计算思维与人工智能 课件 第1章 计算机与计算

第1章

计算与信息基础常熟理工学院·计算机科学与工程学院目录1计算机计算机系统的构成23计算机软件计算思维41

计算机计算机

01图灵机02计算与自动计算03电子自动计算：元器件图灵机

1936年，英国数学家阿兰・麦席森・图灵(1912―1954年)提出了一种抽象的计算模型，即图灵机(Turingmachine)。图灵机，又称图灵计算机，即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人类进行数学运算。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，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：（1）在纸上写上或擦除某个符号；（2）把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。图灵机

1.图灵机的思想图灵机主要有以下几个部分：输入符号集合，一条无限长的纸带。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为0，1，2，...，纸带的右端可以无限伸展。2.一个读写头，该读写头位于处理盒内部，可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。3.一套控制规则。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。4.一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。图灵机

2.图灵机的意义（1）它证明了通用计算理论，肯定了计算机实现的可能性，同时它给出了计算机应有的主要架构；（2）图灵机模型引入了读写、算法与程序语言的概念，极大的突破了过去的计算机器的设计理念；（3）图灵机模型是计算学科最核心的理论，因为计算机的极限计算能力就是通用图灵机的计算能力，很多问题可以转化到图灵机这个简单的模型来考虑。图灵机模型向人们展示这样一个过程：程序和其输入可以先保存到存储带上，图灵机就按程序一步一步运行直到给出结果，结果也保存在存储带上。更重要的是，从图灵机模型可以隐约看到现代计算机主要组成，尤其是冯・诺依曼计算机的主要组成。计算与自动计算（0，1）比特：创造了信息世界，数字媒介—软件，自媒体，构造了虚拟世界。计算的力量源泉：

将不可计算的转为可计算、可量化，解决了从定性到定量的问题。

原来：问题→人→答案

现在：问题→AI（决策，人脸识别，内容生成等）→人→答案计算与自动计算人与计算机的差别例如：求ax2+bx+c=0的根人-求解机器-求解利用上述公式计算得到x值(1)从-n到n，产生x的每一个整数值；(2)将其依次代入到方程中计算;(3)如果其值使方程式成立，则即为其解；否则不是

计算与自动计算枚举-计算-验证暴力/蛮干思维人-计算一条规则可能很复杂,但计算量却可能很小人需要知道具体的计算规则特定规则，只能求:a1x2+a2x=c机器-计算每条规则可能很简单,但计算量却很大机器也可以采用人所使用的计算规则一般性的规则，可以求任意:a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c计算与自动计算什么是计算？是从表示-自动存储-自动执行的角度，设计简单的规则让计算机重复计算。

计算思维之可计算机性就是一个问题当且仅当能够写成一个计算机程序时，才被认为是可计算的。凡是可计算的都是图灵机可计算的。（丘奇-图灵）命题。计算与自动计算自动计算自动计算要解决的几个问题:表示-存储-执行“数据”的表示“计算规则”的表示：程序（算法+数据结构）数据与计算规则的“自动存储”计算规则的“自动执行”电子自动计算：元器件

解决0和1的存储与控制电子管人类第一只电子管(真空二极管),1895存储0和1的元器件电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管电子自动计算：元器件

晶体管与集成电路人类第一只晶体管(点接触晶体管),1947封装后的集成电路芯片超大规模集成电路(VLSI)集成电路:可自动实现一定变换的元件电子自动计算：元器件

自动计算中的元器件的发展从表示-自动存储-自动执行的角度电子管:可自动控制0和1变化的元件晶体管集成电路:可自动实现一定变换的元件超大规模集成电路(VLSI)体积越来越小；可靠性越来越高；电路规模越来越大；速度越来越快；功能越来越强大；电子自动计算：元器件

计算机系统要解决的几个问题“控制与计算”微处理器“输入”如何将外部信息输入到计算机中?“输出”如何将计算机中信息输出到外界(显示或打印)?“永久存储与临时存储”如何将计算机中的信息永久保存或临时保存?提问：元器件和自动计算有什么关系呢？(与门，非门，半加法器，加法器）2计算机系统的构成计算机系统的构成

01冯.诺依曼计算机:思想与构成

02电子自动计算-计算机系统冯.诺依曼计算机:思想与构成

1944~1945年间，冯.诺依曼提出“存储程序”的计算机设计思想，并进行了实践，现代计算机普遍来讲属于冯.诺伊曼机体系。冯.诺伊曼机的基本思想：运算和存储分离存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器,可按地址寻访,连续自动执行。五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指令

冯.诺依曼计算机:思想与构成

（1）冯.诺依曼计算机的结构是怎样的?部件有哪些?部件的关系怎样?以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图

冯.诺依曼计算机:思想与构成

（2）存储器为中心与运算器为中心相比的优点在哪里?以存储器为中心的现代计算机构成图同样是五个部件，以不同的结构来连接，便体现了不同的性能这就是“系统”：强调“结构”，强调部件连接后的整体性、协同性

冯.诺依曼计算机:思想与构成

（3）冯.诺依曼计算机的工作原理是怎样的?工作原理运算器存储器(9)(5)控制器(10)(7)(3)(8)(2)(4)(6)控制台(1)(1)启动控制器工作(2)发送第1条指令地址(3)取出指令并分析指令(4)执行指令：发送操作数x所在地址(5)执行指令：取出操作数x(6)发送下一条指令地址(7)取出指令并分析指令(8)执行指令：发送操作数a所在地址(9)执行指令：取出操作数a(10)执行指令：通知运算器计算a乘x(11)继续后续指令的取指、执行…

冯.诺依曼计算机:思想与构成

（4）什么是CPU?现代计算机的几大部件是什么?

计算机的基本部件CPU：中央处理单元(CentralProcessUnit)，将运算器和控制器集成在一块芯片上，形成微处理器。CPU、主存储器、I/O设备及总线成为现代计算机的四大核心部件。现代计算机里面，一个微处理器(芯片)可能包含多个CPU，即多核.8086/8088

电子自动计算-计算机系统

(1)控制与计算-微处理器-计算机系统的核心？微处理器的发展字长：8位

16位

32位

64位主频：几MHz

几百MHz

几GHz晶体管数量：几万

几百万

几亿颗功能/规模：微处理器

微处理器+协处理器(浮点运算)

微处理器+图形处理单元GPU

微处理器+3D处理器+多媒体处理器

多核微处理器8086/80881974Intel80286Intel80386Intel80486PentiumPentiumIIPentiumIII双核CORE八核-十核COREi系列19821985198919931997199920052010

存储设备存储设备类别发展水平固态硬盘USBRemovablediskFlashRAM磁带/磁芯/磁鼓存储磁盘存储(硬盘与软盘)光盘存储(CD-ROM,CDR/W,DVD)汞延迟线纳米存储/量子存储半导体存储(ROM/RAM)体积越来越小容量越来越大访问速度越来越快可靠性越来越高功耗越来越低持久性越来越好DRAM半导体存储器芯片FlashRAM存储器U-Disk固态硬盘(2)怎样解决大规模快速存储问题？

电子自动计算-计算机系统

输入设备类别发展水平穿孔纸带(0/1输入)键盘输入(符号输入)鼠标输入(点输入)输入设备

电子自动计算-计算机系统

(3)怎样解决输入问题？

输出设备(显示器)类别发展水平CRT：阴极射线管(模拟显示器：黑白与彩色)CRT:字符发生器(向量式模拟显示器:输出字符)CRT:数字光栅扫描显示器(基于内存的显示:输出图形)3D显示器：3维图形数字显示器：高清图形(液晶、等离子技术)GPU芯片多显示卡并联分辨率越来越高颜色越来越逼真显示速度越来越快(屏幕刷新速度和图形处理速度)越来越薄，越清晰可视角度越来越接近平角输出设备---显示及显示控制

电子自动计算-计算机系统

(4)怎样解决输出问题？3计算机软件

计算机软件

多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统

计算机软件

计算机软件

软件正在占领全世界4计算思维

计算思维

什么是计算思维？计算思维是人类应具备的第三种思维实验思维:实验观察发现、推断与总结.观察与归纳理论思维:假设/预设定义/性质/定理证明.推理和演绎计算思维:设计,构造与计算.设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用计算手段来辅助进行。

计算思维

《ComputationalThinking》fromCMU，周以真（JeannetteM.Wing），CommunicationsofACM,Vol.49,No.3,March2006,Pages33-35Computationalthinkingisawayofsolvingproblems,designingsystems,andunderstandinghumanbehaviorthatdrawsonconceptsfundamentaltocomputerscience.Computationalthinkingwillbeafundamentalskillusedbyeveryoneintheworldbythemiddleofthe21stCentury.–Justlikereading,writing,andarithmetic.–Imagineeverypersonknowinghowtothinklikeacomputerscientist!–Computationalthinkingisnotjustforotherscientists,it’sforeveryone.–Thinkinglikeacomputerscientistmeansmorethanbeingabletoprogramacomputer计算思维的本质就是