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第一章 计算机与计算思维概述 Email 第一章计算机与计算思维概述 在信息化时代 掌握一定的计算机软硬件基础知识 能够使用计算机处理日常事务 能够通过网络获取信息及相互交流 学会在数据处理中所体现的计算思维能力 是每个大学生应知应会的基本知识和能力 本章从计算机的起源开始 介绍计算机的发展史和特点 类型及应用 以及计算机的未来发展趋势 信息技术的基础知识 最后介绍计算思维的相关概念 1 1计算机基础知识 这是一幅很著名的人类进化幽默图 1 1计算机基础知识 1 1 1计算机发展历史上的重要人物和思想 1 早期的计算工具 美国著名科普大师阿西莫夫说过 人类最早的 计算机 是手指 英语单词 Digit 既表示 手指 又表示 整数数字 中国数学史专家考证 大约在新石器时代早期 先民使用的 计算机 是结绳 即用绳子打结的多少来表示数的概念 1 1计算机基础知识 公元前5世纪 中国人发明了算盘 广泛应用于商业贸易中 算盘被认为是最早的计算机 并一直使用至今 计算工具的源头可以上溯至2000多年前的春秋战国时代 古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具 1 1计算机基础知识 钟表业 特别是齿轮传动装置技术的发展 诞生了最早的机械式计算机 下面我们通过介绍几位对计算机发展有过突出贡献的早期历史人物 阐述计算发展的历程 2 机械式计算机 帕斯卡莱布尼茨巴贝奇爱达 机械式计算机时代的代表人物 该加法机可完成六位数字的加减法 它的设计原理对其后的计算机产生了深远的影响 法国物理学家帕斯卡 1623 1662 在1642年发明了第一台机械式加法机 该机由齿轮组成 靠手摇发条驱动 用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字 1 1计算机基础知识 德国数学家莱布尼茨 在1673年发明了机械式乘除法器 基本原理继承于帕斯卡的加法机 也是由一系列齿轮组成 但它能够连续重复地做加减法 从而实现了乘除运算 据记载 莱布尼兹曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝 1 1计算机基础知识 1 1计算机基础知识 英国女数学家爱达 1815 1852 巴贝奇的合作伙伴 她用穿孔卡片设计了世界上 第一件计算机程序 她还建议分析机用二进制存储 预言分析机能唱歌 绘画 英国数学家巴贝奇 1822年 在历经10年努力终于发明了 差分机 它有3个齿轮式寄存器 可以保存3个5位数字 计算精度可以达到6位小数 1 1计算机基础知识 3 机电式计算机 19世纪末 电学技术的发展使人们开始设计电气控制的自动计算工具 1888年 美国人赫尔曼 霍列瑞斯发明了制表机 它采用穿孔卡片表示数据的是与非 探针穿过卡片上的孔洞和水银接触 把电流接通 同时启动计数装置前进一个刻度的方法进行自动计数 并成功应用于1890年的美国人口普查 依靠制表机 他创办了制表机公司 即后来的IBM公司 1944年 在美国物理学家艾肯指导下 马克1号计算机研制成功 它是全机电式的计算机 采用了数千枚继电器代替齿轮传动 仍然采用十进制 它是世界上第一台通用程序控制计算机 1 1计算机基础知识 4 计算机理论奠基人 1847年 英国数学家布尔设计了一套表示逻辑理论的基本概念和符号 用1和0表示命题的真与假 用 与 或 非 表示命题间的运算关系 这就是成为现代电子计算机数学和逻辑基础的布尔代数 1938年 美国数学家香农首次将布尔代数和继电器开关电路联系起来 创立了开关电路理论 从理论到技术彻底改变了数字电路的设计方向 不仅使将来的电子计算机能够进行数值运算 还能够进行非数值运算 可以说 如果没有香农的这一思想 现代的电子计算机是无法研制成功的 英国数学家布尔 美国数学家香农 英国科学家阿兰 图灵 理论计算机的奠基人 1 1计算机基础知识 在现代计算机发展史上 最具影响力的两个代表人物是 阿兰 图灵和冯 诺依曼 美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 计算机鼻祖 图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程 他把 计算 这一过程分解为如下步骤 根据眼睛看到纸上的符号 脑中思考相应的法则 指示手中的笔在纸上写上或擦去一些符号 再改变眼中所看到的范围 如此继续 直到认为计算结束为止 1 1计算机基础知识 图灵机示意图 控制器 含运算功能 读写头 输入输出设备 纸带 存储器 图灵机 这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器 隐含了现代计算机中 存储程序 的基本思想 半个世纪以来 数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的 1 1计算机基础知识 姚期智 2000年首位获奖图灵奖的华裔学者 后人模拟的图灵机结构图 七十多年来 现代计算机基本结构仍然是 冯 诺依曼计算机 计算机应由运算器 控制器 存储器 输入设备与输出设备五大部件组成 应采用二进制简化机器的电路设计 采用 存储程序 技术 以便计算机能保存指令和数据并能够自动依次执行指令 消除计算过程中的人工干预等 1 1计算机基础知识 冯 诺依曼提出的存储理论 该理论奠定了其计算机鼻祖的地位 1 1计算机基础知识 1946年由美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台电子数字计算机 取名ENIAC 由此诞生了 第一个电子的大脑 重30吨 占地167m2 耗电150千瓦主要元件为电子管 继电器 可保存80个字节 每秒钟做5000次加减法或400次乘法运算 致命缺陷 没有存储程序 1 1 2电子计算机发展历程 具有划时代意义 第一代计算机1946 1958年以电子管为主要元件代表机型 ENIAC 1 1计算机基础知识 未来的第五代计算机是智能计算机 1 1计算机基础知识 电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代 第四代计算机1971年至今以大规模 超大集成电路为主要元件巨型机 大型机 小型机 微型机以及便携机 1 1计算机基础知识 1 1 3计算机类型 IBM系列大型机 IBM系列小型机 全能型图形工作站 IBMPC系列服务器 嵌入式计算机模块 微型计算机 银河系列巨型机 1 1计算机基础知识 计算机是一种能按照事先存储的程序 自动 高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备 运算速度快 计算精度高 存储容量大 具有逻辑判断能力 按照程序自动运行 计算机特点 1 1 4计算机的特点及应用领域 1 1计算机基础知识 科学计算 数据处理 过程与实时控制 人工智能 计算机辅助设计与制造 计算机应用领域 远程通信与网络应用 多媒体与虚拟现实 20年前上课提出 计算机应用在哪方面 现在上课时提出 哪些地方不用计算机 巨型化 存储容量大 运算速度达每秒百万亿 千万亿次的巨型机是衡量一个国家科技实力的指标之一 1 1 5未来的计算机 1 1计算机基础知识 计算机正向巨型化 微型化 网络化和智能化方向发展 2009年 我国成功研制出每秒1206万亿次的 天河一号 超级计算机 成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次计算机的国家 1 1计算机基础知识 2010年 改进后的 天河一号 以峰值速度4700万亿次 持续速度2570万亿次每秒浮点运算的优异性能位居当年世界第一 2013年 天河二号 超级计算机系统 以峰值计算速度每秒5 49亿亿次 持续计算速度每秒3 39亿亿次双精度浮点运算的性能 成为当年全球最快超级计算机 这是继 天河一号 之后 中国超级计算机再次夺冠 天河一号 天河二号 每秒3 39亿亿次 天河二号 成为2013年全球最快计算机 1 1计算机基础知识 光计算机 用光子器件替代电子器件 1 1计算机基础知识 从目前的研究情况看 未来的新型计算机可能在以下三方面取得突破 生物计算机 用生物工程技术生产的蛋白质分子作元件制成集成电路 称为生物芯片 使用生物芯片的计算机称为蛋白质计算机 或称为生物计算机 量子计算机 利用处于多态的原子进行计算 1 2计算机系统构成 1 2 1计算机硬件系统 1 2计算机系统构成 以最为常见的台式机为例 从外观上看 台式机由几个部件构成 显示器 键盘 机箱 鼠标等 实际上这些并不是计算机最重要的部分 计算机最主要的工作实际上是由那些被机箱遮盖住的部件完成的 它们才是计算机系统中最重要的部分 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五大部分组成 详见第三章介绍 应用软件 是指用户为解决各种实际问题而编写的程序 分两类 一类是针对某个应用领域的具体问题开发的程序 第二类是一些大型专业软件公司开发的通用型应用软件 系统软件 位于计算机系统最靠近硬件的一层 其他软件一般都通过系统软件发挥作用 系统软件主要包括 操作系统 语言处理程序 监控管理程序 调试程序 故障检查和诊断程序等 1 2 2计算机软件系统 1 2计算机系统构成 1 3信息技术基础知识 在信息化社会 人们应该在了解和使用计算机的同时 也需要理解信息 掌握信息处理的基本技术 用计算机解决问题 首先要获取问题相关的信息 按照某种方式将信息存储在计算机中 然后启动计算机程序处理这些信息 1 3 1信息技术概念 1 信息的概念目前为止 还没有一个比较统一或普遍适用的有关信息的定义 但从信息科学角度看 信息和数据是不同的 信息 有意义 而 数据 没有 人通过接受信息来认识事物 信息是一种知识 是接受者事先不知道不了解的知识 数据是信息的载体 数值 文字 语言 图形 图像等都是不同形式的数据 1 3信息技术基础知识 2 信息表示信息表示需要一种符号系统 人类在长期的实践中形成的语言文字就是一种符号系统 声音也是一种符号系统 而在计算机中 则是通过二进制形式表示现实世界的对象 计算机能够识别和处理的信息形式也只能是二进制 3 信息处理人类在长期的实践中发明了包括计算机在内的各种信息处理工具 以辅助人类的信息处理任务 理解一个计算机系统或一种计算技术 要弄清四个问题 它将处理什么类型的信息 信息如何表示 在这些信息上进行什么处理 如何实现这些处理 1 3信息技术基础知识 4 信息技术的概念及发展从原始社会 农业社会 工业社会到今天的信息社会 信息技术的发展历史源远流长 至今人类历史上已经发生了4次信息技术革命 现代信息技术 计算机技术 微电子技术 通信技术 核心 基础 动力 1 3 2信息技术产业 1 3信息技术基础知识 就像在经典物理学时代有所谓牛顿三大定律那样 信息时代也产生了所谓的三大定律 这三大定律共同勾勒出了信息技术发展的历程 1 4计算思维简介 科学界一般认为 科学方法分为理论 实验和计算三大类 与三大科学方法相对应的三大科学思维是 理论思维 实验思维和计算思维 1 4计算思维简介 计算思维概念 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解 设计系统 以及理解人类行为等一系列思维活动 计算思维强调抽象和构造 可解 强调用自动方式逐步求解 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上 由人由机器执行 计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计 1 4计算思维简介 计算思维的本质 是抽象和自动化 它反映了计算的根本问题 即什么能被有效地自动进行 从操作层面上讲 计算就是如何寻找一台计算机去求解问题 隐含地说就是要确定合适的抽象 选择合适的计算机去解释执行该抽象 后者就是自动化 计算思维中的抽象可以理解为完全用符号来表示自然界的各种现象 而这些抽象最终是要能够机械地一步一步自动执行的 注 数学抽象的特点是抛开现实事物的物理 化学和生物学等特性 而仅保留其量的关系和空间的形式 而计算思维中的抽象却不仅如此 而要能支持机械地 一步步地自动执行 为此 需要在抽象过程中进行精确和严格的符号标记和建模 1 4计算思维简介 计算思维的发展 计算思维在人类思维的早期就已经萌芽 并且一直是人类思维的重要组成部分 在很长一段时间里 计算思维的研究是作为数学思维的一部分进行的 但相应的手段和工具的研究进展缓慢 制约了计算思维的发展 蒸汽机 电力 材料 医药等的进步彻底改变了这个世界和人们对于世界的认识 在这个过程中 把对于自然规律的认识变成一种具有可构造性 可实现性的新知识内容 去创造自然界原本没有的物体 这是人类对于知识应用的深化和延续 在这个过程中 计算思维起到了重要的作用 1 4计算思维简介 例如 早期建一所房子 整个建筑的构思可能就在主持人的脑子里面 但是随着工程规模的不断扩大 这种靠记忆来设计和规划建筑的方式越来越不适应 因此需要有施工图纸 施工图纸就是关于房子的形式化的表达方式 这种方式使得人们可以相互沟通设计的思想 共同组织工程的实施 近代的很多工程 由于留下了丰富的 符合计算思维要求的文档 因此我们 当然也包括后人 可以从工程文件中清晰地了解这些工程的施工方法和工艺 采取计算思维的模式来描述各种工程活动是人类进步的表现 有了计算机后 借助计算机可实现从图纸到房屋模型整个过程的自动化 精确化 这就更加丰富了我们处理问题的方法和手段 1 4计算思维简介 计算机与计算思维的关系 计算思维本身并不是计算机科学的专属 实际上 即使没有计算机 计算思维也在逐步的发展 但是 正是计算机的出现 给计算思维的研究和发展带来了根本性的变化 由于计算机对于信息和符号的快速处理能力 使得许多原本只是理论可以实现的过程变成了实际可以实现的过程 如海量数据的处理 复杂系统的模拟 大型工程的组织等 借助计算机实现了从想法到产品整个过程的自动化 精确化和可控化 大大拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围 计算机的出现丰富了人类改造世界的手段 同时也强化了计算思维的意义和作用 并极大的推动了计算思维的发展 1 4计算思维简介 计算思维的应用领域 如同所有人都具备 读 写 算 能力一样 计算思维是必须具备的思维能力 计算思维不仅仅是计算机科学家的思维 它已经不局限于计算机领域 计算思维正在或已经渗透到各个学科 各个领域 甚至包括心理学 语言学 数学 物理学 统计学 社会学等学科 改变着人们传统的思维方式 并正在潜移默化地影响和推动着各领域的发展 成为一种发展趋势 1 5计算思维的典型案例 案例1 从最远古的手指计数 中国古代的算盘 近代西方的算筹 机械式计算机 当前的电子计算机计算 计算也作为一种思维方式存在 并成为人类科学思维的重要一员 从算盘到计算机的发展过程是计算思维内容不断拓展的过程 从历史来看 机械到电子不但是材料的进步 也是思维方式的进步 计算机发展 归根结底是计算思维的传承和发扬光大 计算机的历史就像一个孩子的成长史 它已经经历了少年时期的疯长 进入了青年时期 它还会有下一轮的飞速成长 但是要靠人类的智慧作为营养哺育它 在不久的将来 我们会将计算机变成一个众多学科交叉结合而成的精灵 而到那时 我们相信那个精灵传承和发扬的仍然是计算思维 1 5计算思维的典型案例 案例2 抽象是一种从个体把握一般 从现象把握本质的认知过程和思维方法 在本章中介绍了图灵机模型 它是一个抽象的计算模型 图灵把他的计算模型抽象成一种非常精简的装置 一条无限长的纸带 一个读写头 一套控制读写头工作的规则 一个状态寄存器 有了图灵机这一抽象模型 我们可以得到很多本质的规律 通过抽象我们能够抽取事物的本质特性 忽略烦琐的细节 在抽象的模型上进行科学研究 有助于发现事物的内在规律 虽然图灵机是现代计算机的数学模型 但它不等同于实际的计算机 如何设计实际可用的计算机系统 也需要抽象的思维 在第3章中介绍的冯 诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识 1 5计算思维的典型案例 案例3 计算机什么都能计算吗 在没有接触计算机之前或者对计算机只有初步了解的时候 每一个人都对计算机充满了好奇和惊异 感觉计算机什么事情都能做 比如科学计算 文字处理 网络游戏 算命 下棋 网上追捕逃犯 简直是太神奇了 以致于人们把计算机神化了 干脆称之为 电脑 一个比人脑还管用的机器 果真如此吗 No 和人脑相比 除了计算速度快外 计算机几乎没有