唐良荣《计算机导论-计算思维和应用技术》第1章 计算工具A

1、欢迎大家选修,计算机导论课程,计算机导论计算思维和应用技术,清华大学出版社,唐良荣唐建湘范丰仙易建勋,编著,作者声明,课件随教材免费赠送给读者，读者可自由传播、复制、修改本课件。课件宽高比例为16：9，便于利用“弹幕”功能实现教学互动。课件中部分图片来自因特网公开技术资料，图片版权属于原作者。感谢因特网提供技术资料的企业和个人。课件版权属于作者和清华大学出版社。易建勋2015年1月,课件下载方法,校外不登录下载：,1.1.1早期的计算工具,1.1.2中世纪的计算机,1.1.3现代计算机发展,1.1.4微型计算机发展,计算机导论计算思维和应用技术,计算机,1.1.1早期的计算工具,计算技术是人类文明史的一个缩影。计算机发展历程,1.1.1早期的计算工具,1、十进制记数法古巴比伦楔形数字，60进制,1.1.1早期的计算工具,古埃及十进制记数,青蛙100000,1.1.1早期的计算工具,中国商朝十进制数,1.1.1早期的计算工具,玛雅文明象形文字，20进制,玛雅数字,1.1.1早期的计算工具,【案例】早期记数系统。,1.1.1早期的计算工具,位值概念：西周金文：“伐鬼方俘万三千八十一人”；逸

2、周书世俘：“武王遂征四方，凡憝国九十有九国，馘磨亿有十万七千七百七十有九，俘人三亿万有二百三十。凡服国六百五十有二”。注：憝（du，灭亡）；馘磨（gumo，斩首）；亿（古代十万为亿）,1.1.1早期的计算工具,2、算筹成语“运筹帷幄”中的“筹”就是指算筹。祖冲之（429-500年）借助算筹将圆周率计算到了小数点后第7位。,算筹的运算,1.1.1早期的计算工具,3、九九乘法口诀中国最早的算法：九九乘法口诀表（湖南湘西里耶出土的秦简木椟）。,1.1.1早期的计算工具,【扩展】世界上最早的十进制乘法表清华简算表（战国，公元前305年）,1.1.1早期的计算工具,4、算盘古今中外算盘类型：沙盘类，算板类，穿珠类。“珠算”一词最早见于三国时代徐岳（？-220年）的数术纪遗。数术纪遗“劉會稽（注：刘宏）博學多聞，偏于數學隸首注術，仍有多種，其一珠算”。数术纪遗“珠算控带四时，经纬三才”。,1.1.1早期的计算工具,【案例】画家张择端（1085-1145）清明上河图中，有一个15档的算盘。,1.1.1早期的计算工具,【案例】古罗马（公元前27395年）算盘,1.1.1计算机的发展,计算机导论计算思维

3、和应用技术第1章计算工具,1.1.2中世纪的计算机,1、机器计算的萌芽1614年，苏格兰数学家约翰纳皮尔（J.Napier）提出了对数。他发明了简化乘法运算的纳皮尔算筹。,1.1.2中世纪的计算机,1623年，德国谢克卡德（W.Schickard）设计的四则运算机器（没有文物证实）。,现代猜测仿制的谢克卡德机器,谢克卡德手稿,1.1.2中世纪的计算机,2、帕斯卡加法器1642年，法国数学家帕斯卡（B.Pascal）制造了第一台加法运算机器。帕斯卡：机器比动物更接近思维。加法器在巴黎博览会引起轰动。,1.1.2中世纪的计算机,3莱布尼茨的二进制思想莱布尼兹（G.Leibnitz）1694年研制了一台能够做加、减、乘、除运算的机器。莱布尼兹研究了定理证明的自动逻辑推理。莱布尼兹预想用机器推理演算，使科学知识的产生实现自动化。,1.1.2中世纪的计算机,1679年，莱布尼兹发明了二进制记数系统。他断言：“二进制是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”。,莱布尼兹二进制记数系统手稿,1.1.2中世纪的计算机,【扩展】中国早期的计算机。皇帝的玩具手摇计算机，康熙年间清宫造办处制。木盒小抽屉中放着中

4、国式的纳皮尔算筹一副；盘式计算机能进行加、减、乘、除运算；结合着算筹还能进行平方、立方、开平方、开立方等运算。,清宫造办处仿制的计算机,1.1.2中世纪的计算机,4、巴贝奇自动计算机器（1）差分机设计制造英国剑桥大学教授查尔斯巴贝奇（CharlesBabbage）研制差分机；1822年，第一台差分机研制成功；差分机有25000个零件，重达4吨。设计目标：将计算到印刷表格的过程全部自动化；全面消除人为错误。注：计算错误、抄写错误、校对错误、印制错误等。差分机是专门用来计算特定多项式函数值的机器。注：“差分”是将函数表的复杂计算转化为差分运算。,差分运算案例,1.1.2中世纪的计算机,【案例】差分机模型,1.1.2中世纪的计算机,（2）分析机基本结构1837年，巴贝奇开始设计由程序控制的通用分析机。设计：提出过30种设计方案，并绘制了图纸，零件数量多达几万个。目标：自动计算有100个变量的算题，每个数25位，每秒钟运算一次。分析机具备现代计算机的基本特征：存储器：保存数据的齿轮式寄存器（堆栈），可存储1000个50位十进制数；运算装置：进行各种运算的装置（工场），可进行十进制四则运算；程序

5、控制：对操作进行程序控制，可运行“条件”“循环”等语句；输入输出：用穿孔卡片作为程序输入设备，有数据输出装置。图灵指出：“分析机实际上是一台万能数字计算机”。由于巴贝奇的杰出贡献，他被称为计算机之父。,1.1.2中世纪的计算机,计算机界的唐吉诃德巴贝奇出身英国贵族，死后身败名裂；贵为皇家院士，被人指为骗子；散尽万贯家财，竟无葬身之地；煽动军方烧钱，最后一无所得；最前沿的研究，贵妇充当粉丝；最先进的设计，土豪为之破产；跨世纪的成果，落得无人喝彩；耗尽一生心血，受尽委屈辛酸；只为心中的梦想机器计算！纪念计算机之父巴贝奇,1.1.2中世纪的计算机,5爱达与程序设计爱达指出：分析机可以像提花机那样进行编程。爱达（AugustaAdaKing）的工作：设计世界上第一个计算机程序：用机器进行伯努利运算；协助巴贝奇完善分析机的设计；建立了循环和子程序的概念；编写：三角函数、级数相乘、伯努利函数等算法程序。爱达预言：“这个机器未来可用于排版、编曲或是各种更复杂的用途”。,提花机,1.1.2中世纪的计算机,爱达是世界上第一个计算机程序设计师。,爱达编制的世界上第一个计算机程序,爱达,1.1.2中世纪的计

6、算机,6、布尔与数理逻辑英国数学家布尔（GeorgeBoole）终身没有接触过计算机；但他的研究成果为现代计算机设计提供了重要的理论根据。现代计算机的基本要求：所有信息都可用符号编码。布尔的工作：将逻辑思维简化为二进制数学运算（布尔代数）。布尔的工作当时没有得到重视；有人嘲笑布尔代数是一种没有价值的工作成果。,1.1.1计算机的发展,计算机导论计算思维和应用技术第1章计算工具,1.1.3现代计算机发展,1、现代计算机科学先驱现代计算机指利用电子技术代替机械或机电技术的计算机。英国科学家阿兰图灵（1912-1954）计算机科学理论的创始人。主要贡献：“可计算”理论；“图灵机理论”，建立抽象计算机模型；“图灵测试”，奠定人工智能基础。,阿兰图灵,ACM图灵杯,1.1.3现代计算机发展,美籍匈牙利科学家冯诺依曼（1903-1957）计算机工程技术的先驱人物。IEEE设立了“冯诺依曼奖”，表彰在计算机科学和技术上具有杰出成就的科学家。主要贡献：现代计算机的五大结构；“存储程序”设计思想；“博弈论”；“自动细胞机”理论。,冯诺依曼,1.1.3现代计算机发展,2、第一台现代电子数字计算机ABC美国

7、教授阿塔纳索夫和他的研究生克利福特贝瑞，1939年10月研制成功ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）。1990年，阿塔纳索夫获得全美最高科技奖“国家科技奖”。ABC计算机结构：采用二进制电路进行运算；存储系统采用电容器，具有数据记忆功能；输入系统采用IBM公司的穿孔卡片；输出系统采用高压电弧烧孔卡片。,ABC仿制模型,1.1.3现代计算机发展,阿塔纳索夫计算机设计三个基本原则：（1）以二进制方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；（2）利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；（3）采用计算功能与存储功能的分离结构，以简化计算机设计。,1.1.3现代计算机发展,【扩展】1944年，霍德华艾肯研制成功Mark-I电磁式计算机。,1.1.3现代计算机发展,3、ENIAC计算机1946年，莫克利和埃克特研制成功ENIAC计算机。ENIAC计算机采用全电子管电路，没有采用二进制，采用18000多个电子管，10000多个电容，7000个电阻，1500多个继电器，耗电150kW，重量达30t，占地面积170m2。,ENIAC计算机,1.1.3现代计算机发展,ENIAC性能：1秒钟内完成5000次

8、加法运算，在3/1000秒内完成2个10位数乘法，计算一条炮弹弹道只需要20秒钟。莫克利在设计ENIAC之前拜访过阿塔纳索夫，一起讨论过计算机设计经验。,1.1.3现代计算机发展,4冯诺依曼与EDVAC计算机1945年，冯诺依曼提出了计算机五大结构，存储程序的设计思想。一份疑似冯诺依曼手稿（？）的EDVAC系统结构设计草图如下所示。,EDVAC系统结构,EDVAC计算机,1.1.3现代计算机发展,5、IBMSystem360计算机1964年的IBMSystem360是现代计算机最典型的代表产品。IBM360的特点：通用化、标准化、系列化、兼容。为了研发IBM360计算机：IBM公司征召了6万多名新员工，创建了5座新工厂，耗资50亿美元，历时5年时间进行研制，出货时间不断延迟。,IBM360,1.1.3现代计算机发展,现代计算机基本元器件发展阶段：电子管晶体管中小规模集成电路超大规模集成电路。,1.1.3现代计算机发展,【扩展】老式计算器。,5891计算尺,机械计算机,1.1.1计算机的发展,计算机导论计算思维和应用技术第1章计算工具,1.1.4微型计算机发展,1、早期微机研究微机研制起

9、始于1970年代；早期微机产品：Kenbak-1：没有微处理器，没有操作系统。Micral-N：采用Intel8008微处理器，没有操作系统，销量极少。Alto：显示器，图形用户界面，“所见即所得”的文本编辑器。,Alto微机（1975年）,1.1.4微型计算机发展,2、牛郎星微机Altair88001975年，爱德华罗伯茨设计了Altair8800微机。Altair8800是第一台现代意义上的通用型微机。,1.1.4微型计算机发展,简陋的牛郎星微机掀起了一场改变计算机世界的革命。牛郎星微机设计思想：开放式设计思想（如开放系统结构、开放外设总线等）；微型化设计方法（如追求产品的短小轻薄）；OEM生产方式（如部件定制、贴牌生产等）；硬件与软件分离的经营模式（如微软公司）；保证易用性（如DIY、非专业人员使用）。,1.1.4微型计算机发展,牛郎星的发明带动了微软公司和苹果公司的成长。牛郎星对我们的启发：不要嘲笑创新产品，他可能风靡世界。挖掘市场需求是创新的开始。集成也是一种创新。微型化，量变引起质变的成功范例。罗伯茨草根创造历史的典型代表。,1.1.4微型计算机发展,3、苹果微机AppleII1976年，斯蒂夫乔布斯在家庭汽车库开发了AppleI微机。1977年，乔布斯推出AppleII微机，计算机进入了黄金时代。1978年苹果公司股票上市，3周内股票总值超过了福特汽车公司。AppleII微机技术参数CPU：MotorolaM6502（8位）主频：4MHz速度：50万次/秒DRAM：64KBROM：16KB（固化BASIC）视频：80 x25行字符外设：键盘售价：1300美元,1.1.4微型计算机发展,【案例】苹果计算机的发展,1.1.4微型计算机发展,4、个人计算机IBMPC51501981年，IBM公司推出了第一台16位个人计算机IBMPC5150。微机突破了为计算机爱好者使用的状况，迅速普及到工程技术和商业领域。IBMPC5150技术参数CPU：Intel8088（16位）频率：4.77MHz内存：16KB软驱：160KB5.25英寸显示器：单色11.5英寸操作系统：MS-DOS1.0价格：3045美元,1.1.4微型计算机发展,【案例】

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