計算思維與智能計算基礎(chǔ)計算、計算機與計算思維

智能

計算基礎(chǔ)

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

2022/2/42

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

我們身邊的計算機

多樣化的

“計算機

器”，各

種設(shè)備的

“大腦”

系統(tǒng)

傳統(tǒng)“計算機器”

2022/2/4IIImumumimmmiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiniiiiiiimumumumiminini3

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

中國U*X123:05

Its朝香港40chips

Victona

Hartxxxelsewhere

80chips家用電號、

TV,DVDpiayef.phone,games.

40chips

每個人每天使用250個芯片

70chips

汽車

2022/2/44

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第1節(jié)

計算

2022/2/45

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

r1955年

公元4803089檢

,年7位,

pmv4Ml⑼刈751U582U9/4與

17816406286208998628034825342

01931

mo-

15世紀(jì)初

15位

?1953097TC61：

U8074462379

2011年

10萬億

位

2022/2/46

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

1.1.1計算的基本概念

計算理論觀點：

計算是依據(jù)一定的法則對有關(guān)符號串進行變換的過程，即

計算是從已知的符號開始，按照規(guī)則一步一步地改變符號串，

經(jīng)過有限的步驟，最終得到一個滿足預(yù)定條件的符號串的過程。

1985年圖靈獎的獲得者RichardM.Karp的觀點：

很多自然的、人工的和社會的系統(tǒng)中的過程自然而然是計

算的，計算就是執(zhí)行信息變換。這是廣義的計算，即對信息進

行加工和處理。

2022/2/47

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

復(fù)雜計算問題的解決方法

復(fù)雜計算問題：

研究簡化規(guī)則。如一元二次方程解的公式。

知道計算規(guī)則，但超出人的計算能力，無法獲得計算結(jié)果:

設(shè)計一些簡單的規(guī)則，讓機器通過重復(fù)執(zhí)行來完成計算，

也就是使用機器來代替人進行自動計算。

2022/2/48

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

利用機器進行自動計算需要思考和研究的問題：

1.是不是所有的問題都可以通過自動計算來解決？

可計算性理論的研究?！袄戆l(fā)師悖論”

2.可計算問題的計算代價有多大？

計算復(fù)雜性理論。”漢諾塔問題”

3.如何實現(xiàn)自動計算？

構(gòu)建一個低成本、高效率的通用的計算系統(tǒng)。

4.如何方便有效地利用計算系統(tǒng)進行計算？

將問題的求解算法用程序表示，規(guī)模數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)庫管理

5.如何使計算“無所不能"、"無所不在”？

在計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，構(gòu)建并行計算、分布式、云計算環(huán)境

2022/2/49

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

LL2計算工具的探索

2022/2/410

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

一、加法

算盤直加滿五加進十加

一一上——下五去四一去九進一

二:上二：下五去三二去八進一

三三上三三下五去二三去七進一

?提供了計算過程中存儲數(shù)的手段四四上四四下五去一四去六進一

五五上五五去五進一

六

六上六六去四進一六上一去五進一

七

?提供了一套計算規(guī)則（口訣）七上七七去三進一七上二去五進一

八

八上八八去二進一八上三去五進一

九

?人按照規(guī)則進行計算九上九九去一進一九上四去五進一

二、減法

直減破五減退位減

一下一一上四去五一退一還九

三L

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E三nS二下二二上三去五二退一還八

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九層算盤

2022/2/411

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

帕斯卡加法器一-第一臺機械計算機

?BlaisePascaI(1623?1662),法國科學(xué)家。

1642年，研制成功--帕斯卡機。

?齒輪傳動。低位的齒輪每轉(zhuǎn)動10圈，高位上的齒輪

只轉(zhuǎn)動1圈?？梢赃M行8位數(shù)的加法運算。

物盤卡,B.

帕斯卡：人的某些思維過程與機械過程沒有差別,

因此可以設(shè)想用機械模擬人的思維活動。

意義：首次確立了計算機器的概念，開辟了自動

計算的道路。

2022/2/412

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

萊布尼茨

?GottfriedWiIheImLeibniz(1646?1716),

德國數(shù)學(xué)家。。

?萊布尼茨機：一種能夠進行連續(xù)十進制運算

(加、減、乘、除)的機器，在進行乘法運算時

采用進位-加的方法，后來演化為二進制，被現(xiàn)

代計算機所采用。

?意義：提出了“可以用機械代替人進行繁瑣重

復(fù)的計算工作”的重要思想。

2022/2/413

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

其他重要工作

蘊含著程序控制思想的萌芽。

?1805年：法國機械師杰卡德(J.Jacquard)根據(jù)布喬“穿孔紙帶

”的構(gòu)想完成了“自動提花編織機”的設(shè)計制作--一用連接按序的穿

孔卡控制編織的樣式，實踐了數(shù)據(jù)的輸入手段問題。

?1834年：巴貝奇設(shè)計了差分機、分析機。自動提花編織機

能夠按照設(shè)計者的旨意，自動處理不同函數(shù)的處理過程。他的

助手、英國著名詩人拜倫的獨生女阿達?奧古斯塔(AdaAugusta)為

分析機編制了人類歷史上第一個計算機程序。

?1854年：布爾創(chuàng)立布爾代數(shù)，為百年后出現(xiàn)的數(shù)字計算機的開關(guān)電

路設(shè)計提供了重要的理論基礎(chǔ)。巴貝奇差分機

2022/2/414

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

機電式計算機

?把電器元件應(yīng)用到了計算工具上，拉開了另一條實現(xiàn)自動計

算過程的途徑。

?1938年，德國科學(xué)家朱斯(KonradZuse)成功制造了世界

上第一臺二進制計算機Z7；Z-3型計算機是世界上第一臺通用

程序控制的機電式計算機。它全部采用繼電器，第一次實現(xiàn)了Z-1計算機

浮點記數(shù)法'二進制運算、帶存儲地址的指令等設(shè)計思想。

?1944年，美國科學(xué)家艾肯(HowardAiken)成功研制了自動

順序控制計算機MARK-I。它使用了3000多個繼電器，各種導(dǎo)

線總長達800km以上。1947年艾肯又研制出速度更快的機電式

計算機MARK-IIo

自動順序控制計算機MARK-I

2022/2/415

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

電子計算機

?1946年2月15日，世界公認(rèn)的第一臺“電子數(shù)字積

分式計算機”ENIAC(ElectronicNumericaI

IintegratorandCaleuIator)在美國的賓夕法尼亞

大學(xué)研制成功。

?高速是ENIAC最突出的優(yōu)點。18800個電子真空管、1500個繼電

器及其它電子元器件，總重量近

采用電子器件代替了機械齒輪或電動機械來執(zhí)行

?30t,占地約170m2,耗電為

算術(shù)運算、邏輯運算和存儲信息。150KW,運算速度可啟每初5000

次加法或次乘法運算，相當(dāng)于

?ENIAC不能存儲程序，需要用連線的方法來編輯程400

手工計算的20萬倍或者繼電器計

序，計算速度的優(yōu)勢被過長的準(zhǔn)備時間抵消了。算機的1000倍。

2022/2/416

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

1.1.3計算模型—圖靈機模型

阿蘭?圖靈(AlanTuring)

>"計算機科學(xué)的奠基人"、〃人工智能之父”

?英國著名數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、密碼學(xué)家

A提出了"圖靈機〃和〃圖靈測試"

ACM

AVTTrjTXGAW。。’

〃計算機界諾貝爾獎〃圖靈獎

2022/2/417

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

圖靈機

通過建立指令、程序以及通用機器執(zhí)行程序的理論模型，證明了

可以制造一種通用的機器計算所有能想象得到的可計算函數(shù)，這種理

論上的計算機后來被命名為“圖靈機”O(jiān)

…]口|頌]￡“回Th&&

窿號頭

n控制魏賈

由三部分組成：一條紙帶，一個讀寫頭和一個控制裝置

2022/2/418

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

圖靈機

A讀入一系列的“0”和“1”，就實現(xiàn)了某一基

本動作；

＞將多個最簡單的圖靈機進行組合，就可以實現(xiàn)

-

復(fù)雜的動作。輸入筒戴0

0-

＞在￡個過程,對基本動作的控制就成為指令，-0

/鎘用機器

而指令的有序組合就構(gòu)成了程序。數(shù)據(jù)、指令

由程序控制輸

和程序都用0和1表示。10011101001100001.......

j入轉(zhuǎn)換為網(wǎng)出

＞把程序看作是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)的一1ZSSSM

飆行完感

種變換函數(shù)，變換函數(shù)一步一步地實現(xiàn)，進而)

二

復(fù)雜系統(tǒng)也就實現(xiàn)了。

＞按照“程序”控制“基本動作”的思維，可以

模擬其他任何解決特定問題的圖靈機，即“通

用圖靈機”，也就是“通用計算機”的模型。

2022/2/419

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

1.1.3計算模型——馮?諾依曼計算機模型

馮?諾依曼(JohnvonNeumann,

1903~1957)

＞美籍匈牙利數(shù)學(xué)家、計算機科學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家。

＞在現(xiàn)代計算機、博弈論、核武器和生化武器等諸多領(lǐng)域

內(nèi)有杰出建樹的最偉大的科學(xué)全才之一，被后人稱為〃

計算機之父〃和"博弈論之父〃。

＞六歲時能心算八位數(shù)除法，八歲時掌握微積分，十歲時

讀完了四十八卷的世界史，十二歲讀懂領(lǐng)會了波萊爾的

大作《函數(shù)論》要義。

2022/2/420

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

馮?諾依曼計算機模型

馮?諾依曼提出的計算機設(shè)計思想概括起來有下面三個要點。

(1)采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。數(shù)據(jù)和指令在外觀形式上并

沒有區(qū)別，只是各自代表的含義不同。

(2)采用程序存儲方式。存儲程序和程序控制是馮?諾依曼計算機的

主要思想。存儲程序是指人們必須事先把計算機的執(zhí)行步驟序列(即

程序)及運行中所需的數(shù)據(jù)，通過一定方式輸入并存儲在計算機的存

儲器中。程序控制是指計算機運行時能自動地逐一取出程序中的一條

條指令，加以分析并執(zhí)行規(guī)定的操作。

(3)計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5大部件組

成，并且確定了這5個部件的基本功能。

2022/2/421

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

馮?諾依曼計算機模型

＞粗線代表數(shù)據(jù)流，指計算

機運行時的原始數(shù)據(jù)'中

馮?諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)間結(jié)果、結(jié)果數(shù)據(jù)及程序

等，它們在程序運行前已

經(jīng)預(yù)先送至存儲器中，而

且都是以二進制形式編碼

的，在程序運行時數(shù)據(jù)被

送往運算器，程序指令被

送往控制器。

＞細(xì)線代表控制流，是由控

制器根據(jù)指令的內(nèi)容發(fā)出

的控制命令，用來指揮計

算機各部件協(xié)調(diào)統(tǒng)一地執(zhí)

行指令規(guī)定的各種操作或

運算，并對執(zhí)行流程進行

控制。

2022/2/422

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第2節(jié)

計算機

2022/2/423

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

121計算機的發(fā)展

第一代第二代

(1946-1958)(1958~1964)

電子管晶體管

5千~4萬(次/秒)幾十萬~百萬(次/秒)

第三代

(1964~1971)

中小規(guī)模集成電路

百萬~幾百萬(次/秒)

2022/2/424

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第一代一電子管計算機（1946

?內(nèi)存延遲線或磁芯

?外存紙帶、卡片或磁帶卜手

?工作速度幾千~一萬次/秒y

?軟件機器語言或匯編語言&

?應(yīng)用科學(xué)計算

?代表機型ENIAC

?特點體積龐大，運算速度低，

成本高

2022/2/425

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第二代——晶體管計算機（1954—964年）

物理元件晶體管

內(nèi)存磁芯

?ns，■「??

11II?，?i1M0dl..

外存磁帶或磁盤（M*AnaaaeM?aMa>I

人類第一只

工作速度幾十萬次/秒晶體管（真空

軟件高級算法語言二極管）,1947

應(yīng)用事務(wù)管理及工業(yè)控制世界上第一臺全

晶體管計算機

代表機型IBM7000系列TRADIC,1953

優(yōu)點體積小，壽命長，速度快，能耗少，可靠性高

2022/2/426

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第三代一一集成電路計算機（1964—1970年）

物理元件中小規(guī)模集成電路（硅）

內(nèi)存半導(dǎo)體存儲器

外存磁帶或磁盤

工作速度幾十萬~幾百萬次/秒

軟件高級算法語言、操作系統(tǒng)

應(yīng)用計算、管理及控制

代表機型IBMSystem/360

優(yōu)點體積更小、速度更快、能耗更小、壽命更長

發(fā)展特點計算機設(shè)計出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的局面

2022/2/427

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

第

代

四r大規(guī)模集成電路計算機（年至今）

物1970

理

.兀

.內(nèi)（超）大規(guī)模集成電路摩爾定律--每18個月芯片能力增長一倍

.存

.外半導(dǎo)體存儲器

作

.存

.工磁盤和光盤

.速

.軟幾百萬~幾千萬次/秒

.件

.應(yīng)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件

用以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征

一

jllllllllllllllll

第四代計算機一個人計算機,1981VLSI芯片及其封裝的內(nèi)部電路

2022/2/428

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

我國計算機的發(fā)展歷程

類型時間代表機型重要意義

電子管計算機1958—1964年小型電子管通用計算機103機我國第一臺電子計算機

晶體管計算機1965—1972年大型晶體管計算機109乙、109丙主要用于兩彈試驗

1973年一1974年集成電路小型計算機DJS-130掌握集成電路小型機技術(shù)

世紀(jì)

20801977年微型計算機DJS-050我國第一臺微型計算機

集成電路計算機年代初

我國能夠獨立設(shè)計和制造巨型機

1983年銀河巨型機

-I的標(biāo)志

1985年長城0520CH微機系列微機產(chǎn)業(yè)化的里程碑

1992年起銀河系列巨型計算機

20世紀(jì)801993年起曙光系列超級計算機

年代中期我國超級計算機技術(shù)已經(jīng)處于世

大規(guī)模超大規(guī)模集年

至今1999神威I超級計算機界領(lǐng)先地位

成電路計算機

2009年起天河系列超級計算機

2010年起星云超級計算機

2001年起“龍芯”微處理器芯片及其系列

我國第一款通用CPU芯片

2022/2/429

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

我國巨型機機微處理器的發(fā)展

神威?太湖之光“龍芯”3號

2022/2/430

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

TOP500

?2013年6月，中國國防科技大學(xué)研制的〃天河二號〃超級計算機以每秒

33.86千萬億次的浮點運算速度，成為全球最快的超級計算機，之后它在

TOP500榜單上連續(xù)六度稱雄。

?2016年6月，由中國國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的〃神威太

湖之光〃超級計算機橫空出世。它以每秒9.3億億次的浮點運算速度在

TOP500榜單中奪冠，更重要的是〃神威?太湖之光〃實現(xiàn)了包括處理器

在內(nèi)的所有核心部件的全部國產(chǎn)化。至此，中國計算能力超過每秒千萬

億次的上榜系統(tǒng)已從2008年6月的一臺增至2016年的117臺，與美國上

榜數(shù)量持平。到2017年11月，“神威?太湖之光〃第四次蟬聯(lián)冠軍。

?2020年6月的TOP500榜單中，〃神威太湖之光〃位列第四，〃天河二

號〃位列第六。

2022/2/431

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

122計算機基礎(chǔ)知識L計算機的分類

（1）高性能計算機（2）微型計算機（3）工作站

（4）服務(wù)器（5）嵌入式計算機

2022/2/432

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

2.計算機的發(fā)展趨勢

(1)巨型化：可進行大規(guī)模、復(fù)雜計算

2010.11,超級計算機500強第一名：天河一號A-中國

14336顆IntelXeonX56702.93GHz六核心處理器

2048顆我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器

7168塊NVIDIATeslaM205嘀性能計算卡

總計：個核心，內(nèi)存。

實測運算速度可以達到(這意味著，

它計算一天，相當(dāng)于一臺家用電腦計算800年)

2022/2/433

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

(2)微型化：可嵌入、可攜帶

2022/2/434

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

水下機器人

(3)智能化：理解自然語言，具

有自適應(yīng)性，自主完成復(fù)雜功能

2022/2/435

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

(4)網(wǎng)絡(luò)化

InternetofServicesForpeopleInternetof3DWorlds

機-機相聯(lián)

物-物相聯(lián)

InternetofNetworks物-人相聯(lián)

人-人相聯(lián)

2022/2/436

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

Yes,youCan

3.新型計算機haveone.

(1)量子計算機

?量子計算機是一種基于量子理論的

計算機。

?量子比特(quantumbit),可以2007年，加拿大計算機公司D-Wave

同時處在多個狀態(tài)，在量子計算機展示了全球首臺量子計算機

2022/2/437

計算思維與智能計算基礎(chǔ)

(2)生物計算機

?以生物芯片取代集成

了數(shù)以萬計晶體管的

半導(dǎo)體硅片

?涉及到了計算機科學(xué)、DNA

腦科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、

分子生物學(xué)、生物物

理、生物工程、電子

工程、物理學(xué)和化學(xué)

等眾多學(xué)科。

生物計算機生物計算機

2022/2/438

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

(3)光子計算機

?光子計算機由光學(xué)反射鏡、透鏡、

濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備組成。

有模擬式與數(shù)字式兩類光子計算機。

2022/2/439

I計算思維與智能計算基礎(chǔ)

4.計算機應(yīng)用的新模式

(1)云計算各類用戶￡企業(yè)/政府/學(xué)人機構(gòu)/個人等