第1章-计算机概述与计算思维

1、大学计算机基础大学计算机基础 第第1 1章章 计算机与计算机与计算思维计算思维教学内容 Contents计算机概述计算机概述1计算思维计算思维 21.1 计算机概述 1.1.1 1.1.1 计算机的发展计算机的发展1.1.2 1.1.2 计算机的特点计算机的特点1.1.3 1.1.3 计算机的分类计算机的分类1.1.4 1.1.4 计算机的应用领域计算机的应用领域1.1.5 1.1.5 未来未来计算机计算机1600 B.C. 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元前公元前60006000年年绳结计数绳结计数 1.1.1

2、 计算机的发展 1600 B.C. 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元前公元前16001600年年甲骨文计数甲骨文计数 1.1.1 计算机的发展 1600 B.C. 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元前公元前770770年年算筹计数算筹计数 1.1.1 计算机的发展 1600 B.C. 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元公元12001200年年算盘算盘 1.

3、1.1 计算机的发展 1600 B.C. 1.1.1 计算机的发展 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元公元18341834年年分析机分析机1600 B.C. 1.1.1 计算机的发展 6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元公元19361936年年图灵机图灵机1600 B.C. 1.1.1 计算机的发展6000 B.C. 770 B.C. A.D.1200 A.D.1834 A.D.1936 A.D.1946 公元公元19461946年年2

4、2月月ENIACENIAC1.1.1 计算机的发展 分析机的产生v 诞生时间：诞生时间：18341834年年v 发发 明明 者：者：英国数学家英国数学家 巴贝奇巴贝奇v 主要功能：主要功能：自动计算有自动计算有100100个个 变量的复杂算题，每个数达变量的复杂算题，每个数达2525位位v 运算速度：运算速度：每秒钟每秒钟1 1次次v 主要构成：主要构成：“存储库存储库”、“运算室运算室”、 “ “控制器控制器”（并未正式命名）（并未正式命名）1.1.1 计算机的发展 图灵机的产生v 诞生时间：诞生时间：19361936年年 v 发发 明明 者：者：英国数学家英国数学家 阿兰阿兰图灵图灵 （计

5、算机科学的奠基人）（计算机科学的奠基人）v 主要贡献：主要贡献： 理想计算机的通用模型理想计算机的通用模型图灵机图灵机 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念提出图灵测试，阐述了机器智能的概念 。1.1.1 计算机的发展v 世界上第一台计算机：电子数字积分计算机世界上第一台计算机：电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And CalculatorCalculator，简称，简称ENIACENIAC）诞生时间 19461946年年2 2月月 重量 30t 30t 面积 170m170

6、m2 2 功率 150kW 150kW 运算速度 每秒执行每秒执行50005000次加法次加法 或或400400次乘法次乘法 真空管 18800耗电 150000W1.1.1 计算机的发展1.1.1 计算机的发展 “存储程序”思想的产生v 诞生时间：诞生时间：19461946年年6 6月月 v 发发 明明 者：者：美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家 冯冯诺依曼诺依曼 （计算机之父）（计算机之父） v 运算速度：运算速度：ENIACENIAC的的240240倍。倍。 v 第一台第一台“存储程序存储程序”的计算机的计算机 The Electronic Discrete Variable Automa

7、tic The Electronic Discrete Variable Automatic Computer, EDVACComputer, EDVAC1.1.1 计算机的发展发展阶段 电子器件 （硬件/微电子） 运算速度 软件 主要应用 第一代计算机 （1946-1956） 电子管 Vacuum Tubes 几千次/秒 机器语言 汇编语言 科学计算 第二代计算机 （1957-1964） 晶体管 Transistors 几十万次/秒 高级语言 操作系统 数据处理 事务处理 第三代计算机 （1965-1970） 中、小规模 集成电路 Integrated Circuits 几百万次/秒 结构化

8、 程序设计 文字、 图像处理 第四代计算机 （1971至今） 大规模和超大 规模集成电路 Microchips 几十亿次/秒 面向对象 程序设计 各个领域 1.1.1 计算机的发展第一代计算机第一代计算机v 起止年代：起止年代：1946-19561946-1956v 电子器件：电子器件：电子管电子管v 运算速度：运算速度：几千次几千次/ /秒秒v 应用软件：应用软件：机器语言、汇编语言机器语言、汇编语言v 主要应用：主要应用：科学计算科学计算v 代表机型：代表机型：ENIAC, EDVAC等等1.1.1 计算机的发展第二代计算机第二代计算机v 起止年代：起止年代：1957-19641957-1

9、964v 电子器件：电子器件：晶体管晶体管v 运算速度：运算速度：几十万次几十万次/ /秒秒v 应用软件：应用软件：高级语言、操作系统高级语言、操作系统v 主要应用：主要应用：数据处理、事务处理数据处理、事务处理 1.1.1 计算机的发展第三代计算机第三代计算机v 起止年代：起止年代：1965-19701965-1970v 电子器件：电子器件：中、小规模集成电路中、小规模集成电路v 运算速度：运算速度：几百万次几百万次/ /秒秒v 应用软件：应用软件：结构化、程序设计结构化、程序设计v 主要应用：主要应用：文字、图像处理文字、图像处理v 代表机型：代表机型：IBM 360IBM 360、PDP

10、 11PDP 111.1.1 计算机的发展1.1.1 计算机的发展第四代计算机第四代计算机v 起止年代：起止年代：1970-1970-今今v 电子器件：电子器件：大规模、超大规模集成电路大规模、超大规模集成电路v 运算速度：运算速度：几十亿次几十亿次/ /秒秒v 应用软件：应用软件：面积对象、程序设计面积对象、程序设计v 主要应用：主要应用：各个领域各个领域v 代表机型：代表机型：微型计算机微型计算机1.1.2 计算机的特点 v 运算速度快运算速度快 v 计算精度高计算精度高v 存储功能强存储功能强v 具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力v 具有自动运行能力具有自动运行能力1.1.2 计算机的特点

11、 世界上运算速度最快的计算机世界上运算速度最快的计算机Jaguar Jaguar 运算速度：运算速度：17501750万亿次万亿次/ /秒秒 1.1.3 计算机的分类 v 按照计算机运算的速度、字长、存储容量、按照计算机运算的速度、字长、存储容量、软件配置等多方面的综合性能指标可将计算软件配置等多方面的综合性能指标可将计算机分为：机分为：1.1. 高性能计算机高性能计算机 2.2. 微型计算机微型计算机 3.3. 工作站工作站 4.4. 嵌入式计算机嵌入式计算机 1. 高性能计算机 v用途：国防、航空用途：国防、航空航天、医学、地质航天、医学、地质学等。学等。v特点：运算速度快、特点：运算速度

12、快、可靠性高、功能强可靠性高、功能强大。大。2. 微型计算机 v用途：个人、小规模数据处理用途：个人、小规模数据处理v特点：体积小、通用性强、价格低廉等。特点：体积小、通用性强、价格低廉等。v核心：微处理器（核心：微处理器（Microprocessor UnitMicroprocessor Unit）2. 微型计算机 起始年代 字长 代表产品 第一代 19711977 48位 Intel4004(1971) Intel8080(1974) 第二代 19781984 16位 Intel8086(1978) 286微机 第三代 19851992 32位 Intel80386 Intel80486

13、第四代 1993今 64位 奔腾等 3. 工作站 v用途：专业应用领域，如数据运算与图形、图用途：专业应用领域，如数据运算与图形、图像处理能力，软件开发，金融管理等。像处理能力，软件开发，金融管理等。v特点：体积小、通用性强、价格低廉等。特点：体积小、通用性强、价格低廉等。3. 工作站 目前最好的工作站之一目前最好的工作站之一HPZ800 HPZ800 处理器 Intel Xeon W5580 3.2GHz 处理器数量/最高 2/2 内存/最大6*4GB /192GB 硬盘/托架300GB/5块3.5英寸SATA/SAS硬盘，或6块2.5英寸SATA硬盘显存4G网络适配器2个集成千兆以太网卡4

14、. 嵌入式计算机 v用途：军事、通信、民用机电等各种电子设备。用途：军事、通信、民用机电等各种电子设备。v特点：体积小、结构紧凑、嵌入各种设备及应特点：体积小、结构紧凑、嵌入各种设备及应用产品内部。用产品内部。1.1.4 计算机的应用领域 1. 1. 科学计算科学计算 2. 2. 数据处理数据处理 3. 3. 过程控制过程控制 4. 4. 计算机辅助系统计算机辅助系统 5. 5. 人工智能人工智能 6. 6. 电子商务电子商务 1. 科学计算 v定义：科学计算又称为数值计算，指用于完定义：科学计算又称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的成科学研究和工程技术中提出的数学问题

15、的计算。计算。v用途：天文学、量子化学、空气动力学、核用途：天文学、量子化学、空气动力学、核物理学、天气预报等。物理学、天气预报等。2. 数据处理 v定义：数据处理也称为非数值计算，指对大定义：数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，如分析、合并、分量的数据进行加工处理，如分析、合并、分类和统计等，最后形成有用的信息。类和统计等，最后形成有用的信息。v用途：办公自动化、企业管理、事务管理和用途：办公自动化、企业管理、事务管理和情报检索等。情报检索等。3. 过程控制 v定义：过程控制又称实时控制，指用计算机定义：过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按系

16、及时采集现场数据，将数据处理后，再按系统要求迅速地对控制对象进行控制。统要求迅速地对控制对象进行控制。v用途：冶金、石油、化工、纺织、水电、机用途：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等。械、航天等。4. 计算机辅助系统 v计算机辅助系统包括计算机辅助系统包括CADCAD、CAMCAM、CBECBE等。等。 计算机辅助设计计算机辅助设计 （Computer-Aided Design, CADComputer-Aided Design, CAD） 计算机辅助制造计算机辅助制造 （Computer-Aided Manufacturing, CAMComputer-Aided Manufactu

17、ring, CAM ） 计算机辅助教育计算机辅助教育 （Computer-Aided Education, CAEComputer-Aided Education, CAE ）5. 人工智能 v定义：人工智能一般是指模拟人脑进行演绎推定义：人工智能一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。理和采取决策的思维过程。6. 电子商务 v定义：电子商务是在定义：电子商务是在InternetInternet的广阔联系与传的广阔联系与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上互联的动态商务活动。运而生的一种网上互联的动态商务活动。1.1.5

18、未来计算机计算机的 发展趋势 网络化 多媒体化 微型化 巨型化 非冯诺依曼 结构模式 发展 智能化 1. 巨型化 v巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。更大、功能更强。 2. 微型化 v微型化是指进一步提高集成度。利用高性能的微型化是指进一步提高集成度。利用高性能的超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型计算机。计算机。 2. 微型化 直径直径6 6英寸的圆球形电脑英寸的圆球形电脑E-Ball E-Ball 2. 微

19、型化 支架和鼠标的打开方式支架和鼠标的打开方式 OPENING THE STANDS DETACHING THE OPTICAL MOUSE 2. 微型化 投影和键盘的启动投影和键盘的启动 PWER ON ACTIVATING THE LASER KEYBOARD 2. 微型化 使用状态使用状态 READY FOR USE 2. 微型化 使用状态使用状态 THE PAPER SHEET HOLDER 2. 微型化 利用纸架来进行工作利用纸架来进行工作 THE PAPER SHEET HOLDER WORKING ON PAPER SHEET 2. 微型化 软件界面软件界面 THE PAPER

20、SHEET HOLDER WORKING ON PAPER SHEET SOFTWARE INTERFACE 2. 微型化 应用设想应用设想 THE PAPER SHEET HOLDER WORKING ON PAPER SHEET SOFTWARE INTERFACE 2. 微型化 设计理念设计理念 THE PAPER SHEET HOLDER WORKING ON PAPER SHEET SOFTWARE INTERFACE 3. 多媒体化 v多媒体是指多媒体是指“以数字技术为核心的图像、声音以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通信等融为一体的信息环境与计算机、通信等融为一体的信息环境”

21、。 4. 网络化 v网络化就是用通信线路把各自独立的计算机连网络化就是用通信线路把各自独立的计算机连接起来，形成各计算机用户之间可以相互通信接起来，形成各计算机用户之间可以相互通信并使用公共资源的网络系统。并使用公共资源的网络系统。 5. 智能化 v计算机的智能化就是指计算机具有人的智能。计算机的智能化就是指计算机具有人的智能。 发展非冯诺依曼结构模式 1. 1. 光子计算机（光子计算机（Photonic ComputerPhotonic Computer） 2. 2. 生物计算机（生物计算机（Biological ComputerBiological Computer） 3. 3. 量子计算

22、机（量子计算机（Quantum ComputerQuantum Computer） 1. 光子计算机（Photonic Computer） v光子计算机光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、是利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储的计算机。传输和存储的计算机。v工作原理：工作原理：用极细的闪烁光速来代替电流，接通表示用极细的闪烁光速来代替电流，接通表示1 1，断，断开表示开表示0 0将数据流通过反射镜和棱镜投射到需要数据的地将数据流通过反射镜和棱镜投射到需要数据的地方。方。2. 生物计算机（Biological Computer） （1 1）以生物界处理问题的方式为模型的计算机。）以生物

23、界处理问题的方式为模型的计算机。（2 2）在半导体芯片上加入生物芯片，它由生物工）在半导体芯片上加入生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。程技术产生的蛋白质分子构成。3. 量子计算机（Quantum Computer） v量子计算机是遵循量子力学规律进行高速运算、量子计算机是遵循量子力学规律进行高速运算、存储及处理量子信息的计算机。存储及处理量子信息的计算机。1.2 计算思维1.2.1 什么是计算思维1.2.2 计算思维能力的培养1.2.1什么是计算思维什么是计算思维 从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，科学思维可分为理论思维、实验思维和计算思维三种。理论思维又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验思维又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算思维又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 1.2.1 什么是计算思维 计算思维( Computational Thinking)形象