計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的第一門(mén)基礎(chǔ)課程，本課程將會(huì)帶領(lǐng)大家遨游計(jì)算機(jī)海洋?。?！2/6/2023基本要求滿分100分平時(shí)30％，其中出勤15％，作業(yè)15％。期末閉卷考試70％。學(xué)習(xí)完每個(gè)章節(jié)后，請(qǐng)自行做課后練習(xí)題，課堂講解。不遲到，上課期間未經(jīng)允許不要隨意講話，請(qǐng)自覺(jué)關(guān)閉手機(jī)等通信設(shè)備！2/6/2023第一章概述本章學(xué)習(xí)目標(biāo)◆初步了解計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展階段◆掌握計(jì)算機(jī)的基本概念、分類(lèi)、特點(diǎn)◆了解計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)◆了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科概述◆了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的知識(shí)體系◆了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教育2/6/2023電子數(shù)字計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)(ElectronicDigitalComputer)簡(jiǎn)稱(chēng)為電子計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)，也是人們常說(shuō)的電腦，是二十世紀(jì)最輝煌的成就之一。計(jì)算機(jī)的定義：計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)地、高速地、精確地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，并且具有記憶(存儲(chǔ))能力、邏輯判斷能力、可靠性能的數(shù)字化信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。2/6/20231.1.1計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的史前史1.算籌算籌又稱(chēng)為籌、策、算子等算籌在中國(guó)的起源很早中國(guó)著名科學(xué)家祖沖之(429—500年)借助算籌作為計(jì)算工具計(jì)算出圓周率

祖沖之(429—500年)2/6/20232.算盤(pán)

算盤(pán)也稱(chēng)珠算，是中國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造的一種工具由古代“算籌”演變而來(lái)素有“中國(guó)計(jì)算機(jī)”之稱(chēng)最早見(jiàn)于漢末三國(guó)時(shí)代徐岳撰寫(xiě)的《數(shù)術(shù)記遺》南宋時(shí)期的數(shù)學(xué)家楊輝發(fā)明了《乘除通變算寶》2/6/20234.提花機(jī)法國(guó)機(jī)械師約瑟夫?杰卡德(JosephJacquard)，大約在1801年完成了“自動(dòng)提花編織機(jī)”的設(shè)計(jì)制作，真正成功地改進(jìn)了提花機(jī)。2/6/20235.差分機(jī)和分析機(jī)英國(guó)劍橋大學(xué)著名科學(xué)家查理斯?巴貝奇(CharlesBabbage：1792—1871年)在1822年研制出第一臺(tái)差分機(jī)。阿達(dá)?奧古斯塔(AdaAugusta：1815—1852年)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域著名的女程序員。Babbage(1792—1871年)2/6/20236.模擬計(jì)算機(jī)19世紀(jì)末，赫爾曼?霍列瑞斯(HermanHollerith：1860—1929)首先用穿孔卡完成了第一次大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。1938年，28歲的楚澤(K.Zuse)完成了一臺(tái)可編程數(shù)字計(jì)算機(jī)Z-1的設(shè)計(jì)。電磁式計(jì)算機(jī)叫MarkⅠ，是計(jì)算機(jī)“史前史”里最后一臺(tái)著名的計(jì)算機(jī)，發(fā)明者是美國(guó)哈佛大學(xué)艾肯(H.Aiken)博士。2/6/20231.1.2計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1.圖靈1936年，阿蘭?圖靈(AlanTuring：1912—1954年)在他的一篇具有劃時(shí)代意義的論文——《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)中，論述了一種假想的通用計(jì)算器，也就是理想計(jì)算機(jī)，被后人稱(chēng)為“圖靈機(jī)”(TuringMachine——TM)。2/6/20232.ENIAC和馮·諾依曼1946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)成功研制出了ENIAC，這是世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。莫爾學(xué)院的兩位青年學(xué)者——36歲物理學(xué)家約翰?莫齊利(JohnMauchly)和他的學(xué)生，24歲的電氣工程師布雷斯帕??？颂?PresperEckert)，向戈德斯坦提交了一份研制電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案——“高速電子管計(jì)算裝置的使用”。2/6/20232.ENIAC和馮·諾依曼這臺(tái)名為ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的縮寫(xiě)）的機(jī)器，使用18800個(gè)電子管，1500多個(gè)繼電器，10000多個(gè)電容和7000多個(gè)電阻，耗電150千瓦，占地170平方米，重達(dá)30噸，可謂“龐然大物”也。2/6/20232/6/20232.第二代計(jì)算機(jī)(1958年—1964年)

其主要特征是使用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲(chǔ)器采用了磁芯體，引入了變址寄存器和浮點(diǎn)運(yùn)算硬件，利用I/O處理機(jī)提高了輸入輸出能力。在軟件方面配置了子程序庫(kù)和批處理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及相應(yīng)的編譯程序，降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。其代表機(jī)型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。2/6/20232/6/20232/6/20234.第四代計(jì)算機(jī)(1972年—)其主要特征是使用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，大規(guī)模、超大規(guī)模塊集成電路的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)沿著兩個(gè)方向飛速向前發(fā)展。一方面，利用大規(guī)模集成電路制造多種邏輯芯片，組裝出大型、巨型計(jì)算機(jī)。另一方面，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將運(yùn)算器、控制器等部件集成在一個(gè)很小的集成電路芯片上，從而出現(xiàn)了微處理器。完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和商品化的應(yīng)用程序的大量涌現(xiàn)，以及通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)進(jìn)入了一個(gè)大發(fā)展的階段。2/6/20232/6/20231.2.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本工作原理是存儲(chǔ)程序和程序控制，該原理最初是由馮?諾依曼于1946年提出來(lái)的，故稱(chēng)為馮?諾依曼原理。按照馮?諾依曼原理構(gòu)造的計(jì)算機(jī)又稱(chēng)馮?諾依曼計(jì)算機(jī)，其體系結(jié)構(gòu)稱(chēng)為馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。2/6/2023馮?諾依曼思想：(1)由二進(jìn)制替代十進(jìn)制。(2)采用存儲(chǔ)程序的思想。(3)把計(jì)算機(jī)從邏輯上劃分為5大部分，即運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備。2/6/20232.控制器控制器主要由指令寄存器、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器和操作控制器等組成，控制器是用來(lái)控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個(gè)處理過(guò)程有條不紊地進(jìn)行。基本功能就是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，即控制器按程序計(jì)數(shù)器指出的指令地址從內(nèi)存中取出該指令進(jìn)行譯碼，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過(guò)程中，還要接受各部件反饋回來(lái)的信息。通常把運(yùn)算器、控制器做在一個(gè)大規(guī)模集成電路塊上稱(chēng)為中央處理器，又稱(chēng)CPU(CentralProcessingUnit)。2/6/20233.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶裝置，用于存放原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、最終結(jié)果和處理程序。向存儲(chǔ)器里存入信息也稱(chēng)為“寫(xiě)入”，寫(xiě)入新的內(nèi)容則覆蓋了原來(lái)的舊內(nèi)容。從存儲(chǔ)器里取出信息，也稱(chēng)為“讀出”，信息讀出后并不破壞原來(lái)存儲(chǔ)的內(nèi)容，因此信息可以重復(fù)取出，多次利用。存儲(chǔ)器可分為兩種：內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器。通常把內(nèi)存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器合稱(chēng)為計(jì)算機(jī)主機(jī)，也可以說(shuō)主機(jī)是由CPU與內(nèi)存儲(chǔ)器組成的，而主機(jī)以外的裝置稱(chēng)為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備，外存儲(chǔ)器等。2/6/20234.輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)I/O(Input/Output)設(shè)備。用戶通過(guò)輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號(hào)和圖形)顯示或打印出來(lái)。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀等；常用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。2/6/20231.2.2計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件是指用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序的總和以及開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)這些程序所需的技術(shù)文檔。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。2/6/20231．系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理系統(tǒng)、以及各種軟件工具等各種軟件程序組成，指揮、控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)按照預(yù)定的程序運(yùn)行、工作，從而達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

2/6/20232．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)軟、硬件資源為解決各類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題而編寫(xiě)的軟件，包括用戶程序及其說(shuō)明性文件資料。2/6/20231.2.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1．運(yùn)算速度快、精度高2．具有邏輯判斷和記憶能力3．高度的自動(dòng)化和靈活性2/6/20231.2.5計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

根據(jù)計(jì)算機(jī)工作原理和運(yùn)算方式的不同，以及計(jì)算機(jī)中信息表示形式和處理方式的不同，計(jì)算機(jī)可分為數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)(DigitalComputer)、模擬式電子計(jì)算機(jī)(AnalogComputer)和數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)(HybridComputer)。按計(jì)算機(jī)的用途可分為通用計(jì)算機(jī)(GeneralPurposeComputer)和專(zhuān)用計(jì)算機(jī)(SpecialPurposeComputer)兩大類(lèi)。2/6/2023根據(jù)計(jì)算機(jī)的總體規(guī)模(按照計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)量大小、功能強(qiáng)弱、配套設(shè)備多少、軟件系統(tǒng)的豐富程度)對(duì)計(jì)算機(jī)分類(lèi)，可分為巨型機(jī)(SuperComputer)、大/中型計(jì)算機(jī)(Mainframe)、小型計(jì)算機(jī)(Minicomputer)、微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)(NetworkComputer)五大類(lèi)。常見(jiàn)的微型機(jī)還可以分為臺(tái)式機(jī)、便攜機(jī)、筆記本電腦、掌上型電腦等多種類(lèi)型。2/6/20231.2.6計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)作方式計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)作方式可概括為“IPOS循環(huán)”。IPOS循環(huán)即輸入(Input)、處理(Processing)、輸出(Output)和存儲(chǔ)(Storage)，它反映了計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本步驟。1．輸入2．處理3．輸出4．存儲(chǔ)2/6/20231.3計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)

1.3.1計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1．科學(xué)研究和科學(xué)計(jì)算2．信息傳輸和信息處理3．生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制和管理自動(dòng)化4．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/輔助制造/輔助教學(xué)5．娛樂(lè)2/6/20231.3.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.微型化（microcomputer）2.巨型化（supercompter）3.網(wǎng)絡(luò)化（netcomputer）4.智能化5.新型計(jì)算機(jī)6.普適計(jì)算機(jī)

下一頁(yè)2/6/2023擁有最強(qiáng)的并行計(jì)算能力，主要用于科學(xué)計(jì)算。在氣象、軍事、能源等領(lǐng)域承擔(dān)大規(guī)模、高速度的計(jì)算任務(wù)。趨勢(shì)是用許多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。巨型計(jì)算機(jī)83年銀河-I億次機(jī)92年銀河-II10億次機(jī)97年銀河-III百億次機(jī)2/6/2023大中型計(jì)算機(jī)具有比小型機(jī)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。價(jià)格比小型機(jī)高。在銀行等最早使用計(jì)算機(jī)的行業(yè)中廣泛使用。中科院計(jì)算技術(shù)研究所國(guó)家智能機(jī)中心研制的每秒200億次的曙光2000型超級(jí)服務(wù)器2/6/2023小型計(jì)算機(jī)具有比微機(jī)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。多個(gè)用戶可以同時(shí)使用（多用戶，Multi-user）。目前主要用作服務(wù)器。2/6/2023微型計(jì)算機(jī)（微機(jī)，Microcomputer）臺(tái)式計(jì)算機(jī)（Desktop）是通用計(jì)算機(jī)。通常是由一個(gè)用戶來(lái)使用（單用戶，Single-user）。配有文字、聲音、圖像等輸入輸出設(shè)備?？赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他計(jì)算機(jī)相連。高檔臺(tái)式機(jī)可充當(dāng)服務(wù)器。2/6/2023微型計(jì)算機(jī)（微機(jī)，Microcomputer）

膝上型電腦（Laptop）/筆記本計(jì)算機(jī)（Notebook）

功能與臺(tái)式機(jī)類(lèi)似。一體化結(jié)構(gòu)。耗電更少，并配有電池，可在沒(méi)有交流電源的場(chǎng)合使用?？裳b在文件包中。2/6/2023微型計(jì)算機(jī)（微機(jī)，Microcomputer）

掌上型電腦（Palmtop）、個(gè)人數(shù)字助理（PDA,PersonalDigitalAssistant）

向用戶提供專(zhuān)門(mén)的功能。靠電池供電?？裳b在衣袋中。有些已具有無(wú)線通信能力。是嵌入式計(jì)算機(jī)的一類(lèi)。2/6/2023工作站（Workstation）以聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志。計(jì)算能力比臺(tái)式機(jī)更強(qiáng)，特別是在圖形處理方面。價(jià)格比臺(tái)式機(jī)高得多。隨著臺(tái)式機(jī)能力的不斷提高，有可能被臺(tái)式機(jī)所替代。2/6/2023服務(wù)器（Server）

一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為多個(gè)用戶提供服務(wù)的共享設(shè)備?？煞譃槲募?wù)器、通信服務(wù)器、打印服務(wù)器等。IBMz系列z900服務(wù)器IBMz系列z990服務(wù)器2/6/2023網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（netcomputer）一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用的終端設(shè)備，其特點(diǎn)是內(nèi)容量大、顯示器的性能高、通信功能強(qiáng)，但本機(jī)中不一定配置外存，所需要的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器中。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)

2/6/20231.4計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科概述

1.4.1計(jì)算學(xué)科的定義

計(jì)算學(xué)科是對(duì)描述和變換信息的算法過(guò)程，包括對(duì)理論分析、設(shè)計(jì)、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等進(jìn)行的系統(tǒng)研究。計(jì)算學(xué)科的研究包括了從算法與可計(jì)算性的研究到根據(jù)可計(jì)算硬件和軟件的實(shí)際實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的研究。2/6/20231.4.2計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題是“什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行？”。計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題討論的是能行性的有關(guān)內(nèi)容，而凡是與能行性有關(guān)的討論都是處理離散對(duì)象的。2/6/202