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文档简介

第1章计算机科学与技术概述(第1.2/9次课)

主讲:

BigGuo

仲恺农业工程学院•信息学院中国广州提纲历史和发展一计算机系统计算学科概述二三学问体系四学科教化本章小结五六提纲一.历史和发展历史发展阶段二.计算机系统

硬件系统软件系统工作方式和特点指标分类三.计算学科概述

定义、本质3个形态四.学问体系学科历史和发展学科内涵学科外延五.学科教化目的和要求学习方法论六.本章小结结构图重点/难点〇.计算机的定义一台快速、笨拙的机器Havelimitedcapabilities.Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo。——(美)GeorgeBeekman《计算机通论——探究明天的技术》作者Acomputerisastupidmachinewiththeabilitytodoincrediblysmartthings,…whilecomputerprogrammersaresmartpeoplewiththeabilitytodoincrediblystupidthings.Theyare,inshort,aperfectmatch.——JamieShiers〇.计算机的定义计算机的定义

〇.计算机的定义计算机是一种能依据事先存储的程序,自动地、高速地、精确地进行大量数值计算,并且具有记忆(存储)实力、逻辑推断实力、牢靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备。一.计算机的历史和发展探究的历史过程1/3人类制造计算工具的历史►古今中外:算筹、算盘、机械计算(加法器、差分机等)一.计算机的历史和发展1历史1/12

祖冲之(429—500年)算筹算盘123456789102030405060708090►机械计算机1623年,德国科学家契克卡德(W.Schickard)为天文学家开普勒(Kepler)制作了一台机械计算机机械式计算机:借助于各种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手。一.计算机的历史和发展历史2/12探究的历史过程2/31法国科学家布莱斯•帕斯卡(BlaisePascal:1623—1662年)是被公认为是制造出机械计算机的第一人。一.计算机的历史和发展历史3/12►机械计算机德国著名数学家戈特弗里德•威廉•莱布尼茨(GottfriedWilhelmLeibniz:1646—1716年)将帕斯卡的“加法器”扩大为乘除运算。1700年左右,莱布尼茨从中国“易图”(八卦)里受到启发,悟出了二进制数之真谛。►机械计算机一.计算机的历史和发展历史4/12法国机械师约瑟夫•杰卡德(JosephJacquard),大约在1801年完成了“自动提花编织机”的设计制作,真正成功地改进了提花机。一.计算机的历史和发展历史5/12►提花机Babbage(1792—1871年)“计算之父”一.计算机的历史和发展历史6/12►差分机和分析机英国剑桥高校著名科学家查理斯•巴贝奇(CharlesBabbage:1792—1871年)在1822年研制出第一台差分机。AdaLovelace(1815-1852)为Babbage的分析机设计了程序,被称为“第一位程序员”。一.计算机的历史和发展历史7/12计算理论的奠基人1936年,阿伦•图灵(AlanTuring:1912—1954年)在他的一篇具有划时代意义的论文——《论可计算数及其在判定问题中的应用》中,论述了一种假想的通用计算器,也就是志向计算机,被后人称为“图灵机”(TuringMachine——TM)。一.计算机的历史和发展历史8/12计算理论探究的历史过程3/311954年,42岁的图灵英年早逝。从1966年起先,每年由美国计算机学会(AssociationforComputingMachinery——ACM)颁发“图灵奖”(TuringAward)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9/12►一般以1946年的ENIAC为现代电子计算机的诞生年份►冯•诺伊曼:参与并提出了一些现代计算机的思想►冯•诺伊曼机:存储程序、5大部件这台名为ENIAC(电子数字积分计算机的缩写)的机器,运用18800个电子管,1500多个继电器,耗电150千瓦,占地170平方米,重达30吨,可谓“硕大无朋”也。历史10/12一.计算机的历史和发展现代电子计算机

1/22ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。当ENIAC公开展出时,一条炮弹的轨道用20s就能算出来,比炮弹本身的飞行速度还快。一.计算机的历史和发展历史11/12一般认为4个阶段:按电子器件划分第一代1946~1957电子管第二代1958~1964晶体管第三代1965~1972中小规模集成电路第四代1972~大/超大规模集成电路记忆顺口溜:一子二体三集四成新一代计算机:►多种技术:微电子、光学、量子、电子仿生、生物等►已有部分试验原型:走向好用一.计算机的历史和发展历史12/12现代电子计算机

2/22二.计算机系统1.什么是计算机系统?二.计算机系统一种依据事先存储的程序,自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。由计算机硬件系统和计算机软件系统组成。物质基础、电子器件组成限制指挥硬件工作、指令/代码/程序冯•诺伊曼结构基本工作原理:(2点)冯•诺伊曼思想:(3点)二.计算机系统1事先设计存储程序机器自动程序限制运用二进制运算接受存储程序思想构造计算机的5大部件运算器限制器存储器输入设备输出设备2.计算机硬件系统1/6硬件结构图5大部件结构留意:该结构是传统的冯•诺伊曼结构,它以限制器为中心2.计算机硬件系统2/6二.计算机系统2运算器又称算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit——ALU)对数据进行加工处理的部件2.计算机硬件系统3/6二.计算机系统3算术运算基本逻辑运算与、或、非限制器2.计算机硬件系统4/6二.计算机系统4从内存中取指令和执行指令限制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码,然后依据该指令功能向有关部件发出限制吩咐,执行该指令。另外,限制器在工作过程中,还要接受各部件反馈回来的信息。中心处理器把运算器、限制器做在一个大规模集成电路块上CPU(CentralProcessingUnit)2.计算机硬件系统5/6二.计算机系统存储器5存储器是计算机的记忆装置,用于存放原始数据、中间数据、最终结果和处理程序。2种动作“写入”“读出”向存储器里存入信息也称为“写入”,写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息,也称为“读出”,信息读出后并不破坏原来存储的内容,因此信息可以重复取出,多次利用。2种类型“内存储器”“外存储器”运算器限制器主机输入、输出设备输入/输出设备简称I/O(Input/Output)设备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(如数字、字母、符号和图形)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6/6二.计算机系统6软件的定义各种程序及其相关文档的集合不仅仅是程序一般分2类:软件系统驱动、限制硬件解决应用问题例如: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.计算机软件系统二.计算机系统系统软件应用软件124步循环IPOS输入处理输出存储计算机的特点速度快、精度高逻辑运算实力和记忆实力高度自动化和敏捷性二.计算机系统124.计算机的工作方式及特点时钟周期T:执行微指令的时间主频:f=1/T,现在一般用MHz表示,量级达到G表示数据、指令的若干二进制位的长度数据字、指令字1个字节(byte):8个二进制位评价用途:计算实力强弱、精度凹凸、速度快慢字长二.计算机系统12时钟周期和主频5.计算机的主要性能指标1/2内存容量以字节为单位:容量单位:字节、K(1024个字节)、M、G、T等MIPS:每秒执行百万次指令数基准程序测试集:1KB(千)=1024(210)字节,1MB(兆)=1024KB=220B,1GB(千兆)=1024MB=230B,1TB(万兆)=1024GB=240B

运算速度二.计算机系统345.计算机的主要性能指标2/2三.计算学科概述计算学科是对描述和变换信息的算法过程,包括对理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统探讨时间:形成于20世纪40年头初期外延:理论研究工程设计实验方法计算学科定义三.计算学科概述11.计算学科定义和本质1/2根本问题──能行性(或者可计算性)根本任务:计算什么能被有效地自动计算凡是与能行性有关的探讨都是处理离散对象的连续问题离散化思维即计算、认知即计算计算视觉计算语言学、计算哲学……本质三.计算学科概述21.计算学科定义和本质2/2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3个形态四.计算机科学与技术学科的

学问体系历史时间:20世纪50年头初学科内容:不断丰富、细分,完善发展教化界重视:起先制定“计算学科教程”,以构建学问体系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4个方向:计算机科学、计算机工程、软件工程、信息系统(据CC2001/CCC2002)四.计算机科学与技术学科的学问体系1.计算机科学与技术学科的历史与发展12探讨计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获得、表示、存储、处理、限制等的理论、原则、方法和技术的学科,包括科学与技术两方面。科学:现象探讨、规律揭示技术:方法实现、工艺手段特点:科学性与工程性并重定义四.计算机科学与技术学科的学问体系12.计算机科学与技术学科的内涵1/2什么能被有效地自动化重要工具数学重要手段建立物理符号系统、并实施变换根本问题四.计算机科学与技术学科的学问体系22.计算机科学与技术学科的内涵2/2基础理论专业基础应用三个层面探讨范畴计算机理论:硬件:软件:网络:应用:范畴四.计算机科学与技术学科的学问体系13.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、可计算理论、程序设计方法学微电子技术、数字逻辑、组成原理、体系结构、微机原理嵌入式系统操作系统、编译原理、数据结构、数据库系统、软件工程、可视化技术网络结构、通信协议、网络平安人机工程、领域应用服务课程集交叉:课程集:核心

课程集离散结构、程序设计基础、算法与困难性、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课程体系内容四.计算机科学与技术学科的学问体系23.计算机科学与技术学科的外延2/214个学问体系五.计算机科学与技术学科的教化冲突Moore定律:微处理器的处理实力每18~24个月增加1倍教化跟不上产业界的发展:质量上的供需冲突日益突出出路教化界:常常变革,加强与产业界的合作产业界:提高相识,主动沟通,

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