1.计算机诞生、发展与数制

计算机的诞生与发展

计算工具的发展

• 算筹
• 算盘
• 计算尺
• 加法器
• 手摇式计算器
• 差分机
• 分析机
• MARK I 计算机
  

  手摇式计算机：能够进行加、减、乘、除和开方运算，计算每一步都需要人工干预，没有摆脱手工操作的局限性。直到差分机和分析机的发明，计算工具才从手工操作到自动计算时代。
  手动式或者机械式不能满足人们对于超算的渴求，知道电子计算机的诞生。

计算机的诞生

1946年2月，第一台电子数字计算机ENIAC诞生，它的发明主要用于计算弹道轨迹，它占地面积约170平方米，质量约30吨，使用18000个电子管，每秒只能进行5000次加减法运算，300次乘法运算，使用十进制数。（60秒射程的弹道计算，需要人工20分钟，ENIAC30秒完成）解题要通过手工改接连线和扳动多达6000个开关。准备时间大大超过运算时间。

• 采用电子管作为元器件
• 没有存储器
• 用布线板进行控制
• 1946年投入使用，1955年10月切段电源
• 具有划时代意义，标志着人类计算工具的新时代开始。

计算机的发展

按照计算机所采用的基本元件，计算机的发展经历了四个阶段：

阶段	一	二	三	四
名称	电子管计算机	晶体管计算机	集成电路计算机	大规模及超大规模集成电路计算机
时间	1946-1958年	1958-1964年	1964-1971年	自1971年开始
元器件	电子管	晶体管	集成电路	大规模集成电路
内存	汞延迟线	磁芯	磁芯、半导体存储器	半导体存储器
外存	磁鼓	磁带、磁盘	磁盘	磁盘、光盘
软件	使用机器语言和汇编语言	使用高级语言	操作系统、编译程序、网络软件	操作系统完善、数据库系统、计算机软件的开发
应用领域	军事研究及科学计算	数据处理、事务处理及工业控制	广泛应用	广泛应用各领域
运算速度	几千次/s	几十万次/s	几十万到几百万次/s	几百万到几亿万次/s

摩尔定律（1965年）

集成电路出现后，随着技术的进步，硅晶片越来越小，也越来越薄，但是在上面集成的晶体管和管线的数目也越来越多。集成的元器件数量以一到两年翻一番的速度增长着。四代之后不再对计算机进行划代。（第五代计算机由明确指代的，由于人工智能的迅猛发展，日本把人工智能计算机称为第五代计算机）
4004芯片集成了2300个晶体管，酷睿双核上面集成了291000000个晶体管，也可以在元器件之间距离来体会集成度。
1972年 4004芯片上元器件之间的距离是10微米
1974年 8080芯片上元器件之间的距离是6微米
现在早已进入纳米级别

摩尔定律以及延伸

摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。（经验定律）
延伸由以下三个版本：
- 集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番（处理器芯片：电子元器件数目的增加带来计算能力的增强；存储器芯片：存储能力的增强）
- 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半
- 用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻一番（经济学摩尔定律）

超级计算机

超级计算机：能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。其基本组成组建与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和数据处理的能力，主要特点表现为高速度和大容量。
超级计算机的发展水平是科技发展水平的重要标志。（大规模的计算事关国家民生）全球超级计算机上下半年各排名一次。
“银河”-国防科技大学计算机学院
“曙光”-中国科学院
“深腾”-中国联想集团
超级计算机的飞快发展，从另外一个角度也验证了摩尔定律的准确性。

摩尔定律是否会失效

https://tech.sina.com.cn/t/2013-12-09/09018987988.shtml

计算机的应用

计算机应用领域

• 科学计算（数值计算）。高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术。
• 过程检测与控制（自动检测）。计算机对工业生产过程中的某些信号进行自动检测，并对检测数据进行处理。
• 信息管理（数据处理）。企业管理、物资管理、报表统计、账目计算、信息情报检索。
• 计算机辅助系统。如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助教学（CAI）。
• 办公自动化。用计算机进行各类办公业务的统计、分析和辅助决策。
• 人工智能和模式识别。用计算机模拟人类智能活动，最具代表性且应用最成功的两个领域时专家系统和机器人。
• 计算机网络。计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，利用计算机网络可以实现全球信息查询，邮件传输，电子商务等。

大数据和云计算

大数据

大数据（Big Data）指的是海量数据，其规模巨大到无法通过目前主流的计算机系统在合理的时间内获取、存储、管理、处理并提炼以帮助使用者决策。
4个V字开头特征：

• Volume（容量）:存储的数据量巨大
• Variety（种类）：数据的来源和种类多样。这意味着要在海量、种类繁多的数据间发现其内在关联。
• Velocity（速度）：数据增长速度快，而且越新的数据价值越大，这就要求对数据处理速度也要快，以便能够从数据中及时地发现、提取有价值的信息。
• Value（价值）：由于需要对大量数据进行处理，挖掘其潜在的价值，因而大数据对我们提出的明确要求是：设计一种在成本可接受的条件下，通过快速采集、发现和分析，从大量、多种类的数据中提取有价值的信息的体系架构。

云计算

云计算是一种商业计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使得各种应用系统能够根据需要通过网络获取计算力、存储空间和信息服务。大数据与云计算的关系：G=f(x)。x是大数据，f是云计算，G是我们的目标。
四个特征：

• 资源配置动态化
• 需求服务自主化
• 以网络为中心
• 资源的池化和透明化

计算机的数制

数制的定义

数制*也称计数制，是指一组固定的符号和统一规则来表示数值的方法。在计算机的数制中，要掌握3个概念，即数码、基数和位权。

• 数码：指一个数制中表示基本数值大小的不同数字符号
• 基数：指一个数值所使用数码的个数【每种进位计数制都有自己基本的符号，若某种进位计数制中使用了r个符号(0，1，2，…,r-1),r称为该进位计数的基数】
• 位权：处在不同位置上的相同数字所代表的值不同，一个数字在某个位置上所表示的实际数值等于该数值与这个位置的因子的乘积，而该位置的因子由所在位置相对于小数点的距离来确定，简称为位权。【进位制中基数的某次幂值称为“位权”】

数制的特点

数制有如下3个特点：

• 数制的基数确定了所采用的进位计数制。对于r进位数制，有r个数字符号。
• 逢r进一。
• 采用位权表示方法。位权与基数的关系是：位权的值恰是基数的整数次幂。

进制的表示方法

一般用 （）角标 （ ） 角 标 来表示不同的进制的数。例如十进制数用 （）10 （ ） 10 表示，二进制用 ()2 ( ) 2 表示等。

在程序设计中为了区分不同进制，常在数字后加一个英文字母后缀。

• 二进制 B
• 八进制 O
• 十进制 D（十进制可以不加字母）
• 十六进制 H

位权表示法

任何一种进位计数制表示的数都可以写出按权展开的多项式之和。
r进制数N可表示为：

Nr=an−1∗rn−1+...+a1∗r1+a0∗r0+a−1∗r−1+....+a−m∗r−m N r = a n − 1 ∗ r n − 1 + . . . + a 1 ∗ r 1 + a 0 ∗ r 0 + a − 1 ∗ r − 1 + . . . . + a − m ∗ r − m

• 基数：r
• rn−1,rn−2,....r0,r−1,r−2,....r−m r n − 1 , r n − 2 , . . . . r 0 , r − 1 , r − 2 , . . . . r − m 分别是某位的权
• 数码：0，1，2，…，r-1

r进制数N可以表示为：按权展开的多项式之和。即该数各位的数码乘以所在位的权值的和。

进制	十进制	二进制	八进制	十六进制
基数	10	2	8	16
位权	10n 10 n	2n 2 n	8n 8 n	16n 16 n
数码	0～9	0，1	0～7	0～9，A～F

数制转换

十进制转为r进制

方法：分整数和小数两部分分别处理。
整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。（除r取余，逆序排列）
小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列。（乘r取整，顺序排列）

二、八、十六进制间转换

二进制转为八（十六）进制

整数部分：小数点为基准从右向左按三（四）位进行分组
小数部分：小数点为基准从左向右按三（四）位进行分组
不足补零

八（十六）进制转换为二进制

将八进制数转换为二进制数：只需将1位八进制数转为3位二进制数；
将十六进制数转换为二进制数：只需将1位十六进制数转为4位二进制数。

二进制的优缺点

二进制的优点

• 电路简单
• 工作可靠
• 简化运算
• 逻辑性强

二进制的局限性

• 表示一个数时，位数多。
• 精度损失
• 实际送入数字系统前用十进制，送入机器后再转为二进制计算，计算结束后再转为十进制供认阅读。