计算机科学导论Lec01

1、第第1 1章章 计算机科学与技术概述计算机科学与技术概述（第第1.2/91.2/9次课次课）主讲主讲: : bigguobigguo 信息学院信息学院中国中国 广州广州计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院提纲提纲历史和历史和发展发展一一计算机计算机系统系统计算学计算学科概述科概述二二三三知识知识体系体系四四学科学科教育教育 本章本章小结小结五五六六计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院提纲提纲一一. .历史和发展历史和发展 历史历史 发展阶段发展阶段二二. .计算机系统计算机系统 硬件系统硬件系统 软件系统软件系统 工作方式和特点工作方式和特点 指标指标 分类分类三三. .计算学

2、科概述计算学科概述 定义、本质定义、本质 3个形态个形态 四四. .知识体系知识体系 学科学科历史和发展历史和发展 学科内涵学科内涵 学科外延学科外延五五. .学科教育学科教育 目的和要求目的和要求 学习方法论学习方法论 六六. .本章小结本章小结 结构图结构图 重点重点/难点难点. .计算机的定义计算机的定义计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院一台快速、笨拙的机器一台快速、笨拙的机器4have limited capabilities.have limited capabilities.4can only do basic mathematics and logical compar

3、isons.can only do basic mathematics and logical comparisons.4must be instructed with programs what to domust be instructed with programs what to do。 （美）george beekman 计算机通论探索明天的技术作者4a computer is a stupid machine with the ability to do a computer is a stupid machine with the ability to do incredibly

4、 smart things, incredibly smart things, 4while computer programmers are smart people with the while computer programmers are smart people with the ability to do incredibly stupid things. ability to do incredibly stupid things. 4they are, in short, a perfect match.they are, in short, a perfect match.

5、 jamie shiers.计算机的定义计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院计算机的定义计算机的定义 .计算机的定义 计算机是一种能按照事先存储的计算机是一种能按照事先存储的程序程序，自动地、高速地、精确地进行大量数值，自动地、高速地、精确地进行大量数值计算，并且具有记忆计算，并且具有记忆( (存储存储) )能力、逻辑判能力、逻辑判断能力、可靠性能的数字化信息处理的现断能力、可靠性能的数字化信息处理的现代化智能代化智能电子设备电子设备。一一. .计算机的历史和发展计算机的历史和发展计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院探索的历史过程探索的历史过程 1/3人类制造计算工具的历史人类

6、制造计算工具的历史 古今中外：算筹、算盘、机械计算（加法器、古今中外：算筹、算盘、机械计算（加法器、差分机差分机 等）等）一.计算机的历史和发展1历史历史 1/12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院 祖冲之(429500年)算筹算盘1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40 50 60 70 80 9010 20 30 40 50 60 70 80 90计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院 机械计算机机械计算机16231623年，德国科学家年，德国科学家契克卡德契克卡德( (w. w. schickard)schickard)为

7、天文学家开普勒为天文学家开普勒( (kepler)kepler)制作了一台机械计算机制作了一台机械计算机机械式计算机机械式计算机：借助于各种机：借助于各种机械装置自动传送十进位，而机械装置自动传送十进位，而机械装置的动力来自计算人员的械装置的动力来自计算人员的手。手。一.计算机的历史和发展历史历史 2/12探索的历史过程探索的历史过程 2/31计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院法国科学家布莱斯法国科学家布莱斯帕斯卡帕斯卡(blaise pascal：16231662年年)是是被公认为被公认为是制造出机械计算是制造出机械计算机的第一人。机的第一人。一.计算机的历史和发展历史历史 3/1

8、2 机械计算机机械计算机计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院德国著名数学家戈特弗里德德国著名数学家戈特弗里德威廉威廉莱莱布尼茨布尼茨(gottfried wilhelm leibniz：16461716年年)将帕斯卡的将帕斯卡的“加法器加法器”扩大为乘除运算扩大为乘除运算 。1700年左右，莱布尼茨从中国年左右，莱布尼茨从中国“易易图图”(八卦八卦)里受到启发，悟出了二进里受到启发，悟出了二进制数之真谛。制数之真谛。 机械计算机机械计算机一.计算机的历史和发展历史历史 4/12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院法国机械师约瑟夫法国机械师约瑟夫杰卡德杰卡德(joseph jac

9、quard)，大约在大约在1801年完成了年完成了“自动提花编织机自动提花编织机”的设计制作，的设计制作，真正成功地改进了提花机。真正成功地改进了提花机。一.计算机的历史和发展历史历史 5/12 提花机提花机计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院babbage(17921871年)“计算之父计算之父”一.计算机的历史和发展历史历史 6/12 差分机和分析差分机和分析机机英国剑桥大学著名科学家英国剑桥大学著名科学家查理斯查理斯巴贝奇巴贝奇(charles babbage：17921871年年)在在1822年研制出第一台差年研制出第一台差分机。分机。 计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息

10、学院ada lovelace（1815-1852）为为 babbage 的分析机设计了程序，被称为的分析机设计了程序，被称为“第一位第一位程序员程序员”。一.计算机的历史和发展历史历史 7/12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院1936年，阿伦年，阿伦图灵图灵(alan turing：19121954年年)在他在他的一篇具有划时代意义的论的一篇具有划时代意义的论文文论可计算数及其在论可计算数及其在判定问题中的应用中，论判定问题中的应用中，论述了一种假想的通用计算器，述了一种假想的通用计算器，也就是理想计算机，被后人也就是理想计算机，被后人称为称为“图灵机图灵机”(turing mac

11、hinetm)。 一.计算机的历史和发展历史历史 8/12计算理论计算理论探索的历史过程探索的历史过程 3/31计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院1954年，年，42岁的图灵英年早逝。从岁的图灵英年早逝。从1966年开始，每年开始，每年由美国计算机学会年由美国计算机学会(association for computing machineryacm)颁发颁发“图灵奖图灵奖”(turing award)给世界上最优秀的计算机科学家。给世界上最优秀的计算机科学家。图灵纪念.uk/turing/一.计算机的历史和发展历史历史 9/12计算机科学导论计算

12、机科学导论信息学院信息学院 一般以一般以1946年年的的eniac为为现代电子计算机的诞生年份现代电子计算机的诞生年份 冯冯诺伊曼：参与并提出了诺伊曼：参与并提出了一些现代计算机的思想一些现代计算机的思想 冯冯诺伊曼机：存储程序、诺伊曼机：存储程序、5大部件大部件历史历史 10/12一.计算机的历史和发展现代电子计算机现代电子计算机 1/22计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院eniaceniac的主要任务是分析炮弹轨迹。的主要任务是分析炮弹轨迹。 当当eniaceniac公开展出时，一条炮弹的轨道用公开展出时，一条炮弹的轨道用20s20s就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。就能算出

13、来，比炮弹本身的飞行速度还快。一.计算机的历史和发展历史历史 11/12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院一般认为一般认为4个阶段：按个阶段：按电子器件电子器件划分划分第一代第一代19461957电子管电子管第二代第二代19581964晶体管晶体管第三代第三代19651972中小规模集成电路中小规模集成电路第四代第四代1972大大/超大规模集成电路超大规模集成电路记忆顺口溜：一子二体三集四成记忆顺口溜：一子二体三集四成新一代计算机：新一代计算机： 多种技术：多种技术：微电子、光学、量子、电子仿生、生物微电子、光学、量子、电子仿生、生物 等等 已有部分实验原型：走向实用已有部分实验原型

14、：走向实用一.计算机的历史和发展历史历史 12/12现代电子计算机现代电子计算机 2/22二二. .计算机系统计算机系统计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院1.什么是计算机系统？什么是计算机系统？二.计算机系统 一种按照事先一种按照事先存储的程序存储的程序，自动自动、高速高速地地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。由由计算机硬件系统计算机硬件系统和和计算机软件系统计算机软件系统组成。组成。物质基础、电子器件组成物质基础、电子器件组成控制指挥硬件工作、指令控制指挥硬件工作、指令/ /代码代码/ /程序程序计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息

15、学院冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构基本工作原理基本工作原理：(2点点)冯冯诺伊曼思想诺伊曼思想：(3点点)二.计算机系统1事先设计事先设计存储程序存储程序机器自动机器自动程序控制程序控制使用使用二二进制运算进制运算采用采用存存储程序思想储程序思想构造计算机的构造计算机的5 5大部件大部件运算器运算器控制器控制器存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备2.计算机硬件系统计算机硬件系统 1/6计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院硬件结构图硬件结构图5大部件结构大部件结构注意：该结构是传统的冯注意：该结构是传统的冯诺伊曼结构，它诺伊曼结构，它以控制器为中心以控制器为中心2.计算机硬件系统计算机

16、硬件系统 2/6二.计算机系统2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院运算器运算器又称又称算术逻辑单元算术逻辑单元(arithmetic logic unitalu)对数据进行加工处理的部件对数据进行加工处理的部件2.计算机硬件系统计算机硬件系统 3/6二.计算机系统3算术运算算术运算基本逻辑运算基本逻辑运算与、或、非与、或、非计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院控制器控制器2.计算机硬件系统计算机硬件系统 4/6二.计算机系统4从内存中从内存中取指令取指令和和执行指令执行指令 控制器按程序计数器指出的指令地址从控制器按程序计数器指出的指令地址从内内存存中取出该指令进行中取出该指

17、令进行译码译码，然后根据该指令功能，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈反馈回来回来的信息。的信息。中央处理器中央处理器把把运算器运算器、控制器控制器做在一个大规模集成电路块上做在一个大规模集成电路块上cpu(central processing unit)计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院2.计算机硬件系统计算机硬件系统 5/6二.计算机系统存储器存储器5存储器是计算机的存储器是计算机的记忆记忆装置，用于存放原始装置，用于存放原始数据数据、中间数

18、据、最终中间数据、最终结果结果和处理和处理程序程序。2种动作种动作“写入写入”“读出读出”向存储器里存入信息也称为向存储器里存入信息也称为“写入写入” ，写入新的内容则，写入新的内容则覆盖覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为“读出读出” ，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以信息可以重复取出，多次利用重复取出，多次利用。2种类型种类型“内存储器内存储器”“外存储器外存储器”运算器运算器控制器控制器主机主机计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院输入、输出设备输入、输出设备输入输入/输出设备

19、简称输出设备简称i/o(input/output)设备设备用户通过输入设备将程序和数据输入计算机用户通过输入设备将程序和数据输入计算机输出设备将计算机处理的结果输出设备将计算机处理的结果(如数字、字母、符号如数字、字母、符号和图形和图形)显示或打印出来显示或打印出来常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等仪等常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等2.计算机硬件系统计算机硬件系统 6/6二.计算机系统6计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院软件的定义软件的定义各种各种程序程序及其相关及其相

20、关文档文档的集合的集合 不仅仅是程序不仅仅是程序一般分一般分2类类：软件系统软件系统驱动、控制硬件驱动、控制硬件解决应用问题解决应用问题例如：操作系统（windowsxp、vista）、程序设计语言处理系统例如：办公自动化软件（word、wps）、教务系统3.计算机软件系统计算机软件系统二.计算机系统系统软件系统软件应用软件应用软件12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院4步循环步循环ipos输入处理输出存储计算机的特点计算机的特点速度快、精度高速度快、精度高逻辑运算能力和记忆能力逻辑运算能力和记忆能力高度自动化和灵活性高度自动化和灵活性二.计算机系统124.计算机的工作方式及特点计算

21、机的工作方式及特点计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院时钟周期时钟周期t：执行微指令的时间执行微指令的时间主频：主频：f = 1 / t ，现在一般用现在一般用mhz表示，量级达到表示，量级达到g表示数据、指令的若干二进制位的长度表示数据、指令的若干二进制位的长度数据字、指令字数据字、指令字1个个字节字节（byte）：）：8个二进制位个二进制位评价用途：计算能力强弱、精度高低、速度快慢评价用途：计算能力强弱、精度高低、速度快慢字长字长二.计算机系统12时钟周期和主频时钟周期和主频5.计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标 1/2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院内存容量内存

22、容量以以字节字节为单位为单位：容量单位：字节、容量单位：字节、k（1024个字节）、个字节）、m、g、t等等mips：每秒执行百万次指令数每秒执行百万次指令数基准程序测试集基准程序测试集:1kb（千）千）1024（210）字节，）字节，1mb(兆兆)1024kb220b，1gb（千兆）千兆）1024mb=230b，1tb（万兆）万兆）1024gb=240b 运算速度运算速度二.计算机系统345.计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标 2/2三三. .计算学科概述计算学科概述计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院 计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对计算学科是对描述和变换信息的算

23、法过程，包括对理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究时间时间： 形成于形成于20世纪世纪40年代初期年代初期外延外延：理论研究理论研究工程设计工程设计实验方法实验方法计算学科计算学科定义定义三.计算学科概述11.计算学科定义和本质计算学科定义和本质 1/2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院根本问题根本问题能行性能行性（或者可计算性）（或者可计算性）根本任务根本任务：计算计算什么能被有效地自动计算什么能被有效地自动计算凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的连续问题连续问题 离散化离散化思

24、维即计算、认知即计算思维即计算、认知即计算计算视觉计算视觉计算语言学、计算哲学计算语言学、计算哲学 本质本质三.计算学科概述21.计算学科定义和本质计算学科定义和本质 2/2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院计算学科抽象设计理论数学自然科学工程形式化工程化模型化三.计算学科概述2.计算学科的计算学科的3个形态个形态四四. .计算机科学与技术学科的计算机科学与技术学科的 知识体系知识体系计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院历史历史时间：时间：20世纪世纪50年代初年代初学科内容：不断丰富、细分，完善学科内容：不断丰富、细分，完善发展发展教育界重视：开始制定教育界重视：开始制定“

25、计算学科教程计算学科教程”，以构建知识体，以构建知识体系系适应计算机工业界发展：推陈出新。但还是难以跟上适应计算机工业界发展：推陈出新。但还是难以跟上 工业发展工业发展4个方向：计算机科学、计算机工程、个方向：计算机科学、计算机工程、 软件工程、信息系统（据软件工程、信息系统（据cc2001/ccc2002）四.计算机科学与技术学科的知识体系1.计算机科学与技术学科的历史与发展计算机科学与技术学科的历史与发展12计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、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、原则、方法和

26、技术表示、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科，包括的学科，包括科学科学与与技术技术两方面。两方面。科学：现象研究、规律揭示科学：现象研究、规律揭示技术：方法实现、工艺手段技术：方法实现、工艺手段特点：科学性与工程性并重特点：科学性与工程性并重定义定义四.计算机科学与技术学科的知识体系12. 计算机科学与技术学科的内涵计算机科学与技术学科的内涵 1/2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院什么能被有效地自动化什么能被有效地自动化重要工具重要工具数学数学重要手段重要手段建立物理符号系统、并实施变换建立物理符号系统、并实施变换根本问题根本问题四.计算机科学与技术学科的知识体系22

27、. 计算机科学与技术学科的内涵计算机科学与技术学科的内涵 2/2计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院基础理论基础理论专业基础专业基础应用应用三个层面三个层面研究范畴研究范畴计算机理论：计算机理论：硬件：硬件：软件：软件：网络：网络：应用：应用：范畴范畴四.计算机科学与技术学科的知识体系13.计算机科学与技术学科的外延计算机科学与技术学科的外延 1/2离散数学、算法设计与分析、可离散数学、算法设计与分析、可计算理论、程序设计方法学计算理论、程序设计方法学微电子技术、数字逻辑、组成原微电子技术、数字逻辑、组成原理、体系结构、微机原理嵌入式理、体系结构、微机原理嵌入式系统系统操作系统、编译原

28、理、数据结构、操作系统、编译原理、数据结构、数据库系统、软件工程、可视化数据库系统、软件工程、可视化技术技术网络结构、通信协议、网络安全网络结构、通信协议、网络安全人机工程、领域应用人机工程、领域应用计算机科学导论计算机科学导论信息学院信息学院服务课程集交叉：交叉：课程集：课程集：核心核心课程集课程集离散结构、程序设计基础、算法与复杂性、组织与体系结构、操作系统、网络计算、程序设计语言、人机交互、图形学与可视化计算、智能系统、信息管理、软件工程、数值计算、社会和职业问题体系建构体系建构课程体系内容课程体系内容四.计算机科学与技术学科的知识体系23.计算机科学与技术学科的外延计算机科学与技术学科的外延 2/214个知识体系个知识体系五五. .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导论计算机科学导论信息学院信息学院矛盾矛盾moore定律：微处理器的处理能力每定律：微处理器的处理能力每1824个月增加个月增加1倍倍教育跟不上产业界的发展：质量上的供需矛盾日益突出教育跟不上产业界的发展：质量上的供需矛盾日益突出出路出路教育界：经常变革，加强与产业界的合作教育界：经常变革，加强与产业界的合作产业界：提高认识，积极沟