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计算机与 计算机系统,PC时代的开创者,冯·诺依曼计算机体系结构,计算机系统组成,计算机工业生态链,计算机与计算机系统,计算机发展简史,计算机发展简史,ENIAC的诞生,1,计算机发展的几个阶段,2,计算机的发展趋势,3,ENIAC的诞生,研制电子计算机的想法产生于二战期间。当时激战正酣，主要的武器是飞机和大炮。各国的武器装备跟现在相比差远了。因此，研制和开发新型大炮和导弹显得十分必要和迫切。美国陆军军械部为此成立了“弹道研究实验室”。 美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张火力表，以便对导弹的研制进行技术鉴定。千万别小瞧这区区6张火力表，它们所需的运算量大得惊人。每张火力表都要计算几百条弹道，而每条弹道的数学模型都是非常复杂的非线性方程组。这些方程组是没有办法求出准确解的，只能用数值方法近似地进行计算。不过即使用数值方法近似求解也不是件容易的事。按当时的计算工具，实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也需要二个多月的时间才能完成一张火力表。这样的速度显然不能满足战争的需要。,为了改变这种不利状况，时任宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利于1942年提出了研制电子计算机的设想，期望使用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。 美国军方得知这一设想后，马上拨款大力支持，成立了以莫希利、埃克特为首的研制小组。预算经费为15万美元（实际投资48万），这在当时是一笔巨款。 1946年2月14日，世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC宣告研制成功。,莫希利和埃克特,ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) 占地170平米 重30吨 耗电174千瓦 每秒5000次加法（人每秒最多5次），400次乘法，20分钟能够计算出一条弹道，但现在的计算机只需30秒,计算机发展的几个阶段,第四阶段 大规模及超大规模集成电路计算机,第一阶段 电子管计算机,第三阶段 集成电路计算机,第二阶段 晶体管计算机,电子管计算机：1946年20世纪50年代后期 逻辑元件：电子管 主存：磁鼓 辅存：磁带 软件：机器语言、符号语言 应用：科学计算 主要成就：揭开了人类历史新篇章；冯·诺依曼提出了存储程序的思想，以及计算机的逻辑部件和工作过程，奠定了现代计算机体系结构,晶体管计算机：20世纪50年代中期60年代中期 逻辑元件：晶体管 主存：磁芯 辅存：磁盘 软件：高级程序设计语言、操作系统 应用：除科学计算外，还应用于数据处理、过程控制 主要成就：计算机体积缩小、功耗降低、速度和可靠性提高；发明了高级语言；提出了计算机兼容问题,电子管,晶体管,与电子管相比，晶体管： 体积小了很多 功耗明显降低 稳定性有了很大提高,集成电路计算机：20世纪60年代中期70年代初期 逻辑元件：集成电路 主存：半导体 辅存：磁盘 软件：高级程序设计语言、操作系统 应用：科学计算、数据处理、过程控制 主要成就：IBM提出了系列机的概念，解决了计算机兼容问题；控制器设计使用了微程序控制技术；结构化设计思想成熟，软硬件设计标准化,电子管,晶体管,大规模及超大规模集成电路计算机：20世纪70年代初期今 逻辑元件：大规模、超大规模集成电路 主存：大规模、超大规模半导体芯片 辅存：磁盘、光盘 软件：高级程序设计语言、操作系统 应用：科学计算、数据处理、过程控制，计算机在很多领域得到广泛使用 主要成就：Intel公司发明了微处理器芯片；微型计算机出现；软件产业高度发展；多媒体技术崛起,第一台微型计算机Altair8800,第一块微处理器芯片Intel4004,计算机的发展趋势,无论从硬件结构还是性能等方面讲，计算机已经不再只是进行简单的计算。目前，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化和智能化的方向进一步发展。 巨型化，计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。 微型化，计算机或更确切地说是具有信息处理功能的计算部件已经嵌入到诸如仪表、仪器、家用电器、电子消费品等设备中，成为智能电子产品的重要部件。 网络化，计算机网络已经成为信息时代的基础设施，计算机与计算机之间的通信越来越频繁。 智能化，相比现在的计算机，未来的计算机将可以模拟人的感官和思维，具有逻辑推理能力和学习能力。 如同马达之于机械，人们提出了普适计算的概念，即无处不在的计算。其意义在于计算技术将融入人们的日常生活而又不被察觉。,在普适计算时代，计算机主要不是以独立的计算设备形态出现，而是将嵌入式处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以信息设备的形式出现。,下一代计算机无论从体系结构、工作原理，还是器件及制造技术，都将发生颠覆性变革。目前正在研制的生物计算机和量子计算机是迄今为止最新一代的计算机。它们已经从本质上超越了电子计算机。,PC时代的开创者,蓝色巨人IBM,1,奔腾之芯Intel,2,业界罗马帝国Microsoft,3,蓝色巨人IBM,IBM，即国际商用机器公司（International Business Machines Corporation）。因为它的徽标是蓝色的，人们常常称之为蓝色巨人。IBM成立于1924年，由老托马斯·沃森创办。但是IBM和外界都把它的历史向前推进30年到19世纪末。,Thomas J. Watson,在相当长的一段时间，IBM始终是信息产业的主导力量。在计算机领域，只要抓住IBM一个不经意的疏忽，往往就能成就一番事业。苹果、DEC、微软和Intel的发迹都和IBM有着密切的联系。整个计算机的历史几乎就是年轻人不断挑战IBM的历史。IBM在计算机工业领域成就了辉煌的业绩。 1953年，IBM701作为第一代电子管计算机的标志产品隆重推出； 1954年，IBM650上市，立即成为中型计算机的工业标准； 1954年，IBM推出用于科学计算的大型机IBM704，刮起了强劲的“IBM旋风”； 1959年，IBM全面推出7000系列晶体管计算机； 1961年，IBM转向开发集成电路型计算机，首次提出了“兼容性”的概念； 1964年，IBM系列计算机问世，取得了难以置信的成功，成为第三代计算机的标志； 从1969年开始，美国司法部和IBM大了10年之久的反垄断官司。这场官司的结果之一是IBM必须公开一些技术，从而导致了后来无数IBM-PC兼容机公司的出现。,1976年，没有读完大学的史蒂夫·乔布斯在自家的车库里整出了世界上第一台可以商业化的个人电脑Apple-。观望了4年之后，IBM决定开发个人电脑。为了尽快研制出一台PC，IBM的项目组不得不打破以前自己开发计算机全部软硬件的习惯，采用了Intel公司8086芯片作为处理器，委托微软公司开发操作系统和相关软件。IBM这一不经意的举措给个人计算机带来了颠覆性的变革。在IBM公司公布IBM-PC标准后不久，生产PC兼容机的公司如雨后春笋迅速发展起来，生产微处理器的Intel公司和开发软件的微软公司也因IBM的机缘一夜之间壮大起来。从此，计算机逐渐进入千家万户和各个领域。,奔腾之芯Intel,Intel公司由戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯于1968年创办。其名称源于Integrated Electronics的缩写。Intel公司是全球最大的半导体芯片制造商。,Gordon Moore,Robert Noyce,Intel在早期很长一段时间都是名不见经传的的小公司，其产品被认为低性能、低价格的代表。1980年，IBM为了短平快地搞出PC，懒得自己设计处理器，拿了Intel的8086就直接用上。这一下子，Intel一举成名，从此进入发展的快车道，成为业界翘楚。 1971年，Intel开发出第一个商用处理器Intel 4004，开启了微处理器时代； 1978年，Intel开发出8086微处理器，后来成为IBM-PC的CPU； 1985年，Intel推出32位的处理器80386，开启了个人计算机的多媒体时代，Intel凭此处理器一统IBM-PC兼容机的市场； 1993年，Intel的奔腾系列处理器问世，在随后的十年里，Intel推出了很多代的奔腾处理器； 2006年，Intel的酷睿双核处理器问世，酷睿系列处理器几乎成了多核的代名词。,Intel曾经的和现在的产品,业界罗马帝国Microsoft,Microsoft公司由比尔·盖茨和保罗·艾伦于1975年创办。其名称由microcomputer和software两部分组成。微软公司几乎垄断了桌面操作系统和大部分办公软件市场。IT行业流传着一句告诫：“永远不要做微软想做的事情”。,Bill Gates,Paul Allen,和大多数伟大的公司一样，微软的崛起也是充满了传奇色彩。1980年，IBM公司为了尽快开发出PC，便委托微软公司为其开发操作系统和一些应用软件。微软的操作系统因IBM-PC的成功而崛起。几十年来，Intel牢牢地占据了微机CPU的核心位置，微软的Windows系列操作系统则控制了PC终端。因此，人们把这种格局称之为WinTel体系。微软在PC时代成就了霸业。 1980年，微软为IBM-PC开发DOS操作系统，敲开了软件产业的大门； 1990年，微软推出基于图形界面的Windows 3.0操作系统，微软帝国开始形成； 1993年，微软推出视窗版电子表格制作软件Excel，挤垮了该领域的Lotus公司； 1995年，Word 95问世，微软消灭了WordPerfect公司； 同年，微软推出了IE浏览器，并最终干掉了Netscape公司。,微软产品线,操作系统：Windows XP、Win7等 办公软件：Office 2007 、Project 2007、Visio 2007等 Server系列服务器：Windows server 2008、Exchange Server 2007等 数据库管理系统：SQL Server等 Visual Studio 2008系列 Forefront等安全产品,冯·诺依曼计算机体系结构,在介绍目前普遍采用的冯·诺依曼计算机体系结构之前，还是让我们先了解一些奠定了现代计算机理论基础的重要人物和他们的思想。,布尔与逻辑代数 1847年，布尔出版了著作逻辑的数学分析 1854年，布尔出版了著作思维规律的研究逻辑与概率的数学理论基础 以上述两部著作为基础，布尔开创了一门新的数学分支逻辑代数，又称布尔代数。它为百年后出现的数字计算机开关电路设计提供了最主要的数学方法和理论基础。,George Boole （1815-1864） 逻辑代数创始人,香农与计算机开关电路 1938年，香农发表了论文“继电器和开关电路的符号分析”，首次阐述了将布尔代数运用于逻辑电路的思想，奠定了现代计算机开关电路的理论基础。 1946年，香农发表了论文“通信的数学原理”，1949年又发表了论文“噪声下的通信”。这两篇论文成了信息论的奠基性著作，香农开创了信息论。,Claude Shannon （1916-2001） 信息论创始人,图灵、图灵机与图灵测试 图灵于24岁提出了图灵机理论，31岁破解了德军密码，33岁构思了仿真系统，35岁提出了自动程序设计概念，38岁设计了“图灵测试”， 1936年，图灵发表了论文“论可计算数及其在判定问题上的应用”。在这篇论文中，图灵给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出了“图灵机”的设想。 1950年，图灵发表了论文“计算机器与智能”。在这篇论文中，图灵提出了“机器思维”的概念。他对智能问题从行为主义的角度给出了定义，提出一种假想：一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么就可以认为这台计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是能思维的。这就是著名的“图灵测试”。,Alan Turing （1912-1954） 计算机与人工智能之父,为纪念图灵在计算机领域做出的巨大贡献，美国计算机协会于1966年设立了图灵奖，专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人。一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少数年度有两名合作者或在同一方向作出贡献的科学家共享此奖。图灵奖是计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。2000年的图灵奖得主姚期智成为首获该奖项的华人。2006年的图灵奖得主法兰西斯·艾伦则是首位获得该奖项的女性。,John Von Neumann （1903-1957） 现代电子计算机之父,19451946年期间，冯·诺依曼先后发表了学术报告“101页报告”和“电子计算机逻辑设计初探”。这两篇报告的综合设计思想便是著名的“冯·诺依曼结构”。报告明确指出： 计算机采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制； 计算机由运算器、控制器、存储器、输入部件和输出部件5个部分构成； 程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中，计算机按照程序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出并逐条执行，从而自动完成程序描述的处理工作。（即“存储程序”思想）,计算机的5个功能组件,存放数据 和程序指令,将二进制代码转换 为相应的源信息形 式；输出数据信息,识别并分析指令； 向相关功能组件发送操作指令； 实现程序控制，协调各部分工作； 是计算机的控制中心,将原始数据和程序输入到计算机内部，转换成为二进制代码,进行算术运算和逻辑运算,冯·诺依曼计算机工作原理,计算机系统组成,通常计算机系统由硬件系统和软件系统组成。以微型计算机为例，其硬件系统一般由主机和外部设备组成。,微型计算机基本硬件结构,计算机的软件系统由系统软件和应用软件两部分组成。系统软件是管理、监控和维护计算机资源，使硬件、程序和数据协调工作，便于用户使用计算机的软件。系统软件处于硬件和应用软件之间，相当于应用软件和硬件之间的桥梁。应用软件是为解决某种实际问题而编制的计算机程序及其相关文档数据的集合。,系统软件,应用软件,用户应用程序或文档,系统软件是管理、维护整个计算机系统的软件；保证计算机各组成部分有效地协调工作，保证用户应用程序正常运行 计算机系统软件包括语言处理程序；操作系统；各种系统服务程序，各种硬件设备的驱动程序,专门解决特定的应用问题，并按一般用户的任务需求编制而成的各种应用程序 由专门人员设计编制，提供给普遍的用户使用 文字处理软件；杀毒软件；图形图像处理软件；多媒体信息处理和播放软件；浏览器以及其他网络信息服务软件,用户应用程序是应用软件的一个特例 用户为解决具体问题而自己使用计算机语言编制的程序称为用户应用程序 用户使用应用软件创建的数据文件称为文档（Word文档、C程序文档、PPT文档等）,软件,语言包含命令和规则 机器语言、汇编语言、高级语言,程序是一系列命令的有序集合 目的是使计算机能自动工作 可以使用不同的计算机程序设计语言编写程序 使用非机器指令编写的程序，最终必须转换为机器指令 转换（翻译）由专门的系统软件完成,操作都是通过命令完成 命令有多种书写和发送方式 计算机能直接识别的命令是由二进制代码表示的指令,命令,语言,程序,计算机语言,计算机工业生态链,摩尔定律,1,安迪-比尔定律,2,诺威格定律,3,摩尔定律,IT业界流传着这样一个故事：在一次会议上，比尔·盖茨调侃通用汽车公司老板，说如果汽车工业能够像计算机领域一样发展，那么今天买一辆汽车只需25美元，一升汽油能跑400公里。这个故事说明了计算机和整个IT行业的发展比传统产业快得多。 最早看到这个现象的是Intel公司的创始人戈登·摩尔博士。早在1965年他就指出，在至多10年内，集成电路的集成度会每两年翻一番。后来，人们把这个周期修正为18个月。并称之为摩尔定律。,摩尔定律：每18个月，计算机等IT产品的性能就会翻一番，或者说相同性能的计算机等IT产品，每18个月价格就会降一半。 几十年来，IT行业的发展始终遵循着摩尔定律预测的速度。 和任何其它商品相比，制造IT产品所需要的原材料非常少，成本几乎是零。IT行业硬件的制造成本主要是制造设备的成本。,摩尔定律主导着整个IT产业的发展： 为了能使摩尔定律成立，IT公司必须在比较短的时间内完成下一代产品的开发。这就要求IT公司必须在研发上投入大量资金，使得每个产品的市场不会有太多的竞争者。比如在微机处理器领域只有Intel和AMD。 由于有了强有力的硬件支持，很多应用不断涌现。比如，20年前连IBM的大型机都无法胜任高清电影的播放，现在一台普通的笔记本电脑就能够轻松做到。 摩尔定律使得各个公司现在的研发必须针对多年后的市场。这使得我们有理由相信10年后，家庭上网的速度将提高1000倍。,安迪-比尔定律,安迪即Intel公司的原CEO安迪·格罗夫，比尔就是微软创始人比尔·盖茨。在过去30多年，Intel处理器的性能每18个月翻了一番，计算机内存和硬盘的容量也以更快的速度在增长。但是，微软的操作系统以及其它应用软件也是越做越大。所以，现在的计算机虽然比10年前快了100倍，但运行软件时感觉上还是和以前差不多。更糟糕的是，用户发现，如果不更新计算机，很多新的软件将无法使用。,安迪-比尔定律说明，硬件性能的提升被软件耗用了。之所以出现这种情况，一是现在的软件开发模式和过去大为不同，为了提高软件开发效率，软件开发人员对计算机资源不再精打细算；二是许多新的应用本身就比较耗用资源，例如视频和动画。 安迪-比尔定律把原来属于耐用消费品的电脑、手机等商品变成了消耗性商品，刺激着整个IT产业的发展。,诺威格定律,美国计算机协会资深会员、人工智能专家彼得·诺威格博士曾说过，当一家公司的市场占有率超过50%后，就无法使市场占有率翻番了。这个浅显易懂的道理道出了许多跨国公司兴衰的根源。 和传统产业不一样，IT公司非常容易早熟，可能用不了几年就成长到了饱和状态。对于一个在全球某个领域占主导地位的公司，如果不能及早预见市场的饱和性是很危险的。当年朗讯公司已经占领了美国程控交换机的大半江山，依然梦想着在这个已经开始萎缩的市场上快速成长，回避现实，最终导致了企业衰亡。,诺威格定律决定了在一个市场占有主导地位的公司，必须不断开拓新的财源，才能做到长盛不衰。到目前为止，开拓新的财源，有效的途径只有两条：延伸现有业务和转型。例如，微软从操作系统软件Windows延伸到办公软件Office，而GE则从一个电器公司转型到了传媒和金融公司。,
