《計算機科學(xué)導(dǎo)論》概述課件

1、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！課程的主要內(nèi)容計算機基礎(chǔ)知識計算機體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)程序設(shè)計與算法信息系統(tǒng)軟件工程圖形學(xué)和可視化計算智能系統(tǒng)離散結(jié)構(gòu)與信息系統(tǒng)有關(guān)的人文知識課程的學(xué)習(xí)目的了解計算機學(xué)科的發(fā)展把握計算機學(xué)科的研究方向、發(fā)展前沿及每門課程在學(xué)科中的地位搞清各學(xué)科的學(xué)習(xí)目的、學(xué)習(xí)內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域，在學(xué)科的學(xué)習(xí)初期對整個學(xué)科有個初步的認識，以做到在今后的學(xué)習(xí)中知道要學(xué)什么、怎么學(xué)掌握常用的計算機操作技能第一章 概 述本章學(xué)習(xí)目標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

2、技術(shù)學(xué)科概述了解計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的知識體系了解計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教育計算機是什么？ Computers are everywhere！計算機成了社會的必需品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：算題（科學(xué)計算）制作圖案處理文字記錄事實控制其他機器游戲發(fā)送消息識別語音 問題：大多數(shù)機器只能做一類事，為什么計算機能夠做許多種不同的事？是不是計算機什么事都能做？計算機是一臺快速，笨拙的機器只有有限的能力。只能進行基本的數(shù)學(xué)運算與邏輯比較。必須由程序來指示它做什么事。 George Beekman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，

3、.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。簡而言之，計算機與程序員實現(xiàn)了完美的配合。 Jamie Shiers1.1 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，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。2. 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 3. 機械計算機法國科

4、學(xué)家布萊斯帕斯卡(Blaise Pascal：16231662年)是被公認為是制造出機械計算機的第一人。 3. 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 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。 4. 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) 。4. 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。 5. 差分機和分析機英國劍橋大學(xué)著名科學(xué)

5、家查理斯巴貝奇(Charles Babbage：17921871年)在1822年研制出第一臺差分機。 Babbage(17921871年)6. 模擬計算機19世紀末，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。 6. 模擬計算機托馬斯沃森(T.Watson)和IBM 6. 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)6. 模擬計算機1938年，美國數(shù)學(xué)家香

6、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，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。6. 模擬計算機1939年，楚澤繼電器組裝了Z-2。1941年，楚澤的電磁式計算機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

7、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。 Z3 重建Z1 Z4 老年楚澤（中） 數(shù)字計算機之父6. 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)明者是美國哈佛大學(xué)艾肯(H.Aiken)博士。1. 圖靈1939年， “圖靈炸彈”(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

8、表演，被稱為世界上最快最強有力的電子計算機。1. 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 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。圖靈紀念館2. 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

9、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” 。 2. 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。2. ENIAC和馮諾依曼這臺名為 ENIAC

10、(電子數(shù)字積分計算機的縮寫）的機器，使用18800個電子管，1500多個繼電器，耗電150千瓦，占地170平方米，重達30噸，可謂“龐然大物”也。2. 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”(Electronic 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”。 2. ENIAC和馮諾依曼1946年，英國劍橋大學(xué)威爾克斯(M.Wilk

11、es)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(Electronic Delay Storage Automatic Calculator：EDSAC)，由此，他獲得了1967年度“圖靈獎”。1.1.3 計算機的發(fā)展階段計算機的出現(xiàn)是二十世紀最輝煌的成就之一，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

12、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、IBM650(小型機)、IBM709(大型機)等。 2. 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。 3. 第三代計算機(1

13、965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。計算機開始定向標準化、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。4. 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)

14、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。新一代的計算機現(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

15、輸入和輸出。新代計算機的研究目標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。 1.2 計算機系統(tǒng)計算機系統(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

16、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。 1.2.1 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曼計算機，其體系結(jié)構(gòu)稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 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。 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

17、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。 計算機的五大部件 1. 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。 2. 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?；竟δ芫褪菑膬?nèi)存中

18、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)。 3. 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

19、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。 4.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。1.2.2 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

20、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。1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。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。2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準化、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

21、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。1.2.3 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1.2.4 計算機系統(tǒng)主要技術(shù)指標1字長2時鐘周期和主頻3運算速度4內(nèi)存容量5數(shù)據(jù)輸入輸出最高速率1.2.5 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

22、Computer)和專用計算機(Special Purpose Computer )兩大類。 根據(jù)計算機的總體規(guī)模(按照計算機的字長、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。1.2.6 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)

23、即輸入(Input)、處理(Processing)、輸出(Output)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1.3 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1.3.2 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. 新型計算機擁有最強的并行計算能力，主要用于科學(xué)計算。在氣象、軍事、能源等領(lǐng)域承

24、擔(dān)大規(guī)模、高速度的計算任務(wù)。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百億次機大中型計算機具有比小型機更強的數(shù)據(jù)處理能力。價格比小型機高。在銀行等最早使用計算機的行業(yè)中廣泛使用。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)器小型計算機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。多個用戶可以同時使用（多用戶，Multi-user）。目前主要用作服務(wù)器。微型計算機（微機，Microcomputer）臺式計算機（Desktop）是通用計算機。通常是由一個用戶來使用（單用戶，Single-user

25、）。配有文字、聲音、圖像等輸入輸出設(shè)備?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)與其他計算機相連。高檔臺式機可充當(dāng)服務(wù)器。微型計算機（微機，Microcomputer）膝上型電腦（Laptop）/ 筆記本計算機（Notebook）功能與臺式機類似。一體化結(jié)構(gòu)。耗電更少，并配有電池，可在沒有交流電源的場合使用?？裳b在文件包中。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）向用戶提供專門的功能?？侩姵毓╇??？裳b在衣袋中。有些已具有無線通信能力。是嵌入式計算機的一類。工作站（Workstation）以聯(lián)網(wǎng)為標志。計算能力比

26、臺式機更強，特別是在圖形處理方面。價格比臺式機高得多。隨著臺式機能力的不斷提高，有可能被臺式機所替代。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)器網(wǎng)絡(luò)計算機（net computer）一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)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 1.4 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)

27、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。1.4.2 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

28、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。 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

29、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(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(Orderi

30、ng in Time)、重用(Reuse)、安全性(Security)、折衷(Tradeoff)和結(jié)論(Consequences)。 1.4.3 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（數(shù)學(xué)）2抽象（模型）3設(shè)計（工程）1.4.4 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1.5 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的知識體系1.5.1 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的形成與發(fā)展 計算機科學(xué)是從電子學(xué)、科學(xué)、數(shù)理邏輯和計算數(shù)學(xué)的交界處發(fā)展起來的。 CC2001和CC200

31、2教程鼓勵計算機科學(xué)和工程中教學(xué)計劃的多樣性，并要求有公共內(nèi)核，該內(nèi)核定義成一系列知識單元，可用這些知識單元組合課程。 CC2001和CCC2002教程中把學(xué)科所包含的教學(xué)內(nèi)容歸結(jié)為14個知識體，提煉出了更精簡的核心知識單元。 為了適應(yīng)目前技術(shù)和應(yīng)用的需要，CC2001和CCC2002教程提出把原來的計算學(xué)科劃分成計算機科學(xué)、計算機工程、軟件工程、信息系統(tǒng)等四個方向，并準備分別制訂各自的教學(xué)計劃綱要。1.5.2 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

32、本規(guī)律及各領(lǐng)域的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了一個系統(tǒng)化、邏輯化的認知模型，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)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。 1.5.3 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

33、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)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)。1.5.4 計算機科學(xué)課程體系的核心內(nèi)容計算學(xué)科課程體系的教學(xué)內(nèi)容歸