《计算机科学导论》概述详解

计算机科学导论学习计算机专业的第一门基础课程，本课程将会带领大家遨游计算机海洋！！！课程的主要内容•计算机基础知识•计算机体系结构•操作系统•网络基础•程序设计与算法•信息系统•软件工程•图形学和可视化计算•智能系统•离散结构•与信息系统有关的人文知识课程的学习目的•了解计算机学科的发展•把握计算机学科的研究方向、发展前沿及每门课程在学科中的地位•搞清各学科的学习目的、学习内容、应用领域，在学科的学习初期对整个学科有个初步的认识，以做到在今后的学习中知道要学什么、怎么学•掌握常用的计算机操作技能课程的特点•涉及面广、概念多、理论性较强、认知难度大•每一章都是计算机学科的一门核心课程•每一节都是核心课程的一章•要求大家不一定要全部掌握，但要理解基本思想和掌握重要概念，形成一个全面准确清晰的计算机学科认识第一章概述本章学习目标◆初步了解计算机的产生和发展阶段◆掌握计算机的基本概念、分类、特点◆了解计算机的应用领域和发展趋势◆了解计算机科学与技术学科概述◆了解计算机科学与技术学科的知识体系◆了解计算机科学与技术学科的教育计算机是什么？Computersareeverywhere！计算机成了社会的必需品计算机是一种相对其能力而言比较便宜的工具，同一台机器能够做许多种不同的事：算题（科学计算）制作图案处理文字记录事实控制其他机器游戏发送消息识别语音问题：大多数机器只能做一类事，为什么计算机能够做许多种不同的事？是不是计算机什么事都能做？计算机是一台快速，笨拙的机器只有有限的能力。只能进行基本的数学运算与逻辑比较。必须由程序来指示它做什么事。——GeorgeBeekman计算机是一台笨拙的机器，具有从事令人难以置信的聪明工作的能力，...计算机程序员则是一些聪明的人，具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力。简而言之，计算机与程序员实现了完美的配合。——JamieShiers电子数字计算机•电子数字计算机(ElectronicDigitalComputer)简称为电子计算机或计算机，也是人们常说的电脑，是二十世纪最辉煌的成就之一。•计算机给人类带来了巨大的变化。•计算机的定义：计算机是一种能按照事先存储的程序，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)能力、逻辑判断能力、可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备。1.1计算机的产生和发展阶段◆计算机的产生和发展不是一蹴而就的，而是经历了漫长历史的过程。◆在这过程中，科学家们经过艰难的探索，发明了各种各样的“计算机”，这些“计算机”顺应了当时历史的发展，发挥了巨大的作用，推动了社会的进步，也推动了计算机技术的发展。1.1.1计算机产生的史前史1.算筹•算筹又称为筹、策、算子等•算筹在中国的起源很早•中国著名科学家祖冲之(429—500年)借助算筹作为计算工具计算出圆周率祖冲之(429—500年)2.算盘•算盘也称珠算，是中国劳动人民创造的一种工具•由古代“算筹”演变而来•素有“中国计算机”之称•最早见于汉末三国时代徐岳撰写的《数术记遗》•南宋时期的数学家杨辉发明了《乘除通变算宝》3.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3.机械计算机•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。3.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—阿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。4.提花机•西汉年间中国的纺织工匠已能熟练掌握提花机技术。4.提花机•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。5.差分机和分析机•英国剑桥大学著名科学家查理斯•巴贝奇(CharlesBabbage：1792—1871年)在1822年研制出第一台差分机。Babbage(1792—1871年)5.差分机和分析机•阿达•奥古斯塔(AdaAugusta：1815—1852年)是计算机领域著名的女程序员。Ada(1815—1852年)6.模拟计算机•19世纪末，赫尔曼•霍列瑞斯(HermanHollerith：1860—1929)首先用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理。6.模拟计算机•托马斯•沃森(T.Watson)和IBM6.模拟计算机•布什(V.Bush)为了求解与电路有关的微分方程，制作了一台模拟计算装置助其求解•1873年，美国人鲍德温(F.Baldwin)，利用齿数可变齿轮，设法制造出一种小型计算机样机6.模拟计算机•英国数学家布尔(G.Boole：1815—1864年)•第一部著作《逻辑的数学分析》•1854年，已经担任柯克大学教授的布尔再次出版《思维规律的研究——逻辑与概率的数学理论基础》•凭借这两部著作，布尔建立了一门新的数学学科——布尔代数6.模拟计算机•1938年，美国数学家香农(C.Shannon)第一次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁，以脉冲方式处理信息的继电器开关，从理论到技术彻底改变了数字电路的设计。•1948年，香农凭借《通信的数学基础》一书，被誉为“信息论之父”。•1956年，香农参与发起了达特默斯人工智能会议，率先把人工智能运用于计算机下棋方面，还发明了一个能自动穿越迷宫的电子老鼠，以此验证了计算机可以通过学习提高智能。6.模拟计算机•1937年11月，在AT&T贝尔实验室工作的斯蒂比兹(G.Stibitz)，运用继电器作为计算机的开关元件。6.模拟计算机•1939年，楚泽继电器组装了Z-2。•1941年，楚泽的电磁式计算机Z-3完成。•希特勒战败后，楚泽辗转流落到瑞士一个荒凉的村庄，一度转向研究计算机软件理论。•1938年，28岁的楚泽(K.Zuse)完成了一台可编程数字计算机Z-1的设计。•1945年建造了Z-4计算机。•1949年，他建立了“Zuse计算机公司”，继续开发更先进的机电式程序控制计算机。Z－3重建Z－1Z－4老年楚泽（中）数字计算机之父6.模拟计算机•电磁式计算机叫MarkⅠ，也叫“自动序列受控计算机”，在计算机发展史上占据重要地位，是计算机“史前史”里最后一台著名的计算机，发明者是美国哈佛大学艾肯(H.Aiken)博士。1.1.2计算机的产生1.图灵•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》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)中，论述了一种假想的通用计算器，也就是理想计算机，被后人称为“图灵机”(TuringMachine——TM)。1.图灵•1939年，“图灵炸弹”(Bomba)，图灵称它是“罗宾逊”。•1945年，图灵领导一批优秀的电子工程师，着手制造自动计算引擎(AutomaticComputingEngineer——ACE)。•1950年，ACE样机公开表演，被称为世界上最快最强有力的电子计算机。1.图灵•1950年l0月，图灵发表了论文“计算机和智能”(ComputingMachineryandIntelligence)——“图灵测试”(TuringTest)。•图灵荣膺“人工智能之父”称号。•1954年，42岁的图灵英年早逝。从1966年开始，每年由美国计算机学会(AssociationforComputingMachinery——ACM)颁发“图灵奖”(TuringAward)给世界上最优秀的电脑科学家。图灵纪念馆2.ENIAC和冯·诺依曼•1946年2月，美国宾夕法尼亚大学成功研制出了ENIAC，这是世界上第一台数字电子计算机。•莫尔学院的两位青年学者——36岁物理学家约翰•莫齐利(JohnMauchly)和他的学生，24岁的电气工程师布雷斯帕•埃克特(PresperEckert)，向戈德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计方案——“高速电子管计算装置的使用”。2.ENIAC和冯·诺依曼•1944年夏的一天，在阿贝丁火车站，戈德斯坦邂逅了数学家约翰•冯•诺依曼(JohnVonNouma：1903—1957年)，于是戈德斯坦向冯•诺依曼介绍了正在研制电子计算机，冯•诺依曼非常感兴趣。几天之后，冯•诺依曼就专程到莫尔学院参观还未完成的ENIAC，并参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议。2.ENIAC和冯·诺依曼这台名为ENIAC(电子数字积分计算机的缩写）的机器，使用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“庞然大物”也。2.ENIAC和冯·诺依曼•冯•诺依曼决定重新设计一台计算机，命名为“离散变量自动电子计算机”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticCalculator：EDVAC)。•1946年6月，冯•诺依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯顿大学高级研究院，完成了另一台ISA(高级研究院的英文缩写)电子计算机，他们联名发表了计算机史上著名的“101页报告”。2.ENIAC和冯·诺依曼•1946年，英国剑桥大学威尔克斯(M.Wilkes)教授，到宾夕法尼亚大学参加冯•诺依曼主持的培训班，完全接受了冯•诺依曼存储程序的设计思想。•1949年5月，威尔克斯研制成了一台由3000只电子管为主要元件的计算机，命名为电子储存程序计算机(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator：EDSAC)，由此，他获得了1967年度“图灵奖”。1.1.3计算机的发展阶段•计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一，按照采用的电子器件划分，计算机大致已经历了四个阶段：•1.第一代计算机(1946年—1957年)•其主要特征是逻辑器件使用电子管，用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备，用磁鼓或磁带作为外存储器，使用机器语言编程。•第一代计算机体积大、运算速度低、存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置，主要用于科学计算。•其代表机型有：ENIAC、IBM650(小型机)、IBM709(大型机)等。2.第二代计算机(1958年—1964年)•其主要特征是使用晶体管代替了电子管，内存储器采用了磁芯体，引入了变址寄存器和浮点运算硬件，利用I/O处理机提高了输入输出能力。•在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序，降低了程序设计的复杂性。•其代表机型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。3.第三代计算机(1965年—1972年)•其主要特征是用半导体、小规模集成电路(IntegratedCircuit——IC)作为元器件代替晶体管等分立元件，用半导体存储器代替磁芯存储器，使用微程序设计技术简化处理机的结构，这使得计算机的体积和耗电量显著减小，而计算速度和存储存量却有较大提高，可靠性也大大加强。•在软件方面则广泛地引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统和功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。计算机开始定向标准化、模块化、系列化，此时，计算机的应用进入到许多科学技术领域。•其代表机器有：IBM360系列、富士通F230系列等。4.第四代计算机(1972年—)•其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路，大规模、超大规模块集成电路的出现，使计算机沿着两个方向飞速向前发展。•一方面，利用大规模集成电路制造多种逻辑芯片，组装出大型、巨型计算机。•另一方面，利用大规模集成电路技术，将运算器、控制器等部件集成在一个很小的集成电路芯片上，从而出现了微处理器。•完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，以及通信技术和计