《计算科学导论》【01】1.1 计算机的发展
计算科学是人类文明史的一个缩影。
计算机发展历程：
1、人类最早的记数工具
【例】孔子《周易·系辞下》：上古结绳而治，后世圣人易之以书契。
2、十进制记数法
• 古巴比伦 ——> 楔形数字，60进制
•中国山西 ——> 2.8万年前的刻痕记数
• 中国商朝 ——> 十进制数
【名人名言】如果没有这种十进制，就不可能出现我们现在这个统一化的世界。
—— 李约瑟《中国科学技术史》
• 位值概念：
• 小盂鼎铭文：伐鬼方□□□三人获馘四千八百[又]二馘。俘人万三千八十一人。俘马□□匹。俘车卅辆。俘牛三百五十五牛。
• 注：易（赐）；白（伯）；人鬲（奴隶）；馘（guó，首级）。
• 数字“三”、“五”在不同位时，表达的值不同。
3、算筹
成语“运筹帷幄”中的“筹”就是指算筹。
祖冲之（429-500年）用算筹将圆周率计算到3.1415926～3.1415927
4、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代木简， 公元前200年）
5、算盘
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《数术记遗》。
《数术记遗》“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” 。
《数术记遗》“珠算控带四时，经纬三才”。
【例】中国最早的算盘。
1976年，陕西岐山凤雏出土了90粒三色陶丸，年代距今3100年（周文王时代）。珠算史专家李培业结合古籍《数术记遗》，提出陶丸系西周计算工具之说。
它类似于公元元年前后的“罗马算盘”。
【例】张择端（宋代，1085-1145）《清明上河图》中有一个15档上1下4的算盘。
【例】汉代提花机是中国最早存储程序的发明。
1.1.2 古典计算机的发展
1、机器计算的萌芽
• 1614年，苏格兰数学家约翰·纳皮尔提出了对数。
• 纳皮尔发明的算筹可以将乘法简化为加法。
1623年，德国谢克卡德设计的四则运算机器（没有文物证实）。
2、帕斯卡加法器
1642年，法国数学家帕斯卡制造了第一台加法运算机器。
加法器在巴黎博览会引起轰动。
3．莱布尼茨的二进制思想
1679年，莱布尼兹研究和发明了二进制记数系统。
莱布尼兹断言：二进制是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言。
1694年，莱布尼兹改进了帕斯卡加法器，使它能做加、减、乘、除运算。
莱布尼兹研究了定理证明的机器推理演算。
4、巴贝奇自动计算机器
（1）差分机设计制造
1822年，英国剑桥大学查尔斯·巴贝奇教授研制成功第一台差分机。
差分机有2.5万个零件，重达4吨。
差分机用来计算特定多项式的函数值。
注：“差分”的含义是把函数表的复杂算式转换为差分运算，用简单的加法代替平方运算。
差分运算案例
差分机复原模型
（2）分析机结构
1837年，巴贝奇开始设计由程序控制的通用分析机。
目标：计算有100个变量的算题，每秒钟运算一次。
分析机特征：
存储器：用齿轮保存临时数据（相当于内存）；
运算装置：运算装置称为工场（相当于CPU） ，可进行十进制四则运算；
程序控制：操作由程序控制，有“条件”、“循环”等语句；
输入输出：用提花机卡片保存程序，有专用的数据输出装置。
由于巴贝奇的杰出贡献，他被称为计算机之父。
【名人名言】分析机实际上是一台万能数字计算机。
—— 图灵
【例】巴贝奇关于：程序、循环、数据、计算引擎、程序控制计算机等思想。
计算机界的唐吉·诃德——巴贝奇
巴贝奇耗尽了可以制造两架军舰、22台蒸汽火车头的经费，外加银行家父亲留下的全部身家，穷极一生也没能制造出一台他所设计的机器。他的设计思想超前了他的时代，他无愧于计算机之父。
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
5、布尔与数理逻辑
英国数学家布尔(1815～1864)没有接触过计算机；
布尔二进制数研究为计算科学提供了理论根据。
现代计算机：所有信息都可用二进制数编码。
布尔的工作：将逻辑简化为二进制数学运算。
布尔的工作在当时没有得到充分的重视，有人嘲笑布尔代数是一种没有价值的工作成果。
1.1.3 现代计算机的发展
1、现代计算科学先驱
阿兰·图灵是计算科学理论的创始人。
阿兰·图灵
图灵的贡献：
“可计算”理论奠基；
“图灵机理论”，建立抽象计算模型；
“图灵测试”，奠定人工智能基础；
“停机问题”，指出不可计算问题。
冯·诺依曼是计算科学的先驱人物。
冯·诺依曼
冯·诺依曼的贡献：
“五大结构”硬件设计思想；
“存储程序”软件控制思想；
“博弈论”决策模型；
“蒙特卡洛”随机算法；
“计算数学”理论奠基；
“自动细胞机”自动机理论。
在计算科学领域将图灵与冯.诺伊曼进行比较，就如同物理学领域将牛顿与爱因斯坦进行比较，这是一个引起广泛争议的话题。由于冯.诺伊曼“存储程序”的思想导致了程序员职业的诞生，因此他在程序开发领域拥有大量粉丝。
—— 笔者
2、第一台现代电子数字计算机ABC
1936-1939年，阿塔纳索夫研制成功ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）。
1990年阿塔纳索夫获“国家科技奖”。
ABC计算机结构：
采用二进制电路；
存储系统采用电容器；
输入系统采用穿孔卡片；
输出系统采用电弧烧孔卡片。
阿塔纳索夫计算机设计三原则：
（1）用二进制实现数字和逻辑运算，以保证运算精度；
（2）用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；
（3）采用计算与存储功能的分离结构，以简化计算机设计。
3、ENIAC计算机
1946年，莫克利研制成功ENIAC计算机。
ENIAC计算机结构：
采用电子管电路；
采用十进制；
1.8万个电子管；
耗电150kW；
重量30t；
占地170m^2
4．冯•诺依曼与EDVAC计算机
1945年，冯·诺依曼提出了计算机五大部件，存储程序的设计思想。
一份网络流传的冯·诺依曼EDVAC系统结构设计手稿如下所示。
5、IBM System 360计算机
IBM System 360计算机特点：指令集兼容、自制芯片、OS+DB等软件系列化。
IBM 360是历史上最大的商业豪赌：
总设计师布鲁克斯(《人月神话》作者)，
征召6万多名员工(程序员2000多人)，
创建5座新工厂，
总耗资50亿美元(软件设计5亿，
设备投资10亿，产品推销35亿)，
设计程序代码100百万行，
历时5年时间研制(1959-1964)。
计算机基本元器件发展：
电子管→晶体管→ 中小规模集成电路→ 超大规模集成电路。
1.1.4 微型计算机的发展
微机研制起始于1970年代。
早期微机产品：
Intel MCS-4：英特尔公司1971年4位微机。
Kenbak-1：没有微处理器，没有操作系统。
Micral-N：Intel 8008微处理器，没有操作系统。
Alto：图形用户界面，所见即所得的文本编辑器。
【例】1971年，Intel公司推出MCS-4微机系统（4位系统，仅有实验样品）。
4001：只读存储器ROM
4002：随机存储器RAM
4003：移位寄存器I/O
4004：微处理器
外设：键盘、打印机
2、牛郎星微机Altair 8800
1975年，爱德华·罗伯茨设计了Altair 8800微机（8位系统） 。
Altair 8800是第一台量产化个人通用型微机。
牛郎星微机设计思想：
开放式设计思想（如开放系统结构）；
微型化设计方法（如追求产品的短小轻薄）；
OEM生产方式（如部件定制和贴牌）；
硬件与软件分离（如比尔.盖茨设计软件） ；
保证易用性（如DIY、非专业人员使用）。
Altair 8800发明人：爱德华·罗伯茨
【名人名言】普通人也可以做出惊人的成绩，只要他不被那些先入为主的观念束缚。
—— 查尔斯·凯特灵（通用汽车公司研发主管）
3、苹果微机Apple II
1976年，乔布斯在车库开发了Apple I微机（8位系统）。
Apple II微机技术参数
CPU：Motorola M6502（8位）
主频：4MHz
速度：50万次/秒
DRAM：64KB
ROM：16KB（固化BASIC）
视频：80x25行字符
售价：1 300美元
4、个人计算机IBM PC 5150
1981年，IBM公司推出了IBM PC 5150个人计算机（16位系统）。
IBM PC 5150技术参数
CPU：Intel 8088（16位）
频率：4.77MHz
内存：16KB
软驱：160KB 5.25英寸
显示器：单色11.5英寸
操作系统：MS-DOS 1.0
价格：3 045美元
【参考】三进制计算机的研究。
1956年，前苏联科学院院士С·Л·Соболев主持，开始研制三进制计算机。
1960年，Сетунь(小河的名称)三进制计算机顺利通过了公测。
前苏联官方对这个计划外的产品持否定态度，并勒令停产。
到1970年代，Сетунь三进制计算机一共生产了150台左右。
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