第4章 计算机系统.ppt
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1、管 理 信 息 系 统,Management Information Systems,第四章,第4章 计算机系统,4.1 计算机的发展4.2 计算机的运算基础,4.1 计算机的发展,计算机的萌芽,古代:商业活动中用来记录和计算的设备古巴比伦的粘土板(公元前4000年)中国的算盘(公元前3000年),计算机的萌芽,启蒙时期:对钟表机构的好奇心与实验Pascaline(1642):B.Pascal发明的一种用钟表元件构成的、能够做两个十进制数加减法的机器Automata(大约18世纪):J.Droz发明的一种计算器,计算机的萌芽,工业革命时期:纺织技术提花织机(1728)飞梭织机(1733),计算
2、机之父与第一位程序员,1821年,英国数学家C.Babbage(1791-1871)设计了差分机,这是第一台可自动进行数学变换的机器,因此他被称为“计算之父”。此后,他又设计了能够处理数学公式的分析机。然而,这两种机器都没有真正实现。,Ada Lovelace(1815-1852)为 Babbage 的分析机设计了程序,被称为“第一位程序员”。,计算理论的奠基人,Alan Turing(19121954)1936年上研究生时发表的一篇论文中提出了图灵机(Turing Machine),奠定了计算机的理论基础。,第二次世界大战中,Turing 领导的小组制造出了破译德军 Enigma 密码的计算
3、机,并成功地完成了任务。,Turing 与 Church 合作给出了数学证明,断言未来计算机能够象人那样具有思维能力(因而汉语中有了“电脑”)。计算机学科的最高荣誉是 ACM(美国计算机学会)图灵奖。,世界上第一台电子数字计算机,1945年,在宾夕法尼亚大学 Moore 学院,J.Eckert 和 J.Mauchly 为实现弹道计算研制成功了 ENIAC(“电子数字积分计算机”,Electronic Numerical Integrator and Computer),它用了 19000 个电子管,重 13 吨,耗电 200 千瓦。,计算机体系结构的创始人,1946年,John von Neu
4、mann(19031957)发表了第一篇关于电子计算机程序存储的论文,描述了如何用(可被存储、读出和执行的)数字来表示逻辑操作(程序)。至今,大多数计算机采用的都是 von Neumann 体系结构。,计算机的更新换代,第一代(19451957):电子管计算机第二代(19581963):晶体管计算机第三代(19641969):小规模集成电路计算机第四代(19701990):以微处理器(Microprocessors)为标志的大规模/超大规模集成电路(LSI/VLSI)计算机第五代(1991目前):以互联网(Internet)为标志的信息系统,最新INTEL 45纳米处理器,2007年11月12
5、日,英特尔新一代处理器已经量产,最先进的制造技术能够使芯片上的晶体管数量增加40%,这一复杂的制造工艺进一步显示出全球第一大计算机微处理器制造商强大的制造实力。预期英特尔将开始销售16款新的微处理器,公司同时开发了新的材料阻止了电流的泄露,新的芯片将用于服务器和高端游戏用计算机。英特尔表示,与目前的65纳米制造技术每个芯片包含5.82亿个晶体管相比,新的45纳米技术包含的晶体管已经达到8.2亿个,20世纪70年代早些时候,英特尔推出的首款芯片包含的晶体管仅2300个。,计算机的类别,微型计算机(微机,Microcomputer)台式计算机(Desktop)膝上型电脑(Laptop)/笔记本计算
6、机(Notebook)工作站(Workstation)掌上型电脑(Palmtop)个人数字助理(PDA,Personal Digital Assistant)小型计算机(小型机,Minicomputer)主机(大型机,Mainframe computer)超级计算机(Supercomputer)专用计算机(Special-purpose computer)/嵌入式计算机(Embedded computer),4.2 计算机的运算基础,冯诺依曼计算机结构的基本思想,冯诺依曼提出了两个重要的思想:存储程序和二进制。解算一个问题时,先确定分解的算法,编制运算过程,选取能实现其操作的适当指令,组成所谓
7、“程序”。如果把程序和处理问题所需的数据均以计算机能接受的二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里,计算机运行时从存储器取出第一条指令,实现第一个基本操作,以后自动地逐条取出指令,执行一系列的基本操作,其结果是完成一个复杂运算。,约翰冯诺依曼,约翰冯诺依曼(John Von Neumann,19031957),美藉匈牙利人,1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯,父亲是一个银行家,家境富裕,十分注意对孩子的教育。冯诺依曼从小聪颖过人,兴趣广泛,读书过目不忘。据说他6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈,一生掌握了七种语言。最擅德语,可在他用德语思考种种设想时,又能以阅读的速度译成英语。他
8、对读过的书籍和论文,能很快一句不差地将内容复述出来,而且若干年之后,仍可如此。1911年一1921年,冯诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间,就崭露头角而深受老师的器重。在费克特老师的个别指导下并合作发表了第一篇数学论文,此时冯诺依曼还不到18岁。1921年一1923年在苏黎世大学学习,很快又在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯大学数学博士学位,此时冯诺依曼年仅22岁。,1927年一1929年冯诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位,西渡美国。1931年他成为美国普林斯顿大学的第一批终身教授,那时,他还不到30岁。1933年转到该校的高级研究所
9、,成为最初六位教授之一,并在那里工作了一生,冯诺依曼是普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、哈佛大学、伊斯坦堡大学、马里兰大学、哥伦比亚大学和慕尼黑高等技术学院等校的荣誉博士。他是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院士。1954年他任美国原子能委员会委员;1951年至1953年任美国数学会主席。1954年夏,冯诺依曼被使现患有癌症,1957年2月8日,在华盛顿去世,终年54岁。,冯诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性工作,并作出了重大贡献。在第二次世界大战前,他主要从事算子理论、集合论等方面的研究。1923年关于集合论中超限序数的论文,显示了冯诺依曼处理集合论问题所特有的方式
10、和风格,他把集会论加以公理化,他的公理化体系奠定了公理集合论的基础,他从公理出发,用代数方法导出了集合论中许多重要概念、基本运算、重要定理等,特别在1925年的一篇论文中,冯诺依曼就指出了任何一种公理化系统中都存在着无法判定的命题。,1933年,冯诺依曼解决了希尔伯特第5问题,即证明了局部欧几里得紧群是李群。1934年他又把紧群理论与波尔的殆周期函数理论统一起来,他还对一般拓扑群的结构有深刻的认识,弄清了它的代数结构和拓扑结构与实数是一致的。他对算子代数进行了开创性工作,并奠定了它的理论基础,从而建立了算子代数这门新的数学分支,这个分支在当代的有关数学文献中均称为冯诺依曼代数,这是有限维空间中
11、矩阵代数的自然推广。冯诺依曼还创立了博弈论这一现代数学的又一重要分支。1944年发表了奠基性的重要论文博弈论与经济行为。论文中包含博弈论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际博弈应用的详细说明,文中还包含了诸如统计理论等教学思想,冯诺依曼在格论、连续几何、理论物理、动力学、连续介质力学、气象计算、原子能和经济学等领域都作过重要的工作。,冯诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。现在一般认为ENIAC机是世界第一台电子计算机,它是由美国科学家研制的,于1946年2月14日在费城开始运行其实由汤米、费劳尔斯等英国科学家研制的科洛萨斯计算机比ENIAC机问世早两年多,于19
12、44年1月10日在布莱奇利园区开始运行ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术,不过,ENIAC机本身存在两大缺点:(1)没有存储器;(2)它用布线接板进行控制,甚至要搭接几天,计算速度也就被这一工作抵消了ENIAC机研制组的莫克利和埃克特显然是感到了这一点,他们也想尽快着手研制另一台计算机,以便改进,1944年,诺伊曼参加原子弹的研制工作,该工作涉及到极为困难的计算。在对原子核反应过程的研究中,要对一个反应的传播做出“是”或“否”的回答。解决这一问题通常需要通过几十亿次的数学运算和逻辑指令,尽管最终的数据并不要求十分精确,但所有的中间运算过程均不可缺少,且要尽可能保持准确。他所在的
13、洛斯阿拉莫斯实验室为此聘用了一百多名女计算员,利用台式计算机从早到晚计算,还是远远不能满足需要。无穷无尽的数字和逻辑指令如同沙漠一样把人的智慧和精力吸尽。被计算机所困扰的诺伊曼在一次极为偶然的机会中知道了ENIAC计算机的研制计划,从此他投身到计算机研制这一宏伟的事业中,建立了一生中最大的丰功伟绩。,1944年夏的一天,正在火车站候车的诺伊曼巧遇戈尔斯坦,并同他进行了短暂的交谈。当时,戈尔斯坦是美国弹道实验室的军方负责人,他正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈在,戈尔斯坦告诉了诺伊曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼为这一研制计划所吸引,他意识到了这项工作的深远意义。冯诺依曼由
14、ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后,便带领这批富有创新精神的年轻科技人员,向着更高的目标进军1945年,他们在共同讨论的基础上,发表了一个全新的存储程序通用电子计算机方案-EDVAC(Electronic Discrete Variable AutomaticCompUter的缩写),在这过程中,冯诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识,充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题,起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献,它向世界宣告:电
15、子计算机的时代开始了。EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成,包括:运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备,并描述了这五部分的职能和相互关系报告中,诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证,为计算机的设计树立了一座里程碑。,设计思想之一是二进制,他根据电子元件双稳工作的特点,建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点,并预言,二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。实践证明了诺伊曼预言的正确性。如今,逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段,在EDVAC中采用的主要逻辑线路也一直沿用着,只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进。程序内存是诺伊曼的
16、另一杰作。通过对ENIAC的考察,诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点没有真正的存储器。ENIAC只在20个暂存器,它的程序是外插型的,指令存储在计算机的其他电路中。这样,解题之前,必需先相好所需的全部指令,通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花几小时甚至几天时间,而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。,针对这个问题,诺伊曼提出了程序内存的思想:把运算程序存在机器的存储器中,程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令,机器就会自行计算,这样,就不必每个问题都重新编程,从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现,标志着电子计算机的成熟,已成为电子计算机设计的基本原则。
17、1946年7,8月间,冯诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在EDVAC方案的基础上,为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时,又提出了一个更加完善的设计报告电子计算机逻辑设计初探。以上两份既有理论又有具体设计的文件,首次在全世界掀起了一股“计算机热”,它们的综合设计思想,便是著名的“冯诺依曼机”,其中心就是有存储程序原则-指令和数据一起存储。,这个概念被誉为计算机发展史上的一个里程碑“它标志着电子计算机时代的真正开始,指导着以后的计算机设计自然一切事物总是在发展着的,随着科学技术的进步,今天人们又认识到”冯诺依曼机“的不足,它妨碍着计算机速度的进一步提高,而提出了”非冯诺依曼机“的设想。冯诺依曼还积
18、极参与了推广应用计算机的工作,对如何编制程序及搞数值计算都作出了杰出的贡献 冯诺依曼于1937年获美国数学会的波策奖;1947年获美国总统的功勋奖章、美国海军优秀公民服务奖;1956年获美国总统的自由奖章和爱因斯坦纪念奖以及费米奖。冯诺依曼逝世后,未完成的手稿于1958年以计算机与人脑为名出版他的主要著作收集在六卷冯诺依曼全集中,1961年出版。,另外,冯诺依曼40年代出版的著作博弈论和经济行为,使他在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。他被经济学家公认为博弈论之父。当时年轻的约翰纳什在普林斯顿求学期间开始研究发展这一领域,并在1994年凭借对博弈论的突出贡献获得了诺贝尔经济学奖。20世纪最杰
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