计算机科学导论-概述课件.ppt

1、1第一讲 概述计算机科学导论计算机科学导论23计算机科学导论计算机科学导论教材教材教材计算机科学导论 机械工业出版社 刘艺等译 参考书：计算机科学导论计算机科学导论，王玲，宋斌编著，清华大学出版社，2008计算机科学导论计算机科学导论（第2版），瞿中 等编著，清华大学出版社，2007计算机科学导论计算机科学导论（第7版）（影印版），布鲁克希尔 著，清华大学出版社，20044课程目标展示计算机科学的全景展示计算机科学的全景激发学习兴趣激发学习兴趣为后续课程的学习做好必要的知识准备为后续课程的学习做好必要的知识准备5学习要求了解计算机科学的内涵与应用领域、计算机的硬件了解计算机科学的内涵与应用领域

2、、计算机的硬件结构与组成原理、软件工程、计算机网络与信息安结构与组成原理、软件工程、计算机网络与信息安全、多媒体技术、人工智能等领域的基本知识；全、多媒体技术、人工智能等领域的基本知识；初步掌握计算机科学的基本概念和术语、操作系统初步掌握计算机科学的基本概念和术语、操作系统的功能、数据结构和数据库的基本概念和相关技术、的功能、数据结构和数据库的基本概念和相关技术、计算机基本应用技能等。计算机基本应用技能等。6课程安排讲授内容讲授内容第第1 1讲：概论讲：概论 （第（第1 1章）章）第第2 2讲：数据和数的表示讲：数据和数的表示 （第（第2 2、3 3、4 4章）章）第第3 3讲：计算机硬件讲：

3、计算机硬件 （第（第5 5章）章）第第4 4讲：计算机操作系统讲：计算机操作系统 （第（第7 7章）章）第第5 5讲：数据结构与算法讲：数据结构与算法 （第（第8 8，11,1211,12章）章）第第6 6讲：计算机网络讲：计算机网络 （第（第6 6章）章）第第7 7讲：软件工程讲：软件工程 （第（第1010章）章）第第8 8讲：计算机程序设计基础讲：计算机程序设计基础 （第（第9 9章）章）第第9 9讲：计算机信息系统安全讲：计算机信息系统安全 （第（第1616章）章）第第1010讲：数据库讲：数据库 （第（第1414章）章）第第1111讲：人工智能与计算理论讲：人工智能与计算理论 （第（第

4、1717，1818章）章）7学习建议学习建议8本讲内容1.1计算机系统分层结构计算机系统分层结构 1.2计算机的发展历史计算机的发展历史 1.3计算机的分类计算机的分类 1.4计算机应用计算机应用 9什么是计算机科学什么是计算机科学 Computer science is the study of the theory,design,implementation,and performance of computer software and computer systems,including the study of computability and computation itself

5、.10计算机科学研究的主要内容：计算机信息的转换与表示技术计算机系统的理论与实现技术计算机软件的开发与维护技术 计算机科学涉及的主要领域：数值和符号计算体系结构操作系统数据结构和算法程序设计软件工程数据库和信息检索人工智能和计算理论什么是计算机科学11什么是计算机输出输出计算机是数据处理器，它根据事先存储在存储器中的一组计算机是数据处理器，它根据事先存储在存储器中的一组指令的要求，接收指令的要求，接收输入输入的数据、的数据、处理处理数据、数据、存储存储数据并且数据并且输出输出数据。数据。输入输入8,12,22,33,8,12,2212冯冯诺依曼模型（诺依曼模型（John Von Neumann

6、19031957）计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件13计算机概述计算机系统分层结构由原始事实和图像等各种信息组成由原始事实和图像等各种信息组成程序程序14计算机基础计算机基础计算机的发展历史机械计算器时期机械计算器时期(1930以前以前)电子计算机时期电子计算机时期(1930 1950)现代计算机时期现代计算机时期(1950 now)帕斯卡与帕斯卡与机械计算机机械计算机 Pascaline，1642莱布尼兹与莱布尼兹与 改进的改进的Pascaline，1672巴贝奇与巴贝奇与 差分引擎差分引擎，1823霍列瑞斯与霍列瑞斯与卡片穿孔制表机卡片穿孔制表机，1890图灵与图灵与图灵机图灵机、

7、巨人计算机巨人计算机 Colossus，1943冯冯诺依曼诺依曼 与与IAS,1952莫奇利和埃克特与莫奇利和埃克特与ENIAC,1946EDVAC,1950 与与UNIVAC,195115帕斯卡与机械计算机 Pascaline，1642早期最重要的计算工具是早期最重要的计算工具是算盘算盘 (abacus(abacus)l计算工具最重要的发展是帕斯卡机械计算计算工具最重要的发展是帕斯卡机械计算机机，也称，也称“Pascaline”，1642由法国数由法国数学家学家 Blaise Pascal发明。可对所以数字发明。可对所以数字做加减法运算。做加减法运算。16莱布尼兹与 改进的Pascaline

8、，1672德国数学家莱布尼兹德国数学家莱布尼兹 16721672年对年对“PascalinePascaline”进进行了改进，可进行四则运算和开方。称之为莱布行了改进，可进行四则运算和开方。称之为莱布尼兹轮。尼兹轮。17巴贝奇与 差分引擎，1823 1823年年,设设计了一台自计了一台自动的机械计动的机械计算器，也称算器，也称差 分 引 擎差 分 引 擎“(Difference Engine)”。1833,又开始设计可编程的自动又开始设计可编程的自动机械数字计算机，也称机械数字计算机，也称分析引擎分析引擎“(Analytical Engine)”。18霍列瑞斯与卡片穿孔制表机，1890l计算机

9、系统发展的重要一计算机系统发展的重要一步是步是1890年制表机的发明。年制表机的发明。由霍列瑞斯发明，首次用由霍列瑞斯发明，首次用于全美的人口普查。于全美的人口普查。l1896年，霍列瑞斯组织了年，霍列瑞斯组织了International Business Machines(IBM)。l该组织后来在计算机发展该组织后来在计算机发展中发挥了重要的作用。中发挥了重要的作用。19图灵与图灵机、巨人计算机 Colossus，1943 图灵在图灵在19361936年发表的论文中，年发表的论文中，提出了一种计算机抽象模型，提出了一种计算机抽象模型，利用这种计算机可用一些简单利用这种计算机可用一些简单的机械

10、动作实现推理。这种计的机械动作实现推理。这种计算机也称算机也称“图灵机图灵机”。n1943年，图灵设计了年，图灵设计了“Colossus”(巨人计算机巨人计算机)，主要用于第二次世，主要用于第二次世界大战破译德国的密码。界大战破译德国的密码。20莫奇利、埃克特与 ENIAC,1946第一台电子计算机，第一台电子计算机，Electronic Numerical Integrator And Calculator(ENIAC),诞生于诞生于1946年，由莫奇利与埃克特设计。年，由莫奇利与埃克特设计。21编程:通过插孔和开关实现速度:5,000 次/秒输入/输出:卡片,指示灯,开关,插孔空间:1,0

11、00 平方英尺22EDVAC,1950与UNIVAC,1951EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)是第一台存储程序的计算机，是第一台存储程序的计算机，基于基于冯冯诺依曼诺依曼思想，诞生于思想，诞生于 1950年。年。lUNIVAC(Universal Automatic Computer),第一第一台商业计算机，台商业计算机，1951年由年由 莫奇利与埃克特设计制造。莫奇利与埃克特设计制造。23冯诺依曼与IAS,1952冯冯诺依曼的诺依曼的 IASIAS 计 算 机 诞 生 于计 算 机 诞 生 于 19521952。24

12、计算机概述计算机概述计算机的发展历史25晶体管超大规模集成电路集成电路电子管26第一台通用计算机第一台通用计算机 国际商用机器公司耗资国际商用机器公司耗资5050亿美元历时亿美元历时5 5年的年的IBM360IBM360系统计算系统计算机于机于19641964年问世。年问世。器件为晶体管和集成电路混合的。器件为晶体管和集成电路混合的。IBM360IBM360的贡献在于通用化、标准化、系列化。的贡献在于通用化、标准化、系列化。可用于科学计算、商业数据处理。可用于科学计算、商业数据处理。内部硬件和其它设置可适应多方面的应用。内部硬件和其它设置可适应多方面的应用。同一程序可在机器语言一级上在不同的计

13、算机同一程序可在机器语言一级上在不同的计算机 上执行。上执行。IBM360IBM360有大、中、小三大类六个型号。有大、中、小三大类六个型号。从从IBM360IBM360开始有了计算机兼容的概念。开始有了计算机兼容的概念。计算机的发展历史27IBM 360 系列机系列机28IBM 360/2029 第一台微型计算机Intel公司于1971年开发Intel4004微处理器，在3毫米4毫米的大规模集成电路芯片上有2250个晶体管，每秒运算速度6万次。第一台基于Intel微处理器的微型计算机有以下说法：Intel公司的MCS-4（1971年）约翰布兰肯贝克的Kenbak 1（1971年）加拿大自动电

14、器系统公司推出商用电脑(有显示屏、键盘、CPU（1972年）法国Micral公司的Micral（1973年，首次在广告中使用了Microcomputer一词）计算机的发展历史30Intel 4004微处理器芯片微处理器芯片31微处理芯片和微型计算机微处理芯片和微型计算机32 第一台个人计算机第一台个人计算机美国微型仪器和遥感系统公司美国微型仪器和遥感系统公司1972年推出的年推出的MITS-816，是世界上第一台供个人使用的数字微型计算机。，是世界上第一台供个人使用的数字微型计算机。1977年苹果公司推出的年苹果公司推出的“苹果苹果II型型”，是世界上第一，是世界上第一台有彩色图形界面的个人计

15、算机，使用摩托罗拉台有彩色图形界面的个人计算机，使用摩托罗拉6502芯芯片，每秒片，每秒50万次加法、万次加法、48K基本内存。基本内存。1981年年8月月 IBM 推出推出 IBM 5150 个人计算机，使用个人计算机，使用Intel8088芯片，芯片，4.77兆主频、兆主频、64K内存、内存、MSDOS操作操作系统，售价单色显示器系统，售价单色显示器3000美元、彩色显示器美元、彩色显示器6000美元。美元。计算机的发展历史33IBM PC（Personal Computer)34计算机概述计算机的分类计算机的分类巨型计算机巨型计算机(Supercomputer)大型计算机大型计算机(Ma

16、inframe computer)小型计算机小型计算机(Minicomputer)微型计算机微型计算机(Microcomputer)35计算机的分类巨型计算机巨型计算机最快速的最快速的、最昂贵的最昂贵的计算机，每秒能处理一万亿多条计算机，每秒能处理一万亿多条指令。指令。36计算机的分类巨型计算机巨型计算机37计算机的分类大型计算机大型计算机38计算机的分类大型计算机大型计算机3939计算机的分类小型计算机小型计算机 中规模、较便宜、功耗小于大型计算机，能为小型商业提供中规模、较便宜、功耗小于大型计算机，能为小型商业提供适当的计算能力。适当的计算能力。40计算机的分类微型计算机微型计算机计算机的

17、分类计算机的分类微型计算机41计算机的分类计算机的分类微型计算机42计算机的分类微型计算机微型计算机计算机的分类计算机的分类微型计算机桌面型计算机桌面型计算机n笔记本式计算机：笔记本式计算机：膝上型计算机膝上型计算机43计算机的分类微型计算机微型计算机计算机的分类计算机的分类微型计算机u个人数字助理个人数字助理(Personal digital assistant)u掌上型计算机掌上型计算机4445w辅助教学（辅助教学（CAI）Computer-assisted instruction通过教师、学生与计算机系统通过教师、学生与计算机系统的对话，实现教学的技术。的对话，实现教学的技术。计算机概述

18、计算机概述计算机应用计算机应用46w远程教育远程教育4748w网络交易网络交易49w网上购物网上购物50计算机改变了一些学计算机改变了一些学科传统的研究方法，科传统的研究方法，促成了计算力学、计促成了计算力学、计算物理、计算化学、算物理、计算化学、生物控制论等新学科生物控制论等新学科的出现的出现。l数值计算数值计算工程计算、地震预工程计算、地震预测、气象预报、火测、气象预报、火箭发射等要求高速箭发射等要求高速度、高精度的科学度、高精度的科学计算都需要计算机计算都需要计算机计算机的应用计算机的应用 （续）（续）51 计算机越来越多计算机越来越多地应用于生产自动地应用于生产自动化。它在计算复杂化。

19、它在计算复杂的多变量控制问题的多变量控制问题和自动控制系统的和自动控制系统的组织上都是必不可组织上都是必不可少的基本技术工具。少的基本技术工具。广泛应用于冶金、广泛应用于冶金、机械、石油、化工、机械、石油、化工、电力及各种自动化电力及各种自动化系统等部门。系统等部门。l过程控制过程控制(实时控制实时控制)计算机的应用计算机的应用 （续）（续）52l辅助工程辅助工程w辅助设计（辅助设计（CAD）omputer ided esignCAD能将设计方案转化为能将设计方案转化为图纸，并能对设计方案进行图纸，并能对设计方案进行分析、测试和优化。分析、测试和优化。计算机的应用计算机的应用 （续）（续）53

20、w辅助制造（辅助制造（CAM）omputer ided e在机器制造业中，利用自在机器制造业中，利用自动控制完成产品的加工、装配、动控制完成产品的加工、装配、检测和包装等。检测和包装等。计算机的应用计算机的应用 （续）（续）54 计算机的应用计算机的应用 （续）（续）55l办公自动化办公自动化 计算机的应用计算机的应用 （续）（续）56总 结CMU冯诺依曼计算机模型计算机系统的分层结构计算机的发展历史计算机的应用领域57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：分，计算

21、机大致已经历了四个阶段：1.1.第一代计算机第一代计算机(1946(1946年年19571957年年)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。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。有什么软件配置，主要用于科学计算。其代表机型有：其代表机型有：ENIACENIAC、IBM650(IBM650(小型

22、机小型机)、IBM709(IBM709(大型机大型机)等。等。58592.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，利用入了变址寄存器和浮点运算硬件，利用I/OI/O处理机提高了输入输出能处理机提高了输入输出能力。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FortranFortran、COBOLCOBOL、ALGOLALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序，降低了程序设等高级程序设计

23、语言及相应的编译程序，降低了程序设计的复杂性。计的复杂性。其代表机型有：其代表机型有：IBM7090IBM7090、IBM7094IBM7094、CDC7600CDC7600等。等。60613.第三代计算机(1965年1972年)其主要特征是用半导体、小规模集成电路其主要特征是用半导体、小规模集成电路(Integrated Circuit(Integrated CircuitIC)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储器，使用微程序设计技术简化处理机的结

24、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。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。科学技术领域。其代表机器有：其代表机器有：IBM360IBM36

25、0系列、富士通系列、富士通F230F230系列等。系列等。62634.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。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。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

26、上，从而出现了微处理器。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。大发展的阶段。6465新一代的计算机现在很多国家正在研制新一代的计算机，新现在很多国家正在研制新一代的计算机，新代计算机将是微电子技代计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。它术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。它能

27、进行知识处理、自动编程、测试和排错，以及用自然语言、图形、能进行知识处理、自动编程、测试和排错，以及用自然语言、图形、声音和各种文字进行输入和输出。新声音和各种文字进行输入和输出。新代计算机的研究目标是试图打代计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力。理和判断能力。已经实现的非传统计算技术有：超导计算、量子计算、生物计算、光已经实现的非传统计算技术有：超导计算、量子计算、生物计算、光计算等。未来的计算机可能是超导计算机、量子计算机、生物计算机、计算等。未来的计算机可能是超导计算机、量子计算机、生物计算机、光计算机或纳米计算机、光计算机或纳米计算机、DNADNA计算机等。计算机等。