计算基础概论 4

v计算机学科概论（第3版）第1章认识计算机人与其他动物的根本区别是——制造工具、使用工具情景问题——无处不在的计算机没有计算机的时候人类是如何进行计算的呢？人类如何从最原始的计算工具一步一步进化到现代计算机？需要是发明之母——人类在生产、生活中不断提高的计算需求画图娱乐模拟世界上的事物制作影视特技辅助人进行决策辅助人进行设计辅助人制定计划

……科学计算处理文字制作图案数据管理控制其他机器游戏发送消息识别语音计算工具

信息处理机情景问题——无处不在的计算机1.计算机是计算工具吗？计算机出现之前人类用什么作为计算工具？2.计算机从诞生到现在经历了怎样的发展变化？未来的计算机可能是什么样的？3.我们大多数人接触过微型计算机，常识告诉我们微型计算机只是计算机家族的一员，还有哪些种类的计算机？4.计算机内部是什么样的？计算机是如何进行工作的？从文字处理到卫星导航，计算机神通广大的原因是什么？5.计算机系统是极其复杂的，如此复杂的系统是怎么设计出来的？如何认识、学习计算机系统？本章讨论的主要问题

中国古书中记载“上古结绳而治”。拉丁文中“Calculus”的原意是用于计算的小石子。计算工具：手指，采用十进制。远古时代古巴比伦人采用60进制，玛雅人采用20进制。1.1计算机的史前史手动式计算工具绳子、石子的用途是什么？延长手指的计算能力和存储能力。

算筹：第一个人造计算工具。我国古代劳动人民最先创造和使用这种简单的计算工具。春秋时期1.1计算机的史前史手动式计算工具南北朝时期，祖冲之用算筹作为计算工具将圆周率精确到3.1415926和3.1415927之间。

祖冲之如何用算筹计算圆周率？示例：计算206+15＋阿拉伯数字是由古印度人民发明的，12世纪由阿拉伯人传入欧洲。人类为什么要发明计算工具？记数计算应用、需求驱动计算工具的发展1.1计算机的史前史手动式计算工具

算盘：计算工具发展史上第一次重大改革。我国古代劳动人民创造的。英语中，算盘有两种拼法：abacus

和Suan-Pan。

算盘由算筹演变而来，并且和算筹并存竞争了一个时期，终于在元代后期取代了算筹。元代后期1.1计算机的史前史手动式计算工具你小时候是否学过珠心算？你在何时何地见过算盘？用于什么？

Napier算筹：英国人发明。用加法操作来实现乘法操作。

1617年1.1计算机的史前史手动式计算工具示例：计算25×825×840＋16200从Napier算筹可以得到什么启示？将复杂运算转换为简单运算

数学原理：根据对数原理，在两个圆盘的边缘标注对数刻度，然后让它们相对转动，用加减法来实现乘除运算。

18世纪末，瓦特在尺座上添置了一个滑标。1621年

对数计算尺：英国人发明。1.1计算机的史前史手动式计算工具1.1计算机的史前史手动式计算工具

中国：结绳记事算筹算盘英国：Napier算筹

计算尺计算工具：手指算筹

特征：手动运算：加减乘除乘方、开方、三角函数算盘计算尺1.1计算机的史前史手动式计算工具（小结）机械式计算工具机械：利用力学原理组成的各种装置，如杠杆、滑轮以及枪炮等。

滑轮1.1计算机的史前史

帕斯卡加法器：法国人发明。背景：钟表技术、齿轮技术。帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位。

1642年启示：可以用机械工具来模拟人的思维活动。机械式计算工具1.1计算机的史前史

帕斯卡加法器：法国人发明。背景：钟表技术、齿轮技术。帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位。

1642年机械式计算工具1.1计算机的史前史手动上发条相当于现代计算机的什么操作？输入，如果找不到输入信息的机械方法，就不是真正意义上的机械式计算工具。

莱布尼茨四则运算器：德国人发明。工作原理同帕斯卡加法器，能进行四则运算。乘法运算采用进位-加，后来演化为二进制，被现代计算机采用。1673年机械的含义？手动上发条，然后就机械地计算——手动机械机械式计算工具1.1计算机的史前史

穿孔卡片：法国人发明。

JosephJacquard（雅各）发明了可编程织布机，通过读取穿孔卡片上的编码信息来自动控制织布机的编织图案。1804年机械式计算工具1.1计算机的史前史

是一种输入设备，20世纪70年代还在普遍使用。1010110111001011100110101822年

差分机：英国人（巴贝奇）发明。背景：英国工业革命，航海和天文计算。

差分机原理：任何连续函数都可以用多项式严格地逼近，例如：

+-+-=!7!5!3)sin(753xxxxx…机械式计算工具1.1计算机的史前史采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据使计算工具从手动机械跃入自动机械。

难点和关键是什么？不仅输入信息需要机械化，而且操作信息也要机械化

分析机：英国人（巴贝奇）发明。背景：瓦特发明了蒸气机。

以齿轮为元件、以蒸汽为动力。

虽然没有实现，但意义重大，采用了具有现代意义的装置：（1）存储装置（2）运算装置（3）控制装置（4）输入和输出装置1832年机械式计算工具1.1计算机的史前史机电：机械和电子设备的总称。

机电式计算机1.1计算机的史前史

制表机：美国人发明。背景：机电技术、美国人口普查，参与了美国1890年的人口普查工作。第一台可以自动进行加减乘除运算、累计存档、制作报表的机电式计算工具。

输入、输出、存储均用穿孔卡片。1886年人类历史上第一次利用计算工具进行大规模数据的自动处理。Z-1计算机：德国人朱斯（zuse）发明。先后研制出Z-2、Z-3、Z-4。第一台采用二进制和继电器的通用程序计算机。二进制、浮点记数法、带存储地址的指令等思想已经有人提出，但朱斯第一次将这些思想具体实现。1938年启示：站在巨人的肩膀上，怎么才能站上去呢？

——多读书，读好书机电式计算机1.1计算机的史前史朱斯是如何得到这些思想的呢？1941年，朱斯向德国政府申请基金用来建造计算机，用于破译敌人的密码，德国政府没有批准。与此同时，英国政府秘密组建一个由科学家和工程师组成的绝密小组，1943年，图灵等研制成功Colossus（巨人计算机），使得英国军方能够窃取并破译德国的军事情报。1943年机电式计算机1.1计算机的史前史

MARK-I：美国人发明，1944年研制成功。哈佛大学数学教授霍华德·艾肯在读过巴贝奇和爱达的笔记后，被巴贝奇的远见卓识所震惊，提出用机电的方法，而不是纯机械的方法来实现分析机。1936年机电式计算机1.1计算机的史前史

ABC计算机：美国人阿塔纳索夫发明。第一次提出采用电子技术来提高计算机的运算速度。1939年电子计算机1.1计算机的史前史莫克利埃克特1943年

ENIAC：美国人发明。背景：军械部为计算弹道和射击表启动的计划，宾夕法尼亚大学。电子计算机1.1计算机的史前史1946年1946年宣告竣工。使用18000个电子管，占地167平方米，重30吨。每秒5000次加法，300次乘法。

第一台真正运转的电子计算机，开启了电子计算机的序幕。电子计算机1.1计算机的史前史

ENIAC：美国人发明。背景：军械部为计算弹道和射击表启动的计划，宾夕法尼亚大学。手动式计算工具20世纪60年代机械式计算工具1642年1886年机电式计算机20世纪30年代电子计算机元代1300年算盘远古1832年分析机计算器计算机的史前史——时间表

标志：1946年ENIAC。电子元件：电子管。重大事件：（1）1951年问世的UNIVAC准确预测了1952年美国大选艾森豪威尔获胜；（2）1952年IBM生产第一批商业化计算机IBM701。用户：政府和银行。所需环境：可控制温度的机房。第一代计算机（1946－1958）1.2计算机的历史和未来

标志：1959年菲尔克公司研制成功晶体管计算机。

电子元件：晶体管（1948年美国贝尔实验室发明）。典型的计算机：IBM7094，CDC1640等。用户：科学研究、商业和工程领域。第二代计算机（1959－1964）IBM：InternationalBusinessMachines，国际商业机器公司CDC：ControlDataCorporation，控制数据公司1.2计算机的历史和未来

标志：IBM360系列计算机。特征：集成电路。集成电路：将大量的晶体管和电子线路集成在一块硅片上，因此也称为芯片。用户：政府机构、中小企业等。重大事件：小型计算机，1965年DEC公司推出PDP-8。第三代计算机（1965－1970）DEC：DigitalEquipmentCorporation,数字设备公司1.2计算机的历史和未来

标志：Intel公司研制的微处理器Intel4004。微处理器：将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）。特征：大规模和超大规模集成电路。重大事件：微型计算机；计算机网络；并行计算机。用户：各行各业，男女老少。第四代计算机（1971－至今）1.2计算机的历史和未来重大事件1：微型计算机70年代诞生第一台（Apple公司）

80年代初提出开放的标准结构（IBMPC及兼容机）80年代中期DOS的出现（Microsoft）

硬件技术的飞速发展（IntelCPU）90年代中期Windows的广泛使用（Microsoft）90年代末多媒体技术和互联网的推动，微机无所不在第四代计算机（1971－至今）1.2计算机的历史和未来重大事件2：计算机网络

分时计算：信息和数据保存在中央主机（大型计算机）中，用户通过终端访问主机的信息和资源。

桌面计算：由于计算机日趋普及，单个用户可直接使用PC机的计算能力和存储数据、程序的能力。

网络计算：通过因特网和万维网的环球链接，用户无论在何时何地都可以进行信息交换。

普适计算：未来，人们对计算和通信能力的获取随手可得。第四代计算机（1971－至今）1.2计算机的历史和未来重大事件2：计算机网络

分时计算：信息和数据保存在中央主机（大型计算机）中，用户通过终端访问主机的信息和资源。

桌面计算：由于计算机日趋普及，单个用户可直接使用PC机的计算能力和存储数据、程序的能力。

网络计算：通过因特网和万维网的环球链接，用户无论在何时何地都可以进行信息交换。

普适计算：未来，人们对计算和通信能力的获取随手可得。第四代计算机（1971－至今）1.2计算机的历史和未来重大事件3：并行计算机20世界80年代末，出现了并行计算机。

并行计算机含有多个处理器，相应地，串行计算机只有一个处理器。

内存处理器串行计算机模型

内存处理器1处理器2处理器3指令1指令2指令3并行计算机MISD模型第四代计算机（1971－至今）1.2计算机的历史和未来计算机的未来

将来我们会觉得今天最好的计算机很原始，就像今天看80年前的ENIAC一样。虽然我们无法确定预测未来的结果是否正确，但是有一点是确定的，那就是创造未来完全靠我们自己。1.2计算机的历史和未来80年前80年后？计算机的未来

将来我们会觉得今天最好的计算机很原始，就像今天看80年前的ENIAC一样。虽然我们无法确定预测未来的结果是否正确，但是有一点是确定的，那就是创造未来完全靠我们自己。1.2计算机的历史和未来机械齿轮+继电器电子管晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路？超级计算机

超级计算机的研制是各国在高技术领域竞争的热点。一个例子：计算世界超级500强。应用驱动：航天工程、基因工程、石油勘探等。微型计算机

计算机的微型化能更好地促进计算机的广泛应用；微型计算机正逐步由办公设备变为电子消费品；一个例子：手机会不会代替微型计算机？应用驱动：价格、便携、上网等。1.2计算机的历史和未来智能计算机

必然趋势：手动机械化自动化智能化；一个例子：计算机能具有感情吗？能理解人类吗？应用驱动：人和计算机无障碍交流，例如写程序。普适计算机普适计算：最深刻的技术是那些已经消失的技术，这些技术存在于我们的日常生活中，直到它们已经不再出众。一个例子：如果出门不带手机会怎样？

计算机技术将融入到各种工具中并完成其功能。1.2计算机的历史和未来新型计算机

背景：集成电路的发展正在（已经）接近理论极限。新型计算机可能会突破现有计算机的体系结构。生物计算机、光计算机、量子计算机、……万物互联

互联网和万维网之后是什么？互联网实现了计算机硬件的连通，万维网实现了网页的连通，物联网试图实现互联网上所有资源的连通。

将来所有的家用电器和设备都连接在网络上，想象……

1.2计算机的历史和未来第一代计算机1946年1958年1964年1970年ENIACIBM7094IBM360Intel4004第二代计算机第三代计算机第四代计算机超级计算机微型计算机智能计算机普适计算机新型计算机由于计算机仍然在使用电路板，仍然在使用微处理器，仍然没有突破冯·诺依曼体系结构，所以，我们还不能为这一代计算机画上休止符。计算机的历史和未来——时间表1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构

存储器

运算器

控制器

输出设备

输入设备1.输入设备：用于将程序（指令的集合，告诉计算机做什么以及怎么做的工作步骤）和数据从外界输入计算机（存储器），主要任务是数字化。1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构2.存储器：是计算机的记忆装置，用于存放程序和数据。

存储器

运算器

输出设备

输入设备3.运算器：是计算机对数据进行加工处理的部件。4.控制器：控制计算机各部件协调工作。1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构

控制器CPU5.输出设备：将计算机的处理结果转换成外界能够识别的文字、电压等并输出。输入：接收由输入设备提供的数据。处理：对数值、逻辑字符等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换和加工。输出：将处理所产生的结果等送到相关输出设备。存储：可以存储程序和数据。计算机：是能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构似曾相识的体系结构，人类的思考和信息处理过程？1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构似曾相识的体系结构，人类的思考和信息处理过程？大脑审题思考运算协调控制手写眼睛试题存操作取操作输入命令输出命令答题计算机=数据处理机数据结果整数、实数、文字、声音、图形、图像等，甚至包括电压、表情等整数、实数、文字、声音、图形、图像等，甚至包括各种控制动作计算机：是能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。1.3什么是计算机冯·诺伊曼体系结构

冯·诺依曼体系结构的主要特征：存储程序。

存储程序：事先编制好程序并将程序和数据存入计算机的存储器中，计算机在运行时就能自动、连续地从存储器中逐条取出指令并执行，因此，计算机的工作过程就是运行程序的过程，也就是执行指令的过程。

指令：指示计算机执行特定操作（告诉计算机做什么以及如何做）的命令，一条指令是计算机硬件可以执行的一步操作。计算机的工作原理1.3什么是计算机记住这一点很重要：计算机所做的每一件事情都被分解为一系列极其简单又极其快速的算术运算和逻辑运算。

（1）取指令（读取）：控制器从存储器中取出一条指令；（2）分析指令（译码）：控制器分析所取指令的操作码，确定执行什么操作；（3）执行指令（执行）：控制器根据所取指令的含义，发出相应的操作命令，控制运算器进行指定的运算。“读取-译码-执行”指令执行周期，称为机器周期。计算机的工作原理1.3什么是计算机巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机1.3计算机的分类和特点计算机的分类逐渐被服务器取代巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机1.3计算机的分类和特点计算机的分类专用服务器、专用工作站微型计算机≈PC机，通用巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机1.3计算机的分类和特点计算机的分类瘦客户机，网络终端便携的概念：便于携带，可快速外连巨型计算机大型计算机小型计算机服务器工作站微型计算机网络计算机便携式计算机嵌入式计算机1.3计算机的分类和特点计算机的分类嵌入式：程序固化专用计算机：用途较为单一，专用性能较高，一般成本也较高。计算机的分类1.3计算机的分类和特点运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化在很多场合，运算速度起决定作用。例如：计算机导航，要求“运算速度比飞机飞的还快”。1.3计算机的分类和特点计算机的特点历史上有个著名的数学家契依列，曾经为了更精确地计算圆周率，整整花了15年时间才算出707位，计算机在几个小时就可计算到10万位。运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化1.3计算机的分类和特点计算机的特点可以将一座大型图书馆的几百万册图书信息存入计算机，并采用计算机自动检索系统，随时随地向读者提供服务，其存储容量之大就可想而知。运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化1.3计算机的分类和特点计算机的特点运算速度快运算精度高存储容量大计算自动化连接与网络化1.3计算机的分类和特点计算机的特点系统科学方法：用系统的观点来认识和处理问题的各种方法的总称。起源于数学、物理学和天文学的研究，诞生于20世纪40年代。系统：由相互联系、相互作用的若干元素构成，具有特定功能的统一整体。1.4什么是计算机系统系统科学与分层方法通常将系统划分为一系列较小的系统（称为子系统），划分子系统的目的是为了更好地理解和实现整个系统，因此要充分考虑到各子系统的功能要求，准确地对各子系统进行描述并实现整体最优设计。分层方法是划分系统的一个重要方法分层方法：将系统表示为各级子系统的层次结构形式，在每个层次上定义相对独立的概念和方法，并给出相邻层之间的关系（接口或协议）。1.4什么是计算机系统系统科学与分层方法计算机系统由计算机硬件和计算机软件构成；计算机系统的分层结构1.4什么是计算机系统计算机硬件=物理器件+部件和设备计算机软件=程序+数据+文档人们探索的重点不仅在于建造运算速度更快、处理能力更强的计算机，而且在于开发能让人们更有效地使用这种计算设备的各种软件。

集成电路、电路板及其他电子元件CPU、存储器、输入/输出设备重点：让计算机能够良好地运转起来重点：解决真实世界的问题计算机系统的分层结构1.4什么是计算机系统物理层反映了在计算机上表示信息的方式，如何表示数值、字符、文字、声音、图形和图像等信息，如何使门和电路控制电流实现数据的存储和运算。计算机系统的分层结构1.4什么是计算机系统二进制数字世界：信息（数据、指令）的编码电子元件：门、逻辑电路、集成电路

硬件机器层反映了构成计算机硬件的主要部件、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。二进制数字世界：信息（数据、指令）的编码电子元件：门、逻辑电路、集成电