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第1章计算机科学与技术概述 第1 2 9次课 主讲 BigGuo 信息学院中国广州 1 提纲 历史和发展 一 计算机系统 计算学科概述 二 三 知识体系 四 学科教育 本章小结 五 六 提纲 一 历史和发展 历史 发展阶段二 计算机系统 硬件系统 软件系统 工作方式和特点 指标 分类三 计算学科概述 定义 本质 3个形态 四 知识体系 学科历史和发展 学科内涵 学科外延五 学科教育 目的和要求 学习方法论六 本章小结 结构图 重点 难点 计算机的定义 4 一台快速 笨拙的机器 Havelimitedcapabilities Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons Mustbeinstructedwithprogramswhattodo 美 GeorgeBeekman 计算机通论 探索明天的技术 作者Acomputerisastupidmachinewiththeabilitytodoincrediblysmartthings whilecomputerprogrammersaresmartpeoplewiththeabilitytodoincrediblystupidthings Theyare inshort aperfectmatch JamieShiers 计算机的定义 计算机的定义 计算机的定义 计算机是一种能按照事先存储的程序 自动地 高速地 精确地进行大量数值计算 并且具有记忆 存储 能力 逻辑判断能力 可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备 一 计算机的历史和发展 7 探索的历史过程1 3 人类制造计算工具的历史 古今中外 算筹 算盘 机械计算 加法器 差分机等 一 计算机的历史和发展 1 历史1 12 祖冲之 429 500年 算筹 算盘 机械计算机 1623年 德国科学家契克卡德 W Schickard 为天文学家开普勒 Kepler 制作了一台机械计算机 机械式计算机 借助于各种机械装置自动传送十进位 而机械装置的动力来自计算人员的手 一 计算机的历史和发展 历史2 12 探索的历史过程2 3 1 法国科学家布莱斯 帕斯卡 BlaisePascal 1623 1662年 是被公认为是制造出机械计算机的第一人 一 计算机的历史和发展 历史3 12 机械计算机 德国著名数学家戈特弗里德 威廉 莱布尼茨 GottfriedWilhelmLeibniz 1646 1716年 将帕斯卡的 加法器 扩大为乘除运算 1700年左右 莱布尼茨从中国 易图 八卦 里受到启发 悟出了二进制数之真谛 机械计算机 一 计算机的历史和发展 历史4 12 法国机械师约瑟夫 杰卡德 JosephJacquard 大约在1801年完成了 自动提花编织机 的设计制作 真正成功地改进了提花机 一 计算机的历史和发展 历史5 12 提花机 Babbage 1792 1871年 计算之父 一 计算机的历史和发展 历史6 12 差分机和分析机 英国剑桥大学著名科学家查理斯 巴贝奇 CharlesBabbage 1792 1871年 在1822年研制出第一台差分机 AdaLovelace 1815 1852 为Babbage的分析机设计了程序 被称为 第一位程序员 一 计算机的历史和发展 历史7 12 计算理论的奠基人 1936年 阿伦 图灵 AlanTuring 1912 1954年 在他的一篇具有划时代意义的论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 中 论述了一种假想的通用计算器 也就是理想计算机 被后人称为 图灵机 TuringMachine TM 一 计算机的历史和发展 历史8 12 计算理论 探索的历史过程3 3 1 1954年 42岁的图灵英年早逝 从1966年开始 每年由美国计算机学会 AssociationforComputingMachinery ACM 颁发 图灵奖 TuringAward 给世界上最优秀的计算机科学家 图灵纪念http 一 计算机的历史和发展 历史9 12 一般以1946年的ENIAC为现代电子计算机的诞生年份 冯 诺伊曼 参与并提出了一些现代计算机的思想 冯 诺伊曼机 存储程序 5大部件 这台名为ENIAC 电子数字积分计算机的缩写 的机器 使用18800个电子管 1500多个继电器 耗电150千瓦 占地170平方米 重达30吨 可谓 庞然大物 也 历史10 12 一 计算机的历史和发展 现代电子计算机1 2 2 ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹 当ENIAC公开展出时 一条炮弹的轨道用20s就能算出来 比炮弹本身的飞行速度还快 一 计算机的历史和发展 历史11 12 一般认为4个阶段 按电子器件划分 记忆顺口溜 一子二体三集四成 新一代计算机 多种技术 微电子 光学 量子 电子仿生 生物等 已有部分实验原型 走向实用 一 计算机的历史和发展 历史12 12 现代电子计算机2 2 2 二 计算机系统 21 1 什么是计算机系统 二 计算机系统 一种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 由计算机硬件系统和计算机软件系统组成 物质基础 电子器件组成 控制指挥硬件工作 指令 代码 程序 冯 诺伊曼结构 基本工作原理 2点 冯 诺伊曼思想 3点 二 计算机系统 1 事先设计 存储程序 机器自动 程序控制 使用二进制运算 采用存储程序思想 构造计算机的5大部件 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 2 计算机硬件系统1 6 硬件结构图 5大部件结构 注意 该结构是传统的冯 诺伊曼结构 它以控制器为中心 2 计算机硬件系统2 6 二 计算机系统 2 运算器 又称算术逻辑单元 ArithmeticLogicUnit ALU 对数据进行加工处理的部件 2 计算机硬件系统3 6 二 计算机系统 3 算术运算 基本逻辑运算 与 或 非 控制器 2 计算机硬件系统4 6 二 计算机系统 4 从内存中取指令和执行指令 控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码 然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令 执行该指令 另外 控制器在工作过程中 还要接受各部件反馈回来的信息 中央处理器 把运算器 控制器做在一个大规模集成电路块上 CPU CentralProcessingUnit 2 计算机硬件系统5 6 二 计算机系统 存储器 5 存储器是计算机的记忆装置 用于存放原始数据 中间数据 最终结果和处理程序 2种动作 写入 读出 向存储器里存入信息也称为 写入 写入新的内容则覆盖了原来的旧内容 从存储器里取出信息 也称为 读出 信息读出后并不破坏原来存储的内容 因此信息可以重复取出 多次利用 2种类型 内存储器 外存储器 运算器 控制器 主机 输入 输出设备 输入 输出设备简称I O Input Output 设备用户通过输入设备将程序和数据输入计算机输出设备将计算机处理的结果 如数字 字母 符号和图形 显示或打印出来常用的输入设备有 键盘 鼠标器 扫描仪 数字化仪等常用的输出设备有 显示器 打印机 绘图仪等 2 计算机硬件系统6 6 二 计算机系统 6 软件的定义 各种程序及其相关文档的集合不仅仅是程序 一般分2类 软件系统 驱动 控制硬件 解决应用问题 例如 操作系统 WindowsXP Vista 程序设计语言处理系统 例如 办公自动化软件 Word WPS 教务系统 3 计算机软件系统 二 计算机系统 系统软件 应用软件 1 2 4步循环IPOS 计算机的特点 速度快 精度高逻辑运算能力和记忆能力高度自动化和灵活性 二 计算机系统 1 2 4 计算机的工作方式及特点 时钟周期T 执行微指令的时间主频 f 1 T 现在一般用MHz表示 量级达到G 表示数据 指令的若干二进制位的长度数据字 指令字1个字节 byte 8个二进制位评价用途 计算能力强弱 精度高低 速度快慢 字长 二 计算机系统 1 2 时钟周期和主频 5 计算机的主要性能指标1 2 内存容量 以字节为单位 容量单位 字节 K 1024个字节 M G T等 MIPS 每秒执行百万次指令数基准程序测试集 1KB 千 1024 210 字节 1MB 兆 1024KB 220B 1GB 千兆 1024MB 230B 1TB 万兆 1024GB 240B 运算速度 二 计算机系统 3 4 5 计算机的主要性能指标2 2 三 计算学科概述 33 计算学科是对描述和变换信息的算法过程 包括对理论分析 设计 效率 实现和应用等进行的系统研究 时间 形成于20世纪40年代初期 外延 定义 三 计算学科概述 1 1 计算学科定义和本质1 2 根本问题 能行性 或者可计算性 根本任务 计算 什么能被有效地自动计算凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的连续问题离散化 思维即计算 认知即计算计算视觉计算语言学 计算哲学 本质 三 计算学科概述 2 1 计算学科定义和本质2 2 三 计算学科概述 2 计算学科的3个形态 四 计算机科学与技术学科的知识体系 37 历史 时间 20世纪50年代初学科内容 不断丰富 细分 完善 发展 教育界重视 开始制定 计算学科教程 以构建知识体系适应计算机工业界发展 推陈出新 但还是难以跟上工业发展4个方向 计算机科学 计算机工程 软件工程 信息系统 据CC2001 CCC2002 四 计算机科学与技术学科的知识体系 1 计算机科学与技术学科的历史与发展 1 2 研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取 表示 存储 处理 控制等的理论 原则 方法和技术的学科 包括科学与技术两方面 科学 现象研究 规律揭示技术 方法实现 工艺手段特点 科学性与工程性并重 定义 四 计算机科学与技术学科的知识体系 1 2 计算机科学与技术学科的内涵1 2 什么能被有效地自动化 重要工具 数学 重要手段 建立物理符号系统 并实施变换 根本问题 四 计算机科学与技术学科的知识体系 2 2 计算机科学与技术学科的内涵2 2 基础理论 专业基础 应用 三个层面 研究范畴 计算机理论 硬件 软件 网络 应用 范畴 四 计算机科学与技术学科的知识体系 1 3 计算机科学与技术学科的外延1 2 离散数学 算法设计与分析 可计算理论 程序设计方法学 微电子技术 数字逻辑 组成原理 体系结构 微机原理嵌入式系统 操作系统 编译原理 数据结构 数据库系统 软件工程 可视化技术 网络结构 通信协议 网络安全 人机工程 领域应用 服务课程集 交叉 课程集 核心课程集 离散结构 程序设计基础 算法与复杂性 组织与体系结构 操作系统 网络计算 程序设计语言 人机交互 图形学与可视化计算 智能系统 信息管理 软件工程 数值计算 社会和职业问题 体系建构 课程体系内容 四 计算机科学与技术学科的知识体系 2 3 计算机科学与技术学科的外延2 2 14个知识体系 五 计算机科学与技术学科的教育 43 矛盾 Moore定律 微处理器的处理能力每18 24个月增加1倍教育跟不上产业界的发展 质量上的供需矛盾日益突出 出路 教育界 经常变革 加强与产业界的合作产业界 提高认识 积极沟通 全面支持校企合作模式个人 学习精神 学习方法 团队意识 创新思维 1 现状 五 计算机科学与技术学科的教育 目的 思考能力 能思考实际问题实践能力 能解决实际问题 要求 思维训练 抽象思维 逻辑思维方法学训练 基本路线 基本思想实践操作训练 设计是本学科的一个基本形态快速学习训练 以适应技术的飞速发展 2 教育目的和要求 五 计算机科学与技术学科的教育 事无定法 因人而已 注重个人效果预则立 不预则废 计划 规划积年之功 非一朝一夕 但只在朝夕能力培养 课程任务是基本 兴趣扩展是动力 实践操作是保障敢想敢做 多问询 多查询 3 学习方法 五 计算机科学与技术学科的教育 六 小结 47 计算机历史与发展 计算机系统的认识