专业培训课程第 1 讲（计算机的 "前世今生"）

一、计算机发展史

　      参考链接

 

  1、计算工具发展：

——算筹（中国春秋战国）

——算盘（中国唐代）

——计算尺（1622 英国）

——加法器（1642 法国 帕斯卡）

——计算器（1673 德国 莱布尼茨）

——分差机、分析机（1812/1834英国剑桥大学 查尔斯·巴贝奇，分析器称为现代计算机雏形）

 

  2、计算机诞生

——图灵机（Turing Machine  ,TM  1912-1954 英国 阿兰·图灵 二战期间 反法西斯作出重要贡献）

（一）一条无线长的纸带，纸带分成了小方格，用做无限储存

（二）一个读写头能在纸带读写并且左右移动

　  图灵另一个杰出贡献是提出图灵测试，奠定了人工智能理论基础

　  美国计算机协会（ACM）于1966年创立“图灵奖”，号称计算机界的诺贝尔奖

 

——ENIAC（1946.2 宾夕法尼亚大学）

两个缺点：没有储存器、用布线板进行控制，计算速度被这个工作抵消了

意义：为现代计算机体系结构和工作原理奠定了基础

 

——冯·诺依曼体系结构计算机

EDVAC（离散变量自动电子计算机）人类制造的第二台计算机

ENIAC和EDVAC，都不是商业计算机，第一台商用计算机是UNIVAC(IBM制造)

冯诺依曼结构在这里就不描述了，计算机硬件章节有详细介绍

 

 

 

  3、计算机分代

 

——第一代　　电子管　每秒几千次机器语言、汇编语言　 军事、科学计算     （1946-1958）

——第二代　　晶体管　每秒几十万次　高级语言                数据处理、工业控制（1958-1964）

——第三代　　集成电路  　  每秒几百万次   操作系统                       文字处理、图形处理（1964-1970）

——第四代　　大规模超大规模集成电路每秒亿亿次数据库、计算机网络     应用社会方方面面（1971---至今）

——未来代

（一）光计算机：光储存技术、光存储器、光电子集成电路

（二）生物计算机：蛋白质分子构成芯片，运算速度是现在计算机的10万倍，能量消耗仅为10%，并且拥有巨大储存能力

（三）量子计算机：美国的研究人员目前实现了四个锂离子的量子纠缠状态

 

  4、计算机分类

（一）高性能计算机：高性能计算机过去称为巨型机或者大型机，是指目前速度最快、处理能力最强的计算机。目前世界排名第一的计算机在中国，神威·太湖之光其运算速度达到9.6亿亿次浮点运算。

领域：军事，战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统。民用，大区域天气预报、大面积物探信息处理系统、大型科学计算和模拟系统等

 

　　（二）微型计算机（个人计算机）：（PC），是使用微处理器作为CPU的计算机。1971年Inter公司马西安·霍夫成功在芯片实现CPU功能，开创了计算机新时代。

微机：桌面型、笔记本、平板、移动设备。

 

（三）工作站：介于微机和小型计算机之间的高档微型计算机系统,称为专门处理某种特殊事务的独立计算机。

通常配置：高分辨率的大屏幕显示器、大容量内、外储存器，较强的信息处理能力、高性能图形、图像处理能力、联网能力。

 

（四）服务器：是一种网络环境中对外提供服务的计算机系统。

广义：一台微机+网络操作系统+网络协议+各种服务软件

狭义：专门一种网络环境中对外提供服务的高性能计算机，比微机更稳定、安全、性能更好，硬件要求高

分类：web服务器、FTP服务器、文件服务器、数据库服务器等 

 

（五）嵌入式计算机：嵌入式计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中的计算机。

特点：系统软件、硬件一体化

应用：目前应用最广泛，数量超过PC，电冰箱、自动洗衣机、数字电视机、数字照相机

 

5、计算机应用

 

（一）科学计算（数值计算）

解决问题中心：数学计算

代表计算机:ENIAC

特点：计算工作量大、数值变化范围大

应用：天文学、量子化学、空气动力学、核物理、地震、气象

 

　　（二）数据处理（非数值计算或事物处理）

解决问题中心：大量数据加工处理，统计分析、合并、分类

特点：涉及数据量大、计算方法简单

应用（最广泛）：管理信息系统、办公自动化系统、决策支持系统、电子商务

 

（三）电子商务（EC）

分类：

B2B，企业与企业，是主要形式，例如：阿里巴巴

B2C，企业与消费者，例如：京东、苏宁

C2C，消费者与消费者，例如：淘宝网

 

（四）过程控制（实时控制）

解决问题中心：计算机采集数据，自动控制，自动调节

特点：生产自动化

应用：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等

 

　　（五）CAD/CAM/CIMS

　　CAD：计算机辅助设计   应用：飞机船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计  （ 降低工作量、提高设计速度、提高设计质量）

　　CAM：计算机辅助制造    利用计算机进行生产设备的管理、控制、和操作的过程    （提高质量、降低成本、缩短周期、改善劳动强度）

　　CIMS：计算机集成操作系统    计算机多方面应用合一（CAD/CAPP/CAM/CAE/CAQ(计算机辅助质量管理)/PDMS（产品数据管理系统））使企业实现整体最优效益

 

（六）多媒体

后期介绍

 

（七）人工智能（AI）

 后期介绍

 

6、计算机文化

　　物质文化，计算机软硬件设备以及使用方法

　　非物质文化，一方面是计算机科学对其他科学的渗透，创造形成新的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等新文化。二是计算机广泛改变了传统社会，形成了网络社会等虚拟社会形态，产生了相应的语言、风俗、道德法律等。

 

二、计算思维

　1、三大思维　

　达尔文曾今说过：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论”。科学研究三大方法是理论，实验和计算，对应的三大科学思维分别是理论思维、实验思维、计算思维。

 

（一）理论思维

理论思维又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。

（二）实验思维

实验思维又称证实思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。

（三）计算思维

计算思维又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。

 

三大思维都是人类科学思维中固有的方式。其中，理论思维强调推理，实验思维强调归纳，而计算机思维希望能自动求解。它们以不同的方式推动着科学的发展和人类的进步。

 

  2、计算思维的本质

　　抽象+自动化

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，数字抽象只是一类特例。自动化就是机械地一步一步自动执行，其基础和前提是抽象。

 

  3、计算思维的特征

（一）计算思维是人类求解问题的一条途径，是属于人的思维方式。

（二）计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行。

（三）计算思维是思想，不是人造物。

（四）计算思维是概念化，不是程序化。

 

  4、计算思维的基本问题

（一）可计算性

一个问题是可计算的是指可以使用计算机在有限步骤内解决。

　　（二）计算复杂性

衡量标准有两个，空间复杂性、时间复杂性

　　（三）图灵测试

计算机越来越强大了，一个问题自然提出了：机器能有智能么？迄今为止举办的图灵测试结果说明，目前计算机想和人类真正地谈话还是比较困难。

 

  5、计算思维的方法

从方法论的角度来说，计算思维的核心是计算思维方法。总的来说，计算思维方法有两大类：一类是来自数学工程的方法，如黎曼积分、迭代、递归，来自工程思维的大系统设计与评估方法；另一类是计算机科学独有的方法，如操作系统中处理死锁的方法。

计算思维并不是一种新的发明，而是早已经存在的思维活动，是每一个人都具有的一种技能。在日常生活中，计算思维案例无处不在。例如，学生早晨去学校时，把当天需要的东西放入背包，这就是预置和缓存；某人把钱弄丢了回去找，这就是回溯；为什么停电了电话任然能用？这就是失败的无关性和设计的余冗性。

 

 6、计算思维应用

（一）物理领域：强短程排斥力研究、粒子穿过固体运动规律、计算机淘汰 卡门-钱公式

（二）计算化学：1、数值计算 2、化学模拟 （数值模拟、过程模拟、实验模拟）3、模式识别（化合物分类）

（三）计算生物学：生物序列片段拼接、序列对接、基因识别、种族树的构造、蛋白质结构预测、生物数据库、生物等效性、皮肤电阻、骨关节炎治疗、哺乳动物的睡眠的研究等

（四）计算机经济学：一切与经济研究有关的计算都是计算经济学，代表方法“用模拟求估计”，金融基本离不开计算机