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第1章 科学与神话——电子计算机来历(1)

1.人类的美好愿望

古人有“足不出门而知天下事”的美好愿望,但由于当时条件的限制,一直没有实现。直到现代科技的飞速发展,电子计算机的出现,让这个美好愿望才得以完全实现。

足不出户而知天下事

以电子计算机技术为基础建立起来的网络,连结了世界,让人们的交流更加紧密,地球变“小”了。

网络连结世界

我们联系远方的朋友不再需要长途跋涉,也不需要漫长的等待,信息顷刻间就可以到达世界各个角落。

古代送信图

地球虽然很大,但是由于信息传递越来越方便,大家交流就像在一个小村子里面一样便利,就称地球这个大家庭为“地球村”了。

地球村是互联网的发展,是信息网络时代的集中体现。而现代交通工具的飞速发展,通信技术的更新换代,网络技术的全面运用使地球村得以形成。

美丽的地球村

知识卡片:

信息

目前对信息这个概念的描述很多很繁杂,但是却不能涵盖信息的本质特征。其实,用一个词就可以说明信息的本质:记录。具体表述为:信息是事物在相互作用中所“刻画”出的记录。这一表述可以说明信息产生、存在、运动、产生进一步影响等多种问题。我们提到信息往往在潜意识里就是指一个概念群。因为,信息不是一个孤立的概念。有时你会把它理解为一个名词,有时理解为动词、形容词,原因就是信息概念本身就包含诸多语义。另外,这里所说的“事物”,包括自然界的所有事物,不仅只包含与人类相关的事物,如语言、思维、文字、计算机等等。

地球村

意指地球在21世纪已经连系变得越来越紧密,人与人之间的距离就像一个村落一样那么近。地球村一词早于1962年在著名学者麦克卢汉的著作中提出,是个很新颖很概念化的词汇。现在这个词已经为人们所熟悉,并且越来越受到重视。

2.“电子计算机”的由来

电子计算机(Computer),又叫电脑、计算机,被人们誉为20世纪最伟大的科学技术发明之一,对人类的生活生产的方方面面都产生了极其重要的影响,成为了人们不可或缺的物品。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到目前社会其它各个领域,已形成规模巨大的计算机产业,带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革。计算机已遍及学校、企事业单位,进入寻常百姓家,成为信息社会中必不可少的工具。它是人类进入信息时代的重要标志之一。

本来,计算机的英文原词“computer”是指从事数据计算的人。而他们往往都需要借助某些机械计算设备或模拟计算机。这些早期计算设备的祖先包括有算盘,以及可以追溯到公元前87年的被古希腊人用于计算行星移动的安提基特拉机械。

安提基特拉机械

我们现在说的电子计算机,指的是现代电子计算机,是由早期的电动计算器发展而来的。

1946年,世界上出现了第一台电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC),用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的。

1958年,晶体管电子计算机诞生了,这是第二代电子计算机。只要几个大一点的柜子就可将它容下,运算速度也大大地提高了。

晶体管计算机

1964年,第三代电子计算机出现了,即人们称为集成电路计算机的电子计算机。计算机的体积更小型化、耗电量更少、可靠性更高,性能比第十代计算机又有了很大的提高,这时,小型机也蓬勃发展起来,应用领域日益扩大。

集成电路计算机

1971年,大规模集成电路数字计算机面世,成为第四代电子计算机。随着大规模集成电路技术的迅速发展,计算机除了向巨型机方向发展外,还朝着超小型机和微型机方向飞越前进。

大规模集成电路计算机

知识卡片:

晶体管

是一种固体半导体器件,可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。体管在电路最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面,其次是阻抗匹配、讯号转换等。晶体管在电路中是个很重要的元件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。

集成电路

是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

大规模集成电路

也就是大型的集成电路,是指每片芯片的逻辑门数居于100个至1000个之间,而元件数居于1000至10000个之间的集成电路。

3.超级大脑的运作原理

今天计算机基本上采用的是存储程序结构,即冯·诺伊曼结构,也称普林斯顿结构。这个结构实现了实用化的通用计算机。

冯·诺伊曼体系结构

数制采用二进制与按照程序顺序执行是冯·诺依曼理论的主要观点。冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父,因为从第一台通用计算机到当前最先进的计算机采用的都是冯·诺依曼体系结构。

冯·诺依曼

冯·诺依曼体系结构构成的计算机必须具有以下几种功能:能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力;能够按照要求将处理结果输出给用户;把需要的程序和数据送到计算机中;具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力;能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

一台计算机若要具备上面提到的全部功能,那么它必须具备以下几个基本组成部件,分别是:控制程序执行的控制器、输人数据和程序的输入设备、完成数据加工处理的运算器、记忆程序和数据的存储器、输出处理结果的输出设备。

冯·诺依曼与计算机

知识卡片:

冯·诺伊曼

全名为约翰·冯·诺依曼(1903-1957),被人们誉为“现代电子计算机之父”,美籍匈牙利人,1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯。1911—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—1923年在苏黎世联邦工业大学学习。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—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,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·诺依曼被发现患有癌症;1957年2月8日,在华盛顿去世,终年54岁。

二进制

二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2,进位规却是“逢二进一”,借位规则是“借一当二”,由18世纪德国数理哲学大师莱布尼兹发现。当前的计算机系统使用的基本上是二进制系统。