第1章 引论

目 录 1.1 计算机发展历史 1.2 计算模型 1.3 计算机系统 1.4 计算机文化和计算思维 1.5 计算机的应用及其发展前景

1.1 计算机发展历史——起源 人类追求的计算工具 算筹 算筹计数法 算盘 机械加法器Pascaline MARK-1自动数字 计算机 1.1 计算机发展历史——起源 人类追求的计算工具 算盘 算筹 算筹计数法 巴贝奇差分机 MARK-1自动数字 计算机 机械加法器Pascaline

1.1 计算机发展历史——起源 1946年，世界上第一台电子数字积分计算机 ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Calculator )在美 国诞生了。 5000次加法/秒 体重30吨 占地170m2 18000多只电子管 1500个继电器

1.1 计算机发展历史——历史 第一代 （1946--1955） 电子管 5千--4万（次/秒） 第二代 （1956--1963） 晶体管 1.1 计算机发展历史——历史 第一代 （1946--1955） 电子管 5千--4万（次/秒） 第二代 （1956--1963） 晶体管 几万—几十万（次/秒） 第三代 （1964--1971） 集成电路 几十万--百万（次/秒） 第四代 （1971--至今） 超大规模集成电路 几百万--百亿（次/秒） 第五代：具有人工智能的计算机——研制中

1.1 计算机发展历史——新技术 云计算（Cloud Computing）是一种通过Internet以服 务的方式提供动态的、可伸缩的、虚拟化资源的计算模式。 移动互联网（Mobile Internet）是指互联网的技术、 平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的 总称。 物联网（The Internet of things）顾名思义就是物物 相连的互联网。

1.2 计算模型——图灵与图灵机模型 阿兰•图灵（Alan Turing） “计算机科学的奠基人”、“人工 智能之父” 1.2 计算模型——图灵与图灵机模型 阿兰•图灵（Alan Turing） “计算机科学的奠基人”、“人工 智能之父” 英国著名数学家、逻辑学家、密码 学家 提出了“图灵机”和“图灵测试” “计算机界诺贝尔奖”——图灵奖

1.2 计算模型——图灵与图灵机模型 图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，图灵机模型 为计算机设计指明了方向。 图灵机由三部分组成：一条两端都可无限延长的被分为一个 个小方格的纸带、一个有限状态控制器和一个在带子上可以 左右移动的读写头。 …… a1 a2 ai an 控制器 状态q1

1.2 计算模型——图灵与图灵机模型 图灵机的形式化定义 一台图灵机是一个七元组（Q，∑，Γ，δ，q0，B，F）， 其中： 1.2 计算模型——图灵与图灵机模型 图灵机的形式化定义 一台图灵机是一个七元组（Q，∑，Γ，δ，q0，B，F）， 其中： Q 是有限状态集 ∑ 是有限输入字符集 Γ 是有限输入带字符集 δ 是状态转移函数 q0 是初始状态 B 是空格符 F 是有限终结状态集

1.2 计算模型——冯•诺依曼计算机 冯·诺依曼：美籍匈牙利数学家， 提出了著名的“存储程序”设计思 想。 存储程序工作原理 1.2 计算模型——冯•诺依曼计算机 John Von Nouma 冯·诺依曼：美籍匈牙利数学家， 提出了著名的“存储程序”设计思 想。 1949 EDSAC 存储程序工作原理 存储程序到内存 自动按地址执行程序

1.2 计算模型——冯•诺依曼计算机 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了 计算机能完成的某一种操作。是对计算机进行程序控制的 最小单位。 机器指令格式 操作码 操作数 机器执行什么操作 执行对象（具体数、存放位置） 指令系统是一台计算机的所有指令的集合。 程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。

1.2 计算模型——冯•诺依曼计算机 表示数据信息流向 表示控制信息流向 运算器 输出设备 输入设备 输入信息 存储器 控制器 1.2 计算模型——冯•诺依曼计算机 输入设备 输入信息 存储器 运算器 控制器 输出设备 表示数据信息流向 表示控制信息流向 冯·诺依曼计算机模型

1.2 计算模型——哈佛结构 哈佛结构（Harvard architecture） 1.2 计算模型——哈佛结构 哈佛结构（Harvard architecture） 是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，它是 一种并行体系结构，它可减轻程序运行时的访存瓶颈，从而 提高执行速度和数据的吞吐量，提高数字信号的处理能力。 程序计数器 （PC） 程序存储器 数据存储器 地址 数据 CPU

1.2 计算模型 量子计算机（Quantum Computer）是一种遵循量子力 学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物 理装置。 生物计算机（Bio-computer）是将生物工程技术产生的 蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，利用有机化合物存储 数据的计算机。

1.3 计算机系统——系统构成 运算器 控制器 中央处理器（CPU） 内存储器 主机 RAM 硬件系统 外部设备 ROM 计算机系统 1.3 计算机系统——系统构成 运算器 控制器 中央处理器（CPU） 内存储器 主机 外部设备 总线 RAM ROM 硬件系统 计算机系统 输入设备 输出设备 系统软件 应用软件 软件系统

1.3 计算机系统——硬件系统 运算器：对数据进行算术运算和逻辑运算的部件。 控制器：电子计算机的指挥部，负责协调指挥各部件的工作。 1.3 计算机系统——硬件系统 运算器：对数据进行算术运算和逻辑运算的部件。 控制器：电子计算机的指挥部，负责协调指挥各部件的工作。 存储器： 计算机记忆或暂存数据的部件。 输入设备：输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以 接收的编码的过程，所使用的设备称为输入设备。 输出设备：用来输出处理结果的设备。 总线：用于连接计算机中的五大组成部件构成一个完整的硬 件系统。

1.3 计算机系统——软件系统 操作系统 程序设计语言 语言处理程序 诊断程序 数据库管理系统 系统软件 软件 办公软件 浏览器 1.3 计算机系统——软件系统 操作系统 程序设计语言 语言处理程序 诊断程序 数据库管理系统 系统软件 软件 办公软件 浏览器 图形图像处理软件 其他应用软件 应用软件

1.3 计算机系统——计算机工作过程 例：计算机计算2+3的执行步骤。 第一步：输入指令（将数据和程序输入到存储器中） 1.3 计算机系统——计算机工作过程 例：计算机计算2+3的执行步骤。 第一步：输入指令（将数据和程序输入到存储器中） 第二步：取数指令（从存储器取数2） 第三步：取数指令（从存储器取数3） 第四步：加法指令（执行2+3的运算） 第五步：存数指令（将计算结果5送到存储器保存） 第六步：输出指令（输出计算结果）

1.3 计算机系统——计算机工作过程 指令执行过程简图 从存储器取出指令 解释指令 执行指令

1.3 计算机系统——典型计算机系统 台式机的性能更强，可扩展性好。 笔记本携带方便，输入和定位功能好。 掌上计算机和智能手机小巧轻便，可扩展性差。 台式机 笔记本 掌上计算机 智能手机

1.4 计算机文化和计算思维 计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无 比有力的知识工具”。 计算机文化是人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本 性变化而产生的一种崭新文化形态。 真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。

1.4 计算机文化和计算思维 科学 思维 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从 中发现规律，作出结论”。 1.4 计算机文化和计算思维 科学 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从 中发现规律，作出结论”。 科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。 思维 思维是高级的心理活动，是认识的高级形式。 思维是人脑对现实事物概括、加工、揭露本质特征。 人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。

1.4 计算机文化和计算思维 人类文明进步和科学发现的三大科学是理论科学、 实验科学和计算科学。 三种科学与三种思维的对应 ： 1.4 计算机文化和计算思维 人类文明进步和科学发现的三大科学是理论科学、 实验科学和计算科学。 三种科学与三种思维的对应 ： 理论科学 ←→ 理论思维： 理论思维又叫推理思维，以推 理和演绎为特征，以数学学科为代表。 实验科学 ←→ 实验思维： 实验思维又叫实证思维，以观 察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。 计算科学 ←→ 计算思维： 计算思维又叫构造思维，以设 计和构造为特征，以计算机学科为代表。

1.4 计算机文化和计算思维 计算思维（computational thinking）：2006年由美国 Carnegie Mellon大学周以真（Jeannette Wing）教授提出， 她认为计算思维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的一系列思维活动。 这些基础概念包括嵌套、递归、约简、转化、仿真、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。 计算思维是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能 力一样，都必须具备的思维能力。

1.4 计算机文化和计算思维 计算思维表述体系框架中8类概念关系图 1.4 计算机文化和计算思维 计算思维表述体系框架中8类概念关系图 计算思维的培养不是一门课程就可以解决的，而是需要一系 列课程的学习逐渐形成的一种解决问题的思维能力。 计算 抽象 自动化 设计 通信 记忆 协作 评估

1.4 计算机文化和计算思维 计算思维的例子1 E8 Lie Group

1.4 计算机文化和计算思维 计算思维的例子2 对大型客机进行的模拟风洞实验

1.5 计算机的应用及其发展前景 计算机的应用 过程控制 科学计算 人工智能 数据处理 网络应用 全球卫星定位系统（GPS） 1.5 计算机的应用及其发展前景 计算机的应用 过程控制 科学计算 人工智能 数据处理 网络应用 全球卫星定位系统（GPS） 地理信息系统（GIS） 其他应用 虚拟现实（VR） 智能家电 计算机辅助系统 智能手机 ……

1.5 计算机的应用及其发展前景 计算机的发展前景 巨型化 微型化 ENIAC 网络化 智能化 多媒体化