计算机导论（第5版） 课件 第1章-计算机发展简史

计算机导论第1章计算机发展简史目录CONTENTS03计算机的分类01电子计算机的诞生02电子计算机的发展040506计算机的特点计算机的应用领域中国计算机发展简史电子计算机的诞生早期计算工具；机械计算机；机电计算机；电子计算机/01早期计算工具手指：最早帮助人们计数（计算）的工具是人的手指，十进制计数法是人们最习惯的计数方式。结绳：事大，大结其绳，事小，小结其绳；结之多少，随物众寡。算筹：我国古代著名数学家祖冲之的圆周率（3.1415926~3.1415927）就是借助算筹计算出来的。

成语“运筹帷幄之中，决胜千里之外”的筹也是指算筹。

算盘：算盘（珠算）是我国古代的重大发明，距今已有1800多年的历史，被誉为“世界上最古老的计算机”。2013年12月4日，联合国教科文组织正式将中国珠算列入人类非物质文化遗产名录。在现代电子计算器普及之前，我国最常用的日常简易计算工具就是算盘，一直应用到20世纪80~90年代。计算尺：利用对数原理，把要计算的数字转换成度量尺的数码，对这些数码进行处理，得出计算结果。早期计算工具1642年，法国科学家帕斯卡（帕斯卡定律的发现者）发明了齿轮式能进行加减法运算的机械计算机Pascaline。1673年，德国数学家莱布尼茨建造了一台能进行加减乘除四则运算的机械式手摇计算机。1872年，美国人弗兰克·鲍德温开始建立美国的手摇计算机工业。在电子计算器出现之前，手摇计算机是得到广泛使用的计算工具。机械计算机1822年，英国数学家巴贝奇研制成功差分机。差分机由多个直立的铜柱组成，每个铜柱上等距离地垂直装配有6个齿轮，每个齿轮对应的字轮上都刻有数字0～9，不同位置的字轮代表十进制数的不同位，通过齿轮彼此间的咬合传动完成自动计算。1834年，巴贝奇设计出了分析机模型，这个模型包括了现代计算机所具有的5个基本组成部分：输入装置、输出装置。存储装置、控制装置。资料处理装置（用于完成运算）。机械计算机1886年美国统计学家霍勒瑞斯用电磁继电器代替一部分机械元件，制成了第一台机电穿孔卡系统—制表机。由于继电器是一种集机械、电子元件于一体的器件，所以以继电器为主要元件的计算机称为机电计算机。1896年霍勒瑞斯成立了制表机公司，1911年制表机公司与另两外两家公司合并，成立了CTR公司，1924年CTR公司改名为IBM公司。机电计算机1941年，德国工程师朱斯研制成功全部采用继电器的计算机Z-3。1944年，美国哈佛大学教授艾肯设计的部分采用继电器的机电计算机—马克一号投入运行。1947年，艾肯又领导研制成功一台全部使用继电器的机电计算机—马克二号。机电计算机1937年，美国衣阿华州立学院的阿塔纳索夫教授就开始进行研制电子计算机的探索，提出了电子计算机设计方案，并与贝利合作在1942年研制出名为ABC的世界上第一台电子计算机。第一台电子计算机1946年2月15日，世界上第一台通用电子计算机—电子数字积分和计算机（ENIAC，埃尼阿克）在美国宾夕法尼亚大学诞生。电子计算机ENIAC的设计者莫奇利曾经参观过ABC样机，并看过阿塔纳索夫关于电子计算机设计的记事本。36岁的莫奇利提出总体设计，24岁的埃克特负责工程技术问题。第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机埃尼阿克（ENIAC）的基本信息占地面积170平方米，耗资近49万美元，重30吨。使用了大约18000只电子管，1500个继电器，70000只电阻，18000只电容。运算速度为每秒5000次加法。作为历史上第一台投入使用的电子计算机，ENIAC是计算工具发展史上的重要里程碑。1944年夏天，ENIAC研制组的重要成员戈尔斯坦偶遇著名数学家冯·诺依曼，后者详细了解了正在研制中的ENIAC的特点及不足。1945年6月30日，冯·诺依曼和ENIAC研制小组共同总结的EDVAC设计方案发布，基于EDVAC方案的计算机称为冯•诺依曼计算机。冯•诺依曼计算机的技术要素：存储程序、二进制、5个基本组成部分。冯•诺依曼计算机冯·诺依曼在数学、应用数学、物理学、博弈论和数值分析等领域都有杰出的贡献。他的数学功底为进行计算机的逻辑设计奠定了坚实的基础。电子计算机的发展第一代至第四代计算机；第五代计算机；量子计算机；计算机的发展趋势/02第一代计算机主要特点用电子管代替机械齿轮和继电器作为基本元器件，运算速度一般为每秒几千次至几万次。采用二进制形式存储数据。程序设计语言为机器语言和汇编语言。程序可以存储，使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓、磁芯等作为存储器。输入输出装置主要用穿孔卡片，速度很慢。第一代计算机应用领域在主要用于科学计算的同时，开始应用于数据处理领域。代表机型

IBM700系列。第二代计算机主要特点用晶体管代替了电子管。采用磁芯存储器作主存（内存）、磁盘与磁带作辅存（外存）。出现了Fortran等高级语言，出现了操作系统的雏形—监控程序。出现了超级计算机。第二代计算机应用领域科学计算：数据量不大，运算强度大。数据处理：数据量大，访问量大，运算强度不大。实时控制：实时性要求高。代表机型IBM7000系列。第三代计算机主要特点用集成电路取代了晶体管，体积大为缩小。用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。走向了系列化、通用化和标准化。操作系统有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计方法。出现了价格便宜的小型计算机，拓展了计算机的应用范围。第三代计算机应用领域应用领域进一步拓展。代表机型IBM360

系统。第四代计算机主要特点用微处理器或超大规模集成电路取代了普通集成电路。存储容量进一步扩大。高级程序设计语言得到广泛应用。微型计算机进入了千家万户。第四代计算机主要特点互联网广泛应用，形成所谓的地球村。超级计算机也得到快速发展。移动互联网、大数据、人工智能、物联网等现代信息技术广泛应用于人们的日常工作与生活中。第四代计算机应用领域几乎覆盖到人类生活的各个领域。代表机型IBM4300系列、3080系列、3090系列、eServerz900系列、eServerz990系列、zEnterpriseEC12系列、z15、z16。联想、惠普、戴尔的台式机/笔记本，苹果的iPad。第五代计算机研究目标20世纪80年代初，日本、美国等国家先后提出了研制第五代计算机的计划。研究目标是打破冯·诺依曼计算机的体系结构，实现计算机的智能化，主要包括知识库、推理机和智能化的人机接口等三个主要组成部分，知识库用于存放知识，推理机就是具有推理功能的程序，人机接口用于人操作使用计算机。由于各种因素的制约，并没有完全实现预期的研究目标，所以目前使用的计算机仍属于第四代计算机。量子计算机量子计算机的概念在人们继续开发新技术不断提高电子计算机性能的同时，也在进行量子计算机、生物计算机和光计算机等新一代计算机的研究和探索。其中，近几年量子计算机的研制有比较大的进展。。量子计算机是一种基于量子力学理论和量子器件进行数据存储和数据处理的计算机。量子器件是以量子效应为工作基础的器件。量子计算机被认为是最有应用前景的新一代计算机技术，在破解最复杂的密码系统、设计新材料、模拟气候变化以及实现人工智能等方面将会发挥重要作用。量子计算机量子计算机的进展在2019年初举行的美国消费类电子产品展览（CES）大会上，IBM推出了首个专为科学和商业用途设计的集成通用量子计算机IBMQSystemOne。2019年10月，谷歌宣布其设计的量子处理器Sycamore在200秒内完成的任务，需要当时世界上最快的超级计算机运算1万年。2020年12月，中国科学技术大学成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时，“九章”只需200秒，而当时世界最快的超级计算机要用6亿年。量子计算机量子计算机的进展2022年8月，百度正式对外发布其第一台产业级超导量子计算机—“乾始”，集量子硬件、量子软件、量子应用于一体，提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式。2023年3月27日，日本理化学研究所研制的第一台日本国产、量子比特数为64的量子计算机投入使用，大学等机构的研究人员可线上使用这台量子计算机。量子计算机量子计算机的进展2024年1月6日，由我国本源量子计算科技（合肥）股份有限公司自主研发的第三代超导量子计算机“本源悟空”上线，并向全球用户限时免费开放，接收全球量子计算任务。“本源悟空”搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前我国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。截至2024年2月1日上午11时，全球远程访问“本源悟空”已突破100万人次，共收到全球量子计算运算任务155285条，已完成其中的142233个运算任务。量子计算机量子计算机的进展

“本源悟空”量子计算机量子计算机量子计算机的发展前景虽然量子计算机的研发近些年取得了令人瞩目的进展，并在某些特定计算任务上取得了远超电子计算机的性能，但实现可容错通用量子计算、利用量子计算机解决通用的实际问题还有很长的路，还有许多难题需要研究解决。计算机的发展趋势巨型化巨型化是指计算机的运算速度特别快、存储容量特别大、功能特别强，当然体积也大、成本也高。巨型机可以解决一些特别复杂的高强度计算难题，如中长期天气预报、地震监测预报、地质勘探等。巨型机一般安装在超级计算中心。目前，我国分别在天津、广州、深圳、长沙、济南、无锡、郑州、昆山、西安、成都、太原等地设有国家超级计算中心。计算机的发展趋势微型化在保持计算机功能的前提下，使其体积越来越小。台式机、笔记本、平板电脑、智能手机等都是微型化的计算机。计算机的发展趋势网络化实现网络化，才能真正做到即时通信、资源共享、协同工作，计算机才能发挥更大的作用，给人们的日常工作和生活带来更大的便利。计算机的发展趋势智能化如何让计算机具有人脑的智能，模拟人的推理、联想、思维等功能，是一个重要发展方向。近几年人脸识别、语音识别、机器翻译、智慧医疗、内容生成等领域都有实用产品出现。计算机的分类超级计算机；大型计算机；微型计算机；工作站；服务器；嵌入式计算机/03计算机的分类超级计算机体积最大、速度最快、功能最强、价格也最高。主要为国家安全、空间技术、天气预报、石油勘探、生命科学等领域的高强度计算服务。美国的前沿（Frontier）、我国的神威·太湖之光都属于超级计算机。计算机的分类大型计算机高性能大容量的通用计算机，标准化的体系结构和批量生产。在银行、税务、大型企业、大型工程设计等领域得到广泛应用。IBM公司的zEC12、z16等是代表机型。计算机的分类微型计算机微型计算机主要包括台式计算机、笔记本计算机、平板电脑等。2022年全球微型计算机的销售总量为2.92亿台，联想、惠普和戴尔排名前三。计算机的分类工作站配备有大屏幕显示器、大容量存储器和图形加速卡的微型计算机。工作站多用于计算机辅助设计和图形（图像）处理等，大屏幕用于显示复杂的图形（图像），图形加速卡用于三维图形(图像)计算，大容量存储器用于存储更多的数据。计算机的分类服务器通过网络为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机。强调高速的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力。在银行、电信等大型企业的核心系统中，使用大型机作服务器比较多。在更多的中小单位中使用高档PC机作服务器。计算机的分类嵌入式计算机嵌入式计算机就是嵌入到其他设备中并控制其工作的计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的环境。计算机的特点运算速度快；运算精度高；记忆能力强；判断能力好；自动运行/04计算机的特点运算速度快现代计算机一诞生就显示了其在运算速度上的优势，第一台通用电子计算机（ENIAC）的运算速度是每秒5000次加法，虽然现在看起来是非常慢的，但在当时却是世界上运算速度最快的计算工具。现在世界上最快的计算机的运算速度已超过每秒110亿亿次浮点运算。在国防建设、石油勘探、航空航天和天气预报等领域，快速的高性能计算机有着特殊重要的作用。计算机的特点运算精度高我国古代著名数学家祖冲之用算筹计算出圆周率π的值在3.1415926～3.1415927之间，算出这个精度比西方早了一千多年。英国数学家威廉·尚克斯整整用了15年的时间，才把圆周率π的值计算到小数点后707位。但后人经验证发现从第528位开始是错误的。1949年，两位科学家使用“埃尼阿克（ENIAC）”耗时70小时将π的值计算到小数点后2037位，这是第一次使用计算机计算圆周率。2021年，瑞士研究人员使用一台超级计算机，历时108天，将π的值计算到小数点后62.8万亿位。计算机的特点记忆能力强如果按纯文本方式存储，目前常用的1TB的硬盘可以存储50万册100万字的大部头书籍，相当于一个中型图书馆的藏书量。计算机的特点判断能力好计算机和人下棋/机器人足球比赛/无人驾驶汽车等。AlphaGo围棋程序在和国际围棋大师对弈时，就需要根据对手的走步，判断出其意图，然后给出自己的走步，化解对方的威胁，增加自己的优势，直至获胜。计算机的特点自动运行在程序控制下自动运行，这也是计算机最本质的特点。火星探测器/月球探测器/宇宙飞船等。计算机自动运行的依据是程序（软件），是人们事先编好并存储在计算机中的程序。计算机的应用领域科学计算；信息处理；过程控制；计算机辅助系统；人工智能；网络应用/05计算机应用领域科学计算大型工程设计、航空航天、石油勘探、核能利用、地震监测预报和天气预报等高强度计算领域，都是计算机用于科学计算的用武之地。计算机应用领域信息处理各种信息管理系统和办公自动化系统。是计算机应用最广泛的领域，其特点是数据量很大、访问量很大。计算机应用领域过程控制火星探测器、宇宙飞船、汽车自动装配、数控机床、自动化生产线等都需要计算机控制。其特点是失之毫厘，差之千里。

计算机应用领域计算机辅助系统计算机辅助设计（CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助软件工程（CASE）等。极大地减轻了从业人员的工作强度，提高了工作效率和质量。计算机应用领域人工智能2016年阿尔法围棋程序（AlphaGo）战胜围棋世界冠军李世石，2017年AlphaGoMaster战胜排名世界第一的世界围棋冠军柯洁。2022年以来，ChatGPT、Sora、文心一言等大模型陆续推出。人工智能在计算机视觉、语音识别、机器翻译、智能安检、智慧医疗、内容生成等领域得到广泛应用。计算机应用领域网络应用根据中国互联网信息中心的统计，截至2023年12月，我国网民规模达到10.92亿人，互联网普及率达77.5%。

即时通信、搜索引擎、网络新闻、网络购物、网上支付、网上银行、旅行预订、网上外卖、微博、网约专车、在线教育等已广泛融入我们的日常工作与生活中。

中国计算机发展简史大型计算机；超级计算机；微型计算机；芯片；软件/06中国计算机发展简史我国的计算机事业始于1956年，1956年4~6月制定的《十二年科学技术规划》把计算技术列为当时必须采取的4大紧急措施之一。计算技术规划组组长，我国最早倡导研究计算技术的著名数学家华罗庚教授起草了发展电子计算机的措施。1956年8月，成立了以华罗庚教授为主任的中国科学院计算技术研究所筹备委员会。自此以后，我国计算机的研制、生产和使用逐渐广泛地开展起来，并且逐步形成了计算机工业体系。中国计算机发展简史1958年8月1日，我国第一台小型通用计算机—103机研制成功，仿制前苏联的M-3小型机。运算速度初期为每秒30次，增加了自行研制的磁芯存储器后，运算速度提高到每秒1800次。1959年10月1日，我国第一台大型通用计算机—104机研制成功，仿制前苏联的BЭCM大型机。运算速度为每秒10000次。中国计算机发展简史1960年，我国第一台自行设计的通用电子计算机—107机研制成功，运算速度为每秒250次。1964年，我国第一台自行设计的大型通用电子计算机—119机研制成功，浮点运算速度为每秒5万次。承担了我国第一颗氢弹研制的计算任务等。中国计算机发展简史1965年4月，我国第一台自行设计的晶体管计算机441-B通过国家鉴定，浮点运算速度为每秒1.2万次。是我国20世纪60—70年代的主流应用机型之一。1967年9月，大型通用晶体管计算机109丙研制成功，浮点运算速度为每秒11.5万次，为完成我国第一代核武器的研制和东方红卫星的发射作出了重要贡献被誉为功勋计算机。中国计算机发展简史1972年正式交付使用的111计算机，采用小规模集成电路。1983年研制成功我国第一台大型向量机—757机。1985年研制成功与IBMPC机兼容的长城0520CH微型计算机。中国计算机发展简史国防科技大学在1983年研制成功运算速度为每秒1亿次的向量巨型计算机银河-Ⅰ，1992年研制成功每秒10亿次的银河-Ⅱ，1997年研制成功每秒130亿次的银河-Ⅲ。速度越来越快，体积越来越小。中国计算机发展简史在2004年6月公布的国际500强超级计算机排行榜中，“曙光4000A”名列第十，这是我国的计算机第一次进入排行榜前十。2008年6月，超级计算机曙光5000A研制成功，峰值运算速度达到每秒230万亿次，国际计算机500强排名第十。目前有曙光服务器系列、高性能计算机系列。中国计算机发展简史2010年8月，国防科技大学研制成功的“天河一号”超级计算机，峰值运算速度达到每秒4.7千万亿次。在2010年11月公布的世界500强超级计算机排行榜中，“天河一号”名列第一。这是我国的计算机第一次名列第一。2013年5月，国防科技大学研制成功“天河二号”超级计算机，峰值运算速度达到每秒5.49亿亿次。在2013年6月至2015年11月公布的世界500强超级计算机排行榜中，“天河二号”连续6次名列第一。使用“天河二号”可以模拟到5000年前甚至更远的气候变化；传统手段研发新车一般要经过上百次碰撞实验，历时两年多才能完成，在利用“天河二号”进行模拟碰撞实验的基础上，只需3～5次实车碰撞实验，两个月即可完成。中国计算机发展简史中国计