計(jì)算機(jī)導(dǎo)論-第五課(西安交大)

第七部分現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史

體積在變性能在變規(guī)格在變機(jī)械式和電動式的模擬計(jì)算機(jī)的瓶頸靈活性差須手動裝配（像是重新改編程序）才能處理下一個待解問題效率低，精度差復(fù)雜運(yùn)算需要耗時較長時間和人力3

電子計(jì)算的物理基礎(chǔ)

電子計(jì)算的物理基礎(chǔ)-電子管電子管的發(fā)明源自——“愛迪生效應(yīng)”電子管，是一種在氣密性封閉容器中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。56用電平表示狀態(tài)—電子存儲7現(xiàn)代計(jì)算機(jī)—流程化的計(jì)算

流水線生產(chǎn)方式：1復(fù)雜問題被分解為簡單的步驟。2每個步驟由專業(yè)的技

工來完成3所有步驟通過一個有

序遞進(jìn)的生產(chǎn)線連接

起來。

電子計(jì)算的理論基礎(chǔ)

電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1936年，在他的一篇具有劃時代意義的論文——《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)中，論述了一種假想的通用計(jì)算器，也就是理想計(jì)算機(jī)，被后人稱為“圖靈機(jī)”(TuringMachine——TM)。阿倫?圖靈AlanTuring1912—1954年電子計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)-圖靈機(jī)圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程在紙上寫上或擦除某個符號把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置圖靈機(jī)就其計(jì)算能力而言，可以模擬現(xiàn)代任何計(jì)算機(jī)，蘊(yùn)含了現(xiàn)代存儲程序式計(jì)算機(jī)的思想10圖靈機(jī)的帶子可以看作是具有可擦寫功能的存儲器圖靈模型圖靈的觀點(diǎn)及結(jié)論凡是能用算法解決的問題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，任何算法也解決不了。圖靈機(jī)是從過程這一角度來刻畫計(jì)算的本質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡單、操作運(yùn)算規(guī)則也較少，從而為更多的人所理解圖靈模型：可編程化的數(shù)據(jù)處理器程序是告訴計(jì)算機(jī)怎樣處理數(shù)據(jù)的指令集11馮·諾依曼模型在圖靈機(jī)基礎(chǔ)上把數(shù)據(jù)存在存儲器中大約在1944-1945年，馮·諾依曼提出：由于程序和數(shù)據(jù)在邏輯上是等同的，那么程序也應(yīng)當(dāng)存儲在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中將程序與數(shù)據(jù)一樣看待，對程序像數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行編碼后一起共同存放在存儲器中。使計(jì)算機(jī)通過改變存儲器中的內(nèi)容，對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。從原來對程序和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格區(qū)別到一樣看待，這是計(jì)算機(jī)史上的一場革命馮·諾依曼思想存儲程序，順序執(zhí)行馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)：存儲器，算術(shù)邏輯單元，控制單元及輸入和計(jì)算機(jī)：存儲器，算術(shù)邏輯單元，控制單元及輸入和ENIAC和馮·諾依曼1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)成功研制出了ENIAC，這是世界上第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。莫爾學(xué)院的兩位青年學(xué)者——36歲物理學(xué)家約翰?莫齊利(JohnMauchly)和他的學(xué)生，24歲的電氣工程師布雷斯帕??？颂?PresperEckert)，向戈德斯坦提交了一份研制電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案——“高速電子管計(jì)算裝置的使用”ENIAC和馮·諾依曼1944年夏，在阿貝丁火車站，戈德斯坦邂逅了數(shù)學(xué)家約翰?馮?諾依曼(JohnVonNouma：1903—1957年)，于是戈德斯坦向馮?諾依曼介紹了正在研制電子計(jì)算機(jī)，馮?諾依曼非常感興趣。幾天之后，馮?諾依曼就專程到莫爾學(xué)院參觀還未完成的ENIAC，并參加了為改進(jìn)ENIAC而舉行的一系列專家會議ENIAC和馮·諾依曼這臺名為ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的縮寫）的機(jī)器，使用18800個電子管，1500多個繼電器，耗電150千瓦，占地170平方米，重達(dá)30噸，可謂“龐然大物”也ENIAC和馮·諾依曼馮?諾依曼決定重新設(shè)計(jì)一臺計(jì)算機(jī)，命名為“離散變量自動電子計(jì)算機(jī)”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticCalculator：EDVAC)

1946年6月，馮?諾依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯頓大學(xué)高級研究院，完成了另一臺ISA(高級研究院的英文縮寫)電子計(jì)算機(jī)，他們聯(lián)名發(fā)表了計(jì)算機(jī)史上著名的“101頁報告”2023/2/1馮?諾依曼的基本思想：(1)不是模擬，而是數(shù)字的；(2)采用電子元件，不是機(jī)械式的；(3)采用二進(jìn)制；(4)計(jì)算與存儲交互；(5)把計(jì)算機(jī)從邏輯上劃分為5大部分，即運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備。2023/2/1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的對應(yīng)關(guān)系控制器與運(yùn)算器已經(jīng)合并入CPU馮氏結(jié)構(gòu)的“內(nèi)存儲器”指的是CPU中的寄存器組件馮氏結(jié)構(gòu)的“外存儲器”指的是內(nèi)存組件硬盤等現(xiàn)代外存儲，并不屬于馮氏結(jié)構(gòu)的“外存儲器”。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)其實(shí)是一種普適的計(jì)算模式。自人類發(fā)明計(jì)算工具以來，過去所有的計(jì)算工具都是馮氏體系的子集。馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)(1)采用存儲程序方式。(2)存儲器是按地址訪問的線性編址的惟一結(jié)構(gòu)。(3)指令由操作碼和地址碼組成。(4)通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號控制計(jì)算機(jī)的操作。(5)機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運(yùn)算器。(6)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示。計(jì)算機(jī)的五大部件1.運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit——ALU)，是計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，它的主要功能是對二進(jìn)制數(shù)碼進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)邏輯判斷。運(yùn)算器是在控制器的控制之下實(shí)現(xiàn)其功能的，運(yùn)算結(jié)果由控制器發(fā)出的指令送到內(nèi)存儲器中。2.控制器控制器主要由指令寄存器、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器和操作控制器等組成，控制器是用來控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個處理過程有條不紊地進(jìn)行?；竟δ芫褪菑膬?nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，即控制器按程序計(jì)數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進(jìn)行譯碼，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過程中，還要接受各部件反饋回來的信息。通常把運(yùn)算器、控制器做在一個大規(guī)模集成電路塊上稱為中央處理器，又稱CPU(CentralProcessingUnit)。3.存儲器存儲器是計(jì)算機(jī)的記憶裝置，用于存放原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、最終結(jié)果和處理程序。向存儲器里存入信息也稱為“寫入”，寫入新的內(nèi)容則覆蓋了原來的舊內(nèi)容。從存儲器里取出信息，也稱為“讀出”，信息讀出后并不破壞原來存儲的內(nèi)容，因此信息可以重復(fù)取出，多次利用。存儲器可分為兩種：內(nèi)存儲器與外存儲器。通常把內(nèi)存儲器、運(yùn)算器和控制器合稱為計(jì)算機(jī)主機(jī)，也可以說主機(jī)是由CPU與內(nèi)存儲器組成的，而主機(jī)以外的裝置稱為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備，外存儲器等。4.輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備簡稱I/O(Input/Output)設(shè)備。用戶通過輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號和圖形)顯示或打印出來。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀等；常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件是指用來指揮計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序的總和以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序所需的技術(shù)文檔。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。沒有配備任何軟件的硬件計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)，裸機(jī)向外部世界提供的界面只是機(jī)器指令。用戶及其他程序都通過系統(tǒng)軟件來使用計(jì)算機(jī)。1．系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、以及各種軟件工具等各種軟件程序組成，指揮、控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)按照預(yù)定的程序運(yùn)行、工作，從而達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。簡單地說，系統(tǒng)軟件的功能主要是簡化計(jì)算機(jī)操作，擴(kuò)展計(jì)算機(jī)處理能力和提高計(jì)算機(jī)的效益。2023/2/12．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)軟、硬件資源為解決各類應(yīng)用問題而編寫的軟件，包括用戶程序及其說明性文件資料。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的推廣與普及，應(yīng)用軟件將會逐步地標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并逐步地按功能組合成各種軟件包以方便用戶的使用。應(yīng)用軟件的存在與否并不影響整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作，但它必須在系統(tǒng)軟件的支持下才能工作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)1．字長2．時鐘周期和主頻3．運(yùn)算速度4．內(nèi)存容量5．?dāng)?shù)據(jù)輸入輸出最高速率2023/2/1計(jì)算機(jī)的分類根據(jù)計(jì)算機(jī)的總體規(guī)模(按照計(jì)算機(jī)的字長、運(yùn)算速度、存儲量大小、功能強(qiáng)弱、配套設(shè)備多少、軟件系統(tǒng)的豐富程度)對計(jì)算機(jī)分類，可分為巨型機(jī)(SuperComputer)、大/中型計(jì)算機(jī)(Mainframe)、小型計(jì)算機(jī)(Minicomputer)、微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)(NetworkComputer)五大類。常見的微型機(jī)還可以分為臺式機(jī)、便攜機(jī)、筆記本電腦、掌上型電腦等多種類型。計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)作方式計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)作方式可概括為“IPOS循環(huán)”。IPOS循環(huán)即輸入(Input)、處理(Processing)、輸出(Output)和存儲(Storage)，它反映了計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本步驟。1．輸入2．處理3．輸出4．存儲2023/2/1

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)(ElectronicDigitalComputer)簡稱為電子計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)，也是人們常說的電腦，是二十世紀(jì)最輝煌的成就之一計(jì)算機(jī)給人類帶來了巨大的變化計(jì)算機(jī)的定義：

計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲的程序，自動地、高速地、精確地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，并且具有記憶(存儲)能力、邏輯判斷能力、可靠性能的數(shù)字化信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備按照采用的電子器件劃分，計(jì)算機(jī)大致已經(jīng)歷了四個階段：其主要特征是邏輯器件使用電子管，用穿孔卡片機(jī)作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設(shè)備，用磁鼓或磁帶作為外存儲器，使用機(jī)器語言編程。第一代計(jì)算機(jī)體積大、運(yùn)算速度低、存儲容量小、可靠性低。幾乎沒有什么軟件配置，主要用于科學(xué)計(jì)算。其代表機(jī)型有：ENIAC、IBM650(小型機(jī))、IBM709(大型機(jī))等。第一代計(jì)算機(jī)(1946年—1957年)物理基礎(chǔ)第二代計(jì)算機(jī)(1958年—1964年)其主要特征是使用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲器采用了磁芯體，引入了變址寄存器和浮點(diǎn)運(yùn)算硬件，利用I/O處理機(jī)提高了輸入輸出能力在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高級程序設(shè)計(jì)語言及相應(yīng)的編譯程序，降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性其代表機(jī)型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等物理基礎(chǔ)AppliedOperatingSystemConcepts卡片早期主機(jī)計(jì)算系統(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)AppliedOperatingSystemConcepts50年代早期出現(xiàn)了穿孔卡片程序?qū)懺诳ㄆ先缓笞x入計(jì)算機(jī)但計(jì)算過程則依然如舊早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)AppliedOperatingSystemConcepts$END$RUNDataforprogram$LOADFortranprogram$FORTRAN

$JOB,10,429754

CherryChen

典型的FMSJOB結(jié)構(gòu)第三代計(jì)算機(jī)(1965年—1972年)其主要特征是用半導(dǎo)體、小規(guī)模集成電路(IntegratedCircuit——IC)作為元器件代替晶體管等分立組件，用半導(dǎo)體存儲器代替磁芯存儲器，使用微程序設(shè)計(jì)技術(shù)簡化處理機(jī)的結(jié)構(gòu)，這使得計(jì)算機(jī)的體積和耗電量顯著減小，而計(jì)算速度和存儲存量卻有較大提高，可靠性也大大加強(qiáng)。在軟件方面則廣泛地引入多道程序、并行處理、虛擬存儲系統(tǒng)和功能完備的操作系統(tǒng)，同時還提供了大量的面向用戶的應(yīng)用程序。計(jì)算機(jī)開始定向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化，此時，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入到許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。其代表機(jī)器有：IBM360系列、富士通F230系列等。物理基礎(chǔ)成熟的主機(jī)計(jì)算模式終端AppliedOperatingSystemConcepts多任務(wù)分時交互通信/網(wǎng)絡(luò)跨越發(fā)展第四代計(jì)算機(jī)(1972年—)其主要特征是使用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，大規(guī)模和超大規(guī)模塊集成電路的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)沿著兩個方向飛速向前發(fā)展。一方面，利用大規(guī)模集成電路制造多種邏輯芯片，組裝出大型、巨型計(jì)算機(jī)。另一方面，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將運(yùn)算器、控制器等部件集成在一個很小的集成電路芯片上，從而出現(xiàn)了微處理器。完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(fā)工具和商品化的應(yīng)用程序的大量涌現(xiàn)，以及通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)進(jìn)入了一個大發(fā)展的階段。物理基礎(chǔ)AppliedOperatingSystemConcepts小型計(jì)算機(jī)，電子游戲和UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項(xiàng)目后，KenThompson和DennisM.Ritchie想申請經(jīng)費(fèi)買計(jì)算機(jī)從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請得不到批準(zhǔn)。項(xiàng)目無著落，他們在一臺無人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項(xiàng)目上設(shè)計(jì)的“空間旅行”游戲。為了使游戲能夠在PDP-7上順利運(yùn)行，他們陸續(xù)開發(fā)了浮點(diǎn)運(yùn)算軟件包、顯示驅(qū)動軟件，設(shè)計(jì)了文件系統(tǒng)、實(shí)用程序、shell和匯編程序。到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX。隨后，UNIX用C語言全部重寫，自此，UNIX誕生了。AppliedOperatingSystemConcepts隨著大規(guī)模集成電路發(fā)展，個人計(jì)算機(jī)時代到來了各種類型的個人計(jì)算機(jī)和軟件層出不窮。1973年GaryKildall看到對個人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)了CP/M操作系統(tǒng)(