计算机科学导论

1、北京理工大学计算机学院第一讲第一讲 概述概述计算机科学导论计算机科学导论2l主讲教师：主讲教师： 马马 波波l授课对象：授课对象：20112011级计算机学院学生级计算机学院学生l总学时数：总学时数：100000100000学时学时l理论教学学时数：理论教学学时数：1100011000学时学时l上机学时数：上机学时数：10001000学时学时322483计算机科学导论教材l教材计算机科学导论 机械工业出版社 刘艺等译4课程目标课程目标l展示计算机科学的全景l激发学习兴趣l为后续课程的学习做好必要的知识准备学习要求l了解计算机科学的内涵与应用领域、计算机的硬件结构与组成原理、软件工程、计算机网络

2、与信息安全、多媒体技术、人工智能等领域的基本知识；l初步掌握计算机科学的基本概念和术语、操作系统的功能、数据结构和数据库的基本概念和相关技术、计算机基本应用技能等。56课程安排课程安排讲授内容讲授内容第第1 1讲：讲：概论概论 （第（第1 1章）章） 第第2 2讲：讲：数据和数的表示数据和数的表示 （第（第2 2、3 3、4 4章）章）第第3 3讲：讲：计算机硬件计算机硬件 （第（第5 5章）章） 第第4 4讲：讲：计算机操作系统计算机操作系统 （第（第7 7章）章） 第第5 5讲：讲：算法算法 （第（第8 8章）章） 第第6 6讲：讲：计算机程序设计基础计算机程序设计基础（第（第9 9章）章

3、）第第7 7讲：讲：计算机网络与安全计算机网络与安全 （第（第6 6、1616章）章）第第8 8讲：讲：软件工程软件工程 （第（第1010章）章）第第9 9讲：讲：数据结构数据结构 （第（第1111，1212章）章） 第第1010讲：讲：数据库数据库 （第（第1414章）章） 第第1111讲：讲：人工智能与计算理论人工智能与计算理论 （第（第1717，1818章）章） 周次周次安排安排周学时周学时2熟悉网络教室的使用熟悉网络教室的使用机房机房2学时学时练习通过练习通过Internet网检索文献资料网检索文献资料机房机房2学时学时练习练习Word/Excel/PowerPoint的使用的使用机房

4、机房2学时学时撰写专题报告撰写专题报告机房机房2学时学时7上机练习（上机练习（8 8学时），时间待通知学时），时间待通知8l 按时完成并提交教师布置的作业按时完成并提交教师布置的作业l 作业的发布、提交和答疑均在作业的发布、提交和答疑均在“网络网络教教学支撑平台学支撑平台” 进行进行l 计算机科学导论教学网站：计算机科学导论教学网站： http:/ “网络网络教学支撑平台教学支撑平台”的用法也请登录：的用法也请登录： http:/ 1 1计算机基础笔试成绩（计算机基础笔试成绩（50%50%） 2 2专题讨论报告（专题讨论报告（40%40%） 3. 3. 平时作业（平时作业（10%10%）11

5、1.1.专题讨论题目分为专题讨论题目分为两大类两大类： 计算机发展史方面计算机发展史方面 计算机软、硬件组成方面计算机软、硬件组成方面 2. 2.每位学生在两大类题目中各选择一每位学生在两大类题目中各选择一个小题目作为自己的讨论专题。个小题目作为自己的讨论专题。 3. 3.相关资料通过互联网或其他媒体收相关资料通过互联网或其他媒体收集，要保证资料的正确和可靠。集，要保证资料的正确和可靠。12 4.4.写专题报告，报告不少于写专题报告，报告不少于20002000字。字。WORDWORD文档，要求有一定的格式（如标题、正文档，要求有一定的格式（如标题、正文、字体、行距等等）。文、字体、行距等等）。

6、5.5.做出专题报告的演讲文稿，不少于做出专题报告的演讲文稿，不少于1010张张幻灯片。幻灯片。PPTPPT文档，要求图文并茂，并文档，要求图文并茂，并有一定的动画和链接。有一定的动画和链接。6.6.对专题报告中的数据（如果有的话）进对专题报告中的数据（如果有的话）进行处理，做出简单的图表，行处理，做出简单的图表，XLSXLS文档。文档。7.7.专题报告中必须要有专题报告中必须要有个人的分析和见解个人的分析和见解。13本讲内容本讲内容1.11.1计算机系统分层结构计算机系统分层结构 1.21.2计算机的发展历史计算机的发展历史 1.31.3计算机的分类计算机的分类 1.41.4计算机应用计算机

7、应用 什么是计算机科学14Computer science is the study of the theory, design, implementation, and performance of computer software and computer systems, including the study of computability and computation itself.UM-CS15什么是计算机什么是计算机输出输出l计算机是数据处理器，它根据事先存储在存计算机是数据处理器，它根据事先存储在存储器中的一组指令的要求，接收储器中的一组指令的要求，接收输入输入的数据、的

8、数据、处理处理数据、数据、 存储存储数据并且数据并且输出输出数据。数据。输入输入8,12,22,33,8,12,22冯.诺依曼模型（John Von Neumann19031957）16现代计算机都是基于冯.诺依曼模型4个子系统个子系统程序存储程序存储指令顺序执行指令顺序执行计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件17计算机概述计算机概述计算机系统计算机系统分层结构分层结构由原始事实和图像等各种信息组成由原始事实和图像等各种信息组成程序程序18计算机基础计算机基础计算机的发展历史机械计算器时期机械计算器时期 (1930以前以前)电子计算机时期电子计算机时期 (1930 1950)现代计算机时期

9、现代计算机时期 (1950 now)帕斯卡与帕斯卡与机械计算机机械计算机 Pascaline， 1642莱布尼兹与莱布尼兹与 改进的改进的Pascaline，1672巴贝奇与巴贝奇与 差分引擎差分引擎，1823霍列瑞斯与霍列瑞斯与卡片穿孔制表机卡片穿孔制表机，1890图灵与图灵与图灵机图灵机、巨人计算机巨人计算机 Colossus，1943冯冯诺依曼诺依曼 与与IAS, 1952莫奇利和埃克特与莫奇利和埃克特与ENIAC, 1946EDVAC, 1950 与与UNIVAC, 195119帕斯卡与帕斯卡与机械计算机机械计算机 Pascaline，1642l早期最重要的计算工具是早期最重要的计算工

10、具是算盘算盘 (abacus) l计算工具最重要的发展是帕斯卡计算工具最重要的发展是帕斯卡机械计算机机械计算机 ，也称，也称“Pascaline”，1642由法国数学家由法国数学家 Blaise Pascal发明。可对所以数字做加减法运发明。可对所以数字做加减法运算。算。20莱布尼兹与莱布尼兹与 改进的改进的Pascaline， 1672l德国数学家莱布尼兹德国数学家莱布尼兹 1672年对年对“Pascaline”进行了改进，可进行四进行了改进，可进行四则运算和开方。称之为莱布尼兹轮。则运算和开方。称之为莱布尼兹轮。21巴贝奇与巴贝奇与 差分引擎差分引擎，1823l 1823年年, 设计了设计

11、了一台自动的机械一台自动的机械计算器，也称计算器，也称差差分引擎分引擎 “ (Difference Engine )”。1833, 又开始设计可编程的自又开始设计可编程的自动机械数字计算机，也称动机械数字计算机，也称分分析引擎析引擎 “ (Analytical Engine )”。22霍列瑞斯与霍列瑞斯与卡片穿孔制表机卡片穿孔制表机，1890l计算机系统发展的重要一计算机系统发展的重要一步是步是1890年制表机的发明。年制表机的发明。由霍列瑞斯发明，首次用由霍列瑞斯发明，首次用于全美的人口普查。于全美的人口普查。 l1896年，霍列瑞斯组织了年，霍列瑞斯组织了International Bus

12、iness Machines (IBM)。 l该组织后来在计算机发展该组织后来在计算机发展中发挥了重要的作用。中发挥了重要的作用。23图灵与图灵与图灵机图灵机、巨人计算机巨人计算机 Colossus， 1943l图灵在图灵在1936年发表的论年发表的论文中，提出了一种计算文中，提出了一种计算机抽象模型，利用这种机抽象模型，利用这种计算机可用一些简单的计算机可用一些简单的机械动作实现推理。这机械动作实现推理。这种计算机也称种计算机也称“图灵图灵机机”。l1943年，图灵设计了年，图灵设计了 “Colossus” (巨人计算机巨人计算机)，主要用于第二次世界大战破主要用于第二次世界大战破译德国的密

13、码。译德国的密码。24莫奇利、埃克特与莫奇利、埃克特与 ENIAC, 1946l第一台电子计算机，第一台电子计算机， Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC), 诞生于诞生于1946年，由莫奇利与埃克特设计。年，由莫奇利与埃克特设计。25编程编程: 通过插孔和开关实现通过插孔和开关实现速度速度: 5,000 次次/秒秒输入输入/输出输出: 卡片卡片, 指示灯指示灯, 开关开关, 插孔插孔空间空间:1,000 平方英尺平方英尺26EDVAC, 1950与与UNIVAC, 1951lEDVAC (Electronic Discre

14、te Variable Automatic Computer ) 是第一台存储程序的计算是第一台存储程序的计算机，基于机，基于冯冯诺依曼诺依曼思想，思想，诞生于诞生于 1950年。年。lUNIVAC (Universal Automatic Computer ), 第一台商第一台商业计算机，业计算机，1951年由年由 莫奇利与埃克特设计制莫奇利与埃克特设计制造。造。27冯冯诺依曼与诺依曼与IAS, 1952l冯冯诺依曼的诺依曼的 IAS 计算机诞生于计算机诞生于 1952。28计算机概述计算机概述计算机的发展历史1 电子管时代（从ENIAC诞生到50年代后期）2 晶体管时代（50年代中期到60

15、年代中期）3 集成电路时代（60年代中期到70年代前期）4 大规模集成电路时代（70年代初到80年代初）5 超大规模集成电路时代（80年代以后）6 生物神经网络时代（人工智能）l第一台通用计算机第一台通用计算机 国际商用机器公司耗资国际商用机器公司耗资5050亿美元历时亿美元历时5 5年的年的IBM360IBM360系统计算机于系统计算机于19641964年问世。年问世。l器件为晶体管和集成电路混合的。器件为晶体管和集成电路混合的。lIBM360IBM360的贡献在于通用化、标准化、系列化。的贡献在于通用化、标准化、系列化。l可用于科学计算、商业数据处理。可用于科学计算、商业数据处理。l内部硬

16、件和其它设置可适应多方面的应用。内部硬件和其它设置可适应多方面的应用。l同一程序可在机器语言一级上在不同的计算机同一程序可在机器语言一级上在不同的计算机 上执行。上执行。lIBM360IBM360有大、中、小三大类六个型号。有大、中、小三大类六个型号。l从从IBM360IBM360开始有了计算机兼容的概念。开始有了计算机兼容的概念。IBM 360 系列机系列机IBM 360/20l第一台微型计算机Intel公司于1971年开发Intel4004微处理器，在3毫米4毫米的大规模集成电路芯片上有2250个晶体管，每秒运算速度6万次。l第一台基于Intel微处理器的微型计算机有以下说法：lIntel

17、公司的MCS-4（1971年）l约翰布兰肯贝克的Kenbak 1（1971年）l加拿大自动电器系统公司推出商用电脑(有显示屏、键盘、CPU（1972年）l法国Micral公司的Micral（1973年，首次在广告中使用了Microcomputer一词）Intel 4004微处理器芯片微处理器芯片微处理芯片和微型计算机微处理芯片和微型计算机l第一台个人计算机第一台个人计算机美国微型仪器和遥感系统公司美国微型仪器和遥感系统公司19721972年推出的年推出的MITS-816MITS-816，是世界上第一台供个人使用的数字微，是世界上第一台供个人使用的数字微型计算机。型计算机。19771977年苹果

18、公司推出的年苹果公司推出的“苹果苹果IIII型型”，是世，是世界上第一台有彩色图形界面的个人计算机，使用界上第一台有彩色图形界面的个人计算机，使用摩托罗拉摩托罗拉65026502芯片，每秒芯片，每秒5050万次加法、万次加法、48K48K基本基本内存。内存。19811981年年8 8月月 IBM IBM 推出推出 IBM 5150 IBM 5150 个人计算机，个人计算机，使用使用Intel8088Intel8088芯片，芯片，4.774.77兆主频、兆主频、64K64K内存、内存、MSMSDOSDOS操作系统，售价单色显示器操作系统，售价单色显示器30003000美元、美元、彩色显示器彩色显

19、示器60006000美元。美元。IBM PC（Personal Computer)37计算机概述计算机概述计算机的分类& 计算机的分类：计算机的分类：l根据体积大小、计算速度、处理能力、价格根据体积大小、计算速度、处理能力、价格等特性来分类。等特性来分类。巨型计算机巨型计算机 (Supercomputer )大型计算机大型计算机 (Mainframe computer )小型计算机小型计算机 (Minicomputer)微型计算机微型计算机 (Microcomputer)38计算机的分类计算机的分类巨型计算机最快速的最快速的、最昂贵的最昂贵的计算机，每秒能处理一万亿多条计算机，每秒能处

20、理一万亿多条指令。指令。l巨型计算机的典型应用包括世界范围的天气巨型计算机的典型应用包括世界范围的天气预报、核爆炸的仿真等。预报、核爆炸的仿真等。39计算机的分类计算机的分类巨型计算机40计算机的分类计算机的分类大型计算机 大型的大型的、快速的快速的、昂贵的昂贵的计算机，一般计算机，一般用来为商业或政府机用来为商业或政府机构提供中心存储处理构提供中心存储处理或大量数据的管理。或大量数据的管理。41计算机的分类计算机的分类大型计算机42计算机的分类计算机的分类小型计算机 中规模、较便宜、功耗小于大型计算机，中规模、较便宜、功耗小于大型计算机，能为小型商业提供适当的计算能力。能为小型商业提供适当的

21、计算能力。43计算机的分类计算机的分类微型计算机计算机的分类计算机的分类微型计算机44计算机的分类计算机的分类微型计算机 一种建立在单处理器芯片上的计算机，一种建立在单处理器芯片上的计算机，也叫也叫个人计算机个人计算机或或PC机。机。l 桌面型计算机桌面型计算机l 笔记本式计算机笔记本式计算机l 个人数字助理个人数字助理 (PDA)45计算机的分类计算机的分类微型计算机计算机的分类计算机的分类微型计算机l桌面型计算机桌面型计算机l笔记本式计算机：笔记本式计算机：膝上型计算机膝上型计算机46计算机的分类计算机的分类微型计算机计算机的分类计算机的分类微型计算机l个人数字助理个人数字助理 (Pers

22、onal digital assistant )l掌上型计算机掌上型计算机47w辅助教学（辅助教学（CAICAI）omputer-assisted omputer-assisted instructioninstruction通过教师、学生与计算机系统通过教师、学生与计算机系统的对话，实现教学的技术。的对话，实现教学的技术。计算机概述计算机概述计算机应用计算机应用49w远程教育远程教育50远程健康护理远程健康护理51w网络交易网络交易52l数值计算数值计算工程计算、地震预工程计算、地震预测、气象预报、火测、气象预报、火箭发射等要求高速箭发射等要求高速度、高精度的科学度、高精度的科学计算都需要计

23、算机计算都需要计算机计算机改变了一些计算机改变了一些学科传统的研究方学科传统的研究方法，促成了计算力法，促成了计算力学、计算物理、计学、计算物理、计算化学、生物控制算化学、生物控制论等新学科的出现论等新学科的出现。计算机的应用计算机的应用 （续）（续）l数据处理数据处理这是数值计算吗？这是数值计算吗？数据处理包括：数据处理包括：信息的收集、转换、组信息的收集、转换、组织、存储、计算、检索织、存储、计算、检索、排序等多项内容。、排序等多项内容。数据处理应用于：数据处理应用于：人口统计、档案管理、人口统计、档案管理、银行业务、情报检索、银行业务、情报检索、企业管理。企业管理。计算机的应用计算机的应用 （续）（续） 计算机越来越多计算机越来越多地应用于生产自动化。地应用于生产自动化。它在计算复杂的多变它在计算复杂的多变量控制问题和自动控量控制问题和自动控制系统的组织上都