1、計算機發(fā)展簡史,1.1 計算機的史前時代 1.2 機械式計算機 1.3 從機械到電子的進程 1.4 電子計算機發(fā)展歷史 1.5 奠定計算機理論基礎的重要人物和思想 1.6 計算機在中國 1.7 計算機的發(fā)展趨勢 1.8 小結,內(nèi)容提要,2,1.1 計算機的史前時代,1.1.1 石頭計算到算盤,公元前3000年的古埃及人用結繩來記錄土地面積和收獲的谷物,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。,1.1 計算機的史前時代,1.1.1 石頭計算到算盤,珠算被稱為我國“第五大

2、發(fā)明”，最早記錄于漢朝人徐岳撰寫的數(shù)術記遺一書里。,算圣劉洪及其發(fā)明的珠算盤。,1.1 計算機的史前時代,1.1.2 計算尺和計算器,John Napier(1550-1617) 約翰納皮爾,納皮爾算籌(Napiers bones) 1612年發(fā)明,1.1 計算機的史前時代,1.1.2 計算尺和計算器,威廉奧卻德(William Oughtred) 及其發(fā)明的圓形計算尺,風靡1819世紀的計算尺,1. 計算尺,1.1 計算機的史前時代,1.1.2 計算尺和計算器,Casio 14-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,2. 計算器,1.2 機械式計算機,1

3、.2.1 契卡德計算機,威廉契克卡德 德國圖賓根大學教授，于1623年制造了第一臺計算機。,1960年，契克卡德家鄉(xiāng)人根據(jù)示意圖重新制作的契克卡德計算機：能做6位數(shù)加減法，設置了某種“溢出”響鈴裝置；機器上部附加一套圓柱型“納皮爾算籌”，因此也能進行乘除運算。,Wilhelm Schickard(1592-1635),1.2 機械式計算機,1.2.2 帕斯卡加法機,Blaise Pascal(16231662),保存在巴黎國立工藝博物館的帕斯卡加法機，1642年發(fā)明： 機器由系列齒輪組成的裝置，外殼用黃銅材料制作，是一個長20英寸、寬4英寸、高3英寸的長方盒子，面板上有一列顯示數(shù)字的小窗口，旋

4、緊發(fā)條后才能轉動，用專用的鐵筆來撥動轉輪以輸入數(shù)字。,布萊斯帕斯卡 法國數(shù)學家、物理學家、思想家,1.2 機械式計算機,1.2.3 萊布尼茲乘法機,Gottfried Leibniz(16461716),1674年，萊布尼茨發(fā)明乘法機。這是第一臺可以運行完整四則運算的計算機，長100厘米、寬30厘米、高25厘米，主要由不動的計數(shù)器和可動的定位機構兩部分組成，整個機器由一套齒輪系統(tǒng)傳動。 【公元1700年左右，萊布尼茨從一位友人送給他的中國“易圖”（八卦）里受到啟發(fā)，悟出了二進制數(shù)之真諦，率先提出了二進制的運算法則。】,戈特費里德萊布尼茲 德國數(shù)學家、微積分獨立發(fā)明人,1.2 機械式計算機,1.

5、2.4 “編織”的程序,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,1.2 機械式計算機,1.2.4 “編織”的程序,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杰卡德的自動編織機上實現(xiàn)程序控制思想的萌芽,正面 側面,1.2 機械式計算機,1.2.5 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,1822年，差分機 倫敦科學博物館的復制品,Charles Babbage (1791-1871),1.2 機械式計算機,1.2.5 差分機和分析機,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”,Aug

6、usta Ada Byron (1815-1852),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。,1.2 機械式計算機,1.2.5 差分機和分析機,設計圖紙之一差分機和分析機存儲器框架,1.2 機械式計算機,1.2.6 手搖計算機,鮑德溫發(fā)明的手搖計算機，1873年,弗蘭克鮑德溫(Frank Baldwin),1.3 從機械到電子的進程,1.3.1 穿孔制表機,Herman Hollerith (1860-1929),美國著名統(tǒng)計專家 赫爾曼霍列瑞斯,霍列瑞斯發(fā)明的自動制表機,1.3 從機械到電子的進程,1.3.2 電子文明的曙光電子二極管、三極管,John Flem

7、ing (1848-1945),1904年，英國青年工程師約翰弗萊明發(fā)明真空二極管,Lee De Forest (1873-1961),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。,1.3 從機械到電子的進程,Konrad Zuse (1910-1995),數(shù)字計算機之父克蘭德楚澤,德國博物館中存放的Z4計算機,1.3 從機械到電子的進程,1.3.3 沖擊最后的技術壁壘 2. MARK系列計算機,Howard Aiken (1900-1973),MARK系列計算機發(fā)明人 霍華德艾肯,哈佛大學的MARK-I,1.3 從機械到電子的進程,1.3.3 沖擊最后的技術壁壘 2. MA

8、RK系列計算機,計算機軟件之母Grace Hopper (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”,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）： 1946年2月14日，誕生在美國馬里蘭州阿貝丁陸軍試炮場,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.1 電子管計算機 1. 第一臺電子計算機的誕生 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

9、170平方米 總重量30噸 耗電174KW,ENIAC兩位設計者莫契利和?？颂?ENIAC博物館中的部分器件,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.1 電子管計算機 2. 電子管計算機時代：1946年20世紀50年代后期 (1)主要特點 邏輯元件電子管 主 存磁鼓 輔 存磁帶 軟 件機器語言、符號語言 應 用科學計算 (2)主要成就 數(shù)字電子計算機的出現(xiàn)，揭開了人類歷史新篇章。 1946年6月，美國數(shù)學家、普林斯頓大學教授約翰馮諾依曼（John Von Neumann）提出了“存儲程序”的概念以及計算機組成和框架，奠定了現(xiàn)代計算機組成與工作原理基礎。,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.2 晶體

10、管計算機 1. 晶體管的誕生 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,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.2 晶體管計算機 1. 晶體管的誕生,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，貝爾實驗室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺晶體管計算機TRADIC。 (Transistor Digital Computer),1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.2 晶體管計算機 2. 晶體管計算機時代：20世紀50年代中期20世紀60年代中期

11、 (1)主要特點 邏輯元件 晶體管 主 存 磁芯 輔 存 磁盤 軟 件 高級程序設計語言、操作系統(tǒng) 應 用 除科學計算外，已應用于數(shù)據(jù)處理、過程控制 (2)主要成就 首次將晶體管用于計算機，使計算機縮小了體積，減低了功耗，提高了速度和可靠性。 發(fā)明了高級語言。 首次提出了計算機的兼容問題，包括硬件兼容和軟件兼容。,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1959年，集成電路宣告誕生。,1958年9月12日，在德克薩斯儀器（TI）公司工作的杰克基爾比（Jack Kilby）完成了他的集成電路設計（將硅電阻器、電容器和晶體管裝在一塊晶片上）。1959年2月6日，基爾比向美國專利局申報專利“小型化電子電路（No

12、. 3138743）”。 1959年7月30日，美國仙童公司的羅伯特諾伊斯（Robort Noyce）也宣稱制出第一塊集成電路，并向美國專利局申請專利“半導體器件和引線結構（No. 2981877）”。,杰克基爾比,羅伯特諾伊斯,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.3 集成電路計算機 1. 集成電路的誕生,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，在IBM公司成立50周年之際，由年僅40歲的吉恩阿姆達爾(GeneAmdahl)擔任主設計師，歷時四年研發(fā)的IBM360計算機問世，標志著第三代計算機的全面登場，這也是IBM歷史上最為成功的機型之一。,1.4 電子計算機

13、發(fā)展歷史,1.4.3 集成電路計算機 2. 集成電路計算機時代：20世紀60年代中20世紀70年代初 (1)主要特點 邏輯元件集成電路 主 存半導體 輔 存磁盤 軟 件高級程序設計語言、操作系統(tǒng) 應 用科學計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制 (2)主要成就 IBM公司首次提出了系列機的概念，圓滿地解決了計算機兼容的問題，典型代表是IBM360系列機。 控制器設計使用微程序控制技術，使控制器的設計規(guī)整化。 結構化程序設計思想成熟，軟硬件設計標準化。,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.4 大規(guī)模集成電路計算機 1. 微處理器的出現(xiàn) 1971年，Intel公司宣稱，他們首創(chuàng)了一種“開啟集成電路新紀元”的半導

14、體芯片，即第一塊微處理器芯片4004。 所謂微處理器芯片是將CPU（Central Processing Unit，中央處理器）集成在一塊芯片上。,第一塊微處理器芯片Intel 4004及其發(fā)明人特德霍夫,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.4 大規(guī)模集成電路計算機 2. 微型計算機 (1)第一臺微型機：Altair 8800 1975年4月，微型儀器與自動測量系統(tǒng)公司（MITS）推出了首臺通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器，這是世界上第一臺微型計算機。 (2)PC機：Personal Computer 1981年8月12日，IBM公司正式推出了全球第一臺個人計算機

15、IBM PC。該機采用主頻4.77MHz的Intel 8088微處理器，運行Microsoft公司專門為IBM PC開發(fā)的MS-DOS操作系統(tǒng)。,第一臺微型計算機 Altair 8800,第一臺個人計算機 IBM PC,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.4 大規(guī)模集成電路計算機 2. 微型計算機 比爾蓋茨（ Bill Gates ）在哈佛大學學習期間就為第一臺微型計算機Altair 8800開發(fā)了BASIC編程語言的一個版本。 1975年，年僅20的蓋茨與好友保羅艾倫(Paul Allen)共同創(chuàng)建了Microsoft公司。 1981年誕生的IBM PC機選用Microsoft公司的MS-D

16、OS作為操作系統(tǒng)，隨著PC機的風行，Microsoft公司逐漸成為世界第一大微機軟件開發(fā)商。,比爾蓋茨,保羅艾倫,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.4 大規(guī)模集成電路計算機 2. 大規(guī)模集成電路計算機時代：20世紀70年代初期至今 (1)主要特點 邏輯元件 大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路（LSI/VLSI） 主 存 LSI/VLSI半導體芯片 輔 存 磁盤、光盤 軟 件 高級程序設計語言、操作系統(tǒng) 應 用 科學計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制，并進入以計算機網(wǎng)絡為特征的應用時代,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.4 大規(guī)模集成電路計算機 2. 大規(guī)模集成電路計算機時代：20世紀70年代初期至今 (2)主

17、要成就 1971年Intel公司成功地研制出了4004微處理器芯片。從此，隨著LSI/VLSI技術的發(fā)展，微處理器每隔兩三年就有一個新的產(chǎn)品問世，至今已發(fā)展到486、586、Itanium、Intel Core 2。 微型計算機出現(xiàn)，典型代表是IBM PC。 面向?qū)ο?、可視化程序設計概念出現(xiàn)；軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達，各種實用軟件層出不窮，極大地方便了用戶。 計算機技術與通信技術相結合，計算機網(wǎng)絡把世界緊密地聯(lián)系在一起。 多媒體技術崛起，計算機集圖像、圖形、聲音、文字處理于一體，在信息處理領域掀起了一場革命，與之對應的信息高速公路正在緊鑼密鼓地籌劃實施當中。,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.5 第

18、五代計算機 從20世紀80年代開始，日本、美國、歐洲等發(fā)達國家都宣布開始新一代計算機的研究。人們普遍認為新一代計算機應該是智能型的，它能模擬人的智能行為，理解人類自然語言，并繼續(xù)向著微型化、網(wǎng)絡化發(fā)展。綜合起來大概有以下幾個研究方向。 人工智能計算機 巨型計算機 多處理機 激光計算機 超導計算機 生物晶體計算機（DNA計算機） 量子計算,1.4 電子計算機發(fā)展歷史,1.4.6 總結,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,1.5.1 布爾及邏輯代數(shù) 1847年，出版邏輯的數(shù)學分析（The Mathematical Analysis of Logic。 1854年，出版思維規(guī)律的研究邏輯

19、與概率的數(shù)學理論基礎（An Investigation of the Laws of Thought, on Which are Founded the Mathematical Theories of Logic and Probabilities。 以這兩部著作為基礎，布爾建立了一門新的數(shù)學學科邏輯代數(shù)，也稱布爾代數(shù)。它為百年后出現(xiàn)的數(shù)字計算機開關電路設計提供了最重要的數(shù)學方法和理論基礎。,邏輯代數(shù)創(chuàng)始人，英國數(shù)學家 喬治布爾(George Boole，1815-1864),1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,1.5.2 香農(nóng)及計算機開關電路 1938年，年僅22歲的香農(nóng)在碩士

20、論文的基礎上，發(fā)表論文“繼電器和開關電路的符號分析”（A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits），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。 【香農(nóng)于1948年6月和10月在貝爾系統(tǒng)技術雜志（Bell System Technical Journal）上連載發(fā)表了他影響深遠的論文“通信的數(shù)學原理”（A Mathematical Theory of Communication）；1949年，香農(nóng)又在該雜志上發(fā)表了另一著名論文“噪聲下的通信”（Communication in the Presenc

21、e of Noise）。這兩篇論文成為了信息論的奠基性著作，香農(nóng)成為信息論的奠基人?！?信息論創(chuàng)始人，美國科學家克勞德香農(nóng)(Claude Shannon，1916-2001),1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,1.5.3 圖靈、圖靈機及圖靈測試 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； ,計算機與人工智能之父，英國數(shù)學家、邏

22、輯學家 阿蘭圖靈（Alan Turing，1912-1954）,1.5.3 圖靈、圖靈機及圖靈測試 1. 圖靈機 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”(On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem)。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(Turing Machine)”的設想。,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,圖靈機模型示意圖,1.5.3 圖靈、圖靈機及圖靈測試 2. 圖靈

23、測試 1950年10月，圖靈發(fā)表一篇題為“計算機器與智能”(Computing machinery and intelligence)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。他還對智能問題從行為主義的角度給出了定義，由此提出一假想：一個人在不接觸對方的情況下，通過一種特殊的方式，和對方進行一系列的問答，如果在相當長時間內(nèi)，他無法根據(jù)這些問題判斷對方是人還是計算機，那么，就可以認為這個計算機具有同人相當?shù)闹橇?，即這臺計算機是能思維的。這就是著名的“圖靈測試”（Turing Testing）。,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,1.5.3 圖靈、圖靈

24、機及圖靈測試 3. 圖靈獎 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(Association for Computing Machinery，ACM)于1966年開始設立圖靈獎(Turing Award)，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,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,姚期智,法蘭西斯艾倫 (Frances Allen),1.5.4 阿塔納索夫及ABC計算機 在計算機發(fā)展史上，有一位被“遺忘”的電子計算機之父美國物理學家約翰阿塔納索夫。他先于莫契利

25、和埃克特提出用電子管制作計算機，提出了清晰的計算機組成三原則，并先于ENIAC制成一臺試驗樣機，可惜沒被所在的依阿華大學重視，既沒有給予足夠的投資，也沒申請專利，而后一直擱置在衣阿華大學物理樓的儲存室里。,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,被“遺忘”的電子計算機之父約翰阿塔納索夫 （John Atanasoff，1903-1995）,存放在衣阿華州立大學的ABC計算機(Atanasoff-Berry Computer),1.5.5 維納及計算機設計五原則 維納提出的現(xiàn)代計算機設計五原則： 不是模擬式，而是數(shù)字式； 由電子元件構成，盡量減少機械部件； 采用二進制，而不是十進制； 內(nèi)

26、部存放計算表； 在計算機內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)。 【維納1943年在所發(fā)表的論文“行為、目的和目的論”（Behavior, purpose, and teleology. Phil. Sci. 10(1943).）中，首次提出了“控制論”這個概念。1948年維納在麻省理工學院出版社（MIT Press）出版了里程碑式的著作控制論動物和機器中的通信與控制問題（Cybernetics: Or the Control and Communication in the Animal and the Machine. Cambridge），為控制論奠定了理論基礎，標志著它的正式誕生。】,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論

27、基礎的重要人物和思想,控制論創(chuàng)始人諾伯特維納 （Norbert Wiener，1894-1964）,1.5.6 馮諾伊曼及馮諾伊曼結構 1945年6月30日，馮諾依曼發(fā)表“101頁報告”First Draft of a Report on the EDVAC； 1946年7、8月間，馮諾依曼又提出了一個更加完善的設計報告“電子計算機邏輯設計初探”（Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument）。,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,現(xiàn)代電子計算機之父 馮諾

28、伊曼,這兩篇報告的綜合設計思想，便是著名的“馮諾依曼結構（von Neumann Architecture）”。報告明確指出： 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5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”思想),1.5.6 馮諾伊曼及馮諾伊曼結構 注意：ENIAC并不是基于“存儲程序”工作的計算機！,1.5 奠定現(xiàn)代計算機理論基礎的重要人物和思想,第一臺“存儲程序”電子計算機EDSAC，英國劍橋大學教授威爾

29、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,EDVAC,1.6 計算機在中國,中國的計算機事業(yè)開始的標志是1956年6月14日，毛澤東主席等中央領導同志在懷仁堂草坪接見了參加規(guī)劃的幾百位專家，批準了我國著名的12年科技規(guī)劃，選定了“計算機、電子學、半導體、自動化”作為發(fā)展規(guī)劃的四項緊急措施，批準中國科學院成立計算技術、半導體、電子學及自動化四個研究所。 1956年8月25日，中國科學院計算技術研究所籌備委員會成立，著名數(shù)學家華羅庚任主任，我國計算機事業(yè)由此起步。 表1.3為我國計算機發(fā)展史大事記表（19562005年）。,圖2.1 浮點數(shù)據(jù)格式,圖2.1 浮點數(shù)據(jù)格式,1.7 計算機的發(fā)展趨勢,表1.4 60年來神化般的進步,1.7 計算機的發(fā)展趨勢,1.7.1 高性能計算 高性能計算（High Performance Computing，HPC）,銀河-十億次巨型計算機,曙光4000A超級計算機,北京氣象局所用的 長城至翔刀片式服務器,1.7 計算機的發(fā)展趨勢,1.7 計算機的發(fā)展趨勢,1.7.2 普適計算 1. 什么是普適計算,普適計算示意圖2,普適計算示意圖1,1.7 計算機的發(fā)展趨勢,