计算机世界全景图

▍第二代电子计算机
195× --196× 晶体管 计算机
❖ 主要特点
• 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，已应用于数据处理、过程控制
❖ 主要成就
• 首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低 了功耗，提高了速度和可靠性。
▍第四代电子计算机
❖ 197× -- 现在大规模、超大规模集成电路计算机
❖ 主要特点 • 逻辑元件 ——大规模/超大规模集成电路 （LSI/VLSI） • 主存 ——LSI/VLSI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，并进 入以计算机网络为特征的应用时代
▍1.1 无处不在的计算机
❖ 无处不在计算的理念（－）
－ 无处不在计算(Ubiquitous Computing)是 美国施乐公司PARC研究中心的Mark Weiser ，1991年在Scientific American杂志上发表 的题为The Computer for the 21st Century 的文章中首次提出来的理念
▍第五代电子计算机
从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开 始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型 的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型 化、网络化发展。综合起来大概有以下几个研究方向。
• 人工智能计算机 • 巨型计算机 • 多处理机 • 激光计算机 • 超导计算机 • 生物晶体计算机（DNA计算机） • 量子计算
• 数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新 篇章。
• 1946年6月，冯·诺依曼提出了“存储程序 ”和“程序控制”的概念以及计算机组成和 框架，奠定了现代计算机的基础。
图灵、图灵机及图灵测试
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： 24岁，提出图灵机理论； 31岁，参与Colossus（二战时英国破解德国通信密 码的计算机）的研制； 33岁，构思了仿真系统； 35岁，提出自动程序设计概念； 38岁，设计了“图灵测试”； 在后来还创造了一门新学科——非线性力学； ……
计算机与人工 智能之父，英 国数学家、逻 辑学家 —阿兰·图灵 （Alan Turing， 1912-1954）
▍阿塔纳索夫及ABC计算机
被“遗忘”的电子计算机之父 ——约翰·阿塔纳索夫
（John Atanasoff，1903-1995）
存放在衣阿华州立大学的ABC计算机 (Atanasoff-Berry Computer)
－ hundreds of devices to sense and control appliances 许多传感设备和控制设备
▍1.2 回顾与展望
❖古典计算机器时代 ❖第一代计算机 ❖第二代计算机 ❖第三代计算机 ❖第四代计算机 ❖第备还不是科学，而是工具。 出现一些具备计算和存储信息能力的设备。 辅助计算的基本手段出现，主要针对的是数字
▍无处不在计算的特征（二）
－ hundreds of handheld and wearable computers 许多手持式和可穿戴式计算机
－ hundreds of wireless computing devices per person per office, of all scales 大量遍布在每个 办公室、每个人的，各种规格的无线计算设备
• 发明了高级语言。 • 首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼
容。
▍晶体管计算机
晶体管与电子管的比较：
• 体积比电子管小很多 • 耗电大大降低 • 稳定性有很大提高
1955年，贝尔实验室使用800 只晶体管组装了世界上第一 台晶体管计算机TRADIC。
(Transistor Digital Computer)
▍第三代电子计算机
196× --197× 集成电路计算机 主要特点
• 逻辑元件 ——大规模集成电路 • 主存 ——半导体芯片 • 辅存 —— 磁盘 • 软件 ——编译系统，各类高级语言、操作
系统 • 提出“摩尔定律”
▍摩尔定律
❖ 微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番，价格降低一半
摩尔定律
晶体管数目
▍电子管计算机
❖ 1946年世界上第一台电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，注意ENIAC并不是基于“存储程序”工作的 计算机！）在美国宾夕法尼亚大学研制成功。
5000次加法/秒 体重30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW
年
▍集成电路计算机
集成电路与晶体管的比较：
1964 年 4 月 7 日 ， 在 IBM 公 司 成 立 50 周 年 之 际 ， 由 年 仅 40 岁 的 吉恩·阿姆达尔(Gene Amdahl) 担任主设计师，历时四年研发 的IBM360计算机问世，标志着 第三代计算机的全面登场，这 也 是 IBM 历 史 上 最 为 成 功 的 机 型之一。
ACM前主席Denning教授:系统地总结了计算的7 类原理，并称之为“伟大的计算原理”
➢计算、通信、协作、记忆、自动化、评估、设计
▍计算机正在改变我们的生活
国际互联网让人们 生活联系更加紧密
计算机自动控制技术 计算机在航空航天方面的应用
计算机在军事上应用广泛
▍无处不在计算的特征（一）
－ user-centeric，以人为中心的计算，使计算机的 使用符合人的习惯
－ invisibility 不可见的计算，将计算机自然、合 理地嵌入到人们日常工作和生活环境（办公室、家庭 ）中，使其从人们的视线中消失。人们通过新一代自 然交互界面，进行自然、方便的交互
－ access anything by anybody via any devices, anywhere anytime 在任何时间和地点，人们通过任何 设备和网路，访问任何信息
现在计算机使用的最大弊端是计算机本身 吸引了人们太多的注意力和使用不方便， 计算机应该融入人们的生活和工作环境， 成为一个自然、方便的工具。
▍1.1 无处不在的计算机
无处不在计算的本质就是：要创造一个与 人们的生活完美结合并具备计算和通信能力 的环境 － 1990年左右施乐公司PARC研究中心的 Weiser等人提出无处不在计算理念时,做出了 Tabs、 Pads和 Boards三种设备原型，如下图 所示。
▍冯·诺伊曼及冯·诺伊曼结构
1945年6月30日，冯·诺依曼发表“101页报告”——First Draft of a Report on the EDVAC； 1946年7、8月间，冯·诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告“电子 计算机逻辑设计初探”（Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument）。
主要特点：计算设备作为人脑计算的辅助工具 ，不具备自动计算能力。
▍第一代计算机
1946--195× 电子管 计算机 ❖ 主要特点
• 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
▍第一代计算机
1946--195× 电子管 计算机 ❖ 主要成就
计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，它是 选择合适的方式去陈述一个问题，对一个问题的相 关方面建模并用最有效的办法实现问题的求解，整 个过程由人和机器协同配合执行。计算方法和模型 使我们敢于去处理那些原本无法由任何个人独自完 成的问题求解和系统设计。
▍计算思维表达体系（基本内涵）
周以真教授: 计算思维能力可以通过熟练地掌 握计算机科学的基础概念而得到提高:
这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼 结构（von Neumann Architecture）”。报告明确指出： 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5部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和 输出装置； 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， 现代电子计算机之父 从而自动完成程序描述的处理工作。(即，“存储程序”思 ——冯·诺伊曼 想)
➢约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、 分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、 纠错、启发式推理、规划、学习、调度等
ACM和IEEE联合制定的CC1991给出了计算机科 学领域里重复出现的12个核心概念：
▍计算思维表达体系（基本内涵）
➢绑定、大问题的复杂性、概念模型和形式模型、 一致性和完备性、效率、演化、抽象层次、按空 间排序、按时间排序、重用、安全性、折中与结 论
▍1.3 计算机与计算思维
“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思 维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维 能力。”
-1972年图灵奖获得者Edsger Dijkstra
▍1.3 计算机与计算思维
计算思维（Computational Thinking）是运用计算 机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人 类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维 活动。