計算機科學導論第一章緒論.ppt

計算機科學導論（FoundationsofComputerScience）,計算機科學：研究計算機及其周圍各種現象和規(guī)律的科學，亦即研究計算機系統(tǒng)結構、程序系統(tǒng)（即軟件）、人工智能以及計算本身的性質和問題的學科。培養(yǎng)目標：計算機硬件與軟件相結合、面向系統(tǒng)、側重應用的寬口徑專業(yè)。通過基礎教學與專業(yè)訓練，培養(yǎng)基礎知識扎實、知識面寬、工程實踐能力強，具有開拓創(chuàng)新意識，在計算機科學與技術領域從事科學研究、教育、開發(fā)和應用的高級人才。,計算機專業(yè),主要課程：數據結構、操作系統(tǒng)、軟件工程、計算機網絡、計算機組成原理、數據庫系統(tǒng)、編譯原理、離散數學、程序設計語言以及算法分析與設計等。學科特色：理論性強，實踐性強，發(fā)展迅速。前兩年注重自然學科基礎課程和專業(yè)基礎課程；后兩年主要是專業(yè)課程，突出學科方向特色，體現最新技術發(fā)展動向。,計算機專業(yè),知名機構與行業(yè)協會,InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)電氣和電子工程師協會.ACM(AssociationforComputingMachinery)美國計算機協會IETF（InternetEngineeringTaskForce）。Internet工程任務組，成立于1985年底，是全球互聯網最具權威的技術標準化組織，主要任務是負責互聯網相關技術規(guī)范的研發(fā)和制定，當前絕大多數國際互聯網技術標準出自IETF.,學術期刊的名稱,Transaction(學報)Review（評論）Letter（快報）Communication（通訊）,學術會議的類型,Conference（會議）Convention（大會）Symposium（專業(yè)討論會）Colloquium（學術討論會）Seminar（研究討論會）Workshop（專題討論會）,課程介紹,課程類型：必修課、學科基礎課課程性質計算學科的綜述性導引課程課程地位計算機專業(yè)的入門課程，是學習其它專業(yè)課程的基礎。為后續(xù)專業(yè)課程的學習做一個知識上的鋪墊。學習該課程時所初步建立的學科基本思想和方法，有利于后續(xù)專業(yè)課程的學習。,課程學習要求,對知識掌握程度的要求大體分為三個層次掌握理解了解要求掌握：計算機專業(yè)各領域的基本概念（要求廣度）整體知識體系，對以后要學習的知識和課程做到“心中有數”。不要求：深入理解，具體知識原理會在各專業(yè)課程中學習。,學習方法,課前預習，帶著問題聽課認真聽課課下認真做好復習；課本只是參考；課下多看參考資料，充分利用網絡資源培養(yǎng)興趣和自學能力學會使用軟件幫助,教材,計算機科學導論（FoundationsofComputerScience）,美BehrouzA.Forouzan著，劉藝等譯，機械工業(yè)出版社。,參考書,計算機科學概論（原書第3版）（ComputerScienceIlluminated）（美）NellDale,JohnLewis著，張欣等譯，機械工業(yè)出版社。,參考書,計算機導論（第2版），袁方等編著，清華大學出版社。計算概論（第2版），許卓群等編著，清華大學出版社,參考書,計算機科學導論，瞿中著，清華大學出版社計算機導論，朱戰(zhàn)立主編，電子工業(yè)出版社網絡資源,第一章緒論,圖靈:(1912-1954)英國數學家、邏輯學家提出圖靈機，人工智能理論被稱為“計算機理論之父”，“人工智能之父”人們?yōu)榧o念其在計算機領域的卓越貢獻而設立“圖靈獎”。,1）圖靈機的提出,1.1圖靈模型,圖靈機1936年，英國劍橋大學數學家阿蘭圖靈提出了一種抽象的計算模型圖靈機(TuringMachine)。“圖靈機”不是一種具體的機器，而是一種數學模型。,圖靈機圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程。圖靈機被公認為現代計算機的原型。圖靈機由下面幾個部分組成（1）無限長的紙帶（2）讀寫頭（3）內部狀態(tài)（4）程序,2）可編程數據處理器,程序：,計算機對數據進行處理的指令集合。,輸出數據：,受到輸入數據和程序的共同作用。,基于圖靈模型的計算機：可編程數據處理器,（1）相同的程序，不同的輸入數據,（2）相同的輸入數據，不同的程序,（3）相同的程序，相同的輸入數據,輸出結果一致。,1.2馮諾依曼模型,基于圖靈模型的計算機在存儲器中存儲數據,1944-1945年期間，馮諾依曼提出存儲程序的概念。,約翰馮諾依曼:(1903-1957)美籍匈牙利裔科學家、數學家，被譽為“現代電子計算機之父”。19歲就發(fā)表了有影響力的數學論文,30歲時被聘問美國普林斯頓大學終身教授，成為愛因斯坦最年輕的同事。在數學、物理學、數值分析和博弈論等領域都有杰出的貢獻。,1.2馮諾依曼模型,基于馮諾依曼模型建造的計算機分為四個子系統(tǒng)：（1）算術邏輯單元（2）控制單元（3）存儲器（4）輸入設備（5）輸出設備,馮諾依曼思想：（1）二進制他根據電子元件雙穩(wěn)工作的特點，建議在電子計算機中采用二進制。報告提到了二進制的優(yōu)點，并預言，二進制的采用將大大簡化機器的邏輯線路。（2）存儲程序把運算程序存在機器的存儲器中，程序設計員只需要在存儲器中尋找運算指令，機器就會自行計算。這樣，就不必每個問題都重新編程，從而大大加快了運算進程。一段程序是由一組數量有限的指令組成。,1.3計算機組成,計算機硬件（第五章）存儲數據（第三章）數據組織數據（11-14章）算法（第八章）計算機軟件語言（第九章）軟件工程（第十章）操作系統(tǒng)（第七章）,1.4歷史,1.4.1計算工具的發(fā)展概況,產生背景二戰(zhàn)期間美國軍方需要莫奇利（JohnMauchly）于1942年提出了試制第一臺電子計算機的初始設想成立了一個以莫奇利、?？颂兀‥ckert）為首的研制小組,電子計算機的誕生,1.4.2計算機的發(fā)展史,ENIAC世界上第一臺電子計算機于1946年在美國研制成功，取名ENIACENIAC是“電子數字集成器和計算器”（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）的縮寫。,電子計算機的誕生,ENIAC（埃尼阿克）,2、計算機的發(fā)展階段,計算機發(fā)展的階段（按照采用的電子器件劃分）：第一代計算機（19461957年）第二代計算機（19581964年）第三代計算機（19651975年）第四代計算機（19751985年）第五代計算機（1985年至今）,1、第一代計算機（19461957）真空管計算機，主要邏輯元件采用真空管。,1、第一代計算機（19461957）主要特征：使用真空管作為電子器件，水銀延遲線、靜電存儲管等作為存儲器，輸入輸出主要采用穿孔紙帶或卡片。軟件還處于初始階段，程序設計語言為機器語言。運算速度：幾千到幾萬次每秒代表產品：ENIAC、IBM650（小型機）、IBM709（大型機）等。特點：存儲量小、體積大、耗電多、運算速度低、成本高、使用不方便。用途：主要用于軍事和科學研究。,1、第一代計算機（19461957）,IBM650小型機,1、第一代計算機（19461957）,IBM709大型機,2、第二代計算機(19581964)晶體管計算機主要特征：使用晶體管作為電子器件，用磁芯和磁鼓作存儲器，輸入輸出主要采用磁帶和磁盤。出現了匯編語言和高級程序設計語言。,2、第二代計算機（19581964）運算速度：幾十萬次每秒代表產品：IBM7090、IBM7094、IBM7040。特點：體積大大縮小、耗電少、運算速度加快、內存容量增加、價格有所降低。用途：用于軍事和科學研究外，還用于數據處理和事務處理，并逐漸用于工業(yè)控制。,3、第三代計算機（19651975）中/小規(guī)模集成電路計算機主要特征：中、小規(guī)模集成電路代替了分立元件晶體管，半導體存儲器。操作系統(tǒng)有了很大發(fā)展，出現了結構化、模塊化程序設計方法。,第一個半導體集成電路，1958年，美國物理學家基爾比和諾伊斯同時發(fā)明集成電路。,3、第三代計算機（19651975）運算速度：上千萬次每秒代表產品：IBM360特點：集成電路體積更小，功耗更低，可靠性更高。還沒有微處理器。用途：科學計算、數據處理、實時控制等。,4、第四代計算機（19751985年）大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機主要特征：采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路作為主要功能部件，半導體集成電路作主存儲器，外存儲器采用大容量軟、硬磁盤，還引進入光盤引入，虛擬存儲技術。軟件配置豐富，軟件系統(tǒng)工程化、理論化。,4、第四代計算機（19751985年）大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計算機運算速度：幾百萬至萬億次代表產品：IBM370系列（大型機）、IBM4300系列/3080系列/3090系列、最新的IBM9000系列、INTEL微處理器系列。優(yōu)點：體積進一步縮小、性能進一步提高，機器的性能價格比大幅度上升。用途：應用已經涉及各個領域，并且進入了家庭。,5、第五代計算機（1985年至今）智能計算機新一代計算機的體系結構將改變傳統(tǒng)的馮諾依曼結構，它是一種具有知識存儲和知識庫管理功能，具有利用已有知識進行推理判斷、聯想和學習的功能的新型智能化計算機系統(tǒng)。20世紀80年代開始，日本、美國等國家提出了研制第五代計算機的計劃。由于各種因素的制約，并未完全實現預期研究目標。目前的計算機仍屬于第四代計算機。,小結1、圖靈模型2、馮諾依曼模型3、計算機的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢,謝謝！,