第一讲计算机世界全景图

第一讲计算机世界全景图第一页，共二十一页，2022年，8月28日1.1无处不在的计算机 无处不在计算的本质就是：要创造一个与人们的生活完美结合并具备计算和通信能力的环境 －1990年左右施乐公司PARC研究中心的Weiser等人提出无处不在计算理念时,做出了Tabs、Pads和Boards三种设备原型，如下图所示。第二页，共二十一页，2022年，8月28日无处不在计算的特征（一） －user-centeric，以人为中心的计算，使计算机的使用符合人的习惯 －invisibility不可见的计算，将计算机自然、合理地嵌入到人们日常工作和生活环境（办公室、家庭）中，使其从人们的视线中消失。人们通过新一代自然交互界面，进行自然、方便的交互 －accessanythingbyanybodyviaanydevices,anywhereanytime在任何时间和地点，人们通过任何设备和网路，访问任何信息第三页，共二十一页，2022年，8月28日无处不在计算的特征（二） －hundredsofhandheldandwearablecomputers许多手持式和可穿戴式计算机 －hundredsofwirelesscomputingdevicesperpersonperoffice,ofallscales大量遍布在每个办公室、每个人的，各种规格的无线计算设备

－hundredsofdevicestosenseandcontrolappliances许多传感设备和控制设备第四页，共二十一页，2022年，8月28日古典计算机器时代计算设备还不是科学，而是工具。出现一些具备计算和存储信息能力的设备。辅助计算的基本手段出现，主要针对的是数字

主要特点：计算设备作为人脑计算的辅助工具，不具备自动计算能力。第五页，共二十一页，2022年，8月28日第一代计算机1946--195×电子管计算机主要特点逻辑元件——电子管主存——磁鼓辅存——磁带软件——机器语言、符号语言应用——科学计算第六页，共二十一页，2022年，8月28日第一代计算机1946--195×电子管计算机主要成就数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。1946年6月，冯·诺依曼提出了“存储程序”和“程序控制”的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计算机的基础。第七页，共二十一页，2022年，8月28日图灵、图灵机及图灵测试图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自这位伟大的科学家：24岁，提出图灵机理论；31岁，参与Colossus（二战时英国破解德国通信密码的计算机）的研制；33岁，构思了仿真系统；35岁，提出自动程序设计概念；38岁，设计了“图灵测试”；在后来还创造了一门新学科——非线性力学；……计算机与人工智能之父，英国数学家、逻辑学家—阿兰·图灵（AlanTuring，1912-1954）第八页，共二十一页，2022年，8月28日阿塔纳索夫及ABC计算机被“遗忘”的电子计算机之父

——约翰·阿塔纳索夫（JohnAtanasoff，1903-1995）存放在衣阿华州立大学的ABC计算机(Atanasoff-BerryComputer)第九页，共二十一页，2022年，8月28日冯·诺伊曼及冯·诺伊曼结构1945年6月30日，冯·诺依曼发表“101页报告”——FirstDraftofaReportontheEDVAC；1946年7、8月间，冯·诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告“电子计算机逻辑设计初探”（Preliminarydiscussionofthethelogicaldesignofanelectroniccomputinginstrument）。这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼结构（vonNeumannArchitecture）”。报告明确指出：采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；计算机由5部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描述的处理工作。(即，“存储程序”思想)现代电子计算机之父——冯·诺伊曼第十页，共二十一页，2022年，8月28日电子管计算机1946年世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，注意ENIAC并不是基于“存储程序”工作的计算机！）在美国宾夕法尼亚大学研制成功。5000次加法/秒体重30吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW第十一页，共二十一页，2022年，8月28日第二代电子计算机195×--196×晶体管计算机主要特点逻辑元件——晶体管主存——磁芯辅存——磁盘软件——高级程序设计语言、操作系统应用——除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制主要成就首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了速度和可靠性。发明了高级语言。首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。第十二页，共二十一页，2022年，8月28日晶体管计算机晶体管与电子管的比较：体积比电子管小很多耗电大大降低稳定性有很大提高1955年，贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。(TransistorDigitalComputer)第十三页，共二十一页，2022年，8月28日第三代电子计算机

196×--197×集成电路计算机主要特点逻辑元件——大规模集成电路主存——半导体芯片辅存——磁盘软件——编译系统，各类高级语言、操作系统提出“摩尔定律”第十四页，共二十一页，2022年，8月28日摩尔定律微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番，价格降低一半第十五页，共二十一页，2022年，8月28日集成电路计算机集成电路与晶体管的比较：1964年4月7日，在IBM公司成立50周年之际，由年仅40岁的吉恩·阿姆达尔(Gene

Amdahl)担任主设计师，历时四年研发的IBM360计算机问世，标志着第三代计算机的全面登场，这也是IBM历史上最为成功的机型之一。第十六页，共二十一页，2022年，8月28日第四代电子计算机197×--

现在大规模、超大规模集成电路计算机主要特点逻辑元件——大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI）主存——LSI/VLSI半导体芯片辅存——磁盘、光盘软件——高级程序设计语言、操作系统应用——科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机网络为特征的应用时代第十七页，共二十一页，2022年，8月28日第五代电子计算机从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型化、网络化发展。综合起来大概有以下几个研究方向。人工智能计算机巨型计算机多处理机激光计算机超导计算机生物晶体计算机（DNA计算机）量子计算第十八页，共二十一页，2022年，8月28日1.3计算机与计算思维计算思维（ComputationalThinking）是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，它是选择合适的方式去陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模并用最有效的办法实现问题的求解，整个过程由人和机器协同配合执行。计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由任何个人独自完成的问题求解和系统设计。第十九页，共二十一页，2022年，8月28日计算思维表达体系（基本内涵）周以真教授:

计算思维能力可以通过熟练地掌握计算机科学的基础概念而得到提高:约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习、调度等ACM和IEEE联合制定的CC1991给出了计算机科学领域里重复出现的12个核心概念：第二十页，