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计算机科学导论计算机科学导论 夏军宝夏军宝 -2- 课程介绍课程介绍 &性质：必修课性质：必修课 &课时：课时：6464学时，学时，4848学时讲课，学时讲课，1616学时上机学时上机 &教学内容：教学内容： 本课程是计算机科学体系框架的入门课程，系统介绍本课程是计算机科学体系框架的入门课程，系统介绍数数 据表示与运算、计算机硬件、计算机软件、数据组织与据表示与运算、计算机硬件、计算机软件、数据组织与 抽象、高级论题抽象、高级论题等计算机各学科领域基础知识。等计算机各学科领域基础知识。 重点讲解计算机科学知识的基础，铺设进一步深入专业重点讲解计算机科学知识的基础，铺设进一步深入专业 理论学习的桥梁，强调基础概念，并不涉及数学模型和理论学习的桥梁，强调基础概念，并不涉及数学模型和 技术细节技术细节 &课程考核课程考核 期末闭卷考试成绩期末闭卷考试成绩70%70%，平时成绩占，平时成绩占30%30% -3- 课程教学内容课程教学内容 &第第1 1章章 绪论绪论 &第第2 2章章 数字系统数字系统 &第第3 3章章 数据存储数据存储 &第第4 4章章 数据运算数据运算 &第第5 5章章 计算机组成计算机组成 &第第6 6章章 计算机网络计算机网络 &第第7 7章章 操作系统操作系统 &第第8 8章章 算法算法 &第第9 9章章 程序设计语言程序设计语言 -4- 课程教学内容课程教学内容 &第第1010章章 软件工程软件工程 &第第1111章章 数据结构数据结构 &第第1212章章 抽象数据类型抽象数据类型 &第第1313章章 文件结构文件结构 &第第1414章章 数据库数据库 &第第1515章章 数据压缩数据压缩 &第第1616章章 安全安全 &第第1717章章 计算理论计算理论 &第第1818章章 人工智能人工智能 第第 01 01 章章 绪论绪论 -6- 本章内容安排本章内容安排 &图灵模型图灵模型 &冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &计算机组成计算机组成 &历史历史 &社会问题和道德问题社会问题和道德问题 &计算机科学计算机科学 -7- 图灵模型图灵模型 &alan turingalan turing（阿兰（阿兰. .图灵）在图灵）在19371937年首次提出一年首次提出一 种通用计算设备的设想种通用计算设备的设想 所有的计算都可能在一种特殊的机器上执行（图灵机）所有的计算都可能在一种特殊的机器上执行（图灵机） 进行了数学上的描述，主要目标并不是建造一台真实的进行了数学上的描述，主要目标并不是建造一台真实的 机器机器 -8- 1 1、数据处理器、数据处理器 &在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理 器器 计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据 的黑盒的黑盒 该模型过于宽泛，按照该模型定义，计算器也可以算做该模型过于宽泛，按照该模型定义，计算器也可以算做 一种计算机一种计算机 -9- 2 2、可编程数据处理器、可编程数据处理器 &图灵模型是一种适用于通用计算机的模型图灵模型是一种适用于通用计算机的模型 该模型增加了额外的元素：该模型增加了额外的元素：程序程序 程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合 输出数据依赖于两方面因素，即输出数据依赖于两方面因素，即输入数据和程序输入数据和程序 -10- 相同程序、不同数据相同程序、不同数据 -11- 相同数据、不同程序相同数据、不同程序 -12- 3 3、通用图灵机、通用图灵机 &通用图灵机是对现代计算机的首次描述通用图灵机是对现代计算机的首次描述 该机器只要提供了合适的程序就能做任何运算该机器只要提供了合适的程序就能做任何运算 可以证明：通用图灵机和一台功能强大的计算机能够进可以证明：通用图灵机和一台功能强大的计算机能够进 行同样的运算行同样的运算 通用图灵机能做任何可计算的运算。通用图灵机能做任何可计算的运算。 -13- 本章内容安排本章内容安排 &图灵模型图灵模型 &冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &计算机组成计算机组成 &历史历史 &社会问题和道德问题社会问题和道德问题 &计算机科学计算机科学 -14- 冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &冯冯. .诺伊曼模型是现代计算机的基诺伊曼模型是现代计算机的基 础模型础模型 构成计算机的构成计算机的4 4大子系统大子系统 存储程序存储程序 指令的顺序执行指令的顺序执行 -15- 1 1、4 4大子系统大子系统 &冯冯. .诺依曼模型定义了诺依曼模型定义了 四个子系统四个子系统 存储器存储器 算术逻辑单元算术逻辑单元 控制单元控制单元 输入输出单元输入输出单元 -16- 4 4大子系统大子系统 -17- 存储器存储器 &存储器存储器在计算机处理过程中用来存储数据和程序在计算机处理过程中用来存储数据和程序 -18- 算术逻辑单元和控制单元算术逻辑单元和控制单元 &alu(alu(算术逻辑单元算术逻辑单元) ) 用来进行计算和逻辑操作的地方。用来进行计算和逻辑操作的地方。 &控制单元控制单元 用来控制存储器、算术逻辑单元和输入输出等子系统，用来控制存储器、算术逻辑单元和输入输出等子系统， 使其协调工作。使其协调工作。 &cpu(cpu(中央处理器中央处理器) ) 现代计算机通常将现代计算机通常将alualu和控制单元被集成在和控制单元被集成在cpucpu中，被中，被 称为计算机的心脏称为计算机的心脏 -19- 输入输入/ /输出输出 &输入子系统输入子系统负责从计算机外部接收输入数据和程负责从计算机外部接收输入数据和程 序。序。输出子系统输出子系统 负责将计算机的处理结果输出到负责将计算机的处理结果输出到 计算机外部计算机外部。 -20- 2 2、存储程序的概念、存储程序的概念 &冯冯. .诺依曼模型要求诺依曼模型要求程序必须存储在存储器中程序必须存储在存储器中，早，早 期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通 过操作开关或改变配线完成。过操作开关或改变配线完成。 &现代计算机的存储器主要用来现代计算机的存储器主要用来存储程序和数据存储程序和数据。 程序和数据都以二进制程序和数据都以二进制(0(0和和1 1的序列的序列) )模式存储在存模式存储在存 储器中。储器中。 -21- 3 3、指令的顺序执行、指令的顺序执行 &冯冯. .诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的 指令指令组成组成 控制单元从内存中控制单元从内存中提取指令、解释指令、执行指令提取指令、解释指令、执行指令；指；指 令按照顺序执行令按照顺序执行 一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执 行，跳转后仍然会顺序执行。行，跳转后仍然会顺序执行。 -22- 本章内容安排本章内容安排 &图灵模型图灵模型 &冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &计算机组成计算机组成 &历史历史 &社会问题和道德问题社会问题和道德问题 &计算机科学计算机科学 -23- 计算机组成计算机组成 &计算机系统由计算机系统由3 3大部分构成大部分构成 计算机硬件计算机硬件 数据数据 计算机软件计算机软件 -24- 计算机硬件和数据计算机硬件和数据 &计算机硬件基于冯计算机硬件基于冯. .诺伊曼模型，包含诺伊曼模型，包含4 4大子系统大子系统 在第在第5 5章详细讨论章详细讨论 &数据数据 冯冯. .诺依曼模型将计算机定义为数据处理机，接收输入数诺依曼模型将计算机定义为数据处理机，接收输入数 据，处理并输出结果据，处理并输出结果 -25- 数据数据 &存储数据存储数据 冯冯. .诺伊曼模型没有定义数据如何存储在计算机中诺伊曼模型没有定义数据如何存储在计算机中 对于电子计算机，最好的存储方式应该是电子信号（出对于电子计算机，最好的存储方式应该是电子信号（出 现与消失），计算机可以以现与消失），计算机可以以两种状态两种状态之一的形式来存储之一的形式来存储 数据数据(0(0或或1 1） 文本、图像、声音等数据不能直接存储到计算机内部，文本、图像、声音等数据不能直接存储到计算机内部， 必须将它们转换成合适的形式必须将它们转换成合适的形式(0(0、1 1序列序列) )才能存储到计才能存储到计 算机中算机中 &数据组织数据组织 数据并不是无序组织的，数据被组织成许多小的单元，数据并不是无序组织的，数据被组织成许多小的单元， 再由这些小的单元组织成更大的单元。再由这些小的单元组织成更大的单元。 -26- 计算机软件计算机软件 &冯冯. .诺依曼模型的主要特征在于诺依曼模型的主要特征在于存储程序存储程序。早期的。早期的 计算机没有使用这一模型，但也使用了程序的概念计算机没有使用这一模型，但也使用了程序的概念 ，编程体现在对系统开关的开闭和配线的改变。，编程体现在对系统开关的开闭和配线的改变。 &冯冯. .诺依曼模型改变了编程的概念。基本的两个方诺依曼模型改变了编程的概念。基本的两个方 面是面是存储程序存储程序和和程序由指令序列构成程序由指令序列构成。 -27- 4040年代的编程年代的编程 &编程体现为编程体现为对系列开关的开闭和配线的改变对系列开关的开闭和配线的改变 -28- 1 1、必须存储程序、必须存储程序 &程序和数据都必须存储在存储器中。程序和数据都必须存储在存储器中。 -29- 2 2、指令序列、指令序列 &程序必须是有序的指令集。程序必须是有序的指令集。 每条指令操作一个或多个数据项。每条指令操作一个或多个数据项。 指令集是有限的。图灵和冯指令集是有限的。图灵和冯. .诺依曼模型通过详细定义计诺依曼模型通过详细定义计 算机可以使用的不同指令集，使得编程变得简单、可重算机可以使用的不同指令集，使得编程变得简单、可重 用。用。 程序员通过组合不同的指令可以创建任意数量的程序。程序员通过组合不同的指令可以创建任意数量的程序。 每个程序可以是不同指令的不同组合。每个程序可以是不同指令的不同组合。 -30- 一个程序的示例一个程序的示例 -31- 3 3、算法、算法 &编程编程 了解每条指令能完成的任务；了解每条指令能完成的任务； 掌握将这些指令结合起来完成特定任务。掌握将这些指令结合起来完成特定任务。 &引入算法引入算法 程序员应该以循序渐进的方式理解问题、分解问题、寻程序员应该以循序渐进的方式理解问题、分解问题、寻 找解决问题的方法。算法研究的是逐步解决问题的方法找解决问题的方法。算法研究的是逐步解决问题的方法 ，是计算机科学的重要基础，是计算机科学的重要基础( (第第8 8章讨论章讨论) )。 -32- 4 4、语言、语言 &早期的早期的“ “编程编程” ” 直接写指令的二进制模式。直接写指令的二进制模式。 难以编写大规模程序，编程非常困难。难以编写大规模程序，编程非常困难。 &计算机语言的诞生计算机语言的诞生 计算机科学家们提出用符号代表二进制模式。这样计算计算机科学家们提出用符号代表二进制模式。这样计算 机语言的概念诞生了。机语言的概念诞生了。( (第第9 9章讨论章讨论) ) -33- 5 5、软件工程、软件工程 &冯冯. .诺依曼模型并没有定义诺依曼模型并没有定义软件工程软件工程的概念。的概念。 &软件工程是指软件工程是指结构化程序的设计和编写结构化程序的设计和编写。现在，。现在， 软件工程不仅用来描述完成某一任务的应用程序，软件工程不仅用来描述完成某一任务的应用程序， 还包括程序设计中所要严格遵循的还包括程序设计中所要严格遵循的原理和规则原理和规则。( ( 第第1010章讨论章讨论) ) -34- 6 6、操作系统、操作系统 &在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序 都是公用的、通用的。都是公用的、通用的。 &早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方 便的一种通用管理程序。便的一种通用管理程序。 &现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源 的系统软件。的系统软件。( (第第7 7章讨论章讨论) ) -35- 本章内容安排本章内容安排 &图灵模型图灵模型 &冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &计算机组成计算机组成 &历史历史 &社会问题和道德问题社会问题和道德问题 &计算机科学计算机科学 -36- 历史历史 &计算和计算机发展历史，三个阶段计算和计算机发展历史，三个阶段 机械计算机器（机械计算机器（19301930年之前）年之前） 电子计算机的诞生（电子计算机的诞生（1930195019301950） 计算机的诞生（计算机的诞生（19501950年至今）年至今） -37- 机械计算机器（机械计算机器（19301930之前）之前） &主要成果主要成果 blaise pascal blaise pascal 发明了发明了 pascalinepascaline。 gottfried leibnitz gottfried leibnitz 发明了一台能作加减乘除运算的计发明了一台能作加减乘除运算的计 算机器，算机器，leibnitzs wheelleibnitzs wheel -38- 机械计算机器（机械计算机器（19301930之前）之前） &主要成果主要成果 第一台利用存储和编程概念的机器是第一台利用存储和编程概念的机器是 jacquard loom(jacquard loom(提花织机提花织机) )。 1834,charles babbage1834,charles babbage发明一种机器叫发明一种机器叫 分析引擎分析引擎 analytical engineanalytical engine。 1890, herman hollerith 1890, herman hollerith 设计并制造出设计并制造出 具有编程能力的机器，该机器可以自动具有编程能力的机器，该机器可以自动 阅读、计数和排列存储在穿孔卡上的数阅读、计数和排列存储在穿孔卡上的数 据据 -39- 电子计算机诞生（电子计算机诞生（1930193019501950） &主要成果主要成果 19391939年，第一台用来完成特定任务的计算机是年，第一台用来完成特定任务的计算机是 abc(atanasoff berry computer)abc(atanasoff berry computer)。 同一时期，同一时期，konrad zusekonrad zuse设计出通用计算机，命名为设计出通用计算机，命名为z1z1 1930, 1930, 在在 howard aliken howard aliken 的领导下建造了一台巨型机算的领导下建造了一台巨型机算 计，命名为计，命名为mark imark i。 alan turingalan turing发明了一台名为发明了一台名为colossus(colossus(巨人巨人) ) 的计算机的计算机 用于破译德国的用于破译德国的enigmaenigma密码密码 -40- 电子计算机诞生（电子计算机诞生（1930193019501950） &主要成果主要成果 19461946，eniac(the electronic numerical integrator eniac(the electronic numerical integrator and computer)and computer)，第一台通用的、完全电子化的计算机，第一台通用的、完全电子化的计算机 -41- 计算机诞生（计算机诞生（19501950至今）至今） &主要成果主要成果 第一台基于冯氏思想的第一台基于冯氏思想的 计算机于计算机于19501950年在宾夕年在宾夕 法尼亚大学诞生，名为法尼亚大学诞生，名为 edvacedvac。 完成新任务，只需重新完成新任务，只需重新 编程，无须改变布线编程，无须改变布线 -42- 计算机的发展计算机的发展 &19501950年以后的计算机基本上都基于冯年以后的计算机基本上都基于冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 ，计算机向着速度更快、体积更小、价格更便宜的，计算机向着速度更快、体积更小、价格更便宜的 方向发展，硬件和软件不断变更，但基本模型未改方向发展，硬件和软件不断变更，但基本模型未改 变变 第一代（第一代（1950195919501959年）年） 11商用计算机为主要特征，限于计算机专家使用。计算机商用计算机为主要特征，限于计算机专家使用。计算机 体积庞大，使用真空管作为电子开关，费用昂贵。体积庞大，使用真空管作为电子开关，费用昂贵。 第二代（第二代（1959196519591965年）年） 11晶体管代替真空管，减小体积与功耗，费用减低，开始晶体管代替真空管，减小体积与功耗，费用减低，开始 应用到中小企业。应用到中小企业。fortranfortran和和cobolcobol高级语言出现，使得高级语言出现，使得 编程更加容易，编程任务和计算机运算任务分离。编程更加容易，编程任务和计算机运算任务分离。 -43- 计算机的发展计算机的发展 &计算机时代划分计算机时代划分 第三代（第三代（1965197519651975年）年） 11集成电路的应用，进一步减小计算机体积和成本。小型集成电路的应用，进一步减小计算机体积和成本。小型 计算机出现，软件业诞生。计算机出现，软件业诞生。 第四代（第四代（1975198519751985年）年） 11大规模和超大规模集成电路应用，微型计算机、单板机大规模和超大规模集成电路应用，微型计算机、单板机 的出现。计算机网络出现。的出现。计算机网络出现。 第五代（第五代（19851985年至今）年至今） 11掌上电脑、台式电脑的诞生，第二代存储媒体（掌上电脑、台式电脑的诞生，第二代存储媒体（cd-cd- romrom、dvddvd）的改进，多媒体应用，虚拟现实等）的改进，多媒体应用，虚拟现实等 -44- 本章内容安排本章内容安排 &图灵模型图灵模型 &冯冯. .诺伊曼模型诺伊曼模型 &计算机组成计算机组成 &历史历史 &社会问题和道德问题社会问题和道德问题 &计算机科学计算机科学 -45- 社会问题社会问题 &依赖依赖 计算机科学注定要改变我们的社会，超过一半的美国家计算机科学注定要改变我们的社会，超过一半的美国家 庭使用计算机上网。庭使用计算机上网。 一些人认为：每个人不可避免要使用计算机，离开它难一些人认为：每个人不可避免要使用计算机，离开它难 以生活；另一些人认为：人类对计算机已经形成依赖，以生活；另一些人认为：人类对计算机已经形成依赖， 这种依赖使得人们的生活更加困难。这种依赖使得人们的生活更加困难。 -46- 社会问题社会问题 &社会公正社会公正 在家中使用计算机不是所有人都支付得起的奢侈行为，在家中使用计算机不是所有人都支付得起的奢侈行为， 计算机、外围设备、上网费对低收入家庭是额外的负担计算机、外围设备、上