计算机科学导论-基于计算思维的思想与方法（第4版） 课件【ch01】计算机科学概述

计算机科学导论基于计算思维的思想与方法计算机科学概述第一章新工科建设之路·计算机类系列教材01人类计算工具的进步人类计算工具的进步01手工时代的计算工具，其发展过程大致可分为以下3个阶段。1.原始计数法2.算筹3.算盘一、手工时代人类计算工具的进步011.计算尺2.Pascal加法器3.莱布尼茨计算器4.雅克特提花编织机5.巴贝奇差分机与分析机二、机械时代人类计算工具的进步011.工业通用计算机1938年，美国的v.Bush为解线性微分方程而设计了微分器，它是世界上第一台电子模拟计算机。2.阿塔纳索夫计算机3.Mark计算机三、机电时代人类计算工具的进步01四、电子时代20世纪中期，计算工具已完全进入电子时代。Mark计算机的概念和设计思想，为现代电子计算机的形成奠定了基础。在这一时期，令世界瞩目的伟大科技成果是ENIAC，ENIAC的研制成功，开辟了电子计算机的新时代。1.ENIAC的诞生2.电子时代的划分人类计算工具的进步01四、电子时代3.计算机类型的划分(1)数字计算机是指能够直接对离散的数字和逻辑变量进行处理的计算机，它所处理的电信号在时间上是离散的，称为数字量。在数字计算机中，根据它的适用范围和用途不同，又分为以下两种类型：①专用计算机；②通用计算机。(2)模拟计算机：是指能够直接对模拟量进行操作的计算机，它所处理的电信号在时间上是连续变化的，称为模拟量。(3)模拟——数字混合计算机是把数字计算机和模拟计算机的优点结合起来设计而成的计算机。02计算机科学体系的形成计算机科学体系的形成02布尔代数是以形式逻辑为基础，以文字符号为工具，以数学形式分析、研究逻辑问题的理论。布尔代数虽为数学，但与普通数学有着本质的区别。它所研究的对象只有“0”和“1”两个数码，并定义了“与”(AND，

符号为∧)、“或”(OR，符号为∨)、“非”(NOT，符号为)三种运算，其他运算均可以用最基本的“与”“或”“非”运算来表示。尽管布尔代数是用文字符号来代替数码，以表示变量，但这种变量的取值范围仅限于取“0”和“1”，所以逻辑变量是二值的，因此被称之为二值逻辑。这种简化的二值逻辑为数字计算机的二进制运算、开关逻辑元件和逻辑电路的设计与简化铺平了道路，并为二进制数字计算机的研制奠定了理论基础。一、布尔提出的逻辑代数计算机科学体系的形成02二进制概念的提出有着极为重要的意义，至今依然是计算科学发展的基础。1938年，香农发表了题为ASymbolicAnalysisofRelayandSwitchingCircuis(继电器开关电路的符号分析)的论文，首次提出了可以用电子线路来实现布尔代数表达式。由于布尔代数只有1和0两个值，与电路分析中的“开”和“关”现象完全一致，因此可以按布尔代数逻辑变量的“真”或“假”对应开关的闭合或断开。自从香农通过继电器开关电路实现了布尔代数运算之后，人们在计算机的设计中开始采用逻辑代数来分析和设计逻辑电路。二、香农提出的逻辑电路计算机科学体系的形成021940年，维纳提出了设计计算机的一些原则：(1)计算机中的加法装置和乘法装置应该是数字的，而不是模拟的；(2)计算机由电子元件构成，尽量减少机械部件；(3)采用二进制运算；(4)全部运算均在计算机上自动进行；(5)采用内部存储数据。三、维纳提出的计算机设计原则计算机科学体系的形成02图灵对现代计算机的贡献主要体现在两方面：一是建立了图灵机理论模型，二是提出了定义机器智能的图灵测试。四、图灵提出的图灵机和图灵测试1.图灵机(TuringMachine，TM)这个“图灵机”不是具体的机器，而是一种理论模型，用来模拟人类用纸笔进行数学计算的过程。图灵机是一种十分简单但运算能力很强的计算装置，用来计算可以想像得到的可计算函数，它不仅解决了纯数学基础理论问题，而且在理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。尽管图灵机并不是真实的计算机，而是用数学方法从理论上证明了制造通用计算机的可行性。计算机科学体系的形成02四、图灵提出的图灵机和图灵测试2.图灵测试(TuringTesting，TT)图灵提出一个假想：一个人在不知情的条件下，通过一种特殊的方式和一台机器进行问答，如果在相当长时间内，他分辨不出与他交流的对象是人还是机器，那么，这台机器就可以认为是能思维的，这就是著名的“图灵测试”(TuringTesting)。今天，图灵测试己被公认为是“证明机器具有智能的最佳方法”。今天，图灵测试已被公认为是“证明机器具有智能的最佳方法”。计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC人们把基于EDVAC结构的计算机称为Neumann结构计算机，它是在分析机、二进制理论、图灵机等基础上发展形成的。Neumann结构计算机的特点主要体现在以下4方面。1.采用二进制计算机采用二进制具有如下优点。(1)电路简单：与十进制数相比，二进制数在电子元件中容易实现。(2)工作可靠：用两种状态表示两个代码，数字传输和处理不易出错，因此可靠性好。(3)运算简单：二进制只有4种求和与求积运算规则(4)逻辑性强：计算机的工作原理是建立在逻辑运算基础上的。计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC2.采用存储程序控制Neumann结构计算机把运算程序及其相应的数据以二进制的模式存放在存储器中，让计算机的运算操作按照程序步骤自动执行，这个过程被称为“存储程序控制”，并成为Neumann结构的核心。其基本思想包含以下3方面。(1)编制程序：为了使计算机能快速求解问题，必须把要解决的问题按照处理步骤编制成程序，使计算机把复杂的控制机制变得有“序”可循。(2)存储程序：计算机要完成自动解题任务，必须能把事先设计的、用于描述计算机解题过程的程序和数据存储起来。(3)自动执行：启动计算机后，计算机能按照程序规定的顺序，自动、连续地执行。当然，计算机在运行过程中允许人工干预。计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC3.具有5项基本功能从“存储程序控制”概念不难想象，要实现“存储程序控制”，计算机必须具有以下5项基本功能。(1)输入、输出功能(2)存储功能(3)计算功能(4)判断功能(5)控制功能计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC4.以运算器为中心其逻辑结构如图1-16所示。该结构具有以下特点。(1)整个机器以运算器为中心，输入、输出信息与存储器之间的数据传输都经过运算器，是Neumann结构的特征。计算机科学体系的形成02五、冯·诺依曼提出的EDVAC4.以运算器为中心(2)采用存储程序控制，程序和数据放在同一存储器中。(3)指令(指示计算机执行操作的命令)和数据均以二进制编码表示、存储和运算，并且按存储器的地址进行访问。(4)控制信息由指令产生，指令由操作码和地址码组成。(5)指令在存储器内按顺序存放和执行，并在特定条件下可以改变执行顺序，这与EDVAC之前只有数据才存储在存储器中的计算机结构是完全不同的。03基于Neumann结构的现代计算机基于Neumann结构的现代计算机031.计算机体系结构(ComputerArchitecture)计算机体系结构是指计算机硬件系统的基本架构，主要研究软/硬件功能分配和对软/硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件实现，哪些功能由硬件实现。在硬件系统的结构上由以运算器为中心演变成以存储器为中心的结构形式。以存储器为中心的计算机结构代表了当代计算机的典型结构。一、计算机的结构组成基于Neumann结构的现代计算机03以存储器为中心的计算机的结构形式与工作过程(数据流向)具有以下特点。(1)整个机器以存储器为中心，所有程序和数据存放在外存储器中。(2)内存储器存储容量小，外存储器存储容量大，为了适应大数据处理，将内存储器与外存储器结合在一起，形成一个存储系统，从而使得外存储器作为内存储器存储容量的“坚强后盾”(3)随着微电子技术的高速发展，可将运算器、控制器、指令系统集成在一块芯片内，称为中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)，通常简称为处理器，它是计算机硬件系统的核心。一、计算机的结构组成基于Neumann结构的现代计算机032.计算机组成(ComputerOrganization)计算机组成(也称为计算机组织)是指计算机体系结构的逻辑实现(包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等)，主要研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。一、计算机的结构组成基于Neumann结构的现代计算机033.计算机实现(Computerlmplementation)计算机实现是指计算机组成的物理实现，主要研究计算机器件和微组装技术。计算机体系结构、计算机组成和计算机实现三者之间，既相互联系，又相互影响。体系结构是指令系统及其执行模型，是计算机系统软/硬件的界面；计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。结构、组成和实现是设计计算机硬件系统的核心。一、计算机的结构组成基于Neumann结构的现代计算机03二、计算机的主要特点计算精度高计算机的计算精度随着字长的增加而提高，有效数字位数可达数十位、数百位甚至千位以上。2判断能力强现代计算机具有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力，是计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合。3运算速度快由于采用高速电子器件，计算机的运算速度，慢则每秒钟数万次，快则每秒钟数亿次。1基于Neumann结构的现代计算机03二、计算机的主要特点存储容量大主存储容量可达数GB级，辅助存储容量可达TB级。主存储器是衡量计算机性能的重要指标。5可靠性能好大规模及超大规模集成电路(VSLI)大大提高了计算机的可靠性。6工作自动化计算机启动后，不需要人工干预，可以自动、连续、高速、协调地完成各种运算和操作处理。4基于Neumann结构的现代计算机031.机器字长(MachineSize)机器字长是指每个存储单元所包含的二进制位数，即计算机一次所能处理数据位数的多少，机器字长决定了计算机数据处理的速率，是衡量计算机性能的一个重要标志。2.内存容量(MemoryCapacity)内存容量是指RAM中能存储信息的字节数，反映直接与CPU进行信息交换的能力。内存容量直接影响CPU处理数据的能力和寻址能力，常用字数乘以字长来表示容量的大小。三、计算机的基本性能基于Neumann结构的现代计算机033.存取周期(AccessCycle)存取周期是指存储器进行一次完整的读写操作所需要的全部时间，即从存储器中连续存(写)、取(读)两个字所用的最小时间间隔称为存取周期。4.主频(ClockSpeed)主频是指CPU的时钟频率(ClockSpeed)，即CPU在单位时间内发出的脉冲数，单位是兆赫兹(MHz)。三、计算机的基本性能基于Neumann结构的现代计算机035.运算速度(OperatingSpeed)运算速度是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，单位是次秒。6.RASIS特性RASIS特性是指计算机的可靠性(Reliability)、可用性(Availabilty)、可维护性(Serviceability)、完整性(Integrality)和安全性(Secunity)，是衡量现代一一个计算机系统性能的五大功能特性。三、计算机的基本性能基于Neumann结构的现代计算机037.兼容性(Compatiblity)兼容性也称为适应性，是指硬件系统或软件系统之间所具有的并存性，它意味着两个系统间存在着一定程度的通用性。8.数据输入、输出最大速率主机与外部设备之间交换数据的速率是影响计算机系统工作速度的重要因素，由于各种外部设备本身工作的速度不同，因此常用主机支持的数据输入、输出最大速率来表示。三、计算机的基本性能基于Neumann结构的现代计算机03目前，计算机的主要应用领域可以概括为以下8个方面。1.科学计算(ScientificCompute)现代计算机的诞生就是源于科学计算，科学计算一直是电子计算机的重要应用领域之一。2.信息管理(InformationManagement)信息管理是指利用计算机对各种数据信息实行科学的管理。计算机在信息管理方面的应用极为广泛，如企业管理、库存管理、报表统计、账目计算、信息情报检索等。四、计算机的主要应用基于Neumann结构的现代计算机033.实时控制(Real-timeControl)实时控制是指在信息或数据产生的同时进行处理，处理的结果可立即用来控制进行中的现象或过程。实时控制的基本原理是基于反馈(Feedback)机制，即通过被控对象的反馈信号与给定信号进行比较，以达到自动调节的控制技术。4.系统仿真(SystemSimulation)系统仿真是利用计算机模仿真实系统的技术，它利用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化，形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。四、计算机的主要应用基于Neumann结构的现代计算机035.计算机辅助系统(ComputerAidedSystem)计算机辅助系统是指以计算机作为辅助工具的各种应用系统，利用计算机的高速运算、大容量存储和图形处理能力，辅助进行工程设计、制造、测试、教学的理论和方法。6.多媒体应用(Multi-mediaApplication)多媒体技术与人工智能技术的结合，促进了虚拟现实、虚拟制造技术的发展，使人们可以在计算机产生的虚拟环境中感受到真实场景；通过计算机仿真和模拟，可以在制造零件及其产品之前，形成产品的结构形式，了解产品各方面的基本功能和性能指标。四、计算机的主要应用基于Neumann结构的现代计算机037.网络通信NetworkCommunication)网络通信的应用极大地改变了人们的工作和生活方式，用户只要把自己的计算机或手机联到网络中，就能获取网络上的各种信息，足不出户便可以预订机票、车票、选购商品等，甚至通过手机网络可以直接在网络上实现语音、视频交流，能够与远在千里之外的亲人、朋友进行通话或洽谈业务。8.人工智能(ArtificialIntelligence)发展起来的神经网络计算机技术是人工智能的前沿技术，要解决人工感觉(包括计算机视觉、听觉、嗅觉)，即解决大量需要相互协调动作的机器人在复杂环境下的决策问题。四、计算机的主要应用04突破与超越Neumann结构突破与超越Neumann结构04一、突破Neumann体系结构Neumann体系结构的最大局限是存储器和处理器之间的通路太狭窄，即每次只能执行一条指令，即使扩大存储容量和提高CPU的速度，但与提高系统的整体性能不成等比关系，因而其意义不大，人们将这种现象称为“冯·诺依曼瓶颈”。为此，人们不断寻求突破Neumann体系结构的途径。通过突破计算机体系结构来提高计算机系统处理速度及其性价比的一一个重要措施是增加计算处理的并行性(Parallel)，也称为并行计算(ParallelComputing)，其策略是采用“时间重叠”“资源重复”和“资源共享”；在具体实现上，采用流水线处理器系统、并行处理器系统、多处理器系统、精简指令系统等。突破与超越Neumann结构04一、突破Neumann体系结构1.流水线处理器系统(PipelineProcessorSystem)流水线处理可分为指令执行流水线和运算操作流水线，运算操作流水线是指将一个运算操作分解成若干道“工序”，而每一道“工序”都可在其专用的逻辑部件上与其它“工序”同时执行。突破与超越Neumann结构04一、突破Neumann体系结构2.并行处理器系统(ParallelProcessorSystem)并行处理器系统则是以“资源重复”为特征的处理器级并行处理技术，利用“空间并行”，让多个处理器在同一控制器的指挥下，按照统一指令的要求对一个整组数据同时进行操作，以实现处理器一级的整个操作的并行。突破与超越Neumann结构04一、突破Neumann体系结构3.多处理器系统(MultiprocessorSystem)多处理器系统是以“时间重叠+资源重复”，指令、任务和作业并行操作为特征的多个处理器并行处理技术，同时对多条指令及其分别有关数据进行处理，即系统中的不同处理器执行各自的指令、处理各自的数据，因而属于多指令多数据流结构的计算机。多处理器系统的规模，通常可分为以下几种类型。(1)对称多处理器；(2)单芯片多处理器；(3)大规模并行处理器。突破与超越Neumann结构04一、突破Neumann体系结构4.精简指令系统计算机指令系统的设计有两个不同的方向：

一是增强指令的功能，在指令系统中引入各种操作的指令，即复杂指令集计算机；二是尽量简化指令功能，只保留那些使用频率高、功能简单的指令，即精简指令集计算机。突破与超越Neumann结构04二、突破Neumann组成结构1.微型化(Micromation)2.巨型化(Giganticism)3.网络化(Networking)网络化是20世纪90年代计算机发展的一大趋势，也是计算机应用模式的一个巨大变革。突破与超越Neumann结构04二、突破Neumann组成结构4.智能化(Intelligentize)智能化的特点主要体现在逻辑思维和推理方面，如对文字、图像、声音的识别有赖于模式识别和对知识的理解。智能化是计算机理论科学研究的一个重要领域，发展极为迅速，在人们的生活和工作中随处体现计算机的智能化。5.多媒体化(Multimedia)5.多媒体化(Multimedia)多媒体