計算機的發(fā)展史課件

1、 第一章 計算機概述及發(fā)展7/29/20221第一章 計算機的發(fā)展史 1.1 計算機概述1.2 計算機的發(fā)展1.3 計算機的主要應用領域1.4 計算機系統(tǒng)的主要技術指標1.5 未來計算機的發(fā)展趨勢7/29/20222提綱一、計算機概述二、計算機的發(fā)展三、計算機的主要應用領域四、計算機系統(tǒng)的主要技術指標五、未來計算機的發(fā)展趨勢7/29/202231.1 計算機概述電子計算機的定義電子數(shù)字計算機定義：電子計算機是一種能按照人們事先編好的程序連續(xù)、自動地工作，并能對輸入的數(shù)據(jù)信息進行加工、存儲、傳送的電子設備。電腦7/29/202241.1 計算機概述計算機的特點運算速度快計算精度高記憶能力強具有邏

2、輯判斷能力能自動執(zhí)行程序可靠性高、通用性強7/29/202251.1 計算機概述計算機分類專用計算機通用計算機分類巨型機：大型機：小型機：微型機微機、PC機工作站：專用于處理某類特殊事務的高檔微機服務器：提供網(wǎng)絡服務的高檔微機單片機：單片微型計算機(Micro Controller Unit)，民用和工業(yè)控制領域。7/29/20226提綱一、計算機概述二、計算機的發(fā)展三、計算機的主要應用領域四、計算機系統(tǒng)的主要技術指標五、未來計算機的發(fā)展趨勢7/29/202271.2 計算機的發(fā)展先驅的探索，古老的計算從手工到機械自動 史前時期，我們的祖先就采用石塊和貝殼記數(shù)； 周朝，出現(xiàn)了算籌唐代時期，開始

3、使用算盤；17世紀，出現(xiàn)了計算尺； 1642年，法國數(shù)學家Pascal創(chuàng)造了第一臺能完成加、減運算的機械計算器（齒輪加法器），計算稅收，世界上第一個機械計算機 ，是機械計算其發(fā)展史上的一個重要里程碑唐朝算盤1642年 Pascal 加法器7/29/202281.2 計算機的發(fā)展近代計算機械計算到電動計算 1801年，Joseph-Marie Jacquard展示了一種自動提花織機（Jacquard loom），通過設計不同的控制卡片，能夠織出不同的圖案?？ㄆ亲钤绲臋C械記憶的示例；由于穿孔卡系統(tǒng)只允許兩種操作（串線和不串線），這是所有計算機的二進制語言的前身；程序控制概念出現(xiàn)了，這對計算機程序

4、設計的思想產(chǎn)生了巨大的影響。1822年，英國數(shù)學家巴貝奇（Charles Babbage ）提出了自動計算機的基本概念，并設計出差分機和解析機；Babbage第一次將計算機分為“輸入器”“輸出器”、“存儲器”、“運算器”和“控制器”5個部分，這是現(xiàn)代計算機結構模式的最早構思形式。利用提花織機的穿孔卡的原理控制機器的運行，這就是最早向計算機傳送指令的方法。1801年穿孔卡式提花織機巴貝奇的 差分機和解析機7/29/202291.2 計算機的發(fā)展近代計算機械計算到電子計算 1884年，美國工程師霍雷斯創(chuàng)造了第一臺電動計算機,用于人口普查；（IBM的雛形初現(xiàn)）19世紀末20世紀初，計算機開始了真正意

5、義上的由機械向電子時代的過渡1906 年，美國人Lee De Forest 發(fā)明電子管，為電子計算機的發(fā)展奠定了基礎。電子器件逐漸演變成為計算機的主體，而機械部件則漸漸處于從屬位置。計算機也正式開始了由量到質的轉變，由此導致電子計算機正式問世。1888年 Hollerith制表機7/29/2022101.2 計算機的發(fā)展 1642年 Pascal 加法器唐朝算盤1888年 Hollerith制表機巴貝奇的 差分機和解析機1801年穿孔卡式提花織機7/29/2022111.2 計算機的發(fā)展計算機理論的奠基人圖靈(Alan Turing) 邏輯學家，被稱為人工智能之父圖靈提出了計算抽象模型，被后人

6、稱為“圖靈機”有限狀態(tài)自動機一種思想模型，為可計算性理論奠定了基礎，是整個現(xiàn)代計算機的理論基礎。與“馮諾依曼機”齊名，被永遠載入計算機的發(fā)展史中。 圖靈獎ACM設立的計算機界最高獎項圖靈機帶子相當于存儲器，可以存儲計算的中間結果，并作為輸入輸出的媒介?？刂破骺梢钥刂谱x寫頭在磁帶上來回移動并切換狀態(tài)，控制器的命令相當于指令。圖靈機是可編程控制的。7/29/2022121.2 計算機的發(fā)展現(xiàn)代計算機的探索1944年，美國哈佛大學數(shù)學教授霍華德阿肯提出設計思想，由IBM承建，設計出新一代“自動程序控制計算機”，哈佛Mark-I計算機，機電全自動到電子數(shù)字。該機器沒有使用電子管，而是使用的老式的繼電器

7、，耗資10萬美元，重5噸，約有10萬個零件，可以進行加、減、乘、除運算。7/29/2022131.2 計算機的發(fā)展電子計算機的奠基人是美籍匈牙利科學家馮諾依曼。于1945年提出了“程序內存式”計算機的設計思想：二進制為運算基礎；采用“存儲程序”方式工作。解決了計算機的運算自動化的問題和速度配合問題，為電子計算機的邏輯結構設計奠定了基礎，已成為計算機設計的基本原則，至今一直沿用。匈牙利原名Neumann Jnos英文名John von Neumann 7/29/202214 馮諾依曼體系結構 計算機的硬件基本結構，由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備五部分組成，運算器和控制器組合為中央處理器

8、（Central Processing Unit），簡稱為CPU。程序和數(shù)據(jù)放在共享存儲器內，CPU取出指令和數(shù)據(jù)進行相應的計算 運算器存儲器控制器輸入設備輸出設備7/29/202215萊布尼茨（1646-1716），德國偉大的數(shù)學家、物理學家、唯心主義哲學家。年，系統(tǒng)提出二進制的運算法則 。1與0，一切數(shù)字的神奇淵源。這是造物的秘密美妙的典范，因為，一切無非都來自上帝。二進制的發(fā)明者萊布尼茨 德國圖靈根著名德郭塔王宮圖書館保存著一份萊布尼茨珍貴的手稿，其標題：從中國八卦圖參悟出二進制數(shù)之真諦7/29/2022161.2 計算機的發(fā)展第一臺電子計算機的誕生 世界上第一臺電子數(shù)字計算機是1946

9、年2月在美國賓西法尼亞大學誕生的，它稱為ENIAC是英文Electronic Numerical Integrator And Calculator 的縮寫，意為電子數(shù)字積分計算機。18000多只電子管、1500個繼電器占地170平米，重達30噸。關于世界上第一臺計算機的疑問另一種說法是：世界上第一臺電子計算機是由美國愛荷華州立大學的約翰 文森特阿塔納索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克利福特貝瑞（Clifford Berry）先生在1937年至1941年間開發(fā)的“阿塔納索夫-貝瑞計算機（Atanasoff-Berry Computer，簡稱ABC）”。 7/

10、29/2022171.2 計算機的發(fā)展ENIAC包括控制部分、存儲部分、運算部分和輸入輸出部分，采用十進制運算，運算部件通過直接計數(shù)而不是利用邏輯電路進行加、減、乘、除等運算。但是，也存在一些嚴重問題采用十進制運算，因沒有十種穩(wěn)定狀態(tài)的電氣元件，影響了運算速度無程序存儲功能，所有功能需要手工設置開關和連線來完成功耗大，ENIAC一啟動，費城周圍的所有燈光都會變暗7/29/2022181.2 計算機的發(fā)展計算機的分代根據(jù)電子計算機所采用的電子器件，一般把電子計算機發(fā)展分為四個階段。階段年份器件軟件一 46-58電子管機器語言二58-64晶體管匯編語言 三64-70集成電路操作系統(tǒng)四70年迄今大規(guī)

11、模集成電路數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等7/29/2022191.2 計算機的發(fā)展采用電子管作為邏輯元件是第一代計算機的標志1950問世的計算機EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，離散變量自動計算機），首次實現(xiàn)了馮諾依曼體系的兩個重要設想 IBM公司1952年推出的IBM 701在商戰(zhàn)中勝出，不僅使IBM實現(xiàn)了全面的轉型，更奠定了IBM的產(chǎn)業(yè)霸主地位電子管IBM7017/29/2022201.2 計算機的發(fā)展電子計算機電子器件的演變7/29/202221晶體管世界上第一臺晶體管計算機TRADIC第二代電子計算機（晶體管計算機）代表機型IB

12、M7094控制臺外觀7/29/202222集成電路的發(fā)明開拓了電子器件微型化的新紀元，引領人們走進信息社會。它的誕生使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，也使計算機走進人們生產(chǎn)、生活的各個領域，成為人們工作、學習、娛樂不可或缺的工具。 1958年杰克基爾比發(fā)明的世界上第一塊基于鍺的集成電路1959年羅伯特諾伊斯發(fā)明的基于硅的集成電路集成電路1962年，世界上第一臺采用集成電路計算機IBM3607/29/202223IBM360的貢獻IBM S/360計算機的研制過程為現(xiàn)代計算機發(fā)展做出了重大的貢獻。提出了“兼容性”的概念“兼容性”意味著IBM計算機不管型號上有多大的區(qū)別，但必須能夠用相同的方式處理相同的

13、指令，共享相同的軟件，配置相同的外設，并能夠相互連接在一起工作。在此以前，僅IBM公司晶體管計算機就有20多個型號，并且軟件、硬件都不能互換使用，給用戶帶來了極大的不便。開創(chuàng)了軟件研發(fā)的新紀元為了讓軟件能夠適用于所有的計算機，必須編制幾百萬條計算機指令。投入編寫程序的軟件工程師多達2000人，第一次使軟件開發(fā)的費用超過了硬件。7/29/2022241971年，Intel推出的世界上第一款微處理器4004采用Intel 4004 CPU的Busicom 141-PF計算器，其計算性能與世界上第一臺電子管計算機ENIAC（占地167平方米）相當1981年，IBM公司推出的第一臺PCIBM51507

14、/29/2022251.2 計算機的發(fā)展我國電子計算機的發(fā)展1958年，我國第一臺小型電子管通用計算機103機（八一型）2019年，中科院計算所研制成功我國第一款通用CPU,”龍芯”芯片目前，我國是第三個擁有制造十萬億次超級計算機能力的國家遺憾和落后：高性能CPU等器件的設計和生產(chǎn)能力仍然很低7/29/2022261.2 計算機的發(fā)展隨著技術的進展，計算機按規(guī)模、速度和功能等開始分化成巨型機、通用大型機、小型機和微型機。它們之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等的不同。這個時代，微處理器的問世，是微電子領域有史以來最重要的發(fā)

15、明之一，微處理器時代的到來預示著微型計算機將獲得廣泛的應用，更多計算機的出現(xiàn)將對人類社會產(chǎn)生翻天覆地的影響。7/29/202227巨型機超級計算機美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Alamos National Laboratory)的IBM超級計算機“走鵑”（Roadrunner）,每秒1.105千萬億次(petaflop/s)的浮點運算速度12960個IBM PowerXCell 8i CPU6480個AMD公司的Opeteron雙核處理器內存 103.6TB7/29/202228巨型機超級計算機2019年8月，百萬億次運算 的“曙光5000A”超級計算機峰值運算達230萬億次每秒，運

16、算速度在當時相當于世界第七 7/29/202229TOP500中國目前運行速度最快的計算機千萬億次超級計算機曙光“星云”于2019年底落戶深圳。 曙光“星云”由曙光公司天津產(chǎn)業(yè)基地研制生產(chǎn)，其系統(tǒng)峰值為每秒3000萬億次，實測Linpack性能達到每秒1271萬億次，是中國第一臺、世界第三臺實測雙精度浮點計算超過千萬億次的超級計算機。在2019年5月31日發(fā)布的第35屆全球超級計算機500強排名中，名列第二位。/ 7/29/202230大型機大型機（Mainframe）是指在各個大企業(yè)、大機關、大公司里面使用的大型計算機系統(tǒng)。，最初這樣的計算機都是裝在帶框（frame）的大

17、鐵盒子里面，故此而得名。有完善的指令系統(tǒng)、豐富的外部設備和功能齊全的軟件系統(tǒng)，具有很強的管理和處理數(shù)據(jù)的能力。主要用于銀行業(yè)務、大型企業(yè)管理、高校和科研所的科學計算、計算中心和計算機網(wǎng)絡等。IBM公司一直在大型主機市場處于霸主地位可靠性（R）、可用性（A）、服務性（S） 7/29/202231小型機小型機（Minicomputer）是相對大型機而言的。在計算機的歷史上，小型機曾經(jīng)風光一時。上個世紀60年代，晶體管發(fā)明以后，開始出現(xiàn)一種體積比大型機小，功率損耗比大型機少，價格比大型機便宜很多的計算機，開始在各個商業(yè)，教學，事業(yè)單位使用。 7/29/2022321.2 計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展

18、直到70年代大規(guī)模集成電路的發(fā)展及微處理器Intel 4004和Intel 8008的出現(xiàn)，導致了微機的誕生。微機是以微處理器（控制器和運算器）為核心，配備上存儲器，輸入和輸出設備的計算機。微機的發(fā)展是隨著微處理器的發(fā)展而發(fā)展的7/29/2022331.2 計算機的發(fā)展第一代：微型計算機（19711972年）以4位微處理Intel4004、Intel4040等為代表的微型計算機。第二代：微型計算機（19731977年）以8位微處理Intel8080、ZilogZ80、Motorola 6502為代表的微型計算機。第三代： 微型計算機（19781981年）以16位微處理Intel8086、808

19、8、80286為代表的微型計算機。如IBM PC機和286微型計算機。第四代：微型計算機（19812019）以32位微處理Intel 80386、Intel 80486、Pentium （586）、Pentium/IV為代表。第五代：微型計算機（2019以后）Intel 64位奔四處理器AMD推出64位處理器：Opteron（皓龍）2019年3月，Intel有史以來首次發(fā)布一種完整的計算解決方案迅馳移動計算技術中國：龍芯二號7/29/2022347/29/2022357/29/2022361.2 計算機的發(fā)展摩爾定律1965年4月，戈登摩爾（Gorden Moore）在電子學雜志上發(fā)表文章預言

20、：集成電路芯片上集成的晶體管數(shù)量將每年翻一番。1975年，摩爾又在國際電信聯(lián)盟的學術年會上提交了一篇論文，根據(jù)當時的實際情況把增長率修正為每兩年翻一番。 7/29/202237提綱一、計算機概述二、計算機的發(fā)展三、計算機的主要應用領域四、計算機系統(tǒng)的主要技術指標五、未來計算機的發(fā)展趨勢7/29/2022381 、科學計算 也稱數(shù)值計算，是指用計算機來解決科學研究和工程技術中所提出的復雜的數(shù)學問題。計算機的主要應用領域7/29/2022392 、數(shù)據(jù)處理 也稱信息據(jù)處理，計算機可以在短時間內對大量數(shù)據(jù)及各種各樣的數(shù)據(jù)進行處理，以滿足信息時代的要求。 7/29/2022403 、自動控制 自動控制

21、是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對控制對象進行自動控制和自動調節(jié)的控制方式，又叫過程控制。 7/29/2022414、 計算機輔助設計 利用計算機來輔助人們設計和制造產(chǎn)品。7/29/2022425、 計算機網(wǎng)絡 將在不同地理位置上的計算機或終端連接起來，實現(xiàn)計算機資源共享和通信。 7/29/2022436、 娛樂 可以用微型計算機進行各種娛樂活動。如游戲、聽音樂、看電影、新聞等。 7/29/202244提綱一、計算機概述二、計算機的發(fā)展三、計算機的主要應用領域四、計算機系統(tǒng)的主要技術指標五、未來計算機的發(fā)展趨勢7/29/202245運算速度字長主頻內存容量外設配置1.4 計算機系統(tǒng)的主要技術指標7/29

22、/202246 運算速度是指計算機每秒鐘內執(zhí)行指令的數(shù)目，單位用MIPS(Million of Instructions Per Second，百萬條指令秒)表示。目前微機的運算速度已達到幾千萬次加減法指令/每秒。截止2009年，IBM的走鵑（Roadrunner）是世界上運行速度最快的計算機，其每秒鐘的浮點運算速度為1.105千萬億次(petaflop/s)Tips 有時候，計算機運算速度還用“浮點運算次數(shù)”描述。浮點是指浮點數(shù)，就是帶小數(shù)的數(shù)。浮點運算比一般的整數(shù)運算要復雜得多。巨型機的速度都是用浮點運算次數(shù)來描述。浮點運算次數(shù)的英文簡稱是FLOPs，是FLoating point OPe

23、rations的縮寫。1. 運算速度7/29/202247 指計算機一次能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。如一臺CPU字長為32位，表示其一次能處理的最大二進制數(shù)為32。字長的位數(shù)越多，計算機的運算能力越強，精度越高。2. 字長7/29/2022483. 主頻主頻是指CPU的時鐘頻率，即CPU在單位時間（秒）內平均“操作”的次數(shù)。通常，時鐘頻率以兆赫（MHz）為單位。時鐘頻率越高，其運算速度就越快。 主頻=外頻*倍頻（MHz）Intel CPU前端總線=外頻*4（MHz）AMD CPU 前端總線=外頻*2（MHz）CPU數(shù)據(jù)帶寬=前端總線*8（MB/s）7/29/2022494. 內存容量主存儲器簡稱內存。內存越大，則運算或處理信息的速度更快和容量更多。但內存容量越大，機器價格也越高。 存儲容量一般KB、MB和GB為單位，B （Byte）為字節(jié)，8位(bit)二進制數(shù)為一個字節(jié)， 1B = 8bit 1KB1024B = 210Byte 1MBl024KB 1GB1024MB 1TB 1024GB 7/29/2022505. 高速緩存主存的存取速度有限，CPU的速度很快，所以當CPU從主存中讀取或寫入數(shù)據(jù)時常常需要等待。為了更