第一章--計算機與計算思維概述PPT

1、大學計算機基礎大學計算機基礎1大學計算機基礎大學計算機基礎( (第一章第一章) )計算機與計算思維概述計算機與計算思維概述華南農業(yè)大學信息學院華南農業(yè)大學信息學院主講教師林旭東主講教師林旭東Email 大學計算機基礎大學計算機基礎2 在信息化時代，掌握一定的計算機軟硬件基礎在信息化時代，掌握一定的計算機軟硬件基礎知識，能夠使用計算機處理日常事務，能夠通過網知識，能夠使用計算機處理日常事務，能夠通過網絡獲取信息及相互交流，學會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)絡獲取信息及相互交流，學會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計算思維能力，是每個大學生應知應會的基本知的計算思維能力，是每個大學生應知應會的基本知識和能力。識和能力。

2、本章從計算機的起源開始，介紹本章從計算機的起源開始，介紹計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展史和特點史和特點、類型及應用類型及應用，以及，以及計算機的未來發(fā)展趨計算機的未來發(fā)展趨勢勢，信息技術信息技術的基礎知識，最后介紹的基礎知識，最后介紹計算思維計算思維的相的相關概念。關概念。大學計算機基礎大學計算機基礎3 這是一幅很著名的人類進化這是一幅很著名的人類進化圖圖 20世紀以來人類最重大的科技發(fā)明當數(shù)電子數(shù)字計算機，世紀以來人類最重大的科技發(fā)明當數(shù)電子數(shù)字計算機，計算機改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。計算機改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。大學計算機基礎大學計算機基礎4 (1) 早期的計算工具早期的計算工具

3、美國著名科普大師阿西莫夫說過，人類最早的美國著名科普大師阿西莫夫說過，人類最早的“計算計算機機”是手指，英語單詞是手指，英語單詞“Digit” 既表示既表示“手指手指”又表示又表示“整數(shù)數(shù)字整數(shù)數(shù)字”。 中國數(shù)學史專家考證，大約在新石器時代早期，先民中國數(shù)學史專家考證，大約在新石器時代早期，先民使用的使用的“計算機計算機”是是結繩結繩，即用繩子打結的多少來表示數(shù)，即用繩子打結的多少來表示數(shù)的概念。的概念。大學計算機基礎大學計算機基礎5 公元前公元前5世紀，中國人發(fā)明了世紀，中國人發(fā)明了算盤算盤，廣，廣泛應用于商業(yè)貿易中，算盤被認為是最早泛應用于商業(yè)貿易中，算盤被認為是最早的計算機，并一直使用至

4、今。的計算機，并一直使用至今。 計算工具的源頭可以上溯至計算工具的源頭可以上溯至2000多年多年前的春秋戰(zhàn)國時代，古代中國人發(fā)明的前的春秋戰(zhàn)國時代，古代中國人發(fā)明的算算籌籌是世界上最早的計算工具。是世界上最早的計算工具。 古語曰：古語曰：“運籌策于帷幄之中，決勝于千里之外。運籌策于帷幄之中，決勝于千里之外?！被I策籌策又叫算籌，用竹、木或獸骨制成，祖沖之借助算籌成功地將又叫算籌，用竹、木或獸骨制成，祖沖之借助算籌成功地將圓周率圓周率值計算到小數(shù)點后的第值計算到小數(shù)點后的第7位。位。大學計算機基礎大學計算機基礎6 鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動裝置技術的發(fā)展，誕生了最早鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動裝置技術的發(fā)展

5、，誕生了最早的機械式計算機。的機械式計算機。 下面我們通過介紹幾位對計算機發(fā)展有過突出貢獻的早下面我們通過介紹幾位對計算機發(fā)展有過突出貢獻的早期歷史人物，闡述計算發(fā)展的歷程。期歷史人物，闡述計算發(fā)展的歷程。 (2) 機械式計算機機械式計算機 帕斯卡帕斯卡 萊布尼茨萊布尼茨 巴貝奇巴貝奇 愛達愛達機械式計算機時代的代表人物機械式計算機時代的代表人物大學計算機基礎大學計算機基礎7 該加法機可完成六位數(shù)字的加減法。它的設計原理對其該加法機可完成六位數(shù)字的加減法。它的設計原理對其后的計算機產生了深遠的影響。后的計算機產生了深遠的影響。 法國物理學家法國物理學家帕斯卡帕斯卡(1623-1662)：在：在

6、 1642年發(fā)明了第一臺年發(fā)明了第一臺機械式加法機機械式加法機。該機由。該機由齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅動，用專用的鐵筆齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅動，用專用的鐵筆來撥動轉輪以輸入數(shù)字。來撥動轉輪以輸入數(shù)字。 為了紀念帕斯卡的偉大發(fā)明，為了紀念帕斯卡的偉大發(fā)明，1971年，當瑞士蘇黎世聯(lián)年，當瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學的沃斯教授發(fā)明了一種新的計算機語言起名叫帕邦工業(yè)大學的沃斯教授發(fā)明了一種新的計算機語言起名叫帕斯卡斯卡(PASCAL)。在很長一段時間里，。在很長一段時間里，PASCAL語言在高校計語言在高校計算機軟件教學中一直處于主導地位。算機軟件教學中一直處于主導地位。 大學計算機基礎大學計算機基礎8 德

7、國數(shù)學家德國數(shù)學家萊布尼茨萊布尼茨：在：在1673年發(fā)明了年發(fā)明了機械式乘除法器機械式乘除法器?；驹砝^承于帕斯卡的加法機，也是由一系列齒輪組成，基本原理繼承于帕斯卡的加法機，也是由一系列齒輪組成，但它能夠但它能夠連續(xù)重復地做加減法連續(xù)重復地做加減法，從而實現(xiàn)了乘除運算。據(jù)記，從而實現(xiàn)了乘除運算。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機復制品送給康熙皇帝載，萊布尼茲曾把自己的乘法機復制品送給康熙皇帝。 盡管萊布尼茨發(fā)明了二進制，但這并非是由于他認識到二進制對于計盡管萊布尼茨發(fā)明了二進制，但這并非是由于他認識到二進制對于計算機來說是多么重要。事實上，他發(fā)明的機械計算機和二進制毫不相干。算機來說是多么重

8、要。事實上，他發(fā)明的機械計算機和二進制毫不相干。然而，他發(fā)明的二進制現(xiàn)在卻支配著全世界不計其數(shù)的計算機的運行。然而，他發(fā)明的二進制現(xiàn)在卻支配著全世界不計其數(shù)的計算機的運行。大學計算機基礎大學計算機基礎9 英國女數(shù)學家英國女數(shù)學家愛達愛達 (1815-1852)：巴貝奇的：巴貝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片設計了世界上合作伙伴。她用穿孔卡片設計了世界上“第一第一件計算機程序件計算機程序”。她還建議分析機用。她還建議分析機用二進制存二進制存儲儲。預言分析機能唱歌、繪畫。預言分析機能唱歌、繪畫。 英國數(shù)學家英國數(shù)學家巴貝奇巴貝奇：1822年，在歷經年，在歷經10年年努力終于發(fā)明了努力終于發(fā)明了“差分機差

9、分機”。它有。它有3個齒輪式寄個齒輪式寄存器，可以保存存器，可以保存3個個5位數(shù)字，計算精度可以達位數(shù)字，計算精度可以達到到6位小數(shù)。位小數(shù)。 巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計算機巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計算機分析機，但最終失敗。分析機，但最終失敗。 愛達最出名的地方是因為她編寫了一系驅動機器的指令，用于進行數(shù)學愛達最出名的地方是因為她編寫了一系驅動機器的指令，用于進行數(shù)學功能運算。正因為這樣，現(xiàn)在她被認為是第一位程序設計師。功能運算。正因為這樣，現(xiàn)在她被認為是第一位程序設計師。1979年美國國年美國國防部開發(fā)的程序語言防部開發(fā)的程序語言ADA就是以她的名字命名。就是以她的名字命名。大學計算

10、機基礎大學計算機基礎10(3) 機電式計算機機電式計算機 19世紀末，電學技術的發(fā)展使人們開始設世紀末，電學技術的發(fā)展使人們開始設計電氣控制的自動計算工具。計電氣控制的自動計算工具。1888年，美國人年，美國人赫爾曼赫爾曼霍列瑞斯發(fā)明了制表機。它采用穿孔霍列瑞斯發(fā)明了制表機。它采用穿孔卡片表示數(shù)據(jù)的是與非，探針穿過卡片上的孔卡片表示數(shù)據(jù)的是與非，探針穿過卡片上的孔洞和水銀接觸，把電流接通，同時啟動計數(shù)裝洞和水銀接觸，把電流接通，同時啟動計數(shù)裝置前進一個刻度的方法進行自動計數(shù)，并成功置前進一個刻度的方法進行自動計數(shù)，并成功應用于應用于1890年的美國人口普查。依靠制表機，年的美國人口普查。依靠制

11、表機，他創(chuàng)辦了制表機公司，即后來的他創(chuàng)辦了制表機公司，即后來的IBM公司。公司。 1944年，在美國物理學家年，在美國物理學家艾肯艾肯指導下，指導下，馬馬克克1號計算機號計算機研制成功。它是全機電式的計算研制成功。它是全機電式的計算機，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動，仍然機，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動，仍然采用十進制，它是采用十進制，它是世界上第一臺通用程序控制世界上第一臺通用程序控制計算機計算機。大學計算機基礎大學計算機基礎11(4) 計算機理論奠基人計算機理論奠基人 1847年，英國數(shù)學家年，英國數(shù)學家布爾布爾設計了一套表示邏設計了一套表示邏輯理論的基本概念和符號，用輯理論的基本概念和

12、符號，用1和和0表示命題的真表示命題的真與假，用與假，用“與與”、“或或”、“非非”表示命題間的表示命題間的運算關系，這就是成為運算關系，這就是成為現(xiàn)代電子計算機數(shù)學和邏現(xiàn)代電子計算機數(shù)學和邏輯基礎輯基礎的的布爾代數(shù)布爾代數(shù)。 1938年，美國數(shù)學家年，美國數(shù)學家香農香農首次將布爾代數(shù)和首次將布爾代數(shù)和繼電器開關電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了繼電器開關電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了開關電路理論開關電路理論。從理論到技術徹底改變了數(shù)字電路的設計方向，從理論到技術徹底改變了數(shù)字電路的設計方向，不僅使將來的電子計算機能夠進行數(shù)值運算，還不僅使將來的電子計算機能夠進行數(shù)值運算，還能夠進行非數(shù)值運算?？梢哉f，如果沒有香農的

13、能夠進行非數(shù)值運算?？梢哉f，如果沒有香農的這一思想，現(xiàn)代的電子計算機是無法研制成功的。這一思想，現(xiàn)代的電子計算機是無法研制成功的。英國數(shù)學家布爾英國數(shù)學家布爾美國數(shù)學家香農美國數(shù)學家香農大學計算機基礎大學計算機基礎12英國科學家阿蘭英國科學家阿蘭 圖靈圖靈(理論計算機的奠基人理論計算機的奠基人) 在現(xiàn)代計算機發(fā)展史上，最具影響力的兩個代表人物在現(xiàn)代計算機發(fā)展史上，最具影響力的兩個代表人物是是阿蘭阿蘭圖靈圖靈和和馮馮諾依曼諾依曼。美籍匈牙利數(shù)學家美籍匈牙利數(shù)學家馮馮 諾依曼諾依曼( (計算機鼻祖計算機鼻祖) )大學計算機基礎大學計算機基礎13 圖靈圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數(shù)學運

14、的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數(shù)學運算的過程算的過程，他把，他把“計算計算”這一過程分解為如下步驟：這一過程分解為如下步驟： 根據(jù)眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應的法則；根據(jù)眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應的法則； 指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號；指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號； 再改變眼中所看到的范圍；再改變眼中所看到的范圍； 如此繼續(xù)，直到認為計算結束為止。如此繼續(xù)，直到認為計算結束為止。圖靈機示意圖圖靈機示意圖控制器控制器( (含運算功能含運算功能) )讀寫頭讀寫頭 ( (輸入輸出設備輸入輸出設備) )紙帶（存儲器）紙帶（存儲器）大學計算機基礎大學計算機基礎14 圖靈

15、機圖靈機：這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了：這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了現(xiàn)代計算機中現(xiàn)代計算機中“存儲程序存儲程序”的基本思想。半個世紀以來，數(shù)學的基本思想。半個世紀以來，數(shù)學家們提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的。家們提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的。 姚期智：姚期智：20002000年年首位獲獎圖靈獎首位獲獎圖靈獎的華裔學者的華裔學者 后人模擬的圖靈機結構圖后人模擬的圖靈機結構圖大學計算機基礎大學計算機基礎15七十多年來，現(xiàn)代計算機基本結構仍然是七十多年來，現(xiàn)代計算機基本結構仍然是“馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機”。 計算機應由運算器、控

16、制器、存儲器、輸入設備與計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備與輸出設備輸出設備五大部件五大部件組成；組成； 應采用應采用二進制二進制簡化機器的電路設計；簡化機器的電路設計； 采用采用“存儲程序存儲程序”技術，以便計算機能保存指令和技術，以便計算機能保存指令和數(shù)據(jù)并能夠自動依次執(zhí)行指令，消除計算過程中的人工干預數(shù)據(jù)并能夠自動依次執(zhí)行指令，消除計算過程中的人工干預等。等。 馮馮諾依曼諾依曼提出的提出的存儲理論存儲理論: :（該理論奠定了其（該理論奠定了其計算機鼻祖計算機鼻祖的地位）的地位） 20世紀世紀40年代，計算理論及電子技術的發(fā)展以及機械式計年代，計算理論及電子技術的發(fā)展以及機械式計算

17、機的不斷創(chuàng)新與改進為電子計算機的出現(xiàn)提供了技術支持，算機的不斷創(chuàng)新與改進為電子計算機的出現(xiàn)提供了技術支持，最終誕生了世界上第一臺電子計算機。最終誕生了世界上第一臺電子計算機。大學計算機基礎大學計算機基礎161946年由年由美國賓夕法尼亞大學美國賓夕法尼亞大學研制出世界上研制出世界上第一臺電子數(shù)字第一臺電子數(shù)字計算機計算機，取名，取名ENIAC。由此誕。由此誕生了生了“第一個電子的大腦第一個電子的大腦”Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計算機電子數(shù)字積分計算機重重30噸，占地噸，占地167m2，耗電，耗電150千瓦千瓦主要元件

18、為電子管、繼電器，可保主要元件為電子管、繼電器，可保存存80個字節(jié)，每秒鐘做個字節(jié)，每秒鐘做5000次加減次加減法或法或400次乘法運算。次乘法運算。致命缺陷：沒有存儲程序。致命缺陷：沒有存儲程序。大學計算機基礎大學計算機基礎17q 第一代計算機第一代計算機 19461958年年 以以電子管電子管為主要元件為主要元件 代表機型：代表機型：ENIACq 第二代計算機第二代計算機 19581964年年 以以晶體管晶體管為主要元件為主要元件采用晶體管的第二代采用晶體管的第二代電子計算機電子計算機IBM7090IBM7090型型大學計算機基礎大學計算機基礎18q 未來的第五代未來的第五代計算機是計算機

19、是智能計算機智能計算機電子技術的發(fā)展促進了電子計算機的更新?lián)Q代。電子技術的發(fā)展促進了電子計算機的更新?lián)Q代。q 第四代計算機第四代計算機 1971年至今年至今 以以大規(guī)模大規(guī)模/超大集成電路超大集成電路為主要元件為主要元件 巨型機、大型機、小型機、微型機以及便攜機巨型機、大型機、小型機、微型機以及便攜機 q 第三代計算機第三代計算機 19641971年年 以以集成電路集成電路為主要元件為主要元件采用集成電路的第三代電采用集成電路的第三代電子計算機子計算機IBM360型型大學計算機基礎大學計算機基礎19巨型機巨型機大型機大型機小型機小型機微型機微型機工作站工作站服務器服務器嵌入式嵌入式按計算機規(guī)模

20、分類按計算機規(guī)模分類IBM系列系列大型機大型機IBM系列系列小型機小型機全能型圖形全能型圖形工作站工作站IBM PC系列系列服務器服務器嵌入式計算嵌入式計算機模塊機模塊微型計算機微型計算機銀河系列銀河系列巨型機巨型機大學計算機基礎大學計算機基礎20 計算機計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設備。行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設備。運算速度快運算速度快計算精度高計算精度高存儲容量大存儲容量大具有邏輯判斷能力具有邏輯判斷能力按照程序自動運行按照程序自動運行計算機特點計算機特點大學計算機

21、基礎大學計算機基礎21科學計算科學計算數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理過程與實時控制過程與實時控制人工智能人工智能計算機輔助設計與制造計算機輔助設計與制造計算機應用領域計算機應用領域遠程通信與網絡應用遠程通信與網絡應用多媒體與虛擬現(xiàn)實多媒體與虛擬現(xiàn)實 計算機應用領域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認可的是：科學計算、計算機應用領域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認可的是：科學計算、數(shù)據(jù)處理、輔助設計、實時控制、計算機通訊、人工智能等方面。數(shù)據(jù)處理、輔助設計、實時控制、計算機通訊、人工智能等方面。20年前上課提出：計年前上課提出：計算機應用在哪方面？算機應用在哪方面？現(xiàn)在上課時提出：哪現(xiàn)在上課時提出：哪些地方不用計

22、算機？些地方不用計算機？大學計算機基礎大學計算機基礎22 巨型化巨型化 存儲容量大、運算速度達每秒百萬億、千萬億次的巨型存儲容量大、運算速度達每秒百萬億、千萬億次的巨型機是衡量一個國家科技實力的指標之一。機是衡量一個國家科技實力的指標之一。 計算機正向計算機正向巨型化巨型化、微型化微型化、網絡化網絡化和和智能化智能化方向發(fā)展。方向發(fā)展。 2009年，我國成功研制出每秒年，我國成功研制出每秒1206萬億次的萬億次的“天河一號天河一號”超級計算機，成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億超級計算機，成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次計算機的國家。次計算機的國家。大學計算機基礎大學計算機基礎

23、23 2010年，改進后的年，改進后的“天河一號天河一號” 以峰值速度以峰值速度4700萬億萬億次、持續(xù)速度次、持續(xù)速度2570萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能位居當年萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能位居當年世界第一。世界第一。2013年，年， “天河二號天河二號”超級計算機系統(tǒng)，以峰超級計算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒值計算速度每秒5.49億億次，持續(xù)計算速度每秒億億次，持續(xù)計算速度每秒3.39億億次億億次雙精度浮點運算的性能，成為當年全球最快超級計算機。這雙精度浮點運算的性能，成為當年全球最快超級計算機。這是繼是繼“天河一號天河一號”之后，中國超級計算機再次奪冠。之后，中國超級計算機再次奪冠。天河一

24、號天河一號天河二號天河二號大學計算機基礎大學計算機基礎24 網絡化網絡化 通過計算機網絡可共享遠程資源，通過計算機網絡可共享遠程資源，實現(xiàn)通信和合作。實現(xiàn)通信和合作。 智能化智能化 智能計算機將是一種具有類似于人的思維能力，智能計算機將是一種具有類似于人的思維能力，能聽會說，能想會做，能代替人的體力勞動以及腦力能聽會說，能想會做，能代替人的體力勞動以及腦力勞動的勞動的智能機器人智能機器人。 微型化微型化 計算機不再是單一的計算機器，而是個人的信息機器。計算機不再是單一的計算機器，而是個人的信息機器。大學計算機基礎大學計算機基礎25 光計算機光計算機 用用光子器件光子器件替代電子器件。替代電子器

25、件。 從目前的研究情況看，未來的新型計算機可能在以下從目前的研究情況看，未來的新型計算機可能在以下三三方面方面取得取得突破突破： 生物計算機生物計算機 用生物工程技術生產的蛋白質分子作元件制成集成電路，用生物工程技術生產的蛋白質分子作元件制成集成電路，稱為稱為生物芯片生物芯片。使用生物芯片的計算機稱為蛋白質計算機，或。使用生物芯片的計算機稱為蛋白質計算機，或稱為生物計算機。稱為生物計算機。 量子計算機量子計算機利用處于利用處于多態(tài)的原子多態(tài)的原子進行計算。進行計算。 未來的計算機將是微電子技術、光學技術、超導技術和電子仿生技術未來的計算機將是微電子技術、光學技術、超導技術和電子仿生技術相互結合

26、的產物。這些計算機技術目前正處在初步的研究階段，離應用還相互結合的產物。這些計算機技術目前正處在初步的研究階段，離應用還有很長的距離。有很長的距離。大學計算機基礎大學計算機基礎26計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件硬件軟件軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件中央處理器中央處理器運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器內存內存外存外存輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機系統(tǒng)構成計算機系統(tǒng)構成大學計算機基礎大學計算機基礎27計算機系統(tǒng)構成計算機系統(tǒng)構成 以最為常見的臺式機為例，從外觀上看，臺式機由幾個以最為常見的臺式機為例，從外觀上看，臺式機由幾個部件構成：顯示器、鍵盤、機箱、鼠標等。實際上這些并不部件構成：顯示器

27、、鍵盤、機箱、鼠標等。實際上這些并不是計算機最重要的部分。計算機最主要的工作實際上是由那是計算機最重要的部分。計算機最主要的工作實際上是由那些被機箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計算機系統(tǒng)中最重些被機箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計算機系統(tǒng)中最重要的部分。要的部分。 計算機由計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備備五大部分組成。五大部分組成。(詳見第三章介紹詳見第三章介紹) 計算機的鍵盤、鼠標、顯示器就像人類的感覺器官一樣，除了耳朵、計算機的鍵盤、鼠標、顯示器就像人類的感覺器官一樣，除了耳朵、皮膚之外，還有眼睛、嘴、和鼻子，這些都是計算機的輸入

28、輸出設備。而皮膚之外，還有眼睛、嘴、和鼻子，這些都是計算機的輸入輸出設備。而與你的大腦類似的東西則在機箱里面，叫中央處理器和內存儲器。與你的大腦類似的東西則在機箱里面，叫中央處理器和內存儲器。大學計算機基礎大學計算機基礎28應用軟件應用軟件其它系統(tǒng)軟其它系統(tǒng)軟件件操作系操作系統(tǒng)統(tǒng)硬硬 件件 應用軟件應用軟件：是指用戶為解決各種實際問題而編寫的程序。：是指用戶為解決各種實際問題而編寫的程序。分兩類：一類是針對某個應用領域的分兩類：一類是針對某個應用領域的具體問題開發(fā)的程序具體問題開發(fā)的程序；第；第二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的通用型應用軟件通用型應用軟件。 系統(tǒng)

29、軟件系統(tǒng)軟件：位于計算機系統(tǒng)最靠近硬：位于計算機系統(tǒng)最靠近硬件的一層，其他軟件一般都通過系統(tǒng)軟件件的一層，其他軟件一般都通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用，系統(tǒng)軟件主要包括：發(fā)揮作用，系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、語言處理程序、監(jiān)控管理程序、調試程序、語言處理程序、監(jiān)控管理程序、調試程序、故障檢查和診斷程序故障檢查和診斷程序等。等。 計算機系統(tǒng)構成計算機系統(tǒng)構成 現(xiàn)在的計算機還不能獨立思考，不能產生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還現(xiàn)在的計算機還不能獨立思考，不能產生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還都是由人類設計的，計算機只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的都是由人類設計的，計算機只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的

30、任務。任務。大學計算機基礎大學計算機基礎291.3 信息技術基礎知識信息技術基礎知識 在信息化社會，人們應該在了解和使用計算機的同時，在信息化社會，人們應該在了解和使用計算機的同時，也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術。也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術。 用計算機解決問題，首先要獲取問題相關的信息，按照用計算機解決問題，首先要獲取問題相關的信息，按照某種方式將信息存儲在計算機中，然后啟動計算機程序處理某種方式將信息存儲在計算機中，然后啟動計算機程序處理這些信息。這些信息。 (1) 信息的概念信息的概念 目前為止，還沒有一個比較統(tǒng)一或普遍適用的有關信息目前為止，還沒有一個比較統(tǒng)一或普遍適

31、用的有關信息的定義。但從信息科學角度看，的定義。但從信息科學角度看，信息信息和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是不同的。是不同的。 “信信息息”有意義，而有意義，而“數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)”沒有。人通過接受信息來認識事物，沒有。人通過接受信息來認識事物，信息是一種知識，是接受者事先不知道不了解的知識信息是一種知識，是接受者事先不知道不了解的知識。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是信息的載體是信息的載體。數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同。數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同形式的數(shù)據(jù)。形式的數(shù)據(jù)。 大學計算機基礎大學計算機基礎301.3 信息技術基礎知識信息技術基礎知識 (2) 信息表示信息表示 信息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實踐中形成信

32、息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實踐中形成的語言文字就是一種符號系統(tǒng)，聲音也是一種符號系統(tǒng)。的語言文字就是一種符號系統(tǒng)，聲音也是一種符號系統(tǒng)。 而在計算機中，則是通過二進制形式表示現(xiàn)實世界的對而在計算機中，則是通過二進制形式表示現(xiàn)實世界的對象。計算機能夠識別和處理的信息形式也只能是二進制。象。計算機能夠識別和處理的信息形式也只能是二進制。 (3) 信息處理信息處理 人類在長期的實踐中發(fā)明了包括計算機在內的各種信息人類在長期的實踐中發(fā)明了包括計算機在內的各種信息處理工具，以輔助人類的信息處理任務。理解一個計算機系處理工具，以輔助人類的信息處理任務。理解一個計算機系統(tǒng)或一種計算技術，要弄清四個

33、問題：統(tǒng)或一種計算技術，要弄清四個問題： 它將處理什么類型的信息它將處理什么類型的信息? 信息如何表示信息如何表示? 在這些信息上進行什么處理在這些信息上進行什么處理? 如何實現(xiàn)這些處理如何實現(xiàn)這些處理?大學計算機基礎大學計算機基礎311.3 信息技術基礎知識信息技術基礎知識 (4) 信息技術的概念及發(fā)展信息技術的概念及發(fā)展 從原始社會、農業(yè)社會、工業(yè)社會到今天的信息社會，從原始社會、農業(yè)社會、工業(yè)社會到今天的信息社會，信息技術的發(fā)展歷史源遠流長，至今人類歷史上已經發(fā)生信息技術的發(fā)展歷史源遠流長，至今人類歷史上已經發(fā)生了了4次信息技術革命次信息技術革命。現(xiàn)代信息技術現(xiàn)代信息技術： 計算機技術計

34、算機技術微電子技術微電子技術通信技術通信技術 序號序號主要特征主要特征第一次信息革命第一次信息革命文字的使用文字的使用第二次信息革命第二次信息革命印刷術的使用印刷術的使用第三次信息革命第三次信息革命電報、電話、廣播和電視的使用電報、電話、廣播和電視的使用第四次信息革命第四次信息革命計算機、通信、網絡等技術的使用計算機、通信、網絡等技術的使用核心核心基礎基礎動力動力大學計算機基礎大學計算機基礎321.3 信息技術基礎知識信息技術基礎知識 就像在經典物理學時代有所謂牛頓三大定律那樣，信就像在經典物理學時代有所謂牛頓三大定律那樣，信息時代也產生了所謂的三大定律，這三大定律共同勾勒出息時代也產生了所謂

35、的三大定律，這三大定律共同勾勒出了信息技術發(fā)展的歷程。了信息技術發(fā)展的歷程。定律定律序號序號定律名稱定律名稱內內 容容第一第一定律定律摩爾定律摩爾定律即每平方英寸硅芯片上的即每平方英寸硅芯片上的晶體管數(shù)目晶體管數(shù)目每每18個月到個月到24個月將個月將增加一倍。增加一倍。40年來，這個預言每每應驗，而且后人又增加年來，這個預言每每應驗，而且后人又增加一條：一條：“價格同時下降一半價格同時下降一半”。第二第二定律定律吉爾德定吉爾德定律律預測預測互聯(lián)網的帶寬互聯(lián)網的帶寬每每6個月增長個月增長1倍，其增長速度是摩爾定倍，其增長速度是摩爾定律預測的律預測的CPU增長速度的增長速度的3倍。并預言將來上網會

36、免費。倍。并預言將來上網會免費。第三第三定律定律麥特卡爾麥特卡爾定律定律預測預測網絡的價值與網絡用戶數(shù)網絡的價值與網絡用戶數(shù)的平方成正比。也就是說，的平方成正比。也就是說，N個連結創(chuàng)造出個連結創(chuàng)造出NN的效益。在網上，每一個人都能夠連的效益。在網上，每一個人都能夠連接到接到N個人，個人，N個人能看到個人能看到N個人的信息，所以信息的傳送個人的信息，所以信息的傳送效益是效益是N的平方。上網的人數(shù)越多，產生的效益越多。的平方。上網的人數(shù)越多，產生的效益越多。大學計算機基礎大學計算機基礎331.4 計算思維簡介計算思維簡介 科學界一般認為，科學方法分為科學界一般認為，科學方法分為理論理論、實驗實驗和

37、和計算計算三三大類。與三大科學方法相對應的三大科學思維是：理論思大類。與三大科學方法相對應的三大科學思維是：理論思維、實驗思維和計算思維。維、實驗思維和計算思維。理論思維理論思維又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。支撐著所有的學科領域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，支撐著所有的學科領域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，公理化方法是思維方法。公理化方法是思維方法。實驗思維實驗思維又稱實證思維，以觀察和總結自然規(guī)律為特征，以物理學又稱實證思維，以觀察和總結自然規(guī)律為特征，以物理學科為代表。實驗思維往往需要借助于特定設備獲取數(shù)據(jù)以科為

38、代表。實驗思維往往需要借助于特定設備獲取數(shù)據(jù)以供分析。供分析。計算思維計算思維又稱又稱構造思維構造思維，以設計和構造為特征，以計算機學科為代，以設計和構造為特征，以計算機學科為代表。研究的目的是提供適當?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將表。研究的目的是提供適當?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將來的計算機，逐步實現(xiàn)人工智能的較高目標。來的計算機，逐步實現(xiàn)人工智能的較高目標。大學計算機基礎大學計算機基礎341.4 計算思維簡介計算思維簡介 計算思維概念計算思維概念：計算思維是運用計算機科學的基礎概：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、設計系統(tǒng)、以及理解人類行為等一系列念進行問題求解、設計系統(tǒng)、以及理解

39、人類行為等一系列思維活動。計算思維強調思維活動。計算思維強調抽象和構造、可解抽象和構造、可解，強調用，強調用自動自動方式逐步求解方式逐步求解。 計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人由機計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人由機器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設計。由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設計。大學計算機基礎大學計算機基礎351.4 計算思維簡介計算思維簡介 計算思維的本質計算思維的本質：是：是抽象抽象和和自動化自動化。它反映了計算的。它反映了計算的根本問題，即什么能被有效地自動

40、進行。從操作層面上講，根本問題，即什么能被有效地自動進行。從操作層面上講，計算就是如何尋找一臺計算機去求解問題，隱含地說就是計算就是如何尋找一臺計算機去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計算機去解釋執(zhí)行該抽象，要確定合適的抽象，選擇合適的計算機去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動化。后者就是自動化。 計算思維中的抽象可以理解為完全用符號來表示自然計算思維中的抽象可以理解為完全用符號來表示自然界的各種現(xiàn)象，而這些抽象最終是要能夠機械地一步一步界的各種現(xiàn)象，而這些抽象最終是要能夠機械地一步一步自動執(zhí)行的。自動執(zhí)行的。 注：數(shù)學抽象的特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學和注：數(shù)學抽象的特點是拋開

41、現(xiàn)實事物的物理、化學和生物學等特性，而僅保留其量的關系和空間的形式，而計生物學等特性，而僅保留其量的關系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機械地、一步步算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機械地、一步步地自動執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進行精確和嚴格的地自動執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進行精確和嚴格的符號標記和建模。符號標記和建模。大學計算機基礎大學計算機基礎361.4 計算思維簡介計算思維簡介 計算思維的發(fā)展：計算思維在人類思維的早期就已經萌計算思維的發(fā)展：計算思維在人類思維的早期就已經萌芽，并且一直是人類思維的重要組成部分。在很長一段時間芽，并且一直是人類思維的重要組成

42、部分。在很長一段時間里，計算思維的研究是作為數(shù)學思維的一部分進行的。但相里，計算思維的研究是作為數(shù)學思維的一部分進行的。但相應的手段和工具的研究進展緩慢，制約了計算思維的發(fā)展。應的手段和工具的研究進展緩慢，制約了計算思維的發(fā)展。 蒸汽機、電力、材料、醫(yī)藥等的進步徹底改變了這個世蒸汽機、電力、材料、醫(yī)藥等的進步徹底改變了這個世界和人們對于世界的認識。在這個過程中，把對于自然規(guī)律界和人們對于世界的認識。在這個過程中，把對于自然規(guī)律的認識變成一種具有可構造性、可實現(xiàn)性的新知識內容，去的認識變成一種具有可構造性、可實現(xiàn)性的新知識內容，去創(chuàng)造自然界原本沒有的物體，這是人類對于知識應用的深化創(chuàng)造自然界原本

43、沒有的物體，這是人類對于知識應用的深化和延續(xù)。在這個過程中，計算思維起到了重要的作用。和延續(xù)。在這個過程中，計算思維起到了重要的作用。 計算思維也可以叫做構造思維或者其他什么思維，只是由于計算機計算思維也可以叫做構造思維或者其他什么思維，只是由于計算機的發(fā)展極大促進了這種思維的研究和應用，并且在計算機科學的研究和的發(fā)展極大促進了這種思維的研究和應用，并且在計算機科學的研究和工程應用中得到廣泛的認同，所以人們習慣地叫做計算思維。這只是一工程應用中得到廣泛的認同，所以人們習慣地叫做計算思維。這只是一個名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。個名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。大學計算

44、機基礎大學計算機基礎371.4 計算思維簡介計算思維簡介 例如，早期建一所房子，整個建筑的構思可能就在主持例如，早期建一所房子，整個建筑的構思可能就在主持人的人的腦子腦子里面；但是隨著工程規(guī)模的不斷擴大，這種靠記憶里面；但是隨著工程規(guī)模的不斷擴大，這種靠記憶來設計和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應，因此需要有來設計和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應，因此需要有施工圖施工圖紙紙。施工圖紙就是關于房子的形式化的表達方式，這種方式。施工圖紙就是關于房子的形式化的表達方式，這種方式使得人們可以相互溝通設計的思想，共同組織工程的實施。使得人們可以相互溝通設計的思想，共同組織工程的實施。 近代的很多工程，由于留下了豐

45、富的、符合計算思維要近代的很多工程，由于留下了豐富的、符合計算思維要求的文檔，因此我們（當然也包括后人）可以從工程文件中求的文檔，因此我們（當然也包括后人）可以從工程文件中清晰地了解這些工程的施工方法和工藝。采取計算思維的模清晰地了解這些工程的施工方法和工藝。采取計算思維的模式來描述各種工程活動是人類進步的表現(xiàn)。式來描述各種工程活動是人類進步的表現(xiàn)。 有了計算機后，有了計算機后，借助計算機借助計算機可實現(xiàn)從圖紙到房屋模型整可實現(xiàn)從圖紙到房屋模型整個過程的自動化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的個過程的自動化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的方法和手段。方法和手段。大學計算機基礎大學計算

46、機基礎381.4 計算思維簡介計算思維簡介 計算機與計算思維的關系計算機與計算思維的關系：計算思維本身并不是計算機：計算思維本身并不是計算機科學的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也在逐步科學的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也在逐步的發(fā)展。但是，正是計算機的出現(xiàn)，給計算思維的研究和發(fā)的發(fā)展。但是，正是計算機的出現(xiàn)，給計算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化。由于計算機對于信息和符號的快速展帶來了根本性的變化。由于計算機對于信息和符號的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實現(xiàn)的過程變成了實處理能力，使得許多原本只是理論可以實現(xiàn)的過程變成了實際可以實現(xiàn)的過程際可以實現(xiàn)的過程(如海量數(shù)據(jù)

47、的處理、復雜系統(tǒng)的模擬、大如海量數(shù)據(jù)的處理、復雜系統(tǒng)的模擬、大型工程的組織等型工程的組織等)，借助計算機實現(xiàn)了從想法到產品整個過程，借助計算機實現(xiàn)了從想法到產品整個過程的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認知世界和解的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認知世界和解決問題的能力和范圍。決問題的能力和范圍。 計算機的出現(xiàn)豐富了人類改造世界的手段，同時也強化計算機的出現(xiàn)豐富了人類改造世界的手段，同時也強化了計算思維的意義和作用，并極大的推動了計算思維的發(fā)展。了計算思維的意義和作用，并極大的推動了計算思維的發(fā)展。 大學計算機基礎大學計算機基礎391.4 計算思維簡介計算思維簡介 計算思維的應用

48、領域：如同所有人都具備計算思維的應用領域：如同所有人都具備“讀、寫、算讀、寫、算” 能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。計算思維不僅能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。計算思維不僅僅是計算機科學家的思維，它已經不局限于計算機領域。僅是計算機科學家的思維，它已經不局限于計算機領域。 計算思維正在或已經滲透到各個學科、各個領域，甚至計算思維正在或已經滲透到各個學科、各個領域，甚至包括心理學、語言學、數(shù)學、物理學、統(tǒng)計學、社會學等學包括心理學、語言學、數(shù)學、物理學、統(tǒng)計學、社會學等學科，改變著人們傳統(tǒng)的思維方式，并正在潛移默化地影響和科，改變著人們傳統(tǒng)的思維方式，并正在潛移默化地影響和推動著

49、各領域的發(fā)展，成為一種發(fā)展趨勢。推動著各領域的發(fā)展，成為一種發(fā)展趨勢。大學計算機基礎大學計算機基礎401.5 計算思維的典型案例計算思維的典型案例 案例案例1： 從最遠古的手指計數(shù)從最遠古的手指計數(shù)中國古代的算盤中國古代的算盤近代西方的算籌近代西方的算籌機械式計算機機械式計算機當前的電子計算機計算，計算也作為一種思維方當前的電子計算機計算，計算也作為一種思維方式存在，并成為人類科學思維的重要一員。從算盤到計算機的發(fā)展過式存在，并成為人類科學思維的重要一員。從算盤到計算機的發(fā)展過程是計算思維內容不斷拓展的過程。程是計算思維內容不斷拓展的過程。 從歷史來看，機械到電子不但是材料的進步，也是思維方式

50、的進從歷史來看，機械到電子不但是材料的進步，也是思維方式的進步。計算機發(fā)展，歸根結底是計算思維的傳承和發(fā)揚光大。計算機的步。計算機發(fā)展，歸根結底是計算思維的傳承和發(fā)揚光大。計算機的歷史就像一個孩子的成長史，它已經經歷了少年時期的瘋長，進入了歷史就像一個孩子的成長史，它已經經歷了少年時期的瘋長，進入了青年時期。它還會有下一輪的飛速成長，但是要靠人類的智慧作為營青年時期。它還會有下一輪的飛速成長，但是要靠人類的智慧作為營養(yǎng)哺育它。在不久的將來，我們會將計算機變成一個眾多學科交叉結養(yǎng)哺育它。在不久的將來，我們會將計算機變成一個眾多學科交叉結合而成的精靈。而到那時，我們相信那個精靈傳承和發(fā)揚的仍然是計

51、合而成的精靈。而到那時，我們相信那個精靈傳承和發(fā)揚的仍然是計算思維。算思維。大學計算機基礎大學計算機基礎411.5 計算思維的典型案例計算思維的典型案例 案例案例2： 抽象是一種從個體把握一般、從現(xiàn)象把握本質的認知過程和思維抽象是一種從個體把握一般、從現(xiàn)象把握本質的認知過程和思維方法。方法。 在本章中介紹了圖靈機模型，它是一個抽象的計算模型。在本章中介紹了圖靈機模型，它是一個抽象的計算模型。圖靈圖靈把把他的計算模型抽象成一種非常精簡的裝置：一條無限長的紙帶、一個他的計算模型抽象成一種非常精簡的裝置：一條無限長的紙帶、一個讀寫頭、一套控制讀寫頭工作的規(guī)則、一個狀態(tài)寄存器。有了圖靈機讀寫頭、一套控制讀寫頭工作的規(guī)則、一個狀態(tài)寄存器。有了圖靈機這一抽象模型，我們可以得到很多本質的規(guī)律，通過抽象我們能夠抽這一抽象模型，我們可以得到很多本質的規(guī)律，通過抽象我們能夠抽取事物的本質特性、忽略煩瑣的細節(jié)，在抽象的模型上進行科學研究，取事物的本質特性、忽略煩瑣的細節(jié)，在抽象的模型上進行科學研究，有助于發(fā)現(xiàn)事物的內在規(guī)律。雖然圖靈機是現(xiàn)代計算機的數(shù)學模型，有助于發(fā)現(xiàn)事物的內在規(guī)律。雖然圖靈機是現(xiàn)代計算機的數(shù)學模型，但它不等同于實際的計算機，如何設計實際可用的計算機系統(tǒng)，也需但它不等同于實際的計算機，如何設計實際可用的計算機系統(tǒng)，也需要抽象的思維。在第要抽