1、計算機導論,第1章 緒論,了解計算機在各領域中的應用 掌握計算機的定義 了解計算工具的發(fā)展歷史 了解計算機硬件的發(fā)展歷史及趨勢 了解計算機軟件的發(fā)展歷史 理解計算機軟件的執(zhí)行過程 掌握計算機的分類和特點 了解計算機科學與技術(shù)學科的研究范疇 了解計算機中的基本問題,學習目標,主要內(nèi)容,計算機在各領域中的應用,第1章 緒論,計算的歷史,計算機科學與技術(shù)學科簡介,主要內(nèi)容,計算機在各領域中的應用,第1章 緒論,計算的歷史,計算機科學與技術(shù)學科簡介,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在交通運輸業(yè)的應用 坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計算機在交通運輸業(yè)的典型

2、應用。,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在交通運輸業(yè)的應用 坐席預定系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等就是計算機在交通運輸業(yè)的典型應用。,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在教育業(yè)的應用 計算機在教育領域中的典型應用有校園網(wǎng)、遠程教育、計算機輔助教育（Computer-Aided Instruction，CAI）等。,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在商業(yè)中的應用 計算機在零售業(yè)的應用，改變了人們的購物環(huán)境和方式。 隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的電子商務，更是從根本上改變了企業(yè)的供銷模式和人們的消費模式。,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在銀行和證券

3、業(yè)的應用 計算機和網(wǎng)絡從根本上改變了銀行和金融機構(gòu)的業(yè)務處理模式。 計算機在證券市場中的應用為投資者進行證券交易提供了必不可少的環(huán)境。,圖1.9 計算機在證券業(yè)中的應用,圖1.10 計算機在銀行業(yè)中的應用,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在醫(yī)學中的應用 醫(yī)學專家系統(tǒng)可以將著名醫(yī)學專家或醫(yī)生的知識和經(jīng)驗存儲到知識庫中，并建立從病情表述和檢測指標到診斷結(jié)論以及治療方案的推理機構(gòu)。這樣，根據(jù)患者的病情和各種檢測數(shù)據(jù)，就可以診斷出所患的疾病以及作出治療方案。對于邊遠地區(qū)，醫(yī)學專家系統(tǒng)可以為患者提供當?shù)蒯t(yī)院無法提供的醫(yī)療服務。 一些現(xiàn)代化的醫(yī)療檢測儀器如超聲波儀、心電圖儀、腦電圖儀、核磁共振儀、X光

4、攝像機等醫(yī)療檢測設備中也嵌入了計算機，可以采用數(shù)字成像技術(shù)，使得圖像更加清晰。,圖1.11 計算機在醫(yī)學中的應用,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在科學研究中的應用 計算機用在科學研究領域，可進行科技文獻的存儲與查詢、復雜的科學計算、系統(tǒng)仿真與模擬、復雜現(xiàn)象的跟蹤與分析以及知識發(fā)現(xiàn)等。,圖1.12 計算機在科學研究中的應用,1.1 計算機在各領域的應用,計算機在文化藝術(shù)業(yè)的應用 藝術(shù)家如果能夠以計算機為工具進行音樂、舞蹈、美術(shù)、攝影、電影與電視等技術(shù)創(chuàng)作，則能夠創(chuàng)作出更具特色、效果更佳的作品。很多游戲設計人員借助于計算機設計出引人入勝的計算機游戲軟件。使用計算機控制的電子合成器可以模擬一種

5、或多種樂器的聲音。藝術(shù)家可以使用專門的軟件作為工具來創(chuàng)作繪畫、雕塑等技術(shù)作品；在影片制作過程中利用計算機可以獲得過去無法獲得的效果。,主要內(nèi)容,計算機在各領域中的應用,第1章 緒論,計算的歷史,計算機科學與技術(shù)學科簡介,1.2 計算的歷史,什么是計算機 能夠按照事先存儲好的指令序列，接收用戶輸入的數(shù)字、文本、圖像、聲音等數(shù)據(jù)，并對其進行存儲、處理和結(jié)果輸出的系統(tǒng)。,圖1.14 計算機處理流程,1.2 計算機的歷史,輸入到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)既可以是用戶通過鍵盤輸入的，也可以來自于其他的設備，如數(shù)碼相機或數(shù)字攝像機或其他的計算機。輸入設備如鍵盤或鼠標，可收集輸入數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的信號，

6、以供計算機存儲和處理。 輸出指的是計算機的處理結(jié)果。常見的計算機輸出形式有報表、文檔、音樂、圖形和圖像。用戶可通過計算機的顯示屏查看輸出結(jié)果，也可將其通過打印機在紙上進行打印或者是刻錄到光盤。,1.2 計算機的歷史,計算工具的發(fā)展歷史,1.2 計算機的歷史,計算工具的發(fā)展歷史 到了19世紀初，英國數(shù)學家查爾斯巴比奇（Charles Babbage，1792-1871）取得了突破性進展，計算機不但能快速地完成加、減、乘、除運算，還能夠自動完成復雜的運算，從手動機械躍入自動機械的新時代。同時巴比奇還提出了分析機的新設計思想。分析機（如圖1.22所示）的重要貢獻就在于它包括了現(xiàn)代計算機所具有的5個基

7、本組成部分。 （1）輸入裝置：用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)。 （2）存儲裝置：既能存儲運算數(shù)據(jù)，又能存儲運算結(jié)果。 （3）資料處理裝置：完成加、減、乘、除運算。還能根據(jù)運算結(jié)果的符號改變運算的進程。也就是能實現(xiàn)現(xiàn)代的條件轉(zhuǎn)移指令。 （4）控制裝置：使用指令進行控制，用程序自動改變操作次序。 （5）輸出裝置：用穿孔卡片或打印方法輸出。,1.2 計算機的歷史,巴比奇 巴比奇分析機,1.2 計算機的歷史,英國著名詩人拜倫的女兒Ada（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）在劍橋大學幫助巴比奇研究分析機時，她意識到巴比奇對新分析機的設計思想完全可行，也非常支持巴比奇的工作。Ada建議用二

8、進制存儲取代原設計的十進制存儲。她指出分析機可以像雅各織布機一樣進行編程，并發(fā)現(xiàn)了程序設計和編程的基本要素，還為某些計算開發(fā)了一些指令。由于她在程序設計上的開創(chuàng)性工作，被譽為世界上第一位程序員。,1.2 計算機的歷史,第一次采用電器元件來制造計算機的是德國工程師朱斯（K. Zuse）。1941年，他的Z-3計算機開始運轉(zhuǎn)，這是世界上真正的第一臺通用程序控制計算機（如圖1.23所示）。Z-3不僅全部采用繼電器，同時采用了浮點記數(shù)法、二進制運算、帶數(shù)字存儲地址的指令形式等。 1936年美國哈佛大學應用數(shù)學教授霍華德艾肯（Howard Aiken，1900-1973）受了巴比奇和愛達的筆記后，受到啟

9、發(fā)并在IBM公司的大力支持下，研制成功了被稱為Mark-I的計算機（如圖1.24所示）。Mark-I是個龐然大物，長15.5米，高2.4米，由75萬個零部件組成。它用大量的繼電器作為開關(guān)元件，用十進制計數(shù)齒輪組作為存儲器，用穿孔紙帶進行程序控制。,1.2 計算機的歷史,第二次世界大戰(zhàn)期間，美國賓夕法尼亞大學莫爾學院電工系同阿伯丁彈道研究實驗室共同負責為陸軍每天提供六張火力表，這一任務非常困難和緊迫。正是在該背景下，促成了第一臺電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer，簡稱ENIAC）的產(chǎn)生。ENIAC起初是專門用于彈道計算，

10、后來經(jīng)過多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。 ENIAC占地面積達170平方米，差不多相當于10間普通房間的大??；使用了大約18000只電子管，1500個繼電器，70000只電阻，18000只電容。ENIAC的最大特點就是采用了電子線路來執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和儲存信息。由于廣泛采用了電子線路，ENIAC同以往計算機相比最突出的優(yōu)點就是高速度。,1.2 計算機的歷史,1.2 計算機的歷史,計算機硬件的發(fā)展歷史 第一代計算機 以真空管作為主要元器件，體積龐大，價格昂貴，采用二進制代替十進制，程序雖然可以存儲，但存儲設備還比較落后，輸入輸出裝置主要用穿孔卡、速度很慢。只有專家們方可使用。

11、 第二代計算機 以晶體管代替電子管，減小計算機體積的同時，也降低了費用，使得中小企業(yè)也能負擔得起。普遍采用磁心存儲器作為主存，并且采用磁帶和磁盤作為輔存，使存儲容量增大，可靠性提高，為操作系統(tǒng)的發(fā)展奠定了硬件基礎。與此同時，變址寄存器、浮點數(shù)據(jù)表示、間接尋址、中斷、I/O處理機等現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)的特性相繼出現(xiàn)。同時程序設計語言也有了很大發(fā)展，先是用匯編代替了機器語言，接著又出現(xiàn)了高級語言FORTRAN、COBOL。 第三代計算機 用集成電路取代晶體管，更加減少了計算機的成本和大小。用半導體存儲器淘汰了磁心存儲器，普遍采用了微程序設計技術(shù)，系統(tǒng)軟件與應用軟件都有很大發(fā)展，出現(xiàn)了第一代小型計算機

12、（minicomputer），如DEC的PDP-8。,1.2 計算機的歷史,計算機硬件的發(fā)展歷史 第四代計算機 用微處理器（microprocessor）或超大規(guī)模集成電路VLSI（Vely Large Scale Integration）取代了普通集成電路。存儲容量進一步擴大，輸入采用了OCR（字符識別）與條形碼，輸出采用了激光打印機，以及引進光盤和新的程序設計語言Pascal、Ada。微型計算機也蓬勃發(fā)展起來，使得計算技術(shù)由集中化向分散化轉(zhuǎn)變。與此同時，數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡、分布式處理有了很大的發(fā)展。Internet、廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（CAN）和局域網(wǎng)（LAN）的發(fā)展將世界各地緊密

13、地聯(lián)系在一起。當前的計算機依然屬于第四代計算機。 第五代計算機 很多國家的學術(shù)團體都對未來計算機的發(fā)展有所研究和期望。第五代計算機系統(tǒng)將會擁有智能特性，帶有知識表示與推理能力，可以模擬人的設計、分析、決策、計劃以及其他智能活動并具有人機自然通信能力，可作為各種信息化企業(yè)的智能助手。,1.2 計算機的歷史,計算機硬件的發(fā)展歷史 計算機的發(fā)展趨勢為巨型化、微型化、多媒體化、網(wǎng)絡化和智能化。 （1）巨型化 巨型化是指運算高速、大存儲容量和強功能的超大型計算機。這不僅是尖端科學（如氣象、宇航、核反應等）及新興學科（生物工程、基因工程）的需要，也為了使得計算機具有人腦學習、推理的復雜功能。 （2）微型化

14、 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得微型機可以滲透到家用電器、導彈彈頭等中、小型機無法進入的領域。 （3）多媒體化 以數(shù)字技術(shù)為核心的圖像、聲音等與計算機、通信融為一體的信息環(huán)境。通過這種環(huán)境，無論在什么地方，只需要簡單的設備，就能自由自在地以接近自然的交互方式收發(fā)所需要的各種媒體信息。 （4）網(wǎng)絡化 不受地理區(qū)域的限制，將分布在不同地點的不同機型的計算機和專門的外部設備由通信線路互聯(lián)組成一個規(guī)模大、功能強的網(wǎng)絡系統(tǒng)，以達到資源和信息共享的目的。 （5）智能化 讓計算機能夠模擬人的感覺、行為和思維過程，使計算機具有一定的邏輯推理、學習和證明等能力，形成智能型計算機。,1.2 計算機的歷史,計

15、算機軟件的發(fā)展歷史 第一代軟件（1951-1959） 第一代軟件由機器語言編寫。機器語言是內(nèi)置在計算機電路中的指令。即使求“3+5”的結(jié)果這一簡單計算就需要三條完全由0、1組成的指令。對程序設計人員而言，需要面對一系列的0、1數(shù)字組合，他們不得不記住每個0、1串代表的含義。由于編寫機器語言程序非常乏味，就有程序設計員開發(fā)出了一種使用助記碼表示的人工程序設計語言，這些語言被稱為“匯編”語言。 雖然匯編語言的出現(xiàn)簡化了程序設計的工作。但每個程序在計算機上執(zhí)行時采用的最終形式依然是機器語言。所以，為了讓匯編語言編寫的程序能夠運行，還需要翻譯程序或匯編器，將每條用助記碼編寫的程序指令翻譯成等價的機器語

16、言。其流程如圖所示。,1.2 計算機的歷史,計算機軟件的發(fā)展歷史 第二代軟件（1959-1965） 第二代軟件時期開發(fā)的是高級語言，目前仍在使用有FORTRAN、COBOL和Lisp。高級語言的出現(xiàn)使得可以在多臺計算機上運行同一個程序。因為每中高級語言都有配套的翻譯程序，它可將高級語言編寫的語句翻譯成等價的機器語言指令。最早時，高級語言的語句通常被翻譯成匯編語言，然后這些匯編后的語句再被翻譯成機器指令。其流程如圖所示。,1.2 計算機的歷史,計算機軟件的發(fā)展歷史 第三代軟件（1965-1971） 隨著計算機處理速度的不斷提高，人機矛盾日益凸顯。當人們準備下一批處理數(shù)據(jù)時，計算機無所事事。為了讓

17、計算機的所有資源都在計算機的控制中，需要編寫一種程序來決定何時運行什么程序，這種程序被稱作操作系統(tǒng)。,1.2 計算機的歷史,計算機軟件的發(fā)展歷史 第四代軟件（1971-1989） 20世紀70年代出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設計方法，這是一種有邏輯、有規(guī)則的程序設計方法。該階段出現(xiàn)了Pascal、Modula-2、BASIC和C等結(jié)構(gòu)化程序設計語言。結(jié)構(gòu)化程序設計語言C+還允許用戶使用低級語句，成為了業(yè)界的選擇。與此同時，更好、更強大的操作系統(tǒng)也被開發(fā)出來了。AT Else Hanoi(n-1,left,middle,right); Move(1,left,_,right); Hanoi(n-1,midd

18、le,left,right); ,1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介,證比求易法并行計算 從前，有一個酷愛數(shù)學的年輕國王艾述向鄰國一位聰明美麗的公主秋碧貞楠求婚。公主出了這樣一道題：求出48 770 428 433 377 171的一個真因子。若國王能在一天之內(nèi)求出答案，公主便接受他的求婚。國王回去后立即開始逐個數(shù)地進行計算，他從早到晚，共算了3萬多個數(shù)，最終還是沒有結(jié)果。于是國王向時任宰相的大數(shù)學家孔煥石求教，大數(shù)學家在仔細思考后認為這個數(shù)為17位，則最小的一個真因子不會超過9位，于是他給國王出了一個主意：按自然數(shù)的順序給全國老百姓每人編一個號發(fā)下去，讓每個老百姓用自己的編號去除這個數(shù)，除盡了

19、立即上報。最后，國王用這個方法求婚成功。 這位數(shù)學家所用的方法就是并行算法，在某些場合，用順序算法難以求解的問題，可用并行算法解決。但大家也會意識到一個問題，使用并行算法時，空間方面的復雜度較高，如果空間受到了限制，那么需要用計算機解決的難解性問題，還需要從降低時間復雜度入手。,1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介,找零問題 有一顧客拿一面值100元的鈔票在超市買了4元錢的商品，收銀員需要找96元的零錢，該如何選擇呢？ 一般情況下，雖然可有多種找法，但是收銀員會憑直覺選擇1張50元的，兩張20元的，1張5元的和1張1元的，這可使得找的零錢數(shù)目最少。 收銀員采用的方法，就是一種典型的貪婪算法?？梢宰C

20、明，按照這種方法找到的零錢數(shù)目的確最少。 貪婪算法也被用在在計算機求解問題的很多場合。它是一種典型的啟發(fā)式算法，它采用逐步構(gòu)造最優(yōu)解的方法，即在算法的每個階段都做出在當時看上去最好的決策，以獲得最大的“好處”。換言之，就是在每一個決策過程中都要盡可能的“貪”，直到算法中的某一步不能繼續(xù)前進時，算法才停止。,1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介,哲學家進餐問題 計算機中的資源包括計算機軟件資源和硬件資源。軟件資源包括程序和數(shù)據(jù)，它們都以文件的形式存放在計算機的硬盤等存儲設備中。硬件資源包括CPU、存儲器以及輸入/輸出設備等。在計算機系統(tǒng)中，由操作系統(tǒng)負責對計算機的軟硬件資源進行控制和管理，要使計算機系統(tǒng)中的資源能夠得到高效的使用，就會遇到若干程序競爭有限資源而產(chǎn)生的問題。其中“哲學家”進餐問題就是典型的多個程序爭奪有限資源的例子。 哲學家進餐問題可如此描述：5個哲學家圍坐在一張圓桌旁，每個人的面前擺放有一碗面條，碗的兩旁各擺有一支筷子。假設哲學家的生活除了吃飯就是思考問題，而吃飯的時候需要拿到兩支筷子，然后才開始進餐。吃完后又將筷子放回原處，繼續(xù)思考問題。那么，一個哲學家的生活可表示為：,1.3 計算機科學與技術(shù)學科簡介,思考問題； 餓了停止思考，左手拿一支筷子（如果左側(cè)哲學家已將其拿走，則需等待）； 右