1-计算机与计算思维讲解
大学计算机基础课件第1章 计算机与计算思维
1.3 计算思维
1.3.3计算思维的基本问题
什么是计算? 什么是可计算? 什么是可行计算?
除了枚举算法，还有遗传算法、蚁群算法等， 目前，比较新的进展是，英国伦敦大学皇家霍洛韦 学院等机构研究人员报告说，小蜜蜂显示出了轻而 易举破解这个问题的能力，因为它们总可以找到在 不同花朵间飞行的最短路径，如果能理解蜜蜂的解 决方式，将能更好的解决旅行商问题。
4.现实问题的延伸
多旅行商问题，指多个旅行商从同一地点或 不同地点出发，分别走一条线路，使得每个地点 有且只有一个旅行商经过（出发地点除外）且总 路程最短
1.1.3 新型计算机的发展
生物计算机（DNA计算机） 采用生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分 子构成。由于蛋白质分子能自由组合，再生新的微型 电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能 发挥生物体本身的调节机能从而自动修复芯片发生的 故障，还能模仿人脑的思考机制。 集成度高、速度快、存储容量大、功耗低。
社会的各个领域
集成电路（ Integrated Circuit，IC）
以半导体晶体材料为基片，经平面工艺加工制造， 将许多电子元件、有源器件和互连线集成在基片内 部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化 电路或系统.
芯片的集成度
集成电路每个芯片上所包含 的电子元器件（如晶体管、电 阻等）个数。
编码； 4. 现实问题的延伸，即拓展思维。
旅行商问题（Traveling Saleman Problem）
假设某快递公司的快递员小张每天需要开车从快递公司（A） 向三个快递点（B、C、D）运送快件
计算思维与计算机基础讲解
1.2计算机基础知识
4.计算机未来发展方向
神经计算机
分子计算机
量子计算机
光子计算机
生物计算机 纳米计算机
1.2.3数据与信息
♥数据（data） 是载荷或记录信息的、按一定规则排列组合的 物理符号。数据可以是数字、文字、图像，也可 以是计算机代码。 ♥信息（Information） 是数据的内在与解释，是数据中有意义的内容， 是以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知 识或消息。 在计算机系统中，各种字母、数字符号的组合、 语音、图形、图像、视频等统称为数据，数据经 过加工后就成为信息。
第1章 计算思维与计算机基础
主讲人 姜永生
1.1计算思维
1．思维的概念 思维是思维主体处理信息及意识的活动，是人
脑对客观事物间接的和概括的反映。 思维主体可包括自然进化而形成的动物（如人）
与将来逐渐发展完善的人工智能产品。 思维活动的对象是信息及意识。 信息是能被思维主体识别的事物现象及表象；
意识是思维活动的产物。 意识以信息的形式储存、表现和输出，意识
0，1，…，9
8i
10i
r=16 0，A1，，……，，F7，
16i
标识 B（Binary） O（Octal） D（Decimal） H（Hexadecimal）
1.2.3数据与信息
3.使用“计算器”转换数制
步骤1
步骤2
步骤3
步骤4
选择“开 始”→“所 有程 序”→“附 件”→“计 算器”命令， 启动计算器。
ASCII码 汉字编码 Unicode编码
1.2.4 计算机的特点与分类
计算机的特点
速度快 精度高
逻辑判 断能力
连续自 动执行
第1章 计算、计算机与计算思维
2. 圆周率的计算史
（2）圆周率计算--几何法时期
公元263年前后，数学家刘徽提出著名的割圆术。 最先得出精确的圆周率，得出π=3.14，被称为“徽率”。
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2. 圆周率的计算史
（2）圆周率计算--几何法时期
• 祖冲之对圆周率的贡献： – 求得圆周率 3.1415926 <π<3.1415927 – 算出π的8位可靠数字，不但是当时 最精密的圆周率，而且保持世界纪录 900多年，被称为“祖率”。
阿兰·图灵(1912-1954)，现代计算机科学的创始人，被称为“计算机之父 ”、“人工智能之父”。 发明了一种理想的通用计算机，是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算 的过程，被后人称为“图灵机” 。 英国著名数学家 、逻辑学家、密 码学家。在计算 机和人工智能等
领域做出了重要
贡。
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第12次人口普查共做了6300万人的调查登记，1个
月就完成了统计制表工作。 制表机穿孔卡第一次把数据转变成了二进制信息。 被称为“数据处理”之父。 创办CTR公司，后改名为国际商用机器公司IBM。
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2. 机电式计算机---艾肯的继电器计算机
1937年，哈佛大学博士艾肯（1900-
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2. 圆周率的计算史
实验时期
几何法 时期
分析法 时期
计算机 时期
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2. 圆周率的计算史
（1）圆周率计算---实验时期
以观察或实验为根据，是基于对一个圆的周长和直径的实际测 量而得出。 《周髀算经》记载圆“周三径一”，取π=3。 东汉时期，官方明文规定圆周率取3计算面积的标准，被后人称 为“古率”。
CH1计算机与计算思维概述
二、存储器
• 存储器(memory)是用来存储程序和数据的部件。 对存储器既可以进行“读”（取数）、“写” （存数）操作。 • 衡量存储器的性能指标有： 存储容量 存储速度 价格 • 存储器技术在不断发展，存储器容量越来越大、 存取速度越来越快、价格越来越低、体积越来越 小、耗电越来越省，就连使用寿命也越来越长。
?有的电磁感应笔其基板能感应出用户写字过程中在笔尖上用力的变化并将压力的大小例如分为512级传送给主机主机就能在荧屏上显示出笔迹的粗细这样就更接近于真正的笔在书写时的感觉这就是所谓的压力感应笔它在签名识别绘画中很有用
第1章 计算机与计算思维概述
1.1 计算机系统组成
• 硬件系统 • 软件系统
硬件系统
安腾(Itanium)处理器： 64位开拓者 瞄准高端企业市场，运行的系统一般是UNIX系统 高性价比，性能卓越，更低功耗
Itanium 2被大量用在需要计算的超级电脑上， 以及大型公司的Байду номын сангаас据库系统
Intel Atom是Intel历史 上体积最小和功耗最小 的处理器。 下一代ATOM芯片： 进军移动通讯领域
取 出 指 令
操 作 信 号
反 馈 信 号
一、 CPU
• 运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。 • 它是计算机的核心部件。 • CPU的具体任务是执行指令，它按照指令 的要求完成对数据的基本运算和处理。 • CPU主要由运算器、控制器、寄存器和高 速缓冲存储器（cache）等组成。
三、输入设备
• 输入(Input)设备能把程序、数字、图形、图像、 声音、控制现场的模拟量等数据，通过输入接口 转换成计算机可以接收的电信号。 • 常用的输入设备有键盘、鼠标器、操纵杆、卡片 输入机、纸带输入机、光笔、语音识别装置、数 字化仪、扫描仪、条形码阅读器、磁墨水字符阅 读机、光学字符阅读机(Optical Character Reader,OCR)、调制解调器(modem)及各种模/数 (A/D)转换器等。
大学计算机基础-01-计算机与计算思维
大学计算机基础-01-计算机与计算思维在当今的数字化时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
无论是工作、学习还是娱乐，我们几乎每天都会与计算机打交道。
而要真正理解计算机的运行原理和应用，就必须掌握计算思维。
接下来，让我们一起走进计算机与计算思维的奇妙世界。
计算机，这个看似复杂的设备，实际上是由一系列硬件和软件组成的。
硬件包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、显示器、键盘等组件，它们协同工作，使得计算机能够执行各种任务。
软件则是指安装在计算机上的程序和操作系统，如 Windows、Mac OS、Linux 等。
这些软件为我们提供了与计算机交互的界面和工具，让我们能够轻松地完成文档编辑、图像处理、游戏娱乐等各种活动。
计算机的发展经历了几个重要的阶段。
从最初的大型机到个人电脑的普及，再到如今的智能手机和平板电脑，计算机的体积越来越小，性能却越来越强大。
早期的计算机主要用于科学计算和军事领域，而随着技术的进步，计算机逐渐走进了千家万户，成为了人们日常生活和工作的得力助手。
那么，什么是计算思维呢？简单来说，计算思维是一种运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
它不仅仅是关于编程和算法，更是一种解决问题的方式和思维模式。
计算思维具有几个重要的特点。
首先是抽象。
在面对复杂的问题时，我们需要将其抽象为简单的模型，以便更好地理解和解决。
例如，在设计一个在线购物系统时，我们可以将用户、商品、订单等元素抽象为数据结构，并通过算法来处理这些数据。
其次是逻辑。
计算思维要求我们遵循严格的逻辑规则，确保我们的解决方案是正确和有效的。
无论是编写程序还是设计系统，逻辑的严密性都是至关重要的。
此外，计算思维还强调分解和组合。
我们可以将一个大问题分解成若干个小问题，分别解决后再将它们组合起来，形成最终的解决方案。
计算思维在各个领域都有着广泛的应用。
在科学研究中，科学家们利用计算思维来模拟自然现象、分析实验数据，从而推动科学的进步。
计算思维导论01-计算思维和计算
计算与自动计算
2．计算科学的基本问题 计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算， 什么不能被有效地自动计算？” (1)哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计 算的时间和空间复杂度怎样？ (2)通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法 ，以减少计算的时间和空间复杂度。
1.3 计算工具的发展史
2．计算机的雏形——机械式计算器
1. 机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解 算法.
2. 1642年，帕斯卡加法器 3. 1673年，莱布尼兹乘法器 4. 1822年，差分机 5. 库塔（Curta）
3．电子计算机
1. 电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动 执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。
1 计算思维和计算
天津科技大学 计算机公共基础系
1
目录
1.1 计算思维概述 1.2 计算与自动计算 1.3 计算工具的发展史
1.1计算思维概述
计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家 和工程技术人员的思维方法。
计算思维定义
美国CMU大学周以真教授： 计算思维是运用计算科学的基础概
念进行问题求解、系统设计以及人类行为 理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思 维活动。
1.3.2 元器件的发展
1. 元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个 阶段
第一讲：计算,计算机与计算思维
名词计算：不同于数学计算自动计算：规则可能很简单但计算量却很大，也可采用人的规则，一般性的规则可以推广应用。
元器件：晶体管用于储存0和1（ENIAC）集成电路：将一个电路的大量元器件（晶体管，电阻，电容，电感，布线等）集合于一个单晶片上制成的器件。
晶体管：泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括半导体二极管，半导体三极管，场效应管，可控硅等。
有时多指三极管。
二极管：一个PN结；三极管：两个很近的PN结。
计算机：台式机，便携机，嵌入在各种机器中的芯片，软件均属于计算机。
计算机包括软件和硬件。
计算机系统：包括输入，输出，控制器，运算器，存储器。
计算思维:蕴含在计算学科知识背后的具有贯通性和联想性的内容。
计算之树：见后面名言计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题，设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化。
~周以真思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑。
~战老师的课件你行的，你一定行！你懂的，你会懂的！~战老师重点1。
自动计算需要解决的问题：数据和计算规则（程序）的表示，存储以及程序的自动执行。
2。
机械计算发展历程：计算辅助工具（算盘等）--帕斯卡机械计算机（实现自动计算，但有固定的计算规则）--巴贝奇机械计算机（可有限变化的计算规则，即特定程序）--现代计算机（任意可变的计算规则，即一般程序）。
3。
摩尔定律：每十八个月芯片集成晶体管的能力增长一倍，其计算能力也增长一倍。
4。
元器件历程：电子管--晶体管--集成电路--超大规模集成电路（VLSI）特点：体积变小，速度变快，规模变大，可靠性变高，功能变强大。
5。
微处理器发展历程：字长（8-16-32-64），主频（几MHz-几百万MHz-几GHz)，晶体管数量（几万-几百万-几亿颗），功能（微处理器-微加协浮点运算-微加图GPU-微加3D-多媒体处理器-多核微处理器）6。
存储设备历程：汞延迟线-磁带磁芯磁鼓-半导体储存即ROM与RAM-磁盘即硬盘与软盘-光盘-固态硬盘-纳米存储与量子存储。
从头学习计算机之计算思维（第一讲计算，计算机与计算思维）
从头学习计算机之计算思维（第一讲计算，计算机与计算思维）计算，计算机与计算思维1.计算思维的提出缘由-学科的发展，知识的膨胀周以真教授提出计算思维，Dennis提出计算的伟大原理。
《computational Thinking》计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
计算思维的本质就是抽象（abstraction）与自动化（Automation）即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象自动化。
计算思维是人类应具备的第三种思维（实验思维，理论思维，计算思维->计算科学）实验思维：实验-》观察-》发现、推断与总结。
---观察与归纳理论思维：假设、预设-》定义/性质/定理-》证明。
---推理和演绎计算思维：设计，构造与计算。
--设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分当前环境下，理论与实验手段在棉铃大规模数据的情况下，不可避免的要用计算手段来辅助进行。
（1）计算之树的第一个维度-计算技术的奠基性思维“0和1”思维—符号化-》计算化-》自动化0和1是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；0和1是连接硬件与软件的纽带；0和1是最基本的抽象与自动化机制“程序思维”—千变万化复杂功能的构造、表达与执行程序是基本动作（指令）的各种组合，是控制计算系统的基本手段“递归”思维—无限食物及重复过程的表达与执行方法递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础。
（2）计算指数的第二个维度-通用计算环境的进化思维（3）计算指数的第三个维度-交替促进与共同进化的问题求解思维“算法”问题的求解的一种手段—构造与设计算法算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究“系统”问题的求解的一种手段—构造与设计系统系统是改造自然的手段；系统号强调非数学建模；系统考虑的是如何化复杂为简单（使其能够被做出来）；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。
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机器语言，5千~1万次/秒 代表性机种：ENIAC
第2代：195x ~196x 晶体管
汇编语言，高级语言，十万~百万次/秒 代表性机种：TRADIC
电子计算机的诞生
1946年2月美国ENIAC，第一台投入运行的电子 计算机
EDVAC，第一台具有存储程序功能的计算机
什么是计算机
计算机的分类（按信息的表示和处理方式）
数字计算机 模拟计算机 数字模拟混合电子计算机
什么是计算机
计算机的分类（按计算机用途）
专用计算机
专用计算机是针对某一特定应用领域，为解决某些特 定问题而设计的，如“深蓝”（Deep Blue）计算机 ，只用于国际象棋的博弈
通用计算机
通用计算机是针对多种应用领域或者面向多种算法而 研制的，其通用性强、功能全，能适应多种用户的需 求，目前大多数计算机是属于通用计算机，包括个人 计算机
什么是计算机
计算机的分类（按计算机规模与性能用途）
巨型机
巨型机又称为超级计算机，是计算机中性能最高、功 能最强的
什么是计算机
大型机、中型机和小型机 微型机
1642年，创造了第一台能完 成加、减运算的机械计算器 ，计算税收
1822年，提出了自动计算机 的基本概念，并设计出差分 机和分析机
计算机的发展历程
机械计算到电动计算
1884年，创造了第一台电动计算机，用于人口普查 1913年，制造了模拟计算机“微分分析仪”
机电全自动到电子数字
1942年，诞生了著名的ABC（Atanasoff Berry Computer ）计算机，共使用了300多个电子管，这也是世界上第一台 具有现代计算机雏形的计算机
什么是计算机
计算机的特点
运算速度快 计算精度高 具有记忆存储功能 具有逻辑判断功能 具有网络与通信功能 可靠性高、通用性强
什么是计算机
计算机的定义
计算机是由高科技电子元器件、线 路和机械装 置等部件或设备构成的，在计算机软件（程序 及文档）的控制下，依照存储程序和程序控制 的工作原理，能够高速、有效地完成人们指定 的各种操作的自动化综合系统
美籍匈牙利科学家：冯·诺依曼 存储程序和程序控制理论 由五大部件（运算器、控制器、存储器、输入部件、输
出部件）组成
EDSAC，第一台投入运行的C
1954年5月24日，贝尔实 验室使用800只晶体管组 装了世界上第一台晶体管 计算机TRADIC。而此时 的计算机，诸如IBM的 701和650系列均是使用 电子管的庞然大物。
计算机与计算思维
本讲内容
什么是计算机 计算机能做什么 计算机的发展历程 浅谈计算思维
什么是计算机
对计算机(Computer)人们往往从不同角度 提出不同的见解，有多种描述：
1. 计算机是一种可以自动进行信息处理的工具 2. 计算机是一种能快速而高效地自动完成信息处
理的电子设备 3. 计算机是一种能够高速运算、具有内部存储能
力、由程序控制其操作过程的电子装置 4. ……
什么是计算机
CPU(控制器+运算器)
键盘
输 鼠标 入
设 扫描仪 备 光笔
ROM
内 存
RAM
储 器
显示器
输 出 打印机 设备 绘图仪
音箱
优盘 硬盘 磁带
光盘
软盘
外存储器
什么是计算机
计算机的工作原理
计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是 存储程序和程序控制（冯·诺依曼原理）
1946年，研制成功了ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分器和计算器）— —第一台电子数字计算机，从此人类社会进入以数字计算机 为主导的信息时代。ENIAC采用了电子管技术
计算机的发展历程
计算机的发展历程
电子计算机的发展
微型机以使用微处理器、结构紧凑为特征，是计算机 中价格最低、应用最广、发展最快、装机量最多的一 种
嵌入式机（单片机）
只由一片或多片集成电路芯片制成，其体积小，重量 轻，结构相对简单，完成的功能相对专一
本讲内容
什么是计算机 计算机能做什么 计算机的发展历程 浅谈计算思维
计算机能做什么？
计算机能做什么？
过程控制
工业自动化实时控制 等
计算机辅助系统
CAD、CAM、CAI、CAT 等
人工智能
智能家用电器、计算机智能医生、计算机自动 识别系统、智能机器 等
计算机能做什么？
信息技术(Information Technology，IT)可 以理解为与信息处理有关的一切技术，或者 说依据信息科学的原理和方法来实现信息处 理的技术
计算机的发展历程
第3代：196x ~197x 集成电路
OS，编译系统，各类高级语言，百万~千万次/秒 提出“摩尔定律” 代表性机种：IBM360
第4代：197x ~ 现在 大规模、超大规模集成电路
这里的信息处理指对信息的：收集、识别、
提取、变换、存贮、传递、整理、检索、检测、分 析、利用等
计算机能做什么？
就信息技术的主体而言，最重要的部分是以 微电子技术为基础的“计算机”、“通信” 和“控制”技术，有人认为IT简单地说就是 3C：
Computer（计算机） Communication （通信） Control（控制）
玩游戏？ QQ聊天？ 打字机？ 看电影听音乐？ 还有……？
计算机能做什么？
科学与工程计算
天气预报、卫星发射与控制、太空探索、数学计算 等
信息处理
信息管理（图书馆、OA、银行） 、信息检索 等
多媒体技术应用
音频处理、视频处理 等
计算机通信和网络应用
GTOG 、GTOB、BTOB、BTOC、CTOC、GTOC等
计算机能做什么？
信息技术应用
✓ 电子商务 ✓ 远程教育、远程医疗 ✓ 虚拟现实技术 ✓ 计算机辅助技术，统称为CAX ✓ 嵌入式系统 ✓ 网格与集群 ✓ 数据挖掘 ✓ ……
本讲内容
什么是计算机 计算机能做什么 计算机的发展历程 浅谈计算思维
计算机的发展历程
手工到机械自动
史前：石块、贝壳、结绳； 唐代：算盘；17世纪：计算 尺