计算机文化与计算思维
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第一章 计算机文化与计算思维
1.1 引言 1.2 计算机的诞生和发展 1.3 计算思维基础
.
1
1.1 引言
人类为什么要发明计算机？
■ 人的计算速度很低
◆ 祖冲之计算π至小数点后7位数用了15年
◆ 计算30×30的行列式需要几个人年
◆ 中国第一棵原子弹研制时，数百位科学家在大礼堂打算盘
■ 早期的计算工具
电子计算机时代
ENIAC .
1833 分析机
计算机的起源
计算机发展史
算筹 中国最早的计算工具
算筹是我国古代的计 算工具。「筹」即小竹 棍或小木棍﹝也有用骨 或金属材料制成的﹞， 古人用它来进行计算， 称为算筹。
.
计算机发展史 公元600年左右，我 国出现新的计算工 具——算盘。
.
机械式计算机
1642年，年仅19岁的法国伟大 科学家帕斯卡引用算盘的原理 ，发明了第一部机械式计算器 ，在他的计算器中有一些互相 联锁的齿轮，一个转过十位的 齿轮会使另一个齿轮转过一位 ，人们可以像拨电话号码盘那 样，把数字拨进去，计算结果 就会出现在另一个窗口中，但
.
15
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的分类
按用途分类
通用机 专用机
按综合性能 指标分类
高性能计算机（巨型机或大型机）：
速度最快、处理能力最强、 最快：Titan 每秒2亿亿次浮点运算 中国：天河1A 每秒4.70千万亿次浮点运算 第8 微型计算机：
桌面型计算机、笔记本电脑、平板电脑、移动设备
一切直觉上能行可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦然
邱奇－图灵论题
可计算的：图灵机可计算的就是可计算的
世界上的问题
不可计算的
图灵的贡献
图灵机模型：解决了可计算问题 计算机的理论问题
计算机科学之父
图灵测试：回答了什么样的机器具有智能
人工智能的理论基础 人工智能之父
美国计算机学会ACM于1966年创立了“图灵奖”
◆ 发展趋势：微来自百度文库化、巨型化、网络化和智能化 ◆ 未来新型计算机
① 光计算机 利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储 不同波长的表示不同的数据 优点：超高速 缺点：体积庞大
② 生物计算机（分子计算机） 20 世 纪 80 年 代 中 期 开 始 研 制 采用了生物芯片
③ 量子计算机 利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机， 这种多现实态是量子力学的标志。
倍、手工计算的20万倍。
.
1.1 引言
◆ 计算器 1673年
◆ 差分机和分析机 查尔斯.巴贝奇
德国Gottfried Leibniz，机械式 可进行加、减、乘、除和开方
1812年差分机
1834年分析机
分析机：体现了现代电子计算机的结构、设计思想
被称为现代通. 用计算机的雏形
9
1.2 计算机的诞生和发展
运算速度 每秒几千次 每秒几十万次
软件 机器语言 汇编语言
高级语言
三 64-70
集成电路
每秒几百万次
操作系统
四 71年迄今 大规模集成电路 达到每秒亿亿次 数据库、网络等
应用
科学计算 军事领域 数据处理 工业控制 文字处理 图形处理
各个领域
电子管
晶体. 管
集成电路
大规模集成电14路
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的诞生
图灵机、ENIAC和冯·诺依曼体系结构在理论上、工作原理、体系结 构上奠定现代电子计算机的基础
◆ 图灵机(Turing machine，TM ) 阿兰·图灵（Alan Mathison Turing ，1912—1954） 解决问题；什么是计算？什么是可计算性？ 组成：计算X+1的图灵机M
工作站：介于PC与小型机之间高档微机系统
高分辨率、大容量内外存，图形功能较强
服务器：网络环境中对外提供服务的计算机系统
嵌.入式计算机：数量超过PC
16
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的应用类型
◆ 算 筹 春秋战国时期 世界上最早的计算工具
◆ 算 盘 中国唐代
第一种手动式计数器 沿有至今
◆ 计算尺 1622年 ◆ 加法器 1642年
手动式，上世纪70年代被计算器取代 可进行加、减、乘、除、指数、三角函数
. 机械式，只能做加法
2
计算机发展史
人类追求的计算工具
加法器 1642 Blaise Pascal 1822 差分机
读写头
（1）M的状态：接受状态、进位状态。初始时处于进位状态。 （2）从右向左扫描纸带。
进位状态：读读到到10，.或则空改白写，为则0改，写状1态，保进住入不接变受，状读态写，头立左即移停。机；
纸带
10
1.2 计算机的诞生和发展
图灵机的能力=高级程序设计语言=现代通用计算机
邱奇、图灵和哥德尔断言：
采用二进制 存储程序：程序和数据一起存储在内存中 五个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
奠定了现代计算机体系结构和工作原理 迄今为止的计算机都采用这种思想，称为冯·诺依曼计算机
.
13
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的分代
时代 年份
器件
一 46-58
电子管
二 58-64
晶体管
. 点后6位
第一台电子计算机（ENIAC）
计算机发展史
ENIAC：长30.48米，宽1米，占 地面积170平方米，30个操作台， 约相当于10件普通房间的大小， 重达30吨，耗电量150千瓦，造 价48万美元。它使用18000个电 子管，70000个电阻，10000个电 容，1500个继电器，6000多个开 关，每秒执行5000次加法或400 次乘法，是继电器计算机的1000
.
11
1.2 计算机的诞生和发展
◆ ENIAC（电子数字积分计算机） 1946.2~1955.10 宾州大学
每秒5千次加减运算 没有存储器 采用十进制
第一款商用计算机：UNIVAL 1947年，莫奇莱和埃克特
仅表明电子计算机时代的到来
.
12
1.2 计算机的诞生和发展
◆ 冯·诺依曼体系结构计算机 人类第二台计算机；EDVAC（离散变量自动电子计算机） 1945年 冯·诺依曼参与研制并且发表：关于 EDVAC的报告草案
是只能做加减计算。 .
计算机发展史
Blaise Pascal 帕斯卡
巴贝奇的分析机
查尔斯.巴贝奇 1834年设计的分析机
1812年差分机
是历史上最早的专
由许多轮子组成的保存数据的存储库； 运算装置；能对操作顺序进行控制，并选
用计算机和通用计 择所需处理的数据以及输出结果的装置。
算机的完整构思.
主要用于计算多项式，运算精度达到小数
1.1 引言 1.2 计算机的诞生和发展 1.3 计算思维基础
.
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1.1 引言
人类为什么要发明计算机？
■ 人的计算速度很低
◆ 祖冲之计算π至小数点后7位数用了15年
◆ 计算30×30的行列式需要几个人年
◆ 中国第一棵原子弹研制时，数百位科学家在大礼堂打算盘
■ 早期的计算工具
电子计算机时代
ENIAC .
1833 分析机
计算机的起源
计算机发展史
算筹 中国最早的计算工具
算筹是我国古代的计 算工具。「筹」即小竹 棍或小木棍﹝也有用骨 或金属材料制成的﹞， 古人用它来进行计算， 称为算筹。
.
计算机发展史 公元600年左右，我 国出现新的计算工 具——算盘。
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机械式计算机
1642年，年仅19岁的法国伟大 科学家帕斯卡引用算盘的原理 ，发明了第一部机械式计算器 ，在他的计算器中有一些互相 联锁的齿轮，一个转过十位的 齿轮会使另一个齿轮转过一位 ，人们可以像拨电话号码盘那 样，把数字拨进去，计算结果 就会出现在另一个窗口中，但
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1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的分类
按用途分类
通用机 专用机
按综合性能 指标分类
高性能计算机（巨型机或大型机）：
速度最快、处理能力最强、 最快：Titan 每秒2亿亿次浮点运算 中国：天河1A 每秒4.70千万亿次浮点运算 第8 微型计算机：
桌面型计算机、笔记本电脑、平板电脑、移动设备
一切直觉上能行可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦然
邱奇－图灵论题
可计算的：图灵机可计算的就是可计算的
世界上的问题
不可计算的
图灵的贡献
图灵机模型：解决了可计算问题 计算机的理论问题
计算机科学之父
图灵测试：回答了什么样的机器具有智能
人工智能的理论基础 人工智能之父
美国计算机学会ACM于1966年创立了“图灵奖”
◆ 发展趋势：微来自百度文库化、巨型化、网络化和智能化 ◆ 未来新型计算机
① 光计算机 利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储 不同波长的表示不同的数据 优点：超高速 缺点：体积庞大
② 生物计算机（分子计算机） 20 世 纪 80 年 代 中 期 开 始 研 制 采用了生物芯片
③ 量子计算机 利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机， 这种多现实态是量子力学的标志。
倍、手工计算的20万倍。
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1.1 引言
◆ 计算器 1673年
◆ 差分机和分析机 查尔斯.巴贝奇
德国Gottfried Leibniz，机械式 可进行加、减、乘、除和开方
1812年差分机
1834年分析机
分析机：体现了现代电子计算机的结构、设计思想
被称为现代通. 用计算机的雏形
9
1.2 计算机的诞生和发展
运算速度 每秒几千次 每秒几十万次
软件 机器语言 汇编语言
高级语言
三 64-70
集成电路
每秒几百万次
操作系统
四 71年迄今 大规模集成电路 达到每秒亿亿次 数据库、网络等
应用
科学计算 军事领域 数据处理 工业控制 文字处理 图形处理
各个领域
电子管
晶体. 管
集成电路
大规模集成电14路
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的诞生
图灵机、ENIAC和冯·诺依曼体系结构在理论上、工作原理、体系结 构上奠定现代电子计算机的基础
◆ 图灵机(Turing machine，TM ) 阿兰·图灵（Alan Mathison Turing ，1912—1954） 解决问题；什么是计算？什么是可计算性？ 组成：计算X+1的图灵机M
工作站：介于PC与小型机之间高档微机系统
高分辨率、大容量内外存，图形功能较强
服务器：网络环境中对外提供服务的计算机系统
嵌.入式计算机：数量超过PC
16
1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的应用类型
◆ 算 筹 春秋战国时期 世界上最早的计算工具
◆ 算 盘 中国唐代
第一种手动式计数器 沿有至今
◆ 计算尺 1622年 ◆ 加法器 1642年
手动式，上世纪70年代被计算器取代 可进行加、减、乘、除、指数、三角函数
. 机械式，只能做加法
2
计算机发展史
人类追求的计算工具
加法器 1642 Blaise Pascal 1822 差分机
读写头
（1）M的状态：接受状态、进位状态。初始时处于进位状态。 （2）从右向左扫描纸带。
进位状态：读读到到10，.或则空改白写，为则0改，写状1态，保进住入不接变受，状读态写，头立左即移停。机；
纸带
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1.2 计算机的诞生和发展
图灵机的能力=高级程序设计语言=现代通用计算机
邱奇、图灵和哥德尔断言：
采用二进制 存储程序：程序和数据一起存储在内存中 五个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
奠定了现代计算机体系结构和工作原理 迄今为止的计算机都采用这种思想，称为冯·诺依曼计算机
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1.2 计算机的诞生和发展
■ 计算机的分代
时代 年份
器件
一 46-58
电子管
二 58-64
晶体管
. 点后6位
第一台电子计算机（ENIAC）
计算机发展史
ENIAC：长30.48米，宽1米，占 地面积170平方米，30个操作台， 约相当于10件普通房间的大小， 重达30吨，耗电量150千瓦，造 价48万美元。它使用18000个电 子管，70000个电阻，10000个电 容，1500个继电器，6000多个开 关，每秒执行5000次加法或400 次乘法，是继电器计算机的1000
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1.2 计算机的诞生和发展
◆ ENIAC（电子数字积分计算机） 1946.2~1955.10 宾州大学
每秒5千次加减运算 没有存储器 采用十进制
第一款商用计算机：UNIVAL 1947年，莫奇莱和埃克特
仅表明电子计算机时代的到来
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1.2 计算机的诞生和发展
◆ 冯·诺依曼体系结构计算机 人类第二台计算机；EDVAC（离散变量自动电子计算机） 1945年 冯·诺依曼参与研制并且发表：关于 EDVAC的报告草案
是只能做加减计算。 .
计算机发展史
Blaise Pascal 帕斯卡
巴贝奇的分析机
查尔斯.巴贝奇 1834年设计的分析机
1812年差分机
是历史上最早的专
由许多轮子组成的保存数据的存储库； 运算装置；能对操作顺序进行控制，并选
用计算机和通用计 择所需处理的数据以及输出结果的装置。
算机的完整构思.
主要用于计算多项式，运算精度达到小数