[理学]第12章 计算机技术.ppt

第十二章 计算机技术,§12.1 历史的源流,计算机先驱者之父巴贝奇(Charles Babbage, 1791-1871),巴贝奇（Charles Babbage ）英国数学家1792年12月26日生于德文郡廷茂斯；1871年10月18日卒于伦敦他自修数学，1810年入剑桥大学学习1822年，他设计了一台差分机模型1834年，他提出一种“分析机”的构想，与计算机的最后实现已经十分接近，故被后人尊称为“计算机先驱者之父”1833年，巴贝奇构想了一种新型的分析机(Analyfical Engine) 该分析机由四个基本部件构成：存储库、运算室、传送机构和送入取出机构因此说，巴贝奇的分析机的重大贡献在于它包括了现代计算机的五大装置：输入、控制、运算、存储和输出装置目前，国际计算机界公认巴贝奇为当之无愧的计算机之父后人根据图纸制造的巴贝奇分析机，与预期运算能力相当,§12.2 计算机时代的开始,,在20世纪人类创造的新技术革命中，最耀眼、最辉煌的也许莫过于电子计算机了正是由于它的诞生，在工业革命时代刚刚从体力中解放出来的人类又开始走向一个智力解放的崭新时代——计算机时代12.2.1 电子管的发明与最初的尝试,1884年，爱迪生发现了碳棒灯泡照明过程中的热电子放射现象，即“爱迪生效应”。

1904年，英国人弗莱明发明了真空二极管他的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”1906年，美国人德弗雷斯特发明了电子三极管德弗雷斯特因发明三极管而被称为“无线电之父”1939年，阿塔纳索夫设计并试制数字电子计算机的样机“ABC机”，但未能完工12.2.2 战火催生的庞然大物——ENIAC的诞生,二战爆发后，美国陆军军械部为研制和开发新型大炮，在马里兰州的阿伯丁设立了“弹道研究实验室”埃克特（右）和莫克利（左）,为了解决繁重的计算问题，宾夕法尼亚大学莫尔电机学院的莫克利博士提出了试制第一台电子计算机的设想按照科学家们的估计，制造一台电子计算机所需的经费为15万美元，这在当时是一笔巨款，因此遭到了军方内部很多人的坚决反对然而，美国著名数学家维伯伦博士坚定地站到了支持者的行列里，他最终说服了美国军方经过两年多的紧张研制，第一台电子计算机终于在1946年2月14日问世埃克特和莫克利也因共同研制成功ENIAC而名垂青史ENIAC” 内部有成千上万个电子管、二极管、电阻器等元件，电路的焊接点多达50万个；在机器表面，则布满电表、电线和指示灯它的耗电量超过174千瓦小时，使用时全镇的电灯都会变暗世界上第一台电子计算机“ENIAC”诞生在情人节,然而，“埃尼阿克”的计算速度却是手工计算的20万倍、继电器计算机的1000倍。

美国军方也从中尝到了甜头，因为它计算炮弹弹道只需要3秒钟，而在此之前，则需要200人手工计算两个月除了常规的弹道计算外，它后来还涉及诸多的科研领域，曾在第一颗原子弹的研制过程中发挥了重要作用12.2.3 冯•诺伊曼与EDVAC,1945年6月，冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了一篇长达101页纸的报告《关于EDVAC的报告草案》，即计算机史上著名的“101页报告”，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献现代计算机之父冯•诺伊曼,报告明确规定出计算机的五大部件，并用二进制替代十进制运算EDVAC方案的革命意义在于“存储程序”，以便电脑自动依次执行指令EDVAC方案的主要内容是确定了计算机由 (1)运算器 (2)控制器 (3)存储器 (4)输入 (5)输出 等五部分组成，明确地反映出现代电子数字计算机的存储程序控制工作原理和基本结构，对以后计算机的发展产生了深远的影响12.2.4 第一代计算机,在计算机技术的发展历史上，人们把根据EDVAC设计方案制造出来的电子管计算机称为第一代计算机莫克利和埃克特再次联袂制造的UNIVAC，于1951年6月14日正式移交给了美国人口普查局使用。

这台机器是第一代电子管计算机趋于成熟的标志它标志着人类社会从此进入了计算机时代，因为电脑最终走出了科学家的实验室，直接为千百万人民大众事业服务1951年冯•诺伊曼担任IBM公司顾问后，IBM公司进入了存储程序电子计算机市场,1952年底，IBM公司推出第一批量生产的计算机IBM701，共生产了18台1954年，IBM制成IBM702，共生产了14台此后，IBM推出了小型计算机IBM650，在市场中获得极大成功，I在市场中确立了领导者的地位第一代计算机的出现实质上也标志着程序语言的开始,机器语言：计算机能识别的二进制机器代码汇编语言：用助记符号来表示机器指令的操作符与操作数高级语言：FORTRAN和COBOL等，在二、三代计算机 上才得到了广泛应用§12.3 从第二代到第四代,,在经历了第一代计算机的实用化发展时期后，从20世纪60年代开始，计算机技术开始得到了更进一步的加速发展1960年，随着晶体管计算机的大量生产，电子计算机进入第二代之后，集成电路的出现及其大规模化又把计算机推向第三代、第四代12.3.1 晶体管与第二代计算机的问世,晶体管问世,肖克利，1936年来到AT&T贝尔实验室工作，与布拉顿合作研究项目，希望能研制一种取代电子管的新器件。

1947年圣诞节前夕，布拉顿和巴丁得到了一个有放大作用的新电子器件，这种器件被他们命名为“晶体管” 肖克利在同伴成功的激励下继续研究，一年后发明了一种“结型晶体管”，成为现代晶体管的始祖为此，肖克利、布拉顿和巴丁分享了1956年诺贝尔物理奖肖克利,第一只晶体管,第二代晶体管计算机问世,1954年5月24日，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TRADIC1955年执行的Stretch（上）和LARC（下）在商业上都不成功，但在设计中采用了大量新思想，为开发第三代计算机打下了良好的基础第二代晶体管计算机问世,1960年推出的以晶体管为主要器件的IBM7090型电脑，从1960年到1964年一直统治着科学计算的领域，并作为第二代电子计算机的典型代表，被永远载入电脑的史册里1960年，克雷领导下的CDC公司研制出当时最先进的大型晶体管计算机CDC6600第二代计算机除选用性能优异的晶体管逻辑元件外，在其他硬件方面也有很大进步第二代计算机引入快速磁芯存储器和磁鼓、磁带、磁盘外存储器等，从而全面提高了计算机的性能与可靠性第二代计算机的速度从电子管的几千次提高到几十万次以上，但重量、体积、功耗和售价却成倍减少。

因此，晶体管计算机的出现无疑是计算机技术发展史上的一次伟大革命第二代计算机总结,12.3.2 IBM360——第三代计算机的里程碑,集成电路的问世催生了微电子产业，采用集成电路作为逻辑元件成为第三代计算机的最重要特征作为第三代计算机的杰出代表，IBM360为IBM带来了极大成功，“IBM”几乎成为计算机的代名词第三代电子计算机代表机型IBM360计算机系统,作为第三代计算机的典型代表，IBM360是迄今在历史上影响最大的一个通用计算机系列，其最大的特点是通用化、系列化、标准化通过IBM360系统，IBM进一步巩固了它在世界计算机市场的领导地位第三代计算机中的一支重要新秀——小型计算机,1. 1957年，出身于麻省理工学院的奥尔森与其同伴创立了数字设备公司(DEC)，其目标是制造和销售体积较小、价格较低廉的计算机2. 1960年该公司生产了第一台小型计算机PDP-13. 1965年5月，公司推出12位、4千字节存储器的新机型PDP-8，售价约15000美元，是当时最低PDP-8作为首批大量生产的真正小型计算机，引起了巨大的反响DEC创始人 肯·奥尔森（Ken Olsen）“小型机之父”,随着第三代计算机的出现，系统的各方面性能都得到了提高。

更高的处理速度更高的精确性联机系统与分时系统的出现更高的性能价格比,第三代计算机的出现，还使计算机程序与软件取得了重大进展高级语言的进一步发展操作系统的出现各种应用软件争相问世,12.3.3 大规模集成电路的问世与第四代计算机,1968年，威斯汀豪斯公司和美国无线电公司研制出互补金属半导体集成电路(CMOS)由于MOS集成电路的能耗低、工艺简单、集成度高，使得集成电路业在1967年进入了大规模集成电路时代大规模集成电路的出现，为20世纪70年代第四代计算机的出现奠定了实质性的基础1973年开始运行的 I LLI AC – IV 是第一台全面采用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机真正发展到了第四代1975年美国阿姆尔公司研制成功的470V/6和随后日本富士通生产的M-190机，是全面采用大规模集成电路的比较有代表性的第四代计算机12.3.4 巨型计算机,第四代电子计算机一个引人注目的成就就是巨型机的发展超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一当今世界，高性能计算已成为理论和试验之外的第三种科学研究手段，是推动科技创新和经济社会发展的战略高技术。

各大国纷纷投入巨资研制开发超级计算机系统，以提升综合国力和科技竞争力美国总统信息技术顾问委员会2005年6月对总统提交的报告，报告中说：计算科学对国家保持科学研究领导地位、提高经济竞争力以及维护国土安全发挥了重要作用该委员会确信，计算科学是21世纪最重要的技术领域之一，因为它对整个社会的进步起着基础性的作用 而美国国家研究委员会计算机科学与通信部2004年11月也提交过以下报告：为满足美国现在和未来的需求，政府部门应该和国会一起在加速超级运算发展和确保国家在持有多个强有力的软硬件供应方面担负起主要职责 从这两份报告中，可以充分表明美国以及世界各国对发展巨型计算机重要意义的认识2009年10月29日我国首台由103个机柜组成、占地面积近千平方米、总重量155 吨的千万亿次超级计算机系统——“天河一号”在湖南长沙由国防科学技术大学研制成功使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家中国拥有了历史上计算速度最快的工具这个速度意味着，如果用“天河一号”计算一秒，则相当于全国13亿人连续计算88年如果用“天河一号”计算一天，用现在最先进的双核高性能个人PC机来操作，需要整整160年才能完成。

天河一号”千万亿次超级计算机系统,巨型计算机在国计民生各关键领域的支撑性作用在制药领域中，巨型计算机出现前，一种新药的问世要经过原理研究、动物实验、志愿者实验等数个步骤，整个研制周期在15年左右而如今，很多基础性的实验和计算工作都可以由巨型计算机来完成，一种新药的研制周期可以缩短为3～5年一种新药可以改变人类的命运，比如盘尼西林，就以其广谱抗菌能力，挽救了无数人的生命在飞机制造领域，巨型计算机也发挥了不可替代的作用以前，飞机确定外形需要在风洞中进行大量实验比如，某型波音飞机在确定外形前就在风洞中进行了3年的定型试验而现在，通过巨型计算机强大的计算能力和模拟技术，大量的实验可以通过计算机计算和模拟而省去，周期可以缩短到3～6个月在石油勘探领域，巨型计算机也发挥着重要的作用1983年面世的“银河一号”巨型计算机，其当时研制的主要目的就是为了石油勘测我们当时要从美国进口相关的计算机，但是美国人不允许我们进核心控制室所以，国家当时就下定决心要研制出自己的巨型计算机科研人员在对“天河一号”超级计算机在精选系统测试,“天河一号”有哪些特点？,采用了“多阵列可配置协同并行体系结构”等7项关键创新技术的“天河一号”，综合技术水平位居世界前列，具有高性能、高能效、高安全和易使用的特点。

系统配置,–6144个通用处理器（3072x2 Intel Quad Core Xeon E5540 2.53GHz/E5540 3.0GHz）；–5120个加速处理器（2560 ATI Radeon 4870x2 575MHz）–内存总容量98TB ； –点点通信带宽40Gbps ； –共享磁盘总容量为1PB “天河一号”的存储量，相当于4个国家图书馆藏书量之和。