计算思维导论01-计算思维和计算课件.pptx

1、1 1 计算思维和计算计算思维和计算 天津科技大学天津科技大学计算机公共基础系计算机公共基础系1目目 录录1.1 计算思维概述计算思维概述1.2 计算与自动计算计算与自动计算1.3 计算工具的发展史计算工具的发展史1.11.1计算思维概述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。和工程技术人员的思维方法。美国美国CMU大学周以真教授：大学周以真教授：计算思维是运用计算科学的基础概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

2、度的一系列思理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。维活动。本质是抽象和自动化，即在不同层本质是抽象和自动化，即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象机器化。面进行抽象，以及将这些抽象机器化。目的是希望所有人都能像计算机科目的是希望所有人都能像计算机科学家一样思考，将计算技术与各学科理论学家一样思考，将计算技术与各学科理论、技术与艺术进行融合实现新的创新。、技术与艺术进行融合实现新的创新。计算计算思维思维的的基本基本内容内容计算思维包括多项基本内容。计算思维包括多项基本内容。1.二进制二进制0和和1的基础思维。的基础思维。2.指令和程序的思维指令和程序的思维3.递归的思维递归的思维4.计算机系

3、统发展的思维计算机系统发展的思维5.问题求解的思维问题求解的思维6.网络化的思维网络化的思维1.1.2 1.1.2 计算思维与各学科的关系计算思维与各学科的关系1应用计算手段促进各学科的研究和应用计算手段促进各学科的研究和创新创新2各学科创新自己的新型计算手段各学科创新自己的新型计算手段3计算思维可以帮助培养各专业的人才计算思维可以帮助培养各专业的人才1.2 1.2 计算与自动计算计算与自动计算1.计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据变换变换。2.有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过

4、于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结果。果。3.两种解决方法两种解决方法：计算与自动计算计算与自动计算1.两种解决方法两种解决方法（1）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从而完成计算而完成计算。【例例1.2】计算】计算 通过通过数学推导可得数学推导可得 ，人们可以轻松的完成人们可以轻松的完成计算计算nini.32112)1(*1nnini计算与自动计算计算与自动计算（2）另一种办法是设计简单的规则，让机器重复执行，）另一种办法是设计简单的规则，让机器重复执行，进行自动计算。进行自动计算

5、。【例【例1.3】计算】计算 可以转化为可以由机可以转化为可以由机器重复执行的自动计算的计算规则器重复执行的自动计算的计算规则nini.3211step1:输入整数nStep2:s=0Step3:i=1Step4:s=s+iStep5:i=i+1Step6:如果i=n，那么转入step4执行Step7:输出s，算法结束。计算与自动计算计算与自动计算2计算科学的基本计算科学的基本问题问题计算科学的基本问题是计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算，什么能够被有效地自动计算，什么不能被有效地自动计算？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，计哪些问题可以

6、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。，以减少计算的时间和空间复杂度。1.3 1.3 计算工具的计算工具的发展史发展史1.计算和自动计算时需要考虑以下计算和自动计算时需要考虑以下4个问题个问题：（1）数据的表示）数据的表示。（2）数据的存储及自动存储）数据的存储及自动存储。（3）计算规则的表示）计算规则的表示。（4）计算规则的执行与自动执行）计算规则的执行与自动执行。提示：计算工具的发展过程就是人们不断追求计算的机械化、

7、自动化和智能化，尝试各种计算工具，实现数据的表示、存储和自动存储数据、计算规则的表示、执行和自动执行计算规则的过程。1.3.1 1.3.1 计算工具的发展计算工具的发展1.计算工具的发展包括三个阶段计算工具的发展包括三个阶段:1)手动计算器手动计算器2)机械计算器机械计算器3)电子计算机电子计算机1 1手动手动计算器计算器1.手动计算器是利用算法进行辅手动计算器是利用算法进行辅助数字计算过程的设备助数字计算过程的设备，操作操作者使用算法来进行计算。者使用算法来进行计算。1)小石块和有刻痕的小棍小石块和有刻痕的小棍2)算筹算筹、算盘算盘，珠算歌诀珠算歌诀。3)纳皮尔筹，也称为纳皮尔计纳皮尔筹，也

8、称为纳皮尔计算尺算尺4)滑动刻度尺滑动刻度尺2 2计算机的雏形计算机的雏形机械式计算器机械式计算器1.机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解算法算法.2.1642年，帕斯卡加法器年，帕斯卡加法器3.1673年，莱布尼兹乘法器年，莱布尼兹乘法器4.1822年，差分机年，差分机5.库塔（库塔（Curta）3 3电子计算机电子计算机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执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。电子计算机电子计算机1.在在1937年到

9、年到1942年间，阿塔纳索夫年间，阿塔纳索夫-贝瑞计算机（贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，ABC）1)真空电子管代替机械式开关作为处理电路真空电子管代替机械式开关作为处理电路2)基于二进制数字系统的理念。基于二进制数字系统的理念。3)ABC本身不可编程，仅用于求解线性方程组本身不可编程，仅用于求解线性方程组电子计算机电子计算机1.1946年年2月月，ENIAC1)使用使用18 000个电子管，耗电个电子管，耗电150千瓦千瓦，总重量总重量30吨吨2)每秒执行每秒执行5 000次加法运算，是手工计算的次加法运算，是手工计算的20万倍万倍3)造价为造价为48万美元万美

10、元4)ENIAC成为世界公认的第一台电子计算机。成为世界公认的第一台电子计算机。1.3.2 1.3.2 元器件的元器件的发展发展1.元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个阶段阶段2.电子管电子管3.晶体管晶体管4.集成电路集成电路元器件的发展元器件的发展1.集成电路的构想集成电路的构想：通过通过在同一材料（硅）块上集成所有元件，并通在同一材料（硅）块上集成所有元件，并通过上方的金属化层连接各个部分，自动实现复杂的变换过上方的金属化层连接各个部分，自动实现复杂的变换。这样，就不再需要分立的独立元件，避免了手工组装。这样，就不再需要分立的独立元

11、件，避免了手工组装元件、导线的步骤元件、导线的步骤。（1）1980年代年代，超大规模集成电路超大规模集成电路（VLSI），几十万几十万个个元件元件（2）1990年代年代，特特大规模集成电路（大规模集成电路（ULSI），百万级百万级（3）2012年年，一块，一块硅片上可以集成硅片上可以集成14亿个元件。亿个元件。元器件的发展元器件的发展1.摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管书目约每管书目约每18个月会增加个月会增加1倍，其性能也提升倍，其性能也提升1倍。倍。提示：元器件的发展规律是：元件的尺寸越来越小，芯片体积越来越小，芯片上集成的器件越来越多，可靠性越来越高，运行速度越来越快，价格却越来越便宜。计算机的计算速度越来越快，功能越来越强大，能够完成的任务也越来越复杂。学习要求学习要求1.学生应掌握计算思维的基本概念。学生应掌握计算思维的基本概念。2.掌握计算的有关概念，计算工具的发展，元器件的发掌握计算的有关概念，计算工具的发展，元器件的发展等。展等。3.阅读教材阅读教材4.完成书后习题。完成书后习题。