计算思维导论Chapter1讲解

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1、大学计算机-计算思维导论 哈尔滨工业大学 u理解计算机基本原理 u培养利用计算机/计算技术进行问题求解的能力 u理解典型的计算思维，并通过实践操作验证及强化学习 u培养使用计算机/网络的意识 教学目标 End 下页 u课堂讲解、互动 u软件演示、视频展示 u上机亲自动手实践 u建有课程网站-乐学网，进行互动交流 u乐学网上提供有大量相关的课外参考资料 u主动思考不妨偶尔“穿越”一下时空 教学手段 End 下页 本课程学时安排、考试要求 u授课学时：30 学时（15次：单周1次，双周2次） u实验学时：12学时（4次即6-9周，每次结束提交大作业 ） u考试基本要求 考试以学生完成实验环节及提交

2、大作业为必要条件 期末考试采用笔试。 本课程实行累积式教学 u 本课程成绩评定由两部分组成：期末考试成绩占总成绩 的50%（闭卷）；实验成绩占总成绩的50%。 u 平时出勤很重要。 u 实验成绩会及时公示。 任课教师简介 u刘远超，男，博士，副教授，哈尔滨工业大学计算机学院教师。 u联系方式：E-mail: ycliuharbin Micro-blog ： u教学经历：曾承担大学计算机、AIX、E-business、Linux、中文信息处理 、操作系统等课程的任课教师；IBM公司大学合作部兼职讲师，曾在北京大学担任教育部- IBM公司合作项目Lotus DominoIBM DB2 UDB、Lo

3、tus Domino u1982年：Intel发布80286处理器, 时钟频率提高到20MHz, 每秒执行270万条指 令，集成了13.4万个晶体管。 u1985年：Intel发布80386处理器, 32位处理器; 1989年：Intel发布80486处理器 ，集成有120万晶体管。 u1993年：Intel发布奔腾(pentium)处理器。初期发布的奔腾集成了300多万个晶 体管，工作在60-66MHz，每秒钟可执行1亿条指令。 u1995年：Intel发布Pentium Pro处理器，其最高速度达到了200MHz，内部集成 有550万晶体管，每秒可执行4.4亿条指令。 1.3.2 来自元器

4、件发展的启示 超大规模集成电路时代（1972-现在） End 下页 u1997年：Intel发布Pentium处理器, 0.25微米新工艺，内置多媒体(MMX)功 能。MMX是英文MultiMedia eXtension(多媒体扩展)的缩写。 u1999年：Intel推出Pentium处理器，增加了拥有70条全新指令的 SSE(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions)指令集，以增强3D和 多媒体的处理能力。时钟频率450MHz 以上，总线速度100MHz 以上，0.25m 工 艺制造，内建2800万个晶体管，集成有512KB或

5、以上的二级缓存。 u2000年：AMD公司推出主频达1GHz的“Athlon”处理器，从而掀开了GHz 处 理器大战。随后Intel公司推出了自己的1GHz Pentium3处理器。 1.3.2 来自元器件发展的启示 超大规模集成电路时代（1972-现在） End 下页 u 2003年：Intel发布移动处理规范“迅驰”。 u 2005年，Intel推出双核处理器Pentium D, 架 构了90纳米技术，是双核心加了64位指令集， 从而正式揭开了微处理器多核心时代。 u 2006年： Intel Core 2 Duo处理器内含2.91 亿颗晶体管。 u2007 年：45纳米四核处理器上装载了

6、8.2亿 颗晶体管，体积比上代产品缩小了25%。 1.3.2 来自元器件发展的启示 超大规模集成电路时代（1972-现在） 1.3.2 来自元器件发展的启示回顾 End 下页 元器件的发展与演变 计算机简要发展史回顾 End 下页 第一代 （19461959） 电子管 5千4万（次/秒） 第二代 （19591964） 晶体管 几十万百万（次/秒） 第三代 （19641972） 集成电路 百万几百万（次/秒） 第四代 （1972至今） 超大规模集成电路 几百万几亿（次/秒） 晶 体 管 数 单 位 时 间 执 行 的 指 令 数 百万条/每秒 1.Intel创始人戈登.摩尔提出了摩尔定律：当价格

7、不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会 增加一倍,其性能也将提升一倍。 2.截至2013年，一个超大规模集成电路芯片的晶体管数量可达14亿颗以上。英特尔新一代智能酷睿处理器，覆 盖台式机、笔记本等的十三款产品全部采用最新的22纳米技术。 End 下页 u 所谓的计算机硬件是指制造完成后基本不能改变的部件，包括核心的微处理器( 又被称为中央处理单元Central Processing Unit，简称CPU)、存储设备、输入设 备和输出设备。 u负责解释和执行程序的部件被称为微处理器。 u负责存储数据的部件被称为存储设备。 u负责将外界信息送入计算机系统的部件被称为输入设备。 u

8、负责将计算机系统内部数据使外界感知的部件被称为输出设备。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 End 下页 u1805年： 法国机械师杰卡德（J.Jacquard）根据布乔“穿孔纸带”的构想完成 了“自动提花编织机”的设计制作-用打孔卡控制编织的样式，实践了数据的输 入手段问题。 u如何将英文字母直接输入到机器中呢？1868年，美国克里斯托夫.肖尔斯(C. Sholes)发明了沿用至今的QWERTY键盘，将英文字母符号按位置排列，当按下 不同字母按键时，机器识别出其位置，据位置信息进而识别出输入的是哪一个字 母，从而实现了符号输入。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 输入设备的发展-如何

9、使外界信息被机器感知呢？ End End 下页 u如何实现对由一系列点构成的图形的控制呢？1968年，美国恩格巴特(Douglas Englebart)发明了鼠标，实现了点输入，促进了图形化计算机的发展。 u目前各种输入手段不断创新，输入设备层出不求。例如为实现纸质文档/图象的 输入，出现了扫描仪； u为实现人对屏幕上图形的直接控制，出现了基于电阻/电容的触摸感应式输入设 备，可以感应手指的接触或压力实现信息的输入； u为使人更方便地输入信息，出现了语音输入设备，自动识别人的语音； u出现了随人眼、手变动的感知输入设备如微软公司推出的Kinect体感设备等， 各种各样的感知设备，包括接触式感知

10、，也包括非接触式感知， u目前的物联网技术(Internet of Things)目的是使计算机感知现实世界万事万 物。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 输入设备的发展-如何使外界信息被机器感知呢？ End 下页 u 最基本的是通过屏幕显示计算的结果。1908年，英国Campbell Swinton叙述了 电子扫描方法并预示用阴极射线管制造电视，1960年，DEC的PDP-1计算机使用 了CRT(阴极射线管, cathode ray tube)式显示器, 它利用显像管内的点子枪发出 电子光束，打在一个内层玻璃涂满了无数三原色的荧光粉层上，荧光粉层上的布 满的三原色点的数目（被称为像素），

11、电子枪周期性的发出电子束，循环激发像 素点，会使得荧光粉发光，就显示出了不同颜色的点。 u 目前显示设备的研究向数字高清显示器、三维显示器、触控显示器等方向发 展。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 再看输出设备的发展-如何使机器处理的结果被外界感知呢？ End 下页 u1950年，基于汞在室温时是液体同时又是导体特性，并结合机械与电子技术开 发了汞延迟线实现0和1的存储。 u1953，利用磁性材料及其磁化翻转特性而实现永久性的存储，发明了磁芯、磁 带、磁鼓，进一步IBM于1956年首次实现“温彻斯特(Winchester)”硬盘技术。 1973年，IBM公司研制成功第一片软磁盘。1983

12、年，IBM推出了IBM PC的改进 型号IBM PC/XT，并为其内置了硬盘。 u2002年2月26日，西捷公司推出了全球首款Serial ATA接口硬盘。 u1985年， Philips和Sony合作推出CD-ROM光盘驱动器。 u1994年，索尼/飞利浦发布了高密度CD碟片(HIGH-DENSITY CD)，即现在的 DVD-9(DS-SL)和DVD-18(DS-SL)格式碟片的始祖。1995年，欧、美、日10家制 造公司达成协议，DVD光盘将包括视频和音频、只读和可写等全面解决方案。 u。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 再看存储设备的发展 End 下页 u新型的存储介质介绍: u

13、 USB removable disk(U-Disk)，其基于闪存技术FlashRAM； u 固态硬盘（Solid State Disk）：用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘； u纳米存储（尚未商业化） 数码相机等设备上用的： u MultiMedia Card(MMC)， 其基于闪存技术 FlashRAM； uSD卡（Secure Digital Memory Card） ，其基于闪存技术 FlashRAM； 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 再看存储设备的发展 SD存储卡 固态硬盘 MMC存储卡 End 下页 u通常有几个指标来衡量微处理器： u(1)字长，字是CPU内部进行数据处理、

14、信息传输等的基本单位，每一个字所包含的 二进制位数称为字长。字长也即一次CPU操作所能处理数据的位数。微处理器字长从4 位，发展为8位、16位、32位和64位。 u(2)主频，主频是指CPU每秒钟所能完成计算的次数，也称时钟频率。微处理器的主 频由几MHz发展为几十MHz、几百MHz、几GHz。 u(3)功能/规模，早期的微处理器仅仅以定点数运算为基础，当进行浮点数运算时速度 较慢，为此开发了单独的协处理器进行浮点运算，一台计算机上安装两个处理器；随 后发展便将微处理器和协处理器集成为一个芯片，形成新的微处理器；为提高图形的 处理速度，又开发了图形处理单元GPU，随后又将图形处理单元与微处理器

15、集成，形成 新的多核处理器，再进一步集成了多媒体处理器、3D多媒体处理器，形成了现在的多 核处理器，目前Intel公司已开发出了八核、十核及更多核心的处理器，功能规模越来 越大。 u(4)晶体管数量，目前达到14亿颗以上，当然这一切离不开集成电路的微刻、纳刻制 造工艺的发展。 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 再看微处理器-是计算机内部执行指令和进行运算的核心部件。 答： 如果是32位的CPU，每次运算32位二进制数据，也就是4个字节，可每秒处理4*36亿字 节的数据； 如果是64位的CPU，每次运算64位二进制数据，也就是8个字节，可每秒处理8*36亿字 节的数据。 补充：几个相关问题

16、问题2、 那如果工作频率相同，32位和64位计算机有何区别？ 答：是指CPU的工作频率是每秒钟3.6*230次运算，大约是36亿次 问题1、我们平时所说的P4 3.6GHZ意味着什么？ End 下页 1.3.3 来自计算机硬件发展的启示总结 计算机硬件的发展与演变 End 下页 尽管计算机硬件功能很强，但真正控制计算机运行的还是软件。 u所谓软件可看作是程序系统或者说程序集合，是计算机系统中与硬件相互依存 的另一部分，而所谓程序是可按事先设计好的功能和性能要求进行执行的指令序 列。 u硬件一旦设计好，其功能就确定了，而其功能的扩展和延伸是通过软件来实现 的。 u当程序系统稳定后，人们可将固定不变的程序再做成硬件，扩大了硬件功能， 进而在新的硬件基础上再设计功能更为强大的软件，如此相互促进，计算机功能 越来越强大。 1.3.4 来自计算机软件发展的启示 典型的三类操作系统：unix、windows 、L