计算机科学导论——基于计算思维的思想与方法（第4版） 课件【ch01】计算机科学概述.pptx

计算机科学导论基于计算思维的思想与方法计算机科学概述第一章新工科建设之路·计算机类系列教材 01人类计算工具的进步 人类计算工具的进步01手工时代的计算工具，其发展过程大致可分为以下3个阶段。1.原始计数法2.算筹3.算盘一、手工时代 人类计算工具的进步011.计算尺2. Pascal 加法器3.莱布尼茨计算器4.雅克特提花编织机5.巴贝奇差分机与分析机二、机械时代 人类计算工具的进步011.工业通用计算机1938 年，美国的v. Bush为解线性微分方程而设计了微分器，它是世界上第一台电子模拟计算机。2.阿塔纳索夫计算机3. Mark计算机三、机电时代 人类计算工具的进步01四、电子时代20世纪中期，计算工具已完全进入电子时代。Mark 计算机的概念和设计思想，为现代电子计算机的形成奠定了基础。在这一时期，令世界瞩目的伟大科技成果是ENIAC， ENIAC的研制成功，开辟了电子计算机的新时代。1.ENIAC的诞生2.电子时代的划分 人类计算工具的进步01四、电子时代3.计算机类型的划分(1)数字计算机是指能够直接对离散的数字和逻辑变量进行处理的计算机，它所处理的电信号在时间上是离散的，称为数字量。在数字计算机中，根据它的适用范围和用途不同，又分为以下两种类型：①专用计算机；②通用计算机。(2)模拟计算机：是指能够直接对模拟量进行操作的计算机，它所处理的电信号在时间上是连续变化的，称为模拟量。(3)模拟——数字混合计算机是把数字计算机和模拟计算机的优点结合起来设计而成的计算机。 02计算机科学体系的形成 计算机科学体系的形成02布尔代数是以形式逻辑为基础，以文字符号为工具，以数学形式分析、研究逻辑问题的理论。布尔代数虽为数学，但与普通数学有着本质的区别。它所研究的对象只有“0” 和“1”两个数码，并定义了“与”(AND， 符号为∧)、“或”(OR，符号为∨)、“非”(NOT，符号为 )三种运算，其他运算均可以用最基本的“与”“或”“非”运算来表示。尽管布尔代数是用文字符号来代替数码，以表示变量，但这种变量的取值范围仅限于取“0”和“1”，所以逻辑变量是二值的，因此被称之为二值逻辑。这种简化的二值逻辑为数字计算机的二进制运算、开关逻辑元件和逻辑电路的设计与简化铺平了道路，并为二进制数字计算机的研制奠定了理论基础。一、布尔提出的逻辑代数 计算机科学体系的形成02二进制概念的提出有着极为重要的意义，至今依然是计算科学发展的基础。1938年，香农发表了题为A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuis (继电器开关电路的符号分析)的论文，首次提出了可以用电子线路来实现布尔代数表达式。由于布尔代数只有1和0两个值，与电路分析中的“开”和“关”现象完全一致，因此可以按布尔代数逻辑变量的“真”或“假”对应开关的闭合或断开。自从香农通过继电器开关电路实现了布尔代数运算之后，人们在计算机的设计中开始采用逻辑代数来分析和设计逻辑电路。二、香农提出的逻辑电路 计算机科学体系的形成021940 年，维纳提出了设计计算机的一些原则：(1)计算机中的加法装置和乘法装置应该是数字的，而不是模拟的；(2)计算机由电子元件构成，尽量减少机械部件；(3)采用二进制运算；(4)全部运算均在计算机上自动进行；(5)采用内部存储数据。三、维纳提出的计算机设计原则 计算机科学体系的形成02图灵对现代计算机的贡献主要体现在两方面：一是建立了图灵机理论模型，二是提出了定义机器智能的图灵测试。四、图灵提出的图灵机和图灵测试1.图灵机(Turing Machine，TM)这个“图灵机”不是具体的机器，而是一种理论模型，用来模拟人类用纸笔进行数学计算的过程。图灵机是一种十分简单但运算能力很强的计算装置，用来计算可以想像得到的可计算函数，它不仅解决了纯数学基础理论问题，而且在理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。尽管图灵机并不是真实的计算机，而是用数学方法从理论上证明了制造通用计算机的可行性。 计算机科学体系的形成02四、图灵提出的图灵机和图灵测试2.图灵测试(Turing Testing，TT)图灵提出一个假想：一个人在不知情的条件下，通过一种特殊的方式和一台机器进行问答，如果在相当长时间内，他分辨不出与他交流的对象是人还是机器，那么，这台机器就可以认为是能思维的，这就是著名的“图灵测试”(Turing Testing)。今天，图灵测试己被公认为是“证明机器具有智能的最佳方法”。今天，图灵测试已被公认为是“证明机器具有智能的最佳方法”。 计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC人们把基于EDVAC结构的计算机称为Neumann结构计算机，它是在分析机、二进制理论、图灵机等基础上发展形成的。Neumann