計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論第一章緒論.ppt

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論 （Foundations of Computer Science）,計(jì)算機(jī)科學(xué)：研究計(jì)算機(jī)及其周圍各種現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)，亦即研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、程序系統(tǒng)（即軟件）、人工智能以及計(jì)算本身的性質(zhì)和問(wèn)題的學(xué)科。 培養(yǎng)目標(biāo)：計(jì)算機(jī)硬件與軟件相結(jié)合、面向系統(tǒng)、側(cè)重應(yīng)用的寬口徑專業(yè)。通過(guò)基礎(chǔ)教學(xué)與專業(yè)訓(xùn)練，培養(yǎng)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、知識(shí)面寬、工程實(shí)踐能力強(qiáng)，具有開拓創(chuàng)新意識(shí)，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域從事科學(xué)研究、教育、開發(fā)和應(yīng)用的高級(jí)人才。,計(jì)算機(jī)專業(yè),主要課程：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、軟件工程、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、編譯原理、離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及算法分析與設(shè)計(jì)等。 學(xué)科特色：理論性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)，發(fā)展迅速。前兩年注重自然學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程；后兩年主要是專業(yè)課程，突出學(xué)科方向特色，體現(xiàn)最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。,計(jì)算機(jī)專業(yè),知名機(jī)構(gòu)與行業(yè)協(xié)會(huì),Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)電氣和電子工程師協(xié)會(huì). ACM(Association for Computing Machinery )美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì) IETF（Internet Engineering Task Force）。Internet工程任務(wù)組，成立于1985年底，是全球互聯(lián)網(wǎng)最具權(quán)威的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的研發(fā)和制定，當(dāng)前絕大多數(shù)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出自IETF.,學(xué)術(shù)期刊的名稱,Transaction(學(xué)報(bào)) Review（評(píng)論） Letter（快報(bào)） Communication（通訊）,學(xué)術(shù)會(huì)議的類型,Conference （會(huì)議） Convention（大會(huì)） Symposium（專業(yè)討論會(huì)） Colloquium（學(xué)術(shù)討論會(huì)） Seminar（研究討論會(huì)） Workshop（專題討論會(huì)）,課程介紹,課程類型：必修課、學(xué)科基礎(chǔ)課 課程性質(zhì) 計(jì)算學(xué)科的綜述性導(dǎo)引課程 課程地位 計(jì)算機(jī)專業(yè)的入門課程，是學(xué)習(xí)其它專業(yè)課程的基礎(chǔ)。 為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做一個(gè)知識(shí)上的鋪墊。 學(xué)習(xí)該課程時(shí)所初步建立的學(xué)科基本思想和方法，有利于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。,課程學(xué)習(xí)要求,對(duì)知識(shí)掌握程度的要求大體分為三個(gè)層次 掌握 理解 了解 要求掌握： 計(jì)算機(jī)專業(yè)各領(lǐng)域的基本概念（要求廣度） 整體知識(shí)體系，對(duì)以后要學(xué)習(xí)的知識(shí)和課程做到“心中有數(shù)”。 不要求： 深入理解，具體知識(shí)原理會(huì)在各專業(yè)課程中學(xué)習(xí)。,學(xué)習(xí)方法,課前預(yù)習(xí)，帶著問(wèn)題聽課 認(rèn)真聽課 課下認(rèn)真做好復(fù)習(xí)； 課本只是參考； 課下多看參考資料，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源 培養(yǎng)興趣和自學(xué)能力 學(xué)會(huì)使用軟件幫助,教材,計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論（Foundations of Computer Science）,美Behrouz A. Forouzan著，劉藝等譯，機(jī)械工業(yè)出版社。,參考書,計(jì)算機(jī)科學(xué)概論（原書第3版）（Computer Science Illuminated）（美）Nell Dale,John Lewis著，張欣等譯，機(jī)械工業(yè)出版社。,參考書,計(jì)算機(jī)導(dǎo)論（第2版），袁方等編著，清華大學(xué)出版社。 計(jì)算概論（第2版），許卓群等編著，清華大學(xué)出版社,參考書,計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論，瞿中著，清華大學(xué)出版社 計(jì)算機(jī)導(dǎo)論，朱戰(zhàn)立主編，電子工業(yè)出版社 網(wǎng)絡(luò)資源,第一章 緒論,圖靈:(1912-1954)英國(guó)數(shù)學(xué)家、 邏輯學(xué)家 提出圖靈機(jī)，人工智能理論 被稱為“計(jì)算機(jī)理論之父”，“人工智能之父” 人們?yōu)榧o(jì)念其在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)而設(shè)立“圖靈獎(jiǎng)”。,1）圖靈機(jī)的提出,1.1 圖靈模型,圖靈機(jī) 1936年，英國(guó)劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)家阿蘭圖靈提出了一種抽象的計(jì)算模型圖靈機(jī)(Turing Machine)。 “圖靈機(jī)”不是一種具體的機(jī)器，而是一種數(shù)學(xué)模型。,圖靈機(jī) 圖靈的基本思想是用機(jī)器來(lái)模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程。 圖靈機(jī)被公認(rèn)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型。 圖靈機(jī)由下面幾個(gè)部分組成 （1）無(wú)限長(zhǎng)的紙帶 （2）讀寫頭 （3）內(nèi)部狀態(tài) （4）程序,2） 可編程數(shù)據(jù)處理器,程序：,計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的指令集合。,輸出數(shù)據(jù)：,受到輸入數(shù)據(jù)和程序的共同作用。,基于圖靈模型的計(jì)算機(jī)：可編程數(shù)據(jù)處理器,（1）相同的程序，不同的輸入數(shù)據(jù),（2）相同的輸入數(shù)據(jù)，不同的程序,（3）相同的程序，相同的輸入數(shù)據(jù),輸出結(jié)果一致。,1.2 馮諾依曼模型,基于圖靈模型的計(jì)算機(jī)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù), 1944-1945年期間，馮諾依曼提出存儲(chǔ)程序的概念。,約翰馮諾依曼:(1903-1957)美籍匈牙利裔科學(xué)家、數(shù)學(xué)家，被譽(yù)為“現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父”。 19歲就發(fā)表了有影響力的數(shù)學(xué)論文 ,30歲時(shí)被聘問(wèn)美國(guó)普林斯頓大學(xué)終身教授，成為愛因斯坦最年輕的同事。在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)值分析和博弈論等領(lǐng)域都有杰出的貢獻(xiàn)。,1.2 馮諾依曼模型,基于馮諾依曼模型建造的計(jì)算機(jī)分為四個(gè)子系統(tǒng)： （1）算術(shù)邏輯單元 （2）控制單元 （3）存儲(chǔ)器 （4）輸入設(shè)備 （5）輸出設(shè)備,馮諾依曼思想： （1）二進(jìn)制 他根據(jù)電子元件雙穩(wěn)工作的特點(diǎn)，建議在電子計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制。報(bào)告提到了二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)，并預(yù)言，二進(jìn)制的采用將大大簡(jiǎn)化機(jī)器的邏輯線路。 （2）存儲(chǔ)程序 把運(yùn)算程序存在機(jī)器的存儲(chǔ)器中，程序設(shè)計(jì)員只需要在存儲(chǔ)器中尋找運(yùn)算指令，機(jī)器就會(huì)自行計(jì)算。這樣，就不必每個(gè)問(wèn)題都重新編程，從而大大加快了運(yùn)算進(jìn)程。 一段程序是由一組數(shù)量有限的指令組成。,1.3 計(jì)算機(jī)組成,計(jì)算機(jī)硬件（第五章） 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（第三章） 數(shù)據(jù) 組織數(shù)據(jù)（11-14章） 算法（第八章） 計(jì)算機(jī)軟件 語(yǔ)言（第九章） 軟件工程（第十章） 操作系統(tǒng)（第七章）,1.4 歷史,1.4.1 計(jì)算工具的發(fā)展概況,產(chǎn)生背景 二戰(zhàn)期間美國(guó)軍方需要 莫奇利（John Mauchly）于1942年提出了試制第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的初始設(shè)想 成立了一個(gè)以莫奇利、?？颂兀‥ckert）為首的研制小組,電子計(jì)算機(jī)的誕生,1.4.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史,ENIAC 世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)于1946年在美國(guó)研制成功，取名ENIAC ENIAC是“電子數(shù)字集成器和計(jì)算器”（Electronic Numerical Integrator And Calculator）的縮寫。,電子計(jì)算機(jī)的誕生,ENIAC（埃尼阿克）,2、計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段,計(jì)算機(jī)發(fā)展的階段（按照采用的電子器件劃分）： 第一代計(jì)算機(jī)（19461957年） 第二代計(jì)算機(jī)（19581964年） 第三代計(jì)算機(jī)（19651975年） 第四代計(jì)算機(jī)（19751985年） 第五代計(jì)算機(jī)（1985年至今）,1、第一代計(jì)算機(jī)（19461957） 真空管計(jì)算機(jī)，主要邏輯元件采用真空管。,1、第一代計(jì)算機(jī)（19461957） 主要特征：使用真空管作為電子器件，水銀延遲線、靜電存儲(chǔ)管等作為存儲(chǔ)器，輸入輸出主要采用穿孔紙帶或卡片。軟件還處于初始階段，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)器語(yǔ)言。 運(yùn)算速度：幾千到幾萬(wàn)次每秒 代表產(chǎn)品：ENIAC、IBM650（小型機(jī)）、IBM709（大型機(jī)）等。 特點(diǎn)：存儲(chǔ)量小、體積大、耗電多、運(yùn)算速度低、成本高、使用不方便。 用途：主要用于軍事和科學(xué)研究。,1、第一代計(jì)算機(jī)（19461957）,IBM650小型機(jī),1、第一代計(jì)算機(jī)（19461957）,IBM709大型機(jī),2、第二代計(jì)算機(jī) (19581964) 晶體管計(jì)算機(jī) 主要特征：使用晶體管作為電子器件，用磁芯和磁鼓作存儲(chǔ)器，輸入輸出主要采用磁帶和磁盤。出現(xiàn)了匯編語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。,2、第二代計(jì)算機(jī)（19581964） 運(yùn)算速度：幾十萬(wàn)次每秒 代表產(chǎn)品：IBM7090、IBM7094、IBM7040。 特點(diǎn)：體積大大縮小、耗電少、運(yùn)算速度加快、內(nèi)存容量增加、價(jià)格有所降低。 用途：用于軍事和科學(xué)研究外，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸用于工業(yè)控制。,3、第三代計(jì)算機(jī)（19651975） 中/小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 主要特征：中、小規(guī)模集成電路代替了分立元件晶體管，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。操作系統(tǒng)有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計(jì)方法。,第一個(gè)半導(dǎo)體集成電路，1958年，美國(guó)物理學(xué)家基爾比和諾伊斯同時(shí)發(fā)明集成電路。,3、第三代計(jì)算機(jī)（19651975） 運(yùn)算速度：上千萬(wàn)次每秒 代表產(chǎn)品：IBM360 特點(diǎn)：集成電路體積更小，功耗更低，可靠性更高。還沒有微處理器。 用途：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制等。,4、第四代計(jì)算機(jī)（ 19751985年） 大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 主要特征：采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路作為主要功能部件，半導(dǎo)體集成電路作主存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器采用大容量軟、硬磁盤，還引進(jìn)入光盤引入，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)。軟件配置豐富，軟件系統(tǒng)工程化、理論化。,4、第四代計(jì)算機(jī)（ 19751985年） 大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 運(yùn)算速度：幾百萬(wàn)至萬(wàn)億次 代表產(chǎn)品：IBM370系列（大型機(jī)）、IBM4300系列/3080系列/3090系列、最新的IBM9000系列、INTEL微處理器系列。 優(yōu)點(diǎn)：體積進(jìn)一步縮小、性能進(jìn)一步提高，機(jī)器的性能價(jià)格比大幅度上升。 用途：應(yīng)用已經(jīng)涉及各個(gè)領(lǐng)域，并且進(jìn)入了家庭。,5、第五代計(jì)算機(jī)（1985年至今） 智能