计算机导论第一章计算机的基本概念.ppt

计算机导论 计算机基本概念 计算机是什么？ 计算机的基本原理 计算机的历史 1 计算机是什么？ 我们怎么定义计算机？ 我们考虑人的定义是什么？ 比如：两足行走的灵长类动物？ 比如：能使用工具的动物？唯一用背睡觉 的动物？ 为什么外星人（如果有的话）会被我们毫 不犹豫地承认为“人”？（我们似乎不在乎他们的外形） （我对人的定义）人是能够用某种语 言进行思维和交流的智慧生物。 2 计算机是什么？ 计算机（或者称为“电脑”），我们随处可 以见到、听到。超级计算机、小型机、图 形工作站、服务器、微机、笔记本电脑、 单片机 甚至很多设备（如机床）或日用品（如手 机、洗衣机、微波炉、照相机）中也大量 采用电脑控制。 3 计算机是什么？ 如果有一天，有一只动物，走到你的面前，告诉 你：“我是一个人！”你能不能断定、或者说根据 什么断定它是人或不是人？ 如果商店里摆放着一台电扇，说明书写着：微电 脑控制。你能不能断定、根据什么断定它是电脑 或不是电脑控制？ 1给它出一道数学题，看它会不会做？ 2看它的设计资料或干脆拆开，看有没有 电脑芯片？ 3. 如何根据定义判断它是不是计算机？ 4 怎样定义计算机？ 方案1：能够进行数学计算的机器？ 方案2：由基本的通用硬件组成，通过执行预 先编制好的程序，完成程序所规定的功能。 计算机最早确实是为完成计算任务设计和发 展起来的。但是，由于“程序控制”技术的出 现，“计算”已经成为次要的或从属的任务了 ！计算机通过程序能够完成的功能五花八门 ，可以说是“无所不能”！ 5 计算机定义 l定义：Computers are electronic devices that can follow instructions to accept input, process the input and then produce information. l定义：计算机是能够依照指令来接受输 入、处理输入和产生信息的电子设备。 6 计算机是什么？ 数字计算机（digital computer）对离散的 数字量进行处理，输出的结果仍然是离散的数 字量。 模拟计算机（analog computer）对连续的 物理量（电流、电压等）进行处理，获得的输 出仍然是连续的物理量。 电子计算机的分类 由于数字计算机技术的飞速发展，模拟计算机已 基本消亡。 7 计算机是什么？ 通用数字计算机（general）计算机 的设计与制造并不针对某一具体应用， 而是通过所执行的程序完成具体的功能 。 专用数字计算机（special）专门针 对某一具体应用设计的、靠硬件（有时 有少量软件）完成其功能。 专用机的趋势：用通用芯片，搭建专用 系统（嵌入式系统）。 数字计算机的分类 8 计算机是什么？ 通用计算机的分类 超级计算机（Supercomputers) 主机（Mainframe computers） 工作站（Workstations） 微机（Microcomputers），PC 微处理器（Microcontroller） 9 计算机的基本原理 考虑一个简单的逻辑问题：联合国安 理会五个常任理事国对重要问题有否 决权。假定他们不能弃权，为他们设 计一个表决器。 开关闭合表示反对 灯亮表示否决 10 计算机的基本原理 “一票否决”似乎有点霸道。这个问题有一 个很“民主”的漂亮的说法：重要问题必须 五个常任理事国一致同意才能通过。 开关闭合表示同意 灯亮表示通过 11 计算机的基本原理 问题的上述两个说法是完全等价的。 为了解决这类问题，布尔创立了布尔代数。 布尔代数中，可以证明这两个命题等价（摩 尔定理）。 12 逻辑运算 设两个开关K1和K2与一盏灯L串联，考虑它们 的关系： K1K2 L K1K2 L K1K2 L ： K1K2 L K1 and K2都为真时，L为真。我们称这种运算为 “与”运算（即and 运算）记作：LK1 and K2 13 逻辑运算 设两个开关K1和K2与一盏灯L并联，考虑它们 的关系： K1 or K2为真时，L为真。我们称这种运算为“或” 运算（即or 运算）记作：LK1 or K2 K1 K2 L K1 K2 L K1 K2 L K1 K2 L 14 逻辑运算 设一个开关K与继电器R串联，而R的常闭触点 与一盏灯L串联，考虑它们的关系： K L R K L R K 为真时，L为假；K 为假时，L为真。我们称这 种运算为“非”运算（即not 运算）记作：LK 15 计算机的基本原理 布尔代数中，任何变量或表达式只有0或1 两个值，也就是：真和假。 很有意思，布尔代数中表达的所有逻辑关 系，用对应的逻辑电路就可以实现。实际 上布尔代数的表达式本身就已经设计好了 逻辑电路！用布尔代数对逻辑表达式化简 ，等价于化简逻辑电路！这其实也不奇怪 ，很多事物都有其对立的两方面！ 16 计算机的基本原理 一个布尔表达式可以用一个逻辑电路来实 现。表达式中的所有变量是逻辑电路的输 入，而逻辑电路的输出代表了表达式在这 种输入状态下的输出。这种输出只与输入 有关的逻辑称为组合逻辑。 有些逻辑电路的输出不仅与当前输入有关 ，还与上一次的状态有关。这种电路叫做 时序电路。时序电路的逻辑可以用时序表 或状态图+布尔表达式来描述。 17 计算机的基本原理 逻辑电路可以用继电器、电子管、晶体 管和集成电路实现。过去就有全部用继 电器制造的自动电话交换机，它用非常 复杂的逻辑电路实现成千上万部电话的 自动交换功能。令人惊奇的是：有一种 继电器控制的自动电话交换机（纵横制 交换机） ，其原理居然与现在电子计 算机控制的程控交换机几乎完全一样！ 18 计算机的基本原理 逻辑电路可以实现任意逻辑功能，能不能 用逻辑电路制造一台能够进行数学计算的 机器呢？当然能！但是数学计算的逻辑关 系过于复杂，导致了这样的机器成本过高 ，难于设计和制造。 能否将数学计算分解成若干简单的步骤， 只设计一个能够实现这些简单步骤的机器 ，一步一步地完成整个计算？只要这些计 算能够自动进行，只要计算足够快. 19 计算机的基本原理 例如：如何设计一个自动织地毯机？如果 我们设计了一个能够根据卡片上的穿孔控 制色线的抬或落的机器，然后将花样信息 穿孔在一大叠卡片上，每读一张卡片织一 行，所有的卡片读完，一块美丽的地毯就 织好了！如果要想换一种花样，只要再穿 孔一叠卡片就行了！ 一台简单的计算机几乎就要诞生了！ 20 计算机的基本原理 为了实现数学计算，这样的计算机还要有一些 存储器，存储数据和中间结果。 美国科学家冯纽曼（Von Neumann）在1946年 提出了一个计算机体系结构：把程序象数据一 样存储在计算机的存储器中，用一个指令计数 器指向所要执行的指令，这个指令将会被取出 来执行。执行完毕之后指令计数器自动增加， 指向下一条指令。必要时，指令会修改指令计 数器的内容。 至此，现代计算机诞生了！ 21 计算机的基本原理 既然程序象数据一样存储在普通的存储器中 ，它们当然能被程序修改。“正在执行的指令 修改内存中的指令”这一技术最早可以用来产 生循环，现在则能用来将高级语言程序转换 成可执行程序。这一技术也被计算机病毒利 用，将有害程序到处传播。 直到现在，冯纽曼的体系结构还没有根本改 变。 22 计算机的历史 人类最早的计算工具大概是手指。Digit的本意就 是手指。中文也说“屈指可数”，可见远古时期 世界各地的人都用过手指计算。人类所用的十 进制数也起源于十指。 最早制造的计算工具有石子、算筹等。中国人创 造了算盘（abacus），直到现在还在使用。 工业时代出现了手摇计算机和对数计算尺。现在 已经见不到工程师腋下夹着一米或者半米长的 计算尺在工地上匆匆走路的情景了。 23 计算机的历史 1832年英国科学家巴贝奇（Babbage）设计了一 台真正的机械计算机，据说它的原理与现在的电 子计算机非常相似。但是巴贝奇至死也没有完成 他的创造。直到最近，英国人利用巴贝奇的资料 和遗物，终于完成了这台具有历史意义的计算机 。 乔治布尔的布尔代数以数学方法研究逻辑问题 ，奠定了计算机理论的数学基础。 美国在1900年将穿孔卡片机用到人口统计中。穿 孔卡片对以后的计算机发展起了很大的作用。 24 计算机的历史 工业时代的到来和科学技术的发展对计算精度提 出了更高的需求。当时发达国家都设有“计算局” 这样的机构，雇佣了大量的人员，计算诸如“对数 表”或“三角函数表”等大量数据。 二战时期，工业技术发展到了顶峰，可以说是“想 到的，就能造出来”！为了战争的需要，德国发明 了“密码机”。每发一个字符，齿轮都要转动，因 此每一个字符加密都是不同的，而且与上一个字 符有关。如果没有事先给定的密码，有了密码机 也解不了密. 1642年，法国数学家、物理学家 Pascal发 明了第一台计算机器 1642年，法国数学家、物理学家 Pascal发 明了第一台计算机器 25 计算机的历史 为了对付德国，波兰人研究了解密装置。但是， 仅凭机械装置，如果不知道密码，还是无法解密 。因此，急需高速的电子装置代替机械的解密装 置。 1946年，美国制成了世界上第一台电子计算机， 电子计算机时代开始了！据有关资料，实际上第 一台计算机是英国在1944年首先造出来的，但是 为了战争期间的保密，很多年以后才透漏出来。 美国的第一台计算机叫做ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer，电子数字积 分器和计算机。 26 电子计算机的发展历史算盘 27 电子计算机的发展历史对数计算尺 17世纪西方发明了对数计算尺 28 电子计算机的发展历史 1642年，法国数学家、物理学家 Pascal 发明了第一台计算机器 29 电子计算机的发展历史 1801年，美国发明了提花织机 30 电子计算机的发展历史 1832年英国数学家巴贝奇（ Babbage）的 Difference Engine 31 电子计算机的发展历史 1833年巴贝奇（Babbage）的 Analytical Engine 32 电子计算机的发展历史古代到近代 公元前五世纪，中国的算盘 1612年，John Napier 的对数 1622年，Willian Oughtred 的计算尺 1642年，Blaise Pascal 的自动进位加法机器 1822年，Charles Babbage 的差分机 1833年，Charles Babbage 的解析机，具有现 代计算机的基本部件。因而巴贝奇被认为是计 算机之父。 33 电子计算机的发展历史 20世纪初出现了许多电子机械结合的计算机器。 34 计算理论的奠基人计算理论的奠基人 lAlan Turing（19121954）1936年上研究生 时发表了一篇论文，提出了图灵机（Turing Machine），奠定了计算机科学的理论基础 。 lTuring 与 Church 合作给出了数学证 明，断言未来的计算机能够象人那样 具有思维能力（因而汉语中有了“电脑”） 。 l全世界计算机学科的最高荣誉，是图 灵奖 （美国计算机学会）。 l第二次世界大战中，Turing 领导的小组制造 出了破译德军 Enigma 密码的计算机，并成 功地完成了任务。 35 “I think there is a world market for maybe five computers.” Thomas Watson Senior， Chairman of IBM，1943 36 世界上第一台电子计算机ENIAC 1946年，美国宾夕法尼亚大学研制 37 Von Neumann 计算机 1946年，提出了存储程序的概念，他碰到的第 一台计算机是霍华德文肯的Harvard Mark I。 作为Eckert和Mauchly研发ENIAC时的顾问，他 为计算机体系结构设计了一个沿用至今的概念 。存储程序计算机后来被称为“冯诺伊曼体 系结构”，在一个“草案报告”中描述了这种 带有中央处理器，I/O，以及内存的存储程序 计算机(指令和指令所操作的数据都一起放在 内存中的计算机)，同时，存储程序计算机也 为现代计算铺平了道路。 38 第一代计算机 39 计算机走向商业化 40 41 计算机的历史 第一代计算机电子管（vacuum tube）计算机 第二代计算机晶体管（transistor）计算机 第三代计算机集成电路（integrated circuit，IC ）计算机 第四代计算机大规模（large-scale integrated， LSI）和超大规模（very large-scale integrated，VLSI ）集成电路计算机 现代电子计算机经历过四代 42 计算机的历史 第一代（19441958） 电子管计算机时代 一台电子计算机需要数千到数万个电子管，重 量达几十吨，耗电几十千瓦，占地动辄一座楼 ！运行费用极高，运行极不稳定。维修的时间 远大于运行的时间。当时最大型的计算机的处 理能力比不过现在一个芯片！ 但是它能完成人作不了的工作！ 43 计算机的历史 第二代（19591963） 晶体管计算机 1948年贝尔实验室造出了世界上第一个晶体管 。晶体管取代电子管大量应用在计算机上，使 得计算机体积和功耗减少了几十倍！成本的减 少使得人们能够制造更复杂、性能更高的计算 机。这一时期普遍采用磁芯存储器作为主存储 器。高级语言得到了广泛应用。 44 计算机的历史 第三代（19641970） 集成电路计算机 平面晶体管技术的出现，使得人们可以在一个 硅片上同时制造大量的晶体管，再把它们切割 、封装，再组装成电路。那么，为什么不把它 们在硅片上直接连成电路呢？集成电路诞生了 ！当时集成的规模是