《计算机导论》PPT课件.ppt

1,计算机导论,陈庆强 ,2,1、昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。 2、衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。 3、众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。,治学的三重境界,3,第一章 计算机科学技术与信息化社会,1.1 计算机的基本概念 1、定义： 计算机是一种电子机器，它接受数据（输入）、根据某些规则来处置这些数（处理）、产生处理结果（输出），并储存这些结果（存储）为以后所用。 计算机：是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。 计算机系统： 硬件：包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等。 软件 ：系统软件、应用软件、工具软件,4,2、计算机的基本操作,计算机的基本操作： 输入：接受由输入设备提供的数据 处理：对各种类型的数据进行操作，并按指定的方式进行转换 输出：将处理所产生的结果等数据由输出设备进行输出 存储：计算机可以存储程序和数据 IPOS循环: 即输入（Input）、处理（Processing）、输出（Output）和存储（Storage）,它反映了计算机进行数据处理的基本步骤,5,3、计算机的分类,按处理对象分类：数字计算机（Digital Computer） 、模拟计算机（Analog Computer） 、数字模拟混合计算机（Hybrid Computer） 按用途分类：通用计算机（General Purpose Computer） 、专用计算机（ Special Purpose Computer ） 按规模分类：巨型计算机（Super Computer）、大/中型计算机（Mainframe） 、小型计算机（Mini Computer） 、微型计算机（ Micro Computer）、工作站（Workstation）、服务器（Server）、网络计算机（Network Computer）,6,4、计算机的特点,运算速度快 运算精度高 具有记忆能力 具有逻辑判断能力 存储程序,7,5、计算机的用途,科学计算：使用计算机完成科学研究和工程技术中数学问题的计算 数据处理：使用计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、表、检索以及存储等 实时控制：及时采集检测数据、使用计算机快速进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化 人工智能：由计算机来模拟或部分模拟人类的智能，包括：自然语言理解、专家系统、智能机器人、定理自动证明等,8,计算机辅助工程和辅助教育：计算机辅助设计（Computer Aided Design， CAD） 、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing， CAM） 、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS） 、计算机辅助教育（Computer Aided Instruction, CAI） 娱乐与游戏：计算机以图像与声音的集成形式提供最新的娱乐和游戏的方式,9,6、计算机的产生和发展,图灵机 英国数学家艾兰图灵（Alan Mathison Turing，l912-1954）是世界上公认的计算机科学奠基人，他的主要贡献有两个：一是建立图灵机（Tuhng MaChine，TM）模型，奠定了可计算理论的基础；二是提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。但在他生活的时代，却完全没有这些赞誉。他不过是一位古怪的数学家、超前的哲学家、神秘的密码破译专家而已，没有人会想到他的思维能燃起信息时代的烈焰。为纪念图灵对计算机科学的贡献，美国计算机学会ACM在1966年创立了“图灵奖”，每年颁发给在计算机科学领域的领先研究人员，号称计算机业界和学术界的诺贝尔奖。,10,所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。,11,图灵机的组成,1.一条无限长的纸带 TAPE。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号 表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为 0,1,2,. ，纸带的右端可以无限伸展。 2.一个读写头 HEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。 3.一套控制规则 TABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。 4.一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。,12,第一代计算机（1946年1957年）：逻辑器件使用电子管；使用机器语言编程 第二代计算机（1958年1964年）：使用晶体管代替了电子管；在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序 第三代计算机（1965年1971年）：用小规模或中规模的集成电路来代替晶体管等分立元件；在软件方面引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统以及功能完备的操作系统，提供面向用户的应用程序 第四代计算机（1972年今）：使用大规模集成电路和超大规模集成电路。完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，以及通信技术和计算机网络的飞速发展 第五代计算机：目标是打破计算机现有的体系结构，使得计算机具有智能,13,逻辑元件：电子管 内 存：延迟线或磁芯 外 存 ： 纸带、卡片或磁带 工作速度 ： 几千几万次秒软 件 ：机器语言或汇编语言应 用 ： 科学计算s代表机型：ENIAC 特 点 ： 体积庞大，运算速度低，成本高,第一代计算机：,14,晶体管计算机,逻辑元件 晶体管 内 存 磁芯 外 存 磁带或磁 盘 工作速度 几十万 次秒 软 件 高级算法 语言,应 用 事务管 理及工业控制 代表机型 IBM 7000 系列 优 点 体积小， 寿命长，速度快， 能耗少，可靠性 高,第二代计算机,15,集成电路计算机,逻辑元件： 中小规模集成电路（硅） 内 存： 半导体存储器 工作速度： 几十万几千万次/秒 软 件： 高级算法语言、操作系统 、应 用计算、管理及控制,代表机型IBMSystem /360 优 点 体积更小、速度更快、能耗更小、寿命更长 发展特点 计算机设计出现了标准化、通用化、系列化的局面,第三代计算机,16,大规模集成电路计算机,逻辑元件 （超）大规模集成电路 内 存 半导体存储器 外 存 磁盘和光盘 工作速度 几百万几千万次秒 应 用 以计算机网络为特征 微型计算机属于第四代计算机,第四代计算机,17,1.2 信息化社会的挑战 1、信息化社会的特征或要素,建立完善的信息基础设施：包括传输网络、信息存储设备和信息处理设备等 采用先进的信息技术：包括半导体和微电子技术、网络化的计算机系统和并行处理技术、数字化通信技术、计算机网络技术、海量信息存储技术、高速信息传输技术、可视化技术、多媒体技术等 建立广泛的信息产业：包括计算机硬件制造业、计算机软件业、信息服务业以及国民经济中各行业的信息化 拥有高素质的信息人才：包括研究型、设计型、应用型、开发型、维护型、服务型、操作型的人才，并具有高度的创新性和良好的适应性 良好的信息环境：包括保障信息化社会有序运作的各项政策、法律、法规和道德规范,18,Internet的发展,ARPA网：是美国国防部高级研究计划局为进行国防研究项目而开发的一个试验性广域网，以它为主干网、以TCP/IP协议为核心形成Internet的雏形，并于80年代初成为一个实用性的网络 NSF网：是美国国家科学基金会资助下建立的一个广域网，最初连接了美国的五个超级计算机中心，并与Internet互联。80年代后期，逐步取代ARPA网演变成为Internet的主干网 Internet的商业化运作：90年代初，IBM、MCI和MERIT等联合组建了ANS（Advanced Networks and Services）公司，并建立ANS网，取代NSF网成为Internet的主干网 Internet的完善：成为美国信息高速公路最重要的基础设施，并扩展到全世界，大大促进了现代社会信息化、全球化的进程，对社会政治、经济、生活带来了深刻的影响,2、Internet,19,Internet的特点,系统的广域性和开放性：是在全球范围内开发分布的互联网络 信息的共享性和时效性：信息可以为广大用户所共享，并可以长期储存、长效发布、随时更新 入网方式的灵活性和多样性：TCP/IP协议解决了不同网络产品、不同硬件平台、不同操作系统之间的兼容性问题，各类计算机都可以灵活地接入，并通过TCP/IP协议与Internet进行通信 强大的服务功能：提供远程登录、电子邮件、信息浏览、文档查询、网络新闻以及全球范围内的超媒体信息浏览服务等 网络安全的脆弱性和复杂性：信息流的多渠道交叉和路径的不确定性、Internet的开放性、管理的松散性以及TCP/IP协议在安全方面的薄弱性，造成Internet 在安全上的脆弱性和复杂性,20,我国的互联网络工程,中国教育科研网（CERNET）：是国家教育委员会管理的覆盖全国的学术性计算机网络 中国公用信息网（ChinaNET）：是国家邮电部经营和管理的全国性的公用信息网，是Internet我国的延伸 中国科学技术网（CSTNET）：是以中国科学院的NCF网和CCASNET网为基础，连接了中国科学院以外的一些科研单位而构成的全国性计算机网络 中国金桥信息网（China GBN）：是我国经济信息化的基础设施之一,21,“金字工程”,“金桥工程”：是在国务院直接倡导下实施的国家公用经济信息网工程，是我国经济信息化的基础设施之一 “金关工程”：目标是将海关、外贸、外汇管理以及税务等部门和企业的业务处理系统联网，提高外贸、海关等部门的现代化管理水平 “金卡工程”：目标是建立一个安全可靠的通信网络和良好的电子货币服务体系，加快我国金融电子化和商业电子化的进程 其他“金字”工程：如“金税工程”、“金企工程”等,22,“三网合一”,“三网合一”：互联网、电信网与有线电视网的三网融合 传统的电信网、有线电视网、互联网以三大业务分割为三大行业，且各有其优势 未来的信息网则将是“三网合一”的产物，以三大业务分割为三大行业的现状将不复存在。它将具有传统电信网和计算机数据通信网的功能，同时又是一个宽带交互式新媒体 信息技术的发展为“三网合一”的实现提供了技术保证,23,3、信息化社会对计算机人才的需求,高素质的信息人才是实现信息化社会的保证和原动力 信息化社会所需要的计算机人才： 多方位 具有较高的综合素质和创新能力 对于新技术的发展具有良好的适应性,24,4、影响计算机学科教育的因素和培养计划,计算机科学技术的进步 计算机教育环境和手段的变化 美国IEEE计算机分会和ACM制订的计算科学本科教育的教学计划和课程指导 中国计算机科学与技术学科教程2002（简称CCC2002）,25,1.3 计算机科学技术的研究范畴 1、计算机理论的研究内容,离散数学：研究数理逻辑、集合论、近世代数和图论等 算法分析理论：研究算法设计与算法的时间复杂性和空间复杂性分析中的数学方法与理论，如组合数学、概率论、数理统计等 形式语言与自动机理论：研究程序设计语言以及自然语言的形式化定义、分类、结构等有关理论以及识别各类语言的形式化模型及其相互关系 程序设计语言理论：运用数学和计算机科学的理论研究程序设计语言的基本规律，包括形式语言文法理论、形式语义学和计算语言学等 程序设计方法学：研究能保证高质量程序的各种程序设计规范化方法，并研究程序正确性证明理论等,26,2、计算机硬件的研究内容,元器件与存储介质：研究构成计算机硬件的各类元器件和存储介质 微电子技术：研究构成计算机硬件的各类集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路芯片的结构和制造技术等 计算机组成原理：研究通用计算机的硬件组成结构以及各部件的构成和工作原理 微型计算机技术：研究微型计算机的组成原理、结构、芯片、接口及其应用技术 计算机体系结构：研究计算机系统的总体结构、各种新型体系结构以及提高计算机性能的各种新技术,27,3、计算机软件的研究内容,程序设计语言的设计：根据实际需求设计新颖的程序设计语言 数据结构与算法：研究数据的逻辑结构和物理结构以及它们之间的关系，并对这些结构定义相应的运算，设计实现这些运算的算法 程序设计语言翻译系统：研究程序设计语言翻译系统（如编译程序、解释程序）的基本理论、原理和实现技术 操作系统：研究如何自动地对计算机系统的软硬件资源进行有效的管理，并最大限度地方便用户,28,数据库系统：研究数据模型、数据库管理系统的实现技术及其应用 算法设计与分析：研究常用算法的设计方法，并分析这些算法的时间复杂性和空间复杂性 软件工程学：是指导计算机软件开发和维护的工程学科，研究如何采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件 可视化技术：研究如何用图形和图像来直观地表征数据,29,4、计算机网络的研究内容,网络结构：研究局域网、远程网、Internet、Intranet等各种类型网络的拓扑结构、构成方法及接入方式 数据通信与网络协议：研究实现连接在网络上的计算机之间进行数据通信的介质、原理、技术以及通信