冯诺依曼和戈德斯坦课件.ppt
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1、计算机科学导论计算机科学导论学习计算机类专业的第一门专业基础课程,学习计算机类专业的第一门专业基础课程,本课程将会带领大家遨游计算机海洋!本课程将会带领大家遨游计算机海洋!2022-12-20第一章第一章 概概 述述本章学习目标本章学习目标初步了解计算机的产生和发展阶段初步了解计算机的产生和发展阶段掌握计算机的基本概念、分类、特点掌握计算机的基本概念、分类、特点了解计算机的应用领域和发展趋势了解计算机的应用领域和发展趋势了解计算机科学与技术学科概述了解计算机科学与技术学科概述了解计算机科学与技术学科的知识体系了解计算机科学与技术学科的知识体系了解计算机科学与技术学科的教育了解计算机科学与技术学
2、科的教育2022-12-20计算机是什么?计算机是什么?Computers are everywhere!2022-12-20计算机成了社会的必需品计算机成了社会的必需品l计算机是一种相对其能力而言比较便宜的工具,同一台机器计算机是一种相对其能力而言比较便宜的工具,同一台机器能够做许多种不同的事:能够做许多种不同的事:l算题(科学计算)算题(科学计算)l制作图案制作图案l处理文字处理文字l记录事实记录事实l控制其他机器控制其他机器l游戏游戏l发送消息发送消息l识别语音识别语音2022-12-20计算机是一台快速,笨拙的机器计算机是一台快速,笨拙的机器l 只有有限的能力。只有有限的能力。l 只能
3、进行基本的数学运算与逻辑比较。只能进行基本的数学运算与逻辑比较。l 必须由程序来指示它做什么事。必须由程序来指示它做什么事。George Beekmanl 计算机是一台笨拙的机器,具有从事令人难以置信的聪明工作计算机是一台笨拙的机器,具有从事令人难以置信的聪明工作的能力,的能力,.l 计算机程序员则是一些聪明的人,具有从事令人难以置信的笨计算机程序员则是一些聪明的人,具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力。拙工作的能力。l 简而言之,计算机与程序员实现了完美的配合。简而言之,计算机与程序员实现了完美的配合。Jamie Shiers2022-12-20电子数字计算机电子数字计算机o电子数字计算机电
4、子数字计算机(Electronic Digital Computer)简称为电简称为电子计算机或计算机,也是人们常说的电脑,是二十世纪最辉煌的子计算机或计算机,也是人们常说的电脑,是二十世纪最辉煌的成就之一。成就之一。o计算机给人类带来了巨大的变化。计算机给人类带来了巨大的变化。o计算机的定义:计算机的定义:计算机是一种能按照事先存储的程序,自动地、高速地、精确地计算机是一种能按照事先存储的程序,自动地、高速地、精确地进行大量数值计算,并且具有记忆进行大量数值计算,并且具有记忆(存储存储)能力、逻辑判断能力、能力、逻辑判断能力、可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备。可靠性能的数字化信息
5、处理的现代化智能电子设备。2022-12-201.1 计算机的产生和发展阶段计算机的产生和发展阶段 计算机的产生和发展不是一蹴而就的,而是经计算机的产生和发展不是一蹴而就的,而是经历了漫长历史的过程。历了漫长历史的过程。在这过程中,科学家们经过艰难的探索,发明在这过程中,科学家们经过艰难的探索,发明了各种各样的了各种各样的“计算机计算机”,这些,这些“计算机计算机”顺应顺应了当时历史的发展,发挥了巨大的作用,推动了了当时历史的发展,发挥了巨大的作用,推动了社会的进步,也推动了计算机技术的发展。社会的进步,也推动了计算机技术的发展。2022-12-201.1.1 计算机产生的史前史计算机产生的史
6、前史1.算筹算筹 o 算筹又称为筹、策、算子等算筹又称为筹、策、算子等 o 算筹在中国的起源很早算筹在中国的起源很早 o 中国著名科学家祖冲之中国著名科学家祖冲之(429500年年)借助算筹作为计算工具借助算筹作为计算工具计算出圆周率计算出圆周率 祖冲之(429500年)2022-12-202.算盘算盘 o 算盘也称珠算,是中国劳动人民创造算盘也称珠算,是中国劳动人民创造的一种工具的一种工具 o 由古代由古代“算筹算筹”演变而来演变而来 o 素有素有“中国计算机中国计算机”之称之称 o 最早见于汉末三国时代徐岳撰写的最早见于汉末三国时代徐岳撰写的数术记遗数术记遗 o 南宋时期的数学家杨辉发明了
7、南宋时期的数学家杨辉发明了乘除乘除通变算宝通变算宝 2022-12-203.机械计算机机械计算机 o 1623年,德国科学家契克卡年,德国科学家契克卡德德(W.Schickard)为天文学为天文学家开普勒家开普勒(Kepler)制作了一制作了一台机械计算机台机械计算机 2022-12-203.机械计算机机械计算机o 法国科学家布莱斯法国科学家布莱斯帕斯卡帕斯卡(Blaise Pascal:16231662年年)是被公认为是制造出是被公认为是制造出机械计算机的第一人。机械计算机的第一人。2022-12-203.机械计算机机械计算机o德国著名数学家戈特弗里德德国著名数学家戈特弗里德威廉威廉莱布尼莱
8、布尼茨茨(Gottfried Wilhelm Leibniz:1646阿阿1716年年)将帕斯卡的将帕斯卡的“加法器加法器”扩大为乘除运算扩大为乘除运算 o1700年左右,莱布尼茨从中国年左右,莱布尼茨从中国“易易图图”(八卦八卦)里受到启发,悟出了二进制数里受到启发,悟出了二进制数之真谛。之真谛。2022-12-204.提花机提花机o 西汉年间中国的纺织工西汉年间中国的纺织工匠已能熟练掌握提花机匠已能熟练掌握提花机技术技术。2022-12-204.提花机提花机o 法国机械师约瑟夫法国机械师约瑟夫杰卡杰卡德德(Joseph Jacquard),大约在,大约在1801年完成了年完成了“自动提自动
9、提花编织机花编织机”的设计制作,的设计制作,真正成功地改进了提花真正成功地改进了提花机。机。2022-12-205.差分机和分析机差分机和分析机o英国剑桥大学著名科学家英国剑桥大学著名科学家查理斯查理斯巴贝奇巴贝奇(Charles Babbage:17921871年年)在在1822年设计年设计出第一台差分机。出第一台差分机。Babbage(17921871年)2022-12-205.差分机和分析机差分机和分析机o 阿达阿达奥古斯塔奥古斯塔(Ada Augusta:18151852年年)是计算机领域著名是计算机领域著名的女程序员。的女程序员。Ada(18151852年)2022-12-206.模
10、拟计算机模拟计算机o19世纪末,赫尔曼世纪末,赫尔曼霍霍列瑞斯列瑞斯(Herman Hollerith:18601929)首先用穿孔卡首先用穿孔卡完成了第一次大规模数完成了第一次大规模数据处理。据处理。2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o 托马斯托马斯沃森沃森(T.Watson)和和IBM 2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o布什布什(V.Bush)为了求为了求解与电路有关的微分方解与电路有关的微分方程,制作了一台模拟计程,制作了一台模拟计算装置助其求解算装置助其求解 o1873年,美国人鲍德年,美国人鲍德温温(F.Baldwin),利,利用齿数可变齿轮,设法用齿数可变齿轮
11、,设法制造出一种小型计算机制造出一种小型计算机样机样机 2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o 英国数学家布尔英国数学家布尔(G.Boole:18151864年年)o 第一部著作第一部著作逻辑的数学分析逻辑的数学分析o 1854年,已经担任柯克大学教授的年,已经担任柯克大学教授的布尔再次出版布尔再次出版思维规律的研究思维规律的研究逻辑与概率的数学理论基础逻辑与概率的数学理论基础o 凭借这两部著作,布尔建立了一门凭借这两部著作,布尔建立了一门新的数学学科新的数学学科布尔代数布尔代数2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o1938年,美国数学家香农年,美国数学家香农(C.Shanno
12、n)第一第一次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁,次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁,以脉冲方式处理信息的继电器开关,从理论到技术以脉冲方式处理信息的继电器开关,从理论到技术彻底改变了数字电路的设计。彻底改变了数字电路的设计。o1948年,香农凭借年,香农凭借通信的数学基础通信的数学基础一书,被一书,被誉为誉为“信息论之父信息论之父”。o1956年,香农参与发起了达特默斯人工智能会议,年,香农参与发起了达特默斯人工智能会议,率先把人工智能运用于计算机下棋方面,还发明了率先把人工智能运用于计算机下棋方面,还发明了一个能自动穿越迷宫的电子老鼠,以此验证了计算一个能自动穿越迷宫的电子老
13、鼠,以此验证了计算机可以通过学习提高智能。机可以通过学习提高智能。2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o 1937年年11月,月,在在AT&T贝尔实贝尔实验室工作的斯蒂验室工作的斯蒂比兹比兹(G.Stibitz),运用,运用继电器作为计算继电器作为计算机的开关元件。机的开关元件。2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o1938年,年,28岁的楚泽岁的楚泽(K.Zuse)完成了完成了一台可编程数字计算机一台可编程数字计算机Z-1的设计。的设计。o1939年,德国工程师楚泽继电器组装了年,德国工程师楚泽继电器组装了Z-2。o1941年,楚泽的电磁式计算机年,楚泽的电磁式计算机Z-3完
14、成。完成。o希特勒战败后,楚泽辗转流落到瑞士一个希特勒战败后,楚泽辗转流落到瑞士一个荒凉的村庄,一度转向研究计算机软件理荒凉的村庄,一度转向研究计算机软件理论。论。o1945年建造了年建造了Z-4计算机。计算机。o1949年,他建立了年,他建立了“Zuse计算机公司计算机公司”,继续开发更先进的机电式程序控制计算机。继续开发更先进的机电式程序控制计算机。2022-12-20 Z3 重建Z1 Z4 老年楚泽(中)老年楚泽(中)数字计算机之父数字计算机之父2022-12-206.模拟计算机模拟计算机o电磁式计算机叫电磁式计算机叫Mark,也叫也叫“自动序列受控计算自动序列受控计算机机”,在计算机发
15、展史上,在计算机发展史上占据重要地位,是计算机占据重要地位,是计算机“史前史史前史”里最后一台著里最后一台著名的计算机,发明者是美名的计算机,发明者是美国哈佛大学艾肯国哈佛大学艾肯(H.Aiken)博士。博士。2022-12-201.1.2 计算机的产生计算机的产生1.图灵o1936年,阿伦图灵(Alan Turing:19121954年)在他的一篇具有划时代意义的论文论可计算数及其在判定问题中的应用(On Computer Numbers With an Application to the Entscheidungs Problem)中,论述了一种假想的通用计算器,也就是理想计算机,被后人
16、称为“图灵机”(Turing MachineTM)。2022-12-201.图灵图灵o1939年,年,“图灵炸弹图灵炸弹”(Bomba),图灵称它是,图灵称它是“罗宾逊罗宾逊”。o1945年,图灵领导一批优秀的电子工程师,着手制造自动计算年,图灵领导一批优秀的电子工程师,着手制造自动计算引擎引擎(Automatic Computing EngineerACE)。o1950年,年,ACE样机公开表演,被称为世界上最快最强有力的电样机公开表演,被称为世界上最快最强有力的电子计算机。子计算机。2022-12-201.图灵图灵o 1950年年l0月,图灵发表了论文月,图灵发表了论文“计算机和智计算机和
17、智能能”(Computing Machinery and Intelligence)“图灵测试图灵测试”(Turing Test)。o 图灵荣膺图灵荣膺“人工智能之父人工智能之父”称号。称号。o 1954年,年,42岁的图灵英年早逝。从岁的图灵英年早逝。从1966年开始,年开始,每年由美国计算机学会每年由美国计算机学会(Association for Computing MachineryACM)颁发颁发“图灵图灵奖奖”(Turing Award)给世界上最优秀的电脑科学给世界上最优秀的电脑科学家。家。2022-12-20图灵纪念馆图灵纪念馆2022-12-202.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依
18、曼o 1946年年2月,美国宾夕法尼亚大学成功研制出了月,美国宾夕法尼亚大学成功研制出了ENIAC,这是世界上第一台数字电子计算机。,这是世界上第一台数字电子计算机。o 莫尔学院的两位青年学者莫尔学院的两位青年学者36岁物理学家约翰岁物理学家约翰莫莫齐利齐利(John Mauchly)和他的学生,和他的学生,24岁的电气岁的电气工程师布雷斯帕工程师布雷斯帕埃克特埃克特(Presper Eckert),向戈,向戈德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计方案德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计方案“高速电子管计算装置的使用高速电子管计算装置的使用”。2022-12-202.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依
19、曼o1944年夏的一天,在阿贝丁火车站,年夏的一天,在阿贝丁火车站,戈德斯坦邂逅了数学家约翰戈德斯坦邂逅了数学家约翰冯冯诺依曼诺依曼(John Von Nouma:19031957年年),于是戈德斯坦向冯,于是戈德斯坦向冯诺依曼诺依曼介绍了正在研制电子计算机,冯介绍了正在研制电子计算机,冯诺依诺依曼非常感兴趣。几天之后,冯曼非常感兴趣。几天之后,冯诺依曼诺依曼就专程到莫尔学院参观还未完成的就专程到莫尔学院参观还未完成的ENIAC,并参加了为改进,并参加了为改进ENIAC而而举行的一系列专家会议。举行的一系列专家会议。2022-12-202.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依曼2022-12-202.
20、ENIAC和冯和冯诺依曼诺依曼o冯冯诺依曼决定重新设计一台计算机,命名为诺依曼决定重新设计一台计算机,命名为“离散变量自动电离散变量自动电子计算机子计算机”(Electronic Discrete Variable Automatic Calculator:EDVAC)。o 1946年年6月,冯月,冯诺依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯顿大学诺依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯顿大学高级研究院,完成了另一台高级研究院,完成了另一台ISA(高级研究院的英文缩写高级研究院的英文缩写)电子计电子计算机,他们联名发表了计算机史上著名的算机,他们联名发表了计算机史上著名的“101页报告页报告”。2022-1
21、2-202.ENIAC和冯和冯诺依曼诺依曼o1946年,英国剑桥大学威尔克斯年,英国剑桥大学威尔克斯(M.Wilkes)教授,到宾夕法教授,到宾夕法尼亚大学参加冯尼亚大学参加冯诺依曼主持的培训班,完全接受了冯诺依曼主持的培训班,完全接受了冯诺依曼存诺依曼存储程序的设计思想。储程序的设计思想。o1949年年5月,威尔克斯研制成了一台由月,威尔克斯研制成了一台由3000只电子管为主要只电子管为主要元件的计算机,命名为电子储存程序计算机元件的计算机,命名为电子储存程序计算机(Electronic Delay Storage Automatic Calculator:EDSAC),由此,由此,他获得了
22、他获得了1967年度年度“图灵奖图灵奖”。2022-12-201.1.3 计算机的发展阶段计算机的发展阶段o计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一,按照采用的电子器件计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一,按照采用的电子器件划分,计算机大致已经历了四个阶段:划分,计算机大致已经历了四个阶段:o 1.第一代计算机第一代计算机(1946年年1957年年)o其主要特征是逻辑器件使用电子管,用穿孔卡片机作为数据和指令其主要特征是逻辑器件使用电子管,用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备,用磁鼓或磁带作为外存储器,使用机器语言编程。的输入设备,用磁鼓或磁带作为外存储器,使用机器语言编程。o第一代计算机体积
23、大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置,主要用于科学计算。没有什么软件配置,主要用于科学计算。o其代表机型有:其代表机型有:ENIAC、IBM650(小型机小型机)、IBM709(大型机大型机)等。等。2022-12-202022-12-202.第二代计算机第二代计算机(1958年年1964年年)o其主要特征是使用晶体管代替了电子管,内存储器采用了磁芯体,其主要特征是使用晶体管代替了电子管,内存储器采用了磁芯体,引入了变址寄存器和浮点运算硬件,利用引入了变址寄存器和浮点运算硬件,利用I/O处理机提高了输入处理机提高了
24、输入输出能力。输出能力。o在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序,并且推出了在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序,并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编等高级程序设计语言及相应的编译程序,降低了程序设计的复杂性。译程序,降低了程序设计的复杂性。o其代表机型有:其代表机型有:IBM7090、IBM7094、CDC7600等。等。2022-12-202022-12-203.第三代计算机第三代计算机(1965年年1972年年)o 其主要特征是用半导体、小规模集成电路其主要特征是用半导体、小规模集成电路(Integrated CircuitIC)作为元器件代
25、替晶作为元器件代替晶体管等分立元件,用半导体存储器代替磁芯存储器,体管等分立元件,用半导体存储器代替磁芯存储器,使用微程序设计技术简化处理机的结构,这使得计使用微程序设计技术简化处理机的结构,这使得计算机的体积和耗电量显著减小,而计算速度和存储算机的体积和耗电量显著减小,而计算速度和存储存量却有较大提高,可靠性也大大加强。存量却有较大提高,可靠性也大大加强。o 在软件方面则广泛地引入多道程序、并行处理、虚在软件方面则广泛地引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统和功能完备的操作系统,同时还提供了拟存储系统和功能完备的操作系统,同时还提供了大量的面向用户的应用程序。计算机开始定向标准大量的面向用户的
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