计算机科学与程序设计导论PPT第1章 计算机模型和历史-final.pptx
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1、主要内容内容提要1.起源和驱动力2.图灵模型3.冯诺依曼模型4.计算机的发展历史1.起源和驱动力起源和驱动力:人和自然界的交互人与自然界、人与人的活动数学模型(数学运算)文字模型(文字、文化、文明)逻辑思维核心驱动力快速处理日常事务快速的计算能力和存储功能不断追求计算速度的产物核心任务:提升计算速度和计算能力起源和驱动力:人和自然界的交互(1)信号:如图中人们所看到的红色苹果、所听到的声音等。(2)消息建模:人们对这些外在信号所承载的消息,通过大脑的已有认知进行了相应的转换,以数学、文字的方式给其内涵建立相应的符号模型,即数学模型和文字模型。(3)数学计算和逻辑推理(人脑):对所获得的消息进行
2、计算、加工和处理,以形成进一步的知识。(4)数学计算和逻辑推理(机器):如机械式的算盘、计算尺到现代功能强大的电子计算机,无非是寻找一个有力的工具来提升人们进行计算、推理的效率。电子计算机在很大程度上替代了人脑的功能,因此又被称为“电脑”。(5)数据:现代计算机只能处理0和1组成的数字序列,它对人们所熟悉的数字、文字、声音、图像等通过数字化编码技术形成各种各样的“数据”。(6)信息:计算机通过“计算”功能对原始的数据进行处理和加工,进一步形成了新的信息。如上面的:“2.5个苹果”、“意大利足球队获得2022年世界杯冠军是一个愚人节笑话”之类的信息。起源和驱动力:数学计算计算(Compute)在
3、狭义上而言是一个数学概念,通常指数学意义上的各种运算,是人们对现实世界活动的一种抽象数学就是研究量及其运算、图形及其变换的一门学科。每种运算都有各自所适合的运算法则,例如结合律、交换律,分配律等。数学意义上的计算本质上是设定数学规则,对量或数进行代换或变换求出表达式结果的过程,它是数学研究的主要内容。主要运算规则:加、减、乘、除、开方、积分、微分、矩阵运算等。运算的中文原义,是搬运算筹或拨动算珠,现在已泛指数学中所进行的任何一种变换。数学计算是驱动各种计算工具,尤其是现代电子计算机发明的原动力。起源和驱动力:通用计算计算或者运算本质上是一种“变换”,在数学上就是把一些数或者量通过一些规则进行变
4、换,变换成其他的数或者量。在数学上,求解问题的过程被看成是通过运算规则不断变换数学对象的过程。通用计算把数学意义上的“计算”扩展到现实生活,这种类似的“计算”无处不在。举例:【炒一盘可口的酸菜鱼】需要通过多个步骤,需要把鱼洗干净、切成鱼片、烧锅爆炒、加入各种佐料、加入酸菜主料等,即通过“洗、切、炒”等动作把整条的鱼、一大块酸菜等“变换”成可口的色香味俱全的“酸菜鱼”。从计算的本质即“变换”的角度来看,一切引起各种物体、对象的属性发生变化的活动都可以称之为计算。起源和驱动力:现实世界、数学/自然语言、计算工具间的关系在通用计算的概念下,我们重新认识现实世界、数学模型、自然语言和计算机之间的关系,
5、如下:起源和驱动力:现实世界的计算模型人类计算过程:(1)人们看到“两个完整的红苹果和半个苹果”的图像信号,构建“1+1+0.5”的算术计算模型,得出2.5个苹果的计算结果,这个过程是“算术计算”。(2)人们看到“两个完整的红苹果和半个苹果”的图像信号。通过语言逻辑的推理活动,推理出“这里有一堆红苹果”这样的结论,这也是一种“计算”或者“转换”过程。这个过程是“逻辑计算”。(3)当人们听到一段声音信号,它的消息内容为“意大利足球队获得了2022年世界杯的冠军”,通过语言逻辑的推理活动,推理出“这是一个愚人节的笑话”的结论。计算机的计算过程:(1)把数值、文字通过编码转化为适合计算机处理的二进制
6、数据。(2)构建一台机器实现“算术运算”和“逻辑运算”。(3)该机器具有“通用计算”能力,即现代意义上的计算机。2.图灵模型可编程数据处理机特点可按照要求进行计算可编程的存储器可执行运算、顺序控制可自动化计算通用图灵机图灵机是在1936年由Alan M.Turning(艾伦麦席森图灵)提出,是现代计算机基础。图灵机由三部分组成:无限长的纸带、控制器和读/写头。图灵机原理:(1)无线长的纸带:等价于现代计算机中的内存,纸带任何时候只能保存一系列顺序字符,图灵机只能接收两个符号:空白字符(b)和数字1。(2)读/写头:每次在纸带上读写一个符号。每读写完一次后,它向左移或者向右移。读、写和移动都是在
7、控制器指令下进行的。等价于现代计算机的运算器。(3)控制器:等价于现代计算机的控制单元,它是一个有限状态自动机。图灵机模型的意义:(1)它证明了通用计算理论,肯定了计算机实现的可能性,给出了计算机主要架构。(2)引入了读写、算法与程序语言的概念,极大的突破了过去的计算机器的设计理念。(3)是计算学科最核心的理论,因为计算机的极限计算能力就是通用图灵机的计算能力,很多问题可以转化到图灵机这个简单的模型来考虑。(4)为现代计算机模型-冯诺依曼架构奠定基础。图灵机:七元组图灵机-七元组Q,q0,qaccept,qrejectQ,都是有限集合,且满足:(1)Q是状态集合;(2)是输入字母表,其中不包含
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