1計算機的產生與發(fā)展新型計算機計算機的概念與模型第1章緒論2計算機：自動進行信息加工、任務處理的電子設備。計算機科學：研究和計算機相關問題的知識技術等。如何研究計算機這種復雜電子系統(tǒng)？如何定義？通常通過BlackBox“黑箱”方法，根據(jù)計算機發(fā)展歷史，主要介紹兩種常見計算機模型。數(shù)據(jù)處理器模型（DataProcessormodel）可編程數(shù)據(jù)處理器模型(ProgrammableDataProcessormodel)3一.數(shù)據(jù)處理器模型計算機定義為一個接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，產生輸出結果的黑箱。存在什么問題？太廣泛，便攜式的計算器也符合該定義。沒有闡明數(shù)據(jù)處理加工的操作類型。專用計算機or通用計算機？4一.數(shù)據(jù)處理器模型存在什么問題？太廣泛，便攜式的計算器也符合該定義。沒有闡明數(shù)據(jù)處理加工的操作類型。專用計算機or通用計算機不明確？適用于用來定義完成某種特定任務的專用計算機模型。5二.可編程數(shù)據(jù)處理器模型通用的計算機模型：增加了“程序”元素。程序：指令的有序集合，完成某種功能或任務。輸出數(shù)據(jù)取決于“輸入數(shù)據(jù)”和“程序”兩個因素。6二.可編程數(shù)據(jù)處理器模型相同的程序，不同的輸入數(shù)據(jù)，不同的輸出。7二.可編程數(shù)據(jù)處理器模型不同的程序，相同的輸入數(shù)據(jù)，不同的輸出。8二.可編程數(shù)據(jù)處理器模型相同的輸入數(shù)據(jù)，相同的程序，相同的輸出。通過改變“程序”來使得相同的硬件實現(xiàn)不同的功能，從而實現(xiàn)了通用計算機。三.圖靈模型1936年，由阿蘭.圖靈提出抽象計算模型計算機是使用相應的程序來完成任何設定好的任務。910

世界上第一臺通用電子計算機ENIAC,(ElectonicNumericalIntegratorAndCalculator)于1946年誕生于美國賓西法尼壓大學，它的全稱為“電子數(shù)值積分和計算機”。它的問世標志著計算機時代的到來，它的出現(xiàn)具有劃時代的偉大意義。使用了18000個電子管，1500個繼電器以及其他器件,運算速度為5000次/s加法通過重新布線和調節(jié)成千上百開關來改變程序，完成新的任務11四.馮.諾依曼模型（vonNeumannmodel）

現(xiàn)代通用計算機采用的模型，基于可編程數(shù)據(jù)處理器模型。12計算機硬件的基本結構（4大子系統(tǒng)）存儲器（Memory)控制器（ControlUnit）運算器(ArithmeticLogicUnit/ALU)輸入與輸出(Input/output)馮.諾依曼模型設計理念采用二進制

任何信息在計算機內部的存儲、組織、處理、傳輸都采用二進制。存儲程序與程序控制13馮.諾依曼模型設計理念采用二進制存儲程序與程序控制

存儲程序（StoredProgramConcept）馮.諾依曼模型的最大特征。不僅僅存貯數(shù)據(jù)，還存儲處理數(shù)據(jù)的程序，而且不作區(qū)分的存貯在同一個存儲器。14馮.諾依曼模型設計理念采用二進制存儲程序與程序控制程序控制：指令按順序自動執(zhí)行（SequentialExecutionofInstructions）任務的自動執(zhí)行程序的自動執(zhí)行程序：有序的指令集合。（指令復用性）任務的自動執(zhí)行周而復始的取指令，分析指令，執(zhí)行指令。

第一代（1946~1956）電子管5千~4萬（次/秒）第二代（1957~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）第三代（1965~1970）小規(guī)模集成電路百萬~幾百萬（次/秒）第四代（1971~90年代）大規(guī)模集成電路幾百萬~幾億（次/秒）計算機發(fā)展的幾個階段16第一代：電子管

基本特征采用電子管作為計算機的邏輯元器件，每秒運算速度僅為幾千次，內存容量僅數(shù)KB。其數(shù)據(jù)表示主要是定點數(shù)，使用機器語言或匯編語言編寫程序。第一代電子計算機體積龐大，造價昂貴，用于軍事和科學研究工作。其代表機型有IBM650（小型機）、IBM709（大型機）。電子管17第二代：晶體管

基本特征是采用晶體管作為計算機的邏輯元器件，由于電子技術的發(fā)展，運算速度達每秒幾十萬次，內存容量增至幾十KB。與此同時，計算機軟件技術也有了較大發(fā)展，出現(xiàn)了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級語言。與第一代計算機相比，晶體管電子計算機體積小、成本低、功能強、可靠性大大提高。除了科學計算外，還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理。其代表機型有IBM7094、CDC7600。晶體管18第三代：集成電路

基本特征是采用小規(guī)模集成電路作為計算機的邏輯元器件，隨著固體物理技術的發(fā)展，集成電路工藝己可以在幾平方毫米的單晶硅集成電路片上集成由十幾個甚至上百個電子元器件組成的邏輯電路。它的運算速度每秒可達幾十萬次到幾百萬次，體積越來越小，價格越來越低，軟件越來越完善，在監(jiān)控程序的基礎上發(fā)展形成了操作系統(tǒng)。其代表機型有IBM360。集成電路19第四代：大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路基本特征是采用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路作為計算機的邏輯元器件，20世紀70年代以來，集成電路制作工藝取得了迅猛的發(fā)展，在硅半導體上可集成更多的電子元器件，半導體存儲器代替了磁芯存儲器，目前，計算機的速度最高可以達到每秒幾百萬億次浮點運算。操作系統(tǒng)不斷完善，高級程序設計語言功能更加完善，人們的生活與計算機應用息息相關。超大規(guī)模集成電路香儂是現(xiàn)代信息論的著名創(chuàng)始人。1938年，香儂在發(fā)表的論文中，首次用布爾代數(shù)進行開關電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運算可以通過繼電器電路來實現(xiàn)。阿塔納索夫提出了計算機的三條原則：1）以二進制的邏輯基礎來實現(xiàn)數(shù)字運算以保證精度；2）利用電子技術來實現(xiàn)控制、邏輯運算和算術運算,以保證計算速度；3）采用把計算功能和二進制數(shù)更新存儲功能相分離的結構。

奠定現(xiàn)代計算機發(fā)展的重要人物和思想ClaudeShannon

圖靈與圖靈機為紀念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機博物館于1966年設立了“圖靈獎”計算機是使用相應的程序來完成任何設定好的任務。圖靈機是一種思想模型，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。JohnvonNeumann馮

諾依曼1949EDVAC

馮·諾依曼計算機存儲程序工作原理計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機是利用“存儲器”（內存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務為止。23

計算機的應用范圍，按其應用特點可分為科學計算、信息處理、過程控制、計算機輔助系統(tǒng)、多媒體技術、計算機通信、人工智能。

1．科學計算：指計算機應用于完成科學研究和工程技術中所提出的數(shù)學問題（數(shù)值計算）。一般要求計算機速度快、精度高，存儲容量相對大。科學計算是計算機最早的應用方面。計算機的應用24

2．信息處理：信息處理主要是指非數(shù)值形式的數(shù)據(jù)處理,包括對數(shù)據(jù)資料的收集、存儲、加工、分類、排序、檢索和發(fā)布等一系列工作。信息處理包括辦公自動化（OA）、企業(yè)管理、情報檢索、報刊編排處理等。特點是要處理的原始數(shù)據(jù)量大,而算術運算較簡單,有大量的邏輯運算與判斷,結果要求以表格或文件形式存儲、輸出。要求計算機的存儲容量大,速度則不怎么要求。信息處理目前應用最廣,占所有應用的80%左右。253．過程控制：把計算機用于科學技術、軍事領域、工業(yè)、農業(yè)等各個領域的過程控制。且計算機控制系統(tǒng)中，需有專門的數(shù)字—模擬轉換設備和模擬—數(shù)字轉換設備（稱為D/A轉換和A/D轉換）。由于過程控制一般都是實時控制,有時對計算速度要求不高，但要求可靠性高，響應及時。264．計算機輔助系統(tǒng)：有計算機輔助教學(CAI)、計算機輔助設計(CAD)計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)、計算機集成制造（CIMS）等系統(tǒng)。

275．多媒體技術：把數(shù)字、文字、聲音、圖形、圖像和動畫等多種媒體有機組合起來，利用計算機、通信和廣播電視技術，使它們建立起邏輯聯(lián)系，并能進行加工處理（包括對這些媒體的錄入、壓縮和解壓縮、存儲、顯示和傳輸?shù)龋┑募夹g。目前多媒體計算機技術的應用領域正在不斷拓寬，除了知識學習、電子圖書、商業(yè)及家庭應用外，在遠程醫(yī)療、視頻會議中都得到了極大的推廣286．計算機通信：是計算機技術與通信技術結合的產物，計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展將處在不同地域的計算機用通訊線路連接起來，配以相應的軟件，達到資源共享的目的。29

7．人工智能：研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學科。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。人工智能學科包括：知識工程、機器學習、模式識別、虛擬現(xiàn)實、自然語言處理、智能機器人和神經(jīng)計算等多方面的研究。30利用蛋白質的開關特性開發(fā)出生物計算機生物計算機主要是以生物電子元件構建的計算機。蛋白質有開關特性，用蛋白質分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計算機稱為蛋白質電腦，或稱為生物電腦。用蛋白質制造的電腦芯片，在1平方毫米的面積上即可容納數(shù)億個電路。因為它的一個存儲點只有一個分子大小，所以它的存儲量可以達到普通電腦的10億倍。由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一，而且運轉速度更快，只有10-11秒，大大超過人腦的思維速度。生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。未來計算機31

超導計算機是使用超導體元器件的高速計算機。所謂超導，是指有些物質在接近絕對零度（相當于-269攝氏度）時，電流流動是無阻力的。1962年，英國物理學家約瑟夫遜提出了超導隧道效應原理，即由超導體一絕緣體一超導體組成器件，當兩端加電壓時，電子便會像通過隧道一樣無阻擋地從絕緣介質中穿過去，形成微小電流，而這一器件的兩端是無電壓的。約琴夫遜因此獲得諾貝爾獎。用約瑟夫遜器件制成電子計算機，稱為約瑟夫遜計算機，也就是超導計算機，又稱超導電腦。這種電腦的耗電僅為用半導體器件制造的電腦所耗電的幾千分之一，它執(zhí)行一個指令只需十億分之一秒，比半導體元件快10倍。日本電氣技術研究所研制成世界上第一臺完善的超導電腦，它采用了4個約瑟夫遜大規(guī)模集成電路，每個集成電路芯片只有3~5立方毫米大小，每個芯片上有上千個約瑟夫遜元件。高速超導計算機32

光計算機是利用光作為載體進行信息處理的計算機。1990年，美國的貝爾實驗室推出了一臺由激光器，透鏡，反射鏡等組成的計算機。這就是光計算機的雛形。隨后，英，法，比，德，意等國的70多名科學家研制成功了一臺光計算機，其運算速度比普通的電子計算機快1000倍。光計算機又叫光腦。電腦是靠電荷在線路中的流動來處理信息的，而光腦則是靠激光束進入由反射鏡