DaJiU02--计算与计算机

1、大学计算机大学计算机-计算的思想和方法计算的思想和方法大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社2 课程简介课程简介n课程定位课程定位 核心通识课，核心通识课， 计算机基础教学公共核心基础课程计算机基础教学公共核心基础课程 n授课对象授课对象 非计算机专业本科生非计算机专业本科生n教学目标教学目标l深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位和作用。和作用。 l全面培养个人的信息素养和计算思维能力。全面培养个人的信息素养和计算思维能力。 l了解计算发展的基本过程，理解发展中的主要发明了解计算发展的基本过程，理解发展中的主

2、要发明l掌握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题掌握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题求解算法。求解算法。l理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用l理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理解程序编写和程序运行的基本内涵解程序编写和程序运行的基本内涵l理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设备及其功能，理解主要的互联网应用备及其功能，理解主要的互联网应用l了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在科研中的

3、价值和意义科研中的价值和意义第第1章章 绪论绪论 第第2章章 计算与计算机计算与计算机第第3章章 问题求解与算法问题求解与算法第第4章章 数据与数据结构数据与数据结构第第5章章 计算机程序计算机程序 第第6章章 计算机网络计算机网络第第7章章 计算科学前沿计算科学前沿大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社3 第第2章章 计算与计算机计算与计算机 2.1 数与计算问题数与计算问题 2.2 计算的自动化计算的自动化 2.3 数据与数据编码数据与数据编码 2.4 计算机硬件系统计算机硬件系统 2.5 计算机中的操作系统计算机中的操作系统2.6 计算机的运行计算机的运

4、行2.7 计算机应用计算机应用知识要点知识要点数的记法，数的记法，数的符号，数的符号，阿拉伯数字，阿拉伯数字，算筹，算筹，算盘，算盘，纳皮尔筹，纳皮尔筹，计算尺，计算尺，计算器计算器 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社4U2.1 数与计算问题数与计算问题n数的起源数的起源l 数的记法数的记法l 阿拉伯数字阿拉伯数字n计算工具计算工具l 算筹算筹l 算盘算盘l 纳皮尔筹纳皮尔筹l 计算尺计算尺l 计算器计算器大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社5数的起源数的起源n语言的产生，产生了数语言的产生，产生了数l 最早的数的概念是

5、最早的数的概念是“有有”和和“无无”，l 后来把后来把“有有”分成了分成了“一一”、“二二”、“三三”和和“多多”等不同等不同情况情况 n数的记法数的记法l 考古发现考古发现u中东地区，在树木或者石头上刻中东地区，在树木或者石头上刻痕划印来记录流逝的日子痕划印来记录流逝的日子u大约在大约在5000年以前，埃及的祭年以前，埃及的祭司在一种用芦苇制成的草纸上书司在一种用芦苇制成的草纸上书写数的符号写数的符号 u公元前公元前1500年，南美洲秘鲁印年，南美洲秘鲁印加族，习惯于加族，习惯于“结绳记数结绳记数” u中国先民也是中国先民也是“结绳而治结绳而治” ，后来又改为后来又改为“书契书契” l 数字

6、符号记数数字符号记数u阿拉伯数字阿拉伯数字u罗马数字罗马数字u大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社6计算工具计算工具-算筹算筹n算筹算筹l 是我国古代发明的记数和计算工具。据史书记载和考古发现，古代的算筹是一根根同是我国古代发明的记数和计算工具。据史书记载和考古发现，古代的算筹是一根根同样长短和粗细的小棍子，长约样长短和粗细的小棍子，长约12厘米左右，径粗厘米左右，径粗2到到3毫米，多用竹子制成，也有用毫米，多用竹子制成，也有用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的，大约二百七十几枚为一束，放在一个布袋里，木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的，大约二百七十几枚为一

7、束，放在一个布袋里，系在腰部随身携带。系在腰部随身携带。 l 算筹最晚出现在春秋晚期战国初年，即公元前算筹最晚出现在春秋晚期战国初年，即公元前722年公元前年公元前221，算筹在中国使用，算筹在中国使用了两千多年，直到后来算盘被推广以后，才逐渐被取代。了两千多年，直到后来算盘被推广以后，才逐渐被取代。 n算筹记数算筹记数布筹，布筹，十进制思想十进制思想n算筹计算算筹计算-筹算筹算大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社7计算工具计算工具-算盘算盘n算盘算盘l用算珠代替了算筹，用木棒将算珠穿起来，固定在木框用算珠代替了算筹，用木棒将算珠穿起来，固定在木框上上, 用

8、手指拨动算珠代替移动算筹。这种美妙的设计是对用手指拨动算珠代替移动算筹。这种美妙的设计是对算筹的绝好改进。算筹的绝好改进。l算盘是我国的伟大发明，人们往往把算盘的发明与中国算盘是我国的伟大发明，人们往往把算盘的发明与中国古代四大发明相提并论。古代四大发明相提并论。l最早可以追溯到公元前最早可以追溯到公元前700多年。多年。大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社8计算工具计算工具-纳皮尔筹纳皮尔筹n1612年，英国数学家纳皮尔（年，英国数学家纳皮尔（Napier，1550年年1617年，对数的创始人）年，对数的创始人）发明了一种筹算工具，即纳皮尔筹。发明了一种筹

9、算工具，即纳皮尔筹。n用加法和一位数乘法代替多位数乘法，也可以用除法和减法代替多位数用加法和一位数乘法代替多位数乘法，也可以用除法和减法代替多位数的除法，从而简化了计算。的除法，从而简化了计算。大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社9计算工具计算工具-计算尺计算尺n计算尺发明于大约计算尺发明于大约16201630年，在年，在John Napier对数概念发表后不久。对数概念发表后不久。n计算尺的数学原理计算尺的数学原理大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社10计算工具计算工具机械式计算机机械式计算机n机械式计算机机械式计算机n

10、电子计算器电子计算器大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社11计算工具计算工具电子计算器电子计算器n机械式计算机机械式计算机n电子计算器电子计算器大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社12 第第2章章 计算与计算机计算与计算机 2.1 数与计算问题数与计算问题 2.2 计算的自动化计算的自动化 2.3 数据与数据编码数据与数据编码 2.4 计算机硬件系统计算机硬件系统 2.5 计算机中的操作系统计算机中的操作系统2.6 计算机的运行计算机的运行2.7 计算机应用计算机应用知识要点知识要点差分机，差分机，机电式计算机，机电式计算

11、机，数理逻辑，数理逻辑，布尔代数，布尔代数，形式化，形式化，产生式，产生式，形式语言，形式语言，算法可计算函数，算法可计算函数，图灵机，图灵机，判定问题，判定问题，停机问题，停机问题， ENIAC计算机，计算机，UNIVAC计算机，计算机，ABC计算机，计算机，计算机的发展。计算机的发展。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社13U2.2 计算的自动化计算的自动化 n计算机产生的前夜计算机产生的前夜n计算机的理论基础计算机的理论基础n计算模型与图灵机计算模型与图灵机n电子计算机的诞生电子计算机的诞生n计算机的发展计算机的发展大学计算机计算的思想和方法（第3版

12、），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社14计算机产生的前夜计算机产生的前夜-1n巴贝奇和巴贝奇和“差分机差分机”l灵感：灵感：约瑟夫约瑟夫玛丽玛丽杰卡德织布机，打杰卡德织布机，打洞卡片系统来控制织布机上的编织图样洞卡片系统来控制织布机上的编织图样uIBM创建者赫门创建者赫门荷勒里斯荷勒里斯(Herman Hollerith)使用打洞卡来记录数据和做计算使用打洞卡来记录数据和做计算机程序设计都受杰卡德织布机的启发。机程序设计都受杰卡德织布机的启发。IBM为纪念纺织工业，为纪念纺织工业，1994年将其操作系统命年将其操作系统命名为名为OS/2 Warp l 1822年完成了第一台差分机。所谓年完成

13、了第一台差分机。所谓“差分差分”的含义，是把函数表的复杂算式转化为差的含义，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。分运算，用简单的加法代替平方运算。n分析机分析机l 1834年提出年提出l “存贮库存贮库” ，“运算室运算室” ，送入和取出，送入和取出数据的机构数据的机构n奥古斯塔奥古斯塔爱达爱达拜伦（拜伦（Augusta Ada Byron，18151852）大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社15计算机产生的前夜计算机产生的前夜-2n制表机制表机l 1888年，美国著名统计学家赫尔曼年，美国著名统计学家赫尔曼霍列瑞斯（霍列瑞斯（H

14、erman Hollerith，18601929）发明了制表机）发明了制表机l 根据织布机的原理，利用穿孔卡片输入和储存数据，开发了卡片制表系统，根据织布机的原理，利用穿孔卡片输入和储存数据，开发了卡片制表系统，这一系统被认为是现代计算机的雏形。这一系统被认为是现代计算机的雏形。l 1890年，制表系统在美国的人口普查中得到应用年，制表系统在美国的人口普查中得到应用 n1896年，年，Hollerith成立制表机器公司成立制表机器公司n1911年，组成计算机制表公司年，组成计算机制表公司n1924年，公司更名为国际商业机器公司（年，公司更名为国际商业机器公司（International Bus

15、iness Machines Corporation，IBM）n1952 年，转型，进军计算机领域年，转型，进军计算机领域 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社16计算机产生的前夜计算机产生的前夜-3n机电式计算机机电式计算机l 1937年，艾肯正式提出一份题为年，艾肯正式提出一份题为自动计算机的设想自动计算机的设想的论文，提的论文，提出把各单元记录机器连接在一起，并利用打孔纸予以控制的构想。出把各单元记录机器连接在一起，并利用打孔纸予以控制的构想。l 他还提出要采用机电方法而不是纯机械的方法来实现巴贝奇关于分析他还提出要采用机电方法而不是纯机械的方法来实现

16、巴贝奇关于分析机的想法。机的想法。n通用机电式计算机通用机电式计算机Mark-1l IBM资助资助100万万l 其指令是用穿孔纸带来输入机器，指令在存储器、运算器和控制器中其指令是用穿孔纸带来输入机器，指令在存储器、运算器和控制器中进行处理，运算的结果可以出现在穿孔卡片上并且指令可以更新。进行处理，运算的结果可以出现在穿孔卡片上并且指令可以更新。l 1944年年8月，月，IBM将将Mark-1赠给哈佛大学，它在哈佛大学服役了赠给哈佛大学，它在哈佛大学服役了15年，年，主要任务是为美国海军进行计算，包括后勤服务、射击弹道以及极为主要任务是为美国海军进行计算，包括后勤服务、射击弹道以及极为保密的第

17、一颗原子弹的数学模拟等，直到保密的第一颗原子弹的数学模拟等，直到1959年才被淘汰。年才被淘汰。l Mark-1在计算机发展史上占据重要地位，是电子计算机产生之前的在计算机发展史上占据重要地位，是电子计算机产生之前的最后一台著名的计算机，许多现代计算机先驱者都在这台机器上工作最后一台著名的计算机，许多现代计算机先驱者都在这台机器上工作过。过。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社17计算机的理论基础计算机的理论基础n数理逻辑数理逻辑n布尔代数布尔代数n可计算性理论可计算性理论n判定问题判定问题n形式化与形式语言形式化与形式语言大学计算机计算的思想和方法（第3

18、版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社18数理逻辑数理逻辑n数理逻辑的产生数理逻辑的产生l 古希腊哲学家亚里士多德（公元前古希腊哲学家亚里士多德（公元前384年公元前年公元前322年）创建了逻辑学，这是一年）创建了逻辑学，这是一门探索、阐述和确立有效推理原则的学问。门探索、阐述和确立有效推理原则的学问。 l 莱布尼茨，莱布尼茨，“通用的科学语言通用的科学语言”，可以把推理过程像数学一样利用公式来进行计算，可以把推理过程像数学一样利用公式来进行计算，从而得出正确的结论。从而得出正确的结论。 u 他认为他认为“精炼我们的推理的唯一方式是使它们同数学一样切实，这样我们能一眼就找出我精炼我们的推理的

19、唯一方式是使它们同数学一样切实，这样我们能一眼就找出我们的错误，并且在人们有争议的时候，我们可以简单的说：让我们计算，而无须进一步的们的错误，并且在人们有争议的时候，我们可以简单的说：让我们计算，而无须进一步的忙乱，就能看出谁是正确的。忙乱，就能看出谁是正确的。” u 为此，莱布尼茨还设计了演算推论器为此，莱布尼茨还设计了演算推论器l 1847年，英国数学家布尔发表了年，英国数学家布尔发表了逻辑的数学分析逻辑的数学分析，建立了，建立了“布尔代数布尔代数”，并，并创造一套符号系统创造一套符号系统 l 1884年，德国数学家弗雷格，引入量词（如年，德国数学家弗雷格，引入量词（如“全部全部”、“有些

20、有些”、“无无”等范畴）等范畴）的符号的符号 n数理逻辑数理逻辑l 数理逻辑又称符号逻辑、理论逻辑数理逻辑又称符号逻辑、理论逻辑 l 数理逻辑又称符号逻辑、理论逻辑。它既是数学的一个分支，也是逻辑学的一个分数理逻辑又称符号逻辑、理论逻辑。它既是数学的一个分支，也是逻辑学的一个分支，它并不属于单纯的逻辑学范畴。它就是要用数学的方法研究关于推理、证明等支，它并不属于单纯的逻辑学范畴。它就是要用数学的方法研究关于推理、证明等逻辑或形式逻辑问题，其研究对象是对证明和计算这两个直观概念进行符号化以后逻辑或形式逻辑问题，其研究对象是对证明和计算这两个直观概念进行符号化以后的形式系统。的形式系统。 n研究范

21、畴研究范畴l 逻辑演算（包括逻辑演算（包括命题演算命题演算和谓词演算）、模型论、证明论、递归论和公理化集合论和谓词演算）、模型论、证明论、递归论和公理化集合论 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社19布尔代数布尔代数n1847年，英国人乔治年，英国人乔治布尔（布尔（George Boole，18151864）发表）发表思维思维规律研究规律研究创立逻辑代数学，成功地把形式逻辑归结为一种代数，逻创立逻辑代数学，成功地把形式逻辑归结为一种代数，逻辑中的各种命题能够使用数学符号来代表，并能依据规则推导出相应辑中的各种命题能够使用数学符号来代表，并能依据规则推导出相应

22、于逻辑问题的适当结论。于逻辑问题的适当结论。n布尔代数布尔代数l 四元组四元组， l 三种逻辑关系三种逻辑关系u“与（与（And）”、“或（或（Or）”、“非（非（Not）”l 逻辑值逻辑值u“真（真（True）”、“假（假（False）”n布尔代数为自动化技术、电子计算机的逻辑设计提供了理论基础，为布尔代数为自动化技术、电子计算机的逻辑设计提供了理论基础，为数字电子计算机的二进制、开关逻辑元件和逻辑电路的设计辅平了道数字电子计算机的二进制、开关逻辑元件和逻辑电路的设计辅平了道路。路。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社20形式化与形式语言形式化与形式语言

23、n在自然语言中，容易产生歧义和二义性。为了克服自然语言表达上的不够明在自然语言中，容易产生歧义和二义性。为了克服自然语言表达上的不够明确、繁杂、歧义、二义性等问题，人们提出了形式化语言和形式化方法的概确、繁杂、歧义、二义性等问题，人们提出了形式化语言和形式化方法的概念。念。n形式化方法形式化方法l 用符号、图形等对事物进行描述，并且完全撇开符号本身的意义，根据某些只涉及用符号、图形等对事物进行描述，并且完全撇开符号本身的意义，根据某些只涉及符号书面形态的转换规则来进行符号操作符号书面形态的转换规则来进行符号操作 l 和自然语言相比，形式化可以精确地表达各种数据，揭示各种逻辑规律，制定相应和自然

24、语言相比，形式化可以精确地表达各种数据，揭示各种逻辑规律，制定相应的逻辑规则，使各种理论体系更加严密。的逻辑规则，使各种理论体系更加严密。 n形式语言形式语言l 也称代数语言，它是一种抽象的符号系统，运用形式模型对人工语言或自然语言进也称代数语言，它是一种抽象的符号系统，运用形式模型对人工语言或自然语言进行理论上的表达、描写和分析。行理论上的表达、描写和分析。l 它包括任意集合的一个字母表，以及按一定规律构成的句子或符号串的有限或无限它包括任意集合的一个字母表，以及按一定规律构成的句子或符号串的有限或无限的集合。的集合。 l 形式文法形式文法u 产生式规则产生式规则 基本形式为：基本形式为：P

25、Q 或者或者 IF P THEN Q u 形式文法形式文法G通常是一个四元组，即通常是一个四元组，即G=（VN, VT, S, P）u 分类：无限制文法、上下文相关文法、上下文无关文法和正规文法分类：无限制文法、上下文相关文法、上下文无关文法和正规文法 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社21计算模型与图灵机计算模型与图灵机n可计算性理论可计算性理论n图灵机图灵机n判定问题判定问题大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社22可计算性理论可计算性理论n在在20世纪以前，人们普遍认为，所有的问题类都是有算法的，人们的计算研世纪以前

26、，人们普遍认为，所有的问题类都是有算法的，人们的计算研究就是找出算法来。究就是找出算法来。n可计算性可计算性l 1934年，美国普林斯顿大学数学教授库尔特年，美国普林斯顿大学数学教授库尔特哥德尔哥德尔u 凡算法可计算函数都是一般递归函数，反之亦然。凡算法可计算函数都是一般递归函数，反之亦然。 l 1936年，美国数学家丘奇年，美国数学家丘奇u 证明了他提出的证明了他提出的可定义函数与一般递归函数是等价的可定义函数与一般递归函数是等价的u 提出算法可计算函数等同于一般递归函数或提出算法可计算函数等同于一般递归函数或可定义函数，这就是著名的可定义函数，这就是著名的“丘奇论点丘奇论点” l 至此，用

27、一般递归函数给出了可计算函数的严格数学定义，但在具体的计算过程中，至此，用一般递归函数给出了可计算函数的严格数学定义，但在具体的计算过程中，就某一步运算而言，选用什么初始函数和基本运算仍有不确定性。就某一步运算而言，选用什么初始函数和基本运算仍有不确定性。n图灵机图灵机l 算法可计算函数就是这种自动机能计算的函数算法可计算函数就是这种自动机能计算的函数 l 证明了图灵机可计算函数与证明了图灵机可计算函数与可定义函数是等价的，从而拓广了丘奇论点，得出：可定义函数是等价的，从而拓广了丘奇论点，得出：算法可计算函数等同于一般递归函数或算法可计算函数等同于一般递归函数或可定义函数或图灵机可计算函数。可

28、定义函数或图灵机可计算函数。 l 意义意义u 相当完善地解决了可计算函数的精确定义问题，对数理逻辑的发展起了巨大的推动作用，相当完善地解决了可计算函数的精确定义问题，对数理逻辑的发展起了巨大的推动作用，对计算理论的严格化，对计算机科学的形成和发展都具有奠基性的意义。对计算理论的严格化，对计算机科学的形成和发展都具有奠基性的意义。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社23图灵机图灵机n1936年，图灵在可计算性理论的研究中，提出了一个通用的抽象计算年，图灵在可计算性理论的研究中，提出了一个通用的抽象计算模型。模型。n图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数

29、学运算的过程，他图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程归结为两种简单的动作：（把这样的过程归结为两种简单的动作：（1）在纸上写上或擦除某个符）在纸上写上或擦除某个符号；（号；（2）把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。）把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。 n为了模拟人的这种运算过程，图灵构造了一台抽象的机器，即图灵机为了模拟人的这种运算过程，图灵构造了一台抽象的机器，即图灵机（Turing Machine）。）。大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社24图灵机概念图图灵机概念图n关于图灵机，有多种不同的画法关于图灵机，

30、有多种不同的画法大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社25停机问题停机问题n停机，是指图灵机内部达到一个结果状态、指令表上没有停机，是指图灵机内部达到一个结果状态、指令表上没有的状态或符号对偶，从而导致计算终止。的状态或符号对偶，从而导致计算终止。 n停机问题则是指是否存在一个算法，对于任意给定的图灵停机问题则是指是否存在一个算法，对于任意给定的图灵机都能判定任意的初始格局是否会导致停机。机都能判定任意的初始格局是否会导致停机。 n“判定问题判定问题”，指判定所谓，指判定所谓“大量问题大量问题”是否具有算法解，是否具有算法解，或者是否存在可行的方法使得对该问题

31、类的每一个特例都或者是否存在可行的方法使得对该问题类的每一个特例都能在有限步骤内机械地判定它是否具有某种性质（如是否能在有限步骤内机械地判定它是否具有某种性质（如是否真，是否可满足或是否有解等，随大量问题本身的性质而真，是否可满足或是否有解等，随大量问题本身的性质而定）的问题。定）的问题。大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社26电子计算机的诞生电子计算机的诞生n电子技术的发展电子技术的发展nENIAC计算机计算机n巨人计算机巨人计算机nABC计算机计算机大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社27电子技术的发展电子技术的发展n

32、早在公元前六世纪，静电现象早在公元前六世纪，静电现象n人类关于电及其应用的研究人类关于电及其应用的研究l 1785年，法国工程师、物理学家库仑，从实验室确定了电荷间的相互作用力，年，法国工程师、物理学家库仑，从实验室确定了电荷间的相互作用力，创立了静电学中著名的创立了静电学中著名的“库仑定律库仑定律” l 1820年，年，奥斯特奥斯特在物理学领域的研究中意外的发现载流导线的电流会产生作用在物理学领域的研究中意外的发现载流导线的电流会产生作用力于磁针，使磁针改变方向。正式向学术界宣告发现了力于磁针，使磁针改变方向。正式向学术界宣告发现了电流磁效应电流磁效应，推翻了安，推翻了安培和毕奥等物理学家认

33、为电和磁不会有任何联系的论断，从而揭开了电学理论培和毕奥等物理学家认为电和磁不会有任何联系的论断，从而揭开了电学理论新的一页新的一页l 1826年，德国物理学家乔治年，德国物理学家乔治西蒙西蒙欧姆，欧姆定律欧姆，欧姆定律l 1831年，英国物理学家、化学家年，英国物理学家、化学家法拉第法拉第，发现，发现电磁感应效应电磁感应效应 l 1833年，俄国物理学家椤次，建立确定感应电流方向的定则年，俄国物理学家椤次，建立确定感应电流方向的定则椤次定则椤次定则 l 1844年，电流热效应定律，即焦耳椤次定律年，电流热效应定律，即焦耳椤次定律l 1855年，麦克斯韦年，麦克斯韦u 麦克斯韦方程组麦克斯韦方

34、程组u 预言了电磁波的存在（预言了电磁波的存在（1865）u 光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系l 1888年，赫兹年，赫兹 实验实验l 1896年，马可尼年，马可尼 ，无线电通讯实验，无线电通讯实验 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社28电子技术的发展（续）电子技术的发展（续）l1904年，弗莱明，发明了第一只电子管，他把这种年，弗莱明，发明了第一只电子管，他把这种装有两个极的电子管称为二极管装有两个极的电子管称为二极管l1906年，德弗雷斯年，德弗雷斯 发明了电子三极管发明了电子

35、三极管 l不管是电子二极管还是电子三极管，都是一种在气不管是电子二极管还是电子三极管，都是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。由于参与工作的电极被封装在一个真空的容器内由于参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而又名（管壁大多为玻璃），因而又名“真空管真空管”（Vacuum Tube）。）。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社29发电机和电动机（发电机和电动机（Generator an

36、d Electric motor）n理论上的进展理论上的进展l1820年丹麦物年丹麦物 理学家奥斯特发现电流的磁效应，理学家奥斯特发现电流的磁效应，l1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应年英国物理学家法拉第发现电磁感应 n19世纪工业化生产的发展，急切地呼唤着更方便、更强大的能源动力。这就从科学世纪工业化生产的发展，急切地呼唤着更方便、更强大的能源动力。这就从科学原理和社会需求两方面，为发电机和电动机的发明与改进创造了条件。原理和社会需求两方面，为发电机和电动机的发明与改进创造了条件。n发电机发电机l1832年，法国人皮克斯（年，法国人皮克斯（Hippolyte Pixii，1808183

37、5）制造出了世界上第一台手摇发）制造出了世界上第一台手摇发电机，其转子为永磁铁，输出直流电，但电流十分微弱，无实用价值。电机，其转子为永磁铁，输出直流电，但电流十分微弱，无实用价值。 l1866年，德国科学家年，德国科学家W西门子（西门子（Werner von Siemens，18161892）以电磁铁代替永）以电磁铁代替永磁铁，研制成功第一台自激式发电机，实现了靠自身发出电流为电磁铁励磁的自激式发电磁铁，研制成功第一台自激式发电机，实现了靠自身发出电流为电磁铁励磁的自激式发电机原理。至此，发电机开始进入实用阶段，并可以为社会提供大量廉价的电能。机原理。至此，发电机开始进入实用阶段，并可以为社

38、会提供大量廉价的电能。 n电动机电动机l1834年，德国物理学家雅可比（年，德国物理学家雅可比（Moritz Hermann von Jacobi，18011874）采用电池）采用电池供电、电磁铁作转子，制成了第一台电动机。供电、电磁铁作转子，制成了第一台电动机。4年后，他用改进后的电动机成功地驱动一年后，他用改进后的电动机成功地驱动一条小船在易北河上航行。条小船在易北河上航行。 l1888年美国电工学家特斯拉（年美国电工学家特斯拉（Nikola Tesla，18571945）和意大利物理学家、电工技）和意大利物理学家、电工技师菲拉利斯（师菲拉利斯（G.Frraris，18471879）发明了

39、交流电动机之后，电动机的大规模推广应）发明了交流电动机之后，电动机的大规模推广应用才得以实现。用才得以实现。 发电机和电动机的发明与推广，引发了历史上第二次产业革命发电机和电动机的发明与推广，引发了历史上第二次产业革命电气革命，使人类电气革命，使人类的生产、生活发生了巨大的变化，拉开了电气化时代的序幕。的生产、生活发生了巨大的变化，拉开了电气化时代的序幕。大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社30ENIAC计算机计算机n宾夕法尼亚大学莫尔学院宾夕法尼亚大学莫尔学院l约翰约翰莫齐利（莫齐利（John Mauchly，1907年年1980年年 ）l布雷斯帕布雷斯帕

40、埃克特（埃克特（Presper Eckert，19191995 ）l研制方案：高速电子管计算装置的使用（研制方案：高速电子管计算装置的使用（1943开始）电子数字积分计算机开始）电子数字积分计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer） l1944年，约翰年，约翰冯冯诺伊曼（诺伊曼（John Von Nouma，1903年年1957年）年） 加入加入l1945年年2月月15日，美国宣布第一台通用电子计算机埃尼阿克（日，美国宣布第一台通用电子计算机埃尼阿克（ENIAC）在宾夕法尼亚大学）在宾夕法尼亚大学研制成功。研制成功。n ENIA

41、Cl占地占地170平方米，有平方米，有10个房间那么大小，重个房间那么大小，重30吨，使用了吨，使用了17468只电子管，只电子管，7200个二极管，个二极管，70000多只电阻器，多只电阻器，10000多只电容器，多只电容器，6000多只继电器，只电路的焊接点就多达多只继电器，只电路的焊接点就多达50万个，万个，有有30个操作台。每一次运算速度每秒个操作台。每一次运算速度每秒5000次加法运算，用它完成每一条弹道的计算只需次加法运算，用它完成每一条弹道的计算只需几分钟，而过去即使一个熟练计算员，使用手摇计算器计算一条弹道也要花几分钟，而过去即使一个熟练计算员，使用手摇计算器计算一条弹道也要花

42、20个小时。个小时。它耗电它耗电150千瓦，由于耗电量巨大，当打开电源时，整个费城的电灯都为之变暗。千瓦，由于耗电量巨大，当打开电源时，整个费城的电灯都为之变暗。 n1947年莫奇利和埃克特离开宾夕法尼亚大学，在费城一个临街的小楼里创立了年莫奇利和埃克特离开宾夕法尼亚大学，在费城一个临街的小楼里创立了“埃埃克特克特莫契利计算机公司莫契利计算机公司” n1951年年6月月14日，莫奇利和埃克特再次联袂，在日，莫奇利和埃克特再次联袂，在“ENIAC”基础上生产了通用自动基础上生产了通用自动计算机计算机UNIVAC（UNIVersal Automatic Computer），并交付美国人口统计局使用

43、。），并交付美国人口统计局使用。 n计算机技术史研究中一般都认为：计算机技术史研究中一般都认为：1951年年6月月14日，标志着人类社会进入了计算机日，标志着人类社会进入了计算机时代。时代。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社31巨人计算机巨人计算机n图灵在第二次世界大战中从事密码破译工作，图灵在第二次世界大战中从事密码破译工作，这其中涉及到电子计算机的设计和研制，他服这其中涉及到电子计算机的设计和研制，他服务的机构曾于务的机构曾于1943年研制成年研制成CO-LOSSUS（巨人）（巨人）计算机，这台机器的设计采用了图灵提出的某计算机，这台机器的设计采用了

44、图灵提出的某些概念些概念 n巨人机共生产了巨人机共生产了10台，用它们出色地完成了密台，用它们出色地完成了密码破译工作。码破译工作。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社32ABC计算机计算机n阿塔纳索夫（阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoft，19041995）和贝利（）和贝利（Clifford Berry，19181963）在在1937年到年到1941年开发的阿塔纳索夫年开发的阿塔纳索夫-贝瑞计算贝瑞计算机（机（Atanasoff-Berry Computer，简称，简称ABC）。）。 n20世纪世纪70年代，曾经出现过年代，曾经出现过

45、ENIAC和和ABC谁是谁是世界上的第一台计算机之争，只不过打官司的世界上的第一台计算机之争，只不过打官司的不是两台计算机的设计者本人，而是不是两台计算机的设计者本人，而是Honeywell和和Sperry Rand两家计算机公司。两家计算机公司。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社33计算机的发展计算机的发展n第一代计算机（第一代计算机（1946年年1956年）年） n第二代计算机（第二代计算机（1957年年1964年）年） n第三代计算机（第三代计算机（1965年年1969年）年） n第四代计算机（第四代计算机（1970年）年） n第五代第五代n第六代

46、第六代新型计算机新型计算机大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社34第一代计算机（第一代计算机（1946年年1956年）年）n电子管计算机电子管计算机n埃尼亚克（埃尼亚克（ENIVAC） n特点是：特点是：l 采用电子管作基础元件采用电子管作基础元件u电子管元件有许多明显的缺点，例如，体积大，耗电量大，运行电子管元件有许多明显的缺点，例如，体积大，耗电量大，运行时产生大量的热量，可靠性较差，价格昂贵时产生大量的热量，可靠性较差，价格昂贵l 使用汞延迟线作存储设备，后来逐渐过渡到用磁芯存储器；使用汞延迟线作存储设备，后来逐渐过渡到用磁芯存储器；l 输入、输出设备

47、主要是用穿孔卡片，用户使用起来很不方便；输入、输出设备主要是用穿孔卡片，用户使用起来很不方便；l 系统软件非常原始，用户使用二进制机器语言进行编程。系统软件非常原始，用户使用二进制机器语言进行编程。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社35第二代计算机（第二代计算机（1957年年1964年）年）n1947年年12月月16日，美国贝尔实验室的肖克利日，美国贝尔实验室的肖克利 、巴丁、巴丁 和布拉顿和布拉顿 发明了晶体管发明了晶体管n晶体管不仅能实现电子管的功能，同时它具有体积晶体管不仅能实现电子管的功能，同时它具有体积小、重量轻、发热少、功耗低、效率高、寿命长

48、等小、重量轻、发热少、功耗低、效率高、寿命长等优点。使用晶体管以后，电子线路的结构大大改观，优点。使用晶体管以后，电子线路的结构大大改观，于是，晶体管开始被用来作为计算机元件于是，晶体管开始被用来作为计算机元件n1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名管线路的计算机，取名“催迪克催迪克”（TRADIC），），装有装有800个晶体管。个晶体管。 n1958年，美国的年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机体管的计算机RCA501型。型。 n1959年，年，IBM公司生产出全部晶体管化的电子

49、计算公司生产出全部晶体管化的电子计算机机IBM7090。n晶体管和印刷电路，因此计算机体积不断缩小，功晶体管和印刷电路，因此计算机体积不断缩小，功能不断增强。能不断增强。n在在1957年，计算机高级程序语言年，计算机高级程序语言FORTRAN和和COBOL相继面世，并被应用于第二代电子计算机编相继面世，并被应用于第二代电子计算机编程程 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社36第三代计算机（第三代计算机（1965年年1969年）年） n1958年年9月月12日，杰克日，杰克基尔比基尔比 和罗伯特和罗伯特诺伊思诺伊思 发明了集成电路。发明了集成电路。n集成电路（

50、集成电路（Integrated Circuit，IC）是一种微型电子器件或部件，它是经过氧化、光刻、扩散、外）是一种微型电子器件或部件，它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及连延、蒸铝等半导体制造工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及连接导线全部集成在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后焊接封装在一个管接导线全部集成在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后焊接封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。n按功能结构分类

51、按功能结构分类l模拟集成电路模拟集成电路l数字集成电路数字集成电路l数数/模混合集成电路模混合集成电路 n按制作工艺分按制作工艺分l半导体集成电路半导体集成电路l膜集成电路膜集成电路 n按规模分按规模分lSSI小规模集成电路（小规模集成电路（Small Scale Integrated circuits）lMSI中规模集成电路（中规模集成电路（Medium Scale Integrated circuits）lLSI大规模集成电路（大规模集成电路（Large Scale Integrated circuits）lVLSI 超大规模集成电路（超大规模集成电路（Very Large Scale I

52、ntegrated circuits） n第三代计算机是指采用中、小规模集成电路制造的电子计算机第三代计算机是指采用中、小规模集成电路制造的电子计算机。 n60年代末大量生产，其机种多样化、系列化，外部设备品种繁多，并开始与通信设备相结合，从而年代末大量生产，其机种多样化、系列化，外部设备品种繁多，并开始与通信设备相结合，从而发展为由多机组成的计算机网，从此计算机走入了网络时代。发展为由多机组成的计算机网，从此计算机走入了网络时代。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社37第四代计算机（第四代计算机（1970年）年）n第四代计算机是指从第四代计算机是指从19

53、70年以后采用大规模集成电路年以后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件制）为主要电子器件制成的计算机。成的计算机。l 大规模集成电路大规模集成电路LSI通常指集成度通常指集成度-1千和千和1万之间的集成电路万之间的集成电路l 超大规模集成电路是指集成度在超大规模集成电路是指集成度在1万到万到100万之间万之间n微处理器（微处理器（Micro Process Unit，MPU）。微处理器具有计）。微处理器具有计算机中央处理器（算机中央处理器（Central Process Unit，CPU）的计算和）的计算和控制单元控制单元 n个人计算机

54、时代的来临个人计算机时代的来临大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社38第四代计算机（第四代计算机（1970年）发展年）发展n第一阶段（第一阶段（19711973年）年） l1971， Intel 4004u在在4.2mm3.2mm的硅片上，集成了的硅片上，集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，外层有微米，外层有16只针脚只针脚 u最高频率有最高频率有740kHz，能执行，能执行4位运算，支持位运算，支持8位指令集及位指令集及12位地址集位地址集l1972，Intel 8008n第二阶段（第二阶段（19731977年）

55、年）l1973年，年，Intel 8080l1975年，摩托罗拉公司的年，摩托罗拉公司的M6800l1976年，齐洛格（年，齐洛格（Zilog）公司）公司 Z80n第三阶段（第三阶段（19781983年）年）l1978年，年，Intel 8086，16位位l1981年，年，IBMPCn第四阶段（第四阶段（19831992）l第四代微处理器（第四代微处理器（32位）位） lCOMPAQ 386、AST 386 l1989年，英特尔推出年，英特尔推出80486芯片，集成了芯片，集成了120万个晶体管，时钟频率从万个晶体管，时钟频率从25MHz逐步提高到逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

56、n第五阶段（第五阶段（19932005）l1993年年3月月22日，日，Intel公司推出了公司推出了Pentium或称或称P5，具有，具有64位的内部数据通道，集成了位的内部数据通道，集成了310万个晶体管，工作万个晶体管，工作电压从电压从5V降到降到3V n第六阶段（第六阶段（2006） l2006年年7月月27日，英特尔发布了日，英特尔发布了Core 2 Duo（酷睿（酷睿2） 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社39集成电路技术的发展集成电路技术的发展n电路集成度的增长主要取决于两个因素电路集成度的增长主要取决于两个因素l 一是晶体生长技术的水平；一

57、是晶体生长技术的水平；l 二是制造设备、加工精度、自动化程度和可靠性，使器件尺寸进入深亚微二是制造设备、加工精度、自动化程度和可靠性，使器件尺寸进入深亚微米级领域。米级领域。n发展水平发展水平l 1993年，随着集成了年，随着集成了1000万个晶体管的万个晶体管的16M FLASH和和256M DRAM的研的研制成功，集成电路进入了特大规模集成电路制成功，集成电路进入了特大规模集成电路ULSI （Ultra Large-Scale Integration）时代，集成组件数在）时代，集成组件数在107109个之间。个之间。 l 1994年，集成年，集成1亿个元件的亿个元件的1G DRAM的研制成

58、功，进入巨大规模集成电的研制成功，进入巨大规模集成电路路GSI（Giga Scale Integration）时代，巨大规模集成电路的集成组件数）时代，巨大规模集成电路的集成组件数达到了达到了109以上。以上。 n发展潜力发展潜力l 由于电子引线不能互相短路交叉，引线靠近时会发生耦合，高速电脉冲在由于电子引线不能互相短路交叉，引线靠近时会发生耦合，高速电脉冲在引线上传播时要发生色散和延迟，以及电子器件的扇入和扇出系数较低等引线上传播时要发生色散和延迟，以及电子器件的扇入和扇出系数较低等问题，使得高密度的电子互连在技术上有很大困难问题，使得高密度的电子互连在技术上有很大困难 l 超大规模集成电路

59、的引线问题会造成时钟扭曲（超大规模集成电路的引线问题会造成时钟扭曲（Clock skew），散热也），散热也会影响芯片的正常工作，这将限制经典电子计算机的速度会影响芯片的正常工作，这将限制经典电子计算机的速度 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社40 第第2章章 计算与计算机计算与计算机 2.1 数与计算问题数与计算问题 2.2 计算的自动化计算的自动化 2.3 数据与数据编码数据与数据编码 2.4 计算机硬件系统计算机硬件系统 2.5 计算机中的操作系统计算机中的操作系统2.6 计算机的运行计算机的运行2.7 计算机应用计算机应用知识要点知识要点数的进制，

60、数的进制，二进制，二进制，原码，原码，反码，反码，补码，补码，定点数，定点数，浮点数，浮点数，ASCII码，码，汉字编码，汉字编码，Unicode编码。编码。 大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社41U2.3 数据与数据编码数据与数据编码 n数与进制数与进制n原码、反码与补码原码、反码与补码n数的定点表示和浮点表示数的定点表示和浮点表示n数据的存储单位数据的存储单位 n字符编码字符编码大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著. 北京：高等教育出版社42数的进制数的进制n数制（数制（Numbering system）即表示数值的方法，也称计数制，是用一