計算機科學導論第1章概述課件

計算機科學導論學習計算機專業(yè)的第一門基礎課程，本課程將會帶領大家遨游計算機海洋！??！2/6/2023基本要求滿分100分平時30％，其中出勤15％，作業(yè)15％。期末閉卷考試70％。學習完每個章節(jié)后，請自行做課后練習題，課堂講解。不遲到，上課期間未經(jīng)允許不要隨意講話，請自覺關閉手機等通信設備！2/6/2023第一章概述本章學習目標◆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◆了解計算機的應用領域和發(fā)展趨勢◆了解計算機科學與技術學科概述◆了解計算機科學與技術學科的知識體系◆了解計算機科學與技術學科的教育2/6/2023電子數(shù)字計算機電子數(shù)字計算機(ElectronicDigitalComputer)簡稱為電子計算機或計算機，也是人們常說的電腦，是二十世紀最輝煌的成就之一。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)代化智能電子設備。2/6/20231.1.1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家祖沖之(429—500年)借助算籌作為計算工具計算出圓周率

祖沖之(429—500年)2/6/20232.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)術記遺》南宋時期的數(shù)學家楊輝發(fā)明了《乘除通變算寶》2/6/20234.提花機法國機械師約瑟夫?杰卡德(JosephJacquard)，大約在1801年完成了“自動提花編織機”的設計制作，真正成功地改進了提花機。2/6/20235.差分機和分析機英國劍橋大學著名科學家查理斯?巴貝奇(CharlesBabbage：1792—1871年)在1822年研制出第一臺差分機。阿達?奧古斯塔(AdaAugusta：1815—1852年)是計算機領域著名的女程序員。Babbage(1792—1871年)2/6/20236.模擬計算機19世紀末，赫爾曼?霍列瑞斯(HermanHollerith：1860—1929)首先用穿孔卡完成了第一次大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。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的設計。電磁式計算機叫MarkⅠ，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艾肯(H.Aiken)博士。2/6/20231.1.2計算機的產(chǎn)生1.圖靈1936年，阿蘭?圖靈(AlanTuring：1912—1954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用》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)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”(TuringMachine——TM)。2/6/20232.ENIAC和馮·諾依曼1946年2月，美國賓夕法尼亞大學成功研制出了ENIAC，這是世界上第一臺數(shù)字電子計算機。莫爾學院的兩位青年學者——36歲物理學家約翰?莫齊利(JohnMauchly)和他的學生，24歲的電氣工程師布雷斯帕??？颂?PresperEckert)，向戈德斯坦提交了一份研制電子計算機的設計方案——“高速電子管計算裝置的使用”。2/6/20232.ENIAC和馮·諾依曼這臺名為ENIAC(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，10000多個電容和7000多個電阻，耗電150千瓦，占地170平方米，重達30噸，可謂“龐然大物”也。2/6/20232/6/20232.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等高級程序設計語言及相應的編譯程序，降低了程序設計的復雜性。其代表機型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。2/6/20232/6/20232/6/20234.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，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)工具和商品化的應用程序的大量涌現(xiàn)，以及通信技術和計算機網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，使得計算機進入了一個大發(fā)展的階段。2/6/20232/6/20231.2.1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?諾依曼原理構造的計算機又稱馮?諾依曼計算機，其體系結構稱為馮?諾依曼結構。2/6/2023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/輸出設備。2/6/20232.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(CentralProcessingUnit)。2/6/20233.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備，外部設備包括輸入/輸出設備，外存儲器等。2/6/20234.輸入/輸出設備輸入/輸出設備簡稱I/O(Input/Output)設備。用戶通過輸入設備將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，輸出設備將計算機處理的結果(如數(shù)字、字母、符號和圖形)顯示或打印出來。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標器、掃描儀、數(shù)字化儀等；常用的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀等。2/6/20231.2.2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文檔。計算機軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。2/6/20231．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)按照預定的程序運行、工作，從而達到預定的目標。

2/6/20232．應用軟件應用軟件是用戶利用計算機軟、硬件資源為解決各類應用問題而編寫的軟件，包括用戶程序及其說明性文件資料。2/6/20231.2.3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2/6/20231.2.5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(DigitalComputer)、模擬式電子計算機(AnalogComputer)和數(shù)字模擬混合計算機(HybridComputer)。按計算機的用途可分為通用計算機(GeneralPurposeComputer)和專用計算機(SpecialPurposeComputer)兩大類。2/6/2023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(SuperComputer)、大/中型計算機(Mainframe)、小型計算機(Minicomputer)、微型計算機(Microcomputer)和網(wǎng)絡計算機(NetworkComputer)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。2/6/20231.2.6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(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2/6/20231.3計算機的應用領域和發(fā)展趨勢

1.3.1計算機的應用領域1．科學研究和科學計算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．計算機輔助設計/輔助制造/輔助教學5．娛樂2/6/20231.3.2計算機的發(fā)展趨勢1.微型化（microcomputer）2.巨型化（supercompter）3.網(wǎng)絡化（netcomputer）4.智能化5.新型計算機6.普適計算機

下一頁2/6/2023擁有最強的并行計算能力，主要用于科學計算。在氣象、軍事、能源等領域承擔大規(guī)模、高速度的計算任務。趨勢是用許多臺計算機構成一臺超級計算機。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2/6/2023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型超級服務器2/6/2023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）。目前主要用作服務器。2/6/2023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）。配有文字、聲音、圖像等輸入輸出設備?？赏ㄟ^網(wǎng)絡與其他計算機相連。高檔臺式機可充當服務器。2/6/2023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。一體化結構。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。2/6/2023微型計算機（微機，Microcomputer）

掌上型電腦（Palmtop）、個人數(shù)字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）

向用戶提供專門的功能?？侩姵毓╇姟？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。2/6/2023工作站（Workstation）以聯(lián)網(wǎng)為標志。計算能力比臺式機更強，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。2/6/2023服務器（Server）

一種在網(wǎng)絡環(huán)境下為多個用戶提供服務的共享設備?？煞譃槲募掌鳌⑼ㄐ欧掌?、打印服務器等。IBMz系列z900服務器IBMz系列z990服務器2/6/2023網(wǎng)絡計算機（netcomputer）一種在網(wǎng)絡環(huán)境下使用的終端設備，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)絡的服務器中。網(wǎng)絡計算機

2/6/20231.4計算機科學與技術學科概述

1.4.1計算學科的定義

計算學科是對描述和變換信息的算法過程，包括對理論分析、設計、效率、實現(xiàn)和應用等進行的系統(tǒng)研究。計算學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。2/6/20231.4.2計算學科的本質計算學科的根本問題是“什么能被有效地自動進行？”。計算學科的根本問題討論的是能行性的有關內(nèi)容，而凡是與能行性有關的討論都是處理離散對象的。2/6/202