計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論P(yáng)PT完整全套教學(xué)課件

第１章從原始的計(jì)算工具到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)問題引出當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息社會(huì)，其主要特征表現(xiàn)在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，改變了人們的生產(chǎn)和生活方式。那么，計(jì)算機(jī)是怎樣形成的？有哪些特點(diǎn)和應(yīng)用？計(jì)算機(jī)與信息化有何關(guān)系？等等，這些都市本章所要討論的問題。本章主要介紹人類計(jì)算工具的進(jìn)步、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系的形成、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本概況、計(jì)算機(jī)與信息化等。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)要求了解：計(jì)算工具的發(fā)展過程與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)；

計(jì)算機(jī)的類型與發(fā)展。熟悉:信息化與計(jì)算機(jī)的關(guān)系和信息化的相關(guān)概念.掌握:

馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和組成原理。

§1.1

人類計(jì)算工具的進(jìn)步

§1.4計(jì)算機(jī)與信息化

§1.3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本概況

§1.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系的形成本章教學(xué)內(nèi)容從原始的計(jì)算工具到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)§1.1

計(jì)算機(jī)的形成與發(fā)展

從原始的計(jì)算工具到現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)，人類在計(jì)算領(lǐng)域經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展階段,并在各個(gè)歷史時(shí)期發(fā)明和創(chuàng)造了多種計(jì)算工具。晶體管機(jī)電機(jī)械手工大規(guī)模集成電路電子管集成電路人類計(jì)算工具的發(fā)展歷程1.1.1

手工時(shí)代

手工時(shí)代——人類最原始的時(shí)代。處在當(dāng)今信息時(shí)代的人們很難想象原始人類的生活情景。我們今天擁有的一切，是隨著人類生活的需要、生產(chǎn)實(shí)踐的需求逐步發(fā)展起來的。需求是發(fā)明之母，人類計(jì)算工具也不例外。手工時(shí)代的計(jì)算工具，其發(fā)展過程大致可分為以下3個(gè)階段。

1、十指與繩結(jié)遠(yuǎn)古時(shí)代，為記載發(fā)生過的事件，使用的十個(gè)手指來進(jìn)行比較和量度，從而形成了“數(shù)”的概念和“十進(jìn)制”計(jì)數(shù)法。為了表示更多的數(shù)，祖先們用石子、貝殼、結(jié)繩等作為計(jì)數(shù)工具來統(tǒng)計(jì)人數(shù)和獵物的數(shù)目。最早，記事與記數(shù)是聯(lián)系在一起的。為了要記住一件事，就在繩子上打一個(gè)結(jié)(knot),“事大,大結(jié)其繩；事小，小結(jié)其繩；結(jié)之多少，隨物眾寡?！?/p>

1.1.1

手工時(shí)代2、算籌

隨著人類社會(huì)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，計(jì)算越來越復(fù)雜，要求數(shù)值計(jì)算的能力也越來越高。我國古代勞動(dòng)人民最先創(chuàng)造和使用了簡(jiǎn)單的計(jì)算工具——算籌。我國古代數(shù)學(xué)家使用算籌這種計(jì)算工具，使我國的計(jì)算數(shù)學(xué)在世界上處于遙遙領(lǐng)先的地位，創(chuàng)造出了杰出的數(shù)學(xué)成果。例如，祖沖之的圓周率、解方程和方程組的天元術(shù)、四元術(shù)、著名的中國剩余定理、秦九韶算法，以及我國精密的天文歷法等都是借助算籌取得的。

3、算盤

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要求進(jìn)一步提高計(jì)算速度，我國公元前500年發(fā)明了算盤，迄今已有2600多年的歷史。隨著算盤的普及應(yīng)用，并經(jīng)過不斷地改進(jìn)，在元代中后期取代了算籌。1.1.2

機(jī)械時(shí)代

16世紀(jì)中葉之前，歐洲的數(shù)學(xué)和計(jì)算工具的發(fā)展落后于當(dāng)時(shí)的中國、印度、埃及等國。進(jìn)入17世紀(jì)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，歐洲的計(jì)算工具得到迅速發(fā)展。這一時(shí)期典型的計(jì)算工具主要有以下5種。

1、計(jì)算尺

蘇格蘭數(shù)學(xué)家約翰·耐普爾以發(fā)明對(duì)數(shù)而聞名。1614年他創(chuàng)造了一種能幫助乘法計(jì)算的骨質(zhì)拼條，稱為耐普爾骨條。1621年英國數(shù)學(xué)家威廉·奧特雷德根據(jù)對(duì)數(shù)原理發(fā)明了圓形計(jì)算尺，這是最早的模擬計(jì)算工具。

2、帕斯卡加法器

1642年，著名的法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家帕斯卡設(shè)計(jì)了一臺(tái)機(jī)械式加法器，它是世界上的第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)。1.1.2

機(jī)械時(shí)代

為了紀(jì)念帕斯卡在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域開拓性的貢獻(xiàn)，1971年尼可萊斯·沃思(NiklausWirth）教授將自己發(fā)明的一種程序設(shè)計(jì)語言命名為“Pascal語言”。3、萊布尼茲乘法器1673年著名的德國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家萊布尼茲在Pascal加法器的基礎(chǔ)上，增加了乘、除功能，研制了一臺(tái)能進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械式計(jì)算器，稱為萊布尼茲四則運(yùn)算器。4、雅克特提花編織機(jī)1801年法國工程師約琵?雅克特發(fā)明了一種提花織布機(jī),在織布過程中，執(zhí)行步驟由紙帶上穿孔的方式控制，這對(duì)后來計(jì)算機(jī)信息的輸入輸出和控制操作的研制起了重要作用，否則，機(jī)械計(jì)算機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的。1.1.2

機(jī)械時(shí)代

5、巴貝奇差分機(jī)與分析機(jī)

帕斯卡、萊布尼茲設(shè)計(jì)的機(jī)械計(jì)算機(jī)都沒有自動(dòng)計(jì)算的功能。雅克特提花編織機(jī)蘊(yùn)涵的程序控制的自動(dòng)化思想，啟發(fā)了英國劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇。1812年,巴貝奇提出了自動(dòng)計(jì)算機(jī)的基本概念：要使計(jì)算機(jī)能自動(dòng)地工作，必須把計(jì)算步驟和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存放在機(jī)器內(nèi)，使機(jī)器能夠自動(dòng)地取出這些數(shù)據(jù)，在必要時(shí)能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的判斷，決定下一步的計(jì)算順序。1822年巴貝奇研制出了第一臺(tái)差分機(jī)。

在巴貝奇分析機(jī)艱難的研制過程中，必然要提及到計(jì)算領(lǐng)域著名的女程序員—阿達(dá)。由于阿達(dá)在程序設(shè)計(jì)上開創(chuàng)性的工作，被譽(yù)為是世界上第一位軟件工程師和程序員。1979年美國國防部研制的通用高級(jí)語言就是以阿達(dá)命名的，稱為Ada語言，以寄托人們對(duì)她的紀(jì)念。1.1.2

機(jī)械時(shí)代

圖1-5差分機(jī)圖1-6分析機(jī)1.1.3

機(jī)電時(shí)代

20世紀(jì)初，電子管的誕生，開辟了電子技術(shù)與計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的道路。1919年，W.H.Ecclers和F.W.Jordan用兩只三極電子管接成了E-J雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,這一關(guān)鍵技術(shù)的研制成功，引起了人們極大的重視，它使人們聯(lián)想到使用電子管來作為計(jì)算工具的元件，即用電子元件表示二進(jìn)制數(shù)，從而可以極大地提高計(jì)算速度。這一時(shí)期典型的計(jì)算工具主要有以下3種。

1、工業(yè)通用計(jì)算機(jī)1937年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的GeorgeStibitz和哈佛大學(xué)的HowardAiken等人開發(fā)了工業(yè)通用機(jī)電式計(jì)算機(jī)。隨后，1938年美國的V.Bush為解線性微分方程而設(shè)計(jì)了微分器，它是世界上第一臺(tái)電子模擬計(jì)算機(jī)。1.1.3

機(jī)電時(shí)代

2、阿塔納索夫計(jì)算機(jī)1939年12月，美國依華州立大學(xué)物理學(xué)教授阿塔納索夫首次試用電子元件按二進(jìn)制邏輯制造了電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)。從此，拉開了用電子器件制作計(jì)算工具的序幕。3、Mark計(jì)算機(jī)1944年，在IBM公司提供100萬美元資助下，艾肯研制出了著名的“馬克1號(hào)”機(jī)電式計(jì)算機(jī)。

在參與Mark系列機(jī)研制的人員中，有一位杰出女性—格雷斯·霍普。霍普在發(fā)生故障的計(jì)算機(jī)里找到了一只飛蛾，這只小蟲被夾扁在繼電器的觸點(diǎn)里，影響了機(jī)器的正常運(yùn)行。于是，霍普詼諧地把程序故障統(tǒng)稱為“臭蟲”(Bug)，這一奇妙的稱呼后來竟成為計(jì)算機(jī)故障的代名詞，而“Debug”則成為調(diào)試程序、排除故障的專業(yè)術(shù)語。

1.1.4

ENIAC的誕生

1943年4月，正值第二次世界大戰(zhàn)期間，美國陸軍軍械部為提高火炮彈道表的精確性和計(jì)算速度，急需研制一臺(tái)運(yùn)算速度更快的計(jì)算機(jī)。36歲的物理學(xué)教授約翰·莫齊利和他的學(xué)生——24歲的電氣工程師雷斯帕·埃克特，在獲得美國軍械部15萬美元(大約現(xiàn)在的300萬美元)的資助下，1946年2月15日舉行了人類歷史上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的揭幕典禮。這臺(tái)機(jī)器名為電子數(shù)字積分器和計(jì)算機(jī)(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，ENIAC)。盡管ENIAC的結(jié)構(gòu)和原理繼承于機(jī)電式計(jì)算機(jī)，還不具備Babbage所預(yù)見的自動(dòng)通用機(jī)的特征，但由于它是世界上最早問世的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，所以被認(rèn)為是電子計(jì)算機(jī)的始祖。它的誕生，是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，是20世紀(jì)最偉大的科技成就。

1.1.4

ENIAC的誕生

圖1-8ENIAC計(jì)算機(jī)§1.2

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系的形成

ENIAC是一臺(tái)重28噸、占地面積170平方的龐然大物。它使用了18000多只電子管,70000個(gè)電阻，18000個(gè)電容，耗電量約150千瓦，每秒可進(jìn)行5000次運(yùn)算。但由于ENIAC是一臺(tái)按十進(jìn)制表示數(shù)字和進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，僅能進(jìn)行一些特定運(yùn)算的機(jī)器。其內(nèi)部只有20個(gè)寄存器,沒有真正稱得上存儲(chǔ)器的部件。編制程序是在控制面板上用開關(guān)進(jìn)行的，所有操作都只能通過設(shè)置開關(guān)和改接線路來實(shí)現(xiàn)。因此，ENIAC的操作復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，沒有最大限度發(fā)揮電子技術(shù)所具有的巨大潛力。ENIAC及其以前的計(jì)算機(jī)由于缺乏最合理的體系結(jié)構(gòu)與理論依據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)重大突破。19世紀(jì)中期至20世紀(jì)中期，是布爾、香農(nóng)、諾伯特·維納、圖靈和馮·諾依曼等人在計(jì)算機(jī)相關(guān)理論上的突破和概念上的創(chuàng)新，以致形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)，構(gòu)成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的科學(xué)體系。1.2.1

布爾及其布爾代數(shù)

1、布爾喬治·布爾英國著名數(shù)學(xué)家和邏輯學(xué)家。邏輯是一門探索、闡述和確立有效推理原則的學(xué)科，它利用計(jì)算的方法來代替人們思維中的邏輯推理過程,最早是由古希臘學(xué)者亞里斯多德(公元前384～322)創(chuàng)立的。亞里斯多德邏輯學(xué)的基本特點(diǎn)是使用自然語言來描述邏輯的研究，稱之為古典邏輯學(xué)。

2、布爾代數(shù)1847年，布爾在發(fā)表的《邏輯的數(shù)學(xué)分析》和1854年發(fā)表的《思維規(guī)律研究》兩部著作中，首先提出了“邏輯代數(shù)”的基本概念和性質(zhì)，建立了一套符號(hào)系統(tǒng)，利用符號(hào)來表示邏輯中的各種概念（邏輯判斷符號(hào)化），并從一組邏輯公理出發(fā)，像推導(dǎo)代數(shù)公式那樣來推導(dǎo)邏輯定理。人們?yōu)榱思o(jì)念這位偉大的邏輯學(xué)家，將“邏輯代數(shù)”稱為“布爾代數(shù)”。1.2.1

布爾及其布爾代數(shù)布爾代數(shù)是以形式邏輯為基礎(chǔ)，以文字符號(hào)為工具，以數(shù)學(xué)形式來分析、研究邏輯問題的理論。布爾代數(shù)雖為數(shù)學(xué)，但與普通數(shù)學(xué)有著本質(zhì)的區(qū)別。它研究的對(duì)象只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)碼，并定義了“與”(and)、“或”(or)、“非”(not)三種運(yùn)算。盡管布爾代數(shù)也用文字符號(hào)代替數(shù)碼，以表示變量，但這種變量的取值范圍僅限于“0”和“1”，所以邏輯變量是二值的，因此又把它稱為二值邏輯。這種簡(jiǎn)化的二值邏輯為計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制、開關(guān)邏輯電路的設(shè)計(jì)鋪平了道路，并最終為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)明奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。事實(shí)上，作為現(xiàn)代數(shù)學(xué)中一個(gè)重要分支的布爾代數(shù)，被數(shù)學(xué)家們應(yīng)用于很多領(lǐng)域的研究,如人工智能、概率論、信息論、圖論、開關(guān)理論及計(jì)算科學(xué)等。

1.2.2

香農(nóng)等人對(duì)布爾代數(shù)的研究

1、杰文斯威廉·杰文斯認(rèn)為布爾代數(shù)是自亞里士多德以來邏輯學(xué)中最偉大的進(jìn)展，1869年杰文斯發(fā)明了一臺(tái)邏輯機(jī)，使用四個(gè)邏輯字母來進(jìn)行布爾運(yùn)算比不用邏輯的機(jī)器更快地解決復(fù)雜問題。

2、愛倫費(fèi)斯特

1910年，愛倫費(fèi)斯特首次提出用布爾代數(shù)作為分析和綜合繼電器線路的數(shù)學(xué)方法。1923年，前蘇聯(lián)水利工程建筑專家戈?duì)柸咧Z夫指出，可以用布爾代數(shù)方法進(jìn)行建筑物的計(jì)算。

3、香農(nóng)30年代美國學(xué)者克勞德·香農(nóng)1936年在碩士論文中將布爾代數(shù)引入了計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域，該論文系統(tǒng)地提出了二進(jìn)制的概念：能夠用二進(jìn)制系統(tǒng)表達(dá)布爾代數(shù)中的邏輯關(guān)系,使用“1”代表“TRUE”,使用“0”代表“FALSE”。二進(jìn)制概念的提出有很重要的意義，可以說是以后幾十年里計(jì)算科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。1.2.3

維納提出計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的原則美國數(shù)學(xué)諾伯特·維納是控制論學(xué)科的創(chuàng)始人，對(duì)控制論的創(chuàng)立和發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。他認(rèn)為計(jì)算機(jī)是一個(gè)進(jìn)行信息處理和信息轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，只要這個(gè)系統(tǒng)能得到數(shù)據(jù)，機(jī)器本身就應(yīng)該能做幾乎任何事情。1940年，維納提出了設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一些原則：①計(jì)算機(jī)中的加法裝置和乘法裝置應(yīng)該是數(shù)字式的，而不是模擬式的；②計(jì)算機(jī)由電子元件構(gòu)成，盡量減少機(jī)械部件；③采用二進(jìn)制運(yùn)算；④全部運(yùn)算在機(jī)器上自動(dòng)進(jìn)行；⑤內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些原則對(duì)新一代計(jì)算機(jī)的研制具有較大的指導(dǎo)意義，在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)理論作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。1.2.4

圖靈及其TM和TT阿蘭·圖靈是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)思想的創(chuàng)始人，被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)科學(xué)之父”和“人工智能之父”。正如被尊為計(jì)算機(jī)之父的馮?諾依曼一再強(qiáng)調(diào)的：如果不考慮巴貝奇等人的工作和他們?cè)缦忍岢龅挠嘘P(guān)計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的一些概念，計(jì)算機(jī)的基本思想來源于圖靈。圖靈對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的主要貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是建立了圖靈機(jī)理論模型；二是提出了定義機(jī)器智能的圖靈測(cè)試。

1、圖靈機(jī)（TM）1936年，圖靈在他發(fā)表的《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》一文中，以布爾代數(shù)為基礎(chǔ)，能否將推理過程由一種通用的機(jī)器來完成呢？就此問題進(jìn)行了探索。在這篇被譽(yù)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)原理開山之作的論文中，描述了一種“圖靈機(jī)”模型，并給“可計(jì)算性”下了一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義。1.2.4

圖靈及其TM和TT

2、圖靈測(cè)試（TT）

1950年，圖靈發(fā)表了一篇里程碑式的論文《計(jì)算機(jī)器與智能》，第一次提出“機(jī)器思維”的概念。圖靈提出一個(gè)假想：

一個(gè)人在不知情的條件下，通過一種特殊的方式和一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行問答，如果在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，他分辨不出與他交流的對(duì)象是人還是機(jī)器，那么，這臺(tái)機(jī)器就可以認(rèn)為是能思維的。這就是著名的“圖靈測(cè)試”（TuringTesting）。當(dāng)時(shí)全世界只有幾臺(tái)計(jì)算機(jī)，無法通過這一測(cè)試，但圖靈預(yù)言，在20世紀(jì)末，一定會(huì)有計(jì)算機(jī)通過“圖靈測(cè)試”，計(jì)算機(jī)能做我們想像不到的事情。1.2.4

圖靈及其TM和TT1993年11月8日，美國波士頓計(jì)算機(jī)博物館舉行了一次引起各界關(guān)注的“圖靈測(cè)試”。1997年5月，IBM公司研制的計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”與國際象棋冠軍卡斯帕羅夫進(jìn)行了舉世矚目的國際象棋大賽,可謂“世紀(jì)之戰(zhàn)”。而最終“深藍(lán)”以兩勝一負(fù)三平戰(zhàn)勝了卡斯帕羅夫。這一結(jié)果讓世界為之驚嘆！再一次掀起了對(duì)圖靈這一偉大預(yù)言的熱烈討論。今天,圖靈測(cè)試已被公認(rèn)為是“證明機(jī)器具有智能的最佳方法”。

為了紀(jì)念這位偉大的計(jì)算機(jī)奠基人,美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)將其年度獎(jiǎng)命名為“圖靈獎(jiǎng)”，人們把它稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)界的諾貝爾獎(jiǎng)。

1.2.5

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

1、二進(jìn)制原理

計(jì)算機(jī)雖然很復(fù)雜，但其基本元件都可看作是電子開關(guān)，這兩種狀態(tài)分別用“1”和“0”來表示。⑴電路簡(jiǎn)單：開關(guān)的接通與斷開、晶體管的導(dǎo)通與截止都恰好表示“1”和“0”兩種狀態(tài)。⑵工作可靠：兩種狀態(tài)表示兩個(gè)代碼,數(shù)字傳輸處理不易錯(cuò)。⑶運(yùn)算簡(jiǎn)單：二進(jìn)制只有4種求和與求積運(yùn)算規(guī)則：求和：0＋0＝0；0＋1＝1；1＋0＝1；1＋1＝10求積：0×0＝0；0×1＝0；1×0＝0；1×1＝1

⑷邏輯性強(qiáng)：計(jì)算機(jī)的工作原理建立在邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)上。二進(jìn)制的“1”和“0”兩種狀態(tài)，正好與邏輯命題的“是”和“否”相對(duì)應(yīng).所謂“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)”，是指采用二進(jìn)制計(jì)算和“存儲(chǔ)程序控制”原理的計(jì)算機(jī)

2、存儲(chǔ)程序控制原理存儲(chǔ)程序控制是馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的核心,其基本思想包括了3個(gè)方面的含義：

⑴編制程序：為了使計(jì)算機(jī)能快速求解問題,必須把要解決的問題按照處理步驟編成程序,使計(jì)算機(jī)把復(fù)雜的控制機(jī)制變得有“序”可循。

⑵存儲(chǔ)程序：計(jì)算機(jī)要完成自動(dòng)解題任務(wù),必須能把事先設(shè)計(jì)的、用以描述計(jì)算機(jī)解題過程的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。

⑶自動(dòng)執(zhí)行：?jiǎn)?dòng)計(jì)算機(jī)后,計(jì)算機(jī)能按程序規(guī)定的順序,自動(dòng)、連續(xù)地執(zhí)行指令。計(jì)算機(jī)連續(xù)自動(dòng)地執(zhí)行指令的過程可概括為：取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)步驟。1.2.5

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

3、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

從功能模擬的角度來看，Neumann計(jì)算機(jī)由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器等5個(gè)部分組成，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1典型的馮·諾依曼機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)框圖輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器控制器運(yùn)算器圖示說明：控制線數(shù)據(jù)線1.2.5

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)§1.3

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本概況

計(jì)算機(jī)是一種能自動(dòng)、高速、精確地進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和信息處理的現(xiàn)代化電子設(shè)備，所以又稱為電子計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)是人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和研究實(shí)踐中，為減輕繁重的手工勞動(dòng)和加速計(jì)算過程而努力奮斗的結(jié)果，也是人類智慧的結(jié)晶。從原始的計(jì)算工具到ENIAC誕生的前夕，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：手工時(shí)代、機(jī)械時(shí)代、機(jī)電時(shí)代。1946年ENIAC的誕生，揭開了電子計(jì)算機(jī)的序幕?；诙M(jìn)制和存儲(chǔ)程序控制的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展鋪平了道路。通常，人們把基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)稱為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)。電子管

晶體管集成電路大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路推動(dòng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的因素很多，其中起決定作用的是電子器件，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基本部件，因此，計(jì)算機(jī)的發(fā)展與電子器件緊密相關(guān)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程1.3.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程1、第一代計(jì)算機(jī)第一代為電子管計(jì)算機(jī)（1946—1958）。主要特點(diǎn)：基本邏輯部件采用電子管；體系結(jié)構(gòu)以運(yùn)算器為中心；軟件方面主要采用機(jī)器語言編寫程序,只能通過按鈕進(jìn)行操作；應(yīng)用方面以科學(xué)計(jì)算為主。這時(shí)期的計(jì)算機(jī)速度慢、體積大、耗電多、可靠性差、價(jià)格昂貴。圖1-2電子管圖1-3電子管計(jì)算機(jī)1.3.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程

2、第二代計(jì)算機(jī)

晶體管計(jì)算機(jī)（1959—1964）。主要特點(diǎn):基本邏輯部件采用晶體管為主元件,后期開始使用磁盤為存儲(chǔ)器；體系結(jié)構(gòu)是以存儲(chǔ)器為中心，從而使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高；軟件方面用管理程序替代手工操作，與第一代計(jì)算機(jī)相比,提高了速度、減小了體積、降低了功耗、增強(qiáng)了可靠性,因而，大大改善了性能/價(jià)格比。圖1-４晶體管圖1-５晶體管計(jì)算機(jī)1.3.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程

3、第三代計(jì)算機(jī)

第3代為集成電路計(jì)算機(jī)（1965—1971）。主要特點(diǎn)：基本邏輯部件采用小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路，內(nèi)存儲(chǔ)器除采用磁芯外，還出現(xiàn)了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；外存儲(chǔ)器有磁帶、磁盤等；軟件技術(shù)進(jìn)一步成熟，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，并出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫。圖1-７世界上第一臺(tái)集成電路計(jì)算機(jī)1.3.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程圖1-６集成電路

4、第四代計(jì)算機(jī)

第四計(jì)算機(jī)為大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971至今）。主要特點(diǎn)：基本邏輯部件采用大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路，內(nèi)存儲(chǔ)器普遍采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，采用高速緩沖和虛擬存儲(chǔ)技術(shù)；外存儲(chǔ)器以大容量磁盤為主，并開始使用光盤；在體系結(jié)構(gòu)方面，發(fā)展了并行處理技術(shù)、多機(jī)系統(tǒng)、分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)等，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度每秒在數(shù)千萬次以上。圖1-８大規(guī)模集成電路圖1-９P4芯片內(nèi)部1.3.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程

1、根據(jù)信息類型分類

(1)數(shù)字計(jì)算機(jī)：是指能夠直接對(duì)離散的數(shù)字和邏輯變量進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)，它所處理的電信號(hào)在時(shí)間上是離散的，稱為數(shù)字量。(2)模擬計(jì)算機(jī)：是指能夠直接對(duì)模擬量進(jìn)行操作的計(jì)算機(jī)，它所處理的電信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)變化的，稱為模擬量，如溫度、流量、電壓等。這種計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)算速度很高，但精度較差，所以應(yīng)用范圍比較小。(3)模擬-數(shù)字混合計(jì)算機(jī)：結(jié)合數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能處理離散的數(shù)字量，而且還能處理連續(xù)的物理量。例如醫(yī)院使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就是一種混合計(jì)算機(jī)，它通過測(cè)量病人的心臟功能、體溫和其它生體狀況。1.3.2

計(jì)算機(jī)的基本類型

2、根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流分類(1)單指令流單數(shù)據(jù)流：這類計(jì)算機(jī)的指令部件一次只對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼,并且只對(duì)一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。目前大多數(shù)串行計(jì)算機(jī)都屬于這類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(2)單指令流多數(shù)據(jù)流：這類計(jì)算機(jī)有多個(gè)處理單元，它們?cè)谕粋€(gè)控制部件的管理下執(zhí)行同一條指令,但向各個(gè)處理單元分配各自需要的不同數(shù)據(jù)，并行處理機(jī)屬于這類計(jì)算機(jī)。(3)多指令流單數(shù)據(jù)流：按多條不同指令的要求對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。但這類計(jì)算機(jī)不存在的。(4)多指令流多數(shù)據(jù)流：這類計(jì)算機(jī)包含有多個(gè)處理機(jī)、存儲(chǔ)器和多個(gè)控制器,它們同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序并對(duì)各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多處理機(jī)屬于這類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.3.2

計(jì)算機(jī)的基本類型1.3.3

計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)圖1-20Neumann結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)與外部特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系Neumann計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序高速電子器件數(shù)字化信息快速性準(zhǔn)確性通用性邏輯性邏輯判斷計(jì)算機(jī)特點(diǎn)DCEFA可靠性能好運(yùn)算速度快判斷能力強(qiáng)存儲(chǔ)容量大B計(jì)算精度高工作自動(dòng)化1.3.3

計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)文字處理實(shí)時(shí)控制人工智能由于計(jì)算機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以在科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)、文化教育、社會(huì)生活等各個(gè)領(lǐng)域都是到了廣泛應(yīng)用，成為處理各種復(fù)雜任務(wù)不可或缺的工具。信息管理系統(tǒng)仿真

計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

科學(xué)計(jì)算1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

1、科學(xué)計(jì)算

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)誕生就是源于科學(xué)計(jì)算。因此，科學(xué)計(jì)算一直是電子計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，例如在天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、核物理學(xué)等領(lǐng)域中，都需要依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算；在軍事上,導(dǎo)彈的發(fā)射及飛行軌道的計(jì)算,飛行器的設(shè)計(jì)、人造衛(wèi)星與運(yùn)載火箭軌道的計(jì)算更是離不開計(jì)算機(jī)。用數(shù)字計(jì)算機(jī)解決科學(xué)計(jì)算問題的過程如圖1-21所示。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用圖1-21數(shù)字計(jì)算機(jī)的解題過程離散化數(shù)值計(jì)算程序設(shè)計(jì)實(shí)際問題數(shù)學(xué)模型上機(jī)求解

2、信息管理

計(jì)算機(jī)在信息管理方面的應(yīng)用是極為廣泛的，在當(dāng)今信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)在信息管理中的應(yīng)用越來越廣，并已形成一個(gè)完整的體系，即信息管理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)層次之間的關(guān)系如圖1-22所示。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用圖1-22計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)的層次關(guān)系事務(wù)處理系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)基層管理中層管理辦公管理高層管理

3、實(shí)時(shí)控制

實(shí)時(shí)控制是指在信息或數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果又可立即用來控制進(jìn)行中的現(xiàn)象或過程。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)原理如圖1-23所示。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用圖1-23實(shí)時(shí)控制原理框圖D/A轉(zhuǎn)換傳感裝置計(jì)算機(jī)被控制對(duì)象A/D轉(zhuǎn)換執(zhí)行部件數(shù)字量實(shí)時(shí)控制模擬量數(shù)字量數(shù)據(jù)采集模擬量1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

4、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)作為輔助工具的各種應(yīng)用系統(tǒng)。目前主要指使用計(jì)算機(jī)作為輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助測(cè)試和輔助教學(xué)這4個(gè)方面：(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD)：是利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、大容量存儲(chǔ)和圖形處理能力，輔助進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與分析的理論和方法來幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度，節(jié)省人力物力。(2)計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，

CAM)：是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程，在生產(chǎn)過程中改善工作人員的工作條件。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

(3)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（ComputerAidedTest，CAT）：是利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，檢測(cè)某些系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)。(4)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（ComputerAidedInstruction，CAI)：是利用計(jì)算機(jī)輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的自動(dòng)系統(tǒng)，它將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及學(xué)生的有關(guān)信息存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，使學(xué)生能夠輕松自如地從CAI系統(tǒng)中學(xué)到所需要的知識(shí)。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

5、計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真系統(tǒng)仿真是利用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡(jiǎn)化，形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運(yùn)行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計(jì)性能。由于仿真技術(shù)的特效所具有的安全性與經(jīng)濟(jì)性，所以在航空、航天、軍事領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、定型、訓(xùn)練中得到廣泛應(yīng)用。新型武器系統(tǒng)與大型航空航天飛行器在其設(shè)計(jì)、定型過程中都要依靠仿真試驗(yàn)進(jìn)行修改和完善；在航空航天訓(xùn)練方面，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在導(dǎo)彈研制出來之前就可以讓其“飛行”；飛機(jī)駕駛員不用上天就能進(jìn)入“起飛”、“空戰(zhàn)”和“著陸”；敵戰(zhàn)雙方不發(fā)一槍一彈便能開展一場(chǎng)激烈的“戰(zhàn)斗”等。

1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

6、人工智能人工智能是控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科綜合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究最前沿的學(xué)科領(lǐng)域，也是探索計(jì)算機(jī)模擬人的感覺和思維規(guī)律的科學(xué)（如感知、推理、學(xué)習(xí)和理解方面的理論與技術(shù)）。機(jī)器人的大量出現(xiàn)，是人工智能研究取得重大進(jìn)展的主要標(biāo)志之一。人工智能研究的應(yīng)用領(lǐng)域包括：模式識(shí)別、自然語言的理解與生成、自動(dòng)定理證明、聯(lián)想與思維的機(jī)理、數(shù)據(jù)智能檢索、博奕、專家系統(tǒng)、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。近幾年發(fā)展起來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)是人工智能的前沿技術(shù),它要解決人工感覺（包括計(jì)算機(jī)視覺、聽覺、嗅覺），即解決大量需要相互協(xié)調(diào)動(dòng)作的機(jī)器人，在復(fù)雜環(huán)境下的決策問題。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

7、文字處理隨著計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的不斷豐富、完善，特別是打印機(jī)的性能提高，近年來計(jì)算機(jī)已廣泛用于文字方面的處理。它具有比常規(guī)中文打字機(jī)字型變化多、字體的大小變化容易、編輯排版功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而頗受用戶的普遍歡迎，并在逐步取代常規(guī)中文打字機(jī)和鉛字印刷。目前用于文字處理的有桌面排版印刷系統(tǒng)和電子出版系統(tǒng),而且種類繁多,其中最具典型的有Word、WPS、北大方正和華光系統(tǒng),北大方正已在國內(nèi)出版印刷行業(yè)占統(tǒng)治地位。

我國研制的文字處理系統(tǒng)WPS在功能上與微軟的Word相似，在使用上更符合中國人的習(xí)慣。1.3.4

計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用

8、娛樂游戲隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)能夠以圖像與聲音集成的形式向人們提供娛樂和游戲。在計(jì)算機(jī)上可以觀看影視節(jié)目和音樂，或從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上下載影視節(jié)目和音樂。而網(wǎng)絡(luò)游戲及其軟件，已成為眾多個(gè)體業(yè)主的產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷拓展，特別是微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，已滲透到社會(huì)的各個(gè)方面，并且日益發(fā)揮越來越重要的作用，已成為信息社會(huì)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的核心。1.3.5

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展并不是孤立的，它取決于元器件的進(jìn)步、體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和軟件的開發(fā)。其中最為重要的是元器件，它是決定硬件性能的根本因素。計(jì)算機(jī)從第一代發(fā)展到第四代，從根本上講，就是源于元器件的更新?lián)Q代。專家們普遍認(rèn)為：當(dāng)前計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和多媒體化。微型化巨型化網(wǎng)絡(luò)化多媒體化智能化人類在認(rèn)識(shí)世界和改造世界的歷史過程中,認(rèn)識(shí)了信息，利用了信息，并且發(fā)展了信息。信息技術(shù)伴隨著人類文明的發(fā)展而不斷地進(jìn)步,與此同時(shí),也對(duì)信息處理工具提出新的要求。其中,計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展,不僅極大地增強(qiáng)了人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界和處理信息的能力，而且促進(jìn)了當(dāng)今社會(huì)從工業(yè)化向信息化發(fā)展的進(jìn)程，并已成為信息化社會(huì)中不可缺少的重要工具。利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、大容量存儲(chǔ)及信息加工能力，使人們得以擺脫繁復(fù)而冗長(zhǎng)的數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，以前使人望而生畏的數(shù)值計(jì)算以及各種信息處理可在瞬息之間得出結(jié)果,而且許多工作如果離開了計(jì)算機(jī)就幾乎無法完成。可以毫無夸張地說，如果沒有計(jì)算機(jī)技術(shù)，就不會(huì)有今天高新技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，信息化時(shí)代就無從談起。§1.4

計(jì)算機(jī)與信息化1、什么是信息信息是對(duì)客觀事物的反映,泛指那些通過各種方式傳播的,可被感知的聲音、文字、圖形、圖像、符號(hào)等所表征的某一特定事物的、情報(bào)或知識(shí)。

2、信息的基本特征信息是對(duì)客觀事物的自然反映，凡是對(duì)人類有價(jià)值的信息，必然具有如下基本特征。

(1)客觀性：信息必須真實(shí)、準(zhǔn)確，必須如實(shí)地反映客觀事物的屬性。

(2)主觀性：對(duì)信息和信息處理的任何研究，都離不開主體的目的或目標(biāo)(目的或需求)。

1.4.1

信息的相關(guān)概念

(3)抽象性：必須區(qū)分信息的載體與內(nèi)容，使信息有可能在不同的載體之間轉(zhuǎn)化與傳遞。

(4)整體性：信息必須作為表達(dá)客觀事物或系統(tǒng)的完整描述中的一環(huán),如果脫離了全局，零碎的信息將變得毫無意義。

(5)時(shí)效性：客觀事物或系統(tǒng)都是在不斷發(fā)展和變化的，因此，信息只有及時(shí)、新穎，才會(huì)有價(jià)值，才能發(fā)揮巨大的作用。

(6)層次性：信息及其處理與客觀事物或系統(tǒng)的層次密切相關(guān)，只有合理地確定層次,才能正確地確定信息需求的范圍和信息的價(jià)值，并有效地進(jìn)行信息處理。

(7)不完全性：信息與不確定性是對(duì)立統(tǒng)一的整體，客觀事物的無限復(fù)雜與動(dòng)態(tài)變化，決定了信息的無限性。1.4.1

信息的相關(guān)概念3、信息革命在人類歷史發(fā)展中，信息處理工具與手段的變革，使人類利用信息的過程和效果帶來了飛躍式的進(jìn)步，從而對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)力,這就是信息革命。迄今為止，信息革命經(jīng)歷了以下6個(gè)階段：

⑴語言的形成和使用；

⑵文字的創(chuàng)造和使用；⑶造紙術(shù)和印刷術(shù)的發(fā)明；⑷電報(bào)、電話、廣播和電視的發(fā)明；⑸計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展；⑹多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。1.4.1

信息的相關(guān)概念4、信息論與信息科學(xué)

⑴信息論：20世紀(jì)40年代，以美國的申農(nóng)、維納及費(fèi)希爾等為代表的科學(xué)家們?yōu)椤靶畔⒄摗钡於嘶A(chǔ)。1948年申農(nóng)發(fā)表了著名論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，1949年，又發(fā)表了《在噪聲中的通信》，這是現(xiàn)代信息論的兩大重要奠基石。

⑵信息科學(xué)：是以信息作為主要研究對(duì)象、以信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為主要研究?jī)?nèi)容、以信息科學(xué)方法論作為主要研究方法、以擴(kuò)展人的信息功能作為主要研究目標(biāo)的一門科學(xué)。與此同時(shí)，信息科學(xué)與自然科學(xué)、人文、社會(huì)學(xué)等緊密結(jié)合，促使大量橫向?qū)W科，如信息經(jīng)濟(jì)學(xué)、信息傳播學(xué)、信息法學(xué)等不斷涌現(xiàn)。同時(shí),信息科學(xué)的產(chǎn)生還影響到許多傳統(tǒng)科學(xué)。

1.4.1

信息的相關(guān)概念1.4.2信息技術(shù)1、信息技術(shù)的分類

信息技術(shù)所研究的范疇主要包括傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微縮技術(shù)等。計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)一起，構(gòu)成了信息技術(shù)的核心內(nèi)容?，F(xiàn)代信息技術(shù)涉及的范圍很廣，這里主要介紹與人體感觀密切相關(guān)的4種信息技術(shù)。

(1)信息感測(cè)技術(shù)：是利用傳感和測(cè)量獲取信息的技術(shù)。人類用眼、耳、鼻、舌、身等感覺器官捕獲信息，感測(cè)技術(shù)是感覺器官功能的“延伸”，使人類更好地從外部世界獲得信息。

(2)信息通信技術(shù)：人們使用通信技術(shù)來傳遞信息，例如電話、電視、廣播等通信手段傳遞多種媒體信息。20世紀(jì)以來，微波、光纜、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)得到迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信裝置正以驚人的速度普及。1.4.2信息技術(shù)

(3)信息智能技術(shù)：具有智能特點(diǎn)的現(xiàn)代信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，可以看作是思維器官功能的延伸，它能幫助人們更好地存儲(chǔ)、檢索、加工和再生信息。20世紀(jì)中后期以來，智能技術(shù)的高速發(fā)展，智能識(shí)別和機(jī)器人技術(shù)，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力水平，為人們的工作、學(xué)習(xí)和生活帶來了前所未有的便利。

(4)信息控制技術(shù)：是根據(jù)指令信息對(duì)外部事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方式實(shí)施控制的技術(shù)，可以看作是效應(yīng)器官功能的擴(kuò)展和延伸，它能控制生產(chǎn)和生活中許多狀態(tài)。21世紀(jì)信息技術(shù)的特征是以多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為主要標(biāo)志，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以人們更方便地獲取信息、存儲(chǔ)信息，更好的加工和再生信息。

1.4.2信息技術(shù)2、信息技術(shù)的發(fā)展

信息技術(shù)的研究與開發(fā)，極大地提高了人類的信息應(yīng)用能力，使信息成為人類生存和發(fā)展不可缺少的一種資源。根據(jù)信息技術(shù)研究開發(fā)和應(yīng)用的發(fā)展歷史，可以將它分為3個(gè)時(shí)期。

⑴信息技術(shù)研究開發(fā)時(shí)期：

從20世紀(jì)50年代初到70年代中期，信息技術(shù)在計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）和控制（Control）領(lǐng)域有了突破，可簡(jiǎn)稱為3C時(shí)期。⑵信息技術(shù)全面應(yīng)用時(shí)期：從20世紀(jì)70年代中期到80年代末期，信息技術(shù)在辦公自動(dòng)化(OfficeAutomation)、工廠自動(dòng)化(FactoryAutomation)和家庭自動(dòng)化(HouseAutomation)領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，可簡(jiǎn)稱為3A時(shí)期。

1.4.2信息技術(shù)⑶數(shù)字信息技術(shù)發(fā)展時(shí)期：從20世紀(jì)80年代末至今，主要以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用為重點(diǎn)，其特點(diǎn)是互聯(lián)網(wǎng)在全球得到飛速發(fā)展，特別是以美國為首的在20世紀(jì)90年代初發(fā)起的基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在全球引發(fā)了信息基礎(chǔ)設(shè)施(也稱信息高速公路)建設(shè)的浪潮,由此帶動(dòng)了信息技術(shù)全面的研究開發(fā)和信息技術(shù)應(yīng)用的熱潮。在這個(gè)熱潮中，信息技術(shù)在數(shù)字化通信（DigitalCommuNication）、數(shù)字化交換（DigitalSwitching）、數(shù)字化處理(DigitalProcessing)技術(shù)領(lǐng)域有了重大突破，可以簡(jiǎn)稱為3D時(shí)期。其中，數(shù)字化處理技術(shù)是解決在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)不同形式的信息進(jìn)行壓縮、處理、存儲(chǔ)、傳輸和利用的關(guān)鍵，是提高人類信息利用能力質(zhì)的飛躍。1.4.3信息社會(huì)1、“信息社會(huì)”概念的產(chǎn)生信息社會(huì)是社會(huì)發(fā)展以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息資源為基本的發(fā)展資源，以信息服務(wù)性產(chǎn)業(yè)為基本的社會(huì)產(chǎn)業(yè)，以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為基本的社會(huì)交往方式和新型社會(huì)。2、信息社會(huì)的特征

⑴信息化：包括信息資源、信息網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、信息產(chǎn)業(yè)、信息化人才、信息化規(guī)則等六大要素。

⑵全球化：各網(wǎng)絡(luò)之間可以不考慮地理上的聯(lián)系而重新組合在一起。

⑶網(wǎng)絡(luò)化：互聯(lián)網(wǎng)的普及和“信息高速公路”的建設(shè)，使全球信息網(wǎng)絡(luò)化。

⑷虛擬化：形成一個(gè)由互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的虛擬現(xiàn)實(shí)的信息交互平臺(tái)。

1.4.3信息社會(huì)3、信息社會(huì)的負(fù)面影響在信息化社會(huì)給人類帶來極大便利的同時(shí)，它也不可避免的造成了一些問題，特別是隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，許多負(fù)面影響也出現(xiàn)了，如：網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊、網(wǎng)上盜竊、詐騙、軍事領(lǐng)導(dǎo)、政府部門受到攻擊等。4、信息社會(huì)的道德規(guī)范當(dāng)代大學(xué)生，要充分認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)在社會(huì)中所產(chǎn)生的負(fù)面影響，樹立正確的道德觀念，自覺抵制一切不良行為。在網(wǎng)絡(luò)上要養(yǎng)成良好的習(xí)慣，不要做違反公共道德和法律的事情，同時(shí)也要注意保護(hù)自己，不要被網(wǎng)絡(luò)所傷害。

1.4.4信息產(chǎn)業(yè)

人們把信息技術(shù)（InformationTechnology,IT)產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)稱為信息產(chǎn)業(yè)或IT產(chǎn)業(yè)。1、IT產(chǎn)業(yè)的基本特征

⑴高度智力性；⑵高度創(chuàng)新性；⑶高度倍增性；⑷高度滲透性；⑸高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高競(jìng)爭(zhēng)性。2、IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)目前，從整體市場(chǎng)來看，消費(fèi)類電子產(chǎn)品、移動(dòng)通信、寬帶無線接入、家庭網(wǎng)絡(luò)、IPTV與VOIP等是今后幾年內(nèi)技術(shù)發(fā)展的亮點(diǎn)。本章小結(jié)從原始工具到現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的形成，經(jīng)歷了手機(jī)時(shí)代、機(jī)械時(shí)代、機(jī)電時(shí)代、電子時(shí)代。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了“4代”,其發(fā)展趨勢(shì)是“5化”。布爾、圖靈和馮·諾依曼等人在計(jì)算機(jī)相關(guān)理論上的突破和概念上的創(chuàng)新，以致形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的體系。圖靈機(jī)從理論上揭示了計(jì)算的本質(zhì)，證明了制造計(jì)算機(jī)的可行性。21在人類的整個(gè)歷史發(fā)展中，信息處理工具與手段的變革使人類利用信息的過程和效果帶來了飛躍式的進(jìn)步，從而對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)力，這就是信息革命。3ThankYou!同學(xué)們，我們已完成本章學(xué)習(xí)第2章認(rèn)識(shí)計(jì)算學(xué)科教學(xué)要求掌握計(jì)算學(xué)科的基本概念；熟悉計(jì)算學(xué)科的知識(shí)體系、學(xué)科特性以及中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科概況；了解計(jì)算學(xué)科的根本問題、學(xué)科形態(tài)和計(jì)算學(xué)科的典型問題.問題引出從原始的計(jì)算工具到現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)，已發(fā)展成為一門新興學(xué)科——計(jì)算學(xué)科。那么，作為一門新興的綜合性學(xué)科，它是怎樣形成的？其根本問題是什么？具有哪些基本特性？計(jì)算學(xué)科包括哪些知識(shí)領(lǐng)域和研究范疇？這就是本章所要討論的問題.

教學(xué)重點(diǎn)本章主要討論計(jì)算學(xué)科的形成、計(jì)算學(xué)科的根本問題、主要特點(diǎn)、計(jì)算學(xué)科的3個(gè)形態(tài)；中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)設(shè)置、課程體系；計(jì)算學(xué)科中的經(jīng)典問題等。

§2.1計(jì)算學(xué)科的基本概念

§2.4計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

§2.2計(jì)算學(xué)科的知識(shí)體系認(rèn)識(shí)計(jì)算學(xué)科

§2.3計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科本章教學(xué)內(nèi)容§2.1計(jì)算學(xué)科的基本概念

1、什么是計(jì)算學(xué)科

《辭?！穼?duì)學(xué)科的定義是：“①學(xué)術(shù)的分類。指一定科學(xué)領(lǐng)域或一門科學(xué)的分支，如自然科學(xué)中的物理學(xué)、生物學(xué)等，社會(huì)科學(xué)中的史學(xué)、教育學(xué)等；②教學(xué)的科目。指學(xué)校教學(xué)內(nèi)容的基本單位，如中、小學(xué)的政治、語文、數(shù)學(xué)、外語等。”

2、計(jì)算學(xué)科的定義1985年春美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（AssociationforComputingMachinery，ACM）和國際電子電氣工程師協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers-ComputerSociety，IEEE-CS）聯(lián)合組成攻關(guān)組，開始了對(duì)“計(jì)算作為一門學(xué)科”的存在性證明。通過4年的研究，1989年提出了報(bào)告。2.1.1計(jì)算作為一門學(xué)科

(1)計(jì)算作為一門學(xué)科的存在性證明：在這份報(bào)告中，第一次對(duì)計(jì)算學(xué)科及其核心問題給出了定義：計(jì)算學(xué)科是對(duì)信息描述和變換的算法過程（包括對(duì)其理論分析、設(shè)計(jì)、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等）進(jìn)行的系統(tǒng)研究。美國計(jì)算科學(xué)鑒定委員會(huì)（CSAB）發(fā)布的報(bào)告摘錄中強(qiáng)調(diào)了計(jì)算學(xué)科的廣泛性：“計(jì)算學(xué)科的研究，包括了從算法與可計(jì)算性的研究以及可計(jì)算硬件和軟件的實(shí)際實(shí)現(xiàn)問題的研究。這樣，計(jì)算學(xué)科不但包括從總體上對(duì)算法和信息處理過程進(jìn)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(jì)，包括所有科目的理論、研究、實(shí)驗(yàn)方法和工程設(shè)計(jì)?！?.1.1計(jì)算作為一門學(xué)科

(2)整個(gè)學(xué)科核心課程詳細(xì)設(shè)計(jì)：報(bào)告《計(jì)算作為一門學(xué)科》勾畫出了計(jì)算學(xué)科的知識(shí)框架，給出了計(jì)算學(xué)科中二維定義矩陣的定義及其相關(guān)研究?jī)?nèi)容,從而將學(xué)科的主題領(lǐng)域與學(xué)科的3個(gè)學(xué)科形態(tài)（抽象、理論和設(shè)計(jì)）有機(jī)地聯(lián)系在一起。它通過主題領(lǐng)域劃分的方式為計(jì)算學(xué)科課程體系建設(shè)提供了基礎(chǔ)的指導(dǎo)思想，從而為科學(xué)制訂教學(xué)計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)，避免了教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)中的隨意性。

(3)強(qiáng)調(diào)整個(gè)學(xué)科綜述性引導(dǎo)課程的構(gòu)建：提出并解決了未來計(jì)算學(xué)科教育必須解決的整個(gè)學(xué)科核心課程問題以及整個(gè)學(xué)科綜述性引導(dǎo)(導(dǎo)論)課程的構(gòu)建問題。使人們對(duì)整個(gè)學(xué)科認(rèn)知科學(xué)化、系統(tǒng)化和邏輯化，有力促進(jìn)對(duì)計(jì)算學(xué)科方法論的研究，推動(dòng)計(jì)算學(xué)科的快速發(fā)展。

2.1.1計(jì)算作為一門學(xué)科

3、計(jì)算學(xué)科教程

《計(jì)算作為一門學(xué)科》報(bào)告對(duì)計(jì)算學(xué)科的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。1991年，在該報(bào)告的基礎(chǔ)上，提交了關(guān)于計(jì)算學(xué)科的計(jì)算教程(ComputingCurricula1991,CC1991)報(bào)告。隨后相繼發(fā)表了CC2001、CC2004、CC2005等，形成了不同時(shí)期的“計(jì)算教程”。CC2004在原有的4個(gè)專業(yè)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)的基礎(chǔ)上，添加了信息技術(shù)專業(yè)方向。其中，CC2001提出了許多新的概念和主題領(lǐng)域新的劃分，為新學(xué)科教程的形成起到了承前啟后的重要作用。計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣如表2-1所示。2.1.1計(jì)算作為一門學(xué)科表2-1計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣三個(gè)過程學(xué)科主領(lǐng)域抽象理論設(shè)計(jì)1.離散結(jié)構(gòu)（DS）集合論；數(shù)理邏輯；近世代數(shù)；圖論；組合數(shù)學(xué)等2.程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；算法和問題求解；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等3.算法與復(fù)雜性（AL）算法設(shè)計(jì)策略；算法分析；并行算法；分布式算法等?？捎?jì)算性理論；計(jì)算復(fù)雜性理論；并行計(jì)算理論；密碼學(xué)等。算法及組合問題啟發(fā)式算法的選擇、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試；密碼協(xié)議等4.體系結(jié)構(gòu)（AR）布爾代數(shù)模型；電路模型；有限狀態(tài)機(jī)；硬件可靠性等。布爾代數(shù)；開關(guān)理論；編碼理論；有限自動(dòng)機(jī)理論等。硬件單元；指令集的實(shí)現(xiàn)；差錯(cuò)處理；故障診斷；機(jī)器實(shí)現(xiàn)等5.操作系統(tǒng)（OS）用戶可察覺對(duì)象與、內(nèi)部計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的綁定；子問題模型；安全計(jì)算模型等。并發(fā)理論；調(diào)度理論；程序行為和存儲(chǔ)管理的理論；性能模型化與分析等。分時(shí)系統(tǒng)；自動(dòng)存儲(chǔ)分配；多級(jí)濕度；內(nèi)存管理；文件管理；構(gòu)建OS技術(shù)等。6.網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（NC）分布式計(jì)算模型；組網(wǎng);協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)安全模型等。數(shù)據(jù)通信理論；排隊(duì)理論；密碼學(xué)；協(xié)議的形式化驗(yàn)證等。排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)建模；系統(tǒng)性能評(píng)估；網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；協(xié)議技術(shù)等。7.程序設(shè)計(jì)語言（PL）基于各種標(biāo)準(zhǔn)的語言分類；語義模型；編譯器組件等。形式語言與自動(dòng)機(jī)；圖靈機(jī)；形式語義學(xué)；近世代數(shù)等。特定程序設(shè)計(jì)語言；程序設(shè)計(jì)環(huán)境；翻譯技術(shù)；統(tǒng)計(jì)處理等。8.人機(jī)交互（HC）人的表現(xiàn)模型；原型化；交互對(duì)象的描述；人機(jī)通信等認(rèn)知心理學(xué)；人機(jī)工程學(xué)；社會(huì)交互科學(xué)；人機(jī)界面等交互設(shè)備；圖形專用語言；交互技術(shù)；用戶接口；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。9.圖形學(xué)與可視化計(jì)算(GV)顯示圖像算法；實(shí)體對(duì)象的計(jì)算機(jī)表示；圖像處理方法等。二維和多維幾何；顏色理論；認(rèn)知心理學(xué)；傅立葉分析等。圖形算法的實(shí)現(xiàn)；圖形庫和圖形包；圖像增強(qiáng)系統(tǒng)等。10.智能系統(tǒng)（IS）知識(shí)表示；推理與學(xué)習(xí)模型；自然語言理解；自動(dòng)學(xué)習(xí)等。邏輯；概念依賴性；認(rèn)知心理學(xué)；相關(guān)支持領(lǐng)域等。邏輯程序設(shè)計(jì)語言；定理證明；專家系統(tǒng)；弈棋程序；機(jī)器人等。11.信息管理（IM）數(shù)據(jù)模型；文件表示；數(shù)據(jù)庫查詢語言；超媒體模型等.關(guān)系代數(shù)；關(guān)系演算；數(shù)據(jù)依賴?yán)碚摚徊l(fā)理論；統(tǒng)計(jì)推理等。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)庫安全；磁盤映射；人機(jī)接口等。12.軟件工程（SE）歸約方法；方法學(xué)；軟件工具與環(huán)境；系統(tǒng)評(píng)價(jià)；生命周期等程序驗(yàn)證與證明；時(shí)態(tài)邏輯；可靠性理論；認(rèn)知心理學(xué)等歸約語言；配置管理；軟件開發(fā)方法；工程管理；軟件工具等13.社會(huì)和職業(yè)問題（SP）價(jià)值觀；道德觀；知識(shí)產(chǎn)權(quán)；美學(xué)問題等。14.科學(xué)計(jì)算（CN）數(shù)學(xué)模型；有限元模型；連續(xù)問題的離散化技術(shù)等。數(shù)論；線性代數(shù)；數(shù)值分析；其他支持領(lǐng)域等有限元算法映射到特定結(jié)構(gòu)的方法；標(biāo)準(zhǔn)程序庫和軟件包等。表2-1計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣2.1.2計(jì)算學(xué)科的三個(gè)形態(tài)1、抽象形態(tài)抽象是指在思維中對(duì)同類事物去除其現(xiàn)象的、次要的方面,抽取其共同的、主要的方面，從而做到從個(gè)別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維方法。抽象形態(tài)表明，基于計(jì)算學(xué)科的實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法，廣泛采用實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的研究方法。抽象的結(jié)果是概念、符號(hào)、模型。按照對(duì)客觀現(xiàn)象和規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究過程包括以下4個(gè)步驟：①對(duì)研究對(duì)象的概念抽象(定義)；②假設(shè)對(duì)象的基本性質(zhì)和對(duì)象之間可能存在的關(guān)系；③確定這些性質(zhì)和關(guān)系是否正確(證明)；④解釋結(jié)果(與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或研究對(duì)象形成對(duì)應(yīng))。抽象形態(tài)的基本特征是其研究?jī)?nèi)容的構(gòu)造性數(shù)學(xué)特征，是區(qū)別于更廣泛的數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)科形態(tài)的典型特征。2.1.2計(jì)算學(xué)科的三個(gè)形態(tài)2、理論形態(tài)科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性階段上升為理性階段就形成了科學(xué)理論。理論形態(tài)表明，基于計(jì)算科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算科學(xué)理論，廣泛采用數(shù)學(xué)的研究方法。按照統(tǒng)一、合理的理論發(fā)展過程，包含以下4個(gè)步驟：①表述研究對(duì)象的特征(定義和公理)；②假設(shè)對(duì)象之間的基本性質(zhì)和對(duì)象之間可能存在的關(guān)系；③確定這些性質(zhì)和關(guān)系是否正確(證明)；④分析結(jié)果(與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或研究對(duì)象形成對(duì)應(yīng))。這個(gè)形態(tài)主要出現(xiàn)在計(jì)算科學(xué)中與硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)有關(guān)的研究之中。當(dāng)計(jì)算科學(xué)理論比較深?yuàn)W，理解較為困難時(shí)，不少科研人員在大致了解理論、方法和技術(shù)的情況下，基于經(jīng)驗(yàn)和技能常以這種學(xué)科形態(tài)方式開展工作。2.1.2計(jì)算學(xué)科的三個(gè)形態(tài)3、設(shè)計(jì)形態(tài)設(shè)計(jì)用來開發(fā)求解給定問題的系統(tǒng)和設(shè)備，主要要素為：需求說明、規(guī)格說明、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法、測(cè)試和分析。設(shè)計(jì)形態(tài)表明，基于計(jì)算學(xué)科的工程設(shè)計(jì)，廣泛采用工程科學(xué)的研究方法。按照為解決某個(gè)問題構(gòu)造系統(tǒng)或裝置的過程，包含以下4個(gè)步驟：①進(jìn)行需求分析；②給定技術(shù)條件，建立規(guī)格說明；③設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)或裝置；④對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析、修改完善。這個(gè)形態(tài)廣泛出現(xiàn)在計(jì)算科學(xué)中與硬件、軟件、應(yīng)用有關(guān)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)之中。2.1.3計(jì)算學(xué)科的根本問題計(jì)算學(xué)科的根本問題是討論“計(jì)算過程的能行性”，而凡是與“能行性”有關(guān)的討論，都是處理離散對(duì)象，因?yàn)榉请x散對(duì)象，即連續(xù)對(duì)象是很難進(jìn)行“能行性”處理的。因此“能行性”決定了計(jì)算機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和它處理對(duì)象的離散特性，決定了以離散數(shù)學(xué)為代表的應(yīng)用數(shù)學(xué)是描述計(jì)算學(xué)科的理論、方法和技術(shù)的主要工具。

1、計(jì)算過程的能行性對(duì)計(jì)算學(xué)科根本問題的認(rèn)識(shí)與對(duì)計(jì)算過程的認(rèn)識(shí)是緊密聯(lián)系在一起的。遠(yuǎn)古時(shí)期我國學(xué)者就認(rèn)為，對(duì)于一個(gè)數(shù)學(xué)問題，只有當(dāng)確定了可用算盤求解的規(guī)則時(shí)，例如“三下五去二”、“四下五去一”等)，這個(gè)問題才是可解的，這就是最初的“算法化”思想，它蕰涵了中國古代對(duì)計(jì)算根本問題——“能行性”的理解。2.1.3計(jì)算學(xué)科的根本問題

20世紀(jì)30年代，圖靈用形式化的方法成功地表述了計(jì)算過程的本質(zhì)，證明了某些數(shù)學(xué)問題不能用任何機(jī)械過程來解決，深刻地揭示了計(jì)算所具有的“能行過程”的本質(zhì)特征：

一個(gè)計(jì)算過程是能行的，當(dāng)且僅當(dāng)它能夠被圖靈機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2、計(jì)算的本質(zhì)

計(jì)算的本質(zhì)問題是可計(jì)算性?？捎?jì)算性決定了計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)所處理的對(duì)象都只能是離散型的，因?yàn)檫B續(xù)對(duì)象(即非離散對(duì)象)）是很難進(jìn)行計(jì)算處理的，必須在轉(zhuǎn)化為離散型問題以后才能被計(jì)算機(jī)處理。例如，計(jì)算定積分就是把它變成離散量，再用分段求解的方法來處理的。盡管計(jì)算學(xué)科已成為一個(gè)極為寬廣的學(xué)科，但計(jì)算學(xué)科所有分支領(lǐng)域的根本任務(wù)就是進(jìn)行計(jì)算，其實(shí)質(zhì)就是符號(hào)的變換。

1嚴(yán)謹(jǐn)：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件的開發(fā)都必須十分嚴(yán)謹(jǐn)，尤其是軟件開發(fā)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力是相當(dāng)重要的。2學(xué)科知識(shí)體系龐大：該學(xué)科從算法與可計(jì)算性研究到根據(jù)可計(jì)算硬件和軟件實(shí)現(xiàn)問題的研究，其知識(shí)體系龐大。3抽象：是計(jì)算學(xué)科的三個(gè)基本學(xué)科形態(tài)(抽象、理論、設(shè)計(jì))之一。例如計(jì)算機(jī)中的文件管理、設(shè)備管理等都?xì)w為操作系統(tǒng)。

4實(shí)踐性強(qiáng)：計(jì)算學(xué)科是在數(shù)學(xué)和電子學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不僅是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科,而且是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。5與其它學(xué)科關(guān)聯(lián)緊密：如邏輯學(xué)、微電子科學(xué)、光電子科學(xué)、遺傳學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)、物理和化學(xué)科學(xué)中的精細(xì)材料科學(xué)等。2.1.4計(jì)算學(xué)科的主要特點(diǎn)

1計(jì)算機(jī)科學(xué)：程序設(shè)計(jì)、離散結(jié)構(gòu)、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、編譯、軟件工程等15門.2計(jì)算機(jī)工程：程序設(shè)計(jì)、離散結(jié)構(gòu)、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、編譯、軟件工程、數(shù)字邏輯等16門。3軟件工程：程序設(shè)計(jì)、離散結(jié)構(gòu)、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、編譯、軟件工程、軟件測(cè)試等24門。4信息技術(shù)：信息技術(shù)導(dǎo)論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫與信息管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用集成、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息工程等15門。§2.2

計(jì)算學(xué)科的知識(shí)體系2.2.1計(jì)算學(xué)科的知識(shí)領(lǐng)域5信息系統(tǒng)：關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)模型、信息系統(tǒng)、信息存儲(chǔ)、多媒體信息、事務(wù)處理、超文本和超媒體等15門。

1計(jì)算機(jī)離散數(shù)學(xué)：研究數(shù)理邏輯、集合論、近世代數(shù)和圖論等,計(jì)算機(jī)所處理的對(duì)象是離散型的，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ).2算法分析理論：研究算法設(shè)計(jì)和分析中的數(shù)學(xué)方法與理論，如組合數(shù)學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等。3形式語言與自動(dòng)機(jī)理論：研究程序設(shè)計(jì)語言及自然語言的形式化定義、分類、結(jié)構(gòu),研究識(shí)別各類語言的自動(dòng)機(jī)模型及相互關(guān)系.4程序設(shè)計(jì)方法學(xué)：研究編制高質(zhì)量程序的各種程序設(shè)計(jì)規(guī)范化方法，程序正確性證明理論等。5程序設(shè)計(jì)語言理論：運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)理論研究程序設(shè)計(jì)語言的基本規(guī)律。如代數(shù)語義、公理語義、操縱語義等。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇1、計(jì)算機(jī)理論的研究?jī)?nèi)容

1元器件與存儲(chǔ)介質(zhì)：研究構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的各類電子的、磁性的、機(jī)械的、超導(dǎo)的元器件和存儲(chǔ)介質(zhì)。2微電子技術(shù)：研究構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的各類集成電路、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。3計(jì)算機(jī)組成原理：研究通用計(jì)算機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)以及運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等各部件的構(gòu)成和工作原理。4微型計(jì)算機(jī)技術(shù)：研究使用最廣泛的微型計(jì)算機(jī)的組成原理、結(jié)構(gòu)、芯片、接口電路及其應(yīng)用技術(shù)。5計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：研究計(jì)算機(jī)軟硬件的總體結(jié)構(gòu)、各種新型體系結(jié)構(gòu)以及進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)性能的各種新技術(shù)。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇2、計(jì)算機(jī)硬件的研究?jī)?nèi)容

1程序設(shè)計(jì)語言：研究數(shù)據(jù)類型、操作、控制結(jié)構(gòu)、引進(jìn)新類型和操作機(jī)制。根據(jù)實(shí)際需求選擇合適、新穎的程序設(shè)計(jì)語言。2算法設(shè)計(jì)：研究計(jì)算機(jī)領(lǐng)域及其它相關(guān)領(lǐng)域中的常用算法的設(shè)計(jì)方法并分析其時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，以評(píng)價(jià)算法的優(yōu)劣。3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：研究數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和存儲(chǔ)方法、抽象的邏輯結(jié)構(gòu)及其定義的各種基本操作。4編譯原理：研究程序設(shè)計(jì)語言中的詞法分析、語法分析、中間代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成和編譯程序開發(fā)。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇3、計(jì)算機(jī)軟件的研究?jī)?nèi)容

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：研究數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)庫安全保護(hù)、數(shù)據(jù)庫模型、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)語言等。6軟件工程學(xué)：研究軟件過程、軟件需求與規(guī)格說明、軟件設(shè)計(jì)、軟件驗(yàn)證、軟件演化、軟件項(xiàng)目管理、軟件開發(fā)工具與環(huán)境、形式化方法、軟件可靠性、專用系統(tǒng)開發(fā)。7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)，它不僅要求計(jì)算結(jié)果的可視化，而且要求計(jì)算過程的可視化。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇操作系統(tǒng)：研究操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)、并發(fā)處理、資源分配與調(diào)度、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)等。85

1網(wǎng)絡(luò)組成：研究局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、Internet、Intranet等各種類型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、構(gòu)成方法和接入方式。2數(shù)據(jù)通信：研究連接在網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的介質(zhì)、傳輸原理、調(diào)制與編碼技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)等。3體系結(jié)構(gòu)：研究網(wǎng)絡(luò)通信雙方必須共同遵守的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各層的功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)和方法等。4網(wǎng)絡(luò)安全：研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。5網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：研究如何為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的用戶提供方便的遠(yuǎn)程登錄、文件傳輸、電子郵件、信息瀏覽等服務(wù)。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇4、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究?jī)?nèi)容

1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)、代碼重用技術(shù)等。2完善現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)：根據(jù)新的技術(shù)平臺(tái)和實(shí)際情況對(duì)已有的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)、改造，使其功能更強(qiáng)大，更加便于使用。3開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域：研究如何打破計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大計(jì)算機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)生活中的應(yīng)用范疇。4人一機(jī)交互：研究人與計(jì)算機(jī)的交互和協(xié)同技術(shù)，如圖形用戶接口設(shè)計(jì)、多媒體系統(tǒng)的人機(jī)接口等，為用戶提供更加友好界面。2.2.2計(jì)算學(xué)科的研究范疇5、計(jì)算機(jī)應(yīng)用的研究?jī)?nèi)容在這些研究領(lǐng)域中，有些方面已研究得比較透徹并取得了許多成果，也有些方面還不夠成熟和完備，需要進(jìn)一步去探索、研究、完善和發(fā)展。

1信息、管理與決策系統(tǒng)：涵蓋數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)表示與存儲(chǔ)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)與信息檢索、管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、數(shù)字仿真、決策系統(tǒng)等方向。3計(jì)算可視化：涵蓋科學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算幾何、模式識(shí)別與圖形圖像處理等方向。4人工智能應(yīng)用與系統(tǒng)：涵蓋人工智能、機(jī)器人、神經(jīng)元計(jì)算、知識(shí)工程、自然語言處理與機(jī)器翻譯、自動(dòng)推理等方向。2.2.3計(jì)算學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)

計(jì)算學(xué)科經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)相對(duì)比較完備的學(xué)科體系，衍生了許多相對(duì)獨(dú)立的方向和分支。從學(xué)科體系的角度，可將計(jì)算學(xué)科的內(nèi)容劃分為3個(gè)層面。1、應(yīng)用層

1軟件開發(fā)方法學(xué)：涵蓋順序、并行與分布式軟件開發(fā)方法學(xué)，如軟件工程技術(shù)、軟件開發(fā)工具和環(huán)境等方向。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)：涵蓋計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及信息保密與安全技術(shù)等方向。3程序設(shè)計(jì)科學(xué)：涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)值與符號(hào)計(jì)算、算法設(shè)計(jì)與分析、程序設(shè)計(jì)語言、程序設(shè)計(jì)方法學(xué)、程序理論等方向。4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)：涵蓋電路基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、故障診斷與器件測(cè)試技術(shù)等方向。2、專業(yè)基礎(chǔ)層2.2.3計(jì)算學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)

1計(jì)算理論：涵蓋了可計(jì)算性（遞歸論）與計(jì)算復(fù)雜性理論、形式語言與自動(dòng)機(jī)理論、形式語義學(xué)、Petri網(wǎng)理論等方向。2高等邏輯：涵蓋模型論、各種非經(jīng)典邏輯與公理集合論等方向。3、專業(yè)理論基礎(chǔ)層

上述三個(gè)層面的劃分，有利于不同類型人才的培養(yǎng)。在人才培養(yǎng)規(guī)格上，可分劃為三種類型。

●科學(xué)型人才：強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要求掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)理論和應(yīng)用知識(shí)，具備較強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

●工程型人才：強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際工程問題能力的培養(yǎng)，要求掌握計(jì)算機(jī)理論和應(yīng)用知識(shí)，具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力。

●應(yīng)用型人才：強(qiáng)調(diào)應(yīng)用知識(shí)的掌握和組織協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)，要求掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)，具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。2.2.3計(jì)算學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)2.2.4計(jì)算學(xué)科與其它學(xué)科的關(guān)系1、計(jì)算學(xué)科與數(shù)學(xué)方法計(jì)算學(xué)科對(duì)數(shù)學(xué)具有很大的依賴性，數(shù)學(xué)不僅是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且為計(jì)算學(xué)科提了最重要的學(xué)科思想和學(xué)科的方法論基礎(chǔ)。2、計(jì)算學(xué)科與電子學(xué)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，每當(dāng)電子技術(shù)有突破性的進(jìn)展，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的一次重大變革。未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展，將會(huì)與微電子學(xué)和光電子學(xué)密切相關(guān)。

3、計(jì)算學(xué)科與新興技術(shù)計(jì)算學(xué)科的發(fā)展正在更多地依賴新興技術(shù)的發(fā)展。對(duì)計(jì)算學(xué)科能產(chǎn)生重大影響的學(xué)科有：光學(xué)、材料科學(xué)、科學(xué)哲學(xué)、生物化學(xué)、腦科學(xué)與神經(jīng)生理學(xué)、構(gòu)造性數(shù)學(xué)、行為科學(xué)等?！?.3

中國計(jì)算機(jī)與技術(shù)學(xué)科2.3.1CCC2002與專業(yè)規(guī)范

1、中國計(jì)算機(jī)教程2002我國的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教育始于1956年哈爾濱工業(yè)大學(xué)等學(xué)校開設(shè)的“計(jì)算裝置與儀器”專業(yè)，后經(jīng)歷了多種名稱變化，于1998年教育部進(jìn)行本科專業(yè)目錄調(diào)整，計(jì)算機(jī)類專業(yè)名稱統(tǒng)一為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。從2001年開始，增設(shè)了軟件工程專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)。為了與國外先進(jìn)課程體系接軌，2001年3月成立了《中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002》（ChinaComputingCurricula2002，CCC2002）項(xiàng)目研究組，希望通過對(duì)CC2001的跟蹤、分析和研究，并結(jié)合我國計(jì)算學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r，提出一個(gè)適應(yīng)我國本科教學(xué)要求的教學(xué)計(jì)劃，2002年4月提交了研究報(bào)告，并通過了教育部組織的專家評(píng)審，且于同年9月出版發(fā)行。2.3.1CCC2002與專業(yè)規(guī)范

2、中國計(jì)算機(jī)專業(yè)規(guī)范

2006年6月24日，教育部頒布了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展規(guī)范，主要內(nèi)容為：①在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)名稱下，鼓勵(lì)不同的學(xué)校根據(jù)社會(huì)需求和自身實(shí)際情況，為學(xué)生提供不同人才培養(yǎng)類型的教學(xué)計(jì)劃和培養(yǎng)方案。②將人才培養(yǎng)的規(guī)格歸納為三種類型、4個(gè)專業(yè)方向：科學(xué)型(計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)方向)、工程型(計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向、軟件工程專業(yè)方向)、應(yīng)用型(信息技術(shù)專業(yè)方向)。③給出了4個(gè)專業(yè)方向的專業(yè)規(guī)范,，并將CC2004中的“信息系統(tǒng)(InformationSystem,IS）”專業(yè)方向劃歸管理科學(xué)，因此在《研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范》中沒有該專業(yè)方向的內(nèi)容。2.3.2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)設(shè)置

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科體系

20世紀(jì)90年代我國對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科與專業(yè)設(shè)置做了重大改革，本科專業(yè)按一級(jí)學(xué)科培養(yǎng)，統(tǒng)一為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究生按二級(jí)學(xué)科培養(yǎng)，統(tǒng)一為計(jì)算機(jī)軟件與理論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)3個(gè)專業(yè),如圖2-2所示。圖2-2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科結(jié)構(gòu)三個(gè)二級(jí)學(xué)科計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟件與理論計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)一個(gè)一級(jí)學(xué)科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2.3.2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)設(shè)置

2、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科結(jié)構(gòu)

(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科：是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的支柱學(xué)科和基礎(chǔ)學(xué)科,它研究計(jì)算機(jī)硬件與軟件的功能分配、軟硬件界面的劃分、硬件結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的方法與技術(shù)。

(2)計(jì)算機(jī)軟件與理論學(xué)科：是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的核心與靈魂,它研究系統(tǒng)軟件、軟件自動(dòng)化、程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、軟件工程與軟件復(fù)用技術(shù)、并行處理與高性能計(jì)算、智能軟件、理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)理論等。

(3)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科：是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)