计算机科学发展概述

17:021计算机导论讲授：李芳芳17:022课程性质与目的本课程是入门性的专业基础课。通过计算机硬件系统与软件系统，数据库系统与信息系统、计算机网络、多媒体技术、计算机信息安全技术等内容的学习，为后续的计算机课程构建一个基本知识框架，也为以后学习和掌握专业知识奠定良好的基础。17:023学时分配和成绩计算方法本课程主要采用课堂讲授和学生实验的形式，课堂讲授36学时，学生实验27学时。计划每周安排3+3课时。成绩计分方法为：课堂点名与平时作业各30％+期末考试40%17:024第1章计算机科学技术发展概述1.1计算发展史1.2现代计算机的产生1.3计算机系统的定义1.4计算机的应用1.5计算机科学的知识体系和分支学科1.6新型计算机系统17:0251.1计算发展史计算作为人类社会生活、生产中总结发展起来的一门知识，已经历了漫长的发展阶段。结绳纪事算盘机械式（模拟）计算机电子式（数字）计算机17:0261.2现代计算机的产生1946年2月14日世界上第一台数字电子计算机ENIAC(TheElectronicNumericalIntegratorandComputer，电子数值积分计算机)在美国宾夕法尼亚大学研制成功。被公认为第一台使用电子线路来执行算术、逻辑运算和信息存储的真正工作的计算机器。奠定了电子计算机的发展基础，开辟了计算机科学技术的新纪元。17:0271.2现代计算机的产生17:028埃尼阿克ENIAC是美国奥伯丁武器试验场为满足计算弹道需要而研制。主要发明人是电气工程师普雷斯波埃克特和物理学家约翰莫奇勒博士采用电子管作为计算机的基本元件，每秒可进行5000次加减运算。使用了18000只电子管，10000只电容，7000只电阻，体积3000立方英尺，占地170平方米，重量30吨，耗电140~150千瓦，机器被安装在一排2.75米高的金属柜里,是一个名副其实的“庞然大物”17:029世界上第一台数字电子计算机ENIAC17:0210计算机之父——冯•诺依曼1946年6月美籍匈牙利数学家冯•诺依曼等提出关于电子计算装置逻辑结构设计的研究报告。电子计算机应该是：1)以二进制为运算基础；2)采用存储程序方式工作。并进一步明确其结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。至今绝大部分的计算机还是采用存储程序式计算机的组织结构思想及实现方法17:0211第四代计算机（大、超大规模集成电路时代）第三代计算机（中小规模集成电路时代）第二代计算机（晶体管时代）第一代计算机（电子管时代）计算机发展简史123417:02121.第一代计算机（1946年～1957年）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要计算一个新的题目，就得将线路另外重新搭接一次，把成千上万的线重新焊一下。在1949出现了可以存储程序的计算机。这些计算机使用机器语言编程，可存储信息和自动处理信息。人类存储和处理信息的方法开始发生革命性的变化。第一代计算机（电子管时代）17:02132.第二代计算机（1958年～1964年）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。第二代计算机（晶体管时代）17:02143.第三代计算机（1965年～1971年）用小规模或中规模集成电路；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；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。三代机的典型机型是IBM360系列第三代计算机（中小规模集成电路时代）17:02154.第四代计算机（1972年～现在）使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。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，以及通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机进入了一个大发展的阶段。第四代计算机（大、超大规模集成电路时代）17:0216思考：有第五代计算机吗？作业：第五代电子计算机的发展进程？17:02171.3计算机系统的定义由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。是由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，它是计算机系统的物质基础计算机硬件系统是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料。计算机软件系统+17:0218计算机硬件基本组成示意图输入设备输出设备存储器CPU运算器控制器17:0219计算机系统的层次关系应用软件层AutoCAD、财务软件、ERP、MIS等实用软件层编译程序、编辑程序、软件开发工具、接口软件、图形处理软件、数据库管理系统软件等操作系统层DOS、MACOS、Windows、UNIX、Linux、Solaris等硬件层CPU(运算器和控制器)存储器(主存和辅存)输入输出设备：键盘、鼠标、显示器基本配置附加配置打印机、扫描仪、声卡、网卡、摄像头、移动硬盘磁带机、电子眼、U盘等17:02201.4计算机的分类按照计算机工作原理和运算方式的不同，以及计算机中信息表示形式和处理方式分为：电子计算机数字式电子计算机digitalcomputer模拟式电子计算机analogcomputer数字模拟混合计算机hybridcomputer当今广泛应用的是数字计算机，因此，常把数字式电子计算机(electronicdigitalcomputer)简称为电子计算机或计算机。17:0221按计算机的用途分:通用计算机(generalpurposecomputer)专用计算机specialpurposecomputer)计算机能解决多种类型问题，是具有较强通用性的计算机。一般的数字式电子计算机多属此类。是为解决某些特定问题而专门设计的计算机，如嵌入式系统。17:0222根据计算机的总体规模分类(按照计算机的字长、运算速度、存储量大小、功能强弱、配套设备多少软件系统的丰富程度)微型计算机microcomputer小型计算机minicomputer大/中型计算机mainframe巨型机Supercomputer1234网络计算机networkcomputer5常见微型机可分为台式机、便携机、笔记本电脑、掌上型电脑等多种类型。17:02231.5计算机特点1.运算速度快2.精度高3.信息容量大4.具有记忆和逻辑判断能力5.使用方便6.适应性强。17:02241.4计算机的应用科学与工程计算理论研究和工程技术中数学问题的计算是庞大的数值计算。化学、物理、天文等领域的定理推导和问题求解；在地球物理勘探、气象预报中大量图形图像数据的分析；卫星、宇宙飞船运行轨道的计算。17:02251.4计算机的应用1.科学与工程计算如果采用手工，耗费的时间已经比人类寿命高出几个数量级。如圆周率π的计算，19世纪一位外国数学家把圆周率π的值计算到小数点后面707位，共花了15年的时间，1984年一位日本人用计算机将π计算到1000万位，只用了24个小时。17:02261.4计算机的应用2.信息处理信息处理指信息的收集、识别、提取、加工、变换、存储、传递、检索、检测和分析。信息可以是数值的，也可以是文字的，还可以是图片或声音的。17:02271.4计算机的应用3.自动控制自动控制也称为实时控制或过程控制，指通过自动检测装置采集工艺过程和设备状态的数据，经计算机分析处理，迅速对控制对象进行控制。17:02281.4计算机的应用4.计算机通信与网络计算机通信是将一台计算机产生的数字信息通过通信信道传送给其他计算机。计算机网络是指将分布在不同地点具有独立功能的多台计算机通过通信设备及传输媒体互联起来，按照规定的网络协议实现资源共享为目标的数据通信系统。17:02291.4计算机的应用5.人工智能是对人类的智能进行模拟，是指计算机应用知识进行推理，进而表示和执行人类的智能活动，来模拟人脑从事的推理、学习、思考和规划等思维活动，并解决需要人类的智力才能处理的复杂问题。例如：专家系统、人工神经网络和机器博弈等。IBM的“深蓝”系统战胜了国际象棋大师是计算机的机器智能水平的一次荣誉记录，也是聪明的人工智能软件的一个成功范例。17:02301.4计算机的应用人工智能(人机大战)-卡斯帕罗夫&“深蓝”1.“深蓝”计算机由国际商用机器公司IBM技术人员历经六年时间研制成功，它带有256个能在一台RS6000型计算机上同时运行的处理器。2.这台“深蓝”计算机的计算能力是“深思”计算机的1000倍。它可以在3分钟内对500亿步棋进行分析并作出选择。17:02311.4计算机的应用6.计算机辅助系统是指能够部分或全部代替人完成各项工作(如设计、制造及教学等)的计算机应用系统。计算机辅助设计CAD计算机辅助制造CAM计算机辅助教学CAI计算机辅助测试CAT等17:02321.4计算机的应用7.多媒体技术多媒体技术是指把文本、图形、图像、动画、音频、视频等多种媒体通过计算机进行信息采集、数字处理、网络传输、屏幕显示等应用的综合性技术。17:02331.5计算机科学的知识体系和分支学科计算机科学的知识体系计算基础(数学)硬件基础(电子技术)计算机科学专业基础层计算机科学应用层17:02341.5计算机科学的知识体系和分支学科计算机科学的分支学科（1）计算机系统结构计算机网络及应用计算机控制和机器人学程序设计科学与方法论软件工程和方法学理论计算科学17:02351.5计算机科学的知识体系和分支学科计算机科学的分支学科（2）数据库理论和信息系统人工智能与知识工程人机工程计算机辅助系统·计算机科学史的研究17:02361.5计算机科学的知识体系和分支学科计算机科学知识体系的分层结构应用层中间系统层计算机网络操作系统硬件及逻辑基础软件基础社会和职业道德17:02371.6新型计算机系统半个多世纪以来，电子学及其相关科学的发展，使计算机的总线、CPU、存储器、外部设备都得到了巨大改进，但仍然是以原来的系统结构框架为基础，现有芯片制造方法将在未来10多年内达到极限。想要克服摩尔定律的限制，那么很可能需要在目前的计算设计上做根本改变，采用全新计算机系统结构。17:0238生物计算机以生物界处理问题的方式为模型的计算机都属于生物计算机狭义的生物计算机主要指利用生物化学反应算法或具有生物分子、超分子芯片的计算机广义的生物计算机还包括自动机模型、仿生算法等类型。目前主要有以下几类：生物分子或超分子芯片自动机模型和仿生算法生物化学反应算法17:0239光计算机光计算机是用光束代替电子进行运算和存储，它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。这种传送方式称为自由空间光学技术。光计算机三大优势：1)光子的传播速度；2)光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据。3)光无须物理连接。17:0240量子计算机量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行高速数学和逻辑运算、存储及处理的一种物理装置。量子计算机是一种全新概念的计算机，基于量子的相干性，因而它具有高度的并行计算能力。17:0241分子计算机分子计算机用单个分子或单个电子代替硅晶体管，起到类似逻辑门和电子开关的作用，从而进行运算。17:0242习题1.计算机系统分为哪些层次，各包括什么内容？2.学好计算机科学，要打好哪些基础？3.计算机的分支学科主要有哪些？