第一章计算机及信息技术概述

1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系 华南农业大学信息学院华南农业大学信息学院 主讲教师主讲教师 张素敏张素敏 E-mail E-mail 片头动画 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 本课程开设的目的 培养计算机基础理论素养培养计算机基础理论素养,为利用计算机工为利用计算机工 具开展各方面学习奠定基础具开展各方面学习奠定基础 培养计算机动手能力培养计算机动手能力,提高计算机应用水平提高计算机应用水平 和应用技能和应用技能 培养计算思维培养计算思维,激发思维灵感激发思维灵感,促进多学科交促进多学科交 叉叉,相得益彰相得益彰 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 课堂学时：32162； 实验学

2、时：24=122。 实验安排：第四周开始。要求在实验指 导书上填写实验报告； 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 课程考核： 期末考试：60 平时：40 考勤：10 课堂练习：15 作业：15% 作业布置与提交作业布置与提交 3:8080/Subject/login3:8080/Subject/login 账号：学号账号：学号 初始密码：学号初始密码：学号 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 约法三章 1. 一定要保持安静 2.不会每次点名查考勤,采用随堂软件抽查考勤 3.迟到的同学请走后门入教室 计算机科学与工程

3、系计算机科学与工程系 第一章第一章 计算机及信息技术概述计算机及信息技术概述 本章首先从计算工具的发展开始，介绍 计算机的历史和类型，计算机在现代社会中 的一些典型应用，以及计算机的未来发展趋 势；计算机学科概要及计算机系统的硬件和 软件系统构成；最后介绍信息技术的基础知 识。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机发展历史上的重要人物和思想计算机发展历史上的重要人物和思想 人们发明电子数字计算机的初衷是用来进行科 学计算，但现代计算机的功能早已不再只是“计 算”，而扩大到可以处理加工数字、文字、图形、 图像、声音等各种形式的数据。 人类从远古时代就产生了计算的需要。钟表业， 特别是齿轮

4、传动装置技术的发展，诞生了最早的机 械式计算机。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 法国物理学家帕斯卡(1623-1662)在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机 由齿轮组成，靠发条驱动，用专用的铁笔 来拨动转轮以输入数字。 当时，19岁的帕斯卡为了帮 助父亲计算税款，开始研究机械 计算装置，最后制成了手摇驱动 的齿轮进位式计算器，可完成六 位数字的加减法。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1673年，德国数学家莱布尼茨发明了机械式乘除 法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机，也是由一系 列齿轮组成，但多了一个叫“步进轮”的装置，它能 够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。 计

5、算机科学与工程系计算机科学与工程系 1822年，英国数学家巴贝奇Babbage历 经10年努力终于发明了“差分机”。它有3 个齿轮式寄存器，可以保存3个5位数字，计 算精度可以达到6位小数。 巴贝奇试图发明功能更好的通用计算机 分析机，但最终失败。 英国女数学家阿达 (1815-1852)是巴贝奇 的合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上 “第一件计算机程序”。她还建议分析机用 二进制存储。预言分析机能唱歌、绘画。 英国诗人拜伦的女儿英国诗人拜伦的女儿 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单 机器，隐含了现代计算机中“存储程序”的 基本思想。半个世纪以来，数学

6、家们提出的 各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等 价的。 英国科学家阿兰英国科学家阿兰 图灵图灵 (理论计算机的奠基人理论计算机的奠基人 1912-1954) 控制器（含运算功能） 可在纸带上左右移动的读写头， 用于读写数据(输入输出设备) 可无限延伸的纸带。用于 存储程序和数据（存储器） 姚期智：姚期智：20002000年年 首位获奖图灵奖首位获奖图灵奖 的华裔学者的华裔学者 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 七十多年来，现代计算机基本结构仍然是 “冯诺依曼计算机”。 美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家 冯冯 诺依曼诺依曼 ( (计算机鼻祖计算机鼻祖) ) 计算机应由运算器、控制器、存储

7、器、 输入设备和输出设备五大部件组成； 应采用二进制简化机器的电路设计； 采用“存储程序”技术,以便计算机能保 存和自动依次执行指令。 冯诺依曼： “如果不考虑巴贝奇、阿达和其他人早先提出的 有关思想，计算机基本概念只能属于阿兰图灵” 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1946年2月由宾夕法尼亚大学 研制成功的ENIAC是第一台 电子数字计算机。 Electronic Numerical Integrator And Calculator 电子数字积分计算机 重30吨，占地167m2，耗电150千瓦 18800个电子管，1500个继电器，保 存80个字节每秒钟可做5000次加减 法或400

8、次乘法运算。 “诞生了一个电子的大脑” 致命缺陷：没有存储程序。 电子计算机时代电子计算机时代 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。 q 第一代计算机 19461958年 以电子管为主要元件 代表机型：ENIAC q 第二代计算机 19581964年 以晶体管为主要元件 采用晶体管的第二代采用晶体管的第二代 电子计算机电子计算机IBM7090IBM7090型型 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 q 第四代计算机 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机 q 第五代计算机：目标是智能计算机 q 第三

9、代计算机 19641971年 以集成电路为主要元件 采用集成采用集成 电路的第电路的第 一台电子一台电子 计算机计算机 IBM360IBM360型型 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 巨型机 大型机 小型机 微型机 工作站 服务器 嵌入式计算机 按计算机规模分类按计算机规模分类 计算机类型计算机类型 按计算机用途分类按计算机用途分类 通用计算机 专用计算机 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、 高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化 智能电子设备。 运算速度快 计算精度高 存储容量大 具有逻辑判断能力 按照程序自动运行 计算机特点 计算机的特

10、点及应用领域计算机的特点及应用领域 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 科学计算 数据处理 过程与实时控制 人工智能 计算机辅助设计与制造 计算机应用领域 远程通信与网络应用 多媒体与虚拟现实 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 微机的发展微机的发展(1975-1995) 1975年第一台个人电脑问世。 1981年第一台IBM-PC问世。 1985年386；1989年486；1993年奔腾出现。CPU 进入32位时代。 1989年多媒体声卡问世。 1995年个人电脑出现CD-ROM光驱。 1995年Win 95问世，操作系统进入Windows 时 代。多媒体和图形界面的出现使电脑真正进入

11、家庭。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1995年，3D加速芯片使显卡性能有了很大的发展。 1998年USB在PC上出现，即插即用的电子消费产品 MP3/MP4等大量涌现。 Intel的CPU频率（2000年P4，2GHz；2004年P4， 3.8GHz）。 2001年Windows XP，集成大量应用程序，例如IE、 Media Player、图像浏览等。 2004年Google进入桌面，搜索大战。 微机的发展微机的发展(1995-2005) 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 电脑的展望：电脑的展望：6464位与双核位与双核 2003年9月，AMD公司生产了进入个人电脑最早 64位

12、CPU。 2005年4月，64位Windows XP操作系统问世。 。 2005年4月，CPU进入双核和多核时代。 2006年，Windows Vista 32位/64位操作系统发布。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机发展趋势巨型化 存储容量更大、运算 速度更快。运算速度达每秒千亿、万亿 次运算。 超级计算机应用：天气预报、地震 机理研究、石油和地质勘探，卫星图像 处理等的高科技领域。 CRAY- 银河银河 1.1.5 未来的计算机未来的计算机 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机发展趋势计算机发展趋势微型化微型化 19811981年年IBM PCIBM PC 计算机不再是

13、 单一的计算机器， 而是一种个人的信 息机器。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机发展趋势网络化 计算机网络： 计算机技术通信技术 网络的发展动力：共享 远程资源，实现通信和 合作。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机发展趋势智能化 Deepblue Garry Kasparov 1996年2月10日，卡斯帕罗夫 战胜“深蓝” 1997年5月12日，卡斯帕罗夫 负于“更深的蓝” 智能计算机将是一种具有类似于人的思维能 力，能听会说，能想会做，能代替人的体力劳动 以及脑力劳动的智能机器人。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 未来的计算机光计算机 用光子器件替代电子器件。将

14、电子脉冲转换为极 细的激光束，用不同波长的光表示不同的数据。 未来的计算机生物计算机 用生物工程技术生产的蛋白质分子作元件制成集 成电路。一个蛋白质分子就可作为一个存储体， 具有生物活性。 未来的计算机量子计算机 利用处于多态的原子进行计算。最小的信息单元 是一个量子比特。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机硬件系统计算机硬件系统 计算机系统构成计算机系统构成 冯诺依曼计算机结构 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备五大部分组成。 控制信号流数据流 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机系统 硬件 软件 中央处理器 运算器 控制器 存储器 内存 外存 ROM R

15、AM 输入输出设备 系统软件 应用软件 磁盘 光盘 软盘 硬盘 键盘、鼠标、显示器、 打印机、投影仪、扫 描仪、摄像头、麦克 风、音箱 计算机系统构成计算机系统构成 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 用户程序或文档 其它系统软件 操作系统 硬 件 应用软件是指用户利用计算 机及其提供的系统软件为解决各 种实际问题而编写的程序。 系统软件主要包括： （1）操作系统。 （2）语言处理程序。 （3）监控管理程序、调试程序、 故障检查和诊断程序等。 计算机软件系统计算机软件系统 计算机系统构成计算机系统构成 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 信息技术概念信息技术概念 1.3 信息技术基础知识信

16、息技术基础知识 信息是一种知识，是接受者事先不知道不了解的知识。 数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像 等都是不同形式的数据。 4次信息革命：文字、造纸和印刷术、 电报电话广播电视、计算机与网络 信息数据 现代信息技术：计算机技术微电子技术通信技术 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1.4 计算思维概述计算思维概述 思维思维是指人脑对客观事物本质属性和内部规律的间接或概括的是指人脑对客观事物本质属性和内部规律的间接或概括的 反映过程。反映过程。 科学思维科学思维通常是指理性认识及其过程，即经过感性阶段获得的通常是指理性认识及其过程，即经过感性阶段获得的 大量材料，通过整理和改造，

17、形成概念、判断和推理，以便反大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以便反 映事物的本质和规律。映事物的本质和规律。 人们在科学研究过程中采取的各种手段和途径叫人们在科学研究过程中采取的各种手段和途径叫科学方法科学方法。科。科 学界一般认为，科学方法分为学界一般认为，科学方法分为理论、实验和计算理论、实验和计算三大类。三大类。理论理论 科学、实验科学和计算科学科学、实验科学和计算科学为科学发现三大支柱，为科学发现三大支柱， 三大科学思维三大科学思维，即，即理论思维、实验思维和计算思维理论思维、实验思维和计算思维，涵盖了目，涵盖了目 前为止科学思维的全部内容前为止科学思维的全部内容 计算

18、机科学与工程系计算机科学与工程系 科学思维的分类科学思维的分类 科学思维类别科学思维类别说说 明明 理论思维 又称逻辑思维，以推理和演绎为特征，以数学学科 为代表。理论思维支撑着所有的学科领域，定义是 灵魂，定理和证明是精髓，公理化方法是思维方法。 实验思维 又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以 物理学科为代表。实验思维往往需要借助于特定设 备获取数据以供分析。 计算思维 又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学 科为代表。计算思维研究的目的是提供适当的方法， 使人们借助现代和将来的计算机，逐步实现人工智 能的较高目标。诸如模式识别、决策、优化和自控 等算法都属于计算思维范畴。 计

19、算机科学与工程系计算机科学与工程系 (1) 计算思维概念计算思维概念 20062006年年3 3月，美国卡内基月，美国卡内基梅隆大学计算机科学系梅隆大学计算机科学系周以真周以真教授教授提出提出： 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设 计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。 计算思维强调的抽象和构造、可解，强调用自动方式逐步求解。计算思维强调的抽象和构造、可解，强调用自动方式逐步求解。 计算思维强调以下三点计算思维强调以下三点 求解问题中的计算

20、思维求解问题中的计算思维 设计系统中的计算思维设计系统中的计算思维 理解人类行为中的计算思维理解人类行为中的计算思维 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何 求解它的思维方法；求解它的思维方法； 计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据 译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法； 计算思维是一种采用抽象和分解的方

21、法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的 设计，是基于关注点分离的方法；设计，是基于关注点分离的方法； 计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使 其易于处理的思维方法；其易于处理的思维方法； 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行 系统恢复的一种思维方法；系统恢复的一种思维方法； 计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况

22、下的规划、学习和调度的计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的 思维方法；思维方法； 计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容 量之间进行折中的思维方法。量之间进行折中的思维方法。 计算思维更详细的描述：计算思维更详细的描述： 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (2) 计算思维的特征计算思维的特征 计算思维计算思维 是什么是什么 计算思维计算思维 不是什么不是什么 说说 明明 是概念化 不是程序 化 计算机科学不只是为计算机编制程序，而是要像计算机科 学家那样去

23、思维，进而要求在抽象的多个层次上思维。 是一种根 本技能 不是刻板 的技能 与“读写能力”一样，是人类的基本思维方式，是每一个 人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。 是人的思 维 不是计算 机的思维 是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那 样地思考。人类创造了计算机，反过来，是计算机给了人 类强大的计算能力，人类应该好好利用这种力量去解决各 种需要大量计算的问题。 是人类的 思想活动 不是人造 的物品 它不只是以人类生产的软件、硬件等人造物的物理形式到 处呈现并时刻融入人们的生活，更重要的是，它是人类用 以接近求解问题、管理日常生活、建立与他人交流和互动 的计算概念。 是数学思

24、 维和工程 思维的互 补与融合 不是空穴 来风 计算机科学在本质上来源于数学思维。又由于人类建造的 计算机系统是一个能够与实际世界互动的系统，计算机科 学在本质上又来源于工程思维。由于基本的计算机系统受 到的限制，迫使计算机科学家不能只是单纯地进行数学思 考，而是要用构建虚拟世界的方法设计出超物理世界的各 种系统。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (3) 计算思维的本质计算思维的本质 计算思维的本质是抽象和自动化。计算思维的本质是抽象和自动化。 (4) 计算思维的发展计算思维的发展 计算思维在人类思维的早期就已经萌芽，并且一直是人类思维的计算思维在人类思维的早期就已经萌芽，并且一直是人类

25、思维的 重要组成部分重要组成部分 人类是对于计算思维本身的研究却进展缓慢，在很长一段时间里，人类是对于计算思维本身的研究却进展缓慢，在很长一段时间里， 计算思维的研究是作为数学思维的一部分进行的。计算思维的研究是作为数学思维的一部分进行的。 随着科学的不断进步，人类不仅满足于认识世界的成功，而且改造随着科学的不断进步，人类不仅满足于认识世界的成功，而且改造 世界的力度和速度也在不断加大。对于计算思维的新的要求和挑战。世界的力度和速度也在不断加大。对于计算思维的新的要求和挑战。 随着工业化的进程，人们对于计算思维的重要性有了越来越清晰随着工业化的进程，人们对于计算思维的重要性有了越来越清晰 的认

26、识，人类从以认识世界为主，转向了对于改造世界的飞速发展。的认识，人类从以认识世界为主，转向了对于改造世界的飞速发展。 随着社会进步和发展，人类对于计算思维的运用越来越普及。随着社会进步和发展，人类对于计算思维的运用越来越普及。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (5) 计算机与计算思维的关系计算机与计算思维的关系 即使没有计算机，计算思维也在逐步的发展，并且有些内容与计即使没有计算机，计算思维也在逐步的发展，并且有些内容与计 算机也没有关系。算机也没有关系。 正是计算机的出现，给计算思维的研究和发展带来了根本性的正是计算机的出现，给计算思维的研究和发展带来了根本性的 变化。计算机的出现和发

27、展强化了计算思维的意义和作用。变化。计算机的出现和发展强化了计算思维的意义和作用。 计算思维也反映了计算机学科最本质的特征和最核心的方法。计算思维也反映了计算机学科最本质的特征和最核心的方法。 计算思维的核心是基于计算模型（环境）和约束的问题求解。计算思维的核心是基于计算模型（环境）和约束的问题求解。 计算机的出现丰富了人类改造世界的手段，同时也强化了原计算机的出现丰富了人类改造世界的手段，同时也强化了原 本存在于人类思维中的计算思维的意义和作用。从思维的角度本存在于人类思维中的计算思维的意义和作用。从思维的角度 ，计算机科学主要研究计算思维的概念，方法和内容，并发展，计算机科学主要研究计算思维的概念，方法和内容，并发展 成为解决问题的一种思维模式，这极大的推动了计算思维的发成为解决问题的一种思维模式，这极大的推动了计算思维的发 展。展。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (6)计算思维的应用领域计算思维的应用领域 计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。 计算思维正在改变着传