计算机科学导论第一学期第1章.ppt

内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 计算机科学导论的地位和作用 作为入门性课程 学生不需要特殊的预备知识，立足于建立对计算机学科的正确认 识，并为今后的深入学习做好铺垫。 作为专业基础课程 注重基础知识的完备性，从计算机发展历史讲起，对计算机分类 、软件分类、硬件设备、二进制概念、网络基础、程序设计、计 算机文化等均有覆盖，帮助学生建立完整视野。 作为工具性课程 引导学生了解计算机学科的主要理论，初步掌握一些关键知识和 技术。 教学大纲 第一章 计算机基础概念 前言 了解课程的基本情况和学习方法 熟悉计算机发展历史 计算机软硬件基础 区别计算机的不同类型 了解完整的计算机系统结构 了解计算机软件的层次体系 第二章 计算机数据表示方法 二进制 了解位置计数法 掌握二进制、八进制、十进制、十六进制的概念及相互转换规则 区分定点数和浮点数 了解原码、补码、反码的定义和计算方法，认识溢出 数据表示 区分模拟数据和数字数据 了解数字、文本、音频、图像和视频等各类数据的存储表示机理 接触数据压缩和数据加密 第三章 门电路与硬件基础 布尔代数 掌握逻辑代数（布尔代数）的定义和计算规则 门和电路 了解门、电路和集成电路 冯诺依曼体系 熟悉冯诺依曼体系结构，了解运算器、控制器和内存储器的机理 了解总线、Cache、中断等概念 硬件设备 了解各种计算机外设和接口的原理 第四章 计算机软件概论 问题求解和算法设计 理解算法和算法评价方法 初步掌握算法设计思想 高级程序设计语言 了解程序语言的翻译过程 掌握基本的数据结构和排序算法 软件和软件工程 熟悉软件设计和开发的完整过程 了解软件工程学的相关知识 第五章 计算机网络概论 计算机网络基础 网络的产生和发展 网络的相关概念、功能、分类 主要的网络设备 网络协议 网络协议的基本概念 OSI参考模型 IP地址和域名 网络安全 第六章 操作系统与数据库 操作系统 了解操作系统的概念和功能 初步掌握CPU调度、内存管理和进程管理的机制 了解文件和目录的管理机制 数据库 掌握数据库和数据库管理系统的概念 熟悉常用的数据模型 人机交互界面 了解人机交互的要素、设计方法和评价体系 各章节的层次关系 数据表示 门和电路 硬件体系 外围设备 软件工程 数据结构 算法设计 网络 人机交互 数据库 操作系统 概念和历史 教学目的 认识 了解计算机学科的基本概念和基本原理 理解 熟悉计算机领域的重要论断，明白对象的内在关联 掌握 把握计算机核心思想和方法并能阐述其特性和特点 运用 能够利用所学知识和工具初步解决一些实际问题 参考书 计算机文化 机械工业出版社 June Jamrich Parsons & Dan Oja 著 吕云翔 张少宇 曹蕾 等译 计算机科学概论 机械工业出版社 Nell Dale & John Lewis 著 张欣 胡伟 等译 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 学习建议 积累 坚持不懈和踏实努力是学习一切知识的基础 实践 时间和实践是开启成功大门的两把金钥匙 高度 站在产业的高度认识计算机相关问题 站在哲学的高度把握计算机相关方法 目的 以融会贯通原理和技术为学习目的 其它：灵活、创新、 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 计算硬件的发展史 硬件： 通常是指计算机系统中有形的装置和设备的总称 Hardware： The machinery which makes up a computer, as opposed to the systems that make it perform particular jobs. 代币计数符 公元前7500年 农夫利用很多块形状各异的土块作为计数器，帮助自己计算资产 。 公元前3500年 执政者使用盖上印章的土球盛放代币。 公元前3300年 记录员只用土球上的印章进行计量，而忽略了代币本身。 公元前3100年 使用铁笔绘制代币，出现了数字的原型。 Stonehenge石群 公元前2180年，英国 日历或星象观测台 算盘 算筹 古时候人们用小木棍进行计算，这些小木棍叫“算筹“。 算盘 四周是木框，里面固定着一根根小木棍，小木棍上穿着木珠，中 间一根横梁把算盘分成两部分，每根木棍的上半部有两个珠子， 每个珠子当五，下半部有五个珠子，每个珠子代表一。 计算机械 17世纪中叶 法国人Blaise Pascal建造了齿轮驱动机械 可以执行整数加减法，被誉为第一个数字计算器 17世纪末 德国人Leibniz建造了四则运算机械 哲学家、数学家、政治家、家庭教师 “世界上没有两片完全相同的树叶” 18世纪末 法国人Jacquard发明了一种织布机 利用穿孔卡片控制纺织图案 分析机 19世纪 英国人Charles Babbage提出了分析机设计思想 是现代计算机的雏形 第一次提出了内存的概念 Ada Augusta 18151852 伯爵夫人 第一位程序设计员 Babbage的追随者和朋友 提出了循环的概念并预见了人工智能领域 图灵 19121954 人工智能之父 1936年发明图灵机 计算机领域最高奖命名为“图灵奖” 第一代计算机（19511959） 使用真空管存储信息 第二代计算机（19591965） 使用晶体管存储信息 比真空管更小、更可靠、更快、更长寿、更便宜 新的存储设备 磁芯（即时存取存储器） 磁盘（辅助存储设备） 第三代计算机（19651971） 摩尔定律 一个集成电路板上能够容纳的电路数量每年增长一倍。 键盘和屏幕 第四代计算机（1971） 大规模集成化 新摩尔定律 每18个月，计算机的功率会在同样价格水平下增长一倍，或者以 一半价格可以购买同样的计算机功率。 以个人电脑为时代标志 计算软件的历史 软件： 与系统有关的程序、步骤和有关文件编制的集合 Software The set of systems (in the form of programs rather than machine parts) which is stored on magnetic tape or disk and controls the operation of a computer. 第一代软件（19511959） 机器语言 内置在计算机电路中的指令。 汇编语言 使用助记忆码表示每条机器语言指令，是一种程序设计的辅助工 具。 汇编器 负责读取每条用助记忆码编写的程序指令，然后把它翻译成等价 的机器语言。 第一代软件层次 Write “H” 11100000 0000000001001000 CHARO c#/H/, i 第二代软件（19591965） 高级语言 使得程序设计员能够用类似于英语的语句编写指令。 FORTRAN, COBOL 第三代软件（19651971） 操作系统 一种程序，决定计算机何时运行什么程序。 应用程序 SPSS（Statistical Package for the Social Science） 计算机控制的施肥器 计算机用户 不参与程序设计过程，只是使用他人编写的软件工具。 第三代软件层次 第四代软件（19711989） 结构化程序设计方法 一种有逻辑、有规则的程序设计方法。 Pascal，BASIC，C语言 强大的操作系统 UNIX 新的应用程序软件包 电子制表软件，文字处理软件，数据库管理系统 第五代软件（1990） Microsoft公司的崛起 Windows操作系统，Word 面向对象的程序设计方法 C+，Java，C# 万维网（World Wide Web） HTTP协议，HTML，浏览器 计算工具和计算学科 计算机学科的四个领域 算法思想 表示方法 程序设计 硬件设计 小结 计算机科学导论是一门专业基础课。 学习时应该勤于积累、借助多种渠道开拓视野、积极寻找 兴趣点。 计算硬件的发展拥有漫长的历史，而计算软件是随着近代 计算机的出现和成熟而逐步成长的。 一些有趣的预言 “我认为存在大概5台计算机的世界市场” -Thomas Watson，IBM主席，1943 “未来的计算机将只有1000个真空管，重量只有1.5吨” -Popular Mechanics，1949 “没理由人人都想在家摆一台计算机” -Ken Olsen，DEC总裁，1977 “我预测Internet在1996年会彻底失败” -Bob Metcalfe，3COM创始人，1995 课堂思考 在你成长的过程中，计算机起到了怎样的作用？ 谁是第一位程序设计员？从他（她）的故事中你有何收获 ？ 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 中国计算机专业教育发展概况 1956 19561967年科学技术发展远景规划 从无到有，全国共建设14个计算机专业 1978 19781985年全国科学技术发展规划纲要 逐渐兴起，全国新开办计算机专业74个 1994 互联网逐渐兴起，计算机日益普及 蓬勃发展，新成立400多个计算机专业点 2006 20062020国家中长期科学和技术发展规划纲要 发展信息产业及现代服务业，加快信息化进程 中国计算机专业教育发展概况 全国共有计算机本科专业 775个，本科以上在校生 达到了44万余人 1956年 以前 1956 1996 2006 “计算装置与 仪器”专业 “计算数学” 专业 全国共有计算机本科专业 410个，其他相关专业几百个 没有计算机专业 数学、物理、电 子等学科承担相 关研究工作 计算机学科发展情况 1996年2005年 计算机专业410775 软件学院0 2001,教育部启动示范性软件学院36所 2003,教育部启动示范性软件职业技术 学院35所 全国共有软件学院162所 硕士点296个617个 博士点56个128个 计算机专业招生情况 1996年2005年增长率 招收本科生26,167102,723400% 招收硕士生2,03218,300900% 招收博士生3601,798500% 南开大学信息学科的发展 1958 1958年设立无线电电子专业（电子科学与技术系前身） 1958年设立半导体物理专业（微电子科学系前身） 1962年设立无线电物理专业（通信工程系前身） 1972 1972年设立自动控制专业（自动化系前身） 1977年设立计算机软件专业（计算机科学与技术系前身） 1979年设立计算机应用专业 1984年设立计算机科学与技术系，下辖软件、应用、自控三个专业 1995 正式成立信息技术科学学院，下辖六系四所 电子科学与技术系拆分为电子、电信、微电、通信四个系 计算机科学与技术系拆分为计算机、自动化两个系 信息技术科学学院是南开大学唯一的“工科”学院 2003 新开设信息安全专业（属于计算机科学与技术系） 新开设光电子技术科学系专业（与天大合作办学） 新开设智能科学与技术专业（2006） 南开大学信息学科的发展 9个本科专业，14个硕士点 7个博士点，3个博士后站 4个专业学位授予点 现有学生2600余名 1958年 以前 1962 1995 2006 陆续开设电子系和 计算机系 正式成立信息学院 物理、数学领域 从事相关研究 计算学科的变化与发展 一切都在变一切都在变 学科 分类 技术 趋势 文化 教育 学习和教育理念一 直在更新 不断变革 不断细化 价值观念 社会需求 二十年前：知道这些名词就足够了 十年前：还需要知道这些名词 现在：学的越多，发现自己懂得越少 聪明的学习：懂得选择成长的目标 精化学习：知识爆炸带来的必然选择 没有人能够短时间内学会计算机相关的所有知识 社会发展需要结构合理、数量充足的人才体系 门门粗通就是门门稀松，一门精通换来职场成功 分类筛选：社会发展带来的必然要求 严格的就业准入制度是产业发展的有效辅助 获得权威认证和获得学位证书同样重要 压价竞争造成薪水大跌，差异竞争换来一骑绝尘 计算机专业的发展和细分 1990年以前: EECSIS 1990年之后: EECECSSEITIS 硬件软件 组织应用 硬件商科软件 “计算机工程”的知识与技能分布 理论的 创新性 应用、部署 配置能力 更理论化更应用化 开发实现能力 CE 应用技术 软件方法和技术 系统基础框架 计算机硬件 &体系结构 组织型事务管理 & 信息系统 “计算机科学”的知识与技能分布 理论的 创新性 应用、部署 配置能力 更理论化更应用化 开发实现能力 CS 应用技术 软件方法和技术 系统基础框架 计算机硬件 &体系结构 组织型事务管理 & 信息系统 “信息系统”的知识与技能分布 理论的 创新性 应用、部署 配置能力 更理论化更应用化 开发实现能力 IS 应用技术 软件方法和技术 系统基础框架 计算机硬件 &体系结构 组织型事务管理 & 信息系统 “信息技术”的知识与技能分布 理论的 创新性 应用、部署 配置能力 更理论化更应用化 开发实现能力 IT 应用技术 软件方法和技术 系统基础框架 计算机硬件 &体系结构 组织型事务管理 & 信息系统 “软件工程”的知识与技能分布 理论的 创新性 应用、部署 配置能力 更理论化更应用化 开发实现能力 SE 应用技术 软件方法和技术 系统基础框架 计算机硬件 &体系结构 组织型事务管理 & 信息系统 社会对计算机专业人才的需求分布 CS CE SE IS IT 信息化大潮的人才分布： 只需要极少数的科学家 一定数量的高级工程师 较多数量的技术工程师 更多数量的系统咨询服务人员 最多数量的专业技术操作人员 当前计算机专业教育的不足 界限模糊：学科之间并无明显的区分 知识技能出现大量的低级雷同，不能分类培养 专业名称和教学内容存在严重脱节 目标模糊：人才培养没有明确的方向 人才体系结构不符合社会发展要求 学历高不等于能力强，扎堆找工作增加内耗 客观困难：资源和需求存在尖锐的矛盾 稀缺的高等教育资源无法有效解决以上问题 产业发展时不我待，专业教育却蹒跚成长 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 计算机的学科方法论-三个过程 理论 与数学的研究方法类似，要素为定义和公 理、定理、证明、结果的解释，基本特征 为构造性数学特征 抽象 模型化能力，要素为数据采集、假设的形 式说明、模型构造与预测、实验与结果分 析，抽象的结果为概念、符号、模型 设计 工程能力，要素为需求分析、规格说明、 测试和分析，用于实现解决实际问题的系 统和设备 计算机的学科方法论-核心概念 1 概念和形式模型 抽象层次 大问题的复杂性 2 绑定 演化 重用 折中与决策 3 按时间排序 按空间排序 一致性与完备性 安全性 效率 计算机的学科方法论-核心方法 系统科 学方法 用数学描述解释 形式化语言 数量分析与计算 逻辑推理 从不同抽象层次 看待研究对象 系统整体优化 系统级分析模拟 数学 方法 “计算机科学与技术”方向的知识体系 知识体系知识体系 知识点知识点 知识单元知识单元 知识领域知识领域 CS和CE的知识领域对比 简称全名 CSAR计算机体系结构与组织 CSAL算法与复杂度 CSHC人机交互 CSOS操作系统 CSPF程序设计基础 CSPL程序设计语言 CSDS离散结构 CSGV图形学与可视化计算 CSNC以网络为中心的计算 CSSE软件工程 CSIS智能系统 CSIM信息管理 CSCN计算科学与数值方法 CSSP社会与职业问题 简称全名 CE-CAO计算机体系结构与组织 CE-ALG算法与复杂度 CE-CSE计算机系统工程 CE-CSG电路和信号 CE-DBS数据库系统 CE-DIG数字逻辑 CE-DSP数字信号处理 CE-ELE电子学 CE-ESY嵌入式系统 CE-HCI人机交互 CE-NWK计算机网络 简称全名 CE-OPS操作系统 CE-PRF程序设计基础 CE-SPS社会和职业问题 CE-SWE软件工程 CE-VLSVLSI设计与构造 CE-PRS概率和统计 CE-DSC离散结构 CS的知识领域（14个）CE的知识领域（18个） 信息学科的课程体系 专业基础 核心课程 技能训练 学习能力 知识获取能力 知识应用能力 专业创新能力 实践能力 系统分析能力 问题求解能力 管理协作能力 综合教育：素质培养 普通教育：人文/自然科学 基础学习VS专业学习 基础学习：掌握基本概念和技能方法 以强化记忆、机械练习为主的被动学习 多采用灌输式、接受式的学习方法 专业学习：搭建理论体系和专长框架 以探寻原理、创新实践为主的主动学习 应采用启发式、反思型的学习方法 高中VS大学：被动VS主动 了解世界积累知识：这是高中 发现自我实现自我：这是大学 认知科学改造世界：科技以人为本 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 多媒体领域的发展概况 多媒体信息表达 GUI：划时代的革命 数字图像处理 计算机图形学 数字音频处理 数字视频处理 虚拟现实的早期应用 多媒体信息处理 多通道人机交互 Flash的革命 多媒体信息格式 存储与传输效率 多媒体信息识别 动漫时代的来临 数字娱乐的兴起 多媒体信息应用 Web + Multimedia 计算机辅助设计 全3D数字娱乐 “超级”显示 Web Service兴起 虚拟现实的发展 Web Service的产业发展情况 有计算机的地方就要有网络 从单机走向互联，网络成为习惯 有网络的地方就要有Web Service 从数字孤岛走向松散耦合的信息海洋 有Web Service的地方就要有多媒体 从简单的动画到复杂的Web 3D 从简单的音乐到复杂的3D音效 数字媒体的产业发展情况 第一阶段：单纯为了展示 多媒体只是一种形式 第二阶段：交互与信息获取 多媒体成了一种必须 第三阶段：辅助计算与设计 多媒体是全新的感性世界 学生课外实践的建议 不仅要好玩，更要好用 现实世界中工作流的整合与重构 不仅要好看，更要高效 有效信息的展现、获取和处理是关键 不仅要新潮，更要朴素 朴素的理念革命与技术发展 天津：中国经济第三极的美好期翼 滨海滨海 新区新区 “十一五十一五”规划规划 电子信息产业作为电子信息产业作为 天津的支柱型产业天津的支柱型产业 ITIT专业技术人才专业技术人才 需求极大需求极大 北方金融中心北方金融中心 北方物流中心北方物流中心 需要大量的信息需要大量的信息 化服务人员化服务人员 CSer们的明天会更加美好 事业成功发展 创新实践磨砺 专业技能训练 基本知识学习 自在阶段 自由阶段 自省阶段 自知阶段 内容提要 课程基本情况 学习方法与技巧 计算机发展简史 中国计算机专业教育发展历史回顾 计算机科学与技术专业的知识体系 产业发展情况 计算机的基本概念和系统结构 什么是计算机：从电影谈起 机器人会 有感情吗 ？ 科技会 颠覆人 类社会 ，代替 人类智 慧吗？ 形形色色的计算机 形形色色的计算机（续） 智能卡 移动通信 计算机外设 机顶盒 零售设备 印刷机 复印机 互联网服务器 电话交换设备 计算机的四种类型 个人计算机 满足个人应用要求，体积小、价格便宜 台式机（Desktop）、便携式计算机（Laptop、Notebook） 小型计算机 体积比个人计算机大一点，计算与存储能力更强 适用于中小型企业和科研机构的计算处理要求 大型计算机 体积更大，需要专门的机房和维护环境 系统性能更高，数据存储空间更大 一般用于大型企业和科研机构的数据中心和计算服务平台 超级计算机 拥有远胜于其他计算机的计算能力和存储能力 用于国家战略服务和专项的超级数据计算 计算机的基本结构 接受指令和 待处理的各 种数据 数据输入 信息存储 指令处理 结果输出 保存程序、 数据和各种 信息 根据指令完 成相应的处 理操作 以合理的形 式将结果提 供给用户 计算机硬件体系结构（冯.诺依曼） 中央处理器 控制单元（CU） 算术逻辑计算单元（ALU） 内部寄存器（Register） 第一存储设备（内存） 输入设备 输出设备 第二存储 设备（外存） 计算机的基本硬件设备 输出设备输入设备存储设备 键