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第一章_newest
第一章 计算机与软件基础知识
1.1 计算机的发明
21世纪人类步入了信息社会,在信息社会里,通信技术是其特征,而计算机技术是基石。没有计算机技术的高速发展,就没有如今通信技术的辉煌成就。计算机技术的发展包含硬件方面的发展和软件方面的发展。
人类产生用机器来帮助计算的想法由来已久。 古代的人们就开始用手指,结绳,算盘来辅助计数和计算。世界上最早的计算机实际上是一些简单的机械计算工具,中国的算盘可以说是最早的计算工具,而且使用周期之长无可比拟。在欧洲,17世纪出现了一种用于帮助计算乘法的骨质拼条,17世纪法国数学家帕斯卡(Pascal)和德国数学家莱布尼茨(Leibniz)曾设计出利用齿轮运算的手摇计算机。这些都是计算机的雏形。在这些计算工具中,计算程式是一成不变的,使用者只能输入不同的数据,然后操作机器,等待输出。想要改变计算工具的计算程式,就只有重新设计制造一个计算工具。
到了19 世纪30年代,英国数学家巴贝齐(Babbage) 成功设计了由齿轮寄存器、运算器和控制器构成的分析机,其构成已经非常接近于现在的程序控制数字计算机。1944年美国人艾肯(Aiken)在IBM支持下利用继电器设计制造了一台通用程序计算机。后来法国科学家发明了一种齿轮式加减法器。
而历史上第一台电子计算机——ENIAC,在1946年2月诞生在美国宾西法尼亚大学的莫尔学院。 但学术界统一公认,电子计算机的理论和模型却是由英国数学家图灵(Turing)在1936年发表的一篇名为“论可计算数及其在判定问题中的应用”的论文中提出的。在这篇本意是解决一个有关数理逻辑的纯粹数学问题的论文中,图灵提出了名为“图灵机”的抽象计算模型,现在看来, 它正是目前所有的数字计算机的基本原理性模型。在图灵思想的启发下,美国数学家冯·诺依曼几乎在与ENIAC发明的同一时期,设计了一种全新的程序存储式的数字计算机EDVAC。EDVAC方案的主要内容是确立了计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出五部分组成的设计思想, 明确反映出现代电子数字计算机的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。 今天人们把这种结构称为“冯·诺依曼结构”或“指令存储结构”, 并把冯·诺依曼称为计算机的创始人。
随着微电子技术的发展,出现了集成电路、大规模集成电路,微型处理器也被发明出来,计算机技术得到了迅猛的发展,计算机应用领域飞速拓宽。微型计算机的出现,一方面给自动控制领域注入了新的活力,使办公设备、家用电器电脑化;另一方面,个人计算机(PC机)的发明,解放了原本控制在大公司、大学和军事机构的计算能力,使普通大众受益于计算机。同时更加加速了计算技术的普及和发展。
1.2 计算机的更新换代
自世界上第一台计算机诞生后,计算机的发展速度异常迅猛,差不多每5~8年,计算机就要更新换代一次。每一次更新换代所带来的结果是计算机的体积减小,速度加快,功能增强,价格下降,可靠性提高以及应用领域扩大。按照构成计算机的物理元件来区分的话,到目前为止,计算机可分为如下四代。
第一代(1946~1958年),组成计算机的物理有源元件为电子管。计算机使用机器语言或汇编语言;计算机的应用主要面向科学计算。
第二代(1959~1964年),组成计算机的物理有源元件为晶体管。操作系统开始引入,计算机软件编程开始采用高级语言;计算机的应用不仅面向科学计算,还能进行数据处理。
第三代(1965~1970年),组成计算机的物理有源元件为集成电路。在程序设计中高级语言得到广泛地采用;计算机的结构趋于标准化;计算机的应用趋于通用化;它不仅可以进行科学计算、数据处理,还可以进行实时控制。
第四代(1971~现在),组成计算机的物理有源元件为大规模、超大规模集成电路。计算机运行有了丰富的软、硬件环境;尤其是计算机网络与多媒体技术的实现,使得计算机成为现代化的多用途的计算和办公娱乐工具。
进入90年代以后,计算机技术的发展进入了一个新时代,由于Internet的迅速发展,开放式的网络计算模式成为新的特点。计算机与网络已经密不可分,建立信息高速公路成为时代特征,人类迅速跨入信息时代。
在计算机发展经历了四代的几十年中,尽管微电子技术的进步使得整机体积缩小,速度变快,新的应用领域不断拓展,但是基本的设计思想和工作原理一直限于图灵理论和冯·诺依曼结构。现有的计算机虽然可以执行复杂的数学运算, 却无法有效的完成许多在人看来很简单的任务, 比如识别人脸,听懂语音等等。 一种理由是认为这些是图灵和冯·诺依曼结构的自身局限。在70年代虽然有人试图突破这一传统,一直没有获得真正的成功。但是到了80年代,在超大规模集成电路技术快速发展和各种应用背景的支持下,非冯·诺依曼结构的计算机体系——智能计算机机的研究得到开展。与此同时,非图灵计
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