第一章：计算机概述
文章目录：
一：计算机思维
1.概念
三⼤科学思维 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，强调推理 实验思维：⼜称实证思维，以观察和总结（归纳）⾃然规律为特征，以物理学科为代表，强调归纳 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，强调⾃动求解 范式 第⼀范式：实验范式，以实验为基础的科学研究模式，⼜称经验科学 第⼆范式：理论范式，以理论研究为基础的科学研究模式，⼜称理论科学 第三范式：仿真范式，即利⽤电⼦计算机对科学实验进⾏模拟仿真的研究模式，⼜称计算科学 第四范式：数据密集型科学发现，由传统的假设驱动向基于数据分析的科学⽅法转变，⼜称数据科学 计算思维的定义 计算任何给定⼀定的输⼊，经过处理和变换，得到期望的输出的过程都可以称为计算 计算思维是运⽤计算机科学的基础概念进⾏问题求解、系统设计以及⼈类⾏为理解等涵盖计算机科学之⼴度的⼀系列思维活动 计算思维⽆所不在，⽬的是求解问题、设计系统和理解⼈类⾏为 计算思维的实例 来⾃数学和⼯程的⽅法：如来⾃数学的黎曼积分、迭代、递归，来⾃⼯程思维的⼤系统设计与评估⽅法 求积分 问题：计算函数f(x)在区间[a,b]上的定积分 ⽅法：使⽤黎曼积分，即对区间[a,b]进⾏N等分，然后计算各小矩形的⾯积 求阶乘 问题 计算函数n的阶乘f(n)=n! 递归 f(n)=n*f(n-1) → f(n-1)=(n-1)*f(n-2) → ... → f(2)=2*f(1) → f(1)=1 迭代 f(1)=1 → f(2)=2*f(1) → ... → f(n-1)=(n-1)*f(n-2) → f(n)=n*f(n-1) 计算机科学独有的⽅法：如操作系统中处理死锁的⽅法（银⾏家算法，迪克斯特拉算法Dijkstra）
2.本质 特征 标志
计算思维的本质 抽象 abstract：将待求解的问题抽象为⼀个完全⽤符号表⽰的可计算的数学模型 ⾃动化 automation：根据“抽象”得到的数学模型，编写程序机械地⼀步⼀步⾃动执⾏，其基础和前提是抽象 计算思维的特征 抽象建模：从复杂情境中提炼关键信息，构建问题模型 逻辑推理：运用逻辑方法进行问题分析和解决方案推导 算法设计：思考并设计步骤清晰、可执行的解决方案 自动化思考：倾向于将问题转化为可自动化处理的流程或程序 标志 有限性：即适合采⽤计算思维求解的问题，必须能够在有限的步骤内求得问题的解 确定性：即⽆⼆义性，求解过程中的每⼀个操作和对象都必须有确定的含义 机械性：即适合采⽤计算思维求解的问题，都带有⼤量的机械重复的步骤，因此才适合编写程序⾃动求解
3.基本问题
可计算性 可计算问题 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 ⼀个问题是可计算的，当且仅当它有图灵机的能⾏算法解 计算机的计算本质上是数值计算，⾮数值计算的问题也可转换为可计算的数值问题 不可计算问题 并不是所有的问题都是可计算的 如图灵机的停机问题、哥德巴赫猜想、“为我烹制⼀个汉堡”等问题，就是不可计算的 邱奇·图灵论题 任何计算问题最终可归结为图灵可计算问题 ⼀切直觉上可计算的函数都可⽤图灵机计算，反之亦然 图灵机与现代计算机在功能上等价，所以图灵机可计算的就是可计算的 计算复杂性 概念：计算复杂性就是⽤计算机求解问题的难易程度，度量标准有两个，即时间复杂性和空间复杂性 常⻅的时间复杂度 O(1) < O(logn) < O(nlogn) < O(n^2) < O(n^3) < ... < O(n^k) < O(2^n) < O(n!) < O(n^n) 图灵测试 概念：测试计算机是否拥有⼈类智能，测试的⽅法是⼈机对话 ⽅法：⼀个⼈在不直接看到对⽅的前提下和对⽅进⾏⼀系列⽂字问答，如果在相当⻓之间内， 他⽆法根据这些问题判断对⽅是⼈还是计算机，就可以认为这台计算机有相当于⼈的智⼒，即这台计算机是能思维的 发展：⽬前的还没有⼀台计算机能真正通过图灵测试，同时随着⼈⼯智能技术的发展和其应⽤领域的不断扩⼤，图灵测试已经不再能全⽅位评估⼈⼯智能
4.应用
计算化学 计算思维渗透到化学产⽣了计算化学 计算化学是根据基本的物理化学理论（通常是量⼦化学）以⼤量数值运算⽅式来探讨化学系统的性质 计算化学的研究领域主要有以下四个⽅⾯：数值计算、化学模拟、模式识别、化学数据库及检索 计算物理学 计算思维渗透到物理学产⽣了计算物理学 计算物理学与理论物理学、实验物理学⼀起以不同的研究⽅式来逼近⾃然规律，开拓了⼈类认识⾃然界的新⽅法 计算经济学 计算思维渗透到经济学产⽣了计算经济学 可以说，⼀切与经济研究有关的⽅法都属于计算经济学 计算⽣物学 计算思维渗透到⽣物学产⽣了计算⽣物学 计算⽣物学是指开发和应⽤数据分析及理论的⽅法、数学建模、计算机仿真技术等，⽤于⽣物学、⾏为学和社会群体系统研究的⼀⻔学科 当前，⽣物学数据量和复杂性不断增⻓，单单依靠观察和实验已难以应付，因此必须依靠⼤规模计算模拟技术，从海量信息中提取最有⽤的数据
二：计算机的发展
1.过去
1.1 人物
1.艾兰·图灵（Alan Turing）或艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing） 贡献 可计算性 图灵机Turing Machine，TM 组成 主要：⼀条⽆限⻓的纸带和⼀个读写头 其它：⼀套控制规则和⼀个状态寄存器 特点 可看作由两部分组成：⼀条⽆限⻓的纸带和⼀个读写头 是⼀个数学模型、思维机器，不是⼀台实际的计算机 ⼀个问题需要⼀台图灵机，不同的问题需要不同的图灵机 地位：奠定了可计算性理论的基础 通⽤图灵机Universal Turing Machine，UTM 特点 通⽤=图灵完全，即能解决所有图灵机能解决的所有问题 现代计算机能够实现的功能是其功能的⼦集 现代计算机的功能不可能超越图灵机 只有图灵机能解决的计算问题，实际计算机才能解决 图灵机不可以计算的问题，现代计算机也不能计算 注意：我们在使⽤“图灵机”这个概念时通常指的就是“通⽤图灵机” 丘奇-图灵论题 可计算的问题 ⼀切直觉上可计算的函数都可⽤图灵机计算，反之亦然 ⼀个问题是可计算的，当且仅当它能被图灵机在有限步骤内解决 不可计算的问题 存在图灵机不能解决的问题，例如停机问题 图灵测试 测试计算机是否拥有⼈类智能，测试的⽅法是⼈机对话 图灵于1950年10⽉发表论⽂“Computing Machinery and Intelligence”（计算机器与智能），提出图灵测试 并指出计算机实现智能的⼿段是学习（learning machine） ⽬前，还没有任何⼀台计算机公认通过图灵测试 地位 奠定了计算机科学（可计算性理论）和⼈⼯智能理论的基础 计算机科学之⽗，⼈⼯智能之⽗ 图灵奖 美国计算机学会（ACM）为纪念图灵而创⽴，计算机领域最⾼奖项 华⼈获奖者 姚期智，清华⼤学教授、⾹港中⽂⼤学客座教授 2.冯·诺依曼：约翰·冯·诺依曼（John von Neumann） 贡献： 第⼀台冯·诺依曼机EDVAC的设计者，⾸次提出“存储程序控制”原理 冯·诺依曼体系结构 ① 程序和数据以⼆进制表⽰ ② 存储程序，即程序和数据以同等地位存储在内存中，并按地址访问 ③ 程序控制，计算机按照程序顺序执⾏ ④ 计算机由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备 现代计算机的基本结构仍然采⽤冯·诺依曼体系结构，属于冯·诺依曼机 地位：计算机之⽗，奠定了现代计算机理论基础 3.巴⻉奇：查尔斯·巴⻉奇（Charles Babbage），英国数学家 贡献：1834年发明差分机和分析机，其中分析机被公认为是现代通⽤电⼦计算机的雏形 地位：通⽤计算机之⽗ 4.⾹农：克劳德·艾尔伍德·⾹农（Claude Elwood Shannon） 贡献 美国数学家，创⽴《信息论》 提出"信息熵"的概念，指明了计算机中信息和数据的关系 地位：信息科学奠基⼈
1.2 事件
电⼦计算机发明之前 算筹：古代中国⼈发明的世界上最早的计算⼯具 算盘：许多⼈认为算盘是最早的数字计算机，珠算口诀是最早的体系化的算法 其它：计算尺（奥特瑞德）、加法器（帕斯卡）、计算器（莱布尼兹） 电⼦计算机发明之后 ENIAC 1946.2：第⼀台电⼦计算机，没有采⽤存储程序控制原理 EDVAC：第⼀台采⽤存储程序控制原理的冯·诺伊曼机 UNIVAC：第⼀批商⽤电⼦计算机，奠定了计算机⼯业的基础 神威·太湖之光：我国已公开最快的超级计算机，采⽤⾃主设计的核⼼处理器（申威） ---------------------------------------------------------------------------------------- 世界上第⼀台电⼦计算机 ENIAC：Electronic Numerical Integrator积分器 And Caculator计算器，电⼦数字积分计算机 时间 1946.02 特点 设计者是“莫奇莱”和“埃克特” 表明了电⼦计算机时代的到来，具有划时代的意义 使⽤电⼦管（真空管）作为核⼼逻辑元件，属于第⼀代计算机 ⾯向的应⽤领域是科学计算（数值计算） 早期计算机主要⽤于科学计算 ⾮冯·诺依曼机 使⽤⼗进制编码，没有存储器，未采⽤“存储程序原理” 世界上第⼀台冯·诺依曼机 EDVAC：Electronic电子 Discrete离散 Variable变量 Automatic自动 Computer，电⼦离散变量⾃动计算机 时间 1951 特点 世界上第⼀台冯·诺依曼机，采⽤了“存储程序控制”的设计思想 使⽤电⼦管（真空管）作为核⼼逻辑元件，属于第⼀代计算机 ⾯向的应⽤领域是科学计算（数值计算） 世界上第⼀台商⽤计算机 UNIVAC-I：Universal Automatic Computer，通用自动计算机 时间 1951 特点 设计者是“莫奇莱”和“埃克特”（即ENIAC的设计者） 使⽤电⼦管（真空管）作为核⼼逻辑元件，属于第⼀代计算机 ⾯向的应⽤领域公众领域的数据处理（商⽤） 世界上第⼀款批量制造的电⼦计算机，奠定了计算机⼯业的基础 ---------------------------------------------------------------------------------------- 我国第⼀台电⼦计算机 M103：103型通用数字电子计算机（简称103机） 时间 1958.8.1 特点 使⽤电⼦管（真空管）作为核⼼逻辑元件，属于第⼀代计算机 ⾯向的应⽤领域是科学计算（数值计算） 我国第⼀台超级计算机：银河 - I 时间 1983 特点 运算量级达到1亿次/秒 ⾯向的应⽤领域是科学计算（数值计算） 我国最强的超级计算机：神威·太湖之光 时间 2016~⾄今 特点 运算量级达到9.3亿亿次/秒（平均）、12.5亿亿次/秒（峰值） CPU采⽤国产独⽴设计，拥有⾃主知识产权的“申威26010” 拓展 2016~2018年世界排名第⼀，⽬前排名第四 ⽬前（2021年12⽉），最快的是⽇本的富岳（fugaku） 我国曾经登顶的还有2010年的天河-I型和2013年的天河-II型
1.3 阶段
按元件
分代的依据是计算机的物理器件的不同：现代计算机在体系结构⽅⾯没有⼤的突破，仍然属于冯·诺依曼机
第⼀代 名称 电⼦管时代 时间 1946~1958 软件 机器语⾔、汇编语⾔ 应⽤ 科学计算 代表 ENIAC、EDVAC、UNIVAC I 第⼆代 名称 晶体管时代 时间 1958~1964 软件 ⾼级程序设计语⾔ 第⼀个⾼级程序设计语⾔，Fortran 应⽤ 数据处理 代表 UNIVAC II、IBM 7090 第三代 名称 中小规模集成电路时代 集成电路Integrated Circuit，IC 规模 SSI Small Scale Integration，小规模集成电路 MSI Medium Scale Integration，中规模集成电路 时间 1964~1971 软件 操作系统 第⼀个经典的分时操作系统，Unix（1971） 应⽤ ⽂字处理、图形处理 代表 IBM 360 第四代 名称 ⼤规模（LSI）与超⼤规模（VLSI）集成电路时代 时间 1971~现在 硬件 ⼤规模与超⼤规模集成电路 LSI Large Scale Integration，⼤规模集成电路 VLSI Very Large Scale Integration，超⼤规模集成电路 软件 数据库系统 应⽤ 多级并⾏处理、⽹络化 代表 1971年，第⼀块微处理器（Intel公司的4004）的诞⽣，标志计算机进⼊第四代
按时间
⼤型主机阶段 20世纪40~50年代 小型计算机阶段 20世纪60~70年代，对⼤型主机的第⼀次“缩小化” 微型计算机阶段 20世纪70~80年代，对⼤型主机的第⼆次“缩小化” 客⼾机/服务器阶段 1964年，IBM公司与美国航空公司建⽴第⼀个全球联机订票系统 Internet阶段 ⼴域⽹、局域⽹以及单机按照⼀定的通信协议组成了国际互联⽹ 云计算时代 2008年，云计算使超级计算能⼒通过互联⽹⾃由流通称为可能
2.现在
计算机的特点 运算速度快：从诞⽣时的⼏千次/秒发展到⼏⼗千万亿次/秒 计算精度⾼：⽬前微型计算机的计算精度可以达到64位⼆进制数 具有“记忆”能⼒：“记忆”功能是指计算机能存储⼤量信息，供⽤⼾随时检索和查询 具有逻辑判断能⼒：计算机除了能进⾏算术运算外，还能进⾏逻辑运算（基于布尔代数） 可以⾃动运⾏：存储程序，程序控制，这是计算机区别于其它计算⼯具的本质特征 ⽀持⼈机交互：在⼈们想要⼲预计算机时，采⽤问答的形式，有针对性地解决问题 分类 按信号 模拟式计算机 处理的是连续变化的模拟量，例如电压、电流、温度等物理量的变化曲线 数字式计算机 处理的是脉冲变化的离散量，即以0、1组成的⼆进制数字 它的计算精度⾼、抗⼲扰能⼒强，⽇常使⽤的计算机就是数字式计算机 数模混合计算机 数字式计算机和模拟式计算机的结合 按⽤途分 通⽤机：通⽤性强，具有很强的综合处理能⼒，能够解决各种类型的问题 专⽤机：功能单⼀，配有解决特定问题的软、硬件，能⾼速、可靠地解决特定问题 按性能 ⾼性能计算机 巨型机，即超级计算机 科研、军事⽤途 ⼤型机、中型机、小型机 商业⽤ 服务器 服务器是⼀种在⽹路环境中对外提供服务的⾼性能计算机 安装有⽹络操作系统、⽹络协议和各种服务器软件 根据提供的服务，可以分为Web服务器、FTP服务器、⽂件服务器、数据库服务器等 ⼯作站 ⼯作站是⼀种⾼端的通⽤微型计算机 具有⽐个⼈计算机更强⼤的性能，尤其是在图形处理能⼒、任务并⾏⽅⾯的能⼒更强 微型计算机 Personal Computer，PC，个⼈电脑 家庭、办公⽤途，体积小、价格低、具有⼯业化标准体系结构、兼容性 桌⾯型电脑（Desktop）、笔记本（Laptop）、平板电脑（Tablet）、移动设备（Mobile Device） 单板机 把微处理器、存储器、输⼊输出接口电路安装在⼀块印刷电路板上，就成为单板计算机 ⼀般在板上还有简易键盘、液晶和数码管显⽰器以及外存储器接口等 单板机价格低廉且易于扩展，⼴泛⽤于⼯业控制、微型机教学和实验 单⽚机 把⼀个完整的计算机系统集成到⼀个芯⽚上，即⼀块芯⽚就构成了⼀台计算机 单⽚机体积小、功耗低、使⽤⽅便，但存储容量较小 嵌⼊式计算机 概念 嵌⼊式计算机是作为⼀个信息处理部件，嵌⼊到应⽤系统之中的计算机 通常就是把⼀个单⽚机嵌⼊到传统不具备计算能⼒的设备中，以使之具备⼀定的智能 特点：软件与硬件⼀体化，应⽤最⼴泛，数量超过PC 计算机的应用 科学计算/数值计算 数据处理/非数值计算/事务处理：对大量的数据进行加工处理 过程控制 辅助工程：CAD 多媒体技术：⽂本、⾳频、视频、动画等多种媒体形式 计算机网络：互联网、物联网 人工智能：Artificial Intelligence，AI，指⽤计算机来模拟⼈类的智能
3.未来
⽅向 巨型化：超级计算机，为尖端科学领域的数值分析与计算提供帮助 微型化：体积进⼀步缩小，运算速度进⼀步提⾼，功能更加完善可靠 ⽹络化：Internet的出现，使信息共享成为计算机应⽤的主流，⼈类步⼊信息时代 智能化：⽤计算机模拟⼈类的⾼级思维活动，例如专家系统和机器⼈ 多媒体技术：将信息以多种媒体形式进⾏表现，极⼤地改善、丰富了⼈机界⾯ 绿⾊计算：降低计算机系统的⼯作负载，降低温室⽓体的排放，达到节能、环保的⽬的 ⾮冯结构：即⾮“冯·诺伊曼体系结构”的发展，提⾼计算机的并⾏处理能⼒ 元件升级 光⼦计算机 ⽤光⼦代替电⼦进⾏计算和存储，采⽤纳⽶电⼦元件作为核⼼技术 具有超强的并⾏能⼒和超⾼速的运算速度，是现代计算机望尘莫及的 ⽬前，光⼦计算机的许多关键技术（如光存储技术）都已取得重⼤突破 化学计算机 以碳基制品取代硅电⼦部件，以微观碳分⼦为信息载体实现计算机的传输和存储 具有更快的运算能⼒和更小的体积，存储能⼒和信息传输能⼒也更强 ⽣物计算机 ⼜叫“分⼦计算机”，具有⾃我修复能⼒ 采⽤蛋⽩质分⼦构成的⽣物芯⽚，信息以波的形式传播，拥有巨⼤的存储能⼒ 运算速度⽐当今最新⼀代计算机快10万倍，能量消耗相当于普通计算机的⼗分之⼀ 超导计算机 利⽤超导技术⽣产的计算机及其部件，其性能是⽬前的电⼦计算机⽆法相⽐的 超导计算机的运算速度⽐电⼦计算机快100倍，电能消耗仅是电⼦计算机的千分之⼀ ⽬前的超导现象只有在超低温状态下才能发⽣ 量⼦计算机 遵循量⼦⼒学规律进⾏⾼速数学和逻辑运算、存储及处理量⼦信息的物理装置 2017年5⽉，中国科学技术⼤学潘建伟等⼈构建出世界上第⼀台光量⼦计算机 在量⼦计算机领域，我国⽬前处于世界领先地位
原文地址：https://blog.csdn.net/liu17234050/article/details/145083253
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