2013秋大学计算机第1章.

大学计算机——计算思维导论哈尔滨工业大学2013~20141为什么要学…?专业：计算机科学与技术？高度决定视野、角度改变观念、尺度把握人生----某广告词2为什么要学…?传统“计算机器”多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统3马克安德森---前Netscape公司创始人，现风险投资人为什么要学…?4为什么要学…?构造传统“计算机器”构造各种新型“计算机器”应用各种新型“计算机器”计算机科学与技术软件工程、生物信息、信息安全、……科学研究的三大手段：理论、实验和计算计算科学5为什么要学…?6为什么要学…?高等院校研究机构各行业企业政府机构信息技术与信息系统软件工程计算机科学学科理论硬件系统应用系统软件系统XYY计算机工程计算机工程软件工程自主创业你要去哪里?自主创业7学什么…?如何制造计算机?如何应用计算机?如何提高计算性能?计算思维“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?思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑。8学什么…?计算思维：“知识”与“知识的贯通(思维)”9《大学计算机——计算思维导论》课程教学目标本科生入学后的第一门计算机通识教育课程理解计算机基本原理培养利用计算机/计算技术进行问题求解的能力理解典型的计算思维，并通过实践操作验证及强化学习培养使用计算机/网络的意识思维性+感性+系统性初步理解与认识为主细节内容在后续课程讲解本课程“求解”但“不求甚解”!学什么…?10课堂讲解、互动软件演示、视频展示上机亲自动手实践建有课程网站---乐学网，进行互动交流乐学网上提供有大量相关的参考资料主动思考—不妨偶尔“穿越”一下时空教学手段End下页本课程学时安排、考试要求授课学时：30学时（15次）实验学时：12学时（4次，每次结束提交实验报告）考试基本要求考试以学生完成实验环节为必要条件期末考试采用笔试。本课程实行累积式教学本课程成绩评定由两部分组成：期末考试成绩占总成绩的50%；实验成绩占总成绩的50%。平时出勤很重要。实验成绩会及时公示。教学内容第1章引论第2章计算系统的基本思维第3章问题求解框架第4章算法与复杂性第5章数据抽象、设计与挖掘第6章计算机网络、信息网络与网络化社会怎样学…?大学计算机算法、数据结构、程序设计各种专业课程通识计算思维的理解问题求解能力的训练专业知识累积思维能力知识数学系统打通知识脉络，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15怎样学…?“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。思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑。16计算机导论第1章引论第2章计算系统的基本思维第3章问题求解框架第4章计算机科学与技术学科第5章Linux操作系统的使用第6章基本素养17第1章引论1.1计算(工具)历史与计算机历史计算历史?计算机硬件历史?计算机软件历史计算机网络历史1.2计算机应用和发展历史的回顾，不只是要记住历史事件及历史人物，而是要观察技术的发展路线图，观察其带给我们的思想性的启示，这对于创新及创新性思维培养是非常有用的！181.1计算(工具)历史与计算机历史简单计算I：数据计算，计算规则及其应用什么是计算？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a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c191.1计算(工具)历史与计算机历史计算与自动计算要解决的几个问题“数据”的表示“存储”及自动存储“计算规则”的表示“计算规则执行”及自动执行20算盘九层算盘一、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1.1计算(工具)历史与计算机历史21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。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。1.1计算(工具)历史与计算机历史22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1.1计算(工具)历史与计算机历史23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。巴贝奇分析机1.1计算(工具)历史与计算机历史241.1计算(工具)历史与计算机历史计算辅助工具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：一般程序计算与自动计算要解决的几个问题“数据”的表示“存储”及自动存储“计算规则”的表示“计算规则执行”及自动执行25电子管时代的计算机器1.1计算(工具)历史与计算机历史人类第一只电子管(真空二极管),1895电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管26电子管时代的计算机器1.1计算(工具)历史与计算机历史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”。27晶体管时代的计算机器1.1计算(工具)历史与计算机历史人类第一只晶体管(真空二极管),1947第一台晶体管计算机TRADIC，195328集成电路时代的计算机器1.1计算(工具)历史与计算机历史集成电路的发明,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29超大规模集成电路(VLSI)时代的计算机器1.1计算(工具)历史与计算机历史第四代计算机—个人计算机,1981VLSI芯片及其封装的内部电路30第一代（1946~1959）电子管5千~4万（次/秒）第二代（1959~1964）晶体管几十万~百万（次/秒）第三代（1964~1972）集成电路百万~几百万（次/秒）第四代（1972~至今）超大规模集成电路几百万~几百亿（次/秒）1.1计算(工具)历史与计算机历史计算机发展的年代划分311.1计算(工具)历史与计算机历史电子管: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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；321.1计算(工具)历史与计算机历史自动计算中的元器件的发展启示InputOutputTransformInput1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3Input1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3ABTransform433晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒摩尔定律----每18个月芯片能力增长一倍。1.1计算(工具)历史与计算机历史摩尔(Intel创始人)定律34字长：8位16位32位64位主频：几MHz几百MHz几十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1.1计算(工具)历史与计算机历史1999PentiumIII2005双核CORE2010八核-十核COREi系列19748086/80881982Intel802861985Intel803861989Intel804861993Pentium1997PentiumII351.1计算(工具)历史与计算机历史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?361.1计算(工具)历史与计算机历史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•功耗越来也低•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371.1计算(工具)历史与计算机历史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381.1计算(工具)历史与计算机历史输出设备(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391.1计算(工具)历史与计算机历史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)40计算机系统----(1)1953年：IBM701，IBM第一台计算机。