北京大學(xué)計(jì)算概論01-計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)(部編)課件

計(jì)算概論B

第一講計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)王昭北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院

wangzhao@綱要“計(jì)算學(xué)科”的由來計(jì)算機(jī)的發(fā)展史互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用2024/7/2北京大學(xué)3信息社會的幾個歷史里程碑1、發(fā)明文字歷史得以記錄，文明得以傳承。信息可以跨越時間和空間2、發(fā)明算術(shù)回答問題和解決問題的工具。人類抽象思維的智慧結(jié)晶。3、發(fā)明活字印刷信息的批量復(fù)制成為可能，信息成為可大規(guī)模共享的資源4、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)全球性的信息傳輸、加工和互動成為可能信息與信息社會2024/7/2北京大學(xué)4信息社會的技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字化信息資源的大量生產(chǎn)

信息表現(xiàn)形式的多樣化數(shù)據(jù)的存儲形式，傳播形式，和多媒體表現(xiàn)形式（文字、聲音、圖像、影像等）

信息的變換與加工信息查詢、瀏覽、摘取、格式轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)等

信息共享信息與信息社會計(jì)算廣義上講，一個函數(shù)變換，如把x變成了f(x)就是一個計(jì)算！如果我們把一切都看作是信息，那么更精確的講，計(jì)算就是對信息的變換！計(jì)算就是符號串的變換。從一個已知的符號串開始，按照一定的規(guī)則，一步一步地改變符號串，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串，這種變換過程就是計(jì)算。算法是求解某類問題的通用法則或方法，即符號串變換的規(guī)則。計(jì)算機(jī)界最具影響的兩大國際性學(xué)術(shù)組織InstituteofElectrical&ElectronicEngineers，ComputerSociety電氣和電子工程師協(xié)會計(jì)算機(jī)協(xié)會，于1946年成立ACMAssociationforComputerMachinery美國計(jì)算機(jī)協(xié)會，于1947年成立IEEEComputerSociety計(jì)算學(xué)科1985年，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會（ACM）與美國電氣和電子工程師學(xué)會計(jì)算機(jī)協(xié)會（IEEE/CS）聯(lián)手組成任務(wù)組。1989年，該任務(wù)組提交了計(jì)算教育史上具有里程碑意義的“計(jì)算作為一門學(xué)科”（ComputingasaDiscipline）報(bào)告。2005年，IEEE/CS和ACM提交了計(jì)算機(jī)學(xué)科教程體系ComputingCurricula2005（CC2005）。Inageneralway,wecandefinecomputingtomeananygoal-orientedactivityrequiring,benefitingfrom,orcreatingcomputers.Computing

isusuallydefinedliketheactivityofusinganddevelopingcomputertechnology,computerhardwareandsoftware.ComputingasaDisciplinecomputerengineering,是電子工程的一個分支，主要研究計(jì)算機(jī)軟硬件和二者間的彼此聯(lián)系。computerscience是對計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的傳統(tǒng)稱謂。informationsystems,研究計(jì)算機(jī)在一個廣泛的有組織環(huán)境中的應(yīng)用informationtechnology,計(jì)算機(jī)相關(guān)的管理和維護(hù)softwareengineering研究開發(fā)高質(zhì)量軟件系統(tǒng)的方法學(xué)和實(shí)踐方式，并試圖壓縮并預(yù)測開發(fā)成本及開發(fā)周期ComputerScience計(jì)算機(jī)科學(xué)用于解決信息與計(jì)算的理論基礎(chǔ)，以及實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用它們的實(shí)用技術(shù)。計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的課題是：計(jì)算機(jī)程序能做什么和不能做什么（可計(jì)算性）；如何使程序更高效的執(zhí)行特定任務(wù)（算法和復(fù)雜性理論）；程序如何存取不同類型的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫）；程序如何顯得更具有智能（人工智能）；人類如何與程序溝通（人機(jī)互動和人機(jī)界面）。2024/7/2北京大學(xué)10計(jì)算領(lǐng)域的主要研究范疇計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)程序設(shè)計(jì)語言軟件工程圖形圖像處理編譯原理算法設(shè)計(jì)與分析…數(shù)理邏輯計(jì)算復(fù)雜性理論人工智能…計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)是一種現(xiàn)代化的信息處理工具。它對信息進(jìn)行處理并提供所需結(jié)果。其結(jié)果(輸出)取決于所接收的信息(輸入)及相應(yīng)的處理算法。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、儲存、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。它包括科學(xué)與技術(shù)兩方面?？茖W(xué)側(cè)重研究現(xiàn)象與揭示規(guī)律；技術(shù)則側(cè)重研制計(jì)算機(jī)及使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法與技術(shù)手段。綱要“計(jì)算學(xué)科”的由來計(jì)算機(jī)的發(fā)展史互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用計(jì)算機(jī)的發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的“史前”時代（-1946）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)從歷史走向未來─計(jì)算機(jī)發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的“史前”時代（-1946）手工計(jì)算器，1200年~1600年機(jī)械計(jì)算器，1600年~1930年計(jì)算機(jī)原型，1937年~1946年現(xiàn)代計(jì)算機(jī)電子管計(jì)算機(jī)，1946年晶體管計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)50年代后期集成電路計(jì)算機(jī)，1965年超大規(guī)模集成電路，20世紀(jì)70年代早期目前正處于第5代的醞釀期早期的手工計(jì)算輔助工具共同特點(diǎn)無法記錄計(jì)算法則無法設(shè)定計(jì)算步驟作用標(biāo)記計(jì)算過程記錄計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的輔助工具普遍認(rèn)為的第一臺機(jī)械計(jì)算器1642-1643年，PASCAL發(fā)明了一個用齒輪運(yùn)作的加法器。（最多可以把8位長的數(shù)字加起來）

工業(yè)革命前的機(jī)械計(jì)算器萊布尼茨（G.W.Leibnitz，1646-1716）德國偉大的數(shù)學(xué)家，提出了“二進(jìn)制”的概念1673年他在帕斯卡加法器的基礎(chǔ)上，建造了一臺能夠進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械計(jì)算機(jī)器，轟動整個歐洲。仍然用齒輪及刻度盤操作，計(jì)算結(jié)果可以達(dá)到16位據(jù)說是受到中國《易經(jīng)》的啟發(fā)《易經(jīng)》中說：

易有太極，是生兩儀，

兩儀生四象，四象生八卦萊布尼茲與二進(jìn)制

(1646-1716)

InventorofBinaryArithmeticsandCalculus萊布尼茲是德國著名的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，也是計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的發(fā)明者。1666-1667年間，他在紐倫堡學(xué)習(xí)，接觸了中國古典哲學(xué)中的易經(jīng)圖。1679年3月15日，他撰寫了題為《二進(jìn)算術(shù)》的論文，對二進(jìn)制進(jìn)行了充分的討論，并建立了二進(jìn)制的表示及運(yùn)算。1701年，他將關(guān)于二進(jìn)制的論文提交給法國科學(xué)院，但要求暫不發(fā)表。1703年，他將修改后的論文再次送給法國科學(xué)院，并要求公開發(fā)表。這是西方第一篇關(guān)于二進(jìn)位制的文章，是萊布尼茲在《皇家科學(xué)院紀(jì)錄》上發(fā)表的，標(biāo)題為《二進(jìn)制算術(shù)的解說》，副標(biāo)題為“它只用0和1，并論述其用途以及伏羲氏所使用的古代中國數(shù)字的意義”。1716年，他又發(fā)表了《論中國的哲學(xué)》一文，專門討論八卦與二進(jìn)制，指出二進(jìn)制與八卦有共同之處。工業(yè)革命時代的機(jī)械計(jì)算器1822年英國科學(xué)家巴貝奇(Babbage)制造出第一臺差分機(jī)。它可以處理3個不同的5位數(shù)計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)特點(diǎn)：機(jī)械、手動力、無軟件1834年巴貝奇提出了分析機(jī)的概念

機(jī)器共分為三個部分：堆棧，運(yùn)算器，控制器。企圖用機(jī)械方式（蒸汽動力）實(shí)現(xiàn)一般意義下的計(jì)算過程計(jì)算用的程序和數(shù)據(jù)存儲于穿孔卡片上AugustaAdaByron(1815-1852)從1842年起為Babbage編制程序特點(diǎn)：機(jī)械、蒸氣動力、軟件機(jī)械計(jì)算器的不斷發(fā)展統(tǒng)計(jì)工作者H.Hollerith等人創(chuàng)造的高級分類統(tǒng)計(jì)機(jī)。它以機(jī)電相結(jié)合的結(jié)構(gòu),采用穿孔卡片作為數(shù)據(jù)載體，完成分類、統(tǒng)計(jì)、制表等一系列計(jì)算操作過程。1896年，Hollerith成立“計(jì)算制表記錄公司”，1924年改名“國際商用機(jī)器公司”采用電氣元件的“計(jì)算機(jī)原型”德國工程師K.Zuse,他于1941年完成全繼電器式通用計(jì)算機(jī)Z3第一臺可編程的電子計(jì)算機(jī)?？商幚?位指數(shù)、14位小數(shù)。使用了大量的真空管。每秒種能作3到4次加法運(yùn)算一次乘法需要3到5秒。TheHarvardMarkSeries-1這是一臺自動數(shù)字計(jì)算機(jī)。在1930年代，由哈佛大學(xué)物理系的學(xué)生HowardH.Aiken構(gòu)思，由IBM開發(fā)和建造。1946年制成速度較快的Mark-Ⅱ，全部使用繼電器；1949年Mark-Ⅲ計(jì)算機(jī)，部分使用電子管，并使用磁鼓作為數(shù)與指令的存儲器；1952年又制成Mark-Ⅳ；Mark-ⅡMark-Ⅲ特點(diǎn)：電磁（繼電器的開關(guān)速度大約為百分之一秒，使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度受到很大限制）計(jì)算機(jī)、電動力、軟件。GraceMurrayHopper為MarkⅠ，以及后續(xù)機(jī)器MarkⅡ、MarkⅢ編寫出大量軟件用FLOW-MATIC實(shí)現(xiàn)了COBOL的第一個編譯器，被譽(yù)為COBOL之母；采用6位數(shù)表示日期；發(fā)現(xiàn)世界上第一個BUG!時任美國總統(tǒng)里根在白宮給赫柏頒獎計(jì)算機(jī)的發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的“史前”時代（-1946）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的理論模型現(xiàn)代計(jì)算機(jī)產(chǎn)生于抽象的

圖靈機(jī)(TuringMachine)

英國數(shù)學(xué)家A.MTuring(1912-1954)于1936年提出的一種理想的計(jì)算機(jī)器的數(shù)學(xué)模型大半個世紀(jì)以來，數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出了各種各樣的計(jì)算模型，但最終都被證明是同圖靈機(jī)等價(jià)的圖靈機(jī)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)之一

“圖靈獎”：計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“諾貝爾獎”普遍認(rèn)為的第一臺電子計(jì)算機(jī)：ENIAC1946年2月5日，“ENIAC”研制成功了。賓夕法尼亞大學(xué)摩爾學(xué)院莫契利（J.Mauchly）和?？颂兀↗.Eckert）ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)1946，美國賓夕法尼亞大學(xué)每秒5000次加法運(yùn)算用于計(jì)算炮彈的彈道軌跡30米長、3米高、30噸重、占地面積為170平方米可以在3/1000秒時間內(nèi)做完兩個10位數(shù)乘法。缺點(diǎn)：沒有存儲器用布線板進(jìn)行控制，控制效率極低ENIAC操作人員采用插接線的方式進(jìn)行編程JohnVincentAtanasoff

美國IOWA州立大學(xué)教授，數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。1937年設(shè)計(jì)出了第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，1939年與他的研究生CliffordE.Berry一起構(gòu)造出了了ABC計(jì)算機(jī)的第一臺樣機(jī)。1942年約翰·阿塔諾索夫與克里福德·貝瑞(CliffordE.Berry)組裝出了ABC計(jì)算機(jī)采用了二進(jìn)制數(shù)將電子管器件作為承載數(shù)據(jù)的媒體設(shè)計(jì)了邏輯電路制造了磁鼓來存儲數(shù)據(jù)，發(fā)明了可重復(fù)的數(shù)據(jù)存儲方法。第一臺計(jì)算機(jī)的制造者？1973年的ENIAC專利之爭美國法院判決ENIAC不是JMMauchly&JPEckert發(fā)明的，而是由ABC的研究推導(dǎo)出來的。1973年，在經(jīng)過近十年的專利訴訟以后，阿塔納索夫終于在被美國明尼蘇達(dá)州地方法院裁定擁有第一臺電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明權(quán)（與此同時，宣布原來授予莫克利與?？颂氐膶＠麩o效）背后的故事1941年6月，Mauchly拜訪了Atanasoff，并參觀了已接近完成的ABC馮·諾伊曼型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)馮.諾伊曼確定了現(xiàn)代存儲程序式電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)由五大部分組成：存儲器運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備馮·諾伊曼--電子計(jì)算機(jī)之父

（J.VonNeumann）

“電子計(jì)算機(jī)之父”的桂冠，被戴在數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼頭上，而不是ENIAC的兩位實(shí)際研究者（莫克利JohnMauchly和?？颂豃.PresPterEckert），這是因?yàn)轳T·諾伊曼提出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。347/2/2024第一臺現(xiàn)代意義上的計(jì)算機(jī)EDVACEDVAC是世界上第一臺存儲程序計(jì)算機(jī)EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)1945年提出設(shè)計(jì)方案，1951年完成占地面積和消耗電力只有ENIAC的1/3每秒2000次乘法運(yùn)算，或10000次加法運(yùn)算特點(diǎn)：采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和程序使用“存儲程序”的方式對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制戈德斯坦&馮·諾伊曼1944年夏，戈德斯坦在阿貝丁車站等候去費(fèi)城的火車，偶然邂逅聞名世界的大數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼教授。戈德斯坦抓住機(jī)會向數(shù)學(xué)大師討教，馮·諾伊曼和藹可親，耐心地回答戈德斯坦的提問。馮·諾伊曼敏銳地從這些數(shù)學(xué)問題里，察覺到不尋常的事情。他反過來向戈德斯坦發(fā)問，直問得年輕人“好像又經(jīng)歷了一次博士論文答辯”。戈德斯坦毫不隱瞞地告訴馮·諾伊曼莫爾學(xué)院的電子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目ENIAC。

從此，馮·諾依曼教授成為了莫爾小組的實(shí)際顧問，與小組成員頻繁地交換意見。戈德斯坦等年輕人機(jī)敏地提出各種設(shè)想，馮·諾伊曼則運(yùn)用他淵博的學(xué)識，把討論引向深入，并逐步形成電子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。367/2/2024戈德斯坦&馮·諾伊曼在ENIAC尚未投入運(yùn)行前，馮·諾伊曼就看出這臺機(jī)器致命的缺陷，主要弊端是程序與計(jì)算分離。程序指令存放在機(jī)器的外部電路里，需要計(jì)算某個題目，必須首先用人工接通數(shù)百條線路，需要幾十人干好幾天之后，才可進(jìn)行幾分鐘運(yùn)算。馮·諾伊曼起草了一份新的設(shè)計(jì)報(bào)告，對電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了脫胎換骨的改造。他把新機(jī)器的方案命名為“離散變量自動電子計(jì)算機(jī)”，英文縮寫是“EDVAC”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)377/2/2024著名的“101頁報(bào)告”1945年6月，馮·諾伊曼發(fā)表了一篇長達(dá)101頁紙的報(bào)告，即計(jì)算機(jī)史上著名的“101頁報(bào)告”，直到今天，仍然被認(rèn)為是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展里程碑式的文獻(xiàn)。明確奠定了新機(jī)器由五個部分組成，包括：運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備，并描述了這五部分的職能和相互關(guān)系．還有兩個非常重大的改進(jìn)，即：采用了二進(jìn)制，不但數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，指令也采用二進(jìn)制；建立了存儲程序，指令和數(shù)據(jù)可一起放在存儲器里，并作同樣處理．簡化了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，大大提高了計(jì)算機(jī)的速度．387/2/2024ISA電子計(jì)算機(jī)由于種種原因，莫爾小組發(fā)生令人痛惜的分裂，EDVAC機(jī)器無法被立即研制。1946年6月，馮·諾伊曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯頓大學(xué)高級研究院，先期完成了另一臺ISA電子計(jì)算機(jī)（ISA是高級研究院的英文縮寫），普林斯頓大學(xué)也成為電子計(jì)算機(jī)的研究中心。397/2/2024插曲-EDSAC計(jì)算機(jī)但最早問世的內(nèi)儲程序式計(jì)算機(jī)既不是ISA，也不是EDVAC，而是英國劍橋大學(xué)威爾克斯(MauriceWilkes)教授，他搶在馮·諾伊曼之前捷足先登了。1946年，威爾克斯曾到賓夕法尼亞大學(xué)參加馮·諾依曼主持的培訓(xùn)班，完全接受了馮·諾依曼內(nèi)儲程序的設(shè)計(jì)思想。回國后，他立即主持新型計(jì)算機(jī)的研制1949年5月，威爾克斯制成了一臺由3000只電子管為主要元件的計(jì)算機(jī)，命名為“EDSAC”（電子儲存程序計(jì)算機(jī)，ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator）。1967年，威爾克斯為此摘取了“圖靈獎”。407/2/2024馮.諾伊曼的貢獻(xiàn)程序存儲（解決人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自動執(zhí)行）程序輸入到計(jì)算機(jī)中，存儲在內(nèi)存儲器中（存儲原理）在運(yùn)行時，控制器按地址順序取出存放在內(nèi)存儲器中的指令然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉(zhuǎn)移指令時，則轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移地址，再按地址順序訪問指令。計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)（兩種說法）：五部分：運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備三部分：CPU（運(yùn)算器、控制器）、存儲器（內(nèi)部存儲器和外部存儲器）、I/O設(shè)備（輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）2024/7/2北京大學(xué)42計(jì)算機(jī)的過去體積巨大的專用設(shè)備2024/7/2北京大學(xué)43計(jì)算機(jī)的現(xiàn)在體積越來越小性能越來越高多種多樣用途廣泛2024/7/2北京大學(xué)44第一代計(jì)算機(jī)(1946年-1957年)

電子管計(jì)算機(jī)

采用電子管作為邏輯線路主要元件。應(yīng)用范圍十分有限，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域及科學(xué)計(jì)算。

第二代計(jì)算機(jī)(1957年-1964年)

晶體管計(jì)算機(jī)

采用晶體管作為邏輯線路主要元件。與第一代計(jì)算機(jī)相比，由于晶體管體積小、耗電少、壽命長、計(jì)算性能有了很大改進(jìn)，成本隨之下降。應(yīng)用范圍擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理和事務(wù)管理等方面。第三代計(jì)算機(jī)(1964年-1970年)

集成電路計(jì)算機(jī)

采用中、小規(guī)模集成電路代替了傳統(tǒng)的獨(dú)立式晶體管。與第二代計(jì)算機(jī)相比，這一時期的計(jì)算機(jī)其軟件、硬件系統(tǒng)都向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化發(fā)展。應(yīng)用范圍擴(kuò)大到工業(yè)控制等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)發(fā)展的時代劃分2024/7/2北京大學(xué)45第四代計(jì)算機(jī)(1970年-今)

大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為計(jì)算機(jī)主要功能元件。應(yīng)用范圍幾乎無所不在！第五代計(jì)算機(jī)（?-?）

計(jì)算機(jī)發(fā)展的新方向

目前還沒有一個確定的發(fā)展方向。目前的研究方向有：生物DNA計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)等等.計(jì)算機(jī)發(fā)展的時代劃分

上述四代計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)都采用“馮·諾伊曼”結(jié)構(gòu)，

“以二進(jìn)制、存儲程序以及指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲”為基礎(chǔ)2024/7/2北京大學(xué)46波音飛機(jī)

對準(zhǔn)尺寸標(biāo)準(zhǔn)萬分之一米

零件數(shù)量百萬級但與自然界的生物基因系統(tǒng)相比，生物系統(tǒng)的復(fù)雜性還要高出幾個數(shù)量級！計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)奔騰芯片對準(zhǔn)尺寸標(biāo)準(zhǔn)千萬分之一米零件數(shù)量千萬級/億級數(shù)字芯片是人造的最復(fù)雜的系統(tǒng)之一采用電子管計(jì)算機(jī)的第一代計(jì)算機(jī)

（1946—1957）計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用電子管，主存儲器采用汞延遲線、磁鼓、磁芯；外存儲器采用磁帶；軟件主要采用機(jī)器語言、匯編語言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主。其特點(diǎn)是體積大、耗電大、可靠性差、價(jià)格昂貴、維修復(fù)雜，但它奠定了以后計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。中國第一臺計(jì)算機(jī)誕生1958年6月，我國第一臺電子管計(jì)算機(jī)在中科院計(jì)算所研制成功，運(yùn)行速度每秒1500次，字長32位，內(nèi)存1024B。命名為DJS-103(仿蘇聯(lián)M-3計(jì)算機(jī))1959年10月1日,104機(jī)是我國誕生的第一臺大型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)，平均每秒運(yùn)算1萬次，接近當(dāng)時英國、日本水平。1960年,107計(jì)算機(jī)是我國第一臺自行設(shè)計(jì)的通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)，平均每秒運(yùn)算250次。機(jī)器安裝在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，主要用于教學(xué)，也承擔(dān)一些計(jì)算任務(wù)。1964年初,119計(jì)算機(jī)通過國家級鑒定,是我國自行設(shè)計(jì)研制的第一臺大型通用數(shù)字電子管計(jì)算機(jī)，平均浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒5萬次。119機(jī)完成了大量原子能、天氣預(yù)報(bào)等方面的計(jì)算任務(wù)。采用晶體管的第二代電子計(jì)算機(jī)

（1958—1964）晶體管的發(fā)明推動了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，邏輯元件采用了晶體管以后，計(jì)算機(jī)的體積大大縮小，耗電減少，可靠性提高，性能比第一代計(jì)算機(jī)有很大的提高。主存儲器采用磁芯，外存儲器已開始使用更先進(jìn)的磁盤；軟件有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的高級語言及其編譯程序，還出現(xiàn)了以批處理為主的操作系統(tǒng)，應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算和各種事務(wù)處理為主，并開始用于工業(yè)控制。產(chǎn)生高級編程語言:Fortran,Cobol晶體管之父威廉·肖克利1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉·肖克利(WilliamShockley)和兩位同事發(fā)明了晶體管，它可以代替真空管放大電子信號，使電子設(shè)備向輕便化、高效化發(fā)展。肖克利因此被譽(yù)為“晶體管之父”，并因此獲得了1956年度的“諾貝爾物理學(xué)獎”。這是電子技術(shù)的一次重大革新。采用集成電路的第三代計(jì)算機(jī)

（1965—1970）20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用小、中規(guī)模集成電路(SSI、MSI)，計(jì)算機(jī)的體積更小型化、耗電量更少、可靠性更高，性能比第十代計(jì)算機(jī)又有了很大的提高，這時，小型機(jī)也蓬勃發(fā)展起來，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。主存儲器仍采用磁芯。軟件逐漸完善，分時操作系統(tǒng)、多種高級語言都有新的發(fā)展。

改變世界的集成電路之父杰克·基爾比1958年9月12日，美國，德克薩斯州達(dá)拉斯市，德州儀器公司的實(shí)驗(yàn)室里，工程師杰克·基爾比成功地實(shí)現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。這一天，被視為集成電路的誕生日，而這枚小小的芯片，開創(chuàng)了電子技術(shù)歷史的新紀(jì)元。2000年，集成電路問世42年以后，人們終于了解到杰克·基爾比和他的發(fā)明的價(jià)值，杰克·基爾比被授予了“諾貝爾物理學(xué)獎”。諾貝爾獎評審委員會曾經(jīng)這樣評價(jià)基爾比“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。使用超大規(guī)模集成電路的第四代計(jì)算機(jī)（1970年至今）計(jì)算機(jī)的邏輯元件和主存儲器都采用了大規(guī)模集成電路(LSI)。所謂大規(guī)模集成電路是指在單片硅片上集成1000~2000個以上晶體管的集成電路，其集成度比中、小規(guī)模的集成電路提高了1~2個以上數(shù)量級。這時計(jì)算機(jī)發(fā)展到了微型化、耗電極少、可靠性很高的階段。大規(guī)模集成電路使軍事工業(yè)、空間技術(shù)、原子能技術(shù)得到發(fā)展，這些領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展對計(jì)算機(jī)提出了更高的要求，有力地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)工業(yè)的空前大發(fā)展。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)除了向巨型機(jī)方向發(fā)展外，還朝著超小型機(jī)和微型機(jī)方向飛越前進(jìn)。1971年末，世界上第一臺微處理器和微型計(jì)算機(jī)在美國舊金山南部的硅谷應(yīng)運(yùn)而生，它開創(chuàng)了微型計(jì)算機(jī)的新時代。此后各種各樣的微處理器和微型計(jì)算機(jī)如雨后春筍般地研制出來。摩爾定律摩爾定律是指集成電路IC上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾(Intel)公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)得之。到底什么是“摩爾定律”？歸納起來，主要有以下三種“版本”：集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價(jià)格下降一倍。用一個美元所能買到的計(jì)算機(jī)的性能，每隔18個月翻兩番。摩爾定律的演化摩爾第二定律：摩爾定律提出30年來，集成電路芯片的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始注意到芯片生產(chǎn)廠的成本也在相應(yīng)提高。1995年，Intel董事會主席羅伯特·諾伊斯預(yù)見到摩爾定律將受到經(jīng)濟(jì)因素的制約。同年，摩爾在《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志上撰文寫道：“現(xiàn)在令我感到最為擔(dān)心的是成本的增加，…這是另一條指數(shù)曲線”。他的這一說法被人稱為摩爾第二定律。新摩爾定律：近年來，國內(nèi)IT專業(yè)媒體上又出現(xiàn)了"新摩爾定律"的提法，則指的是我國Internet聯(lián)網(wǎng)主機(jī)數(shù)和上網(wǎng)用戶人數(shù)的遞增速度，大約每半年就翻一番！而且專家們預(yù)言，這一趨勢在未來若干年內(nèi)仍將保持下去。摩爾定律前景摩爾定律問世40年了。人們不無驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器芯片Pentium4的主頻已高達(dá)2G（即12000M），2011年則要推出含有10億個晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。人們不禁要問：這種令人難以置信的發(fā)展速度會無止境地持續(xù)下去嗎？一般認(rèn)為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素：

“一是技術(shù)，二是經(jīng)濟(jì)”美國一家名叫CyberCash公司的總裁兼CEO丹·林啟說，“摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學(xué)定律”。持類似觀點(diǎn)的人也認(rèn)為，摩爾定律實(shí)際上是關(guān)于人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實(shí)現(xiàn)它?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)全稱：“通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)”(General‐PurposeElectronicDigitalComputer)通用：計(jì)算機(jī)是一種通用信息處理設(shè)備，只要有合適的軟件，它能適用于各種用途電子：是計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行最終都通過電子電路中的電流、電位等實(shí)現(xiàn)數(shù)字化：是計(jì)算機(jī)的信息表示方式。一切信息，無論原本是數(shù)值、文字、圖形、聲音等，在計(jì)算機(jī)里都統(tǒng)一到二進(jìn)制的數(shù)字化表示上。數(shù)字化是計(jì)算機(jī)的一種基本特征，是通用性的重要基礎(chǔ)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)分類微型計(jì)算機(jī):PC小型\中型計(jì)算機(jī):服務(wù)器大型計(jì)算機(jī):一般的大型公司使用巨型機(jī):國家科技水平的代表世界上第一臺個人計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)80年代發(fā)生的特別重要的事件是個人計(jì)算機(jī)(PC，也稱微型計(jì)算機(jī))的問世與普及。

1981年，IBM推出了首臺個人計(jì)算機(jī)IBMPC（如圖），首創(chuàng)了個人計(jì)算機(jī)概念，并為PC制定了全球通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。處理器來自Intel；磁盤操作系統(tǒng)（DOS）來自Microsoft。1984年1月24日:

發(fā)布Apple

Macintosh計(jì)算機(jī)。使用Macintosh圖形用戶界面，便于識別和理解的“垃圾桶”、“便箋”使得這一全新的、革命性的操作系統(tǒng)成為電腦工業(yè)發(fā)展史上的里程碑。Macintosh的速度超過了IBMPC，并創(chuàng)造了多項(xiàng)第一：第一個大眾性的圖形用戶平臺，第一臺具備多媒體功能的計(jì)算機(jī)。1984的Apple

Macintosh2001的Flat-paneliMac我國巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展史1993年，中國第一臺10億次巨型銀河計(jì)算機(jī)II型通過鑒定。1994年，銀河計(jì)算機(jī)II型在國家氣象局投入正式運(yùn)行。1995年，曙光1000大型機(jī)通過鑒定，最高每秒25億次。1997年，銀河-III并行巨型計(jì)算機(jī)研制成功，每秒130億次。1999年，銀河四代巨型計(jì)算機(jī)研制成功。2000年，我國自行研制成功高性能計(jì)算機(jī)（神威I）3840億次

曙光超級服務(wù)器*綱要“計(jì)算學(xué)科”的由來計(jì)算機(jī)的發(fā)展史互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)簡介互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用2024/7/2北京大學(xué)66互聯(lián)網(wǎng)Internet（因特網(wǎng)）：信息的網(wǎng)絡(luò)、信息的海洋相互連接

的

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一種

將處于不同地理位置且具有獨(dú)立功能的多個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來，在功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下，實(shí)現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)通信和資源共享

的

系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和

通信科學(xué)密切結(jié)合的產(chǎn)物2024/7/2北京大學(xué)67互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組成各種類型的計(jì)算機(jī)或嵌入式設(shè)備互聯(lián)線路或無線通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)軟件互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分類：廣域網(wǎng)（WAN）：跨越國家和省市地域的網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)（LAN）：一個建筑物范圍內(nèi)、利用以太網(wǎng)技術(shù)形成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Intranet）：企業(yè)/組織的內(nèi)部網(wǎng)（可能是WAN、LAN）2024/7/2北京大學(xué)68互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展簡史1969年，為了能在爆發(fā)核戰(zhàn)爭時保障通信聯(lián)絡(luò)，美國國防部高級研究計(jì)劃署ARPA資助建立了世界上第一個分組交換試驗(yàn)網(wǎng)ARPANET70年代末到80年代初，各種類型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展；產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)之間相互連接的需求，并導(dǎo)致TCP/IP協(xié)議的出現(xiàn)（1980年）1986年，美國國家科學(xué)基金會NSF資助建成了基于TCP/IP技術(shù)的主干網(wǎng)NSFNET，世界上第一個互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生；1995年，NSFNET開始商業(yè)化運(yùn)行1994年，中國建設(shè)了CERNET示范網(wǎng)工程；中國第一個全國性的TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)截止2012年，全球互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)量已達(dá)24億2024/7/2北京大學(xué)69局域網(wǎng)——互聯(lián)網(wǎng)的細(xì)胞局域網(wǎng)中的硬件成分計(jì)算機(jī)：網(wǎng)卡（NC）連接線路：有線：雙絞線無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：集線器（HUB）交換機(jī)（Switcher）路由器（Router）2024/7/2北京大學(xué)70互聯(lián)網(wǎng)的連接覆蓋全球全球海底光纜示意圖互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)簡介互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用2024/7/2北京大學(xué)72互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議準(zhǔn)備包裹檢查包裹登記信息裝箱,發(fā)貨卸貨,清點(diǎn)檢查包裹登記信息打開包裹現(xiàn)實(shí)生活中包裹傳遞的過程2024/7/2北京大學(xué)73互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議--TCP/IP協(xié)議HTTPHyperTextTransferProtocol超文本傳輸協(xié)議瀏覽網(wǎng)頁時，客戶端和服務(wù)器的通訊協(xié)議TCPTransmissionControlProtocol傳輸控制協(xié)議可靠的傳輸協(xié)議IPInternetProtocol互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議非可靠的傳輸協(xié)議（best-efforts,盡力投遞）通信協(xié)議棧2024/7/2北京大學(xué)74ISO/OSI七層協(xié)議模型75TCP/IP協(xié)議棧

用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議棧的封裝過程

IPv4數(shù)據(jù)報(bào)78IPv6分組

79IPv6基本頭

2024/7/2北京大學(xué)80IP協(xié)議和IP地址IP地址——計(jì)算機(jī)在IP網(wǎng)絡(luò)上的標(biāo)識，32位二進(jìn)制數(shù)

A類地址：

B類地址：C類地址：位數(shù)01731位數(shù)011531位數(shù)01223310網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識主機(jī)標(biāo)識10網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識主機(jī)標(biāo)識110網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識主機(jī)標(biāo)識2024/7/2北京大學(xué)81IP協(xié)議和IP地址幾個IP地址的例子

B類：

10100010.01101001.01010000.00101001 162.105.80.41C類：

11001010.01110000.1101100.00000001 202.112.216.12024/7/2北京大學(xué)82IPv4和IPv6IPv4采用32位二進(jìn)制數(shù)表示IP地址擁有42.95億個（2的32次方）的地址資源IPv4的地址資源面臨枯竭IPv6采用128位二進(jìn)制數(shù)表示IP地址擁有天文數(shù)字般（2的128次方）的地址資源，可以為全球的每一粒沙子分配一個IP地址從IPv4向IPv6的遷移需要10年或更長的時間2024/7/2北京大學(xué)83DNS—域名系統(tǒng)域名用文字的方式標(biāo)識特定的IP地址，，...DNS（DomainNameSystem）一個將域名映射成相應(yīng)的IP地址的服務(wù)系統(tǒng)

13

222.028.152.141由全世界數(shù)量眾多的DNS服務(wù)器組成北大校內(nèi)的兩個DNS服務(wù)器：7，62024/7/2北京大學(xué)84域名空間2024/7/2北京大學(xué)85互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施通信線路（傳輸介質(zhì)）雙絞線、光纖、無線、同軸電纜、...網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集線器、交換機(jī)、路由器、...根據(jù)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同以太網(wǎng)技術(shù)ATM技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)......2024/7/2北京大學(xué)86網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中的作用中轉(zhuǎn)站2024/7/2北京大學(xué)87網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中的作用工作于物理層工作于數(shù)據(jù)鏈路層工作于網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)簡介互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用2024/7/2北京大學(xué)89互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用初期主要是文字類的信息服務(wù)電子郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程終端逐步涌現(xiàn)出豐富多樣的多媒體類的信息服務(wù)WWW、即時通信、視頻點(diǎn)播、P2P下載電子政務(wù)、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、…2024/7/2北京大學(xué)90互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本模式客戶端/服務(wù)器(Client/Server)

模式服務(wù)器客戶端A客戶端B客戶端C1.發(fā)出服務(wù)請求2.處理服務(wù)請求3.返回處理結(jié)果客戶端主動地向服務(wù)器發(fā)出請求服務(wù)器被動地接受來自客戶端的服務(wù)請求2024/7/2北京大學(xué)91互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本模式客戶端/服務(wù)器(Client/Server)

模式客戶端和服務(wù)器僅僅是一種角色.一臺計(jì)算機(jī)在不同的交互中可能分別承擔(dān)這兩種角色計(jì)算機(jī)A計(jì)算機(jī)B計(jì)算機(jī)C客戶端服務(wù)器客戶端服務(wù)器2024/7/2北京大學(xué)92互聯(lián)網(wǎng)上的三種經(jīng)典應(yīng)用萬維網(wǎng)電子郵件文件傳輸2024/7/2北京大學(xué)93萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)萬維網(wǎng)的基本元素Web頁面（網(wǎng)頁）超鏈接2024/7/2北京大學(xué)94萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)2024/7/2北京大學(xué)95萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)Web頁面Web頁面源文件（HTML語言）<aherf=>空間<a/>Web瀏覽器2024/7/2北京大學(xué)96萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)超鏈接（超文本連接，HyperTextLink）<aherf=統(tǒng)一資源定位符

>鏈接名稱

<a/>統(tǒng)一資源定位符（UniformResourceLocator,URL）格式：訪問資源的協(xié)議

:資源地址HTTPURL的格式：http://主機(jī)名稱：端口/路徑/img/baidu_logo.gif2024/7/2北京大學(xué)97萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)工作原理Web服務(wù)器AWeb服務(wù)器B客戶端（web瀏覽器）Web服務(wù)器C

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web頁面HTTP：HyperTextTransferProtocol2024/7/2北京大學(xué)98萬維網(wǎng)(WorldWideWeb)常用的web瀏覽器SafariApple國內(nèi)著名的綜合性網(wǎng)站搜狐：新浪：網(wǎng)易：2024/7/2北京大學(xué)99互聯(lián)網(wǎng)上的三種經(jīng)典應(yīng)用萬維網(wǎng)電子郵件文件傳輸2024/7/2北京大學(xué)100電子郵件(Email)@郵政系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送達(dá)需要幾天時間送達(dá)只需要幾秒鐘2024/7/2北京大學(xué)101電子郵件(Email)工作原理計(jì)算機(jī)A(郵件發(fā)送方)計(jì)算機(jī)B(郵件接收方)郵件服務(wù)器X(發(fā)件方)郵件服務(wù)器Y(收件方)SMTP：SimpleMailTransferProtocolPOP3：PostOfficeProtocol3SMTPSMTPPOP3由電子郵件客戶端發(fā)出請求2024/7/2北京大學(xué)102電子郵件(Email)電子郵件地址someone@用戶名郵件服務(wù)器的域名如何獲得一個電子郵件地址？北大學(xué)生郵件服務(wù)器（幫助見/index.htm）126網(wǎng)易免費(fèi)電子信箱（

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