第1章 计算、计算机和计算思维
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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。
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
11
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----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。
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
9
帕斯卡加法器----第一台机械计算机
Blaise Pascal (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。 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。
1944年，美国科学家艾肯（Howard Aiken）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-Ⅱ。
自动顺序控制计算机MARK-Ⅰ 7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 13
依据卫星云图进行气象预报
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
25
3. 计算机的应用----数据处理
利用计算机技术解决企业内部、企 业之间的业务管理与协同问题。 企业资源规划(ERP) 供应链管理(SCM) 物流管理(Logistics) 人力资源管理(HRM) 项目管理(PM) 客户关系管理(CRM) 数据库系统和软件工程是数据处理 的重要基础。
7/7/2016 18800个电子真空管、1500个继电器及其 它电子元器件，总重量近30t，占地约 170m2，耗电为150KW，运算速度可达每 秒5000次加法或400次乘法运算，相当于 手工计算的20万倍或者继电器计算机的 1000倍。 14
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
1.2
计算机
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
15
1.2.1计பைடு நூலகம்机的发展
第一代 （1946~1958） 电子管 5千~4万（次/秒） 第二代 （1958~1964） 晶体管 几十万~百万（次/秒）
第四代 （1971年以后） 大集成电路 几百万~几亿（次/秒）
2016/7/7
第三代 （1964~1971） 中小规模集成电路 百万~几百万（次/秒）
16
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
第一代——电子管计算机（1946—1954年）
• 内 存 延迟线或磁芯 • 外 存 纸带、卡片或磁带 • 工作速度 几千～一万次／秒 • 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
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 10
莱布尼茨
Gottfried Wilhelm Leibniz (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
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 5
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。
7/7/2016
摩尔定律----每18个月芯片能力增长一倍
第四代计算机—个人计算机,1981 2016/7/7
VLSI芯片及其封装的内部电路
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
我国计算机的发展历程
类型 电子管计算机 晶体管计算机 时间 1958—1964年 1965—1972年 1973年— 20世纪80 年代初 1974年 1977年 1983年 1985年 1992年起 大规模超大规模集 成电路计算机 20世纪80 年代中期 至今 1993年起 1999年 2009年起 2010年起 2001年起 代表机型 小型电子管通用计算机103机 大型晶体管计算机109乙、109丙 集成电路小型计算机DJS-130 微型计算机DJS-050 银河-I巨型机 长城0520CH微机 银河系列巨型计算机 曙光系列超级计算机 神威I超级计算机 天河系列超级计算机 星云超级计算机 “龙芯”微处理器芯片及其系列 我国第一款通用CPU芯片 我国超级计算机技术已经处于世 界领先地位 重要意义 我国第一台电子计算机 主要用于两弹试验 掌握集成电路小型机技术 我国第一台微型计算机 我国能够独立设计和制造巨型机 的标志 系列微机产业化的里程碑
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（Ada Augusta）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。
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
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Richard M. 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。
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（Electronic Numerical Integrator and Calculator）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。
采用电子器件代替了机械齿轮或电动机械来执 行算术运算、逻辑运算和存储信息。 ENIAC不能存储程序，需要用连线的方法来编辑 程序，计算速度的优势被过长的准备时间抵消了。
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
第二代——晶体管计算机（1954—1964年）
• 物理元件 晶体管 • 内 存 磁芯 • 外 存 磁带或磁盘 • 工作速度 几十万次／秒 • 软 件 高级算法语言 • 应 用 事务管理及工业控制 世界上第一台全晶体管 计算机TRADIC，1953 • 代表机型 IBM 7000 系列 • 优 点 体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
23
2. 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
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
24
3. 计算机的应用--科学计算
科学计算也称为数值计算 , 对科学研究和工程技术中提 出的数学模型进行求解计算。 数学模型：几十阶微分方程 组、几百个线性联立方程组、 大型矩阵等
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
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 7
1.1.2计算工具的探索
手动式 计算工 具
IBM System/360 大型机
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
第四代——大规模集成电路计算机（1970年至今）
• 物理元件 （超）大规模集成电路 • 内 存 半导体存储器 • 外 存 磁盘和光盘 • 工作速度 几百万～几千万次／秒 • 软 件 操作系统和应用软件 • 应 用 以计算机网络为特征
电子 计算机
计算 工具
机械式 计算工 具
机电式 计算机
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
8
算盘
提供了计算过程中存储数的手段
提供了一套计算规则(口诀)
人按照规则进行计算
珠算珍品 九层算盘
一、加法 直加 满五加 进十加 一: 一上一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 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: 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: 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 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
Taiyuan University of Technology
大学计算机基础 我们毕业啦
其实是答辩的标题地方
计算机科学与技术学院 计算机基础教学部
1.1 1.2 1.3 1.4
计算 计算机 计算模型 计算机系统
第一章 计算、计 算机与计算思维
7/7/2016
1.5
计算思维
本章总结
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
6
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。
巴贝奇差分机
12
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（Konrad Zuse）成功制造了世界上
第一台二进制计算机Z-1；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，第一次实现了浮
Z-1计算机
点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。
2016/7/7 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
人类第一只晶体管 (真空二极管),1947
第三代——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 IBM System /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
2
1.1
计算
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
3
公元480 年 7位
1950年 2037位
1955年 3089位
15世纪 初15位
1989年 4.8亿位
1610年 35位
1948年 808位
2011年 10万亿 位
4
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
集成电路计算机
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
我国巨型机机微处理器的发展
天河二号
“龙芯”3号
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
1.2.2计算机基础知识
1. 计算机的特点
（1）运算速度快 （2）计算精度高 （3）具有记忆能力 （4）具有逻辑判断能力 （5）具有自动执行能力
7/7/2016
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11
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----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。
7/7/2016
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
9
帕斯卡加法器----第一台机械计算机
Blaise Pascal (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。 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。
1944年，美国科学家艾肯（Howard Aiken）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-Ⅱ。
自动顺序控制计算机MARK-Ⅰ 7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 13
依据卫星云图进行气象预报
2016/7/7
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25
3. 计算机的应用----数据处理
利用计算机技术解决企业内部、企 业之间的业务管理与协同问题。 企业资源规划(ERP) 供应链管理(SCM) 物流管理(Logistics) 人力资源管理(HRM) 项目管理(PM) 客户关系管理(CRM) 数据库系统和软件工程是数据处理 的重要基础。
7/7/2016 18800个电子真空管、1500个继电器及其 它电子元器件，总重量近30t，占地约 170m2，耗电为150KW，运算速度可达每 秒5000次加法或400次乘法运算，相当于 手工计算的20万倍或者继电器计算机的 1000倍。 14
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1.2
计算机
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15
1.2.1计பைடு நூலகம்机的发展
第一代 （1946~1958） 电子管 5千~4万（次/秒） 第二代 （1958~1964） 晶体管 几十万~百万（次/秒）
第四代 （1971年以后） 大集成电路 几百万~几亿（次/秒）
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第三代 （1964~1971） 中小规模集成电路 百万~几百万（次/秒）
16
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第一代——电子管计算机（1946—1954年）
• 内 存 延迟线或磁芯 • 外 存 纸带、卡片或磁带 • 工作速度 几千～一万次／秒 • 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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莱布尼茨
Gottfried Wilhelm Leibniz (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
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 5
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。
7/7/2016
摩尔定律----每18个月芯片能力增长一倍
第四代计算机—个人计算机,1981 2016/7/7
VLSI芯片及其封装的内部电路
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
我国计算机的发展历程
类型 电子管计算机 晶体管计算机 时间 1958—1964年 1965—1972年 1973年— 20世纪80 年代初 1974年 1977年 1983年 1985年 1992年起 大规模超大规模集 成电路计算机 20世纪80 年代中期 至今 1993年起 1999年 2009年起 2010年起 2001年起 代表机型 小型电子管通用计算机103机 大型晶体管计算机109乙、109丙 集成电路小型计算机DJS-130 微型计算机DJS-050 银河-I巨型机 长城0520CH微机 银河系列巨型计算机 曙光系列超级计算机 神威I超级计算机 天河系列超级计算机 星云超级计算机 “龙芯”微处理器芯片及其系列 我国第一款通用CPU芯片 我国超级计算机技术已经处于世 界领先地位 重要意义 我国第一台电子计算机 主要用于两弹试验 掌握集成电路小型机技术 我国第一台微型计算机 我国能够独立设计和制造巨型机 的标志 系列微机产业化的里程碑
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（Ada Augusta）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。
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
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Richard M. 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。
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（Electronic Numerical Integrator and Calculator）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。
采用电子器件代替了机械齿轮或电动机械来执 行算术运算、逻辑运算和存储信息。 ENIAC不能存储程序，需要用连线的方法来编辑 程序，计算速度的优势被过长的准备时间抵消了。
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
第二代——晶体管计算机（1954—1964年）
• 物理元件 晶体管 • 内 存 磁芯 • 外 存 磁带或磁盘 • 工作速度 几十万次／秒 • 软 件 高级算法语言 • 应 用 事务管理及工业控制 世界上第一台全晶体管 计算机TRADIC，1953 • 代表机型 IBM 7000 系列 • 优 点 体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高
2016/7/7
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23
2. 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
2016/7/7
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24
3. 计算机的应用--科学计算
科学计算也称为数值计算 , 对科学研究和工程技术中提 出的数学模型进行求解计算。 数学模型：几十阶微分方程 组、几百个线性联立方程组、 大型矩阵等
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
7/7/2016 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部 7
1.1.2计算工具的探索
手动式 计算工 具
IBM System/360 大型机
2016/7/7
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第四代——大规模集成电路计算机（1970年至今）
• 物理元件 （超）大规模集成电路 • 内 存 半导体存储器 • 外 存 磁盘和光盘 • 工作速度 几百万～几千万次／秒 • 软 件 操作系统和应用软件 • 应 用 以计算机网络为特征
电子 计算机
计算 工具
机械式 计算工 具
机电式 计算机
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8
算盘
提供了计算过程中存储数的手段
提供了一套计算规则(口诀)
人按照规则进行计算
珠算珍品 九层算盘
一、加法 直加 满五加 进十加 一: 一上一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 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: 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: 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 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
Taiyuan University of Technology
大学计算机基础 我们毕业啦
其实是答辩的标题地方
计算机科学与技术学院 计算机基础教学部
1.1 1.2 1.3 1.4
计算 计算机 计算模型 计算机系统
第一章 计算、计 算机与计算思维
7/7/2016
1.5
计算思维
本章总结
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太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
6
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。
巴贝奇差分机
12
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（Konrad Zuse）成功制造了世界上
第一台二进制计算机Z-1；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，第一次实现了浮
Z-1计算机
点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。
2016/7/7 太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
人类第一只晶体管 (真空二极管),1947
第三代——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 IBM System /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
2
1.1
计算
7/7/2016
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3
公元480 年 7位
1950年 2037位
1955年 3089位
15世纪 初15位
1989年 4.8亿位
1610年 35位
1948年 808位
2011年 10万亿 位
4
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集成电路计算机
2016/7/7
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我国巨型机机微处理器的发展
天河二号
“龙芯”3号
2016/7/7
太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部
1.2.2计算机基础知识
1. 计算机的特点
（1）运算速度快 （2）计算精度高 （3）具有记忆能力 （4）具有逻辑判断能力 （5）具有自动执行能力