第一章 计算机的发展史（哈工大刘宏伟）

一、计算机的发展和应用

1.1 计算机的发展史

世界第一台电子计算机ENIAC

1.2 现代计算机产生的驱动力

核心驱动力：需求驱动

1.3 硬件技术对计算机更新换代的影响

第一代（1946-1957）：电子管计算机，运算速度约40000次/秒

晶体管→中小规模集成电路→大规模集成电路→超大规模集成电路（1978年至今）

1.4 von Neumann系统结构的计算机

IAS计算机（普林斯顿大学先进技术研究所研制）

• 结构特点：
  • 典型以运算器为中心的冯诺依曼结构
  • 数据输入输出都需经过算术逻辑运算单元
  • 若将I/O分开，则由五大部件组成（符合冯诺依曼体系）

1.5 IBM System 360

• 历史地位：IBM公司发展史上的里程碑式产品
• 研发信息：
  • 1961年开始研制，1964年成功
  • 总投入50亿美元（被《幸福》杂志称为”50亿大赌博”）

• 研发信息：
  • 1961年开始研制，1964年成功
  • 总投入50亿美元（被《幸福》杂志称为”50亿大赌博”）
• 系列特点：
  • 大中小型系统可执行相同程序
  • 相同指令系统和数据表示
  • 可运行相同软件，配置相同外设
  • 各型号机器可互联工作
• 主要贡献：
  • 提出”计算机系统结构”概念，明确定义软硬件交界面
  • 实现系列机（同一厂家相同体系结构）和兼容机（不同厂家相同体系结构）
  • 缩短设计周期（软硬件可并行开发）
• 设计理念：
  • 名称”360″象征全方位服务（科学界、商业界、工业界）
  • 创始人汤姆斯·沃森称其为”公司历史上最重要的产品”

二、微型计算机的出现和发展

2.1 微处理器芯片

• 基本概念: 微处理器是用一片大规模集成电路组成的处理器，集成了运算器和控制器
• 发展特点: 从4位(4004)发展到8位、16位、32位，现在已达到64位
• 出现时间: 1971年由英特尔公司首次生产(4004处理器)

• 初始容量: 70年代初期存储芯片仅能存放256位
• 发展趋势: 存储容量随时间推移不断提高
• 技术基础: 微处理器和存储芯片的发展为微型计算机创造了基础条件

2.2 Intel公司的典型微处理器产品

2.3 摩尔定律

• 提出者: 戈登·摩尔(英特尔创始人之一)
• 发现过程: 1965年分析集成电路晶体管数量增长趋势
• 核心内容:
  • 芯片晶体管数量每18个月翻一番
  • 每3年变为原来的4倍
  • 价格不变情况下性能每18个月提高一倍

三、软件技术的兴起和发展

3.1 各种语言

机器语言

• 本质特征: 面向机器的二进制代码，直接对应硬件指令集
• 局限性:
  • 机器依赖性：不同机器指令集不同（如早期每设计新机器就需要新指令集）
  • 使用难度：由0/10/10/1组成的代码难以记忆和编写
  • 移植困难：跨机器运行需完全重写代码

汇编语言

• 改进点:
  • 采用符号化表示（如MOV、ADD等助记符）
  • 相比机器语言更易记忆和使用
• 保留缺陷:
  • 仍面向特定机器架构
  • 不同机器需使用不同汇编语言

高级语言

• 革命性突破:
  • 面向问题而非机器硬件
  • 编程时无需了解底层指令系统
• 典型代表:
  • FORTRAN：专用于科学计算和工程计算
  • Pascal：结构化程序设计代表
  • C++：面向对象编程语言
  • Java：跨平台网络环境语言
• 效率提升: 使程序员编程效率大幅提高

3.2 系统软件

• 核心功能: 管理软硬件资源，提供编程支持
• 主要类别:
  • 语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序
  • 操作系统：DOS、UNIX、Windows、Linux（含麒麟Linux）
  • 服务性程序：数学库、调试工具等
  • 数据库管理系统：数据库应用基础
  • 网络软件：支撑网络通信功能

3.3 软件发展的特点

开发周期长

• 规模效应:
  • 现代大型软件达数千万行代码量级
  • 示例：4000万行代码需4000人年开发（按1人年/万行估算）

制作成本昂贵

• 成本构成:
  • 人力成本为主（如4000人团队年度薪资）
  • 需求分析与测试占开发成本50%

检测软件产品质量的特殊性

• 测试难点:
  • 输入域测试不现实（输入组合爆炸）
  • 代码覆盖测试局限（无法保证无错）
  • 路径覆盖测试困难（循环嵌套导致路径激增）
• 实际案例：火箭爆炸、银行系统瘫痪等重大事故

软件开发效率低

• 根本原因:
  • 主要依赖人工编码
  • 人类思维局限与问题复杂度矛盾
• 行业现状:
  • 缺乏高效开发工具（相比硬件开发）
  • 代码缺陷不可避免性

四、计算机的应用

4.1 科学计算和数据处理

• 产生动因：科学计算是电子计算机产生的动因，计算机必须具备科学计算能力
• 典型应用：包括天体建模、核爆炸模拟、全球气候变化模拟、天气预报、流体建模、海洋建模、大气质量建模等
• 计算设备：主要使用高性能计算机（HPC）
• 数据处理特点：银行/电信/民航/税务等行业的数据密集型任务，单个事务运算量不大但并发处理量大
• 架构选择：数据处理主要采用MIfre im结构的大主机结构计算机（如IBM 360、z10系列）

4.2 工业控制和实时控制

• 技术背景：随着工业技术进步，自动化成为必然要求
• 实现方式：通过计算机控制设备实现自动化
• 典型应用：无人驾驶系统等需要实时控制的场景
• 设备演进：从早期IBM 360到现代z10系列主机的发展

4.3 网络技术

• 电子商务：京东、淘宝、微商等平台
• 网络教育：慕课课程、精品资源共享课程等在线教育形式
• 敏捷制作

4.4 虚拟现实

• 别称：VR技术/棱镜技术/人工环境
• 技术原理：计算机模拟虚拟世界，通过多感官交互实现沉浸式体验
• 典型应用：飞行员训练模拟系统等
• 交互特性：支持无限制的空间观察和实时反馈

4.5 办公自动化和管理信息系统

• 常见应用：日常办公中广泛使用的各类系统

4.6 CAD/CAM/CIMS

• CAD（计算机辅助设计）
• CAM（计算机辅助制造）
• CIMS（计算机集成制造系统）

4.7 多媒体

多媒体技术：声音、视频等媒体处理技术

4.8 人工智能

五、计算机的展望

5.1 类脑超级智能

• 发展方向：使计算机具备类似人脑的超级智能功能
• 典型项目：
  • IBM Watson认知系统
  • 谷歌大脑/百度大脑等AI项目
• 硬件需求：需要超大存储容量、超高运算速度和模式匹配能力

5.2 芯片集成度挑战

• 物理极限：晶体管尺寸不能小于原子大小
• 成本问题：制造成本呈几何级数增长
• 技术瓶颈：
  • 功耗和散热增加
  • 信号延迟增大
  • 制造缺陷率上升

5.3 哪些计算机可以替代传统的硅芯片？

光计算机

• 技术优势：光传输可实现空间交叉，突破传统总线限制
• 当前进展：已实现光存储和光传输
• 发展目标：实现完整的光运算系统

DNA生物计算机

• 工作原理：通过控制DNA分子间的生化反应完成计算
• 生物特性：利用生物分子的并行处理能力

量子计算机

• 物理基础：利用原子的量子特性进行计算
• 研究现状：处于快速发展阶段，具有巨大潜力（量子密码）