第1章 计算机与计算思维

大学计算机基础第1章计算机与计算思维教学内容Contents计算机概述1计算思维21.1计算机概述1.1.1计算机的发展1.1.2计算机的特点1.1.3计算机的分类1.1.4计算机的应用领域1.1.5未来计算机1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前6000年——绳结计数1.1.1计算机的发展1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前1600年——甲骨文计数1.1.1计算机的发展1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元前770年——算筹计数1.1.1计算机的发展1600B.C.6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1200年——算盘

1.1.1计算机的发展1600B.C.1.1.1计算机的发展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1834年——分析机1600B.C.1.1.1计算机的发展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1936年——图灵机1600B.C.1.1.1计算机的发展6000B.C.770B.C.A.D.1200A.D.1834A.D.1936A.D.1946公元1946年2月——ENIAC1.1.1计算机的发展

分析机的产生

诞生时间：1834年

发明者：英国数学家巴贝奇

主要功能：自动计算有100个变量的复杂算题，每个数达25位

运算速度：每秒钟1次

主要构成：“存储库”、“运算室”、“控制器”（并未正式命名）1.1.1计算机的发展图灵机的产生

诞生时间：1936年

发明者：英国数学家阿兰·图灵（计算机科学的奠基人）主要贡献：理想计算机的通用模型——图灵机提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。1.1.1计算机的发展世界上第一台计算机：电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，简称ENIAC）诞生时间1946年2月重量30t面积170m2功率150kW运算速度每秒执行5000次加法或400次乘法真空管18800耗电150000W1.1.1计算机的发展1.1.1计算机的发展

“存储程序”思想的产生

诞生时间：1946年6月

发明者：美籍匈牙利数学家冯·诺依曼 （计算机之父）

运算速度：ENIAC的240倍。第一台“存储程序”的计算机TheElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC1.1.1计算机的发展发展阶段电子器件（硬件/微电子）运算速度软件主要应用第一代计算机（1946-1956）电子管VacuumTubes几千次/秒机器语言汇编语言科学计算第二代计算机（1957-1964）晶体管Transistors几十万次/秒高级语言操作系统数据处理事务处理第三代计算机（1965-1970）中、小规模集成电路IntegratedCircuits几百万次/秒结构化程序设计文字、图像处理第四代计算机（1971至今）大规模和超大规模集成电路Microchips

几十亿次/秒面向对象程序设计各个领域1.1.1计算机的发展第一代计算机

起止年代：1946-1956

电子器件：电子管运算速度：几千次/秒

应用软件：机器语言、汇编语言

主要应用：科学计算

代表机型：ENIAC,EDVAC等1.1.1计算机的发展第二代计算机

起止年代：1957-1964电子器件：晶体管

运算速度：几十万次/秒

应用软件：高级语言、操作系统

主要应用：数据处理、事务处理1.1.1计算机的发展第三代计算机

起止年代：1965-1970

电子器件：中、小规模集成电路

运算速度：几百万次/秒

应用软件：结构化、程序设计

主要应用：文字、图像处理

代表机型：IBM360、PDP111.1.1计算机的发展1.1.1计算机的发展第四代计算机

起止年代：1970-今

电子器件：大规模、超大规模集成电路

运算速度：几十亿次/秒

应用软件：面积对象、程序设计

主要应用：各个领域

代表机型：微型计算机1.1.1计算机的发展1.1.2计算机的特点

运算速度快

计算精度高存储功能强具有逻辑判断能力具有自动运行能力1.1.2计算机的特点

世界上运算速度最快的计算机——Jaguar运算速度：1750万亿次/秒1.1.3计算机的分类

按照计算机运算的速度、字长、存储容量、软件配置等多方面的综合性能指标可将计算机分为：高性能计算机微型计算机工作站嵌入式计算机1.高性能计算机

用途：国防、航空航天、医学、地质学等。特点：运算速度快、可靠性高、功能强大。2.微型计算机

用途：个人、小规模数据处理特点：体积小、通用性强、价格低廉等。核心：微处理器（MicroprocessorUnit）2.微型计算机

起始年代字长代表产品第一代

1971~19774~8位Intel4004(1971)

Intel8080(1974)第二代1978~198416位Intel8086(1978)286微机第三代1985~199232位Intel80386Intel80486第四代1993~今64位奔腾等3.工作站

用途：专业应用领域，如数据运算与图形、图像处理能力，软件开发，金融管理等。特点：体积小、通用性强、价格低廉等。3.工作站

目前最好的工作站之一——HPZ800处理器IntelXeonW55803.2GHz处理器数量/最高

2/2内存/最大6*4GB/192GB硬盘/托架300GB/5块3.5英寸SATA/SAS硬盘，或6块2.5英寸SATA硬盘显存4G网络适配器2个集成千兆以太网卡3.工作站

惠普Z系列工作站（HPZWorkstationseries）4.嵌入式计算机

用途：军事、通信、民用机电等各种电子设备。特点：体积小、结构紧凑、嵌入各种设备及应用产品内部。1.1.4计算机的应用领域

1.科学计算2.数据处理3.过程控制4.计算机辅助系统5.人工智能6.电子商务1.科学计算

定义：科学计算又称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。用途：天文学、量子化学、空气动力学、核物理学、天气预报等。2.数据处理

定义：数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，如分析、合并、分类和统计等，最后形成有用的信息。用途：办公自动化、企业管理、事务管理和情报检索等。3.过程控制

定义：过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按系统要求迅速地对控制对象进行控制。用途：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等。4.计算机辅助系统

计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。计算机辅助设计（Computer-AidedDesign,CAD）计算机辅助制造（Computer-AidedManufacturing,CAM）计算机辅助教育（Computer-AidedEducation,CAE）5.人工智能

定义：人工智能一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。6.电子商务

定义：电子商务是在Internet的广阔联系与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上互联的动态商务活动。购物网站：淘宝网：卓越网：/当当网：/1.1.5未来计算机计算机的发展趋势网络化多媒体化微型化巨型化非冯·诺依曼结构模式发展智能化1.巨型化

巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。2.微型化

微型化是指进一步提高集成度。利用高性能的超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型计算机。2.微型化

直径6英寸的圆球形电脑——E-Ball2.微型化

支架和鼠标的打开方式OPENINGTHESTANDSDETACHINGTHEOPTICALMOUSE2.微型化

投影和键盘的启动PWERONACTIVATINGTHELASERKEYBOARD2.微型化

使用状态READYFORUSE2.微型化

使用状态THEPAPERSHEETHOLDER2.微型化

利用纸架来进行工作THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEET2.微型化

软件界面THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE2.微型化

应用设想THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE2.微型化

设计理念THEPAPERSHEETHOLDERWORKINGONPAPERSHEETSOFTWAREINTERFACE3.多媒体化

多媒体是指“以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通信等融为一体的信息环境”。4.网络化

网络化就是用通信线路把各自独立的计算机连接起来，形成各计算机用户之间可以相互通信并使用公共资源的网络系统。5.智能化计算机的智能化就是指计算机具有人的智能。发展非冯·诺依曼结构模式

1.光子计算机（PhotonicComputer）2.生物计算机（BiologicalComputer）3.量子计算机（QuantumComputer）1.光子计算机（PhotonicComputer）

光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储的计算机。工作原理：用极细的闪烁光速来代替电流，接通表示1，断开表示0将数据流通过反射镜和棱镜投射到需要数据的地方。2.生物计算机（BiologicalComputer）

（1）以生物界处理问题的方式为模型的计算机。（2）在半导体芯片上加入生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。3.量子计算机（QuantumComputer）

量子计算机是遵循量子力学规律进行高速运算、存储及处理量子信息的计算机。1.2

计算思维1.2.1什么是计算思维1.2.2计算思维能力的培养1.2.1什么是计算思维

从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，科学思维可分为理论思维、实验思维和计算思维三种。理论思维又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验思维又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算思维又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2.1

什么是计算思维

计算思维(ComputationalThinking)形象地说就是“像计算机科学家那样思考问题”。美国卡内基·梅隆大学周以真教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为的科学方法。计算思维以设计和构造为特征，涵盖了计算机科学领域的一系列思