第0章-绪论-计算的历史与未来课件.ppt

1、计算机科学概论2022-12-161第0章计算的历史与未来2022-12-162本章提要12342022-12-163计算机的史前时代机械式计算机卡片时代程式化计算机的萌芽6789早期的数字计算机电子计算机计算机的发展趋势奠定现代计算机理论基础的重要人物和思想5模拟计算机0.1.1 石头计算到算盘2022-12-164公元前公元前2000年的美索不年的美索不达米亚人用泥板计数，达米亚人用泥板计数，这块泥板上的契形文字这块泥板上的契形文字代表代表25。我国古代数学家祖冲之我国古代数学家祖冲之就是用算筹计算出圆周就是用算筹计算出圆周率值介于率值介于3.1415926和和3.1415927之间。之间

2、。0.1.1 石头计算到算盘2022-12-165珠算被称为我国珠算被称为我国“第五第五大发明大发明”算圣刘洪及其算圣刘洪及其发明的珠算盘发明的珠算盘0.1.2 计算尺和计算器2022-12-166John Napier(1550-1617)约翰约翰纳皮尔纳皮尔纳皮尔算筹纳皮尔算筹(Napiers bones)1612年发明年发明0.1.2 计算尺和计算器1.计算尺2022-12-167威廉威廉奥特雷德奥特雷德(William Oughtred)及其发明的圆形计算尺及其发明的圆形计算尺风靡风靡1819世纪的计算尺世纪的计算尺0.1.2 计算尺和计算器2.计算器2022-12-168Casio

3、14-A史上第一台商用小型电子计算器史上第一台商用小型电子计算器1957年发明年发明一款普通的袖珍电子计算器一款普通的袖珍电子计算器0.2.1 施卡德计算机2022-12-169威海姆威海姆施卡德，德国图施卡德，德国图宾根大学教授，于宾根大学教授，于1623年年制造了第一台机械式计算制造了第一台机械式计算机。机。施卡德计算机复制品施卡德计算机复制品1960年，施卡德家乡人根据示意图重新制作。年，施卡德家乡人根据示意图重新制作。0.2.2 帕斯卡加法机2022-12-1610保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加法机，加法机，1642年发明。年发明。布莱斯布莱斯帕斯卡

4、帕斯卡 法国数学家、物理学家、思想家法国数学家、物理学家、思想家0.2.3 莱布尼兹乘法机2022-12-16111674年，莱布尼茨发明乘法机。年，莱布尼茨发明乘法机。戈特费里德戈特费里德莱布尼兹莱布尼兹 德国数学家、微积分独立发明人德国数学家、微积分独立发明人0.3.1“编织”的程序2022-12-1612明代宋应星所著明代宋应星所著天工开物天工开物天工开物天工开物中记载的小花楼提花机中记载的小花楼提花机2022-12-1613英国曼彻斯特英国曼彻斯特“科学与工业博物馆科学与工业博物馆”中的杰卡德编织机中的杰卡德编织机(1805年发明年发明)布乔的穿孔卡片思想在雅卡尔自动编布乔的穿孔卡片思

5、想在雅卡尔自动编织机上实现织机上实现程序控制思想的萌芽程序控制思想的萌芽正面正面 侧面侧面0.3.1“编织”的程序2022-12-16140.3.2 穿孔制表机美国著名统计专家美国著名统计专家赫尔曼赫尔曼何乐礼何乐礼何乐礼发明的自动制表机何乐礼发明的自动制表机2022-12-16150.3.2 穿孔制表机FORTRAN程序打孔卡程序打孔卡0.4.1 差分机2022-12-1616现代计算机奠基人现代计算机奠基人英国剑桥大学教授查尔斯英国剑桥大学教授查尔斯巴贝奇巴贝奇差分机二号差分机二号伦敦科学博物馆的复制品伦敦科学博物馆的复制品0.4.2 分析机2022-12-1617世界上第一位程序员世界上

6、第一位程序员奥古斯塔奥古斯塔艾达艾达拜伦拜伦后人根据巴贝奇图纸制造的后人根据巴贝奇图纸制造的“分析机分析机”1834年，巴贝奇提出通用计算机年，巴贝奇提出通用计算机“分析分析机机”构想，直至他去世也未制成。构想，直至他去世也未制成。2022-12-1618设计图纸之一设计图纸之一差分机和分析机存储器框架差分机和分析机存储器框架2022-12-1619美国美国NCAC刘易斯飞行推进实验室刘易斯飞行推进实验室 的微分分析仪，摄于的微分分析仪，摄于1951年。年。现代电脑之父、微分分析仪发明人现代电脑之父、微分分析仪发明人万尼瓦尔万尼瓦尔布什布什2022-12-16200.6.1 Z系列计算机数字计

7、算机之数字计算机之父父克兰德克兰德楚泽楚泽德国博物馆里德国博物馆里存放的存放的Z-4Z-1的复制品的复制品2022-12-16210.6.2 ABC计算机被遗忘的电子计算机之父阿塔纳索夫被遗忘的电子计算机之父阿塔纳索夫ABC计算机复制品计算机复制品爱荷华州立爱荷华州立大学达勒姆中心一楼大学达勒姆中心一楼2022-12-16220.6.3 巨人计算机二战期间用来破译德国密码的巨人计算机二战期间用来破译德国密码的巨人计算机2022-12-16230.6.4 MARK系列计算机MARK系列计算机系列计算机发明人发明人霍华德霍华德艾肯艾肯哈佛大学的哈佛大学的MARK-I2022-12-16240.6.

8、4 MARK系列计算机计算机软件之母计算机软件之母Grace Hopper(1906-1992)(a)一本介绍霍波博士的书一本介绍霍波博士的书(b)海军军官霍波海军军官霍波摄于摄于1984年年保存在霍波笔记本中的第一个保存在霍波笔记本中的第一个“bug”2022-12-16250.7.1 电子管时代1.电子文明的曙光电子二极管、三极管1904年，英国青年工程师约翰年，英国青年工程师约翰弗莱弗莱明发明真空二极管明发明真空二极管1906年，美国人李年，美国人李德德福雷斯特福雷斯特发明能起放大作用的真空三极管。发明能起放大作用的真空三极管。2022-12-16260.7.1 电子管时代2.第一台电子

9、计算机的诞生ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）1946年年2月月14日，诞生在美国宾夕法尼亚大学日，诞生在美国宾夕法尼亚大学2022-12-1627ENIAC的指标：的指标：l 每秒每秒5000次加法次加法l 17468个电子管个电子管l 7200个二极管、个二极管、70000个电阻器、个电阻器、10000个电容器、个电容器、6000个继电器个继电器l 占地占地170平方米平方米l 总重量总重量30吨吨l 耗电耗电174KWENIAC两位两位设计者设计者莫契利和埃克特莫契利和埃克特ENIAC博物馆中的部分器件博物馆中的部分

10、器件2022-12-16280.7.2 晶体管时代晶体管的三位发明人晶体管的三位发明人因因这项伟大发明，三人获得这项伟大发明，三人获得1956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖威廉威廉肖克利肖克利约翰约翰巴丁巴丁沃尔特沃尔特布拉坦布拉坦2022-12-16290.7.2 晶体管时代l 体积比电子管小很多体积比电子管小很多l 耗电大大降低耗电大大降低l 稳定性有很大提高稳定性有很大提高电子管实物电子管实物晶体管实物晶体管实物1955年，贝尔实验室，世界上第年，贝尔实验室，世界上第一台晶体管计算机一台晶体管计算机TRADIC。(Transistor Digital Computer)2022-12-

11、16300.7.3 集成电路时代集成电路的两位发明权人杰克杰克基尔比基尔比罗伯特罗伯特诺伊斯诺伊斯2022-12-16310.7.3 集成电路时代集成电路实物集成电路实物晶体管实物晶体管实物1964年年4月月7日，日，IBM360计算机计算机问世，标志着第三代计算机的问世，标志着第三代计算机的全面登场。全面登场。2022-12-16320.7.3 集成电路时代2022-12-16330.7.4 大规模集成电路时代：微处理器时代 1971年，Intel4004诞生。第一块微处理器芯片第一块微处理器芯片Intel 4004及其发明人特德及其发明人特德霍夫霍夫 1981年8月12日，IBM公司正式推

12、出了全球第一台个人计算机IBM PC。2022-12-16340.7.4 大规模集成电路时代：微处理器时代1975年，年仅20的盖茨与好友保罗艾伦共同创建了Microsoft公司。比尔比尔盖茨盖茨保罗保罗艾伦艾伦起止年代起止年代主要元件主要元件主要元件主要元件图例图例速度速度（次次/秒）秒）特点与应用领域特点与应用领域第第一一代代1946年年1950年代末年代末电子管电子管5千千1万万次次体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小；体积巨大，运算速度较低，耗电量大，存储容量小；主要用来进行科学计算主要用来进行科学计算第第二二代代1950年代中年代中1960年代中年代中晶体管晶体管几万几几万几

13、十万次十万次体积减少，耗电较少，运算速度较高，价格下降；体积减少，耗电较少，运算速度较高，价格下降；不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务管理，不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务管理，并逐渐用于工业控制并逐渐用于工业控制第第三三代代1960年代中年代中1970年代初年代初中、小 规中、小 规模集 成 电模集 成 电路路几十万几十万几百万次几百万次体积、功耗进一步减少，可靠性和速度进一步提高；体积、功耗进一步减少，可靠性和速度进一步提高；应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动应用领域进一步拓展到文字处理、企业管理、自动控制、城市交通管理等方面控制、城市交通管理等方面第第四四代代1970

14、年代初年代初今今大规 模 和大规 模 和超大 规 模超大 规 模集成电路集成电路几千万几千万几百万亿几百万亿次次性能大幅度提高，价格大幅度下降，广泛应用于社性能大幅度提高，价格大幅度下降，广泛应用于社会生活的各个方面，进入办公室和家庭；在办公室会生活的各个方面，进入办公室和家庭；在办公室自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、自动化、电子编辑排版、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统等领域中大显身手语音识别、专家系统等领域中大显身手各代计算机的特点2022-12-16352022-12-16360.7.5 后PC时代2022-12-16370.7.5 后PC时代Apple Watch&

15、Google眼镜眼镜家庭娱乐设备家庭娱乐设备2022-12-16380.7.6 下一代计算机 1965年，年，Intel公司的缔造者之一戈公司的缔造者之一戈登登摩尔（摩尔（Gordon Moore）在总结存储）在总结存储器芯片的增长规律时，指出器芯片的增长规律时，指出“微芯片上微芯片上集成的晶体管数目每集成的晶体管数目每12个月翻一番个月翻一番”。在随后的岁月里，发现微芯片的容量通在随后的岁月里，发现微芯片的容量通常每常每1824个月翻一番。因而，个月翻一番。因而，“微芯片微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番上集成的晶体管数目每三年翻两番”就就被人们称为摩尔定律（被人们称为摩尔定律（Moore

16、s Law），），如图所示。如图所示。2022-12-16390.7.6 下一代计算机1逻辑代数布尔2计算机开关电路香农3图灵机&图灵测试图灵4冯诺依曼结构冯诺依曼2022-12-1640布尔及逻辑代数2022-12-1641逻辑代数创始人逻辑代数创始人乔治乔治布尔布尔l 1 8 4 7 年，出 版年，出 版 逻 辑 的 数 学 分 析逻 辑 的 数 学 分 析 （T h e Mathematical Analysis of Logic。l 1854年，出版年，出版思维规律的研究思维规律的研究逻辑与概率逻辑与概率的数学理论基础的数学理论基础（An Investigation of the La

17、ws of Thought,on Which are Founded the Mathematical Theories of Logic and Probabilities。香农及计算机开关电路2022-12-1642信息论的创始人信息论的创始人克劳德克劳德香农香农l 1938年，年仅年，年仅22岁的香农在硕士论文的基础上，岁的香农在硕士论文的基础上，发表论文发表论文“继电器和开关电路的符号分析继电器和开关电路的符号分析”（A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits），首次阐述了如何将布尔代数运用于逻辑），首次阐述了如何将布尔代数运

18、用于逻辑电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。电路，奠定了现代电子计算机开关电路的理论基础。图灵及图灵机、图灵测试2022-12-1643计算机与人工智能之父计算机与人工智能之父阿兰阿兰图灵图灵 图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自这位伟大的科学家：源自这位伟大的科学家：l 24岁，提出图灵机理论；岁，提出图灵机理论；l 31岁，参与岁，参与Colossus（二战时英国破解德国通信密码（二战时英国破解德国通信密码的计算机）的研制；的计算机）的研制；l 33岁，构思了仿真系统；岁，构思了仿真系统；l 35岁，提出自动程序

19、设计概念；岁，提出自动程序设计概念；l 38岁，设计了岁，设计了“图灵测试图灵测试”；l 在后来还创造了一门新学科在后来还创造了一门新学科非线性力学；非线性力学；l 。图灵机2022-12-1644图灵机模型示意图图灵机模型示意图1936年年5月月28日，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为日，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为“论可计算数及其在判定问论可计算数及其在判定问题上的应用题上的应用”(On Computable Numbers,with an Application to the Entscheidungs problem)。在这篇开创性的论文中，图灵给。在这篇开创性

20、的论文中，图灵给“可计算性可计算性”下了一个严格的下了一个严格的数学定义，并提出著名的数学定义，并提出著名的“图灵机图灵机(Turing Machine)”的设想。的设想。图灵测试2022-12-16451950年年10月，图灵发表一篇题为月，图灵发表一篇题为“计算机器与智能计算机器与智能”(Computing machinery and intelligence)的论文，成为划时代之作。的论文，成为划时代之作。在这篇论文里，图灵第一次提出在这篇论文里，图灵第一次提出“机器思维机器思维”的概念。即，著名的的概念。即，著名的“图灵测试图灵测试”（Turing Testing）。）。图灵奖2022

21、-12-1646 为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，国际计算机协会为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，国际计算机协会(Association for Computing Machinery，ACM)于于1966年开始设立图灵奖年开始设立图灵奖(Turing Award)，这是计算，这是计算机界最负盛名的奖项，有机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖计算机界诺贝尔奖”之称。之称。l 首位华人获奖者首位华人获奖者2000年图灵奖得主，姚期智年图灵奖得主，姚期智l 首位女性获奖者首位女性获奖者2006年图灵奖得主，法兰西斯年图灵奖得主，法兰西斯艾伦艾伦姚期智姚期智法兰西斯法兰西斯艾伦艾伦冯诺

22、依曼及冯诺依曼结构2022-12-1647现代电子计算机之父现代电子计算机之父冯冯诺伊曼诺伊曼著名的两篇报告：著名的两篇报告：l 1945年年6月月30日日 First Draft of a Report on the EDVAC （俗称（俗称“101页报告页报告”）l 1946年年7、8月间月间 Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument （电子计算机逻辑设计初探）（电子计算机逻辑设计初探）2022-12-1648冯 诺依曼结构 这两篇报告的综合设计思想，便是著名

23、的这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯冯诺依曼结构（诺依曼结构（von Neumann Architecture）”。l 采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；l 计算机由五个部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；计算机由五个部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；l 程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描述辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描

24、述的处理工作。的处理工作。2022-12-1649第一台第一台“存储程序存储程序”电子计算电子计算机机EDSAC，英国剑桥大学，英国剑桥大学教授威尔克斯主持。教授威尔克斯主持。下面机器是较早实现下面机器是较早实现“冯冯诺依曼结构诺依曼结构”、按照、按照“存储程存储程序程序控制序程序控制”工作的计算机：工作的计算机：l IASIAS冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDVACEDVAC冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDSACEDSAC莫里斯莫里斯威尔克斯主持威尔克斯主持冯冯诺伊曼及诺伊曼及IAS机机EDVAC60年来神话般的进步2022-12-1650ENIACIntel Core Duo 2006首次

25、登场1946年2006年性能5 000次加法/秒20.6亿次运算/秒功耗170kW最多31W重量28t几乎可以忽略大小80英尺8英尺90.3mm2器件数量17 840支电子管150.6百万支晶体三极管成本US$487 000US$6372022-12-16510.9.1 高性能计算全球最快计算机排行榜，每年在6月和11月发布两次，这个榜单代表着世界上超级计算技术的最高水平。图0.80是2014年6月所发布的TOP500超级计算机分布图，从图上可以看出，美国仍然是世界高性能计算技术的引领者，在TOP500中他占据了将近半壁江山，中国则以拥有76席成为第二大户。美国（蓝色）：美国（蓝色）：2332

26、33席席中国（桔色）：中国（桔色）：7676席席2022-12-16520.9.1 高性能计算2010.112010.11世界最快计算机世界最快计算机美国的美国的“泰坦泰坦”（隶属美国能源部橡树岭国家实验室）（隶属美国能源部橡树岭国家实验室）2010.62010.6世界最快世界最快日本的日本的“京京”中的中的一个机架一个机架 中国的天河中国的天河2 2超级计算机，超级计算机，2013201420132014蝉联世界第一蝉联世界第一2012.62012.6世界最快计算机世界最快计算机美国的美国的“红杉红杉”2022-12-16530.9.2 普适计算2022-12-16540.9.2 普适计算计

27、算机三次浪潮的变化计算机三次浪潮的变化普适计算示例普适计算示例2022-12-16550.9.3 中国信息技术未来增长点【摘自中科院摘自中科院中国至中国至2050年信息科技发展战略图年信息科技发展战略图】21世纪上半叶，信息科学与技术正在发生深刻的跃变，从世纪上半叶，信息科学与技术正在发生深刻的跃变，从2010年至年至2050年，我国发展信息科学技术应该聚焦在以下六大任务和目标：年，我国发展信息科学技术应该聚焦在以下六大任务和目标：构建无所不在、称心如意的信息网络；构建无所不在、称心如意的信息网络；实现信息器件和系统的变革性升级换代；实现信息器件和系统的变革性升级换代；发展数据知识化产业；发展

28、数据知识化产业；以信息技术提升传统产业和实现低成本信息化；以信息技术提升传统产业和实现低成本信息化；创建发展新的信息科学和发展以计算为纽带的交叉科学；创建发展新的信息科学和发展以计算为纽带的交叉科学；构建国家与社会信息安全体系。构建国家与社会信息安全体系。正在兴起的新技术2022-12-1656 云计算、物联网、后云计算、物联网、后IP网络等，国外也没有网络等，国外也没有成熟的技术可模仿，中国是否能抢占这第轮新成熟的技术可模仿，中国是否能抢占这第轮新的技术革命的阵地？的技术革命的阵地？在此输入标题输入文字在此录入上述图表的综合分析结论在此录入上述图表的综合分析结论在此录入上述图表的综合分析结论在此录入上述图表的综合分析结论“谢谢聆听！2022-12-1657