计算机电子管计算机

认识计算机甘锐北京大学数学科学学院2010.
3.
3计算概论2什么是"计算"(computing)新华词典(2001修订版)计数;通过已知数求出未知数;筹划;打算;算计;金山词霸(2005版)根据已知量算出未知量;美国传统词典用数学方法(尤其是数字的方法)决定或测定;利用计算机决定或测定;确定数量或数字;拉丁词源Com‐算;pute估计;计算概论3什么是"计算"(computing)Definitionofcomputingina1989ACMreportComputingasaDiscipline:Thedisciplineofcomputingisthesystematicstudyofalgorithmicprocessesthatdescribeandtransforminformation:theirtheory,analysis,design,efficiency,implementation,andapplication.
Thefundamentalquestionunderlyingallcomputingis'Whatcanbe(efficiently)automated'ACM(AssociationforComputingMachinery),美国计算机协会计算概论4什么是"计算机""计算机"名称的起源:1646年正式出现"computer"这一英文单词当时是指专门从事计算工作的人;而用来计算的机器在1940年以前称为"计算器"或"制表机";直到1940年前后发明第一台电子计算设备,"计算机"这一名词才正式具备今天的内涵.
计算概论5什么是"计算机"计算机是一种能够根据存储的一系列指令,接收输入、处理数据、存储数据并产生输出的设备.
接收输入存储指令处理数据产生输出存储数据计算概论6什么是"计算机"计算机如何完成计算任务输入(Input):计算机接收由输入设备提供的数据.
处理(Processing):计算机对数据进行操作,按一定方式对它进行转换.
存储(Storage):计算机存储数据为处理所用.
主存:存放计算机正在处理的数据外存:永久性保存数据的地方输出(Output):计算机在诸如打印机或显示器等设备上产生输出,显示操作处理结果.
计算概论7什么是"计算机"外部可见的计算机系统计算概论8计算机发展简史计算机前传手工计算器,1200年~1600年机械计算器,1600年~1930年计算机原型,1937年~1946年现代计算机真空管计算机,1946年晶体管计算机,20世纪50年代后期集成电路计算机,1965年超大规模集成电路,20世纪70年代早期目前正处于第5代的酝酿期:量子生物计算概论9早期的手工计算辅助工具共同特点无法记录计算法则无法设定计算步骤作用标记计算过程记录计算结果进行数字计算的辅助工具算盘,1200年Napier乘除器,1617年移动计算尺,1621年计算概论10普遍认为的第一台机械计算器帕斯卡加法器(1642年)是一种系列齿轮组成的装置,依靠发条转动,用专用的铁笔拨动转轮以输入数字.
开始只能够做6位加法和减法.
帕斯卡(Pascal)12岁独自发现了"三角形的内角和等于180度";16岁参加巴黎数学家和物理学家小组(法国科学院的前身);17岁时写成《圆锥截线论》震惊数学家笛卡儿;18岁时开始设计计算机,帮助父亲计算税率税款;19岁第三个模型在1642年研制成功.
计算概论111958年后发现更早的机械计算器契克卡德(W.
Schickard)德国科学家,当时在图宾根(Tubingen)大学任教授.
他广泛涉猎天文学、数学和测量学等诸多领域.
1623年,契克卡德教授为自己的挚友、天文学家开普勒(Kepler)制作了一种机械计算机.
契克卡德计算机可以进行6位数加减法,或许设置了某种"溢出"响铃装置;机器上部附加一套圆柱型"纳皮尔算筹",因此也能进行乘除运算.
计算概论12工业革命前的机械计算器莱布尼茨(G.
W.
Leibnitz,1646-1716)德国伟大的数学家,提出了"二进制"的概念.
1673年在帕斯卡加法器的基础上,建造了一台能够进行四则运算的机械计算机器,轰动整个欧洲.
仍然用齿轮及刻度盘操作,计算结果可达到16位.
计算概论13工业革命时代的机械计算器1822年英国科学家巴贝奇(Babbage)制造出第一台差分机它可以处理3个不同的5位数;计算精度达到6位小数.
1834年巴贝奇提出了分析机的概念机器共分为三个部分:堆栈,运算器,控制器;企图用机械方式(蒸汽动力)实现一般意义下的计算过程;计算用的程序和数据存储于穿孔卡片上.
阿达.
奥古斯塔(AdaAugusta)为分析机编制了人类历史上第一批计算机程序.
计算概论14机械计算器的不断发展统计学家霍列瑞斯(Hollerith)源自美国人口普查1880年的人口普查1887年才完成;1890年的可能需要到1900年才能完成;Hollerith制表机(电子穿孔卡片汇总)应运而生,6个月即完成1890年人口普查数据汇总,随后两年内完成所有统计工作;1896年,Hollerith成立"计算制表记录公司",1924年改名"国际商用机器公司".
1935年:IBM制造了IBM601穿孔卡片式计算机,该计算机能够在一秒钟内计算出乘法运算.
计算概论15采用电气元件的"计算机原型"1934年德国工程师楚泽(K.
Zuse)开始研制Z1、Z2、Z3三种型号的计算机采用二进制的运算方式;以继电器为主要元件.
1941年Zuse完成了Z3的研制工作第一台可编程的电子计算机;可处理7位指数、14位小数;使用了大量的真空管;每秒种能作3到4次加法运算;一次乘法需要3到5秒.
计算概论16采用电气元件的"计算机原型"1939年约翰.
阿塔纳索夫(JohnVincentAtanasoff)制造了ABC计算机的第一台样机,并提出了计算机的三条原则(1)以二进制的逻辑基础来实现数字运算;(2)利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算,以保证计算速度;(3)采用计算功能和二进制数更新存贮功能相分离的结构.
1942年约翰·阿塔诺索夫与克里福德·贝瑞(CliffordE.
Berry)组装出了ABC计算机采用了二进制数;将电子管器件作为承载数据的媒体;设计了逻辑电路;制造了磁鼓来存储数据,发明了可重复的数据存储方法.
Atanasoff-BerryComputer计算概论17普遍认为的"第一台计算机"ENIAC(ElectronicNumericIntegratorandComputer),电子数字积分计算机宾夕法尼亚大学摩尔学院莫契利(J.
Mauchly)和埃克特(J.
Eckert);1943年开始,1945年完成,1946年2月14日正式启动;17468只电子管、7200个二极管、70000多电阻器,10000多只电容器和6000只继电器,电路的焊接点多达50万个;174000瓦功耗30米长、3米高、30吨重、占地面积为170平方米每秒5000次加法,可以在3/1000秒时间内做完两个10位数乘法.
计算概论18到底是谁发明了计算机第一台计算机的制造者1973年的ENIAC专利之争美国法院判决ENIAC不是JMMauchly&JPEckert发明的,而是由ABC的研究推导出来的;背后的故事1941年6月,Mauchly拜访了Atanasoff,并参观了已接近完成的ABC;Atanasoff由此被称为"电子计算机之父"这其实也是很有争议的;最合理的说法是"ABCisanear‐miss".
计算概论19从ENIAC到EDVACENIAC的缺点ENIAC还不是存储程序式的计算机;编程是通过手工插接线的方式进行的.
EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer),电子离散变量自动计算机1945年3月,计算技术的先驱冯·诺伊曼(JohnvonNeumann)来到莫尔学院Mauchly和Eckert进行了两天讨论,拟定了存储程序式的电子计算机的方案.
方案经冯·诺伊曼整理后于1945年6月发表—存储程序控制原理;EDVAC于1952年制造完成;EDVAC是世界上第一台存储程序计算机;是所有现代计算机的原型和范本.
JohnvonNeumann计算概论20计算机发展简史早期的计算机手工计算器机械计算器计算机原型现代计算机电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机超大规模集成电路未来的第五代早期目标:如何实现自动的计算当前目标:计算如何更快速、更方便、更经济计算概论21第一代计算机时间:20世纪40、50年代主要特点使用真空管存储数据真空管是一种控制真空中电子流动的电子装置;被设置为两个状态以表示0或1;响应比机械快,但体积大、耗能高、易烧坏ENIAC有18000个真空管,第一年运行就替换了19000个.
只能使用0/1进行编程111000000100101100110…计算机的应用并不普遍计算概论22第二代计算机时间:始于20世纪50年代后期主要特点使用晶体管存储数据晶体管由贝尔实验室于1947年发明;功能与真空管类似,但更小、更便宜、功耗更少、更可靠;产生操作系统标准化的硬件资源管理;但不可移植;产生高级编程语言Fortran,Cobol计算概论23第三代计算机时间:始于1965年主要特点使用集成电路集成电路可将成千上万的真空管或晶体管压在一个单独的微型芯片上;1958年由德州仪器公司发明;操作系统可移植C语言产生JackSt.
ClairKilby杰克基尔比计算概论24第四代计算机时间:始于20世纪70年代主要特点使用超大规模集成电路更快、更小、更便宜;第一块微处理器是1971年制造的Intel40042400个晶体管,计算能力与ENIAC相当;但尺寸只有3毫米x2毫米;而ENIAC尺寸为30米长,3米高;计算机发展出现瓶颈硬件、软件全方位地出现瓶颈;第5代计算机正在酝酿中.
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计算概论25四代计算机的对比计算概论26摩尔定律1965年Intel公司创始人之一G.
Moore提出芯片密度每18个月增加1倍;1972年第1代Intel4004芯片总共不到3000晶体管;IntelPentium芯片元件数达到千万数量级;CPU性能价格比大约18个月翻一番芯片工作速度已经达到10000MIPS的工作频率(MIPS,MillionInstructionPerSecond).
速度越来越快,价格越来越便宜.
计算概论27摩尔定律计算概论28程序设计语言简史计算概论29计算机分类微型计算机(microcomputer)工作站(Workstation超级微机)强大的图形功能,用于计算机辅助设计;个人桌面计算机(PC)服务器(小型机、中型机)速度快、存储容量大、稳定、多个处理器,可以为多个用户服务;可以安装Windows系统,大多安装Linux系统;速度较快,一般用于专业领域的桌面计算机.
计算概论30计算机分类大型计算机速度快、体积庞大、价格昂贵,用于一般的大型公司,银行和研究单位,具有很强的管理能力.
巨型计算机功能最强,速度最快(几万亿次);n万亿次以上浮点运算/秒;天气预报、地震分析、人工智能、数据可视化;国家科技水平的重要标志.
计算概论31计算机发展历史上的两个重要的人物图灵(A.
MTuring英国数学家)提出了一种理想的计算机器的数学模型—图灵机(TuringMachine).
冯·诺依曼(JohnVonNeumann美国数学家)提出了"存储程序(StoredProgram)"这一现代电子计算机的最基本的概念,并给出了解决方案.
存储程序式计算机—冯·诺依曼结构计算概论32计算机界的"诺贝尔奖"—图灵奖ACM于1966年设立的第一个奖项,是计算机界的"诺贝尔奖",主要奖励在计算机科学理论和软件方面作出重要贡献的科学家.
华裔美国科学家姚期智(AndrewChi-chihYao)由于在计算理论方面做出了诸多"根本性的、意义重大的"贡献,获得2000年度图灵奖.
这是首位(也是目前唯一一位)获得图灵奖的华裔和亚裔科学家.
姚目前是清华的客座教授.
计算概论33计算机基本使用技术了解微型机的基本部分和各部分的作用了解计算机的基本使用过程鼠标器和键盘基本使用方法和技能(键盘输入)与图形用户界面交互的基本方式一般文本编辑技术文件的使用和计算机磁盘信息管理常见计算机外部设备及其使用计算概论34计算机软件计算机网络:浏览、电子邮件和网络信息发掘等文字处理系统的使用所见即所得的文字处理系统,如WORD;数学工作者和其他科学工作者使用最广泛的文字处理系统:LATEX;基本程序设计技术和程序设计语言常用科学计算软件,如Maple,Mathematica,Matlab等(应该学习一种两种)学会使用软件系统的帮助系统,学会阅读软件的说明书(手册),学会学习新的软件