計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 01-計(jì)算思維和計(jì)算

1計(jì)算思維和計(jì)算天津科技大學(xué)

計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)系1目錄1.1計(jì)算思維概述 1.2計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算 1.3計(jì)算工具的發(fā)展史 1.1計(jì)算思維概述計(jì)算思維是指計(jì)算機(jī)、軟件以及計(jì)算相關(guān)學(xué)科的科學(xué)家和工程技術(shù)人員的思維方法。目的是希望人們能夠像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考，將計(jì)算技術(shù)與各學(xué)科的理論、技術(shù)與藝術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。計(jì)算思維的基本內(nèi)容計(jì)算思維包括多項(xiàng)基本內(nèi)容。二進(jìn)制0和1的基礎(chǔ)思維。指令和程序的思維計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的思維問(wèn)題求解的思維遞歸的思維網(wǎng)絡(luò)化的思維1.1.2計(jì)算思維與各學(xué)科的關(guān)系1．應(yīng)用計(jì)算手段促進(jìn)各學(xué)科的研究和創(chuàng)新2．各學(xué)科創(chuàng)新自己的新型計(jì)算手段3．計(jì)算思維可以幫助培養(yǎng)各專業(yè)的人才1.2計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算計(jì)算是指數(shù)據(jù)在運(yùn)算符的操作下，按照規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。有時(shí)候雖然人們知道了計(jì)算的規(guī)則，但是因?yàn)橛?jì)算過(guò)于復(fù)雜，超過(guò)了人的計(jì)算能力，所以無(wú)法計(jì)算得到結(jié)果。a=3+2

對(duì)數(shù)指數(shù)微分積分計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算兩種解決方法（1）通過(guò)數(shù)學(xué)上的規(guī)則推導(dǎo)，獲得等效的計(jì)算方法，從而完成計(jì)算?！纠?.2】計(jì)算

通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得

，可以輕松的完成計(jì)算計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算（2）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的規(guī)則，讓機(jī)器重復(fù)執(zhí)行，進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算?！纠?.3】計(jì)算

可以轉(zhuǎn)化為可以由機(jī)器重復(fù)執(zhí)行的自動(dòng)計(jì)算的計(jì)算規(guī)則step1:輸入整數(shù)nStep2:s=0Step3:i=1Step4:s=s+iStep5:i=i+1Step6:如果i<=n，那么轉(zhuǎn)入step4執(zhí)行Step7:輸出s，算法結(jié)束。計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算2．計(jì)算科學(xué)的基本問(wèn)題：“什么能夠被有效地自動(dòng)計(jì)算，什么不能被有效地自動(dòng)計(jì)算？”（1）哪些問(wèn)題可以在有限時(shí)間和有限空間內(nèi)自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算的時(shí)間和空間復(fù)雜度怎樣？（2）通過(guò)人類的各種思維模式，如何設(shè)計(jì)有效的計(jì)算方法，以減少計(jì)算的時(shí)間和空間復(fù)雜度。1.3計(jì)算工具的發(fā)展史計(jì)算和自動(dòng)計(jì)算時(shí)需要考慮以下4個(gè)問(wèn)題：（1）數(shù)據(jù)的表示。（2）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及自動(dòng)存儲(chǔ)。（3）計(jì)算規(guī)則的表示。（4）計(jì)算規(guī)則的執(zhí)行與自動(dòng)執(zhí)行。提示：計(jì)算工具的發(fā)展過(guò)程就是人們不斷追求計(jì)算的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化，嘗試各種計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)和自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算規(guī)則的表示、執(zhí)行和自動(dòng)執(zhí)行計(jì)算規(guī)則的過(guò)程。1.3.1計(jì)算工具的發(fā)展計(jì)算工具的發(fā)展包括三個(gè)階段:手動(dòng)計(jì)算器機(jī)械計(jì)算器電子計(jì)算機(jī)1．手動(dòng)計(jì)算器手動(dòng)計(jì)算器利用算法進(jìn)行輔助數(shù)字計(jì)算過(guò)程的設(shè)備，手動(dòng)操作。小石塊和有刻痕的小棍算籌、算盤，珠算歌訣。納皮爾籌（納皮爾計(jì)算尺）滑動(dòng)刻度尺2．計(jì)算機(jī)的雛形——機(jī)械式計(jì)算器機(jī)械式計(jì)算器可以自動(dòng)完成計(jì)算，操作者不需要了解算法.1642年，帕斯卡加法器1673年，萊布尼茲乘法器1822年，差分機(jī)庫(kù)塔（Curta）帕斯卡加法器萊布尼茨改進(jìn)的計(jì)算器差分機(jī)庫(kù)塔計(jì)算器3．電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠理解和自動(dòng)執(zhí)行任意的復(fù)雜規(guī)則，能進(jìn)行任意形式的計(jì)算。ABC計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)1937-1942年，阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī)（Atanasoff-BerryComputer，ABC）真空電子管代替機(jī)械式開(kāi)關(guān)作為處理電路基于二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)的理念。ABC本身不可編程，僅用于求解線性方程組電子計(jì)算機(jī)1946年2月，ENIAC使用18

000個(gè)電子管，耗電150kw，總重量30噸每秒5

000次加法運(yùn)算，是手工計(jì)算的20萬(wàn)倍造價(jià)48萬(wàn)美元ENIAC是世界公認(rèn)的第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)。1.3.2元器件的發(fā)展電子計(jì)算機(jī)元器件發(fā)展中經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路三個(gè)階段電子管晶體管集成電路電子管1895年，英國(guó)約翰·弗萊明發(fā)明了第一只電子管（真空二極管）；1907年，美國(guó)李·德福雷斯特發(fā)明真空三極管，贏得了“無(wú)線電之父”的稱號(hào)。在二極管的燈絲和板級(jí)間加了一塊柵板，使得電子流動(dòng)可以控制，從而使得電子管進(jìn)入普及和應(yīng)用階段，電子管可以用于存儲(chǔ)和控制二進(jìn)制數(shù)的電子元器件。電子管比機(jī)械式繼電器反應(yīng)快，計(jì)算速度快缺點(diǎn)是體積大、可靠性低、能耗大、易損壞晶體管1947年，貝爾（Bell）實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，不僅可以控制電流和電壓，還可以作為電子信號(hào)的開(kāi)關(guān)。與電子管相比，晶體管的體積更小、價(jià)格更便宜，并且能耗低、可靠。以晶體管為主要器件的計(jì)算機(jī)體積更小，速度提升到百萬(wàn)次/秒此時(shí)出現(xiàn)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言晶體管計(jì)算機(jī)需要使用電線將數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管連接起來(lái)，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜集成電路1958年，德州儀器公司杰克·基爾比提出集成電路構(gòu)想：

通過(guò)在同一材料（硅）塊上集成所有元件，并通過(guò)上方的金屬化層連接各個(gè)部分，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變換。這樣，就不再需要分立的獨(dú)立元件，避免了手工組裝元件、導(dǎo)線的步驟。（1）1980年代，超大規(guī)模集成電路（VLSI），幾十萬(wàn)（2）1990年代，特大規(guī)模集成電路（ULSI），幾百萬(wàn)級(jí)（3）2012年，一塊硅片上可以集成14億個(gè)元件。摩爾定律摩爾定律：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每18個(gè)月會(huì)增