內(nèi)容計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)(第一章)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述 第一章 計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述20世紀(jì)以來人類最重大的科技發(fā)明當(dāng)數(shù)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。了解計(jì)算機(jī)的過去現(xiàn)在未來，就從認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)開始 引言 本章討論的問題第一章 計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展、特點(diǎn)和用途。認(rèn)識(shí)與了解計(jì)算機(jī)。理解計(jì)算思維的概念。知識(shí)點(diǎn)未來發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)和用途信息技術(shù)計(jì)算思維 教學(xué)目的1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 這是一幅很著名的人類進(jìn)化幽默圖 20世紀(jì)以來人類最重大的科技發(fā)明當(dāng)數(shù)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上的重要人物和思想 (1) 早期的計(jì)算

2、工具 美國(guó)著名科普大師阿西莫夫說過，人類最早的“計(jì)算機(jī)”是手指，英語(yǔ)單詞“Digit” 既表示“手指”又表示“整數(shù)數(shù)字”。 中國(guó)數(shù)學(xué)史專家考證，大約在新石器時(shí)代早期，先民使用的“計(jì)算機(jī)”是結(jié)繩，即用繩子打結(jié)的多少來表示數(shù)的概念。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 公元前5世紀(jì)，中國(guó)人發(fā)明了算盤，廣泛應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易中，算盤被認(rèn)為是最早的計(jì)算機(jī)，并一直使用至今。 計(jì)算工具的源頭可以上溯至2000多年前的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，古代中國(guó)人發(fā)明的算籌是世界上最早的計(jì)算工具。 古語(yǔ)曰：“運(yùn)籌策于帷幄之中，決勝于千里之外?！被I策又叫算籌，用竹、木或獸骨制成，祖沖之借助算籌成功地將圓周率值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后的第7位。1.1 計(jì)算機(jī)基

3、礎(chǔ)知識(shí) 鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動(dòng)裝置技術(shù)的發(fā)展，誕生了最早的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。 下面我們通過介紹幾位對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展有過突出貢獻(xiàn)的早期歷史人物，闡述計(jì)算發(fā)展的歷程。 (2) 機(jī)械式計(jì)算機(jī)機(jī)械式計(jì)算機(jī)時(shí)代的代表人物 帕斯卡 萊布尼茨 巴貝奇 愛達(dá) 該加法機(jī)可完成六位數(shù)字的加減法。它的設(shè)計(jì)原理對(duì)其后的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 法國(guó)物理學(xué)家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年發(fā)明了第一臺(tái)機(jī)械式加法機(jī)。該機(jī)由齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅(qū)動(dòng)，用專用的鐵筆來?yè)軇?dòng)轉(zhuǎn)輪以輸入數(shù)字。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 為了紀(jì)念帕斯卡的偉大發(fā)明，1971年，當(dāng)瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的沃斯教授發(fā)明了一種新的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言起名叫帕斯卡(PA

4、SCAL)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，PASCAL語(yǔ)言在高校計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)中一直處于主導(dǎo)地位。 德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨：在1673年發(fā)明了機(jī)械式乘除法器?；驹砝^承于帕斯卡的加法機(jī)，也是由一系列齒輪組成，但它能夠連續(xù)重復(fù)地做加減法，從而實(shí)現(xiàn)了乘除運(yùn)算。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機(jī)復(fù)制品送給康熙皇帝。 1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 盡管萊布尼茨發(fā)明了二進(jìn)制，但這并非是由于他認(rèn)識(shí)到二進(jìn)制對(duì)于計(jì)算機(jī)來說是多么重要。事實(shí)上，他發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)和二進(jìn)制毫不相干。然而，他發(fā)明的二進(jìn)制現(xiàn)在卻支配著全世界不計(jì)其數(shù)的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 英國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家愛達(dá) (1815-1852)：巴貝奇的合作伙伴。她用穿孔卡

5、片設(shè)計(jì)了世界上“第一件計(jì)算機(jī)程序”。她還建議分析機(jī)用二進(jìn)制存儲(chǔ)。預(yù)言分析機(jī)能唱歌、繪畫。 英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇：1822年，在歷經(jīng)10年努力終于發(fā)明了“差分機(jī)”。它有3個(gè)齒輪式寄存器，可以保存3個(gè)5位數(shù)字，計(jì)算精度可以達(dá)到6位小數(shù)。 巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計(jì)算機(jī)分析機(jī)，但最終失敗。 愛達(dá)最出名的地方是因?yàn)樗帉懥艘幌凋?qū)動(dòng)機(jī)器的指令，用于進(jìn)行數(shù)學(xué)功能運(yùn)算。正因?yàn)檫@樣，現(xiàn)在她被認(rèn)為是第一位程序設(shè)計(jì)師。1979年美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的程序語(yǔ)言ADA就是以她的名字命名。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)(3) 機(jī)電式計(jì)算機(jī) 19世紀(jì)末，電學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們開始設(shè)計(jì)電氣控制的自動(dòng)計(jì)算工具。1888年，美國(guó)人赫爾曼霍列瑞

6、斯發(fā)明了制表機(jī)。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洞和水銀接觸，把電流接通，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)裝置前進(jìn)一個(gè)刻度的方法進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，并成功應(yīng)用于1890年的美國(guó)人口普查。依靠制表機(jī)，他創(chuàng)辦了制表機(jī)公司，即后來的IBM公司。 1944年，在美國(guó)物理學(xué)家艾肯指導(dǎo)下，馬克1號(hào)計(jì)算機(jī)研制成功。它是全機(jī)電式的計(jì)算機(jī)，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動(dòng)，仍然采用十進(jìn)制，它是世界上第一臺(tái)通用程序控制計(jì)算機(jī)。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)(4) 計(jì)算機(jī)理論奠基人 1847年，英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾設(shè)計(jì)了一套表示邏輯理論的基本概念和符號(hào)，用1和0表示命題的真與假，用“與”、“或”、“非”表示命題間的運(yùn)算關(guān)系，這就是成為現(xiàn)代

7、電子計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)的布爾代數(shù)。 1938年，美國(guó)數(shù)學(xué)家香農(nóng)首次將布爾代數(shù)和繼電器開關(guān)電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了開關(guān)電路理論。從理論到技術(shù)徹底改變了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方向，不僅使將來的電子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，還能夠進(jìn)行非數(shù)值運(yùn)算?？梢哉f，如果沒有香農(nóng)的這一思想，現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)是無法研制成功的。英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾美國(guó)數(shù)學(xué)家香農(nóng)英國(guó)科學(xué)家阿蘭圖靈(理論計(jì)算機(jī)的奠基人)1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，最具影響力的兩個(gè)代表人物是阿蘭圖靈和馮諾依曼。美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼(計(jì)算機(jī)鼻祖) 圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，他把“計(jì)算”這一過程分解為如下步驟： 根據(jù)眼睛看

8、到紙上的符號(hào)，腦中思考相應(yīng)的法則； 指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號(hào)； 再改變眼中所看到的范圍； 如此繼續(xù)，直到認(rèn)為計(jì)算結(jié)束為止。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)圖靈機(jī)示意圖控制器(含運(yùn)算功能)讀寫頭 (輸入輸出設(shè)備)紙帶（存儲(chǔ)器） 圖靈機(jī)：這個(gè)在當(dāng)時(shí)看來是紙上談兵的簡(jiǎn)單機(jī)器，隱含了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中“存儲(chǔ)程序”的基本思想。半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)學(xué)家們提出的各種各樣的計(jì)算模型都被證明是和圖靈機(jī)等價(jià)的。 1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)姚期智：2000年首位獲獎(jiǎng)圖靈獎(jiǎng)的華裔學(xué)者 后人模擬的圖靈機(jī)結(jié)構(gòu)圖七十多年來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)仍然是“馮諾依曼計(jì)算機(jī)”。 計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備五大部件組成；

9、 應(yīng)采用二進(jìn)制簡(jiǎn)化機(jī)器的電路設(shè)計(jì)； 采用“存儲(chǔ)程序”技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能保存指令和數(shù)據(jù)并能夠自動(dòng)依次執(zhí)行指令，消除計(jì)算過程中的人工干預(yù)等。 1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)馮諾依曼提出的存儲(chǔ)理論:（該理論奠定了其計(jì)算機(jī)鼻祖的地位） 20世紀(jì)40年代，計(jì)算理論及電子技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)械式計(jì)算機(jī)的不斷創(chuàng)新與改進(jìn)為電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)提供了技術(shù)支持，最終誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1946年由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，取名ENIAC。由此誕生了“第一個(gè)電子的大腦”Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計(jì)

10、算機(jī)重30噸，占地167m2，耗電150千瓦主要元件為電子管、繼電器，可保存80個(gè)字節(jié)，每秒鐘做5000次加減法或400次乘法運(yùn)算。致命缺陷：沒有存儲(chǔ)程序。1.1.2 電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程具有劃時(shí)代意義 第一代計(jì)算機(jī) 19461958年 以電子管為主要元件 代表機(jī)型：ENIAC1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 第二代計(jì)算機(jī) 19581964年 以晶體管為主要元件采用晶體管的第二代電子計(jì)算機(jī)IBM7090型 未來的第五代計(jì)算機(jī)是智能計(jì)算機(jī)1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代。 第四代計(jì)算機(jī) 1971年至今 以大規(guī)模/超大集成電路為主要元件 巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)以及便攜機(jī)

11、第三代計(jì)算機(jī) 19641971年 以集成電路為主要元件采用集成電路的第三代電子計(jì)算機(jī)IBM360型1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1.3 計(jì)算機(jī)類型巨型機(jī)大型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)工作站服務(wù)器嵌入式按計(jì)算機(jī)規(guī)模分類IBM系列大型機(jī)IBM系列小型機(jī)全能型圖形工作站IBM PC系列服務(wù)器微型計(jì)算機(jī)銀河系列巨型機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。運(yùn)算速度快計(jì)算精度高存儲(chǔ)容量大具有邏輯判斷能力按照程序自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算機(jī)特點(diǎn)1.1.4 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理過程與實(shí)時(shí)控制人工智能計(jì)

12、算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)程通信與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認(rèn)可的是：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、輔助設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)通訊、人工智能等方面。20年前上課提出：計(jì)算機(jī)應(yīng)用在哪方面？現(xiàn)在上課時(shí)提出：哪些地方不用計(jì)算機(jī)？ 巨型化 存儲(chǔ)容量大、運(yùn)算速度達(dá)每秒百萬(wàn)億、千萬(wàn)億次的巨型機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的指標(biāo)之一。1.1.5 未來的計(jì)算機(jī)1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 計(jì)算機(jī)正向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。 2009年，我國(guó)成功研制出每秒1206萬(wàn)億次的“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)的國(guó)家。1.1 計(jì)算機(jī)基

13、礎(chǔ)知識(shí) 2010年，改進(jìn)后的“天河一號(hào)” 以峰值速度4700萬(wàn)億次、持續(xù)速度2570萬(wàn)億次每秒浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居當(dāng)年世界第一。2013年， “天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次，持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，成為當(dāng)年全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。這是繼“天河一號(hào)”之后，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)再次奪冠。天河一號(hào)天河二號(hào)每秒3.39億億次！“天河二號(hào)”成為2013年全球最快計(jì)算機(jī)。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 網(wǎng)絡(luò)化 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可共享遠(yuǎn)程資源，實(shí)現(xiàn)通信和合作。 智能化 智能計(jì)算機(jī)將是一種具有類似于人的思維能力，能聽會(huì)說，能想會(huì)做，能代替人的體力勞動(dòng)以及腦力勞動(dòng)的智能機(jī)

14、器人。 微型化 計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是個(gè)人的信息機(jī)器。 光計(jì)算機(jī) 用光子器件替代電子器件。1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 從目前的研究情況看，未來的新型計(jì)算機(jī)可能在以下三方面取得突破： 生物計(jì)算機(jī) 用生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計(jì)算機(jī)稱為蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)，或稱為生物計(jì)算機(jī)。 量子計(jì)算機(jī)利用處于多態(tài)的原子進(jìn)行計(jì)算。 未來的計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和電子仿生技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。這些計(jì)算機(jī)技術(shù)目前正處在初步的研究階段，離應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件中央處理器運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器內(nèi)存外存輸入/輸出設(shè)備1.2 計(jì)算機(jī)系

15、統(tǒng)構(gòu)成1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 以最為常見的臺(tái)式機(jī)為例，從外觀上看，臺(tái)式機(jī)由幾個(gè)部件構(gòu)成：顯示器、鍵盤、機(jī)箱、鼠標(biāo)等。實(shí)際上這些并不是計(jì)算機(jī)最重要的部分。計(jì)算機(jī)最主要的工作實(shí)際上是由那些被機(jī)箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的部分。 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成。(詳見第三章介紹) 計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)、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(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備。而與你的大腦類似的東西則在機(jī)箱里面，叫中央處理器和內(nèi)存儲(chǔ)器。應(yīng)用軟件其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)硬 件 應(yīng)用軟件：是指用戶為解決各

16、種實(shí)際問題而編寫的程序。分兩類：一類是針對(duì)某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體問題開發(fā)的程序；第二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的通用型應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件：位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最靠近硬件的一層，其他軟件一般都通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用，系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、監(jiān)控管理程序、調(diào)試程序、故障檢查和診斷程序等。 1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還不能獨(dú)立思考，不能產(chǎn)生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還都是由人類設(shè)計(jì)的，計(jì)算機(jī)只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的任務(wù)。1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 在信息化社會(huì)，人們應(yīng)該在了解和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)，也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術(shù)。 用計(jì)算機(jī)解決

17、問題，首先要獲取問題相關(guān)的信息，按照某種方式將信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)程序處理這些信息。 1.3.1 信息技術(shù)概念 (1) 信息的概念 目前為止，還沒有一個(gè)比較統(tǒng)一或普遍適用的有關(guān)信息的定義。但從信息科學(xué)角度看，信息和數(shù)據(jù)是不同的。 “信息”有意義，而“數(shù)據(jù)”沒有。人通過接受信息來認(rèn)識(shí)事物，信息是一種知識(shí)，是接受者事先不知道不了解的知識(shí)。數(shù)據(jù)是信息的載體。數(shù)值、文字、語(yǔ)言、圖形、圖像等都是不同形式的數(shù)據(jù)。 1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) (2) 信息表示 信息表示需要一種符號(hào)系統(tǒng)。人類在長(zhǎng)期的實(shí)踐中形成的語(yǔ)言文字就是一種符號(hào)系統(tǒng)，聲音也是一種符號(hào)系統(tǒng)。 而在計(jì)算機(jī)中，則是通過二進(jìn)制形式表示

18、現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象。計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理的信息形式也只能是二進(jìn)制。 (3) 信息處理 人類在長(zhǎng)期的實(shí)踐中發(fā)明了包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的各種信息處理工具，以輔助人類的信息處理任務(wù)。理解一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或一種計(jì)算技術(shù)，要弄清四個(gè)問題： 它將處理什么類型的信息? 信息如何表示? 在這些信息上進(jìn)行什么處理? 如何實(shí)現(xiàn)這些處理?1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) (4) 信息技術(shù)的概念及發(fā)展 從原始社會(huì)、農(nóng)業(yè)社會(huì)、工業(yè)社會(huì)到今天的信息社會(huì)，信息技術(shù)的發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，至今人類歷史上已經(jīng)發(fā)生了4次信息技術(shù)革命?，F(xiàn)代信息技術(shù)： 計(jì)算機(jī)技術(shù)微電子技術(shù)通信技術(shù) 序號(hào)主要特征第一次信息革命文字的使用第二次信息革命印刷術(shù)的使用第三次信息革

19、命電報(bào)、電話、廣播和電視的使用第四次信息革命計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的使用核心基礎(chǔ)動(dòng)力1.3.2 信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 就像在經(jīng)典物理學(xué)時(shí)代有所謂牛頓三大定律那樣，信息時(shí)代也產(chǎn)生了所謂的三大定律，這三大定律共同勾勒出了信息技術(shù)發(fā)展的歷程。定律序號(hào)定律名稱內(nèi) 容第一定律摩爾定律即每平方英寸硅芯片上的晶體管數(shù)目每18個(gè)月到24個(gè)月將增加一倍。40年來，這個(gè)預(yù)言每每應(yīng)驗(yàn)，而且后人又增加一條：“價(jià)格同時(shí)下降一半”。第二定律吉爾德定律預(yù)測(cè)互聯(lián)網(wǎng)的帶寬每6個(gè)月增長(zhǎng)1倍，其增長(zhǎng)速度是摩爾定律預(yù)測(cè)的CPU增長(zhǎng)速度的3倍。并預(yù)言將來上網(wǎng)會(huì)免費(fèi)。第三定律麥特卡爾定律預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值與網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方

20、成正比。也就是說，N個(gè)連結(jié)創(chuàng)造出NN的效益。在網(wǎng)上，每一個(gè)人都能夠連接到N個(gè)人，N個(gè)人能看到N個(gè)人的信息，所以信息的傳送效益是N的平方。上網(wǎng)的人數(shù)越多，產(chǎn)生的效益越多。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 科學(xué)界一般認(rèn)為，科學(xué)方法分為理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三大類。與三大科學(xué)方法相對(duì)應(yīng)的三大科學(xué)思維是：理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。理論思維又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，公理化方法是思維方法。實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于特定設(shè)備獲取數(shù)據(jù)以供分析。計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征

21、，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。研究的目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將來的計(jì)算機(jī)，逐步實(shí)現(xiàn)人工智能的較高目標(biāo)。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算思維概念：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、以及理解人類行為等一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)抽象和構(gòu)造、可解，強(qiáng)調(diào)用自動(dòng)方式逐步求解。 計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人由機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算思維的本質(zhì)：是抽象和自動(dòng)化。它反映了計(jì)算的根本問題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。從操作層面上講，計(jì)算就是如何尋找一臺(tái)計(jì)算機(jī)去求解問題，隱含地說就是要確

22、定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動(dòng)化。 計(jì)算思維中的抽象可以理解為完全用符號(hào)來表示自然界的各種現(xiàn)象，而這些抽象最終是要能夠機(jī)械地一步一步自動(dòng)執(zhí)行的。 注：數(shù)學(xué)抽象的特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物理、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機(jī)械地、一步步地自動(dòng)執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進(jìn)行精確和嚴(yán)格的符號(hào)標(biāo)記和建模。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算思維的發(fā)展：計(jì)算思維在人類思維的早期就已經(jīng)萌芽，并且一直是人類思維的重要組成部分。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，計(jì)算思維的研究是作為數(shù)學(xué)思維的一部分進(jìn)行的。但相應(yīng)的手段和工具的研究進(jìn)展緩慢，制約了計(jì)

23、算思維的發(fā)展。 蒸汽機(jī)、電力、材料、醫(yī)藥等的進(jìn)步徹底改變了這個(gè)世界和人們對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)。在這個(gè)過程中，把對(duì)于自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)變成一種具有可構(gòu)造性、可實(shí)現(xiàn)性的新知識(shí)內(nèi)容，去創(chuàng)造自然界原本沒有的物體，這是人類對(duì)于知識(shí)應(yīng)用的深化和延續(xù)。在這個(gè)過程中，計(jì)算思維起到了重要的作用。 計(jì)算思維也可以叫做構(gòu)造思維或者其他什么思維，只是由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大促進(jìn)了這種思維的研究和應(yīng)用，并且在計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究和工程應(yīng)用中得到廣泛的認(rèn)同，所以人們習(xí)慣地叫做計(jì)算思維。這只是一個(gè)名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 例如，早期建一所房子，整個(gè)建筑的構(gòu)思可能就在主持人的腦子里面；但是隨著工程規(guī)模的

24、不斷擴(kuò)大，這種靠記憶來設(shè)計(jì)和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應(yīng)，因此需要有施工圖紙。施工圖紙就是關(guān)于房子的形式化的表達(dá)方式，這種方式使得人們可以相互溝通設(shè)計(jì)的思想，共同組織工程的實(shí)施。 近代的很多工程，由于留下了豐富的、符合計(jì)算思維要求的文檔，因此我們（當(dāng)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(jì)算思維的模式來描述各種工程活動(dòng)是人類進(jìn)步的表現(xiàn)。 有了計(jì)算機(jī)后，借助計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)從圖紙到房屋模型整個(gè)過程的自動(dòng)化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的方法和手段。1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維的關(guān)系：計(jì)算思維本身并不是計(jì)算機(jī)科學(xué)的專屬。實(shí)際上，即使沒有計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維也在

25、逐步的發(fā)展。但是，正是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化。由于計(jì)算機(jī)對(duì)于信息和符號(hào)的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實(shí)現(xiàn)的過程變成了實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的過程(如海量數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、大型工程的組織等)，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了從想法到產(chǎn)品整個(gè)過程的自動(dòng)化、精確化和可控化，大大拓展了人類認(rèn)知世界和解決問題的能力和范圍。 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)豐富了人類改造世界的手段，同時(shí)也強(qiáng)化了計(jì)算思維的意義和作用，并極大的推動(dòng)了計(jì)算思維的發(fā)展。 1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域：如同所有人都具備“讀、寫、算” 能力一樣，計(jì)算思維是必須具備的思維能力。計(jì)算思維不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維，它已

26、經(jīng)不局限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。 計(jì)算思維正在或已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科、各個(gè)領(lǐng)域，甚至包括心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)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(dòng)著各領(lǐng)域的發(fā)展，成為一種發(fā)展趨勢(shì)。1.5 計(jì)算思維的典型案例 案例1： 從最遠(yuǎn)古的手指計(jì)數(shù)中國(guó)古代的算盤近代西方的算籌機(jī)械式計(jì)算機(jī)當(dāng)前的電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，計(jì)算也作為一種思維方式存在，并成為人類科學(xué)思維的重要一員。從算盤到計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程是計(jì)算思維內(nèi)容不斷拓展的過程。 從歷史來看，機(jī)械到電子不但是材料的進(jìn)步，也是思維方式的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)發(fā)展，歸根結(jié)底是計(jì)算思維的傳承和發(fā)揚(yáng)光大。計(jì)算機(jī)的歷史就像一個(gè)孩子的成長(zhǎng)史，它已經(jīng)經(jīng)歷了

27、少年時(shí)期的瘋長(zhǎng)，進(jìn)入了青年時(shí)期。它還會(huì)有下一輪的飛速成長(zhǎng)，但是要靠人類的智慧作為營(yíng)養(yǎng)哺育它。在不久的將來，我們會(huì)將計(jì)算機(jī)變成一個(gè)眾多學(xué)科交叉結(jié)合而成的精靈。而到那時(shí)，我們相信那個(gè)精靈傳承和發(fā)揚(yáng)的仍然是計(jì)算思維。1.5 計(jì)算思維的典型案例 案例2： 抽象是一種從個(gè)體把握一般、從現(xiàn)象把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維方法。 在本章中介紹了圖靈機(jī)模型，它是一個(gè)抽象的計(jì)算模型。圖靈把他的計(jì)算模型抽象成一種非常精簡(jiǎn)的裝置：一條無限長(zhǎng)的紙帶、一個(gè)讀寫頭、一套控制讀寫頭工作的規(guī)則、一個(gè)狀態(tài)寄存器。有了圖靈機(jī)這一抽象模型，我們可以得到很多本質(zhì)的規(guī)律，通過抽象我們能夠抽取事物的本質(zhì)特性、忽略煩瑣的細(xì)節(jié)，在抽象的模型上進(jìn)行科學(xué)研究，有助于發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。雖然圖靈機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但它不等同于實(shí)際的計(jì)算機(jī)，如何設(shè)計(jì)實(shí)際可用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也需要抽象的思維。