6.4MARK系列計算機MARK系列計算機發(fā)明人霍華德·艾肯哈佛大學的MARK-I2023/2/6240.6.4MARK系列計算機計算機軟件之母——GraceHopper(1906-1992)(a)一本介紹霍波博士的書(b)海軍軍官霍波——攝于1984年保存在霍波筆記本中的第一個“bug”2023/2/6250.7

現(xiàn)代電子計算機0.7.1電子管時代

1.電子文明的曙光——電子二極管、三極管1904年，英國青年工程師約翰·弗萊明發(fā)明真空二極管1906年，美國人李·德·福雷斯特發(fā)明能起放大作用的真空三極管。2023/2/6260.7.1電子管時代

2.第一臺電子計算機的誕生ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）1946年2月14日，誕生在美國賓夕法尼亞大學2023/2/627第一臺電子計算機ENIAC的指標：每秒5000次加法

17468個電子管7200個二極管、70000個電阻器、10000個電容器、6000個繼電器

占地170平方米

總重量30噸

耗電174KWENIAC兩位設計者——莫契利和?？颂谽NIAC博物館中的部分器件2023/2/6280.7.2晶體管時代1947年，晶體管誕生。晶體管的三位發(fā)明人因這項偉大發(fā)明，三人獲得1956年諾貝爾物理學獎威廉·肖克利約翰·巴丁沃爾特·布拉坦2023/2/6290.7.2晶體管時代晶體管與電子管的比較：體積比電子管小很多耗電大大降低穩(wěn)定性有很大提高電子管實物晶體管實物1955年，貝爾實驗室，世界上第一臺晶體管計算機TRADIC。(TransistorDigitalComputer)2023/2/6300.7.3集成電路時代1959年，集成電路宣告誕生。集成電路的兩位發(fā)明權人杰克·基爾比羅伯特·諾伊斯2023/2/6310.7.3集成電路時代集成電路與晶體管的比較集成電路實物晶體管實物1964年4月7日，IBM360計算機問世，標志著第三代計算機的全面登場。2023/2/6320.7.3集成電路時代仙童半導體公司創(chuàng)始人——仙童八叛逆2023/2/6330.7.4大規(guī)模集成電路時代：微處理器時代微處理器的出現(xiàn)

1971年，Intel4004誕生。第一塊微處理器芯片Intel4004及其發(fā)明人特德·霍夫

PC機：PersonalComputer1981年8月12日，IBM公司正式推出了全球第一臺個人計算機——IBMPC。2023/2/6340.7.4大規(guī)模集成電路時代：微處理器時代1975年，年僅20的蓋茨與好友保羅·艾倫共同創(chuàng)建了Microsoft公司。比爾·蓋茨保羅·艾倫起止年代主要元件主要元件圖例速度（次/秒）特點與應用領域第一代1946年～1950年代末電子管5千～1萬次體積巨大，運算速度較低，耗電量大，存儲容量?。恢饕脕磉M行科學計算第二代1950年代中～1960年代中晶體管幾萬～幾十萬次體積減少，耗電較少，運算速度較高，價格下降；不僅用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務管理，并逐漸用于工業(yè)控制第三代1960年代中～1970年代初中、小規(guī)模集成電路幾十萬～幾百萬次體積、功耗進一步減少，可靠性和速度進一步提高；應用領域進一步拓展到文字處理、企業(yè)管理、自動控制、城市交通管理等方面第四代1970年代初～今大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路幾千萬～幾百萬億次性能大幅度提高，價格大幅度下降，廣泛應用于社會生活的各個方面，進入辦公室和家庭；在辦公室自動化、電子編輯排版、數(shù)據(jù)庫管理、圖像識別、語音識別、專家系統(tǒng)等領域中大顯身手各代計算機的特點2023/2/6352023/2/6360.7.5后PC時代什么是后PC時代？2023/2/6370.7.5后PC時代AppleWatch&Google眼鏡家庭娛樂設備2023/2/6380.7.6下一代計算機1965年，Intel公司的締造者之一戈登·摩爾（GordonMoore）在總結存儲器芯片的增長規(guī)律時，指出“微芯片上集成的晶體管數(shù)目每12個月翻一番”。在隨后的歲月里，發(fā)現(xiàn)微芯片的容量通常每18~24個月翻一番。因而，“微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番”就被人們稱為摩爾定律（Moore’sLaw），如圖所示。2023/2/6390.7.6下一代計算機1邏輯代數(shù)布爾2計算機開關電路香農(nóng)3圖靈機&圖靈測試圖靈4馮·諾依曼結構馮·諾依曼2023/2/6400.8

奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想布爾及邏輯代數(shù)2023/2/641邏輯代數(shù)創(chuàng)始人喬治·布爾1847年，出版《邏輯的數(shù)學分析》（TheMathematicalAnalysisofLogic。1854年，出版《思維規(guī)律的研究——邏輯與概率的數(shù)學理論基礎》（AnInvestigationoftheLawsofThought,onWhichareFoundedtheMathematicalTheoriesofLogicandProbabilities。

香農(nóng)及計算機開關電路2023/2/642信息論的創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)1938年，年僅22歲的香農(nóng)在碩士論文的基礎上，發(fā)表論文“繼電器和開關電路的符號分析”（ASymbolicAnalysisofRelayandSwitchingCircuits），首次闡述了如何將布爾代數(shù)運用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計算機開關電路的理論基礎。

圖靈及圖靈機、圖靈測試2023/2/643計算機與人工智能之父

——阿蘭·圖靈

圖靈是計算機邏輯的奠基者，許多人工智能的重要方法也源自這位偉大的科學家：24歲，提出圖靈機理論；31歲，參與Colossus（二戰(zhàn)時英國破解德國通信密碼的計算機）的研制；33歲，構思了仿真系統(tǒng)；35歲，提出自動程序設計概念；38歲，設計了“圖靈測試”；

在后來還創(chuàng)造了一門新學科——非線性力學；……。

圖靈機2023/2/644圖靈機模型示意圖1936年5月28日，圖靈向倫敦權威的數(shù)學雜志投了一篇論文，題為“論可計算數(shù)及其在判定問題上的應用”(OnComputableNumbers,withanApplicationtotheEntscheidungsproblem)。在這篇開創(chuàng)性的論文中，圖靈給“可計算性”下了一個嚴格的數(shù)學定義，并提出著名的“圖靈機(TuringMachine)”的設想。圖靈測試2023/2/6451950年10月，圖靈發(fā)表一篇題為“計算機器與智能”(Computingmachineryandintelligence)的論文，成為劃時代之作。在這篇論文里，圖靈第一次提出“機器思維”的概念。即，著名的“圖靈測試”（TuringTesting）。圖靈獎2023/2/646為紀念圖靈對計算機領域做出的巨大貢獻，國際計算機協(xié)會(AssociationforComputingMachinery，ACM)于1966年開始設立圖靈獎(TuringAward)，這是計算機界最負盛名的獎項，有“計算機界諾貝爾獎”之稱。首位華人獲獎者——2000年圖靈獎得主，姚期智首位女性獲獎者——2006年圖靈獎得主，法蘭西斯·艾倫姚期智法蘭西斯·艾倫馮·諾依曼及馮·諾依曼結構2023/2/647現(xiàn)代電子計算機之父——馮·諾伊曼著名的兩篇報告：

1945年6月30日

FirstDraftofaReportontheEDVAC

（俗稱“101頁報告”）

1946年7、8月間

Preliminarydiscussionofthethelogicaldesignofanelectroniccomputinginstrument

（電子計算機邏輯設計初探）2023/2/648馮·諾依曼結構這兩篇報告的綜合設計思想，便是著名的“馮·諾依曼結構（vonNeumannArchitecture）”。采用二進制，不但數(shù)據(jù)采用二進制，指令也采用二進制；計算機由五個部分構成：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出裝置；程序由指令組成并和數(shù)據(jù)一起存放在存儲器中，機器按程序指定的邏輯順序，把指令從存儲器中讀出來并逐條執(zhí)行，從而自動完成程序描述的處理工作。(即，“存儲程序”＋“程序控制”思想)2023/2/649第一臺“存儲程序”電子計算機——EDSAC，英國劍橋大學教授威爾克斯主持。下面機器是較早實現(xiàn)“馮·諾依曼結構”、按照“存儲程序＋程序控制”工作的計算機：

IAS——馮·諾依曼主持

EDVAC——馮·諾依曼主持

EDSAC——莫里斯·威爾克斯主持馮·諾伊曼及IAS機EDVAC60年來神話般的進步2023/2/650ENIACIntelCoreDuo2006首次登場1946年2006年性能5

000次加法/秒20.6億次運算/秒功耗170kW最多31W重量28t幾乎可以忽略大小80英尺×8英尺90.3mm2器件數(shù)量17

840支電子管150.6百萬支晶體三極管成本US$487

000US$6370.9

計算機的發(fā)展趨勢2023/2/6510.9.1高性能計算全球最快計算機排行榜，每年在6月和11月發(fā)布兩次，這個榜單代表著世界上超級計算技術的最高水平。圖0.80是2014年6月所發(fā)布的TOP500超級計算機分布圖，從圖上可以看出，美國仍然是世界高性能計算技術的引領者，在TOP50