《計算機科學(xué)導(dǎo)論》PPT課件

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1、計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 12021-4-28計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論學(xué)習(xí)計算機專業(yè)的第一門基礎(chǔ)課程，本課程將會帶領(lǐng)大家遨游計算機海洋！ 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 22021-4-28時代驕子社會發(fā)展原始社會（石器）奴隸社會農(nóng)業(yè)社會工業(yè)社會信息社會信息社會支撐：信息技術(shù)核心：計算機科學(xué) 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 32021-4-28計算機專業(yè)特點發(fā)展性 挑戰(zhàn)性競爭性實踐性 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 42021-4-28 第 一 章 概 述本章學(xué)習(xí)目標(biāo)初步了解計算機的產(chǎn)生和發(fā)展階段掌握計算機的基本概念、分類、特點了解計算機的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢了解計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科概述了解計算機科學(xué)與

2、技術(shù)學(xué)科的知識體系了解計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教育 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 52021-4-28計算機是什么？ Computers are everywhere！ 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 62021-4-28計算機成了社會的必需品l 計 算 機 是 一 種 相 對 其 能 力 而 言 比 較 便 宜 的 工 具 ，同 一 臺 機 器 能 夠 做 許 多 種 不 同 的 事 ：l 算 題 （ 科 學(xué) 計 算 ）l 制 作 圖 案l 處 理 文 字l 記 錄 事 實l 控 制 其 他 機 器l 游 戲l 發(fā) 送 消 息l 識 別 語 音 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 72021-4-28計 算

3、 機 是 一 臺 快 速 ， 笨 拙 的 機 器l只 有 有 限 的 能 力 。l只 能 進 行 基 本 的 數(shù) 學(xué) 運 算 與 邏 輯 比 較 。l必 須 由 程 序 來 指 示 它 做 什 么 事 。 George Beekmanl計 算 機 是 一 臺 笨 拙 的 機 器 ， 具 有 從 事 令 人 難 以 置 信 的 聰明 工 作 的 能 力 ， .l計 算 機 程 序 員 則 是 一 些 聰 明 的 人 ， 具 有 從 事 令 人 難 以 置信 的 笨 拙 工 作 的 能 力 。l簡 而 言 之 ， 計 算 機 與 程 序 員 實 現(xiàn) 了 完 美 的 配 合 。 Jamie Shie

4、rs 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 82021-4-28電子數(shù)字計算機電子數(shù)字計算機(Electronic Digital Computer)簡稱為電子計算機或計算機，也是人們常說的電腦，是二十世紀(jì)最輝煌的成就之一。計算機給人類帶來了巨大的變化。計算機的定義： 計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動地、高速地、精確地進行大量數(shù)值計算，并且具有記憶(存儲)能力、邏輯判斷能力、可靠性能的數(shù)字化信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 92021-4-281.1 計算機的產(chǎn)生和發(fā)展階段 計算機的產(chǎn)生和發(fā)展不是一蹴而就的，而是經(jīng)歷了漫長歷史的過程。 在這過程中，科學(xué)家們經(jīng)過艱難的探索，

5、發(fā)明了各種各樣的“計算機”，這些“計算機”順應(yīng)了當(dāng)時歷史的發(fā)展，發(fā)揮了巨大的作用，推動了社會的進步，也推動了計算機技術(shù)的發(fā)展。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 102021-4-281.1.1 計算機產(chǎn)生的史前史1.算籌 算籌又稱為籌、策、算子等 算籌在中國的起源很早 中國著名科學(xué)家祖沖之(429500年)借助算籌作為計算工具計算出圓周率 祖沖之(429500年) 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 112021-4-282. 算盤 算盤也稱珠算，是中國勞動人民創(chuàng)造的一種工具 由古代“算籌”演變而來 素有“中國計算機”之稱 最早見于漢末三國時代徐岳撰寫的數(shù)術(shù)記遺 南宋時期的數(shù)學(xué)家楊輝發(fā)明了乘除通變算寶 A

6、bacus（Sucaba） 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 122021-4-283. 機械計算機 1623年，德國科學(xué)家契克卡德(W. Schickard)為天文學(xué)家開普勒(Kepler)制作了一臺機械計算機 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 132021-4-283. 機械計算機法國科學(xué)家布萊斯帕斯卡(Blaise Pascal：16231662年)是被公認(rèn)為是制造出機械計算機的第一人。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 142021-4-283. 機械計算機德國著名數(shù)學(xué)家戈特弗里德威廉萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz：1646阿1716年)將帕斯卡的“加法器”擴大為乘除運算

7、1700年左右，萊布尼茨從中國“易圖”(八卦)里受到啟發(fā)，悟出了二進制數(shù)之真諦。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 152021-4-284. 提花機西漢年間中國的紡織工匠已能熟練掌握提花機技術(shù) 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 162021-4-284. 提花機法國機械師約瑟夫杰卡德(Joseph Jacquard)，大約在1801年完成了“自動提花編織機”的設(shè)計制作，真正成功地改進了提花機。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 172021-4-285. 差分機和分析機英國劍橋大學(xué)著名科學(xué)家查理斯巴貝奇(Charles Babbage：17921871年)在1822年研制出第一臺差分機。 Babbage(

8、17921871年) 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 182021-4-285. 差分機和分析機阿達奧古斯塔(Ada Augusta：18151852年)是計算機領(lǐng)域著名的女程序員。 Ada(18151852年) 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 192021-4-286. 模擬計算機 19世紀(jì)末，赫爾曼霍列瑞斯(Herman Hollerith：18601929)首先用穿孔卡完成了第一次大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 202021-4-286. 模擬計算機托馬斯沃森(T.Watson)和IBM 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 212021-4-286. 模擬計算機布什(V.Bush)為了求解

9、與電路有關(guān)的微分方程，制作了一臺模擬計算裝置助其求解 1873年，美國人鮑德溫(F. Baldwin)，利用齒數(shù)可變齒輪，設(shè)法制造出一種小型計算機樣機 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 222021-4-286. 模擬計算機英國數(shù)學(xué)家布爾(G.Boole：18151864年) 第一部著作邏輯的數(shù)學(xué)分析 1854年，已經(jīng)擔(dān)任柯克大學(xué)教授的布爾再次出版思維規(guī)律的研究邏輯與概率的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)憑借這兩部著作，布爾建立了一門新的數(shù)學(xué)學(xué)科布爾代數(shù) 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 232021-4-286. 模擬計算機 1938年，美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)(C. Shannon)第一次在布爾代數(shù)和繼電器開關(guān)電路之間架起了橋梁，

10、以脈沖方式處理信息的繼電器開關(guān)，從理論到技術(shù)徹底改變了數(shù)字電路的設(shè)計。 1948年，香農(nóng)憑借通信的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一書，被譽為“信息論之父”。 1956年，香農(nóng)參與發(fā)起了達特默斯人工智能會議，率先把人工智能運用于計算機下棋方面，還發(fā)明了一個能自動穿越迷宮的電子老鼠，以此驗證了計算機可以通過學(xué)習(xí)提高智能。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 242021-4-286. 模擬計算機 1937年11月，在AT&T貝爾實驗室工作的斯蒂比茲(G. Stibitz)，運用繼電器作為計算機的開關(guān)元件。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 252021-4-286. 模擬計算機 1939年，楚澤繼電器組裝了Z-2。 1941年，楚澤

11、的電磁式計算機Z-3完成。希特勒戰(zhàn)敗后，楚澤輾轉(zhuǎn)流落到瑞士一個荒涼的村莊，一度轉(zhuǎn)向研究計算機軟件理論。 1938年，28歲的楚澤(K.Zuse)完成了一臺可編程數(shù)字計算機Z-1的設(shè)計。 1945年建造了Z-4計算機。 1949年，他建立了“Zuse計算機公司”，繼續(xù)開發(fā)更先進的機電式程序控制計算機。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 262021-4-28 Z3 重建Z1 Z4 老年楚澤（中） 數(shù)字計算機之父 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 272021-4-286. 模擬計算機電磁式計算機叫Mark，也叫“自動序列受控計算機”，在計算機發(fā)展史上占據(jù)重要地位，是計算機“史前史”里最后一臺著名的計算機，發(fā)

12、明者是美國哈佛大學(xué)艾肯(H.Aiken)博士。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 282021-4-281.1.2 計算機的產(chǎn)生1. 圖靈 1936年，阿倫圖靈(Alan Turing：19121954年)在他的一篇具有劃時代意義的論文論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用(On Computer Numbers With an Application to the Entscheidungs Problem)中，論述了一種假想的通用計算器，也就是理想計算機，被后人稱為“圖靈機”(Turing MachineTM)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 292021-4-281. 圖靈 1939年， “圖靈炸彈”

13、(Bomba)，圖靈稱它是“羅賓遜”。 1945年，圖靈領(lǐng)導(dǎo)一批優(yōu)秀的電子工程師，著手制造自動計算引擎(Automatic Computing EngineerACE)。 1950年，ACE樣機公開表演，被稱為世界上最快最強有力的電子計算機。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 302021-4-281. 圖靈 1950年l0月，圖靈發(fā)表了論文“計算機和智能”(Computing Machinery and Intelligence) “圖靈測試”(Turing Test)。圖靈榮膺“人工智能之父”稱號。 1954年，42歲的圖靈英年早逝。從1966年開始，每年由美國計算機學(xué)會(Association

14、 for Computing MachineryACM)頒發(fā)“圖靈獎”(Turing Award)給世界上最優(yōu)秀的電腦科學(xué)家。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 312021-4-28圖靈紀(jì)念館 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 322021-4-282. ENIAC和馮諾依曼 1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)成功研制出了ENIAC，這是世界上第一臺數(shù)字電子計算機。莫爾學(xué)院的兩位青年學(xué)者36歲物理學(xué)家約翰莫齊利(John Mauchly)和他的學(xué)生，24歲的電氣工程師布雷斯帕?？颂?Presper Eckert)，向戈德斯坦提交了一份研制電子計算機的設(shè)計方案“高速電子管計算裝置的使用” 。 計 算 機

15、科 學(xué) 導(dǎo) 論 332021-4-282. ENIAC和馮諾依曼 1944年夏的一天，在阿貝丁火車站，戈德斯坦邂逅了數(shù)學(xué)家約翰馮諾依曼(John Von Nouma：19031957年)，于是戈德斯坦向馮諾依曼介紹了正在研制電子計算機，馮諾依曼非常感興趣。幾天之后，馮諾依曼就專程到莫爾學(xué)院參觀還未完成的ENIAC，并參加了為改進ENIAC而舉行的一系列專家會議。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 342021-4-282. ENIAC和馮諾依曼 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 352021-4-282. ENIAC和馮諾依曼馮諾依曼決定重新設(shè)計一臺計算機，命名為“離散變量自動電子計算機”(Electro

16、nic Discrete Variable Automatic Calculator：EDVAC)。 1946年6月，馮諾依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯頓大學(xué)高級研究院，完成了另一臺ISA(高級研究院的英文縮寫)電子計算機，他們聯(lián)名發(fā)表了計算機史上著名的“101頁報告”。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 362021-4-282. ENIAC和馮諾依曼 1946年，英國劍橋大學(xué)威爾克斯(M.Wilkes)教授，到賓夕法尼亞大學(xué)參加馮諾依曼主持的培訓(xùn)班，完全接受了馮諾依曼存儲程序的設(shè)計思想。 1949年5月，威爾克斯研制成了一臺由3000只電子管為主要元件的計算機，命名為電子儲存程序計算機(Ele

17、ctronic Delay Storage Automatic Calculator：EDSAC)，由此，他獲得了1967年度“圖靈獎”。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 372021-4-281.1.3 計算機的發(fā)展階段計算機的出現(xiàn)是二十世紀(jì)最輝煌的成就之一，按照采用的電子器件劃分，計算機大致已經(jīng)歷了四個階段： 1. 第一代計算機(1946年1957年)其主要特征是邏輯器件使用電子管，用穿孔卡片機作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設(shè)備，用磁鼓或磁帶作為外存儲器，使用機器語言編程。 第一代計算機體積大、運算速度低、存儲容量小、可靠性低。幾乎沒有什么軟件配置，主要用于科學(xué)計算。 其代表機型有：ENIAC、IBM6

18、50(小型機)、IBM709(大型機)等。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 382021-4-28 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 392021-4-282. 第二代計算機(1958年1964年) 其主要特征是使用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲器采用了磁芯體，引入了變址寄存器和浮點運算硬件，利用I/O處理機提高了輸入輸出能力。 在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高級程序設(shè)計語言及相應(yīng)的編譯程序，降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性。 其代表機型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 402021-4-28 計 算 機

19、科 學(xué) 導(dǎo) 論 412021-4-283. 第三代計算機(1965年1972年) 其主要特征是用半導(dǎo)體、小規(guī)模集成電路(Integrated CircuitIC)作為元器件代替晶體管等分立元件，用半導(dǎo)體存儲器代替磁芯存儲器，使用微程序設(shè)計技術(shù)簡化處理機的結(jié)構(gòu)，這使得計算機的體積和耗電量顯著減小，而計算速度和存儲存量卻有較大提高，可靠性也大大加強。在軟件方面則廣泛地引入多道程序、并行處理、虛擬存儲系統(tǒng)和功能完備的操作系統(tǒng)，同時還提供了大量的面向用戶的應(yīng)用程序。計算機開始定向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化，此時，計算機的應(yīng)用進入到許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。其代表機器有：IBM360系列、富士通F230系列等。 計

20、 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 422021-4-28 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 432021-4-284. 第四代計算機(1972年)其主要特征是使用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，大規(guī)模、超大規(guī)模塊集成電路的出現(xiàn)，使計算機沿著兩個方向飛速向前發(fā)展。一方面，利用大規(guī)模集成電路制造多種邏輯芯片，組裝出大型、巨型計算機。另一方面，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將運算器、控制器等部件集成在一個很小的集成電路芯片上，從而出現(xiàn)了微處理器。完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(fā)工具和商品化的應(yīng)用程序的大量涌現(xiàn)，以及通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得計算機進入了一個大發(fā)展的階段。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 442021-4

21、-28 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 452021-4-28現(xiàn)在很多國家正在研制新一代的計算機，新代計算機將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電子仿生技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。它能進行知識處理、自動編程、測試和排錯，以及用自然語言、圖形、聲音和各種文字進行輸入和輸出。新代計算機的研究目標(biāo)是試圖打破計算機現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)，使得計算機能夠具有像人那樣的思維、推理和判斷能力。已經(jīng)實現(xiàn)的非傳統(tǒng)計算技術(shù)有：超導(dǎo)計算、量子計算、生物計算、光計算等。未來的計算機可能是超導(dǎo)計算機、量子計算機、生物計算機、光計算機或納米計算機、DNA計算機等。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 462021-4-281.2 計算機系統(tǒng)計

22、算機系統(tǒng)是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地對數(shù)據(jù)進行輸入、處理、輸出和存儲的系統(tǒng)，由計算機硬件系統(tǒng)和計算機軟件系統(tǒng)兩大部分組成。計算機硬件系統(tǒng)由一系列電子元器件按照一定邏輯關(guān)系連接而成，是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)以及各種軟件工具和應(yīng)用軟件等軟件程序組成，計算機軟件指揮和控制計算機硬件系統(tǒng)按照預(yù)定的程序運行和工作，從而達到預(yù)定目標(biāo)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 472021-4-281.2.1 計算機的硬件系統(tǒng)計算機的基本工作原理是存儲程序和程序控制，該原理最初是由馮諾依曼于1946年提出來的，故稱為馮諾依曼原理。按照馮諾依曼原理構(gòu)造的計算機又稱馮諾依

23、曼計算機，其體系結(jié)構(gòu)稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 482021-4-28馮諾依曼思想： (1)由二進制替代十進制。 (2)采用存儲程序的思想。 (3)把計算機從邏輯上劃分為5大部分，即運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 492021-4-28馮諾依曼計算機的基本特點 (1)采用存儲程序方式。 (2)存儲器是按地址訪問的線性編址的惟一結(jié)構(gòu)。 (3)指令由操作碼和地址碼組成。 (4)通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號控制計算機的操作。 (5)機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器。 (6)數(shù)據(jù)以二進制表示。 計 算 機 科 學(xué)

24、 導(dǎo) 論 502021-4-28計算機的五大部件 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 512021-4-281. 運算器 運算器又稱算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logic UnitALU)，是計算機對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件，它的主要功能是對二進制數(shù)碼進行加、減、乘、除等算術(shù)運算和與、或、非等基本邏輯運算，實現(xiàn)邏輯判斷。運算器是在控制器的控制之下實現(xiàn)其功能的，運算結(jié)果由控制器發(fā)出的指令送到內(nèi)存儲器中。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 522021-4-282. 控制器控制器主要由指令寄存器、譯碼器、程序計數(shù)器和操作控制器等組成，控制器是用來控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個處理過程有條不紊地進行。基

25、本功能就是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，即控制器按程序計數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進行譯碼，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過程中，還要接受各部件反饋回來的信息。通常把運算器、控制器做在一個大規(guī)模集成電路塊上稱為中央處理器，又稱CPU(Central Processing Unit)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 532021-4-283. 存儲器存儲器是計算機的記憶裝置，用于存放原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、最終結(jié)果和處理程序。向存儲器里存入信息也稱為“寫入”，寫入新的內(nèi)容則覆蓋了原來的舊內(nèi)容。從存儲器里取出信息，也稱為“讀出”，信息讀出后并不破壞原來存儲

26、的內(nèi)容，因此信息可以重復(fù)取出，多次利用。存儲器可分為兩種：內(nèi)存儲器與外存儲器。通常把內(nèi)存儲器、運算器和控制器合稱為計算機主機，也可以說主機是由CPU與內(nèi)存儲器組成的，而主機以外的裝置稱為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備，外存儲器等。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 542021-4-284.輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備簡稱I/O(Input/Output)設(shè)備。用戶通過輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號和圖形)顯示或打印出來。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀等；常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、繪圖儀等。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論

27、552021-4-281.2.2 計算機的軟件系統(tǒng)軟件是指用來指揮計算機運行的各種程序的總和以及開發(fā)、使用和維護這些程序所需的技術(shù)文檔。計算機軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。沒有配備任何軟件的硬件計算機稱為裸機，裸機向外部世界提供的界面只是機器指令。用戶及其他程序都通過系統(tǒng)軟件來使用計算機。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 562021-4-281系統(tǒng)軟件 計算機系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、以及各種軟件工具等各種軟件程序組成，指揮、控制計算機硬件系統(tǒng)按照預(yù)定的程序運行、工作，從而達到預(yù)定的目標(biāo)。簡單地說，系統(tǒng)軟件的功能主要是簡化計算機操作，擴展計算機處理能力和提高計算機的效益。 計 算 機

28、科 學(xué) 導(dǎo) 論 572021-4-282應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶利用計算機軟、硬件資源為解決各類應(yīng)用問題而編寫的軟件，包括用戶程序及其說明性文件資料。隨著計算機應(yīng)用的推廣與普及，應(yīng)用軟件將會逐步地標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并逐步地按功能組合成各種軟件包以方便用戶的使用。應(yīng)用軟件的存在與否并不影響整個計算機系統(tǒng)的運作，但它必須在系統(tǒng)軟件的支持下才能工作。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 582021-4-281.2.3 計算機的特點1運算速度快、精度高 2具有邏輯判斷和記憶能力3高度的自動化和靈活性 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 592021-4-281.2.4 計算機系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)1字長2時鐘周期和主頻3運算

29、速度4內(nèi)存容量5數(shù)據(jù)輸入輸出最高速率 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 602021-4-281.2.5 計算機的分類 根據(jù)計算機工作原理和運算方式的不同，以及計算機中信息表示形式和處理方式的不同，計算機可分為數(shù)字式電子計算機(Digital Computer)、模擬式電子計算機(Analog Computer)和數(shù)字模擬混合計算機(Hybrid Computer)。 按計算機的用途可分為通用計算機(General Purpose Computer)和專用計算機(Special Purpose Computer )兩大類。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 612021-4-28根據(jù)計算機的總體規(guī)模(按照

30、計算機的字長、運算速度、存儲量大小、功能強弱、配套設(shè)備多少、軟件系統(tǒng)的豐富程度)對計算機分類，可分為巨型機(Super Computer)、大/中型計算機(Mainframe)、小型計算機(Mini computer)、微型計算機(Micro computer)和網(wǎng)絡(luò)計算機(Network Computer)五大類。常見的微型機還可以分為臺式機、便攜機、筆記本電腦、掌上型電腦等多種類型。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 622021-4-281.2.6 計算機的基本運作方式計算機的基本運作方式可概括為“IPOS循環(huán)”。IPOS循環(huán)即輸入(Input)、處理(Processing)、輸出(Outpu

31、t)和存儲(Storage)，它反映了計算機進行數(shù)據(jù)處理的基本步驟。 1輸入2處理3輸出4存儲 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 632021-4-281.3 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢 1.3.1 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域1科學(xué)研究和科學(xué)計算2信息傳輸和信息處理3生產(chǎn)過程的自動化控制和管理自動化4計算機輔助設(shè)計/輔助制造/輔助教學(xué)5娛樂 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 642021-4-281.3.2 計算機的發(fā)展趨勢1. 微型化（ microcomputer ） 2. 巨型化（ supercompter ） 3. 網(wǎng)絡(luò)化（net computer）4. 智能化5. 新型計算機 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 6

32、52021-4-28l 擁 有 最 強 的 并 行 計 算 能 力 ， 主 要用 于 科 學(xué) 計 算 。l 在 氣 象 、 軍 事 、 能 源 等 領(lǐng) 域 承 擔(dān)大 規(guī) 模 、 高 速 度 的 計 算 任 務(wù) 。l 趨 勢 是 用 許 多 臺 計 算 機 構(gòu) 成 一 臺超 級 計 算 機 。巨型計算機83年銀河-I億次機92年銀河-II10億次機97年銀河-III百億次機 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 662021-4-28大中型計算機l 具 有 比 小 型 機 更 強 的 數(shù) 據(jù) 處 理能 力 。l 價 格 比 小 型 機 高 。l 在 銀 行 等 最 早 使 用 計 算 機 的 行業(yè) 中 廣

33、 泛 使 用 。中科院計算技術(shù)研究所國家智能機中心研制的每秒200億次的曙光2000型超級服務(wù)器 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 672021-4-28小型計算機l 具 有 比 微 機 更 強 的 數(shù) 據(jù) 處 理 能 力 和數(shù) 據(jù) 存 儲 能 力 。l 多 個 用 戶 可 以 同 時 使 用 （ 多 用 戶 ，Multi-user） 。l 目 前 主 要 用 作 服 務(wù) 器 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 682021-4-28l 微 型 計 算 機 （ 微 機 ， Microcomputer）l臺 式 計 算 機 （ Desktop）l 是 通 用 計 算 機 。l 通 常 是 由 一 個 用

34、戶 來 使 用 （ 單 用戶 ， Single-user） 。l 配 有 文 字 、 聲 音 、 圖 像 等 輸 入 輸出 設(shè) 備 。l 可 通 過 網(wǎng) 絡(luò) 與 其 他 計 算 機 相 連 。l 高 檔 臺 式 機 可 充 當(dāng) 服 務(wù) 器 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 692021-4-28 微 型 計 算 機 （ 微 機 ， Microcomputer）膝 上 型 電 腦 （ Laptop） / 筆 記 本 計 算 機 （ Notebook）l 功 能 與 臺 式 機 類 似 。l 一 體 化 結(jié) 構(gòu) 。l 耗 電 更 少 ， 并 配 有 電 池 ， 可 在沒 有 交 流 電 源 的 場

35、合 使 用 。l 可 裝 在 文 件 包 中 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 702021-4-28 微 型 計 算 機 （ 微 機 ， Microcomputer）掌 上 型 電 腦 （ Palmtop） 、 個 人 數(shù) 字 助 理 （ PDA, Personal Digital Assistant）l 向 用 戶 提 供 專 門 的 功 能 。l 靠 電 池 供 電 。l 可 裝 在 衣 袋 中 。l 有 些 已 具 有 無 線 通 信 能 力 。l 是 嵌 入 式 計 算 機 的 一 類 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 712021-4-28工 作 站 （ Workstation）l 以

36、 聯(lián) 網(wǎng) 為 標(biāo) 志 。l 計 算 能 力 比 臺 式 機 更 強 ， 特 別是 在 圖 形 處 理 方 面 。l 價 格 比 臺 式 機 高 得 多 。l 隨 著 臺 式 機 能 力 的 不 斷 提 高 ，有 可 能 被 臺 式 機 所 替 代 。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 722021-4-28 服 務(wù) 器 （ Server）一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為多個用戶提供服務(wù)的共享設(shè)備?？煞譃槲募?wù)器、通信服務(wù)器、打印服務(wù)器等。IBM z 系列z900 服務(wù)器IBM z系列z990服務(wù)器 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 732021-4-28l網(wǎng) 絡(luò) 計 算 機 （ net computer）一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)

37、境下使用的終端設(shè)備，其特點是內(nèi)容量大、顯示器的性能高、通信功能強，但本機中不一定配置外存，所需要的程序和數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器中。網(wǎng)絡(luò)計算機 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 742021-4-281.4 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科概述1.4.1 計算學(xué)科的定義 計算學(xué)科是對描述和變換信息的算法過程，包括對理論分析、設(shè)計、效率、實現(xiàn)和應(yīng)用等進行的系統(tǒng)研究。它來源于對算法理論、數(shù)理邏輯、計算模型、自動計算機器的研究，并與存儲式電子計算機的發(fā)明一起形成于20世紀(jì)40年代初期。計算學(xué)科的研究包括了從算法與可計算性的研究到根據(jù)可計算硬件和軟件的實際實現(xiàn)問題的研究。這樣，計算學(xué)科不但包括從總體上對算法和信息處理過程

38、進行研究的內(nèi)容，也包括滿足給定規(guī)格要求的有效而可靠的軟硬件設(shè)計它包括所有科目的理論研究實驗方法和工程設(shè)計。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 752021-4-281.4.2 計算學(xué)科的本質(zhì)計算學(xué)科的根本問題是“什么能被有效地自動進行？”。 計算學(xué)科的根本問題討論的是能行性的有關(guān)內(nèi)容，而凡是與能行性有關(guān)的討論都是處理離散對象的。因為非離散對象(連續(xù)對象)是很難進行能行處理的，因此能行性這個計算學(xué)科的根本問題決定了計算機本身的結(jié)構(gòu)和它處理的對象都是離散型的，許多連續(xù)型的問題也必須在轉(zhuǎn)化為離散型問題以后，才能被計算機處理。例如計算定積分就是把它變成離散量，再用分段求和的方法來處理的。 計 算 機 科 學(xué)

39、 導(dǎo) 論 762021-4-28美國計算機協(xié)會(ACM)和美國電氣和電子工程學(xué)會計算機分會(Institute of Electrical and Electronics Engineers-Computer Society：IEEE-CS)發(fā)布了“計算學(xué)科2001教程(Computing Curricula 2001：CC2001)”，中國計算機學(xué)會和阿全國高等學(xué)校計算機教育研究會在學(xué)習(xí)和研究了CC2001教程后，發(fā)布了中國計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002(China Computing Curricula 2002：CCC2002)，提取了計算學(xué)科中具有方法論性質(zhì)的12個核心概念，即綁定(

40、Binding)、大問題的復(fù)雜性(Complexity of Large Problems)、概念和形式模型(Conceptual and Format Models)、一致性(Consistency)和完備性(Completeness)、效率(Efficiency)、演化(Evolution)、抽象層次(Levels of Abstraction)、按空間排序(Ordering in Space)、按時間排序(Ordering in Time)、重用(Reuse)、安全性(Security)、折衷(Tradeoff)和結(jié)論(Consequences)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 77202

41、1-4-281.4.3 計算學(xué)科的三個過程 計算學(xué)科的實質(zhì)是學(xué)科方法論的思想，其關(guān)鍵問題是抽象、理論和設(shè)計三個過程相互作用的問題。 1理論2抽象3設(shè)計 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 782021-4-281.4.4 計算學(xué)科新的應(yīng)用領(lǐng)域及未來的發(fā)展 1Internet帶來的深刻影響 2多媒體技術(shù)帶來的新的應(yīng)用領(lǐng)域 3嵌入式系統(tǒng) 4人工智能 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 792021-4-281.5.2 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科定義計算機科學(xué)與技術(shù)借鑒數(shù)學(xué)的公理化思想來全面闡述了計算學(xué)科的科學(xué)問題，抽象、理論和設(shè)計三個學(xué)科形態(tài)，計算學(xué)科的核心概念、科學(xué)方法等，闡明了計算學(xué)科各主領(lǐng)域發(fā)展的基本規(guī)律及各領(lǐng)域

42、的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了一個系統(tǒng)化、邏輯化的認(rèn)知模型，讓人們清晰透徹地了解了學(xué)科脈絡(luò)，從整體上把握學(xué)科的學(xué)習(xí)研究方法。 計算機科學(xué)方法論有助于人們正確理解計算學(xué)科中所蘊涵的科學(xué)思維方法，總結(jié)和提升計算學(xué)科所積累的各種方法和經(jīng)驗，樹立正確的思想原則，把握正確的研究方向。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 802021-4-28計算機科學(xué)技術(shù)是研究計算機的設(shè)計與制造和利用計算機進行信息獲取、表示、存儲、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科，包括科學(xué)與技術(shù)兩方面。 科學(xué)側(cè)重于研究現(xiàn)象、揭示規(guī)律。技術(shù)則側(cè)重于研制計算機和研究使用計算機進行信息處理的方法與技術(shù)手段。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 812021-

43、4-281.5.3 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的根本問題及研究范疇計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的根本問題是什么能被有效地自動化。 計算機科學(xué)技術(shù)的研究范疇包括計算機理論、硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用等，按照研究的內(nèi)容，也可以劃分為基礎(chǔ)理論、專業(yè)基礎(chǔ)和應(yīng)用三個層面。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 822021-4-28計算機理論的研究包括離散數(shù)學(xué)、算法分析理論、形式語言與自動機理論、程序設(shè)計語言理論、程序設(shè)計方法學(xué)；計算機硬件的研究包括元器件與存儲介質(zhì)、微電子技術(shù)、計算機組成原理、微型計算機技術(shù)、計算機體系結(jié)構(gòu)；計算機軟件的研究包括程序設(shè)計語言的設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、程序設(shè)計語言翻譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、算法設(shè)

44、計與分析、軟件工程學(xué)、可視化技術(shù)；計算機網(wǎng)絡(luò)的研究包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全；計算機應(yīng)用的研究及人機工程包括計算機應(yīng)用的研究、軟件開發(fā)工具、完善既有的應(yīng)用系統(tǒng)、開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域、人機工程、研究人與計算機的交互和協(xié)同技術(shù)。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 832021-4-28本專業(yè)計算機課程1. 計算機基礎(chǔ)2. 網(wǎng)頁設(shè)計與制作3. 高級語言程序設(shè)計4. 計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)5. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6. 可視化程序設(shè)計7. 匯編語言程序設(shè)計8. 操作系統(tǒng)9. 數(shù)據(jù)庫技術(shù)及應(yīng)用10. 語言程序設(shè)計11. 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與Internet12. 多媒體技術(shù)基礎(chǔ)13. WEB程序設(shè)計14. 數(shù)據(jù)庫

45、系統(tǒng)案例分析15. WEB應(yīng)用系統(tǒng)案例分析16. 網(wǎng)絡(luò)工程案例分析人-機交互 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 842021-4-281.6 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教育計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展速度是非?？斓?，計算機軟、硬件系統(tǒng)的不斷更新，有限的在校時間與不斷增長的知識的矛盾更為突出。 戈登摩爾(Gordon Moore，Intel公司創(chuàng)建人之一)曾預(yù)言微處理器的處理能力每18個月到24個月將增加一倍，這個定律就是“摩爾定律(Moores Law)” 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展給人們的工作和生活提供了新的方式。 計算機科學(xué)與技術(shù)的教育除了受到計算機技術(shù)發(fā)展的影響外，同時還受到文化與社會發(fā)展的影響。 計 算 機

46、 科 學(xué) 導(dǎo) 論 852021-4-281.6.1 教育的目的和基本要求教育的目的是培養(yǎng)在計算機領(lǐng)域的工作能力，包括面向?qū)W科的思維能力和使用工具的能力。培養(yǎng)計算機能力的過程有五個步驟： (1) 激發(fā)學(xué)習(xí)計算機的激情； (2) 闡明計算機的應(yīng)用領(lǐng)域； (3) 揭示計算機的特色； (4) 弄清計算機特色的歷史根源； (5) 實踐計算機的特色。計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科最初來源于數(shù)學(xué)學(xué)科和電子學(xué)科，學(xué)生除了要掌握本學(xué)科的各個知識領(lǐng)域的基本知識和技術(shù)外，還必須具有較扎實的數(shù)學(xué)功底，掌握科學(xué)的研究方法，熟悉計算機如何得以實際應(yīng)用，并具有有效的溝通能力和良好的團隊工作能力。 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 8620

47、21-4-281.6.2 學(xué)習(xí)方法 學(xué)習(xí)方法主要有以下幾個方面。 1學(xué)習(xí)計劃的制定 2常規(guī)學(xué)習(xí)方法 (1) 課前預(yù)習(xí) (2) 上課聽講 (3) 課后復(fù)習(xí) (4) 作業(yè)與操作 (5) 小結(jié) 3理論、抽象、設(shè)計三個過程的學(xué)習(xí)方法 (1) 第一個過程理論 (2) 第二個過程抽象 (3) 第三個過程設(shè)計 4確定有計劃的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量 計 算 機 科 學(xué) 導(dǎo) 論 872021-4-281.7 本 章 小 結(jié) 計算機科學(xué)的研究范疇包括了計算機理論、硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用等。本章從計算機產(chǎn)生的歷史背景開始，介紹了計算機的基本概念、類型、特點、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的定義、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的知識體系、計算機的應(yīng)用、發(fā)展趨勢、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教育等基本概念，闡述了Internet對信息化社會的影響以及信息化社會對計算機知識的需求。通過本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)理解計算機的基本概念、信息化社會的特征以及信息化社會對計算機人才的需求，并初步了解計算機科學(xué)技術(shù)的研究范疇，明確今后學(xué)習(xí)的目標(biāo)和內(nèi)容。同時，讀者應(yīng)樹立學(xué)好計算機課程的自信心和強烈的社會責(zé)任感，為計算機的發(fā)展和國家的繁榮貢獻自己的力量。