计算机与计算思维概述.ppt
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1、,大学计算机基础(第一章)计算机与计算思维概述,华南农业大学信息学院主讲教师林旭东Email,第一章 计算机与计算思维概述,在信息化时代,掌握一定的计算机软硬件基础知识,能够使用计算机处理日常事务,能够通过网络获取信息及相互交流,学会在数据处理中所体现的计算思维能力,是每个大学生应知应会的基本知识和能力。本章从计算机的起源开始,介绍计算机的发展史和特点、类型及应用,以及计算机的未来发展趋势,信息技术的基础知识,最后介绍计算思维的相关概念。,1.1 计算机基础知识,这是一幅很著名的人类进化幽默图,1.1 计算机基础知识,计算机发展历史上的重要人物和思想,(1)早期的计算工具,美国著名科普大师阿西
2、莫夫说过,人类最早的“计算机”是手指,英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”。,中国数学史专家考证,大约在新石器时代早期,先民使用的“计算机”是结绳,即用绳子打结的多少来表示数的概念。,1.1 计算机基础知识,公元前5世纪,中国人发明了算盘,广泛应用于商业贸易中,算盘被认为是最早的计算机,并一直使用至今。,计算工具的源头可以上溯至2000多年前的春秋战国时代,古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具。,1.1 计算机基础知识,钟表业,特别是齿轮传动装置技术的发展,诞生了最早的机械式计算机。下面我们通过介绍几位对计算机发展有过突出贡献的早期历史人物,阐述计算发展的历程。,(2)
3、机械式计算机,帕斯卡 莱布尼茨 巴贝奇 爱达,机械式计算机时代的代表人物,该加法机可完成六位数字的加减法。它的设计原理对其后的计算机产生了深远的影响。,法国物理学家帕斯卡(1623-1662):在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成,靠手摇发条驱动,用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。,1.1 计算机基础知识,德国数学家莱布尼茨:在1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机,也是由一系列齿轮组成,但它能够连续重复地做加减法,从而实现了乘除运算。据记载,莱布尼兹曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。,1.1 计算机基础知识,1.1 计算机基础知识,英国女数学家爱达(
4、1815-1852):巴贝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上“第一件计算机程序”。她还建议分析机用二进制存储。预言分析机能唱歌、绘画。,英国数学家巴贝奇:1822年,在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器,可以保存3个5位数字,计算精度可以达到6位小数。,1.1 计算机基础知识,(3)机电式计算机,19世纪末,电学技术的发展使人们开始设计电气控制的自动计算工具。1888年,美国人赫尔曼霍列瑞斯发明了制表机。它采用穿孔卡片表示数据的是与非,探针穿过卡片上的孔洞和水银接触,把电流接通,同时启动计数装置前进一个刻度的方法进行自动计数,并成功应用于1890年的美国人口普查。依靠
5、制表机,他创办了制表机公司,即后来的IBM公司。,1944年,在美国物理学家艾肯指导下,马克1号计算机研制成功。它是全机电式的计算机,采用了数千枚继电器代替齿轮传动,仍然采用十进制,它是世界上第一台通用程序控制计算机。,1.1 计算机基础知识,(4)计算机理论奠基人,1847年,英国数学家布尔设计了一套表示逻辑理论的基本概念和符号,用1和0表示命题的真与假,用“与”、“或”、“非”表示命题间的运算关系,这就是成为现代电子计算机数学和逻辑基础的布尔代数。,1938年,美国数学家香农首次将布尔代数和继电器开关电路联系起来,创立了开关电路理论。从理论到技术彻底改变了数字电路的设计方向,不仅使将来的电
6、子计算机能够进行数值运算,还能够进行非数值运算。可以说,如果没有香农的这一思想,现代的电子计算机是无法研制成功的。,英国数学家布尔,美国数学家香农,英国科学家阿兰图灵(理论计算机的奠基人),1.1 计算机基础知识,在现代计算机发展史上,最具影响力的两个代表人物是阿兰图灵和冯诺依曼。,美籍匈牙利数学家冯诺依曼(计算机鼻祖),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“计算”这一过程分解为如下步骤:根据眼睛看到纸上的符号,脑中思考相应的法则;指示手中的笔在纸上写上或擦去一些符号;再改变眼中所看到的范围;如此继续,直到认为计算结束为止。,1.1 计算机基础知识,图灵机示意图,控制
7、器(含运算功能),读写头(输入输出设备),纸带(存储器),图灵机:这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器,隐含了现代计算机中“存储程序”的基本思想。半个世纪以来,数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。,1.1 计算机基础知识,姚期智:2000年首位获奖图灵奖的华裔学者,后人模拟的图灵机结构图,七十多年来,现代计算机基本结构仍然是“冯诺依曼计算机”。,计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备五大部件组成;应采用二进制简化机器的电路设计;采用“存储程序”技术,以便计算机能保存指令和数据并能够自动依次执行指令,消除计算过程中的人工干预等。,1.1 计算机基础知识,冯诺依曼
8、提出的存储理论:,(该理论奠定了其计算机鼻祖的地位),1.1 计算机基础知识,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台电子数字计算机,取名ENIAC。由此诞生了“第一个电子的大脑”,重30吨,占地167m2,耗电150千瓦主要元件为电子管、继电器,可保存80个字节,每秒钟做5000次加减法或400次乘法运算。,致命缺陷:没有存储程序。,1.1.2 电子计算机发展历程,具有划时代意义,第一代计算机 19461958年 以电子管为主要元件 代表机型:ENIAC,1.1 计算机基础知识,未来的第五代计算机是智能计算机,1.1 计算机基础知识,电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。,第四代
9、计算机 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机,1.1 计算机基础知识,1.1.3 计算机类型,IBM系列大型机,IBM系列小型机,全能型图形工作站,IBM PC系列服务器,嵌入式计算机模块,微型计算机,银河系列巨型机,1.1 计算机基础知识,计算机是一种能按照事先存储的程序,自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。,运算速度快,计算精度高,存储容量大,具有逻辑判断能力,按照程序自动运行,计算机特点,1.1.4 计算机的特点及应用领域,1.1 计算机基础知识,科学计算,数据处理,过程与实时控制,人工智能,计算机辅助设计
10、与制造,计算机应用领域,远程通信与网络应用,多媒体与虚拟现实,20年前上课提出:计算机应用在哪方面?现在上课时提出:哪些地方不用计算机?,巨型化,存储容量大、运算速度达每秒百万亿、千万亿次的巨型机是衡量一个国家科技实力的指标之一。,1.1.5 未来的计算机,1.1 计算机基础知识,计算机正向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。,2009年,我国成功研制出每秒1206万亿次的“天河一号”超级计算机,成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次计算机的国家。,1.1 计算机基础知识,2010年,改进后的“天河一号”以峰值速度4700万亿次、持续速度2570万亿次每秒浮点运算的优异性能位居当年世界
11、第一。2013年,“天河二号”超级计算机系统,以峰值计算速度每秒5.49亿亿次,持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的性能,成为当年全球最快超级计算机。这是继“天河一号”之后,中国超级计算机再次夺冠。,天河一号,天河二号,每秒3.39亿亿次!“天河二号”成为2013年全球最快计算机。,1.1 计算机基础知识,光计算机,用光子器件替代电子器件。,1.1 计算机基础知识,从目前的研究情况看,未来的新型计算机可能在以下三方面取得突破:,生物计算机,用生物工程技术生产的蛋白质分子作元件制成集成电路,称为生物芯片。使用生物芯片的计算机称为蛋白质计算机,或称为生物计算机。,量子计算机,利用处于多态
12、的原子进行计算。,1.2 计算机系统构成,1.2.1 计算机硬件系统,1.2 计算机系统构成,以最为常见的台式机为例,从外观上看,台式机由几个部件构成:显示器、键盘、机箱、鼠标等。实际上这些并不是计算机最重要的部分。计算机最主要的工作实际上是由那些被机箱遮盖住的部件完成的,它们才是计算机系统中最重要的部分。计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。(详见第三章介绍),应用软件:是指用户为解决各种实际问题而编写的程序。分两类:一类是针对某个应用领域的具体问题开发的程序;第二类是一些大型专业软件公司开发的通用型应用软件。,系统软件:位于计算机系统最靠近硬件的一层,其他软件一般
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