大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维.pdf

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1、计算机是什么计算机是什么 传统传统“计算机器计算机器” 多样化的多样化的“计算机器计算机器”，各种设备的，各种设备的“大脑大脑”系统系统 计算机是什么计算机是什么? (1) 计算机与各种设备中的计算机计算机与各种设备中的计算机? 形形色色的计算机形形色色的计算机 形形色色的计算机形形色色的计算机 计算机是什么计算机是什么? (2) 各种应用中的计算机各种应用中的计算机? 马克马克.安德森安德森-前Netscape公司创始人，现风险投资人 形形色色的计算机形形色色的计算机 计算机是什么计算机是什么? (3)计算机除了硬件，还包括软件计算机除了硬件，还包括软件? 操作系统操作系统OS:分时分时OS

2、,实时实时OS, 网络网络OS,并行并行OS, 移动移动OS,云云OS, 中间件，如应用服务器中间件，如应用服务器, , 消息中间件消息中间件, , 流程中间件流程中间件, ,服务中间件服务中间件, 硬件硬件( (裸机裸机) ) 嵌入式嵌入式/ /移动式移动式( (设备裸机设备裸机) )网络化网络化/ /互联化互联化其他硬件其他硬件 工具软件工具软件语言处理系统语言处理系统数据库管理系统数据库管理系统 计算机辅助设计与制造软件计算机辅助设计与制造软件CAx 企业管理软件企业管理软件ERP (3)如果其值使如果其值使 方程式成立，方程式成立， 则即为其解；则即为其解； 否则不是否则不是 计算与自

3、动计算计算与自动计算 (2)人计算与机器计算的差别人计算与机器计算的差别? “人人”计算计算 vs. “机器机器”计算计算 利用上述公式利用上述公式 计算得到计算得到x值值 自动计算要解决的几个问题自动计算要解决的几个问题: 表示表示-存储存储-执行执行 “数据数据”的表示的表示 “计算规则计算规则”的表示：的表示：程序程序 数据与计算规则的数据与计算规则的“自动存储自动存储” 计算规则的计算规则的“自动执行自动执行” a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c 计算与自动计算计算与自动计算 (3)自动计算需要解决什么问题自动计算需要解决什么问题? 算盘能被认为是计算机吗? 九层算盘九层算盘

4、 一、加法口诀一、加法口诀 直加直加满五加满五加进十加进十加 一: 一上一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 四: 四上四 四下五去一 四去六进一 五: 五上五 五去五进一 六: 六上六 六去四进一 六上一去五进一 七: 七上七 七去三进一 七上二去五进一 八: 八上八 八去二进一 八上三去五进一 九: 九上九 九去一进一 九上四去五进一 二、减法口诀二、减法口诀 直减直减破五减破五减退位减退位减 一 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五

5、四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四 珠算珍品珠算珍品 计算与自动计算计算与自动计算 (4) 机械计算的探索机械计算的探索? 帕斯卡与帕斯卡机-(准)第一台机械计算机 Blaise Pascal(16231662) 1642年研制成功一种齿轮式计算机器 帕斯卡机的意义帕斯卡机的意义：它告诉人们“用“用纯机械装置纯机械装置可代替人可代替人 的思维和记忆”的思维和记忆”。开辟了自动计算自动计算的道路。 计算与自动计算计算与自动计算 (4) 机

6、械计算的探索机械计算的探索? 莱布尼茨 Gottfried Wilhelm Leibniz (16461716)，德国数学家。 莱布尼茨机的意义莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行连续重复自动执行。 提出了二进制数二进制数及其计算规则计算规则； 数理逻辑数理逻辑的创始人 是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机 器？器？ 如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎 样的呢？样的呢？ 计算与自动计算计算与自动计算 (4) 机械计算的探索机械计算的探索? 其他重要工作 1834年：巴贝奇(Charles Babba

7、ge)，分分 析机析机的概念-可执行程序的机器可执行程序的机器。 1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡打孔卡， 实践了输入手段输入手段问题。 1854年：布尔创立布尔代数布尔代数，为数字数字 计算机的电路设计计算机的电路设计提供了理论基础。 (请同学课后补充) 巴贝奇差分机与分析机巴贝奇差分机与分析机 计算与自动计算计算与自动计算 (4) 机械计算的探索机械计算的探索? 计算辅助工具计算辅助工具 Pascal机械计算机机械计算机: 自动计算自动计算-固定的计算规则固定的计算规则 Babbage机械计算机机械计算机: (特定特定)程序程序 -可有限变化的计算规则可有限变化的计算规

8、则 现代计算机：现代计算机：一般程序一般程序 -任意可变的计算规则任意可变的计算规则 机械计算的简要发展历程是怎样的？ 从表示从表示-自动存储自动存储-自动执行的角度自动执行的角度 计算与自动计算计算与自动计算 (4) 机械计算的探索机械计算的探索? 计算 机器 计算 程序? 计算与自动计算计算与自动计算 (5) 小结小结 程序自 动执行? 数据 计算 规则 表示? 自动 存取? 自动 执行? 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (1) 自动计算需要解决的问题自动计算需要解决的问题? 数据 计算 规则 表示? 自动 存取? 自动 执行? 二进制二进制

9、 vs. 十进制十进制 由由 元器件元器件 到到 系统系统 电子管时代的计算机器 人类第一只电子管电子管 (真空二极管),1895 电子管计算机电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (2) 电电子自动计算的突破在哪里？子自动计算的突破在哪里？ 存储存储0和和1的元器件的元器件 电子管时代的计算机器 冯冯.诺伊曼诺伊曼(Von Neumann)电子计算机 EDVAC问世 将运算运算和存储存储分离分离，运算速度却比拥有 18000个电子管的“ENIAC”提高了10倍 结构上的创新结构上的创新：“冯冯.诺伊曼计算机诺伊曼计算机”。 运算规则和

10、数据是否可事运算规则和数据是否可事 先存储于存储器中，以便先存储于存储器中，以便 机器连续的执行呢？机器连续的执行呢？ 运算和存储怎样分离呢？运算和存储怎样分离呢？ ? 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (2) 电子自动计算的突破在哪里？电子自动计算的突破在哪里？ 晶体管时代的计算机器 人类第一只晶体管晶体管 (真空二极管),1947 第一台晶体管计算机TRADIC，1953 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (3) 晶体管发现的价值在哪里呢？晶体管发现的价值在哪里呢？ 怎样使体积更小怎样使体积更小? 可靠性更高可靠性更高? 可控性更灵活呢可控性更灵活呢? ? 集成电路时代的计算机

11、器 集成电路集成电路的发明,1959 第三代计算机IBM360,1964 J.Kilby，集成电路发明者 封装后的集成电路芯片 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (4) 什么是集成电路，其价值又在哪里呢？什么是集成电路，其价值又在哪里呢？ 能否将复杂的电路封装后作为新电路设计的元件呢？能否将复杂的电路封装后作为新电路设计的元件呢？ 复杂的电路复杂的电路 集成集成 封装封装 应用？应用？ 超大规模集成电路(VLSI)时代的计算机器 第四代计算机个人计算机,1981 VLSI芯片及其封装的内部电路 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (4) 什么是集成电路，其价值又在哪里呢？什么是集成电

12、路，其价值又在哪里呢？ 摩尔定律摩尔定律-每每18个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍 电子管电子管: 可自动控制可自动控制0和和1变化的元件变化的元件 晶体管晶体管 集成电路集成电路: 可自动实现一定变换的元件可自动实现一定变换的元件 超大规模集成超大规模集成 电路电路(VLSI) 自动计算中的元器件的发展自动计算中的元器件的发展 从表示从表示-自动存储自动存储-自动执行的角度自动执行的角度 体积越来越小；体积越来越小； 可靠性越来越高；可靠性越来越高； 电路规模越来越大；电路规模越来越大； 速度越来越快；速度越来越快； 功能越来越强大；功能越来越强大； 电子自动计算电子自动计算-元器件

13、元器件 (5) 元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？ 自动计算中的元器件的发展启示自动计算中的元器件的发展启示 InputOutput Transform Input1Output1 Transform1 Input2Output2 Transform2 Input3Output3 Transform3 Input1Output1 Transform1 Input2Output2 Transform2 Input3Output3 Transform3 AB Transform4 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件 (5) 元器

14、件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？ 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (1) 自动计算需要解决的问题自动计算需要解决的问题? 数据 计算 规则 表示? 自动 存取? 自动 执行? 二进制二进制 vs. 十进制十进制 由由 元器件元器件 到到 系统系统 计算机系统要解决的几个问题计算机系统要解决的几个问题 “控制与计算控制与计算”-微处理器微处理器 “输入输入”-如何将外部信息输入到计算机中如何将外部信息输入到计算机中? “输出输出”-如何将计算机中信息输出到外界如何将计算

15、机中信息输出到外界(显示或打印显示或打印)? “永久存储与临时存储”“永久存储与临时存储”-如何将计算机中的信息永久保存或临时保存如何将计算机中的信息永久保存或临时保存? 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (2) 计算机系统的构成包括哪些部分？计算机系统的构成包括哪些部分？ 字长字长：8位16位32位64位 主频主频：几MHz几百MHz几GHz 晶体管数量晶体管数量：几万几百万几亿颗 功能功能/规模规模：微处理器微处理器微处理器+协协 处理器处理器(浮点运算浮点运算)微处理器微处理器+图形处理单图形处理单 元元GPU微处理器微处理器+3D处理器处理器+多媒体处理多媒体处理 器器多

16、核微处理器多核微处理器 微处理器的发展 1999 Pentium III 2005 双核双核 CORE 2010 八核八核-十核十核 CORE i 系列系列 1974 8086/8088 1982 Intel 80286 1985 Intel 80386 1989 Intel 80486 1993 Pentium 1997 Pentium II 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (3) 控制与计算控制与计算-微处理器微处理器-计算机系统的核心？计算机系统的核心？ 存储设备 存储设备存储设备 类别类别 发发 展展 水水 平平 固态硬盘固态硬盘 USB Removable disk

17、FlashRAM 磁带磁带/磁芯磁芯/磁鼓存储磁鼓存储 磁盘存储磁盘存储(硬盘与软盘硬盘与软盘) 光盘存储光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD) 汞延迟线汞延迟线 纳米存储纳米存储/量子存储量子存储 半导体存储半导体存储(ROM/RAM) 体积越来越小体积越来越小 容量越来越大容量越来越大 访问速度越来越快访问速度越来越快 可靠性越来越高可靠性越来越高 功耗越来越低功耗越来越低 持久性越来越好持久性越来越好 DRAM半导体存储器芯片半导体存储器芯片 FlashRAM存储器存储器 U-Disk固态硬盘固态硬盘 磁芯存储器磁芯存储器 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (4

18、) 怎样解决大规模快速存储问题？怎样解决大规模快速存储问题？ 输入设输入设备备类别类别 发发 展展 水水 平平 穿孔纸带穿孔纸带 (0/1输入输入) 键盘输入键盘输入 (符号输入符号输入) 鼠标输入鼠标输入 (点输入点输入) 感知输入感知输入 (接触式感知输入接触式感知输入 非接触式感知输入非接触式感知输入) 输入设备 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (5) 怎样解决输入问题？怎样解决输入问题？ 输出设备输出设备 (显示器显示器) 类别类别 发发 展展 水水 平平 CRT：阴极射线管：阴极射线管 (模拟显示器：模拟显示器：黑白与彩色黑白与彩色) CRT: 字符发生器字符发生器

19、(向量式模拟显示器向量式模拟显示器: 输出字符输出字符) CRT: 数字光栅扫描显示器数字光栅扫描显示器 (基于内存的显示基于内存的显示: 输出图形输出图形) 3D显示器：显示器：3维图形维图形 数字显示器：数字显示器：高清图形高清图形 (液晶、等离子技术液晶、等离子技术) GPU芯片芯片 多显示卡并联多显示卡并联 分辨率越来越高分辨率越来越高 颜色越来越逼真颜色越来越逼真 显示速度越来越快显示速度越来越快(屏幕刷新速度和图屏幕刷新速度和图 形处理速度形处理速度) 越来越薄，越清晰越来越薄，越清晰 可视角度越来越接近平角可视角度越来越接近平角 输出设备-显示及显示控制 电子自动计算电子自动计算

20、-计算机系统计算机系统 (6) 怎样解决输出问题？怎样解决输出问题？ 计算机系统的发展 微处理器微处理器存储设备存储设备 输出设备输出设备 (显示器显示器) 输入设输入设备备 类别类别 发发 展展 水水 平平 (字长字长;主频主频;晶体管数目晶体管数目) (8位位; 5M;1万颗万颗) (16位位; 20M;10万颗万颗) (32位位; 60M;300万颗万颗) (32位位; 1G;2800万颗万颗) (64位位; 10G; 3亿颗亿颗) (64位位; 10G; 10亿颗亿颗) 穿孔纸带穿孔纸带 (0/1输入输入) 键盘输入键盘输入 (符号输入符号输入) 鼠标输入鼠标输入 (点输入点输入) 感

21、知输入感知输入 (接触式感知输入接触式感知输入 非接触式感知输入非接触式感知输入) CRT：阴极射线管：阴极射线管 (模拟显示器：黑白与彩色模拟显示器：黑白与彩色) CRT: 字符发生器字符发生器 (向量式模拟显示器向量式模拟显示器) CRT: 数字光栅扫描显示器数字光栅扫描显示器 (基于内存的显示基于内存的显示) 3D显示器显示器 数字显示器数字显示器 (液晶、等离子技术液晶、等离子技术) 固态硬盘固态硬盘 USB Removable disk FlashRAM 磁带磁带/磁芯磁芯/磁鼓存储磁鼓存储 磁盘存储磁盘存储(硬盘与软盘硬盘与软盘) 光盘存储光盘存储(CD-ROM, CD R/W,

22、DVD) 汞延迟线汞延迟线 纳米存储纳米存储/量子存储量子存储 半导体存储半导体存储(ROM/RAM) 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (7) 计算机系统各主要部件的发展趋势是什么？计算机系统各主要部件的发展趋势是什么？ 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统 (8) 小结小结 存储 设备 输入 控制与 计算 输出 微处理器微处理器 中央处理单元中央处理单元CPU 内存与外存内存与外存 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 世界上最小台式电脑- 如同拇指大小 平板电脑-Apple IPAD 智能手机 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (1) 微型化趋势是怎样的微型化

23、趋势是怎样的? 平板电脑-Apple IPAD 微型化：可嵌入、可携带微型化：可嵌入、可携带 A massively parallel supercomputer using tens of thousands of embedded PowerPC processors supporting a large memory space With standard compilers and message passing environment IBM-BlueGene(蓝色基因蓝色基因): Milestone of an Intelligent Machine 大型化：可进行大规模、复杂计算

24、大型化：可进行大规模、复杂计算 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (2) 大型化趋势是怎样的？大型化趋势是怎样的？ 2010.11, 超级计算机超级计算机500强第一名：强第一名：天河一号天河一号A - 中国中国 14336颗颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器六核心处理器 2048颗我国自主研发的飞腾颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器八核心处理器 7168块块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡高性能计算卡 总计总计: 186368个核心个核心, 224TB内存。内存。 实测运算速度可以达到实测运算速度可以达到每秒每秒2570万亿次万亿次

25、(这意味着，这意味着， 它计算一天，相当于一台家用电脑计算它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年年) 大型化：可进行大规模、复杂计算大型化：可进行大规模、复杂计算 超级计算机超级计算机500强强 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (2) 大型化趋势是怎样的？大型化趋势是怎样的？ 汽车生产线上的机器人 水下机器人 智能化智能化 理解自然语言，具有自适应性，理解自然语言，具有自适应性， 自主完成复杂功能自主完成复杂功能 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (3) 智能化趋势是怎样的？智能化趋势是怎样的？ Internet of Services Internet of Networks

26、Internet of Things Internet of 3D Worlds For people and enterprises 网络化网络化 “未来互联网未来互联网”-Future Internet 机机-机相联，物机相联，物-物相联，物物相联，物-人相联，人人相联，人-人相联人相联 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (4) 网络化趋势是怎样的？网络化趋势是怎样的？ 网络化网络化 计算系统之发展趋势计算系统之发展趋势 (4) 网络化趋势是怎样的？网络化趋势是怎样的？ IBM提出智慧地球，Smart Planet。 交通交通电力电力能源能源物流物流 Instrumented Inte

27、rconnect Intelligent 什么是计算思维什么是计算思维 Systems Theory AI Comp. Bio. Geometric Comp.Graphics HCI：Human Computer Interaction Distributed Systems Service Computing Hardware Robotics Database 知识网知识网; 服务网服务网; 社会网社会网 抽象抽象自动化自动化 事务管理事务管理 与数据库与数据库 数据分析与数据分析与 数据仓库数据仓库 数据聚集数据聚集 与大数据与大数据 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动

28、计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 什么是计算思维什么是计算思维? (6) 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间-计算之树？计算之树？ 模型模型 语言语言协议协议 系统系统 编译器编译器 编解编解 码器码器 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间-计算之树计算之树 递归程

29、序0和1 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (1) 奠基性的计算思维有哪些奠基性的计算思维有哪些? 计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维 递归程序0和1 “0 和和 1”思维思维-符号化符号化计算化计算化自动化自动化 0和和1是实现任何计算的基础；社会是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；自然与计算融合的基本手段； 0和和1是是 连接硬件与软件的纽带；连接硬件与软件的纽带；0/1是最基本的抽象与自动化机制。是最基本的抽象与自动化机制。 “程序”思维程序”思维-千变万化复杂功能的构造、表达与执行千变万化复杂功能的构造、表达与执行 程序是基本动作程序是

30、基本动作(指令指令)的各种组合，是控制计算系统的基本手段的各种组合，是控制计算系统的基本手段 “递归”思维递归”思维-无限事物及重复过程的表达与执行方法无限事物及重复过程的表达与执行方法 递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学 描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础 计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (1) 奠基性的计算思维有哪些奠基性的计算思维有哪些? 递归程序0和1 云计算云计算 环境环境 并

31、行分 布环境 个人计 算机 冯.诺 依曼机 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (2) 通用计算环境是如何演化的通用计算环境是如何演化的? 计算之树的第二个维度通用计算环境的进化思维 个人计算机个人计算机 存储设施存储设施 (硬盘、光盘硬盘、光盘) 操作系统操作系统 CPU内存内存 应用软件应用软件 存储设施存储设施 (硬盘、光盘硬盘、光盘) 操作系统操作系统 CPU内存内存 存储设施存储设施 (硬盘、光盘硬盘、光盘) 操作系统操作系统 CPU内存内存 应用软件应用软件 冯冯.诺依曼诺依曼 计算机计算机 CPU内存内存 程序程序 CPU内存内存 程序程序 云计算云计算

32、环境环境 实际计算节点实际计算节点 (如如CPU阵列阵列) 虚拟计虚拟计 算节点算节点 虚拟计虚拟计 算节点算节点 实际存储设施实际存储设施 (如硬盘阵列如硬盘阵列) 虚拟虚拟 硬盘硬盘 虚拟虚拟 硬盘硬盘 云存储与云计算服务云存储与云计算服务-操作系统操作系统 Internet SaaS型应用软件型应用软件 User n 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser 大规模用户群大规模用户群 大规模数据及其处理大规模数据及其处理 大规模协同与互操作大规模协同与互操作 User 1 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser 实际计算节点实际计算节点 (如如C

33、PU阵列阵列) 虚拟计虚拟计 算节点算节点 虚拟计虚拟计 算节点算节点 实际存储设施实际存储设施 (如硬盘阵列如硬盘阵列) 虚拟虚拟 硬盘硬盘 虚拟虚拟 硬盘硬盘 云存储与云计算服务云存储与云计算服务-操作系统操作系统 Internet SaaS型应用软件型应用软件 User n 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser 大规模用户群大规模用户群 大规模数据及其处理大规模数据及其处理 大规模协同与互操作大规模协同与互操作 User 1 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser 实际计算节点实际计算节点 (如如CPU阵列阵列) 虚拟计虚拟计 算节点算节点

34、虚拟计虚拟计 算节点算节点 实际存储设施实际存储设施 (如硬盘阵列如硬盘阵列) 虚拟虚拟 硬盘硬盘 虚拟虚拟 硬盘硬盘 云存储与云计算服务云存储与云计算服务-操作系统操作系统 Internet SaaS型应用软件型应用软件 User n 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser User n 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser 大规模用户群大规模用户群 大规模数据及其处理大规模数据及其处理 大规模协同与互操作大规模协同与互操作 User 1 个人计个人计 算设备算设备 Internet Browser User 1 个人计个人计 算设备算设备 In

35、ternet Browser 并行分布并行分布 计算环境计算环境 存储设施存储设施 (硬盘阵列，硬盘阵列， 磁盘阵列磁盘阵列) 多机并行多机并行服务器型操作系统服务器型操作系统 CPU 内存内存 CPU CPU CPU 中间件中间件 服务器端应用软件服务器端应用软件 个人计算设备个人计算设备 广域网、局域网广域网、局域网 User1User n 客户端应用软件客户端应用软件 个人计算设备个人计算设备 客户端应用软件客户端应用软件 存储设施存储设施 (硬盘阵列，硬盘阵列， 磁盘阵列磁盘阵列) 多机并行多机并行服务器型操作系统服务器型操作系统 CPU 内存内存 CPU CPU CPU 中间件中间件

36、 服务器端应用软件服务器端应用软件 个人计算设备个人计算设备 广域网、局域网广域网、局域网 User1User n 客户端应用软件客户端应用软件 个人计算设备个人计算设备 客户端应用软件客户端应用软件 The tools we use have a profound influence on our thinking habits, and therefore, on our thinking abilities. -from Edsger Dijkstra, 1972 Turing Awards receiver. 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (2) 通用计算

37、环境是如何演化的通用计算环境是如何演化的? 通用计算环境的进化思维 递归程序0和1 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 云计算云计算 环境环境 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (3) 为什么算法和系统很重要为什么算法和系统很重要? 计算之树的第三个维度交替促进 与共同进化的问题求解思维 递归程序0和1 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 云计算云计算 环境环境 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (3) 为什么算法和系统很重要为什么算法和系统很重要? 计算之树的第三个维度交替促进

38、 与共同进化的问题求解思维 “算法”：问题求解的一种手段“算法”：问题求解的一种手段构造与设计算法构造与设计算法 算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复 杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。 “系统”：问题求解的另一种手段系统”：问题求解的另一种手段构造与设计系统构造与设计系统 系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化 复杂为简单复杂为简单(使其能够被做出来使其能够被

39、做出来)；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。 系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。 递归程序0和1 云计算云计算 环境环境 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳

40、米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (4) 计算与社会计算与社会/自然如何融合的自然如何融合的? 计算之树的第四个维度计算与社会/ 自然环境的融合思维 递归程序0和1 云计算云计算 环境环境 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 社会社会/自然自然 的计算化的计算化 抽象抽象 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 自动化自动化 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计

41、算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (4) 计算与社会计算与社会/自然如何融合的自然如何融合的? 递归程序0和1 云计算云计算 环境环境 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算

42、物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 社会社会/自然自然 的计算化的计算化 抽象抽象 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 自动化自动化 模型模型 语言语言协议协议 系统系统 编译器编译器 编解编解 码器码器 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (4) 计算与社会计算与社会/自然如何融合的自然如何融合的? 递归程序

43、0和1 云计算云计算 环境环境 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 局域网局域网/广广 域网：机域网：机 器网络器网络 互联网：互联网： 信息网络信息网络/ 广义资源广义资源 网络网络 物联网物联网; 知识网知识网; 服务网服务网; 社会网社会网 事务管理事务管理 与数据库与数据库 数据分析与数据分析与 数据仓库数据仓库 数据聚集数据聚集 与大数据与大数据 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计

44、算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (5) 为什么网络化思维、数据化思维很重要？为什么网络化思维、数据化思维很重要？ 计算之树的第五和第六个维度网络化思 维和数据化思维 递归程序0和1 云计算云计算 环境环境 并行分 布环境 个人计 算环境 冯.诺 依曼机 算法算法 系统系统 社会社会/自然自然 的计算化的计算化 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 局域网局域网/广广 域

45、网：机域网：机 器网络器网络 互联网：互联网： 信息网络信息网络/ 广义资源广义资源 网络网络 物联网物联网; 知识网知识网; 服务网服务网; 社会网社会网 抽象抽象自动化自动化 事务管理事务管理 与数据库与数据库 数据分析与数据分析与 数据仓库数据仓库 数据聚集数据聚集 与大数据与大数据 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服服务计算务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广

46、告学 媒体计算媒体计算 纳米计纳米计算算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (5) 为什么网络化思维、数据化思维很重要？为什么网络化思维、数据化思维很重要？ 计算机计算机计算机科学计算机科学计算科学计算科学 计算思维的学习方法计算思维的学习方法 （1） “知识知识/术语术语”随着随着“思维思维”的学习而展开，的学习而展开，“思维思维”随着随着“知识知识”的贯通而形的贯通而形 成，成，“能力能力”随着随着“思维思维”的理解而提高。的理解而提高。 （2）从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学

47、问题或从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或 者一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。者一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。 （3）通过图示化方法来展现复杂的思维可以一目了然；通过规模较小的问题求解示通过图示化方法来展现复杂的思维可以一目了然；通过规模较小的问题求解示 例来理解复杂问题的求解方法；通过从社会例来理解复杂问题的求解方法；通过从社会/自然等人们身边的问题理解到计算科学家自然等人们身边的问题理解到计算科学家 是如何进行问题求解。是如何进行问题求解。 （4）追求追求“问题问题”及问题的讨论，通过逐步地提出问题，使自己从一个较浅的理解及

48、问题的讨论，通过逐步地提出问题，使自己从一个较浅的理解 层次逐步过渡到较深入的理解层次，通过不同视角和递阶的讨论，使自己理解和确定层次逐步过渡到较深入的理解层次，通过不同视角和递阶的讨论，使自己理解和确定 前行的方向。前行的方向。 （5）宽度与深度相结合，从宽度学习开始，深度学习结束，既能够使自己理解相关）宽度与深度相结合，从宽度学习开始，深度学习结束，既能够使自己理解相关 的思维与知识，还能够有助于建立的思维与知识，还能够有助于建立起较为科学的研究习惯与研究方法。起较为科学的研究习惯与研究方法。 （6）思维蕴含在案例中，案例蕴含着思维。思维蕴含在案例中，案例蕴含着思维。 阅读书籍、阅读文献、网上搜索、梳理思路阅读书籍、阅读文献、网上搜索、梳理思路(记笔记记笔记) 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树? (6) 怎样学习计算思维怎样学习计算思维?