第一章 计算机与计算思维概述

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大学计算机基础(第一章) 计算机与计算思维概述华南农业大学 主讲教师 信息学院 朱梅阶

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第一章 计算机与计算思维概述

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在信息化时代，掌握一定的计算机软硬件基础 知识，能够使用计算机处理日常事务，能够通过网 络获取信息及相互交流，学会在数据处理中所体现 的计算思维能力，是每个大学生应知应会的基本知 识和能力。 本章从计算机的起源开始，介绍计算机的发展 史和特点、类型及应用，以及计算机的未来发展趋 势，信息技术的基础知识，最后介绍计算思维的相 关概念。

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1.1 计算机基础知识

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这是一幅很著名的人类进化幽默图20世纪以来人类最重大的科技发明当数电子数字计算机， 计算机改变了人们传统的工作和生活方式。

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1.1 计算机基础知识1.1.1 计算机发展历史上的重要人物和思想(1) 早期的计算工具

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美国著名科普大师阿西莫夫说过，人类最早的“计算 机”是手指，英语单词“ Digit” 既表示“手指”又表示 “整数数字”。 中国数学史专家考证，大约在新石器时代早期，先民 使用的“计算机”是结绳，即用绳子打结的多少来表示数 的概念。

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1.1 计算机基础知识计算工具的源头可以上溯至2000多年 前的春秋战国时代，古代中国人发明的算 筹是世界上最早的计算工具。

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古语曰：“运筹策于帷幄之中，决胜于千里之外。”筹策 又叫算筹，用竹、木或兽骨制成，祖冲之借助算筹成功地将 圆周率π值计算到小数点后的第7位。 公元前5世纪，中国人发明了算盘，广 泛应用于商业贸易中，算盘被认为是最早 的计算机，并一直使用至今。

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1.1 计算机基础知识(2) 机械式计算机

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钟表业，特别是齿轮传动装置技术的发展，诞生了最早 的机械式计算机。 下面我们通过介绍几位对计算机发展有过突出贡献的早 期历史人物，阐述计算发展的历程。

帕斯卡

莱布尼茨

巴贝奇

爱达

机械式计算机时代的代表人物教学进度

1.1 计算机基础知识法 国 物 理 学 家 帕 斯 卡 (1623-1662) : 在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由 齿轮组成，靠手摇发条驱动，用专用的铁笔 来拨动转轮以输入数字。

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该加法机可完成六位数字的加减法。它的设计原理对其 后的计算机产生了深远的影响。

为了纪念帕斯卡的伟大发明， 1971 年，当瑞士苏黎世联 邦工业大学的沃斯教授发明了一种新的计算机语言起名叫帕 斯卡(PASCAL)。在很长一段时间里，PASCAL语言在高校计 算机软件教

学中一直处于主导地位。教学进度

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德国数学家莱布尼茨：在 1673年发明了机械式乘除法器。 基本原理继承于帕斯卡的加法机，也是由一系列齿轮组成， 但它能够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。据记 载，莱布尼兹曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。

尽管莱布尼茨发明了二进制，但这并非是由于他认识到二进制对于计 算机来说是多么重要。事实上，他发明的机械计算机和二进制毫不相干。 然而，他发明的二进制现在却支配着全世界不计其数的计算机的运行。

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1.1 计算机基础知识英国数学家巴贝奇： 1822 年，在历经 10 年 努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄 存器，可以保存 3 个 5 位数字，计算精度可以达 到6位小数。

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巴贝奇试图发明功能更好的通用计算机— —分析机，但最终失败。英国女数学家爱达 (1815-1852):巴贝奇的 合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上“第一 件计算机程序”。她还建议分析机用二进制存 储。预言分析机能唱歌、绘画。爱达最出名的地方是因为她编写了一系驱动机器的指令，用于进行数学 功能运算。正因为这样，现在她被认为是第一位程序设计师。1979年美国国 防部开发的程序语言ADA就是以她的名字命名。教学进度

1.1 计算机基础知识(3) 机电式计算机 19世纪末，电学技术的发展使人们开始设 计电气控制的自动计算工具。1888年，美国人 赫尔曼 霍列瑞斯发明了制表机。它采用穿孔 卡片表示数据的是与非，探针穿过卡片上的孔 洞和水银接触，把电流接通，同时启动计数装 置前进一个刻度的方法进行自动计数，并成功 应用于1890年的美国人口普查。依靠制表机， 他创办了制表机公司，即后来的IBM公司。 1944年，在美国物理学家艾肯指导下，马 克 1号计算机研制成功。它是全机电式的计算 机，采用了数千枚继电器代替齿轮传动，仍然 采用十进制，它是世界上第一台通用程序控制 计算机。

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1.1 计算机基础知识(4) 计算机理论奠基人 1847年，英国数学家布尔设计了一套表示逻 辑理论的基本概念和符号，用1和0表示命题的真 与假，用“与”、“或”、“非”表示命题间的 运算关系，这就是成为现代电子计算机数学和逻 辑基础的布尔代数。

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英国数学家布尔

1938年，美国数学家香农首次将布尔代数和 继电器开关电路联系起来，创立了开关电路理论。 从理论到技术彻底改变了数字电路的设计方向， 不仅使将来的电子计算机能够进行数值运算，还 能够进行非数值运算。可以

说，如果没有香农的 这一思想，现代的电子计算机是无法研制成功的。

美国数学家香农

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在现代计算机发展史上，最具影响力的两个代表人物 是——阿兰 图灵和冯 诺依曼。

英国科学家阿兰 图灵

(理论计算机的奠基人)

美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (计算机鼻祖)

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图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运 算的过程，他把“计算”这一过程分解为如下步骤： ① 根据眼睛看到纸上的符号，脑中思考相应的法则； ② 指示手中的笔在纸上写上或擦去一些符号； ③ 再改变眼中所看到的范围； ④ 如此继续，直到认为计算结束为止。

纸带(存储器) 读写头 (输入输出设备)

控制器(含运算功能)

图灵机示意图教学进度

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图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器，隐含了 现代计算机中“存储程序”的基本思想。半个世纪以来，数学 家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。

姚期智：2000年 首位获奖图灵奖 的华裔学者

后人模拟的图灵机结构图

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1.1 计算机基础知识冯· 诺依曼提出的存储理论:

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· 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备与输 出设备五大部件组成； · 应采用二进制简化机器的电路设计； · 采用“存储程序”技术，以便计算机能保存指令和数 据并能够自动依次执行指令，消除计算过程中的人工干预等。

(该理论奠定了其计算机鼻祖的地位) 七十多年来，现代计算机基本结构仍然是 “冯· 诺依曼计算机”。20世纪40年代，计算理论及电子技术的发展以及机械式计 算机的不断创新与改进为电子计算机的出现提供了技术支持， 最终诞生了世界上第一台电子计算机。教学进度

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