计算机科学导论(Lec01)

第1章计算机科学与技术概述（第1.2/9次课）主讲:BigGuo仲恺农业工程学院•信息学院中国广州计算机科学导论信息学院提纲历史和发展一计算机系统计算学科概述二三知识体系四学科教育本章小结五六〇.计算机的定义计算机科学导论信息学院一台快速、笨拙的机器Havelimitedcapabilities.Canonlydobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo。——（美）GeorgeBeekman《计算机通论——探索明天的技术》作者Acomputerisastupidmachinewiththeabilitytodoincrediblysmartthings,…whilecomputerprogrammersaresmartpeoplewiththeabilitytodoincrediblystupidthings.Theyare,inshort,aperfectmatch.——JamieShiers〇.计算机的定义计算机科学导论信息学院计算机的定义〇.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。一.计算机的历史和发展计算机科学导论信息学院探索的历史过程1/3人类制造计算工具的历史►古今中外：算筹、算盘、机械计算（加法器、差分机等）一.计算机的历史和发展1历史1/12计算机科学导论信息学院祖冲之(429—500年)算筹算盘123456789102030405060708090计算机科学导论信息学院►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机械式计算机：借助于各种机械装置自动传送十进位，而机械装置的动力来自计算人员的手。一.计算机的历史和发展历史2/12探索的历史过程2/31计算机科学导论信息学院法国科学家布莱斯•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。一.计算机的历史和发展历史3/12►机械计算机计算机科学导论信息学院德国著名数学家戈特弗里德•威廉•莱布尼茨(GottfriedWilhelmLeibniz：1646—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。►机械计算机一.计算机的历史和发展历史4/12计算机科学导论信息学院法国机械师约瑟夫•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。一.计算机的历史和发展历史5/12►提花机计算机科学导论信息学院Babbage(1792—1871年)“计算之父”一.计算机的历史和发展历史6/12►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。计算机科学导论信息学院AdaLovelace（1815-1852）为Babbage的分析机设计了程序，被称为“第一位程序员”。一.计算机的历史和发展历史7/12计算机科学导论信息学院计算理论的奠基人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》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)。一.计算机的历史和发展历史8/12计算理论探索的历史过程3/31计算机科学导论信息学院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)给世界上最优秀的计算机科学家。图灵纪念一.计算机的历史和发展历史9/12计算机科学导论信息学院►一般以1946年的ENIAC为现代电子计算机的诞生年份►冯•诺伊曼：参与并提出了一些现代计算机的思想►冯•诺伊曼机：存储程序、5大部件这台名为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。历史10/12一.计算机的历史和发展现代电子计算机1/22计算机科学导论信息学院ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。当ENIAC公开展出时，一条炮弹的轨道用20s就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。一.计算机的历史和发展历史11/12计算机科学导论信息学院一般认为4个阶段：按电子器件划分第一代1946～1957电子管第二代1958～1964晶体管第三代1965～1972中小规模集成电路第四代1972～大/超大规模集成电路记忆顺口溜：一子二体三集四成新一代计算机：►多种技术：微电子、光学、量子、电子仿生、生物等►已有部分实验原型：走向实用一.计算机的历史和发展历史12/12现代电子计算机2/22二.计算机系统计算机科学导论信息学院1.什么是计算机系统？二.计算机系统一种按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。由计算机硬件系统和计算机软件系统组成。物质基础、电子器件组成控制指挥硬件工作、指令/代码/程序计算机科学导论信息学院冯•诺伊曼结构基本工作原理：(2点)冯•诺伊曼思想：(3点)二.计算机系统1事先设计存储程序机器自动程序控制使用二进制运算采用存储程序思想构造计算机的5大部件运算器控制器存储器输入设备输出设备2.计算机硬件系统1/6计算机科学导论信息学院硬件结构图5大部件结构注意：该结构是传统的冯•诺伊曼结构，它以控制器为中心CPU运算器控制器运行结果程序、数据输入设备输出设备内存储器数据数据指令注：数据信号控制信号2.计算机硬件系统2/6二.计算机系统2计算机科学导论信息学院运算器又称算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit——ALU)对数据进行加工处理的部件2.计算机硬件系统3/6二.计算机系统3算术运算基本逻辑运算与、或、非计算机科学导论信息学院控制器2.计算机硬件系统4/6二.计算机系统4从内存中取指令和执行指令控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。中央处理器把运算器、控制器做在一个大规模集成电路块上CPU(CentralProcessingUnit)计算机科学导论信息学院2.计算机硬件系统5/6二.计算机系统存储器5存储器是计算机的记忆装置，用于存放原始数据、中间数据、最终结果和处理程序。2种动作“写入”“读出”向存储器里存入信息也称为“写入”，写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为“读出”，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以重复取出，多次利用。2种类型“内存储器”“外存储器”运算器控制器主机计算机科学导论信息学院输入、输出设备输入/输出设备简称I/O(Input/Output)设备用户通过输入设备将程序和数据输入计算机输出设备将计算机处理的结果(如数字、字母、符号和图形)显示或打印出来常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等2.计算机硬件系统6/6二.计算机系统6计算机科学导论信息学院软件的定义各种程序及其相关文档的集合不仅仅是程序一般分2类：软件系统驱动、控制硬件解决应用问题例如：操作系统（WindowsXP、Vista）、程序设计语言处理系统例如：办公自动化软件（Word、WPS）、教务系统3.计算机软件系统二.计算机系统系统软件应用软件12计算机科学导论信息学院4步循环IPOS输入处理输出存储计算机的特点速度快、精度高逻辑运算能力和记忆能力高度自动化和灵活性二.计算机系统124.计算机的工作方式及特点计算机科学导论信息学院时钟周期T：执行微指令的时间主频：f=1/T，现在一般用MHz表示，量级达到G表示数据、指令的若干二进制位的长度数据字、指令字1个字节（byte）：8个二进制位评价用途：计算能力强弱、精度高低、速度快慢字长二.计算机系统12时钟周期和主频5.计算机的主要性能指标1/2计算机科学导论信息学院内存容量以字节为单位：容量单位：字节、K（1024个字节）、M、G、T等MIPS：每秒执行百万次指令数基准程序测试集:1KB（千）＝1024（210）字节，1MB(兆)＝1024KB＝220B，1GB（千兆）＝1024MB=230B，1TB（万兆）＝1024GB=240B运算速度二.计算机系统345.计算机的主要性能指标2/2三.计算学科概述计算机科学导论信息学院计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究时间：形成于20世纪40年代初期外延：理论研究工程设计实验方法计算学科定义三.计算学科概述11.计算学科定义和本质1/2计算机科学导论信息学院根本问题──能行性（或者可计算性）根本任务：计算什么能被有效地自动计算凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的连续问题离散化思维即计算、认知即计算计算视觉计算语言学、计算哲学……本质三.计算学科概述21.计算学科定义和本质2/2计算机科学导论信息学院计算学科抽象设计理论数学自然科学工程形式化工程化模型化三.计算学科概述2.计算学科的3个形态四.计算机科学与技术学科的知识体系计算机科学导论信息学院历史时间：20世纪50年代初学科内容：不断丰富、细分，完善发展教育界重视：开始制定“计算学科教程”，以构建知识体系适应计算机工业界发展：推陈出新。但还是难以跟上工业发展4个方向：计算机科学、计算机工程、软件工程、信息系统（据CC2001/CCC2002）四.计算机科学与技术学科的知识体系1.计算机科学与技术学科的历史与发展12计算机科学导论信息学院研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科，包括科学与技术两方面。科学：现象研究、规律揭示技术：方法实现、工艺手段特点：科学性与工程性并重定义四.计算机科学与技术学科的知识体系12.计算机科学与技术学科的内涵1/2计算机科学导论信息学院什么能被有效地自动化重要工具数学重要手段建立物理符号系统、并实施变换根本问题四.计算机科学与技术学科的知识体系22.计算机科学与技术学科的内涵2/2计算机科学导论信息学院基础理论专业基础应用三个层面研究范畴计算机理论：硬件：软件：网络：应用：范畴四.计算机科学与技术学科的知识体系13.计算机科学与技术学科的外延1/2离散数学、算法设计与分析、可计算理论、程序设计方法学微电子技术、数字逻辑、组成原理、体系结构、微机原理嵌入式系统操作系统、编译原理、数据结构、数据库系统、软件工程、可视化技术网络结构、通信协议、网络安全人机工程、领域应用计算机科学导论信息学院服务课程集交叉：课程集：核心课程集离散结构、程序设计基础、算法与复杂性、组织与体系结构、操作系统、网络计算、程序设计语言、人机交互、图形学与可视化计算、智能系统、信息管理、软件工程、数值计算、社会和职业问题体系建构课程体系内容四.计算机科学与技术学科的知识体系23.计算机科学与技术学科的外延2/214个知识体系五.计算机科学与技术学科的教育计算机科学导论信息学院矛盾Moore定律：微处理器的处理能力每18～24个月增加1倍教育跟不上产业界的发展：质量上的供需矛盾日益突出出路教育界：经常变革，加