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1、计 算 机 导 论,计算机导论,计 算 机 导 论,参考书目,计算机科学概论(第11版),Computer Science:An Overview,J.Glenn Brookshear等,刘艺等译,人民邮电出版社,2011 计算机科学导论(第2版),Foundations of Computer Science,Behrouz A.Forouzan等,刘艺等译,机械工业出版社,2008 计算机科学概论(第3版),Computer Science Illuminated,Nell Dale等,张欣等译,机械工业出版社,2009 计算机导论(第2版),黄国兴等,清华大学出版社,2008,计 算 机
2、 导 论,课程性质,总体概念 对计算机科学有个总体的概念 各门课程、各个领域 范围广 保持广度,兼顾深度,计 算 机 导 论,绪论,计 算 机 导 论,计算机科学,计算机科学是真正的科学(real science)? 什么是计算机科学(Computer Science)? Computer Science vs. Computer,计 算 机 导 论,计算机科学,通过观察来理解自然 关于真实事物,如黑洞、彗星、保龄球等 发现、探索研究事物运动的客观规律 Computer Science “假的”事物,如数字、图形、函数、列表等 不是真正的科学(real science) 是一个有用的工具(us
3、eful tool),计 算 机 导 论,计算机科学,知识 陈述性知识(declarative knowledge) 如果 = y,那么y的平方是x,而且y是正的 事实的陈述 过程性知识(imperative knowledge) 从一个猜测y开始 如果y2接近x,停止在y 否则y - (y+x/y) /2 对推导过程的描述,重复这个过程,计 算 机 导 论,计算机科学,数学几何是关于陈述性知识 what is 计算机科学是关于过程性知识 how to,计 算 机 导 论,计算机科学,Computer Science 计算式思维 “如何做”的知识,是计算最基本的概念 将科学问题适用到计算机框架
4、,转换为计算机能够处理的方式 抽象 可不可计算 复杂性 Computer 建立机械工艺实现这种计算,计 算 机 导 论,计算机科学,Computer Science 哥尼斯堡七桥问题 在哥尼斯堡,有七座桥将一条河中两个岛及岛与河岸连接起来。 是否可能从这四块陆地中任一块出发,恰好通过每座桥一次,再回到起点?,计 算 机 导 论,计算机科学,Computer Science 哥尼斯堡七桥问题 4个点、7条边的图 把七桥问题化成判断连通网络能否一笔画的问题,欧拉,计 算 机 导 论,计算工具,结绳记事,据古书记载为:“事大,大结其绳;事小,小结其绳, 之多少,随物众寡” 易九家言,计 算 机 导
5、论,计算工具,算筹 我国古代著名的数学家祖冲之,借助算筹计算出圆周率的值介于3.1415926和3.1415927之间,计 算 机 导 论,计算工具,算盘,计 算 机 导 论,计算工具,1623年,德国契克卡德(Schickard)发明了第一个机械式计算器,被开普勒应用; 1642年,法国Pascal发明了齿轮式加减法器; 1673年,德国数学家Leibniz发明了乘除器,随后四则运算机械式计算器出现; 1821年,英国数学家巴贝奇(C.Babbage)设计了差分机,造了一个演示模型,可以修改以执行各种计算。,帕斯卡的加法机,巴贝奇差分机,计 算 机 导 论,计算工具,电子技术进步 电子控制的
6、机械式继电器 1940年,乔治.斯蒂比兹(George Stibitz)建造电子机械机器 霍华德.艾肯(Howard Aiken)和IBM的工程师小组建造马克一号(Mark I) 电子管技术-完全电子化 1937-1941年,约翰.阿塔纳索夫(John Atanasoff)和助手Clifford Berry建造Atanasoff-Berry机器ABC,求解方程组 汤米.弗劳尔(Tommy Flowers)等人建造巨人(Colossus)机器,在二次大战后期用于破解德国的情报 不久,更为灵活的机器出现了,计 算 机 导 论,发展历史,埃尼阿克ENIAC(The Electronic Numeri
7、cal Integrator and Computer) 世界第一台计算机;1946年2月诞生,由美国宾夕法尼亚大学研制成功; 以约翰.莫克利、埃克特为首的领导小组;冯诺依曼积极参与; 占地面积170平方米,约相当于10间普通房间的大小,重达30吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。 采用1.8万多个电子管作为计算机的基本元件,每秒可进行5000次加减运算。,计 算 机 导 论,发展历史,埃尼阿克ENIAC(The Electronic Numerical Integrator and Computer),计 算 机 导 论,发展历史,埃尼阿克ENIAC(The Electronic Nume
8、rical Integrator and Computer) 使用十进制 没有内部存储器,计 算 机 导 论,发展历史,计算机之父-冯诺依曼 1946年6月提出关于“电子计算装置逻辑结构初探”的设计报告。 电子计算机应该是 以二进制为运算基础; 采用存储程序方式工作。并进一步明确其结构应由五部分组成: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。,计 算 机 导 论,发展历史,10110101001010,计 算 机 导 论,发展历史,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 1、第一代计算机(194
9、6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 程序语言:二进制表示的机器语言、汇编,真空管,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 1、第一代计算机(1946年1957年) 1951年,雷明顿.兰德(Remington Rand)公司尤尼法克(UNIVAC I) 美国第一个商用计算机 售出46台,单价$1 million 1954年,IBM 650 办公桌大小,专用于会计计算,单价$50,000,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 1、第一代计算机(1946年1957年),计 算 机
10、 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 2、第二代计算机(1958年1964年) 使用晶体管代替了电子管; 内存储器采用磁性材料制作的磁芯体; 引入变址寄存器和浮点运算硬件; 利用I/O处理机提高输入输出能力; 软件方面配置子程序库和批处理管理程序,推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序。,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 2、第二代计算机(1958年1964年) 1959年,IBM发布了晶体管的大型机(mainframe)IBM 7090及稍小的IBM 1401,后者卖了12000台,计 算 机 导 论,
11、发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 3、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;简化处理机结构; 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。 IBM360系列,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 3、第三代计算机(1965年1971年) 1964年,IBM开发成功大型机家族System/360系列 史上最贵的CPU项目:投资5亿软件开发费用,其他建厂和开发设计硬件费用45亿 1966年税前利润10亿,1970年市场份额达到80%
12、,剩下的7家公司竞争 最有影响的大型机系列 在体系结构、操作系统、程序设计等方面做出了巨大创新,计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 3、第三代计算机(1965年1971年),计 算 机 导 论,发展历史,按采用的电子器件划分大致历了四代: 3、第三代计算机(1965年1971年) 采用集成电路芯片; 体系结构上系列兼容,采用了微程序设计,每一种机型可以使用相同的操作系统; 运算速度大大加快,到达了每秒钟千万次; 机器内存容量得以加大,达到了上百K字节; 价格下降了,以计算10万次乘法所需的价格为例,从20美分下降到了3.5美分。,计 算 机 导 论,发展历史,按采
13、用的电子器件划分大致历了四代: 4、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。 大容量的半导体存储器作为内存储器; 体系结构:发展了并行处理、多机系统、分布式和网络系统; 软件方面:数据库系统、分布式OS和软件工程标准等; 微型计算机 Apple PC、IBM PC 智能手机,计 算 机 导 论,人物,图灵 英国的阿兰.图灵提出了图灵机理论,初步阐明了现代计算机的原理,证明了研制通用数字计算机的可行性 设想整理成论文论数学计算在决策问题中的应用,与1936年发表 人工智能之父,计 算 机 导 论,人物,图灵奖 美国计算机协会(ACM,Association for
14、 Computer Machinery)于1966年设立的,专门奖励那些对计算机科学研究与推动计算机技术发展有卓越贡献的杰出科学家。它被公认为计算机界的“诺贝尔”奖; 获此殊荣的华人仅有一位,他是2000年图灵奖得主姚期智。,计 算 机 导 论,人物,阿塔纳索夫 真正的计算机之父 埃克特、莫克利 埃克特-莫克利奖 冯诺依曼 计算机之父,计 算 机 导 论,计算机初探,A computer is a machine for manipulating data according to a list of instructions known as a program. 计算机是一种现代化的信息处
15、理工具。它对信息进行处理并提供所需结果,其结果(输出)取决于所接收的信息(输入)及相应的处理算法。,计 算 机 导 论,计算机初探,数据处理器 可编程数据处理器,计 算 机 导 论,计算机初探,可编程数据处理器 程序相同,数据不同,计 算 机 导 论,计算机初探,可编程数据处理器 数据相同,程序不同,计 算 机 导 论,计算机初探,冯诺依曼计算机基本结构,计 算 机 导 论,计算机初探,基本工作原理 指令和数据采用二进制表示 存储程序原理 程序:一组有序指令的集合 程序存储在计算机内(放在存储器中) 计算机自动地从存储器取出一指令,完成一个基本操作,并周而复始自动执行指令,计 算 机 导 论,
16、计算机类别和用途,超级计算机 大型计算机 小型计算机 微型计算机,计 算 机 导 论,计算机类别和用途,超级计算机 Supercomputer 拥有最强的并行计算能力 是国家科技水平的重要标志 在气象、军事、能源、物理、化学等领域承担超大规模科学计算任务 软件技术起决定性作用,计 算 机 导 论,计算机类别和用途,大型计算机 Mainframe Computer 高可靠、高性能、易管理、易维护 体积庞大、价格昂贵、服务优良 用于政府、大公司、银行和科研单位等的关键任务处理,计 算 机 导 论,计算机类别和用途,小型计算机 Minicomputer 具有比微机更强的数据处理能力和数据存储能力 多
17、个用户可以同时使用 主要用作服务器,计 算 机 导 论,计算机类别和用途,微型计算机 Microcomputer 个人计算机(PC: Personal Computer) 台式计算机(Desktop) 膝上型计算机/笔记本计算机(Notebook) 掌上型计算机(Handheld PC) 个人数字助理(PDA) 工作站(Workstation) 基于微处理器的服务器和网络计算机,计 算 机 导 论,主要课程,计算机导论 程序设计基础 离散结构 算法与数据结构 计算机组成基础 计算机体系结构 操作系统 数据库系统原理 编译原理 软件工程 计算机图形学 计算机网络 人工智能 数字逻辑 社会与职业道德,计 算 机 导 论,主要课程,硬件 电路设计:电阻、电容、三极管、二极管等 逻辑设计:与门、或门、非门、寄存器、全加器等 计算机组成:运算器、控制器、输入、输出、存储器 物联网 ,计 算 机 导 论,主要课程,软件 操作系统 编译系统 程序设计语言 数据库系统 软件工程 ,计 算 机 导 论,主要课程,应用 计算机图形学 计算机图像处理 虚拟现实 计算机网络 多媒体技术 ,
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