计算机的特点.docx

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计算机的特点

计算机与信息社会

本章学习要点：

（1）了解计算机的发展过程、主要特征和发展趋势；

（2）了解信息和信息技术的基本概念；

（3）了解计算机在信息社会中的主要应用。

电子计算机俗称电脑，是一种能够进行高速运算、具有内部存储能力、由程序控制其操作过程的自动电子装置。

随着微型计算机的出现和计算机网络的发展，计算机应用已经渗透到了社会的各个领域，改变了人类的生活方式和思维方式，是人们工作、学习、娱乐不可缺少的工具。

在21世纪，掌握和使用计算机是人类必备的基本技能之一。

1.1计算机的发展

1.1.1早期的计算机

1．远古时代的计算工具

计算机最初用于数值计算，从计算工具演化而来，可谓历史久远。

公元前600年左右，我们的祖先发明了算盘，称得上世界上第一种手动式计算器。

2．奥特雷德的计算尺

1622年，英国数学家威廉·奥特雷德（WilliamOughtred）发明了对数计算尺，它能够进行加、减、乘、除、指数、三角函数和对数函数等运算，一直到20世纪60年代，才逐渐被袖珍电子计算器取代。

3．帕斯卡的加法器和莱布尼兹的乘法器

1642年，法国的布莱斯·帕斯卡（BlaisePascal，欧洲伟大的数学家和哲学家）发明了一种使用时钟齿轮和杠杆驱动的机械式计算器——PascaLine，能够进行加法和减法运算。

PascaLine虽然没有在商业中广为应用，但帕斯卡仍是计算领域中的先驱者。

一种名为Pascal的高级语言就是以帕斯卡的名字命名的。

1673年，德国数学家莱布尼兹在帕斯卡的加法器的基础上，制造了一种能进行加、减、乘、除及开方运算的计算器，使计算工具又向前迈了一步。

4．雅卡尔的穿孔卡片

1804年，法国丝织工匠雅卡尔（JosephMarieJacquard）发明了雅卡尔织布机（Loom），它能在打有小孔的纸卡片的控制下自动工作，纺织出花纹纤细精美的漂亮布料。

雅卡尔的发明曾一度造成纺织工人的惊慌，害怕因机器的自动化而失业。

1811年，一名叫勒德的纺织工人带领他的同事对机器进行攻击。

今天，人们仍用“勒德分子”来指代那些抵制技术进步的人。

雅卡尔织布机上的穿孔卡片被后人改进后成为计算机输入的最初形式，直到20世纪80年代，穿孔卡片仍被用来输入计算机的数据和程序。

5．巴贝奇的差分机与分析机

19世纪早期，英格兰的巴贝奇完成了第一台现代计算机的设计。

巴贝奇在攻读博士学位期间需要求解大量的复杂公式，但无法在合理的时间内手工完成这些问题，为了求解方程，巴贝奇于1822年研制了一种用蒸汽驱动的机器——差分机。

1834年左右，巴贝奇又设计了一种与差分机不同的新机器，并称之为分析机。

分析机由三部分组成：

一部分是由许多轮子组成的能够保存数据的“存储库”；另一部分是能够从存储库中取出数据进行各种基本运算的运算装置，运算是通过各种齿轮与齿轮的咬合、旋转、平移等实现的；第三部分是一个能够控制顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。

巴贝奇在分析机中引入了“程序控制”的思想，它根据存储在穿孔卡中的指令来确定应该执行的操作，并自动运算。

分析机比差分机精度更高，计算速度更快，而且具有通用性，可以进行数字或逻辑运算，是现代通用计算机的雏形。

由于得不到资助，巴贝奇最终未能实现他所设计的分析机，但分析机的构想与计算机的最后实现已经十分接近，故巴贝奇被尊称为“计算机之父”。

图1-1是巴贝奇和他设计的机器。

（a）查尔斯·巴贝奇（b）差分机（c）分析机

图1-1巴贝奇和他设计的差分机及分析机

诗人拜伦的女儿奥古斯塔·爱达·拜伦与巴贝奇一起进行了多年的设计工作。

奥古斯塔·爱达是一位出色的数学家，她为巴贝奇的设计工作做出了巨大的贡献，为分析机编制了一些函数计算程序，被公认为世界上第一位程序员，一种名叫Ada的编程语言就是以她的名字命名的。

6．霍勒里斯和IBM公司

美国每10年进行一次人口普查，至19世纪末，一直都使用手工进行统计。

由于统计极费时间，1880年的人口普查花费了7年多的时间才统计出结果。

一位当时在做人口普查工作的统计师——霍勒里斯，他设想在穿孔卡片上对人口普查问题的结果进行编码，研制了一种打孔装置，一种手动进纸的电子阅读机可以在一分钟内处理50张卡片；同时，他还研制出了一种分类装置，能够对不同的卡片进行分类。

这种革新使1890年的人口普查在两年半的时间内就完成了。

1896年，霍勒里斯创立了表格制作机器公司，把他的穿孔卡片设备推向市场。

1911年，表格制作机器公司与其他两家公司合并，组建了计算—制表—记录公司，该公司取得了极大的成功。

1924年，计算—制表—记录公司更名为国际商业机器公司，即IBM公司。

1.1.2近代计算机

1．Mark-Ⅰ计算机

巴贝奇对其分析机的设计论文约在100年后被哈佛大学的霍华德·艾肯（HowardAiken）教授在图书馆发现了，艾肯在巴贝奇的设计基础上，提出了用机电而非纯机械方式制作新的分析机。

在IBM公司的资助下，艾肯于1944年研制出了世界著名的大型电磁式自动计算机Mark-Ⅰ，实现了巴贝奇的构想。

后来艾肯又主持了MarkⅡ、MarkⅢ和MarkⅣ等计算机的研制工作，但这些机器已经属于电子计算机的范畴了。

在Mark系列计算机的研制过程中，还有一位天才的女程序员、海军中尉格蕾丝·霍波（GraceHopper）博士在为此机器编写软件。

计算机软件中的一个术语bug就是霍波在一次偶然的计算机故障中提出来的。

1946年，她在发生故障的MarkⅡ计算机的继电器触点里找到了一只飞蛾，正是这只小虫子“卡”住了机器的运行，霍波由此诙谐地把程序故障称为bug。

bug此后演变成计算机行业的专业术语，术语Debug也由此而来，意为排除程序故障。

霍波在1959年发明了商用语言COBOL，开创了程序语言的编译时代，被人们称为“计算机语言之母”。

2．图灵的贡献

阿兰·图灵（AlanTuring，见图1-2）是英国的一名数学家，在第二次世界大战中曾帮助英国创建了称为“罗宾逊”的机器，破译德国的Emigma机器编码的德国军方电文。

20世纪30年代，他的一篇论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》中描述了一种理想的通用计算机器：

该机器使用一条无限长度的纸带，纸带被划分成许多方格，有的方格被画上斜线代表1，有的方格没有画任何线条代表0；该计算机有一个读写头部件，可以从带子上读出信息，也可以往空方格里写信息。

该计算机仅有的功能：

把纸带向右移动一格，然后把1变成0，或者相反把0变成1。

后人称之为“图灵机”，图灵机实际上是一种不考虑硬件状态的计算机逻辑结构。

图灵的这篇论文奠定了现代计算机的理论基础，指出了计算机的发展方向。

图1-2图灵

1950年，图灵发表了题为《计算机与智能》的文章，奠定了人工智能的理论基础。

图灵在此文中提出了一种假想：

即一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么就可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是能思维的。

这就是著名的“图灵测试”（TuringTesting）。

图灵对计算机的贡献极大，被称为“计算机之父”和“人工智能之父”。

为表示对他的纪念，美国计算机协会（AssociationComputerMachinery，ACM）于1966年设立了图灵奖，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人。

图灵奖是计算机界的最高奖项，要求极高，评奖程序极严，被认为是计算机界的“诺贝尔奖”。

3．ABC计算机

美国依阿华大学的保加利亚裔美国人约翰·阿塔诺索夫（JohnV.Atanasoff）和他的研究生克里福特·伯瑞（CliffordE.Berry）在1941年制作出了一台电子计算机：

ABC计算机（Atanasoff-BerryComputer）。

最近的研究表明这台机器更应称为世界上第一台电子计算机。

1.1.3现代计算机

1．第一台电子数字计算机的诞生

宾夕法尼亚大学的约翰·莫奇莱教授与研究生埃克特花费了3年时间，于1946年2月研制出了被世界公认的第一台电子计算机，名为电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，ENIAC），如图1-3所示。

这台计算机使用了18000多个电子管、70000个电阻、10000个电容，重30多吨，占地170多平方米，耗电150千瓦（据说当它启动时，整个费城的电灯都会变暗），每秒钟能做5000次加、减运算，价格非常昂贵。

图1-3ENIAC计算机

ENIAC仅仅表明人类创造了计算机，它对后来的计算机研究没有多大的影响。

因为它不具备现代计算机“存储程序”的主要特点，难以使用，每次解决新问题时，工作人员必须重新接线才能输入新的指令。

莫奇莱和埃克特1947年创建了一个计算机公司，生产出售商用计算机，第一种作为商品售出的是他们1951年生产出的计算机UNIVAC，开启了计算机工业的新时代。

2．冯·诺依曼计算机

世界上的第二台计算机是美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（VonNeumann，见图1-4）教授设计并参与研制的EDVAC计算机，它是第一台“存储程序”式计算机，它与ENIAC相比有了重大改进，具有以下特点：

（1）采用二进制0、1直接模拟开关电路的通、断两种状态，用于表示计算机内的数据或计算机指令。

（2）把机器指令存储在计算机内部，计算机能依次执行指令。

（3）硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。

图1-4冯·诺依曼

1946年6月，冯·诺依曼发表了《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文，这篇论文具有划时代的意义，标志着计算机时代的到来。

文中介绍了电子计算机制造和程序设计的新思想，明确规定计算机由计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出5大部分组成，并阐述了这5部分的职能和相互关系。

凡是以此概念构造的各类计算机都称为冯·诺依曼计算机。

半个多世纪以来，虽然计算机系统在运算速度、工作方式、应用领域和性能指标等方面与当时的计算机有了较大的差别，但其基本结构仍然属于冯·诺依曼计算机结构。

冯·诺依曼因其对计算机的卓越贡献，也被称为“计算机之父”。

1.1.4计算机发展的4个时代

从1946年到今天，计算机的物理构成器件在不断地更新换代，人们据此将计算机的发展分为4个阶段。

1．电子管时代（1946—1958年）

1904年，英国物理学家弗莱明发明了电子管（真空二极管），标志着世界从此进入了电子时代。

1906年，被称为“电子管之父”的美国发明家李·德弗雷斯特在二极管的基础上发明了三极管，使电子管成为了广泛应用的电子器件。

第一代计算机就是采用电子管作为基本元器件，用汞延迟线作为内存储器，磁鼓和磁芯作为外存储器。

由于电子管本身的特征和缺陷（体积大、功耗大和易发热等），致使第一代计算机造价高、存储容量小（内存只有几KB），体积庞大，耗电多，运算速度慢，每秒仅能做几千次到几万次的运算，性能不稳定，经常出现故障，可靠性极低，大部分时间处于停机状态。

计算机程序只能用由0和1组成的机器语言编写，所有的数据和指令都用穿孔卡片输入。

因为机器语言难使用，只有少数专家懂得如何为这些机器编写程序，所以编写程序费时费力，计算机主要用于军事和科学计算。

2．晶体管时代（1958—1964年）

1947年，美国的肖克利和巴丁等人发明了晶体三极管。

晶体管出现后，就有人以它为元器件制作电子计算机。

晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点，更容易制作出高速度的电子计算机，而且成本更低。

1954年美国贝尔实验室就制作出一台用了800多个晶体管的计算机，因此也有人认为第二代计算机应该从1954年开始。

但第一台全部使用晶体管制成的计算机是1958年美国的IBM公司制造的RCA501型计算机。

此外