第1章-計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

第1章-計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維第一頁，共68頁。第1章計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維第二頁，共68頁。教學(xué)內(nèi)容Contents計(jì)算機(jī)概述1計(jì)算思維2第三頁，共68頁。1.1計(jì)算機(jī)概述1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1.1.3計(jì)算機(jī)的分類1.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.5未來計(jì)算機(jī)第四頁，共68頁。1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前6000年——繩結(jié)計(jì)數(shù)1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第五頁，共68頁。1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前1600年——甲骨文計(jì)數(shù)1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第六頁，共68頁。1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前770年——算籌計(jì)數(shù)1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第七頁，共68頁。1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1200年——算盤

1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第八頁，共68頁。1600B.C.1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1834年——分析機(jī)第九頁，共68頁。1600B.C.1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1936年——圖靈機(jī)第十頁，共68頁。1600B.C.1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1946年2月——ENIAC第十一頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

分析機(jī)的產(chǎn)生

誕生時(shí)間：1834年

發(fā)明者：英國數(shù)學(xué)家巴貝奇

主要功能：自動(dòng)計(jì)算有100個(gè)變量的復(fù)雜算題，每個(gè)數(shù)達(dá)25位

運(yùn)算速度：每秒鐘1次

主要構(gòu)成：“存儲(chǔ)庫”、“運(yùn)算室”、“控制器”（并未正式命名）第十二頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展圖靈機(jī)的產(chǎn)生

誕生時(shí)間：1936年

發(fā)明者：英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈（計(jì)算機(jī)科學(xué)的奠基人）主要貢獻(xiàn)：理想計(jì)算機(jī)的通用模型——圖靈機(jī)提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念。第十三頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，簡(jiǎn)稱ENIAC）誕生時(shí)間1946年2月重量30t面積170m2功率150kW運(yùn)算速度每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法真空管18800耗電150000W第十四頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第十五頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

“存儲(chǔ)程序”思想的產(chǎn)生

誕生時(shí)間：1946年6月

發(fā)明者：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼 （計(jì)算機(jī)之父）

運(yùn)算速度：ENIAC的240倍。第一臺(tái)“存儲(chǔ)程序”的計(jì)算機(jī)TheElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC第十六頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展發(fā)展階段電子器件（硬件/微電子）運(yùn)算速度軟件主要應(yīng)用第一代計(jì)算機(jī)（1946-1956）電子管VacuumTubes幾千次/秒機(jī)器語言匯編語言科學(xué)計(jì)算第二代計(jì)算機(jī)（1957-1964）晶體管Transistors幾十萬次/秒高級(jí)語言操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理事務(wù)處理第三代計(jì)算機(jī)（1965-1970）中、小規(guī)模集成電路IntegratedCircuits幾百萬次/秒結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)文字、圖像處理第四代計(jì)算機(jī)（1971至今）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路Microchips

幾十億次/秒面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)各個(gè)領(lǐng)域第十七頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代計(jì)算機(jī)

起止年代：1946-1956

電子器件：電子管運(yùn)算速度：幾千次/秒

應(yīng)用軟件：機(jī)器語言、匯編語言

主要應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算

代表機(jī)型：ENIAC,EDVAC等第十八頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二代計(jì)算機(jī)

起止年代：1957-1964電子器件：晶體管

運(yùn)算速度：幾十萬次/秒

應(yīng)用軟件：高級(jí)語言、操作系統(tǒng)

主要應(yīng)用：數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理第十九頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二十頁，共68頁。第三代計(jì)算機(jī)

起止年代：1965-1970

電子器件：中、小規(guī)模集成電路

運(yùn)算速度：幾百萬次/秒

應(yīng)用軟件：結(jié)構(gòu)化、程序設(shè)計(jì)

主要應(yīng)用：文字、圖像處理

代表機(jī)型：IBM360、PDP111.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二十一頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第四代計(jì)算機(jī)

起止年代：1970-今

電子器件：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路

運(yùn)算速度：幾十億次/秒

應(yīng)用軟件：面積對(duì)象、程序設(shè)計(jì)

主要應(yīng)用：各個(gè)領(lǐng)域

代表機(jī)型：微型計(jì)算機(jī)第二十二頁，共68頁。1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二十三頁，共68頁。1.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

運(yùn)算速度快

計(jì)算精度高存儲(chǔ)功能強(qiáng)具有邏輯判斷能力具有自動(dòng)運(yùn)行能力第二十四頁，共68頁。1.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)——Jaguar運(yùn)算速度：1750萬億次/秒第二十五頁，共68頁。1.1.3計(jì)算機(jī)的分類

按照計(jì)算機(jī)運(yùn)算的速度、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量、軟件配置等多方面的綜合性能指標(biāo)可將計(jì)算機(jī)分為：高性能計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)工作站嵌入式計(jì)算機(jī)第二十六頁，共68頁。1.高性能計(jì)算機(jī)

用途：國防、航空航天、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等。特點(diǎn)：運(yùn)算速度快、可靠性高、功能強(qiáng)大。第二十七頁，共68頁。2.微型計(jì)算機(jī)

用途：個(gè)人、小規(guī)模數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)：體積小、通用性強(qiáng)、價(jià)格低廉等。核心：微處理器（MicroprocessorUnit）第二十八頁，共68頁。2.微型計(jì)算機(jī)

起始年代字長(zhǎng)代表產(chǎn)品第一代

1971~19774~8位Intel4004(1971)

Intel8080(1974)第二代1978~198416位Intel8086(1978)286微機(jī)第三代1985~199232位Intel80386Intel80486第四代1993~今64位奔騰等第二十九頁，共68頁。3.工作站

用途：專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)運(yùn)算與圖形、圖像處理能力，軟件開發(fā)，金融管理等。特點(diǎn)：體積小、通用性強(qiáng)、價(jià)格低廉等。第三十頁，共68頁。3.工作站

目前最好的工作站之一——HPZ800處理器IntelXeonW55803.2GHz處理器數(shù)量/最高

2/2內(nèi)存/最大6*4GB/192GB硬盤/托架300GB/5塊3.5英寸SATA/SAS硬盤，或6塊2.5英寸SATA硬盤顯存4G網(wǎng)絡(luò)適配器2個(gè)集成千兆以太網(wǎng)卡第三十一頁，共68頁。3.工作站

惠普Z系列工作站（HPZWorkstationseries）第三十二頁，共68頁。4.嵌入式計(jì)算機(jī)

用途：軍事、通信、民用機(jī)電等各種電子設(shè)備。特點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、嵌入各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部。第三十三頁，共68頁。1.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.科學(xué)計(jì)算2.數(shù)據(jù)處理3.過程控制4.計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)5.人工智能6.電子商務(wù)第三十四頁，共68頁。1.科學(xué)計(jì)算

定義：科學(xué)計(jì)算又稱為數(shù)值計(jì)算，指用于完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計(jì)算。用途：天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、核物理學(xué)、天氣預(yù)報(bào)等。第三十五頁，共68頁。2.數(shù)據(jù)處理

定義：數(shù)據(jù)處理也稱為非數(shù)值計(jì)算，指對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，如分析、合并、分類和統(tǒng)計(jì)等，最后形成有用的信息。用途：辦公自動(dòng)化、企業(yè)管理、事務(wù)管理和情報(bào)檢索等。第三十六頁，共68頁。3.過程控制

定義：過程控制又稱實(shí)時(shí)控制，指用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，再按系統(tǒng)要求迅速地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。用途：冶金、石油、化工、紡織、水電、機(jī)械、航天等。第三十七頁，共68頁。4.計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)包括CAD、CAM、CBE等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-AidedDesign,CAD）計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer-AidedManufacturing,CAM）計(jì)算機(jī)輔助教育（Computer-AidedEducation,CAE）第三十八頁，共68頁。5.人工智能

定義：人工智能一般是指模擬人腦進(jìn)行演繹推理和采取決策的思維過程。第三十九頁，共68頁。6.電子商務(wù)

定義：電子商務(wù)是在Internet的廣闊聯(lián)系與傳統(tǒng)信息技術(shù)系統(tǒng)的豐富資源相結(jié)合的背景下應(yīng)運(yùn)而生的一種網(wǎng)上互聯(lián)的動(dòng)態(tài)商務(wù)活動(dòng)。購物網(wǎng)站：淘寶網(wǎng)：卓越網(wǎng)：當(dāng)當(dāng)網(wǎng)：第四十頁，共68頁。1.1.5未來計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)化多媒體化微型化巨型化非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)模式發(fā)展智能化第四十一頁，共68頁。1.巨型化

巨型化是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更高、存儲(chǔ)容量更大、功能更強(qiáng)。第四十二頁，共68頁。2.微型化

微型化是指進(jìn)一步提高集成度。利用高性能的超大規(guī)模集成電路研制質(zhì)量更加可靠、性能更加優(yōu)良、價(jià)格更加低廉、整機(jī)更加小巧的微型計(jì)算機(jī)。第四十三頁，共68頁。2.微型化

直徑6英寸的圓球形電腦——E-Ball第四十四頁，共68頁。2.微型化

支架和鼠標(biāo)的打開方式OPENINGTHESTANDSDETACHINGTHEOPTICALMOUSE第四十五頁，共68頁。2.微型化

投影和鍵盤的啟動(dòng)PWERONACTIVATINGTHELASERKEYBOARD第四十六頁，共68頁。2.微型化

使用狀態(tài)READYFORUSE第四十七頁，共68頁。2.微型化

使用狀態(tài)THEPAPERSHEETHOLDER第四十八頁，共68頁。2.微型化

利用紙架來進(jìn)行工作THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEET第四十九頁，共68頁。2.微型化

軟件界面THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE第五十頁，共68頁。2.微型化

應(yīng)用設(shè)想THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE第五十一頁，共68頁。2.微型化

設(shè)計(jì)理念THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE第五十二頁，共68頁。3.多媒體化

多媒體是指“以數(shù)字技術(shù)為核心的圖像、聲音與計(jì)算機(jī)、通信等融為一體的信息環(huán)境”。第五十三頁，共68頁。4.網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化就是用通信線路把各自獨(dú)立的計(jì)算機(jī)連接起來，形成各計(jì)算機(jī)用戶之間可以相互通信并使用公共資源的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第五十四頁，共68頁。5.智能化計(jì)算機(jī)的智能化就是指計(jì)算機(jī)具有人的智能。第五十五頁，共68頁。發(fā)展非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)模式

1.光子計(jì)算機(jī)（PhotonicComputer）2.生物計(jì)算機(jī)（BiologicalComputer）3.量子計(jì)算機(jī)（QuantumComputer）第五十六頁，共68頁。1.光子計(jì)算機(jī)（PhotonicComputer）

光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)。工作原理：用極細(xì)的閃爍光速來代替電流，接通表示1，斷開表示0將數(shù)據(jù)流通過反射鏡和棱鏡投射到需要數(shù)據(jù)的地方。第五十七頁，共68頁。2.生物計(jì)算機(jī)（BiologicalComputer）

（1）以生物界處理問題的方式為模型的計(jì)算機(jī)。（2）在半導(dǎo)體芯片上加入生物芯片，它由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成。第五十八頁，共68頁。3.量子計(jì)算機(jī)（QuantumComputer）

量子計(jì)算機(jī)是遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的計(jì)算機(jī)。第五十九頁，共68頁。1.2

計(jì)算思維1.2.1什么是計(jì)算思維1.2.2計(jì)算思維能力的培養(yǎng)第六十頁，共68頁。1.2.1什么是計(jì)算思維

從人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的思維方式出發(fā)，科學(xué)思維可分為理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三種。理論思維又稱推理思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。第六十一頁，共68頁。1.2.1

什么是計(jì)算思維

計(jì)算思維(ComputationalThinking)形象地說就是“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣思考問題”。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的科學(xué)方法。計(jì)算思維以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征