计算机导论(黄国兴)

1、计算机导论计算机导论 http:/ 1第第1章章 绪绪 论论内容提要内容提要 本章在介绍计算机的定义、分类、特点、用途和发展本章在介绍计算机的定义、分类、特点、用途和发展等基本概念的基础上，介绍了计算机科学与技术学科的教等基本概念的基础上，介绍了计算机科学与技术学科的教育和对计算机科学与技术学科毕业生的基本要求。本章还育和对计算机科学与技术学科毕业生的基本要求。本章还分析了信息化社会的基本特征、分析了信息化社会的基本特征、InternetInternet对信息化社会的对信息化社会的影响以及信息化社会对计算机人才及其知识结构的基本要影响以及信息化社会对计算机人才及其知识结构的基本要求，概要地介绍

2、了计算机科学与技术学科的内涵、知识体求，概要地介绍了计算机科学与技术学科的内涵、知识体系和研究范畴。通过本章的学习，应理解计算机的基本概系和研究范畴。通过本章的学习，应理解计算机的基本概念、信息化社会的特征以及信息化社会对计算机人才的需念、信息化社会的特征以及信息化社会对计算机人才的需求，并初步了解计算机科学技术的研究范畴和作为一名计求，并初步了解计算机科学技术的研究范畴和作为一名计算机科学技术专业毕业的学生应具有的知识和能力，明确算机科学技术专业毕业的学生应具有的知识和能力，明确今后学习的目标和内容，树立作为一个未来计算机科学技今后学习的目标和内容，树立作为一个未来计算机科学技术工作者的自豪

3、感和责任感。术工作者的自豪感和责任感。计算机导论计算机导论 http:/ 2计算机的基本概念计算机的基本概念v 什么是计算机什么是计算机计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速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。地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。v 计算机能够完成的基本操作及其主要功能：计算机能够完成的基本操作及其主要功能：输入：接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描输入：接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描仪等）提供的数据。仪等）提供的数据。处理：对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进处理：对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进行操

4、作，按指定的方式进行转换。行操作，按指定的方式进行转换。输出：将处理所产生的的结果等数据送到相关输输出：将处理所产生的的结果等数据送到相关输出设备。出设备。存储：存储程序和数据。存储：存储程序和数据。计算机导论计算机导论 http:/ 3计算机的分类计算机的分类v 按处理对象分类按处理对象分类 数字计算机数字计算机 模拟计算机模拟计算机 数字模拟混合计算机数字模拟混合计算机v 按用途分类按用途分类 通用计算机通用计算机 专用计算机专用计算机 计算机导论计算机导论 http:/ 4计算机的分类计算机的分类按规模分类按规模分类v 巨型计算机巨型计算机v 大大/ /中型计算机中型计算机v 小型计算机

5、小型计算机v 微型计算机微型计算机v 工作站工作站v 服务器服务器v 网络计算机网络计算机计算机导论计算机导论 http:/ 5 计算机的特点计算机的特点v 运算速度快运算速度快v 运算精度高运算精度高v 具有记忆能力具有记忆能力v 具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力v 存储程序存储程序计算机导论计算机导论 http:/ 6计算机的用途计算机的用途v 科学计算科学计算v 数据处理数据处理v 实时控制实时控制v 人工智能人工智能v 娱乐与游戏娱乐与游戏v 计算机辅助工程和辅助教育计算机辅助工程和辅助教育计算机导论计算机导论 http:/ 7计算机的发展计算机的发展v第一代计算机（第一代计算机（19

6、461946年年19571957年）年）v第二代计算机（第二代计算机（19581958年年19641964年）年）v第三代计算机（第三代计算机（19651965年年19711971年）年）v第四代计算机（第四代计算机（19721972年今）年今）v第五代计算机第五代计算机计算机导论计算机导论 http:/ 8图灵奖图灵奖世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIACENIAC是是19461946年诞生于美国宾年诞生于美国宾夕法尼亚大学夕法尼亚大学, ,但学术界公认电子计算机的理论和模型是由但学术界公认电子计算机的理论和模型是由英国数学家图灵在此英国数学家图灵在此1010年前发表的一篇论

7、文年前发表的一篇论文“论可计算数及论可计算数及其在判定问题中的应用其在判定问题中的应用”中奠定了基础的。因此，当美国计中奠定了基础的。因此，当美国计算机协会算机协会ACMACM在在19661966年纪念电子计算机诞生年纪念电子计算机诞生2020周年时，决定周年时，决定设立计算机界的第一个奖项，并很自然地将其命名为设立计算机界的第一个奖项，并很自然地将其命名为“图灵图灵奖奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。被称为，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。被称为“计算计算机界的诺贝尔奖机界的诺贝尔奖”的这个奖项设立至今，已经颁发了的这个奖项设立至今，已经颁发了3434届，届，共计有共计有4040位计

8、算机科学家获此殊荣，以表彰他们在计算机科位计算机科学家获此殊荣，以表彰他们在计算机科学技术领域所作出的杰出贡献。学技术领域所作出的杰出贡献。计算机导论计算机导论 http:/ 9计算机科学与技术学科计算机科学与技术学科计算机科学技术是研究计算机的设计与制造和利用计计算机科学技术是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、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。它包括科学与技术两方面。科原则、方法和技术的学科。它包括科学与技术两方面。科学侧重于研究现象、揭示规律；技术则侧重于研制计算机学侧重于研究现象、揭示规律；技术则侧重于

9、研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。科学和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。科学是技术的依据是技术的依据, ,技术是科学的体现；技术得益于科学技术是科学的体现；技术得益于科学, ,它又它又向科学提出新的课题。科学与技术相辅相成、互为作用向科学提出新的课题。科学与技术相辅相成、互为作用, ,二二者高度融合是计算机科学技术学科的突出特点。计算机科者高度融合是计算机科学技术学科的突出特点。计算机科学技术除了具有较强的科学性外学技术除了具有较强的科学性外, ,还具有较强的工程性，因还具有较强的工程性，因此，它是一门科学性与工程性并重的学科。表现为理论性此，它是一门科学性与

10、工程性并重的学科。表现为理论性和实践性紧密结合的特征。和实践性紧密结合的特征。计算机导论计算机导论 http:/ 10计算机科学与技术学科的根本问题及计算机科学与技术学科的根本问题及研究范畴研究范畴v计算机科学与技术学科包含计算机科学、计算机工程、软件计算机科学与技术学科包含计算机科学、计算机工程、软件工程、信息工程等领域，计算机科学技术的迅猛发展，除了工程、信息工程等领域，计算机科学技术的迅猛发展，除了源于微电子学等相关学科的发展外源于微电子学等相关学科的发展外, ,主要源于其应用的广泛性主要源于其应用的广泛性与强烈需求。计算机科学与技术学科的根本问题是：什么能与强烈需求。计算机科学与技术学

11、科的根本问题是：什么能被有效地自动化。问题的符号表示及其处理过程的机械化、被有效地自动化。问题的符号表示及其处理过程的机械化、严格化的固有特性，决定了数学是计算机科学与技术学科的严格化的固有特性，决定了数学是计算机科学与技术学科的重要基础之一，数学及其形式化描述、严密的表达和计算是重要基础之一，数学及其形式化描述、严密的表达和计算是计算机科学与技术学科所用的重要工具，建立物理符号系统计算机科学与技术学科所用的重要工具，建立物理符号系统并对其实施变换是计算机科学与技术学科进行问题描述和求并对其实施变换是计算机科学与技术学科进行问题描述和求解的重要手段。解的重要手段。v计算机科学技术的研究范畴包括

12、计算机理论、硬件、软件、计算机科学技术的研究范畴包括计算机理论、硬件、软件、网络及应用等，按照研究的内容，也可以划分为基础理论、网络及应用等，按照研究的内容，也可以划分为基础理论、专业基础和应用三个层面。专业基础和应用三个层面。计算机导论计算机导论 http:/ 11计算机理论的研究计算机理论的研究v 离散数学离散数学v 算法分析理论算法分析理论v 形式语言与自动机理论形式语言与自动机理论v 程序设计语言理论程序设计语言理论v 程序设计方法学程序设计方法学 计算机导论计算机导论 http:/ 12计算机硬件的研究计算机硬件的研究v 元器件与存储介质元器件与存储介质v 微电子技术微电子技术v 计

13、算机组成原理计算机组成原理v 微型计算机技术微型计算机技术v 计算机体系结构计算机体系结构计算机导论计算机导论 http:/ 13计算机软件的研究计算机软件的研究v 程序设计语言的设计程序设计语言的设计v 数据结构与算法数据结构与算法v 程序设计语言翻译系统程序设计语言翻译系统v 操作系统操作系统v 数据库系统数据库系统v 算法设计与分析算法设计与分析v 软件工程学软件工程学v 可视化技术可视化技术计算机导论计算机导论 http:/ 14计算机网络的研究计算机网络的研究v 网络结构网络结构v 数据通信与网络协议数据通信与网络协议v 网络服务网络服务v 网络安全网络安全计算机导论计算机导论 ht

14、tp:/ 15计算机应用的研究及计算机应用的研究及人机工程人机工程v 计算机应用的研究计算机应用的研究v 软件开发工具软件开发工具v 完善既有的应用系统完善既有的应用系统v 开拓新的应用领域开拓新的应用领域v 人机工程人机工程v 研究人与计算机的交互和协同技术研究人与计算机的交互和协同技术 计算机导论计算机导论 http:/ 16计算机科学与技术学科的教育计算机科学与技术学科的教育计算机科学与技术学科的发展速度是非常快的计算机科学与技术学科的发展速度是非常快的, ,计计算机软、硬件系统的不断更新，使得学科的教育已经完算机软、硬件系统的不断更新，使得学科的教育已经完全不能通过跟踪流行系统的变化来

15、跟踪学科的发展，更全不能通过跟踪流行系统的变化来跟踪学科的发展，更不能以流行的系统来确定我们的教学内容。对计算机科不能以流行的系统来确定我们的教学内容。对计算机科学和技术学科而言，学和技术学科而言，“有限的在校时间与不断增长的知有限的在校时间与不断增长的知识的矛盾识的矛盾”更为突出。另一方面，经过几十年的发展，更为突出。另一方面，经过几十年的发展，本学科目前正在逐步走向深入，这给计算机科学与技术本学科目前正在逐步走向深入，这给计算机科学与技术学科的教育既提出了新的要求，也提供了新的思路。学科的教育既提出了新的要求，也提供了新的思路。计算机导论计算机导论 http:/ 17影响计算机科学与技术学

16、科变化的因素来自技术的进影响计算机科学与技术学科变化的因素来自技术的进步。步。IntelIntel公司创始人戈登公司创始人戈登摩尔在摩尔在19651965年预测：微处理年预测：微处理器芯片的密度将每十八个月翻一番，称之为摩尔定律。网器芯片的密度将每十八个月翻一番，称之为摩尔定律。网络技术迅速发展给人们的工作和生活提供了新的方式。近络技术迅速发展给人们的工作和生活提供了新的方式。近期在技术方面变化比较大的主要有如下一些方面：期在技术方面变化比较大的主要有如下一些方面：v 网络技术，包括基于网络技术，包括基于TCP/IPTCP/IP的技术、万维网及其应用的技术、万维网及其应用v 图形学和多媒体技术

17、图形学和多媒体技术v 嵌入式系统嵌入式系统v 数据库技术数据库技术v 面向对象程序设计面向对象程序设计v 复杂的应用程序接口的使用复杂的应用程序接口的使用v 人机交互人机交互v 软件安全软件安全v 保密与密码学保密与密码学计算机导论计算机导论 http:/ 18计算机科学与技术的教育除了受到计算机技术发展的计算机科学与技术的教育除了受到计算机技术发展的影响外，同时还受到文化与社会发展的影响。影响外，同时还受到文化与社会发展的影响。v新技术带来的教学法的改变新技术带来的教学法的改变v全世界计算机数量和用户直接可用的计算功能大幅全世界计算机数量和用户直接可用的计算功能大幅增加增加, ,使得人们对计

18、算机技术有了更多更新的认识。使得人们对计算机技术有了更多更新的认识。v计算机技术增长的经济影响。计算机技术增长的经济影响。v学科的拓宽学科的拓宽v教育观念的变化教育观念的变化计算机导论计算机导论 http:/ 19计算机科学与技术学科毕业生的基本要求计算机科学与技术学科毕业生的基本要求v知识、能力和素质知识、能力和素质 v“知识知识”是基础、是载体、是表现形式。知识还具有是基础、是载体、是表现形式。知识还具有“载体载体”的的属性，能力和素质的培养与教育必须部分地通过具体知识的传授属性，能力和素质的培养与教育必须部分地通过具体知识的传授来实施。在许多场合下，能力与素质，是通过知识表现出来的。来实

19、施。在许多场合下，能力与素质，是通过知识表现出来的。v“能力能力”是技能化的知识，是知识的综合体现。应强调运用知识是技能化的知识，是知识的综合体现。应强调运用知识发现问题、分析问题、解决问题的能力。要保证知识运用的综合发现问题、分析问题、解决问题的能力。要保证知识运用的综合性、灵活性与探索性，就需要有丰富的知识为支撑。性、灵活性与探索性，就需要有丰富的知识为支撑。v“素质素质”是知识和能力的升华。高素质可使知识和能力更好地发是知识和能力的升华。高素质可使知识和能力更好地发挥作用，同时还可促使知识和能力得到不断的扩展和增强。挥作用，同时还可促使知识和能力得到不断的扩展和增强。知识、能力、素质是进

20、行高科技创新的基础。只有将三者融会贯通于教知识、能力、素质是进行高科技创新的基础。只有将三者融会贯通于教育的全过程，才可能培养出高水平人才。爱因斯坦说过，想象力比知识育的全过程，才可能培养出高水平人才。爱因斯坦说过，想象力比知识更重要。更重要。计算机导论计算机导论 http:/ 20检验标准检验标准为毕业生建立一个统一的标准是困难的，但给出一个基本标准是有为毕业生建立一个统一的标准是困难的，但给出一个基本标准是有意义的：意义的：v 掌握计算机科学与技术的理论和本学科的主要知识体系。掌握计算机科学与技术的理论和本学科的主要知识体系。v在确定的环境中能够理解并且能够应用基本的概念、原理、准则，在确

21、定的环境中能够理解并且能够应用基本的概念、原理、准则，具备对工具及技巧进行选择与应用的能力。具备对工具及技巧进行选择与应用的能力。v完成一个项目的设计与实现，该项目应该涉及到问题的标识、描述完成一个项目的设计与实现，该项目应该涉及到问题的标识、描述与定义、分析、设计和开发等，为完成的项目撰写适当的文档。该与定义、分析、设计和开发等，为完成的项目撰写适当的文档。该项目的工作应该能够表明自己具备一定的解决问题和评价问题的能项目的工作应该能够表明自己具备一定的解决问题和评价问题的能力，并能表现出对质量问题的适当的理解和认识。力，并能表现出对质量问题的适当的理解和认识。v具备在适当的指导下进行单独工作

22、的能力，以及作为团队成员和其具备在适当的指导下进行单独工作的能力，以及作为团队成员和其他成员进行合作的能力。他成员进行合作的能力。v能够综合应用所学的知识。能够综合应用所学的知识。v能够保证所进行的开发活动是合法的和合乎道德的。能够保证所进行的开发活动是合法的和合乎道德的。计算机导论计算机导论 http:/ 21学校应该为有才华的学生提供发挥全部潜能的机会，学校应该为有才华的学生提供发挥全部潜能的机会，使这些有才华的学生能应用课程中学到的原理进行有创使这些有才华的学生能应用课程中学到的原理进行有创造性的工作，能在分析、设计、开发适应需求的复杂系造性的工作，能在分析、设计、开发适应需求的复杂系统

23、过程中做出有创意的贡献；他们能够对自己和他人的统过程中做出有创意的贡献；他们能够对自己和他人的工作进行确切的评价与检验。这些优秀的人未来将有可工作进行确切的评价与检验。这些优秀的人未来将有可能领导这门学科的发展。这需要在对学生的教育过程中能领导这门学科的发展。这需要在对学生的教育过程中有意识地为他们的成长提供帮助和锻炼的机会，更要鼓有意识地为他们的成长提供帮助和锻炼的机会，更要鼓励他们树立起强烈的创新的意识和信心，鼓励他们去探励他们树立起强烈的创新的意识和信心，鼓励他们去探索。索。计算机导论计算机导论 http:/ 22信息化社会的挑战信息化社会的挑战信息化社会的特征：信息化社会的特征：v 建

24、立完善的信息基础设施建立完善的信息基础设施v 采用先进的信息技术采用先进的信息技术v 建立广泛的信息产业建立广泛的信息产业v 拥有高素质的信息人才拥有高素质的信息人才v 构建良好的信息环境构建良好的信息环境信息化社会不仅是科学技术进步的产物，而且也是社会管信息化社会不仅是科学技术进步的产物，而且也是社会管理体制和政策激励的结果。如果没有现代化的市场体制和理体制和政策激励的结果。如果没有现代化的市场体制和相关的政策、法规，信息化社会将无法正常运作。相关的政策、法规，信息化社会将无法正常运作。计算机导论计算机导论 http:/ 23InternetInternet与信息化社会与信息化社会Inter

25、netInternet的诞生与发展对信息化社会产生了深刻的的诞生与发展对信息化社会产生了深刻的影响影响, , 是当今人类社会进入信息化社会的重要标志之是当今人类社会进入信息化社会的重要标志之一。一。v InternetInternet的发展的发展v InternetInternet的特点的特点系统的广域性和开放性系统的广域性和开放性信息的共享性和时效性信息的共享性和时效性入网方式的灵活性和多样性入网方式的灵活性和多样性强大的服务功能强大的服务功能网络安全的脆弱性和复杂性网络安全的脆弱性和复杂性计算机导论计算机导论 http:/ 24我国的互联网络我国的互联网络v 中国教育科研网中国教育科研网v

26、 中国公用信息网中国公用信息网v 中国科学技术网中国科学技术网v 中国金桥信息网中国金桥信息网v “ “金关工程金关工程”v “ “金卡工程金卡工程”v 其他其他“金字金字”工程工程计算机导论计算机导论 http:/ 25CERNETCERNET简介简介 中国教育和科研计算机网络中国教育和科研计算机网络CERNETCERNET是由国家投资建设、教是由国家投资建设、教育部负责管理、清华大学等高等院校承担建设和运行管理的全育部负责管理、清华大学等高等院校承担建设和运行管理的全国性学术计算机互联网络。国性学术计算机互联网络。CERNETCERNET分为四级管理分为四级管理: :全国网络中全国网络中心

27、、地区网络中心和地区主结点、省教育科研网、校园网。全心、地区网络中心和地区主结点、省教育科研网、校园网。全国网络中心设在清华大学国网络中心设在清华大学, ,负责全国主干网的运行管理。地区负责全国主干网的运行管理。地区网络中心和地区主结点分别设在清华大学、北京大学、北京邮网络中心和地区主结点分别设在清华大学、北京大学、北京邮电大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学、华南电大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、电子科技大学、东南大学等十所高校理工大学、电子科技大学、东南大学等十所高校, ,负责地区网负责地区网的规划建设和运行管理。现在的规划建设和运行管理。现在,CE

28、RNET,CERNET的省级结点设在的省级结点设在3636各城各城市的市的 3838所大学所大学, , 分布在全国除台湾省外的所有省、市、自治分布在全国除台湾省外的所有省、市、自治区，已经成为我国最重要的计算机互联网之一。区，已经成为我国最重要的计算机互联网之一。计算机导论计算机导论 http:/ 26 信息化社会对计算机人才的需求信息化社会对计算机人才的需求 信息产业发展的关键是相应人才的拥有量。拥有足够信息产业发展的关键是相应人才的拥有量。拥有足够数量的、高素质的信息人才是实现信息化社会的保证和原数量的、高素质的信息人才是实现信息化社会的保证和原动力，是信息化社会的基本特征之一。在信息化社

29、会中所动力，是信息化社会的基本特征之一。在信息化社会中所需要的计算机人才是多方位的需要的计算机人才是多方位的, ,不仅需要研究型、设计型不仅需要研究型、设计型的人才的人才, ,而且需要应用型的人才而且需要应用型的人才: :不仅需要开发型的人才，不仅需要开发型的人才，而且需要维护型、服务型、操作型的人才。由于信息技术而且需要维护型、服务型、操作型的人才。由于信息技术发展日新月异，信息产业是国民经济中变化最快的产业，发展日新月异，信息产业是国民经济中变化最快的产业，因此要求计算机人才具有较高的综合素质和创新能力，并因此要求计算机人才具有较高的综合素质和创新能力，并对于新技术的发展具有良好的适应性。对于新技术的发展具有良好的适应性。计算机导论计算机导论 http:/ 27 计算机科学与技术学科知识体系计算机科学与技术学科知识体系v 知识体系的结构知识体系的结构 知识领域（知识领域（areaarea）、知识单元）、知识单元(unit)(unit)、知识点、知识点( (topic) topic) v 学科知识体系一览（学科知识体系一览（1414个知识领域）个知识领域）离散结构（离散结构（DSDS） 程序设计基础（程序设计基础（PFPF）算法与复杂性（算法与复杂性（ALA