西南交大大学计算机基础课件-第1讲(定稿).pptx

1、教材：教材：大学计算机基础大学计算机基础景红主编景红主编 西南交通大学西南交通大学出版社出版社参考教材：参考教材：大学计算机基础大学计算机基础冯博琴冯博琴 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 大学计算机基础教程大学计算机基础教程王移芝王移芝 主编主编 高等教育高等教育出版社出版社 电子教案：电子教案：教务网教务网 http:/2 计算机基础知识计算机基础知识 (8(8学时学时)计算机软件与操作系统计算机软件与操作系统 (5(5学时学时)计算机网络技术计算机网络技术 (6 6学时讲学时讲)信息安全技术与社会责任信息安全技术与社会责任 （4 4学时学时）多媒体技术多媒体技术 (5(5学时学时)

2、计算机的应用（计算机的应用（自学自学）3 上机时间和地点上机时间和地点 教学教学34班班 4-17周周(二二)11-12节节 X7307 教学教学35班班 4-17周周(二二)11-12节节 X7105 课后请课后请各班班长留下联系方式各班班长留下联系方式4 平时成绩平时成绩 出勤实验成绩出勤实验成绩 期末考试期末考试 机考机考(笔试笔试)5第第1 1章章 计算机基本知识计算机基本知识1.1 1.1 计算机系统计算机系统概述概述1.2 1.2 计算机数据计算机数据的存储的存储1.3 1.3 计算机数据计算机数据的表示的表示 1.4 1.4 计算机数据计算机数据的控制与处理的控制与处理 1.5

3、1.5 计算机数据计算机数据的输入和输出的输入和输出1.6 拓展拓展学习学习（英语）英语）71.1.1 计算机的计算机的发展发展1.1.2 计算思维计算思维1.1.3计算机系计算机系统的概念统的概念89公元前公元前30003000年年的古埃及人用的古埃及人用结绳结绳来记录土来记录土地面积和收获地面积和收获的谷物的谷物公元前公元前20002000年的美索年的美索不达米亚人用泥板计不达米亚人用泥板计数，这块泥板上的契数，这块泥板上的契形文字代表形文字代表2525。我国古代数学家我国古代数学家祖冲之（祖冲之（公元公元429429年年公元公元500500年）就是用算年）就是用算筹计算出圆周率值介于筹计

4、算出圆周率值介于3.14159263.1415926和和3.14159273.1415927之间之间。10珠算珠算被称为我国被称为我国“第五第五大发明大发明”，最早记录于，最早记录于汉朝人徐岳撰写的汉朝人徐岳撰写的数数术记遗术记遗一书里。一书里。算圣刘洪及其发明算圣刘洪及其发明的珠算盘。的珠算盘。11John Napier(1550-1617John Napier(1550-1617)约翰约翰纳皮尔纳皮尔，英国数学家、对数的英国数学家、对数的发明人发明人纳皮尔算筹纳皮尔算筹(Napiers bones)Napiers bones)16121612年年发明发明12这种计算工具由十根长条状的木棍组

5、成，这种计算工具由十根长条状的木棍组成，木棍的表面雕刻着类似于乘法表的数字，木棍的表面雕刻着类似于乘法表的数字，纳皮尔用它来帮助进行乘除法计算，使纳皮尔用它来帮助进行乘除法计算，使数字运算得到极大简化。数字运算得到极大简化。Casio 14-ACasio 14-A史上第一台商用小型电子计算器史上第一台商用小型电子计算器19571957年发明年发明一款普通的袖珍电子计算器一款普通的袖珍电子计算器13BlaiseBlaise Pascal(16231662)Pascal(16231662)机器机器由系列齿轮组成的装置，外壳用黄铜材由系列齿轮组成的装置，外壳用黄铜材料制作，是一个长料制作，是一个长2

6、020英寸、宽英寸、宽4 4英寸、高英寸、高3 3英英寸的长方盒子，面板上有一列显示数字的小寸的长方盒子，面板上有一列显示数字的小窗口，旋紧发条后才能转动，用专用的铁笔窗口，旋紧发条后才能转动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字来拨动转轮以输入数字。最多可把八位长的最多可把八位长的数字加起来。数字加起来。布莱斯布莱斯帕斯卡帕斯卡 法国数学家、物理学家、思想家法国数学家、物理学家、思想家14保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加法机，保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加法机，16421642年发明年发明Gottfried Leibniz(16461716)Gottfried Leibniz(164617

7、16)16741674年，莱布尼茨发明乘法机。这是第年，莱布尼茨发明乘法机。这是第一台可以运行完整四则运算的计算机，一台可以运行完整四则运算的计算机，长长100100厘米、宽厘米、宽3030厘米、高厘米、高2525厘米，主要厘米，主要由不动的计数器和可动的定位机构两部由不动的计数器和可动的定位机构两部分组成，整个机器由一套齿轮系统传动分组成，整个机器由一套齿轮系统传动。戈特费里德戈特费里德莱布尼兹莱布尼兹 德国数学家、微积分独立发明人德国数学家、微积分独立发明人15现代计算机奠基人现代计算机奠基人英国剑桥大学教授查尔斯英国剑桥大学教授查尔斯巴贝奇巴贝奇18221822年，差分机年，差分机伦敦科

8、学博物馆的复制品伦敦科学博物馆的复制品Charles Babbage(1791-Charles Babbage(1791-1871)1871)差分机是用蒸气激活的而且体积十分庞大，差分机是用蒸气激活的而且体积十分庞大，它有一贮存程序，可以进行计算并把结果自它有一贮存程序，可以进行计算并把结果自动地印出来。可以处理动地印出来。可以处理3 3个不同的个不同的5 5位数，计位数，计算精度达到算精度达到6 6位小数。位小数。16后人根据巴贝奇图纸制造的后人根据巴贝奇图纸制造的“分析机分析机”18341834年，巴贝奇提出通用计年，巴贝奇提出通用计算机算机“分析机分析机”构想，直至他构想，直至他去世也未

9、制成去世也未制成。分析分析机有现代计算机的基本机有现代计算机的基本组件，即五个功能部件：输入、组件，即五个功能部件：输入、输出、存储、控制和运输。所输出、存储、控制和运输。所以巴贝奇被称为以巴贝奇被称为“计算机之父计算机之父”17John Fleming (1848-1945)John Fleming (1848-1945)19041904年，英国青年工程师约翰年，英国青年工程师约翰弗弗莱明发明真空二极管莱明发明真空二极管Lee De Forest(1873-1961)Lee De Forest(1873-1961)19061906年，美国人李年，美国人李德德福雷斯特福雷斯特发明能起放大作用的

10、真空三极管。发明能起放大作用的真空三极管。18KonradKonrad ZuseZuse(1910-1995)(1910-1995)数字计算机之父数字计算机之父克兰德克兰德楚泽楚泽19 Z 1 计算机最大的贡献是楚泽计算机最大的贡献是楚泽第一次采用了二进制数第一次采用了二进制数，在薄钢板组，在薄钢板组装的存储器中，楚泽用一个在细孔中装的存储器中，楚泽用一个在细孔中移动的针，指明数字移动的针，指明数字“0”或或“1”。这台机器采用了这台机器采用了“穿孔带穿孔带”输入输入程序，数据则由一个数字键盘敲入，程序，数据则由一个数字键盘敲入，计算结果用小电灯泡显示。计算结果用小电灯泡显示。20 由于由于纯

11、机械式纯机械式Z 1 计算机计算机性能不理想，第二年，楚性能不理想，第二年，楚泽的朋友给了他一些电话公司废弃的继电器，楚泽用它们泽的朋友给了他一些电话公司废弃的继电器，楚泽用它们组装了第二台组装了第二台电磁式计算机电磁式计算机Z 2，这台机器已经可以正常，这台机器已经可以正常工作。这时，他的工作引起德国飞机实验研究所的关注，工作。这时，他的工作引起德国飞机实验研究所的关注，使他得到了一笔资助使他得到了一笔资助。1941 年，第三台年，第三台电磁式计算机电磁式计算机Z3 完成，使用了完成，使用了2600 个继电器，用穿孔纸带输入，个继电器，用穿孔纸带输入，实现了二进制数程序控实现了二进制数程序控

12、制。制。程序控制思想虽然过去也有人提倡，但楚泽是把它付程序控制思想虽然过去也有人提倡，但楚泽是把它付诸实施的第一人。诸实施的第一人。Z 3能达到每秒能达到每秒3 4次加法的运算速次加法的运算速度，或者在度，或者在3 5秒秒内完成一次乘法运算内完成一次乘法运算。德国博物馆中存放的德国博物馆中存放的Z4Z4计算机计算机它是最先采用程序控制的数字计算机它是最先采用程序控制的数字计算机21 楚泽楚泽于于1945 年又建造了一年又建造了一台比台比Z3 更先进的更先进的电磁式电磁式Z4 计算机，计算机，存储器单元也从存储器单元也从64位位扩展到扩展到1024 位位，继电器几乎占，继电器几乎占满了一个房间。

13、为了使机器的满了一个房间。为了使机器的效率更高，楚泽甚至设计了一效率更高，楚泽甚至设计了一种种编程语言编程语言Plankalkuel，这一，这一成果使楚泽也跻身于计算机语成果使楚泽也跻身于计算机语言先驱者行列。言先驱者行列。Howard Aiken(1900-1973)Howard Aiken(1900-1973)MARKMARK系列计算机发明人系列计算机发明人美国哈佛大学数学教授美国哈佛大学数学教授霍华德霍华德艾肯艾肯哈佛大学的哈佛大学的MARK-IMARK-I“HawardHaward Mark I”Mark I”为执行计算，事先排定指为执行计算，事先排定指令，编制程序手册，并将它转换于纸

14、带上，成令，编制程序手册，并将它转换于纸带上，成为打孔的组合，指示机械，如此使机械能依循为打孔的组合，指示机械，如此使机械能依循程序手册，实行计算。这种处理方式称为，程序手册，实行计算。这种处理方式称为，自自动逐次控制方式。动逐次控制方式。22ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And CalculatorElectronic Numerical Integrator And Calculator）：）：19461946年年2 2月月1414日，诞生在美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场日，诞生在美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场23ENIAC的性能指标的性

15、能指标：l 每秒每秒5000次加法次加法l 17468个电子管个电子管l 7200个二极管、个二极管、70000个电阻个电阻器、器、10000个电容器、个电容器、6000个继个继电器电器l 占地占地170平方米平方米l 总重量总重量30吨吨l 耗电耗电174KWENIACENIAC两位设计者两位设计者莫契利和埃克特莫契利和埃克特ENIACENIAC博物馆中的部分器件博物馆中的部分器件24 l l 逻辑元件逻辑元件电子管电子管 l l 主主 存存磁鼓磁鼓 l l 辅辅 存存磁带磁带 l l 软软 件件机器语言、符号语言机器语言、符号语言 l l 应应 用用科学计算科学计算 数字电子计算机的出现，

16、揭开了人类历史新篇章。数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。1946年年6月，美国数学家、普林斯顿大学教授约翰月，美国数学家、普林斯顿大学教授约翰冯冯诺依曼（诺依曼（John Von Neumann）提出了）提出了“存储程序存储程序”的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计算机组成与工作原理基础。算机组成与工作原理基础。25晶体管的三位发明人晶体管的三位发明人因这项伟大发明，三人获得因这项伟大发明，三人获得19561956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖威廉威廉肖克利肖克利约翰约翰巴丁巴丁沃尔特沃尔特布拉坦布拉坦26l 体积比电子管小很多体积比电子

17、管小很多l 耗电大大降低耗电大大降低l 稳定性有很大提高稳定性有很大提高电子管实物电子管实物晶体管实物晶体管实物19551955年，贝尔实验室使用年，贝尔实验室使用800800只晶体只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算管组装了世界上第一台晶体管计算机机TRADICTRADIC。(Transistor Digital Transistor Digital Computer)Computer)27l l 逻辑元件逻辑元件 晶体管晶体管l l 主主 存存 磁芯磁芯l l 辅辅 存存 磁盘磁盘l l 软软 件件 高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统l 应应 用用 除科学计算外，已应用于

18、数据处理、过程控制除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制 首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了速度和可靠性。速度和可靠性。发明了高级语言。发明了高级语言。首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。28l 1958年年9月月12日，在德克萨斯仪器（日，在德克萨斯仪器（TI）公司工作的杰克公司工作的杰克基尔比（基尔比（Jack Kilby）完）完成了他的集成电路设计（将硅电阻器、电成了他的集成电路设计（将硅电阻器、电容器和晶体管装在一块晶片上）。容

19、器和晶体管装在一块晶片上）。1959年年2月月6日，基尔比向美国专利局申报专利日，基尔比向美国专利局申报专利“小型化电子电路（小型化电子电路（No.3138743）”。l 1959年年7月月30日，美国仙童公司的罗日，美国仙童公司的罗伯特伯特诺伊斯（诺伊斯（Robort Noyce）也宣称制出）也宣称制出第一块集成电路，并向美国专利局申请专第一块集成电路，并向美国专利局申请专利利“半 导 体 器 件 和 引 线 结 构（半 导 体 器 件 和 引 线 结 构（N o.2981877）”。杰克杰克基尔比基尔比罗伯特罗伯特诺伊诺伊斯斯29集成电路实物集成电路实物晶体管实物晶体管实物19641964

20、年年4 4月月7 7日，在日，在IBMIBM公司成公司成立立5050周年之际，由年仅周年之际，由年仅4040岁的岁的吉恩吉恩阿姆达尔阿姆达尔(GeneGene Amdahl)Amdahl)担任主设计师，历时四年研发担任主设计师，历时四年研发的的IBM360IBM360计算机问世，标志着计算机问世，标志着第三代计算机的全面登场，第三代计算机的全面登场，这这也是也是IBMIBM历史上最为成功的机历史上最为成功的机型之一。型之一。把几十个或几百个分立的电子元件把几十个或几百个分立的电子元件集中做在一块几平方毫米的硅片上集中做在一块几平方毫米的硅片上(集成电路集成电路芯片芯片)30 l l 逻辑元件逻

21、辑元件集成电路集成电路 l l 主主 存存半导体半导体 l l 辅辅 存存磁盘磁盘 l l 软软 件件高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统 l l 应应 用用科学计算、数据处理、过程控制科学计算、数据处理、过程控制 IBM公司首次提出了系列机的概念，圆满地解决了计算机兼容的问题，公司首次提出了系列机的概念，圆满地解决了计算机兼容的问题，典型代表是典型代表是IBM360系列机。系列机。控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规整化。控制器设计使用微程序控制技术，使控制器的设计规整化。结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。结构化程序设计思想成熟，软硬件设计标准化。31 19

22、71年，年，Intel公司宣称，他们首创了一种公司宣称，他们首创了一种“开启集成电路新开启集成电路新纪元纪元”的半导体芯片，即第一块微处理器芯片的半导体芯片，即第一块微处理器芯片4004。所谓所谓微处理器芯片是将微处理器芯片是将CPU（Central Processing Unit，中央，中央处理器）集成在一块芯片上。处理器）集成在一块芯片上。第一块微处理器芯片第一块微处理器芯片Intel 4004Intel 4004及其发明人特德及其发明人特德霍夫霍夫321975年年4月，微型仪器与自动测量系统公司（月，微型仪器与自动测量系统公司（MITS）推出了首台通用型推出了首台通用型Altair 88

23、00，售价，售价375美元，带有美元，带有1KB存储器，这是存储器，这是世界上第一台微型计算机。世界上第一台微型计算机。1981年年8月月12日，日，IBM公司正式推出了全球第一台个公司正式推出了全球第一台个人计算机人计算机IBM PC。该机采用主频该机采用主频4.77MHz的的Intel 8088微处理器，运行微处理器，运行Microsoft公司专门为公司专门为IBM PC开开发的发的MS-DOS操作系统。操作系统。第一台微型计算机第一台微型计算机Altair 8800Altair 8800第一台个人计算机第一台个人计算机IBM PCIBM PC33 l l 逻辑元件逻辑元件 大规模大规模/

24、超大规模集成电路（超大规模集成电路（LSI/VLSI）l l 主主 存存 LSI/VLSI半导体芯片半导体芯片 l l 辅辅 存存 磁盘、光盘磁盘、光盘 l l 软软 件件 高级程序设计语言、操作系统高级程序设计语言、操作系统 l l 应应 用用 科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机网络为特征的应用时代算机网络为特征的应用时代34 1971年年Intel公司成功地研制出了公司成功地研制出了4004微处理器芯片。从此，随着微处理器芯片。从此，随着LSI/VLSI技术的发展，微处理器每隔两三年就有一个新的产品问世，技术的发展，微处理器每隔两三年就有一

25、个新的产品问世，至今至今已发展到已发展到486、586、pentium、Intel Core i7。微型计算机出现，典型代表是微型计算机出现，典型代表是IBM PC。面向对象、可视化程序设计概念出现；软件产业高度发达，各种面向对象、可视化程序设计概念出现；软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了用户。实用软件层出不穷，极大地方便了用户。计算机技术与通信技术相结合，计算机技术与通信技术相结合，计算机网络计算机网络把世界紧密地联系在把世界紧密地联系在一起。一起。多媒体技术崛起多媒体技术崛起，计算机集图像、图形、声音、文字处理于一体，计算机集图像、图形、声音、文字处理于一体，在信息处理领

26、域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密在信息处理领域掀起了一场革命，与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。鼓地筹划实施当中。3536第五代第五代计算机计算机 从从20世纪世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智智能型能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向向着着微型化、巨型化、网络化微型化、巨型化、网络化发展发展。Altair 8800Deepb

27、lue曙光曙光300037 智能化智能化是指让计算机具有模拟人的感是指让计算机具有模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，使计算觉、行为、思维过程的机理，使计算机具备逻辑推理、学习等能力。机具备逻辑推理、学习等能力。智能机器人智能机器人DeepblueCarry Kasparovn目前，已研制出各种目前，已研制出各种“机器人机器人”，有，有的能代替人从事各种复杂、危险的劳动，的能代替人从事各种复杂、危险的劳动，有的能与人下棋等。有的能与人下棋等。n例如，例如，IBM公司研制的公司研制的“深蓝深蓝”计算机，每秒能执行计算机，每秒能执行50100亿次运算，每秒能计算出亿次运算，每秒能计算出200 30

28、0万步棋。万步棋。1996年年2月月10日，超一流国际象棋大师卡斯帕罗夫以三日，超一流国际象棋大师卡斯帕罗夫以三胜两和一负的成绩战胜了胜两和一负的成绩战胜了“深蓝深蓝”。但在。但在1997年年5月月12日，这位历史上最伟大的人类旗手却败在日，这位历史上最伟大的人类旗手却败在“更深的蓝更深的蓝”计算机手下。计算机手下。38 计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。Altair 880039 运算速度可达运算速度可达每秒万亿次以上每秒万亿次以上运算的超级计算机。运算的超级计算机。19751975年年世界上第一台超级计算世界上第一台超级计算机机“Cray-ICray-I”超

29、级计算机应用：天超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。科学计算的高科技领域。CRAY-I40 第一名：第一名：天河天河二二号号（Tianhe-2Tianhe-2）天河二号是由中国国防科技大学开天河二号是由中国国防科技大学开发的超级计算机，今年以持续计算发的超级计算机，今年以持续计算速度速度每秒每秒33.85Petaflops（3.39亿亿亿次）亿次）的优越性能位居榜首。它使的优越性能位居榜首。它使用用Intel Xeon处理器和处理器和Nvidia gpu，183368个处理核心个

30、处理核心。petaflop是衡量计算机性能的一个是衡量计算机性能的一个重要单位，重要单位，1 petaflop等于每秒钟等于每秒钟进行进行1千万亿次的数学运算。千万亿次的数学运算。世界超级计算机世界超级计算机TOP500组织于北京时间组织于北京时间2013年年6月月17日下午，在德日下午，在德国莱比锡举行的国莱比锡举行的“2013国际超级计算大会国际超级计算大会”上，正式发布第上，正式发布第41届世界届世界超级计算机超级计算机500强排名。强排名。41NO.2 泰坦泰坦泰坦是一台安装在美国能源部泰坦是一台安装在美国能源部(DOE)的橡树岭国家实验室的橡树岭国家实验室Cray XK7系统的超级计

31、算机，原世界排名第系统的超级计算机，原世界排名第1位，现世界排名第位，现世界排名第2位。泰坦使用位。泰坦使用261,632的的NVIDIA K20 x加速器核心，取得了持续加速器核心，取得了持续计算速度每秒计算速度每秒1.76亿亿亿亿次次的记录。的记录。NO.3 红杉红杉红杉是安装在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一台红杉是安装在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一台IBM蓝色蓝色基因基因/Q系统超级计算机，今年名次也下滑一位，现在位于榜单第三位。系统超级计算机，今年名次也下滑一位，现在位于榜单第三位。红杉于红杉于2011出世，使用出世，使用1572864个计算核心，并个计算核心，并已取

32、得了持续已取得了持续计算速度每计算速度每秒秒1.72亿次亿次的性能记录。的性能记录。42 计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。43 超级计算机（超级计算机（Super Computer）企业级计算机（企业级计算机（Main Computer）微型计算机（微型计算机（MicroComputer）微型控制器（微型控制器（MicroController）44 图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工图灵是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自这位伟大的科学家：智能的重要方法也源自这位伟大的科学家：l 24

33、岁，提出图灵机理论；岁，提出图灵机理论；l 31岁，参与岁，参与Colossus（二战时英国破解（二战时英国破解德德 国通国通 信信密码的计算机）的研制；密码的计算机）的研制；l 33岁，构思了仿真系统；岁，构思了仿真系统；l 35岁，提出自动程序设计概念；岁，提出自动程序设计概念；l 38岁，设计了岁，设计了“图灵测试图灵测试”；l 计算机与人工智能之计算机与人工智能之父，英国数学家、逻父，英国数学家、逻辑学家辑学家阿兰阿兰图灵图灵（Alan TuringAlan Turing，1912-19541912-1954）45 1936年年5月月28日，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为日

34、，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为“论可计算数及其在判定问题上的应用论可计算数及其在判定问题上的应用”(On Computable Numbers,with an Application to the Entscheidungsproblem)。在这篇开创性的论文中，图。在这篇开创性的论文中，图灵给灵给“可计算性可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机图灵机(Turing Machine)”的设想。的设想。图灵机模型示意图图灵机模型示意图 图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一图灵机就是指一个抽象的机器，它

35、有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。46 1950年年10月，图灵发表一篇题为月，图

36、灵发表一篇题为“计算机器与智计算机器与智能能”(Computing machinery and intelligence)的论文，成为的论文，成为划时代之作。划时代之作。在这篇论文里，图灵第一次提出在这篇论文里，图灵第一次提出“机器思维机器思维”的概念。的概念。他还对智能问题从行为主义的角度给出了定义，由此提出他还对智能问题从行为主义的角度给出了定义，由此提出一假想：一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的一假想：一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式，和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，方式，和对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算

37、机，那么，就他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么，就可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机可以认为这个计算机具有同人相当的智力，即这台计算机是能思维的。这就是著名的是能思维的。这就是著名的“图灵测试图灵测试”（Turing Testing）。）。47 为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，为纪念图灵对计算机领域做出的巨大贡献，国际计算机协会国际计算机协会(Association for Computing Machinery，ACM)于于1966年开始设立图灵奖年开始设立图灵奖(Turing Award)，这是计算机界最负盛名的奖项，有这是计算机界最负盛名的奖项，有“计算

38、机界诺贝尔奖计算机界诺贝尔奖”之称。之称。首位华人获奖者首位华人获奖者20002000年图灵奖得主，姚期智年图灵奖得主，姚期智l 首位女性获奖者首位女性获奖者22006006年图灵奖得主，法兰西斯年图灵奖得主，法兰西斯艾伦艾伦姚期智姚期智法兰西斯法兰西斯艾伦艾伦(Frances AllenFrances Allen)48l 1945年年6月月30日，冯日，冯诺依曼发表诺依曼发表“101页报告页报告”First Draft of a Report on the EDVAC；l 1946年年7、8月间，冯月间，冯诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告诺依曼又提出了一个更加完善的设计报告“电子计算电子

39、计算机逻辑设计初探机逻辑设计初探”（Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument）。）。现代电子计算机之父现代电子计算机之父冯冯诺伊曼诺伊曼 这两篇报告的综合设计思想，便是著名的这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯冯诺依曼结诺依曼结构（构（von Neumann Architecture）”。报告明确指出：。报告明确指出：l 采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；l 计算机由计算机由5部分构成：运算器、

40、控制器、存储器、输入和输部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置；出装置；l 程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从序指定的逻辑顺序，把指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描述的处理工作。而自动完成程序描述的处理工作。49注意注意：ENIACENIAC并不是基于并不是基于“存储程序存储程序”工作的计算机！工作的计算机！第一台第一台“存储程序存储程序”电子电子计算机计算机EDSACEDSAC，英国剑，英国剑桥大学教授威尔克斯主持。桥大学教授威尔克斯主持。下面机器

41、是较早实现下面机器是较早实现“冯冯诺依曼结构诺依曼结构”、按照、按照“存储程序程序控制存储程序程序控制”工作的计算机：工作的计算机：l IAS冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDVAC冯冯诺依曼主持诺依曼主持l EDSAC莫里斯莫里斯威尔克斯主持威尔克斯主持冯冯诺伊曼及诺伊曼及IASIAS机机EDVACEDVAC501.1.1 计算机的计算机的发展发展1.1.2 计算思维计算思维1.1.3计算机系计算机系统的概念统的概念 计算思维（计算思维（Computational thinking,CT）由）由美国美国美美国卡内基国卡内基梅隆梅隆大学（大学（Carnegie Mellon）计算机科计算机科学学

42、教授周以真女士于教授周以真女士于2006年年提出提出。她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行进行问题求解问题求解、系统设计系统设计、以及、以及人类行为理解人类行为理解等等涵盖计算机科学之广度的一系列涵盖计算机科学之广度的一系列思维思维活动活动。计算思维代表着计算思维代表着一种普遍的态度一种普遍的态度和和一类普适的技一类普适的技能能，每一个人都应热心于它的学习和，每一个人都应热心于它的学习和运用运用。52l在排好序的花名册中查找在排好序的花名册中查找某个人某个人 线性搜索线性搜索、二分查找、二分查找l在银行窗口、超市在银行窗口、超市排队排队 任务

43、任务调度的性能分析调度的性能分析l将小孩一天要上的课的课将小孩一天要上的课的课本放入本放入书包书包 预预取与缓冲取与缓冲l送小孩去参加各种送小孩去参加各种兴趣兴趣 货郎担货郎担问题问题l准备准备晚餐晚餐 并行处理并行处理l清理清理衣柜衣柜 替换替换留下留下需要的、丢需要的、丢掉不用并且占地方掉不用并且占地方的的53把实际问题转化为把实际问题转化为数学问题，建立数数学问题，建立数学模型学模型设计算法（解决问设计算法（解决问题的方法与步骤）题的方法与步骤）计算机编程计算机编程在计算机中运行，在计算机中运行，结果演示结果演示54提出问题提出问题 12021202年，意大利数学家斐波那契出版了他的年，

44、意大利数学家斐波那契出版了他的算盘全算盘全书书。他在书中提出了一个关于兔子繁殖的问题：。他在书中提出了一个关于兔子繁殖的问题：如果一对兔子每月能生一对小兔（一雄一雌），而每如果一对兔子每月能生一对小兔（一雄一雌），而每对小兔在它出生后的第三个月里，又能开始生一对小兔，对小兔在它出生后的第三个月里，又能开始生一对小兔，假定在不发生死亡的情况下，由一对出生的小兔开始，假定在不发生死亡的情况下，由一对出生的小兔开始，8 8个月后会有多少对兔子？个月后会有多少对兔子？55时间时间(月月)初生兔子初生兔子(对对)成熟兔子成熟兔子(对对)兔子总数兔子总数(对对)1101201131124123523563

45、5875813881321分析问题分析问题在在第一个月时，只有一对小兔子，过了一个月，那对兔子成第一个月时，只有一对小兔子，过了一个月，那对兔子成熟了，在第三个月时便生下一对小兔子，这时有两对兔子。熟了，在第三个月时便生下一对小兔子，这时有两对兔子。再过一个月，成熟的兔子再生一对小兔子，而另一对小兔子再过一个月，成熟的兔子再生一对小兔子，而另一对小兔子长大，有三对小兔子。如此推算下去，便发现一个规律：长大，有三对小兔子。如此推算下去，便发现一个规律：56建立数学模型建立数学模型由此可知由此可知，从第一个月开始以后每个月的兔，从第一个月开始以后每个月的兔子总数是子总数是:1,1,2,3,5,8,

46、13,21,若把上述数列继续写下去，得到的数列便称若把上述数列继续写下去，得到的数列便称为为斐波那契数列。数列中每个数便是前两个斐波那契数列。数列中每个数便是前两个数之和，数之和，而而数列的最初两个数都是数列的最初两个数都是1。若设若设 F0=1,F1=1,F2=2,F3=3,F4=5,F5=8,F6=13.则：则：当当n1时，时，Fn+2=Fn+1+Fn，且，且 F0=F1=1。把实际问题转化为把实际问题转化为数学问题，建立数数学问题，建立数学模型学模型设计算法（解决问设计算法（解决问题的方法与步骤）题的方法与步骤）计算机编程计算机编程在计算机中运行，在计算机中运行，结果演示结果演示计算思维

47、中的抽象计算思维中的抽象计算思维中的自动化计算思维中的自动化计算思维最根本的内容，即计算思维最根本的内容，即其本质是抽象（其本质是抽象（AbstractionAbstraction）与自动化（与自动化（AutomationAutomation）。）。计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是其中的一类特例。表示，其中，数字抽象只是其中的一类特例。计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步步自动执行。计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步步自动执行。为了确保机器的自动化，就需要在抽象的过程中进行精确和为了确

48、保机器的自动化，就需要在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和建模。严格的符号标记和建模。还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具。不同抽象层次之间的翻译工具。571.1.1 计算机的计算机的发展发展1.1.2 计算思维计算思维1.1.3计算机系计算机系统的概念统的概念个人台式计算机个人台式计算机 (PC)(PC)多媒体计算机多媒体计算机 笔记本计算机笔记本计算机 掌上型计算机掌上型计算机 59计算机系统计算机系统计算机软件计算机软件应用软件应用软件系统软件系统软件计算机硬件计算机硬件主机主机外部设备外部

49、设备60主机主机音箱音箱显示器显示器键盘键盘鼠标鼠标6162内存内存I/OI/O接口接口运算器运算器控制器控制器总线总线只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)随机读写存储器随机读写存储器(Cache)Cache)63 64u主要包括主要包括运算器运算器和和控制器控制器两部分两部分 u是电脑的核心部件，决定计算机是电脑的核心部件，决定计算机 的性能的性能 u主要由主要由INTEL和和AMD公司生产公司生产u发展：发展：286、386、486、奔腾、奔腾、P、P、P、Corel65u内存是电脑的一个临时存储器，它内存是电脑的一个临时存储器，它只负责电脑数据的中只负责电脑数据的中 转而不能永久保存

50、转而不能永久保存 u是电脑的核心部件，是电脑的核心部件，重要性仅次于重要性仅次于CPU，它的容量和处它的容量和处 理速度直接决定了电脑数据传输的快慢理速度直接决定了电脑数据传输的快慢u通常内存容量通常内存容量为为1G、2G等。等。u是沟通是沟通CPU与硬盘之间的桥梁与硬盘之间的桥梁66u主板是整个电脑的基板，是主板是整个电脑的基板，是CPUCPU、内存、显卡及各种扩展卡的载体，是计、内存、显卡及各种扩展卡的载体，是计算机各部件的连接工具。算机各部件的连接工具。u主板是否稳定关系着整个电脑是否稳定，主板的速度在一定程度上也制约主板是否稳定关系着整个电脑是否稳定，主板的速度在一定程度上也制约着整机