計算機文化第1章 緒論

1、科學出版社科學出版社計算機導論計算機導論第第1 1章章 緒論緒論了解計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用了解計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用掌握計算機的定義掌握計算機的定義了解計算工具的發(fā)展歷史了解計算工具的發(fā)展歷史了解計算機硬件的發(fā)展歷史及趨勢了解計算機硬件的發(fā)展歷史及趨勢了解計算機軟件的發(fā)展歷史了解計算機軟件的發(fā)展歷史理解計算機軟件的執(zhí)行過程理解計算機軟件的執(zhí)行過程掌握計算機的分類和特點掌握計算機的分類和特點了解計算機科學與技術(shù)學科的研究范疇了解計算機科學與技術(shù)學科的研究范疇了解計算機中的基本問題了解計算機中的基本問題學習目標學習目標主要內(nèi)容主要內(nèi)容計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用1第第1 1章章 緒

2、論緒論計算的歷史計算的歷史2計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機科學與技術(shù)學科簡介3主要內(nèi)容主要內(nèi)容計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用1第第1 1章章 緒論緒論計算的歷史計算的歷史2計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機科學與技術(shù)學科簡介31.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在交通運輸業(yè)的應(yīng)用計算機在交通運輸業(yè)的應(yīng)用坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計算機在交通運輸業(yè)的典型應(yīng)用。算機在交通運輸業(yè)的典型應(yīng)用。1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機

3、在交通運輸業(yè)的應(yīng)用計算機在交通運輸業(yè)的應(yīng)用坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計算機在交通運輸業(yè)的典型應(yīng)用。算機在交通運輸業(yè)的典型應(yīng)用。1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在教育業(yè)的應(yīng)用計算機在教育業(yè)的應(yīng)用計算機在教育領(lǐng)域中的典型應(yīng)用有校園網(wǎng)、遠程教育、計算機輔助教育計算機在教育領(lǐng)域中的典型應(yīng)用有校園網(wǎng)、遠程教育、計算機輔助教育（Computer-Aided Instruction，CAI）等。）等。1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在商

4、業(yè)中的應(yīng)用計算機在商業(yè)中的應(yīng)用計算機在零售業(yè)的應(yīng)用，改變了人們的購物環(huán)境和方式。計算機在零售業(yè)的應(yīng)用，改變了人們的購物環(huán)境和方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的電子商務(wù)，更是從根本上改變了企業(yè)的供銷模隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的電子商務(wù)，更是從根本上改變了企業(yè)的供銷模式和人們的消費模式。式和人們的消費模式。1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在銀行和證券業(yè)的應(yīng)用計算機在銀行和證券業(yè)的應(yīng)用計算機和網(wǎng)絡(luò)從根本上改變了銀行和金融機構(gòu)的業(yè)務(wù)處理模式。計算機和網(wǎng)絡(luò)從根本上改變了銀行和金融機構(gòu)的業(yè)務(wù)處理模式。計算機在證券市場中的應(yīng)用為投資者進行證券交易提供了必不可少的環(huán)境。

5、計算機在證券市場中的應(yīng)用為投資者進行證券交易提供了必不可少的環(huán)境。圖1.9 計算機在證券業(yè)中的應(yīng)用圖1.10 計算機在銀行業(yè)中的應(yīng)用 1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在醫(yī)學中的應(yīng)用計算機在醫(yī)學中的應(yīng)用醫(yī)學專家系統(tǒng)可以將著名醫(yī)學專家或醫(yī)生的知識和經(jīng)驗存儲到知識庫中，并建立從醫(yī)學專家系統(tǒng)可以將著名醫(yī)學專家或醫(yī)生的知識和經(jīng)驗存儲到知識庫中，并建立從病情表述和檢測指標到診斷結(jié)論以及治療方案的推理機構(gòu)。這樣，根據(jù)患者的病情病情表述和檢測指標到診斷結(jié)論以及治療方案的推理機構(gòu)。這樣，根據(jù)患者的病情和各種檢測數(shù)據(jù)，就可以診斷出所患的疾病以及作出治療方案。對于邊遠地區(qū)，醫(yī)和各種檢測

6、數(shù)據(jù)，就可以診斷出所患的疾病以及作出治療方案。對于邊遠地區(qū)，醫(yī)學專家系統(tǒng)可以為患者提供當?shù)蒯t(yī)院無法提供的醫(yī)療服務(wù)。學專家系統(tǒng)可以為患者提供當?shù)蒯t(yī)院無法提供的醫(yī)療服務(wù)。一些現(xiàn)代化的醫(yī)療檢測儀器如超聲波儀、心電圖儀、腦電圖儀、核磁共振儀、一些現(xiàn)代化的醫(yī)療檢測儀器如超聲波儀、心電圖儀、腦電圖儀、核磁共振儀、X光光攝像機等醫(yī)療檢測設(shè)備中也嵌入了計算機，可以采用數(shù)字成像技術(shù)，使得圖像更加攝像機等醫(yī)療檢測設(shè)備中也嵌入了計算機，可以采用數(shù)字成像技術(shù)，使得圖像更加清晰。清晰。圖1.11 計算機在醫(yī)學中的應(yīng)用 1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在科學研究中的應(yīng)用計算機在科學研究中的應(yīng)

7、用計算機用在科學研究領(lǐng)域，可進行科技文獻的存儲與查詢、復雜的科學計算、系統(tǒng)計算機用在科學研究領(lǐng)域，可進行科技文獻的存儲與查詢、復雜的科學計算、系統(tǒng)仿真與模擬、復雜現(xiàn)象的跟蹤與分析以及知識發(fā)現(xiàn)等。仿真與模擬、復雜現(xiàn)象的跟蹤與分析以及知識發(fā)現(xiàn)等。圖1.12 計算機在科學研究中的應(yīng)用 1.1 1.1 計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用計算機在文化藝術(shù)業(yè)的應(yīng)用計算機在文化藝術(shù)業(yè)的應(yīng)用藝術(shù)家如果能夠以計算機為工具進行音樂、舞蹈、美術(shù)、攝影、電影與電視等技術(shù)藝術(shù)家如果能夠以計算機為工具進行音樂、舞蹈、美術(shù)、攝影、電影與電視等技術(shù)創(chuàng)作，則能夠創(chuàng)作出更具特色、效果更佳的作品。很多游戲設(shè)計人員借助于計算機

8、創(chuàng)作，則能夠創(chuàng)作出更具特色、效果更佳的作品。很多游戲設(shè)計人員借助于計算機設(shè)計出引人入勝的計算機游戲軟件。使用計算機控制的電子合成器可以模擬一種或設(shè)計出引人入勝的計算機游戲軟件。使用計算機控制的電子合成器可以模擬一種或多種樂器的聲音。藝術(shù)家可以使用專門的軟件作為工具來創(chuàng)作繪畫、雕塑等技術(shù)作多種樂器的聲音。藝術(shù)家可以使用專門的軟件作為工具來創(chuàng)作繪畫、雕塑等技術(shù)作品；在影片制作過程中利用計算機可以獲得過去無法獲得的效果。品；在影片制作過程中利用計算機可以獲得過去無法獲得的效果。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用計算機在各領(lǐng)域中的應(yīng)用1第第1 1章章 緒論緒論計算的歷史計算的歷史2計算機科學與技

9、術(shù)學科簡介計算機科學與技術(shù)學科簡介31.2 1.2 計算的歷史計算的歷史什么是計算機什么是計算機能夠按照事先存儲好的指令序列，接收用戶輸入的數(shù)字、文本、圖像、聲音等數(shù)據(jù)，能夠按照事先存儲好的指令序列，接收用戶輸入的數(shù)字、文本、圖像、聲音等數(shù)據(jù)，并對其進行存儲、處理和結(jié)果輸出的系統(tǒng)。并對其進行存儲、處理和結(jié)果輸出的系統(tǒng)。 圖1.14 計算機處理流程1.2 計算機的歷史輸入到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)既可以是用戶通過鍵盤輸入的，也可以來自于其他的設(shè)備，如數(shù)碼相機或數(shù)字攝像機或其他的計算機。輸入設(shè)備如鍵盤或鼠標，可收集輸入數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的信號，以供計算機存儲和處理。輸出指的是計算機的處理結(jié)果。

10、常見的計算機輸出形式有報表、文檔、音樂、圖形和圖像。用戶可通過計算機的顯示屏查看輸出結(jié)果，也可將其通過打印機在紙上進行打印或者是刻錄到光盤。1.2 計算機的歷史計算工具的發(fā)展歷史1.2 計算機的歷史計算工具的發(fā)展歷史到了19世紀初，英國數(shù)學家查爾斯巴比奇（Charles Babbage，1792-1871）取得了突破性進展，計算機不但能快速地完成加、減、乘、除運算，還能夠自動完成復雜的運算，從手動機械躍入自動機械的新時代。同時巴比奇還提出了分析機的新設(shè)計思想。分析機（如圖1.22所示）的重要貢獻就在于它包括了現(xiàn)代計算機所具有的5個基本組成部分。（1）輸入裝置：用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)。（2）存儲裝置

11、：既能存儲運算數(shù)據(jù)，又能存儲運算結(jié)果。（3）資料處理裝置：完成加、減、乘、除運算。還能根據(jù)運算結(jié)果的符號改變運算的進程。也就是能實現(xiàn)現(xiàn)代的條件轉(zhuǎn)移指令。（4）控制裝置：使用指令進行控制，用程序自動改變操作次序。（5）輸出裝置：用穿孔卡片或打印方法輸出。1.2 計算機的歷史 巴比奇 巴比奇分析機1.2 計算機的歷史英國著名詩人拜倫的女兒Ada（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）在劍橋大學幫助巴比奇研究分析機時，她意識到巴比奇對新分析機的設(shè)計思想完全可行，也非常支持巴比奇的工作。Ada建議用二進制存儲取代原設(shè)計的十進制存儲。她指出分析機可以像雅各織布機一樣進行編程，并發(fā)

12、現(xiàn)了程序設(shè)計和編程的基本要素，還為某些計算開發(fā)了一些指令。由于她在程序設(shè)計上的開創(chuàng)性工作，被譽為世界上第一位程序員。1.2 計算機的歷史第一次采用電器元件來制造計算機的是德國工程師朱斯（K. Zuse）。1941年，他的Z-3計算機開始運轉(zhuǎn)，這是世界上真正的第一臺通用程序控制計算機（如圖1.23所示）。Z-3不僅全部采用繼電器，同時采用了浮點記數(shù)法、二進制運算、帶數(shù)字存儲地址的指令形式等。1936年美國哈佛大學應(yīng)用數(shù)學教授霍華德艾肯（Howard Aiken，1900-1973）受了巴比奇和愛達的筆記后，受到啟發(fā)并在IBM公司的大力支持下，研制成功了被稱為Mark-I的計算機（如圖1.24所示

13、）。Mark-I是個龐然大物，長15.5米，高2.4米，由75萬個零部件組成。它用大量的繼電器作為開關(guān)元件，用十進制計數(shù)齒輪組作為存儲器，用穿孔紙帶進行程序控制。1.2 計算機的歷史第二次世界大戰(zhàn)期間，美國賓夕法尼亞大學莫爾學院電工系同阿伯丁彈道研究實驗室共同負責為陸軍每天提供六張火力表，這一任務(wù)非常困難和緊迫。正是在該背景下，促成了第一臺電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer，簡稱ENIAC）的產(chǎn)生。ENIAC起初是專門用于彈道計算，后來經(jīng)過多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。ENIAC占地面積達170平方米，

14、差不多相當于10間普通房間的大??；使用了大約18000只電子管，1500個繼電器，70000只電阻，18000只電容。ENIAC的最大特點就是采用了電子線路來執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和儲存信息。由于廣泛采用了電子線路，ENIAC同以往計算機相比最突出的優(yōu)點就是高速度。1.2 計算機的歷史1.2 計算機的歷史計算機硬件的發(fā)展歷史第一代計算機 以真空管作為主要元器件，體積龐大，價格昂貴，采用二進制代替十進制，程序雖然可以存儲，但存儲設(shè)備還比較落后，輸入輸出裝置主要用穿孔卡、速度很慢。只有專家們方可使用。第二代計算機 以晶體管代替電子管，減小計算機體積的同時，也降低了費用，使得中小企業(yè)也能負擔得起。普

15、遍采用磁心存儲器作為主存，并且采用磁帶和磁盤作為輔存，使存儲容量增大，可靠性提高，為操作系統(tǒng)的發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。與此同時，變址寄存器、浮點數(shù)據(jù)表示、間接尋址、中斷、I/O處理機等現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)的特性相繼出現(xiàn)。同時程序設(shè)計語言也有了很大發(fā)展，先是用匯編代替了機器語言，接著又出現(xiàn)了高級語言FORTRAN、COBOL。第三代計算機 用集成電路取代晶體管，更加減少了計算機的成本和大小。用半導體存儲器淘汰了磁心存儲器，普遍采用了微程序設(shè)計技術(shù)，系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件都有很大發(fā)展，出現(xiàn)了第一代小型計算機（minicomputer），如DEC的PDP-8。1.2 計算機的歷史計算機硬件的發(fā)展歷史第四代計算

16、機 用微處理器（microprocessor）或超大規(guī)模集成電路VLSI（Vely Large Scale Integration）取代了普通集成電路。存儲容量進一步擴大，輸入采用了OCR（字符識別）與條形碼，輸出采用了激光打印機，以及引進光盤和新的程序設(shè)計語言Pascal、Ada。微型計算機也蓬勃發(fā)展起來，使得計算技術(shù)由集中化向分散化轉(zhuǎn)變。與此同時，數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式處理有了很大的發(fā)展。Internet、廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（CAN）和局域網(wǎng)（LAN）的發(fā)展將世界各地緊密地聯(lián)系在一起。當前的計算機依然屬于第四代計算機。第五代計算機 很多國家的學術(shù)團體都對未來計算機的發(fā)展有所研究

17、和期望。第五代計算機系統(tǒng)將會擁有智能特性，帶有知識表示與推理能力，可以模擬人的設(shè)計、分析、決策、計劃以及其他智能活動并具有人機自然通信能力，可作為各種信息化企業(yè)的智能助手。1.2 計算機的歷史計算機硬件的發(fā)展歷史計算機的發(fā)展趨勢為巨型化、微型化、多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。（1）巨型化 巨型化是指運算高速、大存儲容量和強功能的超大型計算機。這不僅是尖端科學（如氣象、宇航、核反應(yīng)等）及新興學科（生物工程、基因工程）的需要，也為了使得計算機具有人腦學習、推理的復雜功能。（2）微型化 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得微型機可以滲透到家用電器、導彈彈頭等中、小型機無法進入的領(lǐng)域。（3）多媒體化 以數(shù)

18、字技術(shù)為核心的圖像、聲音等與計算機、通信融為一體的信息環(huán)境。通過這種環(huán)境，無論在什么地方，只需要簡單的設(shè)備，就能自由自在地以接近自然的交互方式收發(fā)所需要的各種媒體信息。（4）網(wǎng)絡(luò)化 不受地理區(qū)域的限制，將分布在不同地點的不同機型的計算機和專門的外部設(shè)備由通信線路互聯(lián)組成一個規(guī)模大、功能強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以達到資源和信息共享的目的。（5）智能化 讓計算機能夠模擬人的感覺、行為和思維過程，使計算機具有一定的邏輯推理、學習和證明等能力，形成智能型計算機。1.2 計算機的歷史計算機軟件的發(fā)展歷史第一代軟件（1951-1959）第一代軟件由機器語言編寫。機器語言是內(nèi)置在計算機電路中的指令。即使求“3+5”的

19、結(jié)果這一簡單計算就需要三條完全由0、1組成的指令。對程序設(shè)計人員而言，需要面對一系列的0、1數(shù)字組合，他們不得不記住每個0、1串代表的含義。由于編寫機器語言程序非常乏味，就有程序設(shè)計員開發(fā)出了一種使用助記碼表示的人工程序設(shè)計語言，這些語言被稱為“匯編”語言。 雖然匯編語言的出現(xiàn)簡化了程序設(shè)計的工作。但每個程序在計算機上執(zhí)行時采用的最終形式依然是機器語言。所以，為了讓匯編語言編寫的程序能夠運行，還需要翻譯程序或匯編器，將每條用助記碼編寫的程序指令翻譯成等價的機器語言。其流程如圖所示。匯編源程序匯編程序翻譯器機器語言程序輸入輸出1.2 計算機的歷史計算機軟件的發(fā)展歷史第二代軟件（1959-1965

20、） 第二代軟件時期開發(fā)的是高級語言，目前仍在使用有FORTRAN、COBOL和Lisp。高級語言的出現(xiàn)使得可以在多臺計算機上運行同一個程序。因為每中高級語言都有配套的翻譯程序，它可將高級語言編寫的語句翻譯成等價的機器語言指令。最早時，高級語言的語句通常被翻譯成匯編語言，然后這些匯編后的語句再被翻譯成機器指令。其流程如圖所示。匯編源程序匯編程序翻譯器機器語言程序輸入輸出高級語言程序輸入高級語言翻譯器輸出1.2 計算機的歷史計算機軟件的發(fā)展歷史第三代軟件（1965-1971） 隨著計算機處理速度的不斷提高，人機矛盾日益凸顯。當人們準備下一批處理數(shù)據(jù)時，計算機無所事事。為了讓計算機的所有資源都在計算

21、機的控制中，需要編寫一種程序來決定何時運行什么程序，這種程序被稱作操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序包系統(tǒng)軟件高級語言匯編語言機器語言1.2 計算機的歷史計算機軟件的發(fā)展歷史第四代軟件（1971-1989） 20世紀70年代出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，這是一種有邏輯、有規(guī)則的程序設(shè)計方法。該階段出現(xiàn)了Pascal、Modula-2、BASIC和C等結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言C+還允許用戶使用低級語句，成為了業(yè)界的選擇。與此同時，更好、更強大的操作系統(tǒng)也被開發(fā)出來了。AT&T公司開發(fā)了UNIX系統(tǒng)；為IBM PC機開發(fā)的PC-DOS和為了兼容開發(fā)的MS-DOS系統(tǒng)都成了個人計算機的標準系統(tǒng)。M

22、acintosh機的操作系統(tǒng)在引入了鼠標和點擊式的圖形界面，徹底改變了人機交互的方式。很多高品質(zhì)的、價格合理的應(yīng)用程序軟件包如電子表格軟件、文字處理軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，也都被系統(tǒng)程序員開發(fā)了出來。1.2 計算機的歷史計算機軟件的發(fā)展歷史第五代軟件（1990至今） 這一時期，操作系統(tǒng)不斷改進，Microsoft公司的Windows操作系統(tǒng)在個人計算機市場占有顯著優(yōu)勢。也是微軟公司的Office套件也逐漸取代了以往的辦公自動化軟件。 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法成為大型程序設(shè)計項目的首選。結(jié)構(gòu)化設(shè)計基于任務(wù)的層次劃分，而面向?qū)ο蟮脑O(shè)計則基于數(shù)據(jù)對象的層次劃分。Sun公司為面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄔO(shè)計的Ja

23、va語言成為了C+語言的競爭對手。1.2 計算機的歷史計算機的分類從不同的角度，可以將計算機分成不同的種類。但目前被廣泛采用的方法是美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers）于1989年11月提出的標準，即把計算機劃分為巨型機、小巨型機、大型機、小型機、工作站和個人計算機6類。 （1）巨型機（Super Computer）在所有計算機類型中功能最強，價格最貴，浮點運算速度最快，常用于戰(zhàn)略武器設(shè)計、空間技術(shù)、石油勘探的概念領(lǐng)域。往往成為衡量一個國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要標志。 （2）小巨型機（Mini

24、 Super Computer）功能略低于巨型機，運算速度每秒10億次，價格只有巨型機的十分之一，可滿足一些較高應(yīng)用需求的用戶。 （3）大型主機（Mainframe）也稱大型電腦，整機運算速度高達每秒30億次，具有很強的處理和管理能力。是規(guī)模較大的銀行、高校和科研院所常用的一種機型。 （4）小型機（Mini Computer） 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本較低，不需要經(jīng)長期培訓即可維護和使用，比較適用于中小客戶。 （5）工作站（Workstation） 介于小型機和個人計算機之間的一種高檔微機，主要用于特殊的專業(yè)領(lǐng)域，如圖像處理、計算機輔助設(shè)計等。 （6）個人計算機（Personal Comput

25、er，簡稱PC） 日常生活中最常見的一種機型。因其軟件豐富、處理能力強、價格便宜等優(yōu)勢深受普通用戶的青睞。目前，PC機除了臺式的，還有膝上型、筆記本型、掌上型、手表型等。1.2 計算機的歷史計算機的特點運算速度快 目前計算機的運算速度（也稱處理速度）用MIPS（每秒百萬條指令）來衡量。計算機如此高的運算速度是其他任何計算工具無法比擬的，它使得以往需要幾年甚至幾十年才能完成的復雜運算任務(wù)，現(xiàn)在只需要幾天、幾小時、甚至更短的時間就可完成計算精度高 計算機內(nèi)的數(shù)采用二進制編碼，數(shù)的精度由該數(shù)所對應(yīng)的二進制碼的位數(shù)決定，所以通過增加數(shù)的二進制位數(shù)來提高精度，位數(shù)越多精度就越高。具有記憶能力 計算機具有

26、內(nèi)存和外部存儲器，內(nèi)存用來存儲正在運行中的程序和有關(guān)數(shù)據(jù)，外存儲器用來存儲需要長期保存的數(shù)據(jù)。這就像人的“大腦”一樣，能夠記憶數(shù)據(jù)。具有邏輯判斷能力 計算機在運行過程中，能夠根據(jù)上一步的結(jié)果判斷下一步該執(zhí)行的指令。這就使得計算機不僅能夠完成數(shù)值計算工作，還可以完成非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理工作，如信息檢索、圖像識別等。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機科學與技術(shù)學科的研究范疇 計算機與技術(shù)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，按照研究的內(nèi)容，可以劃分為基礎(chǔ)理論、專業(yè)基礎(chǔ)和應(yīng)用三個層面。在這些研究領(lǐng)域中，有的方面前人已經(jīng)研究得比較透徹，取得了很多成果，需要我們在后續(xù)課程中去學習、掌握和

27、繼承；有的方面還不夠成熟和完備，需要我們進一步去研究、完善和發(fā)展。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機理論的研究內(nèi)容離散數(shù)學：是計算機科學的理論基礎(chǔ)，主要研究數(shù)理邏輯、集合論和圖論等。算法分析理論：主要研究算法設(shè)計與分析中的數(shù)學方法與理論，如概率論、數(shù)理統(tǒng)計等，用于分析算法的時間復雜度和空間復雜度。形式語言與自動機理論：研究程序設(shè)計語言以及自然語言的形式化定義、分類、結(jié)構(gòu)等有關(guān)理論以及識別各類語言的形式化模型及其相互關(guān)系。程序設(shè)計語言理論：運用數(shù)學和計算機科學的理論研究程序設(shè)計語言的基本規(guī)律，包括形式語言文法理論、形式語義學（如代數(shù)語義、操縱語義等）和計算語言學等。程序設(shè)計方法學：研究如何從

28、號結(jié)構(gòu)的程序定義出發(fā)，通過對構(gòu)成程序的基本結(jié)構(gòu)的分析，給出能保證高質(zhì)量程序的各種程序設(shè)計規(guī)范化方法，并研究程序正確性證明理論、形式化驗證技術(shù)等。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機硬件的研究內(nèi)容元器件與存儲介質(zhì)：研究構(gòu)成計算機硬件的各類電子的、磁性的、超導的、光學的元器件和存儲介質(zhì)。微電子技術(shù)：研究各類集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路芯片的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)等。計算機組成原理：研究通用計算機的硬件組成結(jié)構(gòu)以及運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設(shè)備等各部件得構(gòu)成和工作原理。微型計算機技術(shù)：研究使用廣泛的微型計算機的組成原理、結(jié)構(gòu)、芯片、接口及其應(yīng)用技術(shù)。計算機體系結(jié)構(gòu)：研究計算機軟硬件的

29、總體結(jié)構(gòu)、各種新型體系結(jié)構(gòu)（如并行計算機系統(tǒng)、陳列計算機、集群計算機、網(wǎng)絡(luò)計算機）以及提高計算機性能的各種新技術(shù)。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機軟件的研究內(nèi)容程序設(shè)計語言的設(shè)計：設(shè)計新穎的程序設(shè)計語言，包括定義程序設(shè)計語言的詞法規(guī)則、語法規(guī)則和語義規(guī)則。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法：對數(shù)據(jù)的邏輯和物理結(jié)構(gòu)定義相應(yīng)的運算，設(shè)計出實現(xiàn)這些運算的算法，并確保經(jīng)過這些運算后所得到的新結(jié)構(gòu)仍然是原來的結(jié)構(gòu)類型。常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：線性表、棧、隊列、串、樹和圖等。相關(guān)的算法有查找、內(nèi)部排序和外部排序等。程序設(shè)計語言翻譯系統(tǒng)：研究程序設(shè)計語言翻譯系統(tǒng)的基本理論、原理和實現(xiàn)技術(shù)，如詞法規(guī)則和語法規(guī)則的形式化定義、程

30、序設(shè)計語言翻譯系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其各模塊（如詞法分析、語法分析、中間代碼生成、優(yōu)化和目標代碼生成）的實現(xiàn)技術(shù)。操作系統(tǒng)：研究如何自動地對計算機系統(tǒng)的軟件和硬件資源進行有效的管理，最大限度地方便用戶的使用。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：研究數(shù)據(jù)模型以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)。其中包括：數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫語言、數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)、查詢處理、查詢優(yōu)化、事務(wù)管理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用以及數(shù)據(jù)倉庫等。算法設(shè)計與分析：研究計算機相關(guān)領(lǐng)域中常用算法的設(shè)計方法，分析算法的時間和空間復雜度以評價算法的優(yōu)劣。有排序算法、串匹配算法、并行算法和模糊算法等。軟件工程學：指導計算機軟件開發(fā)和維護的工程學科，研究如何采用工程

31、的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)和維護軟件?？梢暬夹g(shù)：可視化技術(shù)研究如何用圖形和圖像來直觀地表征數(shù)據(jù)，即用計算機來生成、處理、顯示能在屏幕上逼真運動的三維形體，并能與人進行交互式對話。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：研究局域網(wǎng)、遠程網(wǎng)、Internet、Intranet等各種網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和構(gòu)成方法及接入方式。數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：研究實現(xiàn)連接在網(wǎng)絡(luò)上的計算機之間進行數(shù)據(jù)通信（如衛(wèi)星、微波、寬帶、光纖、有線、無線）的介質(zhì)、原理、技術(shù)以及通信雙方必須共同遵守的各種規(guī)約。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：研究如何為計算機網(wǎng)絡(luò)的用戶提供方便的遠程登錄、文件傳輸、電子郵件、信息瀏覽、文檔查詢、網(wǎng)絡(luò)

32、新聞以及全球范圍內(nèi)的超媒體信息瀏覽等服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)安全：研究計算機網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備安全、軟件安全、信息安全以及病毒防治等技術(shù)，以提高計算機網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機應(yīng)用的研究內(nèi)容軟件開發(fā)工具：研究軟件開發(fā)工具的有關(guān)技術(shù)（如程序調(diào)試技術(shù)、代碼優(yōu)化技術(shù)、軟件重用技術(shù)、軟件自動生成技術(shù)等）以及研制各種新型的程序設(shè)計語言及其翻譯系統(tǒng)、文字和報表處理工具、數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具、多媒體開發(fā)工具等。完善已有的應(yīng)用系統(tǒng)：根據(jù)最新的技術(shù)平臺和實際需求對已有的應(yīng)用系統(tǒng)進行升級和改造，使其功能更加強大，更加易于使用。開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域：研究如何打破計算機的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，擴大計算機在國民經(jīng)濟和社會生

33、活中的應(yīng)用。人機工程：研究人與計算機的交互和協(xié)同技術(shù)，為人們使用計算機提供更加友好的環(huán)境和界面。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介計算機科學與技術(shù)學科中的基本問題 漢諾塔問題 證比求易法并行計算 找零問題 哲學家進餐問題1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介漢諾塔問題 相傳，印度教的天神梵天在創(chuàng)造地球時建了一座神廟，廟里豎有3根寶石柱子，柱子由一個銅座支撐。梵天將64個直徑大小不一的金盤子，按照從大到小的順序依次套放在第一根柱子上，形成一座金塔（梵天塔或漢諾塔）。天神讓廟里的僧侶們將第一根柱子上的64個盤子借助第二根柱子全部移到第三根柱子上，即將整個塔遷移，同時定下3條規(guī)則： 每次只能移動一個盤子；

34、盤子只能在3根柱子上來回移動，不能放在他處； 在移動過程中，3根柱子上的盤子必須始終保持大盤在下，小盤在上。 當時僧侶們在對該問題分析之后預言，當所有的進盤子都移動到第三根柱子上時，世界就將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡。 如果沒有科學的分析過程，也許我們會認為以上說法是駭人聽聞的。但當使用計算機解決這一問題時，漢諾塔問題就是一個典型的用遞歸方法求解的問題。遞歸是計算學科中的一個重要概念。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介 所謂遞歸，就是將一個較大的問題歸約為一個或多個子問題的求解方法。按照遞歸的方法，可將64個盤子的移動問題轉(zhuǎn)化為求解63個盤子的問題。如果63個盤子的能解決

35、，則可先將63個盤子移動到第二根柱子上，再將一個盤子直接移動到第三根柱子上，最后又一次將63個盤子借助于第一根柱子，移動到第三根柱子上。依此類推，63個盤子的移動問題又可轉(zhuǎn)化為62個盤子的移動問題，62個盤子的移動問題又可轉(zhuǎn)化為61個盤子的移動問題，直到1個盤子的求解問題。再由1個盤子的漢諾塔問題的求解求出2個盤子的移動方法，直到求出64個盤子的移動方法。由此，可用C語言對該問題的求解進行描述。 Hanoi(i,char left,char middle,char right) If i=1 Move(1,left,_,right); Else Hanoi(n-1,left,middle,ri

36、ght); Move(1,left,_,right); Hanoi(n-1,middle,left,right);1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介證比求易法并行計算 從前，有一個酷愛數(shù)學的年輕國王艾述向鄰國一位聰明美麗的公主秋碧貞楠求婚。公主出了這樣一道題：求出48 770 428 433 377 171的一個真因子。若國王能在一天之內(nèi)求出答案，公主便接受他的求婚。國王回去后立即開始逐個數(shù)地進行計算，他從早到晚，共算了3萬多個數(shù)，最終還是沒有結(jié)果。于是國王向時任宰相的大數(shù)學家孔煥石求教，大數(shù)學家在仔細思考后認為這個數(shù)為17位，則最小的一個真因子不會超過9位，于是他給國王出了一個主意：按自然數(shù)的

37、順序給全國老百姓每人編一個號發(fā)下去，讓每個老百姓用自己的編號去除這個數(shù)，除盡了立即上報。最后，國王用這個方法求婚成功。 這位數(shù)學家所用的方法就是并行算法，在某些場合，用順序算法難以求解的問題，可用并行算法解決。但大家也會意識到一個問題，使用并行算法時，空間方面的復雜度較高，如果空間受到了限制，那么需要用計算機解決的難解性問題，還需要從降低時間復雜度入手。1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介找零問題 有一顧客拿一面值100元的鈔票在超市買了4元錢的商品，收銀員需要找96元的零錢，該如何選擇呢？ 一般情況下，雖然可有多種找法，但是收銀員會憑直覺選擇1張50元的，兩張20元的，1張5元的和1張1元的，這可使得找的零錢數(shù)目最少。 收銀員采用的方法，就是一種典型的貪婪算法?？梢宰C明，按照這種方法找到的零錢數(shù)目的確最少。 貪婪算法也被用在在計算機求解問題的很多場合。它是一種典型的啟發(fā)式算法，它采用逐步構(gòu)造最優(yōu)解的方法，即在算法的每個階段都做出在當時看上去最好的決策，以獲得最大的“好處”。換言之，就是在每一個決策過程中都要盡可能的“貪”，直到算法中的某一步不能繼續(xù)前進時，算法才停止。1.3 計算機科學與技術(shù)