计算机科学的历史和总体结构.ppt

计算机的学习方法、总体结构和历史 陈虎 博士 副教授 tommychen74@水平调查 你的计算机水平 A）在计算机上进行程序设计； B）经常通过电子邮件和朋友联络； C）计算机主要用来玩游戏； D）偶尔用过一下计算机； E）从没有用过计算机 计算机是什么？ 计算机是一门科学，具有深厚的理论基础，需要众多数学知识 可计算性问题 编码理论——代数学 密码学——数论 性能分析——概率论 人工智能——数理逻辑 …… 计算机是什么？ 计算机是工程和技术，需要大量的实践，掌握必须的技巧和工程经验，以及团队合作精神 软件工程——如何组织团队开发大型软件； 电子工程——设计硬件系统； 最终目标是可运行的系统。 计算机是什么？ 计算机是产业，最终需要用户和市场的检验 IBM PC和Apple的竞争 IBM PC采用了全面开放的技术标准，Apple采用了封闭的技术 市场竞争、技术竞争和标准竞争 如何学习好计算机？ 自学能力 自己发现问题，自己寻找答案 英语非常重要。 动手实践能力 多编程序是唯一的办法 视野开阔 关注计算机产业发展的必威体育精装版动向，寻找新的创新机会 计算机科学的基本框架 模拟与数字 模拟信号： 连续变化的信号（例如：0 … 12Volts） 对连续的变量直接测量（例如：0 … 100 oC ） 可以为实数（例如：4.44Volts =37.0 oC） 数字信号： 只能有两种电压（例如：0V 或 3V） 对二进制变量进行测量，例如： （0或1），（False或True），（OFF或ON） 不允许有中间值 0.5，half true，half on，1.5Volts 模拟计算机 模拟计算机处理模拟电压信号 乘法 加法 混合逻辑 模拟计算机 优点： 世界上的事物通常都是模拟量 模拟计算机是一个较早的观念 二战之前就已经出现，终结于20世纪70年代 模拟计算机可以在较低的技术水平下产生 最初它们是电子机械（electro-mechanical）产品（小的发电机） 逐渐演变为纯电子产品 缺点： 信号只能近似地描述变量 只能达到很低的精度 任何电噪偏差都会影响到信号精度 各种组件必须精确且昂贵，尽管如此，精度依然会“流失” 取决于温度、湿度、老化程度、接口的腐蚀度、等等 电路需要不断的调整或者“tweaking” 在组合逻辑中错误会被积累或者放大 每一步计算产生的错误都被累加到自身带有的错误上 模拟信号的正确存储是非常困难的 数字电路 由于只有两种状态： 电路或者是“fully on”或者是“fully off”（像一个开关） 我们可以根据精确的电压得到离散值 任意接近0V的电压=”0” 任意接近3V的电压=”1” 像这样的电路可以十分简单，而且…… 允许有噪声：“接近”0或3V已经足够容忍噪声了 不严密：不需要测量电压的中间值 便宜：不需要贵重、精确的组件 稳定：不需要不断调节电路 正确性：电压误差不会被累积或放大 存储友好性：电压值不需要十分精确 数字电路的基本组件——晶体管 最基本的电路组件集成在一块微型芯片上 可以很容易地集成在晶体硅片的表面 目前一块微型芯片可以集成上亿的晶体管 晶体管的作用如同一个开关——只有两种“状态” 第一种状态：“ON”=“Shut”=“conducting” 第二种状态：“OFF”=“open”=“non-conducting” 晶体管没有运动机件 状态由控制电压的值决定，用电压值高低控制 晶体管是一个电子控制开关 晶体管的例子——MOS 计算机的历史 自主阅读 1.2.1 计算机硬件简史，P.5-P10 注意以下人物： Alen Turing（图灵） John von Neumann（冯.诺依曼） 回答问题： 是什么驱动了计算机硬件的发展？ Intel 4004: 2.3K Transistors (1971) Pentium: 3.1M Transistors (1993) Pentium II: 7.5M Transistors (1997) Pentium III: 28.1M Transistors (1999) Summary of Intel Processors Increase in Transistors Count Increase in Operation Frequency Decrease in Feature Size Increase in Power Consumption Increase in Power Density Moore’s Law（摩尔定律） 每平方英寸上的晶体管数目将每年翻一翻。 The number of transistors per square inch on integrated circuits had