計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論(Lec01)

第1章計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)概述（第1.2/9次課）

主講:

BigGuo

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院?信息學(xué)院中國廣州提綱歷史和發(fā)展一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算學(xué)科概述二三學(xué)問體系四學(xué)科教化本章小結(jié)五六提綱一.歷史和發(fā)展歷史發(fā)展階段二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)工作方式和特點(diǎn)指標(biāo)分類三.計(jì)算學(xué)科概述

定義、本質(zhì)3個(gè)形態(tài)四.學(xué)問體系學(xué)科歷史和發(fā)展學(xué)科內(nèi)涵學(xué)科外延五.學(xué)科教化目的和要求學(xué)習(xí)方法論六.本章小結(jié)結(jié)構(gòu)圖重點(diǎn)/難點(diǎn)〇.計(jì)算機(jī)的定義一臺(tái)快速、笨拙的機(jī)器Havelimitedcapabilities.Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo?！溃〨eorgeBeekman《計(jì)算機(jī)通論——探究明天的技術(shù)》作者Acomputerisastupidmachinewiththeabilitytodoincrediblysmartthings,…whilecomputerprogrammersaresmartpeoplewiththeabilitytodoincrediblystupidthings.Theyare,inshort,aperfectmatch.——JamieShiers〇.計(jì)算機(jī)的定義計(jì)算機(jī)的定義

〇.計(jì)算機(jī)的定義計(jì)算機(jī)是一種能依據(jù)事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)地、高速地、精確地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，并且具有記憶(存儲(chǔ))實(shí)力、邏輯推斷實(shí)力、牢靠性能的數(shù)字化信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展探究的歷史過程1/3人類制造計(jì)算工具的歷史?古今中外：算籌、算盤、機(jī)械計(jì)算（加法器、差分機(jī)等）一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展1歷史1/12

祖沖之(429—500年)算籌算盤123456789102030405060708090?機(jī)械計(jì)算機(jī)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(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)機(jī)械式計(jì)算機(jī)：借助于各種機(jī)械裝置自動(dòng)傳送十進(jìn)位，而機(jī)械裝置的動(dòng)力來自計(jì)算人員的手。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史2/12探究的歷史過程2/31法國科學(xué)家布萊斯?帕斯卡(BlaisePascal：1623—1662年)是被公認(rèn)為是制造出機(jī)械計(jì)算機(jī)的第一人。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史3/12?機(jī)械計(jì)算機(jī)德國著名數(shù)學(xué)家戈特弗里德?威廉?萊布尼茨(GottfriedWilhelmLeibniz：1646—1716年)將帕斯卡的“加法器”擴(kuò)大為乘除運(yùn)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(jìn)制數(shù)之真諦。?機(jī)械計(jì)算機(jī)一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史4/12法國機(jī)械師約瑟夫?杰卡德(JosephJacquard)，大約在1801年完成了“自動(dòng)提花編織機(jī)”的設(shè)計(jì)制作，真正成功地改進(jìn)了提花機(jī)。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史5/12?提花機(jī)Babbage(1792—1871年)“計(jì)算之父”一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史6/12?差分機(jī)和分析機(jī)英國劍橋高校著名科學(xué)家查理斯?巴貝奇(CharlesBabbage：1792—1871年)在1822年研制出第一臺(tái)差分機(jī)。AdaLovelace（1815-1852）為Babbage的分析機(jī)設(shè)計(jì)了程序，被稱為“第一位程序員”。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史7/12計(jì)算理論的奠基人1936年，阿倫?圖靈(AlanTuring：1912—1954年)在他的一篇具有劃時(shí)代意義的論文——《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》中，論述了一種假想的通用計(jì)算器，也就是志向計(jì)算機(jī)，被后人稱為“圖靈機(jī)”(TuringMachine——TM)。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史8/12計(jì)算理論探究的歷史過程3/311954年，42歲的圖靈英年早逝。從1966年起先，每年由美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(AssociationforComputingMachinery——ACM)頒發(fā)“圖靈獎(jiǎng)”(TuringAward)給世界上最優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)科學(xué)家。圖靈紀(jì)念://.uk/turing/一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史9/12?一般以1946年的ENIAC為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的誕生年份?馮?諾伊曼：參與并提出了一些現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的思想?馮?諾伊曼機(jī)：存儲(chǔ)程序、5大部件這臺(tái)名為ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的縮寫）的機(jī)器，運(yùn)用18800個(gè)電子管，1500多個(gè)繼電器，耗電150千瓦，占地170平方米，重達(dá)30噸，可謂“碩大無朋”也。歷史10/12一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)

1/22ENIAC的主要任務(wù)是分析炮彈軌跡。當(dāng)ENIAC公開展出時(shí)，一條炮彈的軌道用20s就能算出來，比炮彈本身的飛行速度還快。一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史11/12一般認(rèn)為4個(gè)階段：按電子器件劃分第一代1946～1957電子管第二代1958～1964晶體管第三代1965～1972中小規(guī)模集成電路第四代1972～大/超大規(guī)模集成電路記憶順口溜：一子二體三集四成新一代計(jì)算機(jī)：?多種技術(shù)：微電子、光學(xué)、量子、電子仿生、生物等?已有部分試驗(yàn)原型：走向好用一.計(jì)算機(jī)的歷史和發(fā)展歷史12/12現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)

2/22二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一種依據(jù)事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、處理、輸出和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成。物質(zhì)基礎(chǔ)、電子器件組成限制指揮硬件工作、指令/代碼/程序馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)基本工作原理：(2點(diǎn))馮?諾伊曼思想：(3點(diǎn))二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1事先設(shè)計(jì)存儲(chǔ)程序機(jī)器自動(dòng)程序限制運(yùn)用二進(jìn)制運(yùn)算接受存儲(chǔ)程序思想構(gòu)造計(jì)算機(jī)的5大部件運(yùn)算器限制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1/6硬件結(jié)構(gòu)圖5大部件結(jié)構(gòu)留意：該結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)，它以限制器為中心2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2/6二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit——ALU)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)3/6二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3算術(shù)運(yùn)算基本邏輯運(yùn)算與、或、非限制器2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)4/6二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令限制器按程序計(jì)數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進(jìn)行譯碼，然后依據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出限制吩咐，執(zhí)行該指令。另外，限制器在工作過程中，還要接受各部件反饋回來的信息。中心處理器把運(yùn)算器、限制器做在一個(gè)大規(guī)模集成電路塊上CPU(CentralProcessingUnit)2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)5/6二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器5存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)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。2種動(dòng)作“寫入”“讀出”向存儲(chǔ)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(chǔ)器里取出信息，也稱為“讀出”，信息讀出后并不破壞原來存儲(chǔ)的內(nèi)容，因此信息可以重復(fù)取出，多次利用。2種類型“內(nèi)存儲(chǔ)器”“外存儲(chǔ)器”運(yùn)算器限制器主機(jī)輸入、輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號(hào)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(jī)、繪圖儀等2.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)6/6二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6軟件的定義各種程序及其相關(guān)文檔的集合不僅僅是程序一般分2類：軟件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、限制硬件解決應(yīng)用問題例如：操作系統(tǒng)（WindowsXP、Vista）、程序設(shè)計(jì)語言處理系統(tǒng)例如：辦公自動(dòng)化軟件（Word、WPS）、教務(wù)系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件124步循環(huán)IPOS輸入處理輸出存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)速度快、精度高邏輯運(yùn)算實(shí)力和記憶實(shí)力高度自動(dòng)化和敏捷性二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)124.計(jì)算機(jī)的工作方式及特點(diǎn)時(shí)鐘周期T：執(zhí)行微指令的時(shí)間主頻：f=1/T，現(xiàn)在一般用MHz表示，量級(jí)達(dá)到G表示數(shù)據(jù)、指令的若干二進(jìn)制位的長度數(shù)據(jù)字、指令字1個(gè)字節(jié)（byte）：8個(gè)二進(jìn)制位評(píng)價(jià)用途：計(jì)算實(shí)力強(qiáng)弱、精度凹凸、速度快慢字長二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12時(shí)鐘周期和主頻5.計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)1/2內(nèi)存容量以字節(jié)為單位：容量單位：字節(jié)、K（1024個(gè)字節(jié)）、M、G、T等MIPS：每秒執(zhí)行百萬次指令數(shù)基準(zhǔn)程序測(cè)試集:1KB（千）＝1024（210）字節(jié)，1MB(兆)＝1024KB＝220B，1GB（千兆）＝1024MB=230B，1TB（萬兆）＝1024GB=240B

運(yùn)算速度二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)345.計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)2/2三.計(jì)算學(xué)科概述計(jì)算學(xué)科是對(duì)描述和變換信息的算法過程，包括對(duì)理論分析、設(shè)計(jì)、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等進(jìn)行的系統(tǒng)探討時(shí)間：形成于20世紀(jì)40年頭初期外延：理論研究工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算學(xué)科定義三.計(jì)算學(xué)科概述11.計(jì)算學(xué)科定義和本質(zhì)1/2根本問題──能行性（或者可計(jì)算性）根本任務(wù)：計(jì)算什么能被有效地自動(dòng)計(jì)算凡是與能行性有關(guān)的探討都是處理離散對(duì)象的連續(xù)問題離散化思維即計(jì)算、認(rèn)知即計(jì)算計(jì)算視覺計(jì)算語言學(xué)、計(jì)算哲學(xué)……本質(zhì)三.計(jì)算學(xué)科概述21.計(jì)算學(xué)科定義和本質(zhì)2/2計(jì)算學(xué)科抽象設(shè)計(jì)理論數(shù)學(xué)自然科學(xué)工程形式化工程化模型化三.計(jì)算學(xué)科概述2.計(jì)算學(xué)科的3個(gè)形態(tài)四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的

學(xué)問體系歷史時(shí)間：20世紀(jì)50年頭初學(xué)科內(nèi)容：不斷豐富、細(xì)分，完善發(fā)展教化界重視：起先制定“計(jì)算學(xué)科教程”，以構(gòu)建學(xué)問體系適應(yīng)計(jì)算機(jī)工業(yè)界發(fā)展：推陳出新。但還是難以跟上工業(yè)發(fā)展4個(gè)方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程、信息系統(tǒng)（據(jù)CC2001/CCC2002）四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的學(xué)問體系1.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的歷史與發(fā)展12探討計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲得、表示、存儲(chǔ)、處理、限制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科，包括科學(xué)與技術(shù)兩方面?？茖W(xué)：現(xiàn)象探討、規(guī)律揭示技術(shù)：方法實(shí)現(xiàn)、工藝手段特點(diǎn)：科學(xué)性與工程性并重定義四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的學(xué)問體系12.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)涵1/2什么能被有效地自動(dòng)化重要工具數(shù)學(xué)重要手段建立物理符號(hào)系統(tǒng)、并實(shí)施變換根本問題四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的學(xué)問體系22.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)涵2/2基礎(chǔ)理論專業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)用三個(gè)層面探討范疇計(jì)算機(jī)理論：硬件：軟件：網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)用：范疇四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的學(xué)問體系13.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的外延1/2離散數(shù)學(xué)、算法設(shè)計(jì)與分析、可計(jì)算理論、程序設(shè)計(jì)方法學(xué)微電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、組成原理、體系結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、軟件工程、可視化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)平安人機(jī)工程、領(lǐng)域應(yīng)用服務(wù)課程集交叉：課程集：核心

課程集離散結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、算法與困難性、組織與體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、程序設(shè)計(jì)語言、人機(jī)交互、圖形學(xué)與可視化計(jì)算、智能系統(tǒng)、信息管理、軟件工程、數(shù)值計(jì)算、社會(huì)和職業(yè)問題體系建構(gòu)課程體系內(nèi)容四.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的學(xué)問體系23.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的外延2/214個(gè)學(xué)問體系五.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教化沖突Moore定律：微處理器的處理實(shí)力每18～24個(gè)月增加1倍教化跟不上產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展：質(zhì)量上的供需沖突日益突出出路教化界：常常變革，加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作產(chǎn)業(yè)界：提高相識(shí)，主動(dòng)溝通，