1、1,計(jì)算機(jī)導(dǎo)論,陳慶強(qiáng) ,2,1、昨夜西風(fēng)凋碧樹。獨(dú)上高樓，望盡天涯路。 2、衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴。 3、眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。,治學(xué)的三重境界,3,第一章 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與信息化社會(huì),1.1 計(jì)算機(jī)的基本概念 1、定義： 計(jì)算機(jī)是一種電子機(jī)器，它接受數(shù)據(jù)（輸入）、根據(jù)某些規(guī)則來處置這些數(shù)（處理）、產(chǎn)生處理結(jié)果（輸出），并儲(chǔ)存這些結(jié)果（存儲(chǔ)）為以后所用。 計(jì)算機(jī)：是一種能夠按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、處理、輸出和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 硬件：包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等。 軟件 ：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、工具軟件,4,

2、2、計(jì)算機(jī)的基本操作,計(jì)算機(jī)的基本操作： 輸入：接受由輸入設(shè)備提供的數(shù)據(jù) 處理：對(duì)各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并按指定的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 輸出：將處理所產(chǎn)生的結(jié)果等數(shù)據(jù)由輸出設(shè)備進(jìn)行輸出 存儲(chǔ)：計(jì)算機(jī)可以存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù) 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,5,3、計(jì)算機(jī)的分類,按處理對(duì)象分類：數(shù)字計(jì)算機(jī)（Digital Computer） 、模擬計(jì)算機(jī)（Analog Computer） 、數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)（Hybrid Computer） 按用途分類：通用計(jì)算機(jī)（General Pur

3、pose Computer） 、專用計(jì)算機(jī)（ Special Purpose Computer ） 按規(guī)模分類：巨型計(jì)算機(jī)（Super Computer）、大/中型計(jì)算機(jī)（Mainframe） 、小型計(jì)算機(jī)（Mini Computer） 、微型計(jì)算機(jī)（ Micro Computer）、工作站（Workstation）、服務(wù)器（Server）、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（Network Computer）,6,4、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn),運(yùn)算速度快 運(yùn)算精度高 具有記憶能力 具有邏輯判斷能力 存儲(chǔ)程序,7,5、計(jì)算機(jī)的用途,科學(xué)計(jì)算：使用計(jì)算機(jī)完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中數(shù)學(xué)問題的計(jì)算 數(shù)據(jù)處理：使用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、分

4、類、加工、整理、合并、統(tǒng)計(jì)、表、檢索以及存儲(chǔ)等 實(shí)時(shí)控制：及時(shí)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)、使用計(jì)算機(jī)快速進(jìn)行處理并自動(dòng)地控制被控對(duì)象的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化 人工智能：由計(jì)算機(jī)來模擬或部分模擬人類的智能，包括：自然語言理解、專家系統(tǒng)、智能機(jī)器人、定理自動(dòng)證明等,8,計(jì)算機(jī)輔助工程和輔助教育：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design， CAD） 、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing， CAM） 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS） 、計(jì)算機(jī)輔助教育（Computer Aid

5、ed Instruction, CAI） 娛樂與游戲：計(jì)算機(jī)以圖像與聲音的集成形式提供最新的娛樂和游戲的方式,9,6、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展,圖靈機(jī) 英國數(shù)學(xué)家艾蘭圖靈（Alan Mathison Turing，l912-1954）是世界上公認(rèn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人，他的主要貢獻(xiàn)有兩個(gè)：一是建立圖靈機(jī)（Tuhng MaChine，TM）模型，奠定了可計(jì)算理論的基礎(chǔ)；二是提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念。但在他生活的時(shí)代，卻完全沒有這些贊譽(yù)。他不過是一位古怪的數(shù)學(xué)家、超前的哲學(xué)家、神秘的密碼破譯專家而已，沒有人會(huì)想到他的思維能燃起信息時(shí)代的烈焰。為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的貢獻(xiàn)，美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)ACM在19

6、66年創(chuàng)立了“圖靈獎(jiǎng)”，每年頒發(fā)給在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先研究人員，號(hào)稱計(jì)算機(jī)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的諾貝爾獎(jiǎng)。,10,所謂的圖靈機(jī)就是指一個(gè)抽象的機(jī)器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個(gè)一個(gè)的小方格，每個(gè)方格有不同的顏色。有一個(gè)機(jī)器頭在紙帶上移來移去。機(jī)器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個(gè)時(shí)刻，機(jī)器頭都要從當(dāng)前紙帶上讀入一個(gè)方格信息，然后結(jié)合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進(jìn)行移動(dòng)。,11,圖靈機(jī)的組成,1.一條無限長的紙帶 TAPE。紙帶被劃分為一個(gè)接一個(gè)的小格子，每個(gè)格子上包含一個(gè)來自有限字母表的符號(hào)，字母表中有一個(gè)特殊的符號(hào) 表示空白。

7、紙帶上的格子從左到右依此被編號(hào)為 0,1,2,. ，紙帶的右端可以無限伸展。 2.一個(gè)讀寫頭 HEAD。該讀寫頭可以在紙帶上左右移動(dòng)，它能讀出當(dāng)前所指的格子上的符號(hào)，并能改變當(dāng)前格子上的符號(hào)。 3.一套控制規(guī)則 TABLE。它根據(jù)當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號(hào)來確定讀寫頭下一步的動(dòng)作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)。 4.一個(gè)狀態(tài)寄存器。它用來保存圖靈機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機(jī)的所有可能狀態(tài)的數(shù)目是有限的，并且有一個(gè)特殊的狀態(tài)，稱為停機(jī)狀態(tài)。,12,第一代計(jì)算機(jī)（1946年1957年）：邏輯器件使用電子管；使用機(jī)器語言編程 第二代計(jì)算機(jī)（1958年1964年）：

8、使用晶體管代替了電子管；在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言及相應(yīng)的編譯程序 第三代計(jì)算機(jī)（1965年1971年）：用小規(guī)?；蛑幸?guī)模的集成電路來代替晶體管等分立元件；在軟件方面引入多道程序、并行處理、虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)以及功能完備的操作系統(tǒng)，提供面向用戶的應(yīng)用程序 第四代計(jì)算機(jī)（1972年今）：使用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(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 第五代計(jì)算機(jī)：目標(biāo)是打破計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)，使得計(jì)算機(jī)具有智能,13,邏輯元件：電子管 內(nèi) 存：延遲

9、線或磁芯 外 存 ： 紙帶、卡片或磁帶 工作速度 ： 幾千幾萬次秒軟 件 ：機(jī)器語言或匯編語言應(yīng) 用 ： 科學(xué)計(jì)算s代表機(jī)型：ENIAC 特 點(diǎn) ： 體積龐大，運(yùn)算速度低，成本高,第一代計(jì)算機(jī)：,14,晶體管計(jì)算機(jī),邏輯元件 晶體管 內(nèi) 存 磁芯 外 存 磁帶或磁 盤 工作速度 幾十萬 次秒 軟 件 高級(jí)算法 語言,應(yīng) 用 事務(wù)管 理及工業(yè)控制 代表機(jī)型 IBM 7000 系列 優(yōu) 點(diǎn) 體積小， 壽命長，速度快， 能耗少，可靠性 高,第二代計(jì)算機(jī),15,集成電路計(jì)算機(jī),邏輯元件： 中小規(guī)模集成電路（硅） 內(nèi) 存： 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 工作速度： 幾十萬幾千萬次/秒 軟 件： 高級(jí)算法語言、操作系統(tǒng)

10、、應(yīng) 用計(jì)算、管理及控制,代表機(jī)型IBMSystem /360 優(yōu) 點(diǎn) 體積更小、速度更快、能耗更小、壽命更長 發(fā)展特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的局面,第三代計(jì)算機(jī),16,大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī),邏輯元件 （超）大規(guī)模集成電路 內(nèi) 存 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 外 存 磁盤和光盤 工作速度 幾百萬幾千萬次秒 應(yīng) 用 以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征 微型計(jì)算機(jī)屬于第四代計(jì)算機(jī),第四代計(jì)算機(jī),17,1.2 信息化社會(huì)的挑戰(zhàn)1、信息化社會(huì)的特征或要素,建立完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施：包括傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息存儲(chǔ)設(shè)備和信息處理設(shè)備等 采用先進(jìn)的信息技術(shù)：包括半導(dǎo)體和微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和并行處理技術(shù)、數(shù)字化通信技術(shù)

11、、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、海量信息存儲(chǔ)技術(shù)、高速信息傳輸技術(shù)、可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)等 建立廣泛的信息產(chǎn)業(yè)：包括計(jì)算機(jī)硬件制造業(yè)、計(jì)算機(jī)軟件業(yè)、信息服務(wù)業(yè)以及國民經(jīng)濟(jì)中各行業(yè)的信息化 擁有高素質(zhì)的信息人才：包括研究型、設(shè)計(jì)型、應(yīng)用型、開發(fā)型、維護(hù)型、服務(wù)型、操作型的人才，并具有高度的創(chuàng)新性和良好的適應(yīng)性 良好的信息環(huán)境：包括保障信息化社會(huì)有序運(yùn)作的各項(xiàng)政策、法律、法規(guī)和道德規(guī)范,18,Internet的發(fā)展,ARPA網(wǎng)：是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局為進(jìn)行國防研究項(xiàng)目而開發(fā)的一個(gè)試驗(yàn)性廣域網(wǎng)，以它為主干網(wǎng)、以TCP/IP協(xié)議為核心形成Internet的雛形，并于80年代初成為一個(gè)實(shí)用性的網(wǎng)絡(luò) NSF網(wǎng)：是

12、美國國家科學(xué)基金會(huì)資助下建立的一個(gè)廣域網(wǎng)，最初連接了美國的五個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心，并與Internet互聯(lián)。80年代后期，逐步取代ARPA網(wǎng)演變成為Internet的主干網(wǎng) Internet的商業(yè)化運(yùn)作：90年代初，IBM、MCI和MERIT等聯(lián)合組建了ANS（Advanced Networks and Services）公司，并建立ANS網(wǎng)，取代NSF網(wǎng)成為Internet的主干網(wǎng) Internet的完善：成為美國信息高速公路最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，并擴(kuò)展到全世界，大大促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)信息化、全球化的進(jìn)程，對(duì)社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、生活帶來了深刻的影響,2、Internet,19,Internet的特點(diǎn),系統(tǒng)的

13、廣域性和開放性：是在全球范圍內(nèi)開發(fā)分布的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 信息的共享性和時(shí)效性：信息可以為廣大用戶所共享，并可以長期儲(chǔ)存、長效發(fā)布、隨時(shí)更新 入網(wǎng)方式的靈活性和多樣性：TCP/IP協(xié)議解決了不同網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、不同硬件平臺(tái)、不同操作系統(tǒng)之間的兼容性問題，各類計(jì)算機(jī)都可以靈活地接入，并通過TCP/IP協(xié)議與Internet進(jìn)行通信 強(qiáng)大的服務(wù)功能：提供遠(yuǎn)程登錄、電子郵件、信息瀏覽、文檔查詢、網(wǎng)絡(luò)新聞以及全球范圍內(nèi)的超媒體信息瀏覽服務(wù)等 網(wǎng)絡(luò)安全的脆弱性和復(fù)雜性：信息流的多渠道交叉和路徑的不確定性、Internet的開放性、管理的松散性以及TCP/IP協(xié)議在安全方面的薄弱性，造成Internet 在安全上的脆弱

14、性和復(fù)雜性,20,我國的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)工程,中國教育科研網(wǎng)（CERNET）：是國家教育委員會(huì)管理的覆蓋全國的學(xué)術(shù)性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 中國公用信息網(wǎng)（ChinaNET）：是國家郵電部經(jīng)營和管理的全國性的公用信息網(wǎng)，是Internet我國的延伸 中國科學(xué)技術(shù)網(wǎng)（CSTNET）：是以中國科學(xué)院的NCF網(wǎng)和CCASNET網(wǎng)為基礎(chǔ)，連接了中國科學(xué)院以外的一些科研單位而構(gòu)成的全國性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 中國金橋信息網(wǎng)（China GBN）：是我國經(jīng)濟(jì)信息化的基礎(chǔ)設(shè)施之一,21,“金字工程”,“金橋工程”：是在國務(wù)院直接倡導(dǎo)下實(shí)施的國家公用經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)工程，是我國經(jīng)濟(jì)信息化的基礎(chǔ)設(shè)施之一 “金關(guān)工程”：目標(biāo)是將海關(guān)、外貿(mào)、外匯管理

15、以及稅務(wù)等部門和企業(yè)的業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，提高外貿(mào)、海關(guān)等部門的現(xiàn)代化管理水平 “金卡工程”：目標(biāo)是建立一個(gè)安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和良好的電子貨幣服務(wù)體系，加快我國金融電子化和商業(yè)電子化的進(jìn)程 其他“金字”工程：如“金稅工程”、“金企工程”等,22,“三網(wǎng)合一”,“三網(wǎng)合一”：互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)與有線電視網(wǎng)的三網(wǎng)融合 傳統(tǒng)的電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以三大業(yè)務(wù)分割為三大行業(yè)，且各有其優(yōu)勢(shì) 未來的信息網(wǎng)則將是“三網(wǎng)合一”的產(chǎn)物，以三大業(yè)務(wù)分割為三大行業(yè)的現(xiàn)狀將不復(fù)存在。它將具有傳統(tǒng)電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的功能，同時(shí)又是一個(gè)寬帶交互式新媒體 信息技術(shù)的發(fā)展為“三網(wǎng)合一”的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保證,23,3、信息

16、化社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)人才的需求,高素質(zhì)的信息人才是實(shí)現(xiàn)信息化社會(huì)的保證和原動(dòng)力 信息化社會(huì)所需要的計(jì)算機(jī)人才： 多方位 具有較高的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力 對(duì)于新技術(shù)的發(fā)展具有良好的適應(yīng)性,24,4、影響計(jì)算機(jī)學(xué)科教育的因素和培養(yǎng)計(jì)劃,計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 計(jì)算機(jī)教育環(huán)境和手段的變化 美國IEEE計(jì)算機(jī)分會(huì)和ACM制訂的計(jì)算科學(xué)本科教育的教學(xué)計(jì)劃和課程指導(dǎo) 中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002（簡稱CCC2002）,25,1.3 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的研究范疇1、計(jì)算機(jī)理論的研究內(nèi)容,離散數(shù)學(xué)：研究數(shù)理邏輯、集合論、近世代數(shù)和圖論等 算法分析理論：研究算法設(shè)計(jì)與算法的時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性分析中的數(shù)學(xué)方法與理論

17、，如組合數(shù)學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等 形式語言與自動(dòng)機(jī)理論：研究程序設(shè)計(jì)語言以及自然語言的形式化定義、分類、結(jié)構(gòu)等有關(guān)理論以及識(shí)別各類語言的形式化模型及其相互關(guān)系 程序設(shè)計(jì)語言理論：運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論研究程序設(shè)計(jì)語言的基本規(guī)律，包括形式語言文法理論、形式語義學(xué)和計(jì)算語言學(xué)等 程序設(shè)計(jì)方法學(xué)：研究能保證高質(zhì)量程序的各種程序設(shè)計(jì)規(guī)范化方法，并研究程序正確性證明理論等,26,2、計(jì)算機(jī)硬件的研究內(nèi)容,元器件與存儲(chǔ)介質(zhì)：研究構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的各類元器件和存儲(chǔ)介質(zhì) 微電子技術(shù)：研究構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的各類集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路芯片的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)等 計(jì)算機(jī)組成原理：研究通用計(jì)算機(jī)的硬件

18、組成結(jié)構(gòu)以及各部件的構(gòu)成和工作原理 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)：研究微型計(jì)算機(jī)的組成原理、結(jié)構(gòu)、芯片、接口及其應(yīng)用技術(shù) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各種新型體系結(jié)構(gòu)以及提高計(jì)算機(jī)性能的各種新技術(shù),27,3、計(jì)算機(jī)軟件的研究內(nèi)容,程序設(shè)計(jì)語言的設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)新穎的程序設(shè)計(jì)語言 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法：研究數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)定義相應(yīng)的運(yùn)算，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算的算法 程序設(shè)計(jì)語言翻譯系統(tǒng)：研究程序設(shè)計(jì)語言翻譯系統(tǒng)（如編譯程序、解釋程序）的基本理論、原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 操作系統(tǒng)：研究如何自動(dòng)地對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行有效的管理，并最大限度地方便用戶,28,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：研究數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用 算法設(shè)計(jì)與分析：研究常用算法的設(shè)計(jì)方法，并分析這些算法的時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性 軟件工程學(xué)：是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)的工程學(xué)科，研究如何采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)和維護(hù)軟件 可視化技術(shù)：研究如何用圖形和圖像來直觀地表征數(shù)據(jù),29,4、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：研究局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)、Internet、Intranet等各種類型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、構(gòu)成方法及接入方式 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：研究實(shí)現(xiàn)連接在網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的介質(zhì)、原理、技術(shù)以及通信雙