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1、计算机科学导论,夏军宝,-2-,课程介绍,性质：必修课课时：64学时，48学时讲课，16学时上机教学内容：本课程是计算机科学体系框架的入门课程，系统介绍数据表示与运算、计算机硬件、计算机软件、数据组织与抽象、高级论题等计算机各学科领域基础知识。重点讲解计算机科学知识的基础，铺设进一步深入专业理论学习的桥梁，强调基础概念，并不涉及数学模型和技术细节课程考核期末闭卷考试成绩70%，平时成绩占30%,-3-,课程教学内容,第1章 绪论第2章 数字系统第3章 数据存储第4章 数据运算第5章 计算机组成第6章 计算机网络第7章 操作系统第8章 算法第9章 程序设计语言,-4-,课程教学内容,第10章 软
2、件工程第11章 数据结构第12章 抽象数据类型第13章 文件结构第14章 数据库第15章 数据压缩第16章 安全第17章 计算理论第18章 人工智能,第 01 章 绪论,-6-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-7-,图灵模型,Alan Turing（阿兰.图灵）在1937年首次提出一种通用计算设备的设想所有的计算都可能在一种特殊的机器上执行（图灵机）进行了数学上的描述，主要目标并不是建造一台真实的机器,-8-,1、数据处理器,在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理器计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据的黑盒该模型过于宽泛，按照该
3、模型定义，计算器也可以算做一种计算机,-9-,2、可编程数据处理器,图灵模型是一种适用于通用计算机的模型该模型增加了额外的元素：程序程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合输出数据依赖于两方面因素，即输入数据和程序,-10-,相同程序、不同数据,-11-,相同数据、不同程序,-12-,3、通用图灵机,通用图灵机是对现代计算机的首次描述该机器只要提供了合适的程序就能做任何运算可以证明：通用图灵机和一台功能强大的计算机能够进行同样的运算通用图灵机能做任何可计算的运算。,-13-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-14-,冯.诺伊曼模型,冯.诺伊曼
4、模型是现代计算机的基础模型构成计算机的4大子系统存储程序指令的顺序执行,-15-,1、4大子系统,冯.诺依曼模型定义了四个子系统存储器算术逻辑单元控制单元输入输出单元,-16-,4大子系统,-17-,存储器,存储器在计算机处理过程中用来存储数据和程序,-18-,算术逻辑单元和控制单元,ALU(算术逻辑单元)用来进行计算和逻辑操作的地方。控制单元用来控制存储器、算术逻辑单元和输入输出等子系统，使其协调工作。CPU(中央处理器)现代计算机通常将ALU和控制单元被集成在CPU中，被称为计算机的心脏,-19-,输入/输出,输入子系统负责从计算机外部接收输入数据和程序。输出子系统 负责将计算机的处理结果
5、输出到计算机外部。,-20-,2、存储程序的概念,冯.诺依曼模型要求程序必须存储在存储器中，早期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通过操作开关或改变配线完成。现代计算机的存储器主要用来存储程序和数据。程序和数据都以二进制(0和1的序列)模式存储在存储器中。,-21-,3、指令的顺序执行,冯.诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的指令组成控制单元从内存中提取指令、解释指令、执行指令；指令按照顺序执行一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执行，跳转后仍然会顺序执行。,-22-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-23-,计算机组成,计算
6、机系统由3大部分构成计算机硬件数据计算机软件,-24-,计算机硬件和数据,计算机硬件基于冯.诺伊曼模型，包含4大子系统在第5章详细讨论数据冯.诺依曼模型将计算机定义为数据处理机，接收输入数据，处理并输出结果,-25-,数据,存储数据冯.诺伊曼模型没有定义数据如何存储在计算机中对于电子计算机，最好的存储方式应该是电子信号（出现与消失），计算机可以以两种状态之一的形式来存储数据(0或1）文本、图像、声音等数据不能直接存储到计算机内部，必须将它们转换成合适的形式(0、1序列)才能存储到计算机中数据组织数据并不是无序组织的，数据被组织成许多小的单元，再由这些小的单元组织成更大的单元。,-26-,计算机
7、软件,冯.诺依曼模型的主要特征在于存储程序。早期的计算机没有使用这一模型，但也使用了程序的概念，编程体现在对系统开关的开闭和配线的改变。冯.诺依曼模型改变了编程的概念。基本的两个方面是存储程序和程序由指令序列构成。,-27-,40年代的编程,编程体现为对系列开关的开闭和配线的改变,-28-,1、必须存储程序,程序和数据都必须存储在存储器中。,-29-,2、指令序列,程序必须是有序的指令集。每条指令操作一个或多个数据项。指令集是有限的。图灵和冯.诺依曼模型通过详细定义计算机可以使用的不同指令集，使得编程变得简单、可重用。程序员通过组合不同的指令可以创建任意数量的程序。每个程序可以是不同指令的不同
8、组合。,-30-,一个程序的示例,-31-,3、算法,编程了解每条指令能完成的任务；掌握将这些指令结合起来完成特定任务。引入算法程序员应该以循序渐进的方式理解问题、分解问题、寻找解决问题的方法。算法研究的是逐步解决问题的方法，是计算机科学的重要基础(第8章讨论)。,-32-,4、语言,早期的“编程”直接写指令的二进制模式。难以编写大规模程序，编程非常困难。计算机语言的诞生计算机科学家们提出用符号代表二进制模式。这样计算机语言的概念诞生了。(第9章讨论),-33-,5、软件工程,冯.诺依曼模型并没有定义软件工程的概念。软件工程是指结构化程序的设计和编写。现在，软件工程不仅用来描述完成某一任务的应
9、用程序，还包括程序设计中所要严格遵循的原理和规则。(第10章讨论),-34-,6、操作系统,在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序都是公用的、通用的。早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方便的一种通用管理程序。现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源的系统软件。(第7章讨论),-35-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-36-,历史,计算和计算机发展历史，三个阶段机械计算机器（1930年之前）电子计算机的诞生（19301950）计算机的诞生（1950年至今）,-37-,机械计算机器（1930之前）,主要成果Blaise Pascal 发
10、明了 Pascaline。Gottfried Leibnitz 发明了一台能作加减乘除运算的计算机器，Leibnitzs Wheel,-38-,机械计算机器（1930之前）,主要成果第一台利用存储和编程概念的机器是Jacquard loom(提花织机)。1834,Charles babbage发明一种机器叫分析引擎 analytical Engine。1890,Herman Hollerith 设计并制造出具有编程能力的机器，该机器可以自动阅读、计数和排列存储在穿孔卡上的数据,-39-,电子计算机诞生（19301950）,主要成果1939年，第一台用来完成特定任务的计算机是 ABC(Atana
11、soff Berry Computer)。同一时期，Konrad Zuse设计出通用计算机，命名为Z11930,在 Howard Aliken 的领导下建造了一台巨型机算计，命名为Mark I。Alan Turing发明了一台名为Colossus(巨人)的计算机用于破译德国的Enigma密码,-40-,电子计算机诞生（19301950）,主要成果1946，ENIAC(The Electronic Numerical Integrator and Computer)，第一台通用的、完全电子化的计算机,-41-,计算机诞生（1950至今）,主要成果第一台基于冯氏思想的计算机于1950年在宾夕法尼亚
12、大学诞生，名为 EDVAC。完成新任务，只需重新编程，无须改变布线,-42-,计算机的发展,1950年以后的计算机基本上都基于冯.诺伊曼模型，计算机向着速度更快、体积更小、价格更便宜的方向发展，硬件和软件不断变更，但基本模型未改变第一代（19501959年）商用计算机为主要特征，限于计算机专家使用。计算机体积庞大，使用真空管作为电子开关，费用昂贵。第二代（19591965年）晶体管代替真空管，减小体积与功耗，费用减低，开始应用到中小企业。Fortran和Cobol高级语言出现，使得编程更加容易，编程任务和计算机运算任务分离。,-43-,计算机的发展,计算机时代划分第三代（19651975年）集
13、成电路的应用，进一步减小计算机体积和成本。小型计算机出现，软件业诞生。第四代（19751985年）大规模和超大规模集成电路应用，微型计算机、单板机的出现。计算机网络出现。第五代（1985年至今）掌上电脑、台式电脑的诞生，第二代存储媒体（CD-ROM、DVD）的改进，多媒体应用，虚拟现实等,-44-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-45-,社会问题,依赖计算机科学注定要改变我们的社会，超过一半的美国家庭使用计算机上网。一些人认为：每个人不可避免要使用计算机，离开它难以生活；另一些人认为：人类对计算机已经形成依赖，这种依赖使得人们的生活更加困难。,
14、-46-,社会问题,社会公正在家中使用计算机不是所有人都支付得起的奢侈行为，计算机、外围设备、上网费对低收入家庭是额外的负担计算机仅为中高收入人群服务。数字化分裂依赖和社会公正等问题，将社会分裂成两大组群与社会其它部分以电子形式联系在一起的人没有以电子形式联系在一起的人这种分裂在工业化国家正在逐渐消失，但将在发展中国家持续很长时间,-47-,道德问题,隐私为确保通过计算机通信的私密性，需要做很多工作，社会正在为此支付高昂的费用版权在计算机化的社会中，“谁将拥有数据？”和电子版权，成为日渐突出的职业道德问题计算机犯罪计算机和信息技术带来了新的犯罪，黑客能够访问很多计算机并盗取金钱，病毒泛滥并摧毁信息。社会正为此支付高昂的费用。,-48-,本章内容安排,图灵模型冯.诺伊曼模型计算机组成历史社会问题和道德问题计算机科学,-49-,计算机科学,随着计算机的发展，诞生了全新的“计算机科学”系统领域涵盖与硬件和软件构成直接相关的领域计算机体系结构、计算机网络、安全问题、操作系统、算法、程序设计语言、软件工程应用领域涵盖了与计算机使用有关的领域数据库、人工智能,
