20140710-大学计算机第1讲-计算机-计算与计算思维.

大学计算机-计算思维导论2014宋斌南京理工大学计算机科学与工程学院当今信息社会，每个人都离不开计算机，计算机的出现已改变了人们很多的工作和生活习惯！学习大学计算机，应该学习计算思维，学习计算机科学家进行问题求解的思维方式！第1讲计算机、计算与计算思维3/63计算机、计算与计算思维1.计算机是什么?计算机是什么?4/63传统“计算机器”多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统1.1计算机与各种设备中的计算机?形形色色的计算机5/63形形色色的计算机1.2各种应用中的计算机?6/63马克.安德森---前Netscape公司创始人，现风险投资人形形色色的计算机1.3计算机除了硬件，还包括软件?7/63为什么要学习和怎样学习大学计算机课程计算机、计算与计算思维2.为什么要学习和怎样学习大学计算机课程?8/632.1为什么要学习大学计算机？计算学科的供需关系9/63计算科学与信息探索科学10/63支持各学科研究创新的新型计算手段Gap计算思维/计算能力计算机及其通用计算手段的应用当前的非计算机专业计算机关注点应用计算手段进行各学科研究和创新非计算机专业学生的未来计算能力知识/技能计算思维的学习和训练1998年诺贝尔化学奖奖励给一个计算手段的研究者--JohnPople化学学科工作者利用计算手段进行学科的科学研究各学科人才的计算思维/计算能力需求11/63“看山是山，看水是水”“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”“看山不是山，看水不是水”“衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴”“看山还是山，看水还是水”“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”From王国维“人间词话”关于“境界”的阐述贯通，看得远，才能认识准确浮想联翩，由此及彼，才能发现不断训练，不断理解，才能找出本质，才能创新联想与贯通训练与实践概念与知识“计算机”的思维:计算机是如何工作的?计算机的功能是如何越来越强大的?利用计算机的思维:现实世界的各种事物如何利用计算机来进行控制和处理?计算思维(ComputationalThinking)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化----from周以真。计算思维2.2怎样学习大学计算机？思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑12/63---本门课程学习需要注意的知识vs.贯通知识的思维—计算思维本质可实现启发性联想知识知识的贯通-思维13/63思维(Thought/Thinking)能力(Ability&Capability)知识/技能(Technique/Skill)计算机语言与程序设计数据库数学建模或非数学建模知识与视野拓展KnowledgeExpansion大学计算机计算机专业导论(计算思维导论)云计算与云服务企业资源规划与供应链管理视野：宽度---知识面宽，前沿性深度---贯通性，深入性技能：练习，练习，……思维：好奇、思考、联想、贯通训练与掌握Training启发与理解Understanding打通知识脉络，融贯各门课程，内功强化基础，外功灵活应变。•能力----内功(贯通的脉络)•实践----锻炼,使脉络贯通•思维----脉络(穴位链)•知识----穴位知识vs.思维vs.能力14/63计算与自动计算计算机、计算与计算思维3.计算与自动计算?15/63简单计算I：数据计算，计算规则，应用计算规则进行计算并获得计算结果复杂计算II：f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法，便于人应用规则进行计算，获得计算结果复杂计算III：如丢番图方程，判定，计算规则，人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机器获得计算结果a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c3.1什么是计算？计算学科的计算vs.数学学科的计算16/63例如：求ax2+bx+c=0的根人进行计算：规则可能很复杂,但计算量却可能很小人需要知道具体的计算规则特定规则，只能求:a1x2+a2x=c机器-自动计算：规则可能很简单,但计算量却很大机器也可以采用人所使用的计算规则一般性的规则，可以求任意:a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c人-求解机器-求解(1)从-n到n，产生x的每一个整数值；(2)将其依次代入到方程中计算;(3)如果其值使方程式成立，则即为其解；否则不是3.2人计算与机器计算的差别?“人”计算vs.“机器”计算利用上述公式计算得到x值17/63自动计算要解决的几个问题:表示-存储-执行“数据”的表示“计算规则”的表示数据与计算规则的“自动存储”计算规则的“自动执行”a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c3.3自动计算需要解决什么问题?18/63算盘能被认为是计算机吗?九层算盘一、加法口诀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、减法口诀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珠算珍品3.4机械计算的探索?19/63帕斯卡与帕斯卡机----(准)第一台机械计算机BlaisePascal(1623～1662)1642年研制成功一种齿轮式计算机器帕斯卡机的意义：它告诉人们“用纯机械装置可代替人的思维和记忆”。开辟了自动计算的道路。3.计算与自动计算3.4机械计算的探索?20/63莱布尼茨GottfriedWilhelmLeibniz(1646～1716)，德国数学家。莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行。提出了二进制数及其计算规则；数理逻辑的创始人是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机器？如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎样的呢？21/63其他重要工作1834年：巴贝奇(CharlesBabbage)，分析机的概念----可执行程序的机器。1805年：杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡，实践了输入手段问题。1854年：布尔创立布尔代数，为数字计算机的电路设计提供了理论基础。……(请同学课后补充)巴贝奇差分机与分析机22/63计算辅助工具Pascal机械计算机:自动计算Babbage机械计算机:(特定)程序现代计算机：一般程序机械计算的简要发展历程是怎样的？从表示-自动存储-自动执行的角度23/63电子自动计算-元器件计算机、计算与计算思维4.电子自动计算-元器件?24/63电子管时代的计算机器人类第一只电子管(真空二极管),1895电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管4.1电子自动计算的突破在哪里？存储0和1的元器件25/63电子管时代的计算机器冯.诺伊曼(VonNeumann)电子计算机EDVAC问世将运算和存储分离，运算速度却比拥有18000个电子管的“ENIAC”提高了10倍结构上的创新：“冯.诺伊曼计算机”。运算规则和数据是否可事先存储于存储器中，以便机器连续的执行呢？运算和存储怎样分离呢？?26/63晶体管时代的计算机器人类第一只晶体管(真空二极管),1947第一台晶体管计算机TRADIC，19534.2晶体管发现的价值在哪里呢？怎样使体积更小?可靠性更高?可控性更灵活呢??27/63集成电路时代的计算机器集成电路的发明,1959第三代计算机IBM360,1964J.Kilby，集成电路发明者封装后的集成电路芯片4.3什么是集成电路，其价值又在哪里呢？能否将复杂的电路封装后作为新电路设计的元件呢？复杂的电路集成封装应用？28/63超大规模集成电路(VLSI)时代的计算机器第四代计算机—个人计算机,1981VLSI芯片及其封装的内部电路摩尔定律----每18个月芯片能力增长一倍29/63电子管:可自动控制0和1变化的元件晶体管集成电路:可自动实现一定变换的元件超大规模集成电路(VLSI)自动计算中的元器件的发展从表示-自动存储-自动执行的角度体积越来越小；可靠性越来越高；电路规模越来越大；速度越来越快；功能越来越强大；4.4元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？30/63自动计算中的元器件的发展启示InputOutputTransformInput1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3Input1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3ABTransform44.5元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？31/63电子自动计算-计算机系统计算机、计算与计算思维5.电子自动计算-计算机系统?32/63计算机系统要解决的几个问题“存储与计算”----微处理器“输入”----如何将外部信息输入到计算机中?“输出”----如何将计算机中信息输出到外界(显示或打印)?“永久存储”----如何将计算机中的信息永久保存?5.1计算机系统的构成包括哪些部分？33/63字长：8位16位32位64位主频：几MHz几百MHz几GHz晶体管数量：几万几百万几亿颗功能/规模：微处理器微处理器+协处理器(浮点运算)微处理器+图形处理单元GPU微处理器+3D处理器+多媒体处理器多核微处理器微处理器的发展1999PentiumIII2005双核CORE2010八核-十核COREi系列19748086/80881982Intel802861985Intel803861989Intel804861993Pentium1997PentiumII5.2存储与计算的核心--微处理器？34/63存储设备存储设备类别发展水平固态硬盘USBRemovablediskFlashRAM磁带/磁芯/磁鼓存储磁盘存储(硬盘与软盘)光盘存储(CD-ROM,CDR/W,DVD)汞延迟线纳米存储/量子存储半导体存储(ROM/RAM)•体积越来越小•容量越来越大•访问速度越来越快•可靠性越来越高•功耗越来越低•持久性越来越好DRAM半导体存储器芯片FlashRAM存储器U-Disk固态硬盘磁芯存储器5.3怎样解决大规模快速存储问题？35/63输入设备类别发展水平穿孔纸带(0/1输入)键盘输入(符号输入)鼠标输入(点输入)感知输入(接触式感知输入非接触式感知输入)输入设备5.4怎样解决输入问题？36/63输出设备(显示器)类别发展水平CRT：阴极射线管(模拟显示器：黑白与彩色)CRT:字符发生器(向量式模拟显示器:输出字符)CRT:数字光栅扫描显示器(基于内存的显示:输出图形)3D显示器：3维图形数字显示器：高清图形(液晶、等离子技术)GPU芯片多显示卡并联•分辨率越来越高•颜色越来越逼真•显示速度越来越快(屏幕刷新速度和图形处理速度)•越来越薄，越清晰•可视角度越来越接近平角输出设备---显示及显示控制5.5怎样解决输出问题？37/63计算机系统的发展微处理器存储设备输出设备(显示器)输入设备类别发展水平(字长;主频;晶体管数目)(8位;5M;1万颗)(16位;20M;10万颗)(32位;60M;300万颗)(32位;1G;2800万颗)(64位;10G;3亿颗)(64位;10G;10亿颗)穿孔纸带(0/1输入)键盘输入(符号输入)鼠标输入(点输入)感知输入(接触式感知输入非接触式感知输入)CRT：阴极射线管(模拟显示器：黑白与彩色)CRT:字符发生器(向量式模拟显示器)CRT:数字光栅扫描显示器(基于内存的显示)3D显示器数字显示器(液晶、等离子技术)固态硬盘USBRemovablediskF