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信息科学导论 * 信息科学导论 2 v计算机科学导论侯惠芳 张雪萍 刘素华主编， 北京邮电大学出版社，2007年11月第1版； v计算机科学概论（原书第2版）美Nell Dale John Lewis，机械工业出版社，2005年9月第1 版； vvComputing EssentialsComputing Essentials，Timothy J. Timothy J. OO Leary Linda I. OLeary Linda I. O LearyLeary，高等教育出版社，高等教育出版社 参考书目：参考书目： 联系方式联系方式:sunny_cai:sunny_ 信息科学导论 3 v计算机学科的 基础知识 v计算机学科的 专业知识 计算机科学专业知识体系 数学知识 物理学及电子学知识 学科基础知识 学科专业知识 高等数学 线性代数 概率与数理统计 离散数学大学普物 电路分析基础 模拟电子技术 数字逻辑电路 计算机导论 高级语言程序设计 面向对象程序设计 数据结构 操作系统 编译原理 数据库系统原理 软件工程 计算机图形学 人工智能 信息科学导论 4 1.1.1 计算机的起源 1.1.2 计算机的发展 1.1.3 计算机的特点与分类 1.1.4 微型计算机的发展 1.1.5 计算机的应用 1 计算机基础 1.1 计算机的发展及分类 信息科学导论 5 1.1.1 计算机的起源 公元600年左右，我国出现计算工具算盘。 16世纪欧洲出现计算尺和机械式计算机。 19世纪英国数学家巴贝奇(1792-1871)提出通用计算机的 基本设计思想，把机械计算器具和顺序控制设备的发展结合 起来。 19世纪中叶， 英国数学家布尔(1824 -1898)创立了布尔 代数，从此数学进入思维领域。 1937年英国数学家图灵(1912 -1954)提出了著名的“图灵 机”的模型，探讨了计算机的基本概念，证明了通用数字计算 机是能够制造出来的。为了纪念图灵对计算机科学的重大贡 献，美国计算机协会设有图灵奖，每年授予在计算机科学领 域作出特殊贡献的人。 1946年2月世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国的 宾夕法尼亚大学诞生。 信息科学导论 6 第一台电子计算机（ENIAC） 5000次加法/秒 体重约30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW/小时 信息科学导论 7 香侬香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中， 首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可 以通过继电器电路来实现。 阿塔纳索夫阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则： 1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证 精度； 2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运 算，以保证计算速度； 3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分 离的结构。 主张“将数字存储和数字运算分开进行” 奠定现代计算机发展的重要人物和思想 Claude ShannonClaude Shannon 信息科学导论 8 图灵与图灵机 为纪念图灵对计算机的贡献， 美国计算机博物馆于1966年 设立了“图灵奖” 计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。 图灵机是一种思想模型， 它由三部分组成： 一个控制器，一条可以无限延伸的 带子和一个在带子上左右移动的读 写头。 P W/R B 11 1 1B 1 B M 信息科学导论 9 John von Neumann 冯诺依曼 1949 EDVACEDVAC 冯诺依曼计算机 存储程序工作原理： 计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二 是能够自动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行 的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中 取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至 完成全部指令任务为止。 信息科学导论 10 v计算机是一种可以自动处理信息的工具。 v计算机是一种能快速高效自动完成信息处理的 工具。 v计算机是一种能够高速运算、具备内部存储能 由程序控制其操作过程的电子装置。 v计算机是一种自动地、高速地进行数值运算和 信息处理的电子设备。它主要由一些机械的、 电子的器件组成，再配以适当的程序和数据。 程序及数据输入后可以自动执行，用以解决某 些实际问题。 究竟什么是计算机 信息科学导论 11 1.1.2 计算机的发展 计算机的发展史 计算机的发展趋势 信息科学导论 12 计算机的发展史 计计算机的 发发展阶阶段 逻辑逻辑 器件运算速度 起止 年代 代表的机型特 点 第1代电电子管几千次/秒 1946 1958 UNIVAC-I、 IBM650（小型 机）和IBM709 （大型机） 内存储储器采用水银银延迟线迟线，外存储储 器有纸带纸带、卡片、磁带带和磁鼓。程 序设计语设计语 言还处还处于最低阶阶段，使用 机器语语言编编程，尚无操作系统统出现现 ，操作机器困难难。 第2代晶体管 几十万次/ 秒 1959 1964 IBM-7090 IBM- 7094 CDC7600 内存储储器使用磁性材料制成的磁芯 ，外存储储器有磁盘盘、磁带带。出现现了 监监控程序并发发展为为后来的操作系统统 ，出现现了高级级程序设计语设计语 言BASIC 、FORTRAN和COBOL，大大提高 了计计算机的工作效率。 第3代集成电电路 几千万次/ 秒 1965 1970 IBM-360系列 富士通F230系 列 体积积、重量、功耗都进进一步减小， 出现现了结结构化、模块块化的程序设计设计 思想，出现现了结结构化的程序设计语设计语 言PASCAL。 第4代 大规规模集成 电电路 几亿亿次/秒 1971至 今 IBM-4300系列 3080系列、 3090系列和 9000系列 开始引入光盘盘，外部设备设备种类类和质质 量都有很大提高。操作系统统向虚拟拟 操作系统发统发展、数据库库管理系统统不 断完善和提高，程序语语言进进一步发发 展和改进进 信息科学导论 13 目前计算机的发展是向着四个方向： 巨型化、微型化、网络化和智能化。 计算机的发展趋势 信息科学导论 14 CRAY-CRAY- 巨型化 运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计 算的高科技领域。 中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”、 “银河2号”和“银河3号” 国家职能计算机中心推出的 “曙光1000” 、“曙光2000”和“曙光3000” 银河银河 信息科学导论 15 Altair 8800 微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。 信息科学导论 16 网络化 计算机网络：计算机网络： 计算机技术与通信技术结合 的产物。 计算机网络的发展动力：计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。 信息科学导论 17 智能化 “总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637） 人类第一个“工业机器人”： 一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人 机械手（1962年出现） 第二代机器人 具有“感觉”的机器人 第三代机器人 装有启发式计算机的“智能机器人” DeepblueDeepblue Garry KasparovGarry Kasparov 信息科学导论 18 计算机的发展趋势 未来新型计算机 1光计算机：利用光作为信息的传输媒体 。 2生物计算机（分子计算机）：生物计算机在20世纪 80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片 。 3量子计算机：利用处于多现实态下的原子进行运算 的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。 信息科学导论 19 1.1.3 计算机的特点与分类 计算机的特点 计算机的分类 信息科学导论 20 计算机采用了高速电子器件和线路，并利用先进的计算技术，使它可以有 很高的运算速度。运算速度是指计算机能执行多少百万条指令每秒。常用单 位是MIPS，一般的计算机运算速度可达几百万次到几亿次每秒，现在有些 高档计算机的运算速度甚至可达几百亿次每秒。 1、快速运算能力 2、计算精度高 由于计算机是根据事先编好的程序自动、连续地工作，可以避免人工计算 可能因疲劳、粗心而产生的各种错误。例如，圆周率的计算，历代科学 家采用人工计算只能算出小数点后500位。1981年日本人曾利用计算机算 到小数点后200万位，而目前已计算到小数点后上亿位。 计算机的特点 信息科学导论 21 计算机中拥有容量很大的存储设备，不仅可以存储所需的数据信息，还可 以存储指挥计算机工作的程序，同时可以保存大量的文字、图像、声音等信息 资料。 3、存储功能强 4、逻辑判断能力 计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础，是计 算机基本的、也是重要的功能。 计算机是自动化电子装置，在工作中无需人工参与，能自动执行存放在存储 器中的程序。人们事先编好程序后，向计算机发出指令，计算机即可帮助人类 完成那些枯燥乏味的重复性劳动。 5、自动运行程序 计算机的特点 信息科学导论 22 按处理数据的方式分类 ：模拟计算机和数字计算机；按应用范围分类：专用 计算机和通用计算机；按规模分类：根据计算机规模和性能，可以将计算机分为 以下几类： 1巨型计算机 运算速度在每秒亿次以上的计算机可称为巨型计算机。 2. 大型计算机 运算速度在每秒几千万次以上的计算机为大型计算机。 3. 中型计算机 运算速度在每秒百万次以上千万次以下的计算机为中型计算机，与大型计算 机的区别不甚明显，通常用在国家重点科研机构、重点理工科院校。 计算机的分类 信息科学导论 23 4. 小型计算机 小型计算机的运算速度在每秒几百万次左右。 5微型计算机 微型计算机也称为个人计算机，简称微机、PC机。 随着计算机技术的发展，各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的高 档微机，其速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。 计算机的分类 信息科学导论 24 1.1.4 微型计算机的发展 1. 第一个微处理芯片和第一台微型机 1971 1971年年1 1月，以霍夫为首的研制小月，以霍夫为首的研制小 组，完成了世界上第一个微处理器芯片组，完成了世界上第一个微处理器芯片 。在。在3434毫米面积上集成晶体管毫米面积上集成晶体管22502250个，每秒运算速度达个，每秒运算速度达6 6万次万次 。它意味着电脑。它意味着电脑CPUCPU已经缩微成一块集成电路，意味着已经缩微成一块集成电路，意味着“芯片上芯片上 的电脑的电脑”诞生。诞生。 第一块微处理器芯片已属大规模集成电路范畴。英特尔公司第一块微处理器芯片已属大规模集成电路范畴。英特尔公司 命名它为命名它为40044004。 40044004芯片芯片 爱德华爱德华 罗伯茨罗伯茨以每块以每块7575美元价格向英特尔购到美元价格向英特尔购到80808080微处理器微处理器 ，组装了一台很小的机器，命名为，组装了一台很小的机器，命名为“ “牛郎星牛郎星” ”。这就是世界上第一这就是世界上第一 台用微处理器装配的微型计算机台用微处理器装配的微型计算机。 信息科学导论 25 微处理器微处理器推出时间推出时间字长字长( (位位 ) ) 主频主频(MHz)(MHz)集成度集成度( (晶体管数晶体管数/ /片片) ) 4004197140.72300 8028619821662513.4万 803861985年32164027.5万 804861989年3225100120万 Pentium1993年32606233310万 Pentium II1997年32133450750万 Pentium III1999年32350550950万 Pentium 42000年321400以上4200万 Itanium(安 腾腾) 2001年648002500万(不包括Cache) Itanium 22002年6490010002.2亿亿 微处理器的发展历程微处理器的发展历程 微型机的核心是微处理器，因此微型机的发展历程，从根本上说也就是微处理 器的发展历程。 1.1.4 微型计算机的发展 信息科学导论 26 晶 体 管 数 目 4004奔腾4 420,000,000 2,300 将电脑浓缩在一颗芯片上将电脑浓缩在一颗芯片上 0.18微米芯片 10微米芯片 信息科学导论 27 晶 体 管 数 单 位 时 间 执 行 的 指 令 数 百万条/每秒 每18个月芯片能力增长一倍，价格减半 计算机第一定律莫尔（Moore）定律 信息科学导论 28 计算机世界中的中国 1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组 组长 闵大可电机系教授 1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所 负责人 钱三强 1958年完成第一台电子计算机103 1959年完成大型电子计算机104 1959年中国自行研究的107计算机问世 1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路） 1977年研制成功中国第一台微机DJS050 信息科学导论 29 科学计算是计算机最早的应用领域，计算机高速、高精确的运算是人工 计算望尘莫及的。现代科学技术中有大量复杂的数值计算，如军事军事、航天航天、 气象气象、地震探测地震探测等，都离不开计算机的精确计算。计算机的应用大大节约了 人力、物力和时间。 1、科学计算 2、数据处理 数据处理也称为事务处理。使用计算机可对大量的数据进行分类、排 序、合并、统计等加工处理，例如人口统计人口统计、人事人事、财务管理财务管理、银行业务银行业务 、图书检索图书检索、仓库管理仓库管理、预订机票预订机票、卫星图像分析 卫星图像分析等。数据处理已成为计 算机应用的一个重要方面。 1.1.5 计算机技术的应用 信息科学导论 30 过程控制也称为实时控制，主要是指计算机在工业和军事方面的应用。 计算机能及时采集检