计算机科学技术的基础知识

计算机是一种能快速而高效地自动完成信息处理的数字化电子设备。随着信息时代的到来，计算机已经成为人类活动中不可缺少的工具。本章主要内容退出计算机科学的基本概念和基本知识计算机的基本结构与工作原理计算机系统CPU存储器数据存储与数字逻辑基础输入设备输出设备总线、主板与接口软件系统讨论题1.1计算机科学的基本概念和基本知识1.1.1计算机的基本概念“计算机”顾名思义是一种计算的机器，它是由一系列电子器件组成—英语名称为Computer。计算机可以对数字、文字、颜色、声音、图形、图像等各种形式的数据进行加工处理。计算机具有各种计算的能力。当用计算机进行数据处理时，首先把要解决的实际问题，用计算机语言编写成计算机程序，然后将待处理的数据和程序输入到计算机中，计算机按程序的要求，一步一步地进行各种运算，直到存入的整个程序执行完毕为止。计算机具有各种计算的能力。在数据处理过程中，计算机不仅能进行加、减、乘、除等算术运算，而且还能进行逻辑运算并对运算结果进行判断，从而决定以后执行什么操作。计算机具有信息处理能力。在当今的信息社会里，各行各业，随时随处产生大量的信息，人们为了高效地获取、传送、检索信息及从信息中产生各种报表数据，必须将信息在计算机的控制下进行有效的组织和管理。综上所述，可以给计算机下一个定义：计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。1.1.2计算机科学与技术专业知识体系和专业方向作为计算机科学与技术专业的大学生,首先必须了解在大学4年的学习中应具备什么样的知识结构和综合能力，在大学生活开始时就知道构建一个什么样的知识体系和如何构建这个知识体系。1.素质培养和知识体系综合素质和能力对一个人的事业成功起到了重要的作用。综合素质应体现在以下几个方面：（1）品德素质。热爱祖国；具有远大理想抱负；遵纪守法，严于律已，宽以待人，团结协作，勤奋向上。（2）文化素质。从人类一切优秀文化中汲取营养，陶冶情操，提高自身的文学素质、科学素质、美学素质。（3）心理素质。树立科学的世界观和人生观，能适应顺境和逆境环境下的自我调整。（4）专业素质。具备扎实的基础理论，掌握计算机学科的基本概念和方法，具有较强的实践能力，了解计算机学科的发展方向和应用前景，具备较强的分析问题和解决问题的能力。（5）身体素质。注重锻炼身体，具备良好的身体素质，能应对日常工作及超强度工作的需要。大学生应具备以下几方面的能力：（1）自学能力。进入大学要逐步由以教师传授知识为主向自主获取知识为主过渡，掌握必要的文献检索、资料查询的基本方法及能力，注重自学能力的提高，为日后走向社会独立工作打下基础。（2）自控能力。自我控制约束能力是一个人基本素质的体现，进入大学，个人自由空间变大了，自由时间变多了，更需要自我约束控制能力。（3）表达沟通能力。包括书面文字表达能力和口头与人沟通的能力。特别要强调的是，从事计算机领域的工作英语表达能力尤为重要，要注重英语的听、说、读、写、译能力的提高，这对于及时了解计算机学科的最新成果，正确把握学科的发展趋势都是至关重要的。大学生应具备以下几方面的能力：（4）创新能力。现在社会是一个竞争的社会，要想在竞争中处于有利地位，创新是基础。理论创新、技术创新、制度创新、管理创新、教育创新，无论日后从事什么工作都需要创新，没有创新思维和创新能力就不具备竞争力。（5）组织能力。大学毕业走向社会，总是要工作在一个团队中，总要涉及到合作问题，组织协调能力对于充分调动成员的积极性，高质量完成合作性工作是非常必要的。根据素质和能力培养的要求，计算机科学与技术专业的知识体系主要包括公共基础知识、学科基础知识和专业知识三大模块。（1）公共基础知识模块：主要开设树立科学的世界观、培养高尚情操和良好的心理素质、增强法制观念等方面的课程，还有“大学英语”、“大学体育”和“大学语文”等。（2）学科基础知识模块：主要开设数学和电子学方面的课程。如“高等数学”、“线性代数”、“概率论与数理统计”、“离散数学”、“电路基础”、“模拟电路”、“数字电路”等。（3）专业知识模块：主要分为专业基础和专业方向两部分。专业基础课程主要包括“计算机科学与技术导论”、“面向对象程序设计”、“计算机组成原理”、“数据结构”、“操作系统”、“数据库原理”、“软件工程”、“编译原理”、“计算机网络”等。专业方向课程根据不同方向开设相关的专业课程。2.专业方向计算机科学与技术学科经过了半个多世纪的迅猛发展，已经成为一个相对比较完备的学科体系，衍生了许多相对独立的方向和分支。近十年来，计算机学科发生了巨大变化，从历史上看，在计算机学科发展的早期，数学、逻辑、电子学、程序语言和程序设计是支撑学科发展的主要基础知识。到了20世纪60～70年代，数据结构、计算机原理、编译技术、操作系统、程序设计与程序语言、数据库系统原理等成为学科的主要基础知识。从20世纪80年代开始，并行与分布计算、网络技术、软件工程等开始成为新的学科内容，计算机学科原有的专业设置框架被突破，逐渐形成了在“计算机科学与技术”一个专业之下分为计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术等多个专业方向的新格局。1．计算机科学（CS）计算机科学的学科范围跨度很大，包括从理论基础、算法基础到最前沿的学科发展，比如机器人学、计算机视觉、智能系统、仿生信息学等许多令人兴奋的学科。计算机科学家的工作包括三个方面：（1）设计和实现软件。（2）发明应用计算机的新方法。（3）发明高效的方法解决计算问题。2．计算机工程（CE）计算机工程是一门关于设计和构造计算机以及基于计算机系统的学科。它所涉及的研究包括软件、硬件、通信以及它们之间的相互作用等方面。3．软件工程（SE）软件工程是一门交叉性的工程学科，它是将计算机科学、数学、工程学和管理学等基本原理应用于软件的开发和维护中，其重点在于大型软件的分析与评价、规格说明、设计和演化，同时涉及管理、质量、创新、标准、个人技能、团队协作和专业实践等。4．信息技术（IT）信息技术专业，主要培养能满足多种组织对计算机技术需求的人才。信息技术专业更多地关注于“技术”本身，信息技术是一门新的且快速发展的学科，并作为一门基础学科响应着公司或组织的多种日常实践需求。甘肃民族师范学院计算机科学系现设专业情况：现设有计算机科学与技术专业，分为普通类和藏汉双语类。普通类分为技术科学与技术（网络方向、数字媒体方向）141.2.1电子计算机的发展(1)•算筹—中国古代的计算工具。•算盘—产生于约公元600年左右。•计算器（1642年）产生。•1832年由英国数学家巴贝奇（CharlesBabbage，1792-1871）首先提出了通用数字计算机的设计思想，并且设计出了第一台由外部指令驱动的计算机。•1854年，英国数学家布尔（GeorgeBoole，1824-1898）提出了符号逻辑的思想，数十年后形成了计算机科学软件的理论基础。1.2计算机的基本结构与工作原理151.2.1电子计算机的发展(2)•1936年英国数学家图灵（AlanTuring，1912-1954）提出了著名的“图灵机”模型，探讨了现代计算机的基本概念，理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。•1945年，匈牙利出生的美籍数学家冯·诺依曼（JohnvonNeumann，1903~1958）提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念。这是所有现代计算机的范式，被称为“冯·诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机，又称为通用计算机。长达101页的EDVAC（ElectronicDiscreteVariableComputer，“离散变量自动电子计算机”的简称）方案是计算机发展史上的一个划时代的文献.161.2.1电子计算机的发展(3)•1946年，由宾夕法尼亚大学的工程师们开发出了世界上第一台多用途的计算机ENIAC，这是一台真正现代意义上的计算机。•ENIAC：“电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）”•器件：–18000只电子管（主要元件）–10000只电容–7000只电阻–占地170平方米–重量30吨–功耗150千瓦17第一台电子计算机平面图(1)18第一台电子计算机平面图(2)19埃克特为ENIAC换电子管20电子计算机发展阶段•第一阶段：电子管计算机(1946-1957)•第二阶段：晶体管计算机(1958-1964)•第三阶段：集成电路时代(1965-1970)•第四阶段：大规模、超大规模集成电路时代(1971年以后)•四个阶段的比较21电子管计算机(1946-1957)•主要特点：–逻辑元件采用电子管–主存储器采用磁鼓或延迟线–外存储器使用纸带、卡片、磁带等–运算速度为每秒几千次或几万次–软件使用机器语言或汇编语言–主要用于科学计算22晶体管计算机(1958-1964)•主要特点：–逻辑元件采用晶体管–主存储器采用磁性材料制成的磁芯存储器–外存储器使用磁带、磁盘–计算速度为每秒几十万次–软件使用操作系统，并出现FORTRAN、COBOL等面向过程的高级语言23集成电路时代(1965-1970)•主要特点：–逻辑元件采用中、小规模集成电路–主存储器采用半导体存储器–运算速度几十万次到几百万次–软件方面操作更加完善，高级语言进一步发展。会话型高级语言（如BASIC）得到广泛应用24大规模、超大规模集成电路时代•主要特点：–逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路–主存储器采用集成度更高的半导体存储器–外存储器使用软、硬磁盘和光盘–运算速度每秒几百万次至上亿次–软件方面发展了数据库系统、分布式操作系统，高级语言发展为数百种–外部设备丰富多彩，输入输出设备品种多、质量高–网络通信技术、多媒体技术及信息高速公路使世界范围内的信息传递更加方便25表1-1计算机发展的四个阶段代次起止年份所用电子元件数据处理方式运算速度应用领域第一代1946~1957电子管汇编语言、代码程序5千~3万次/秒国防及高科技第二代1958~1964晶体管高级程序设计语言数十万~几百万次/秒工程设计、数据处理第三代1965~1970中、小规模集成电路结构化、模块化程序设计、实时处理数百万~几千万次/秒工业控制、数据处理第四代1970~今大规模、超大规模集成电路分时、实时数据处理、计算机网络上亿条指令/秒工业、生活等各方面2.冯·诺依曼设计思想和摩尔定律冯·诺依曼提出“存储程序”的思想；确立现代计算机体系结构；五十多年来，虽然计算机技术突飞猛进，但计算机系统基本结构没有变。英国科学家艾兰.图灵•1936发表论文“论可计算数及其在判定问题中的应用”，为计算机的理论和模型奠定了基础；•提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。美籍匈牙利数学家冯.诺依曼冯·诺依曼的三个重要设计思想○五大基本部件;○采用二进制数表示指令和数据;○将程序和数据存放在计算机的内存中，并让计算机自动执行集成电路中的晶体管数平均每18个月翻一番，芯片的性能也随之提高一倍2003年2月摩尔发表讲话说，摩尔定律至少在未来10年中还能继续发挥作用摩尔定律3.微型机的发展微型机已从4位机、8位机、16位机、32位机发展到64位机。微型机的核心是微处理器微型机已经深入到社会生活的各个领域，并进入千家万户，真正成为大众化的信息处理工具4.计算机的发展趋向三合一：三网合一（电信网、计算机网、广播电视网）三线合一（数据线、声频线、视频线）三机合一（电脑、电视、电话）微型化巨型化网络化智能化多媒体化96年前后微软董事会主席比尔.盖茨提出未来计算机能与人对话，进入无线网络。具有看、听和说的能力。无论是在家里还是办公室，人们都能够通过对话操纵计算机2001年10月亚太会议上，盖茨提出未来十年，人类将迎来一个既个性化又全球化的数字时代。未来的电脑，会像一张纸那么大，它可以识别每一个人的声音，无论在何时、何地，人们都可以自由地与世界交流，再没有在线与否的限制。在第13届Windows硬体设计会议（2004年5月4日至7日，华盛顿州的西