计算思维与智能计算基础计算、计算机与计算思维

智能

计算基础

计算思维与智能计算基础

2022/2/42

计算思维与智能计算基础

我们身边的计算机

多样化的

“计算机

器”，各

种设备的

“大脑”

系统

传统“计算机器”

2022/2/4IIImumumimmmiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiniiiiiiimumumumiminini3

计算思维与智能计算基础

中国U*X123:05

Its朝香港40chips

Victona

Hartxxxelsewhere

80chips家用电号、

TV,DVDpiayef.phone,games.

40chips

每个人每天使用250个芯片

70chips

汽车

2022/2/44

I计算思维与智能计算基础

第1节

计算

2022/2/45

计算思维与智能计算基础

r1955年

公元4803089检

,年7位,

pmv4Ml⑼刈751U582U9/4与

17816406286208998628034825342

01931

mo-

15世纪初

15位

•1953097TC61：

U8074462379

2011年

10万亿

位

2022/2/46

I计算思维与智能计算基础

1.1.1计算的基本概念

计算理论观点：

计算是依据一定的法则对有关符号串进行变换的过程，即

计算是从已知的符号开始，按照规则一步一步地改变符号串，

经过有限的步骤，最终得到一个满足预定条件的符号串的过程。

1985年图灵奖的获得者RichardM.Karp的观点：

很多自然的、人工的和社会的系统中的过程自然而然是计

算的，计算就是执行信息变换。这是广义的计算，即对信息进

行加工和处理。

2022/2/47

I计算思维与智能计算基础

复杂计算问题的解决方法

复杂计算问题：

研究简化规则。如一元二次方程解的公式。

知道计算规则，但超出人的计算能力，无法获得计算结果:

设计一些简单的规则，让机器通过重复执行来完成计算，

也就是使用机器来代替人进行自动计算。

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I计算思维与智能计算基础

利用机器进行自动计算需要思考和研究的问题：

1.是不是所有的问题都可以通过自动计算来解决？

可计算性理论的研究。“理发师悖论”

2.可计算问题的计算代价有多大？

计算复杂性理论。”汉诺塔问题”

3.如何实现自动计算？

构建一个低成本、高效率的通用的计算系统。

4.如何方便有效地利用计算系统进行计算？

将问题的求解算法用程序表示，规模数据用数据库管理

5.如何使计算“无所不能"、"无所不在”？

在计算机及网络技术的支持下，构建并行计算、分布式、云计算环境

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计算思维与智能计算基础

LL2计算工具的探索

2022/2/410

计算思维与智能计算基础

一、加法

算盘直加满五加进十加

一一上——下五去四一去九进一

二:上二：下五去三二去八进一

三三上三三下五去二三去七进一

♦提供了计算过程中存储数的手段四四上四四下五去一四去六进一

五五上五五去五进一

六

六上六六去四进一六上一去五进一

七

♦提供了一套计算规则（口诀）七上七七去三进一七上二去五进一

八

八上八八去二进一八上三去五进一

九

♦人按照规则进行计算九上九九去一进一九上四去五进一

二、减法

直减破五减退位减

一下一一上四去五一退一还九

三L

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E三nS二下二二上三去五二退一还八

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九层算盘

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I计算思维与智能计算基础

帕斯卡加法器一-第一台机械计算机

♦BlaisePascaI(1623〜1662),法国科学家。

1642年，研制成功--帕斯卡机。

♦齿轮传动。低位的齿轮每转动10圈，高位上的齿轮

只转动1圈。可以进行8位数的加法运算。

物盘卡,B.

帕斯卡：人的某些思维过程与机械过程没有差别,

因此可以设想用机械模拟人的思维活动。

意义：首次确立了计算机器的概念，开辟了自动

计算的道路。

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I计算思维与智能计算基础

莱布尼茨

♦GottfriedWiIheImLeibniz(1646〜1716),

德国数学家。。

♦莱布尼茨机：一种能够进行连续十进制运算

(加、减、乘、除)的机器，在进行乘法运算时

采用进位-加的方法，后来演化为二进制，被现

代计算机所采用。

♦意义：提出了“可以用机械代替人进行繁琐重

复的计算工作”的重要思想。

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计算思维与智能计算基础

其他重要工作

蕴含着程序控制思想的萌芽。

♦1805年：法国机械师杰卡德(J.Jacquard)根据布乔“穿孔纸带

”的构想完成了“自动提花编织机”的设计制作--一用连接按序的穿

孔卡控制编织的样式，实践了数据的输入手段问题。

♦1834年：巴贝奇设计了差分机、分析机。自动提花编织机

能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的处理过程。他的

助手、英国著名诗人拜伦的独生女阿达・奥古斯塔(AdaAugusta)为

分析机编制了人类历史上第一个计算机程序。

♦1854年：布尔创立布尔代数，为百年后出现的数字计算机的开关电

路设计提供了重要的理论基础。巴贝奇差分机

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I计算思维与智能计算基础

机电式计算机

♦把电器元件应用到了计算工具上，拉开了另一条实现自动计

算过程的途径。

♦1938年，德国科学家朱斯(KonradZuse)成功制造了世界

上第一台二进制计算机Z7；Z-3型计算机是世界上第一台通用

程序控制的机电式计算机。它全部采用继电器，第一次实现了Z-1计算机

浮点记数法'二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。

♦1944年，美国科学家艾肯(HowardAiken)成功研制了自动

顺序控制计算机MARK-I。它使用了3000多个继电器，各种导

线总长达800km以上。1947年艾肯又研制出速度更快的机电式

计算机MARK-IIo

自动顺序控制计算机MARK-I

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I计算思维与智能计算基础

电子计算机

♦1946年2月15日，世界公认的第一台“电子数字积

分式计算机”ENIAC(ElectronicNumericaI

IintegratorandCaleuIator)在美国的宾夕法尼亚

大学研制成功。

♦高速是ENIAC最突出的优点。18800个电子真空管、1500个继电

器及其它电子元器件，总重量近

采用电子器件代替了机械齿轮或电动机械来执行

♦30t,占地约170m2,耗电为

算术运算、逻辑运算和存储信息。150KW,运算速度可启每初5000

次加法或次乘法运算，相当于

♦ENIAC不能存储程序，需要用连线的方法来编辑程400

手工计算的20万倍或者继电器计

序，计算速度的优势被过长的准备时间抵消了。算机的1000倍。

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计算思维与智能计算基础

1.1.3计算模型—图灵机模型

阿兰•图灵(AlanTuring)

>"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

A提出了"图灵机〃和〃图灵测试"

ACM

AVTTrjTXGAW。。’

〃计算机界诺贝尔奖〃图灵奖

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I计算思维与智能计算基础

图灵机

通过建立指令、程序以及通用机器执行程序的理论模型，证明了

可以制造一种通用的机器计算所有能想象得到的可计算函数，这种理

论上的计算机后来被命名为“图灵机”O

…]口|颂]£“回Th&&

窿号头

n控制魏贾

由三部分组成：一条纸带，一个读写头和一个控制装置

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I计算思维与智能计算基础

图灵机

A读入一系列的“0”和“1”，就实现了某一基

本动作；

＞将多个最简单的图灵机进行组合，就可以实现

-

复杂的动作。输入筒戴0

0-

＞在£个过程,对基本动作的控制就成为指令，-0

/镉用机器

而指令的有序组合就构成了程序。数据、指令

由程序控制输

和程序都用0和1表示。10011101001100001.......

j入转换为网出

＞把程序看作是将输入数据转换为输出数据的一1ZSSSM

飙行完感

种变换函数，变换函数一步一步地实现，进而)

二

复杂系统也就实现了。

＞按照“程序”控制“基本动作”的思维，可以

模拟其他任何解决特定问题的图灵机，即“通

用图灵机”，也就是“通用计算机”的模型。

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I计算思维与智能计算基础

1.1.3计算模型——冯•诺依曼计算机模型

冯•诺依曼(JohnvonNeumann,

1903~1957)

＞美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家、化学家。

＞在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域

内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被后人称为〃

计算机之父〃和"博弈论之父〃。

＞六岁时能心算八位数除法，八岁时掌握微积分，十岁时

读完了四十八卷的世界史，十二岁读懂领会了波莱尔的

大作《函数论》要义。

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I计算思维与智能计算基础

冯•诺依曼计算机模型

冯•诺依曼提出的计算机设计思想概括起来有下面三个要点。

(1)采用二进制形式表示数据和指令。数据和指令在外观形式上并

没有区别，只是各自代表的含义不同。

(2)采用程序存储方式。存储程序和程序控制是冯•诺依曼计算机的

主要思想。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列(即

程序)及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存

储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中的一条

条指令，加以分析并执行规定的操作。

(3)计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5大部件组

成，并且确定了这5个部件的基本功能。

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I计算思维与智能计算基础

冯•诺依曼计算机模型

＞粗线代表数据流，指计算

机运行时的原始数据'中

冯•诺依曼计算机的结构间结果、结果数据及程序

等，它们在程序运行前已

经预先送至存储器中，而

且都是以二进制形式编码

的，在程序运行时数据被

送往运算器，程序指令被

送往控制器。

＞细线代表控制流，是由控

制器根据指令的内容发出

的控制命令，用来指挥计

算机各部件协调统一地执

行指令规定的各种操作或

运算，并对执行流程进行

控制。

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I计算思维与智能计算基础

第2节

计算机

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计算思维与智能计算基础

121计算机的发展

第一代第二代

(1946-1958)(1958~1964)

电子管晶体管

5千~4万(次/秒)几十万~百万(次/秒)

第三代

(1964~1971)

中小规模集成电路

百万~几百万(次/秒)

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I计算思维与智能计算基础

第一代一电子管计算机（1946

•内存延迟线或磁芯

•外存纸带、卡片或磁带卜手

•工作速度几千~一万次/秒y

•软件机器语言或汇编语言&

・应用科学计算

•代表机型ENIAC

•特点体积庞大，运算速度低，

成本高

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计算思维与智能计算基础

第二代——晶体管计算机（1954—964年）

物理元件晶体管

内存磁芯

・ns，■「।।

11II・，・i1M0dl..

外存磁带或磁盘（M*AnaaaeM«aMa>I

人类第一只

工作速度几十万次/秒晶体管（真空

软件高级算法语言二极管）,1947

应用事务管理及工业控制世界上第一台全

晶体管计算机

代表机型IBM7000系列TRADIC,1953

优点体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高

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计算思维与智能计算基础

第三代一一集成电路计算机（1964—1970年）

物理元件中小规模集成电路（硅）

内存半导体存储器

外存磁带或磁盘

工作速度几十万~几百万次/秒

软件高级算法语言、操作系统

应用计算、管理及控制

代表机型IBMSystem/360

优点体积更小、速度更快、能耗更小、寿命更长

发展特点计算机设计出现了标准化、通用化、系列化的局面

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计算思维与智能计算基础

第

代

四r大规模集成电路计算机（年至今）

物1970

理

.兀

.内（超）大规模集成电路摩尔定律--每18个月芯片能力增长一倍

.存

.外半导体存储器

作

.存

.工磁盘和光盘

.速

.软几百万~几千万次/秒

.件

.应操作系统和应用软件

用以计算机网络为特征

一

jllllllllllllllll

第四代计算机一个人计算机,1981VLSI芯片及其封装的内部电路

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I计算思维与智能计算基础

我国计算机的发展历程

类型时间代表机型重要意义

电子管计算机1958—1964年小型电子管通用计算机103机我国第一台电子计算机

晶体管计算机1965—1972年大型晶体管计算机109乙、109丙主要用于两弹试验

1973年一1974年集成电路小型计算机DJS-130掌握集成电路小型机技术

世纪

20801977年微型计算机DJS-050我国第一台微型计算机

集成电路计算机年代初

我国能够独立设计和制造巨型机

1983年银河巨型机

-I的标志

1985年长城0520CH微机系列微机产业化的里程碑

1992年起银河系列巨型计算机

20世纪801993年起曙光系列超级计算机

年代中期我国超级计算机技术已经处于世

大规模超大规模集年

至今1999神威I超级计算机界领先地位

成电路计算机

2009年起天河系列超级计算机

2010年起星云超级计算机

2001年起“龙芯”微处理器芯片及其系列

我国第一款通用CPU芯片

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计算思维与智能计算基础

我国巨型机机微处理器的发展

神威•太湖之光“龙芯”3号

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I计算思维与智能计算基础

TOP500

•2013年6月，中国国防科技大学研制的〃天河二号〃超级计算机以每秒

33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机，之后它在

TOP500榜单上连续六度称雄。

•2016年6月，由中国国家并行计算机工程技术研究中心研制的〃神威太

湖之光〃超级计算机横空出世。它以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度在

TOP500榜单中夺冠，更重要的是〃神威•太湖之光〃实现了包括处理器

在内的所有核心部件的全部国产化。至此，中国计算能力超过每秒千万

亿次的上榜系统已从2008年6月的一台增至2016年的117台，与美国上

榜数量持平。到2017年11月，“神威•太湖之光〃第四次蝉联冠军。

•2020年6月的TOP500榜单中，〃神威太湖之光〃位列第四，〃天河二

号〃位列第六。

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I计算思维与智能计算基础

122计算机基础知识L计算机的分类

（1）高性能计算机（2）微型计算机（3）工作站

（4）服务器（5）嵌入式计算机

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计算思维与智能计算基础

2.计算机的发展趋势

(1)巨型化：可进行大规模、复杂计算

2010.11,超级计算机500强第一名：天河一号A-中国

14336颗IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器

2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器

7168块NVIDIATeslaM205嘀性能计算卡

总计：个核心，内存。

实测运算速度可以达到(这意味着，

它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年)

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I计算思维与智能计算基础

(2)微型化：可嵌入、可携带

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计算思维与智能计算基础

水下机器人

(3)智能化：理解自然语言，具

有自适应性，自主完成复杂功能

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计算思维与智能计算基础

(4)网络化

InternetofServicesForpeopleInternetof3DWorlds

机-机相联

物-物相联

InternetofNetworks物-人相联

人-人相联

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计算思维与智能计算基础

Yes,youCan

3.新型计算机haveone.

(1)量子计算机

•量子计算机是一种基于量子理论的

计算机。

•量子比特(quantumbit),可以2007年，加拿大计算机公司D-Wave

同时处在多个状态，在量子计算机展示了全球首台量子计算机

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计算思维与智能计算基础

(2)生物计算机

•以生物芯片取代集成

了数以万计晶体管的

半导体硅片

•涉及到了计算机科学、DNA

脑科学、神经生物学、

分子生物学、生物物

理、生物工程、电子

工程、物理学和化学

等众多学科。

生物计算机生物计算机

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I计算思维与智能计算基础

(3)光子计算机

・光子计算机由光学反射镜、透镜、

滤波器等光学元件和设备组成。

有模拟式与数字式两类光子计算机。

2022/2/439

I计算思维与智能计算基础

4.计算机应用的新模式

(1)云计算各类用户£企业/政府/学人机构/个人等