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計(jì)算機(jī)導(dǎo)論,胡小鵬，xphu@MSC(USTC),PhD(ImperialCollegeLondon)Professor，SchoolofComputerScienceandTechnology,,,用戶與專業(yè)人員的區(qū)別,使用洗衣機(jī)的人（用戶）沒有必要懂得洗衣機(jī)的原理，只需要了解使用知識(shí)。,,從事洗衣機(jī)的研究、發(fā)展、設(shè)計(jì)和制造的人（專業(yè)人員，Professionals）不僅要懂得洗衣機(jī)的原理，還要懂得洗衣的原理。,,計(jì)算機(jī)導(dǎo)論,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)：研究、發(fā)展、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的創(chuàng)造型人才。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專業(yè)人員不僅要懂得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的原理，還要懂得計(jì)算的原理。問題：什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？,我們專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),計(jì)算機(jī)導(dǎo)論,第1章概述第2章信息表示與運(yùn)算第3章計(jì)算科學(xué)與計(jì)算機(jī)基本工作原理第4章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)第5章計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)第6章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第7章人工智能,計(jì)算機(jī)導(dǎo)論,了解計(jì)算的基本概念；了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成；了解計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)；了解將要學(xué)習(xí)的主要課程對(duì)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)所起的作用。,第1章概述,第1章概述,1.計(jì)算機(jī)簡史2.計(jì)算科學(xué)基礎(chǔ)3.計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域4.計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢,1.計(jì)算機(jī)簡史,人類處理信息方式的歷史變遷計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程,,早期計(jì)算工具（商業(yè)活動(dòng)）人類社會(huì)最早使用手指、結(jié)繩、算籌等工具進(jìn)行計(jì)算。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和交流的增加，又發(fā)明了更先進(jìn)的計(jì)算工具——算盤。,人類處理信息方式的歷史變遷(1),圖0.2西漢年間的金屬算籌,人類處理信息方式的歷史變遷(1),,早期機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算工具（鐘表業(yè)及紡織業(yè)）法國人巴斯卡爾(B.Pascal)于1642年基于齒輪技術(shù)制造了一臺(tái)能夠進(jìn)行加法和減法運(yùn)算的計(jì)算器。（為了紀(jì)念巴斯卡爾，一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言取名為Pascal）1672年，德國人萊布尼茲(G.W.Leibniz)提出了不用連續(xù)相加進(jìn)行機(jī)械乘法的思想。,,,,人類處理信息方式的歷史變遷（2）,,1821年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇(C.Babbage)設(shè)計(jì)了差分機(jī)，這是第一臺(tái)可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換(程序控制計(jì)算思想)的機(jī)器。19世紀(jì)，英國杰出的數(shù)學(xué)家布爾(G.Bool)。布爾代數(shù)實(shí)現(xiàn)了從一組邏輯公理出發(fā)，依靠代數(shù)演算來推導(dǎo)邏輯定律或定理。,,,人類處理信息方式的歷史變遷（3）,,1935年代，英國數(shù)學(xué)家圖靈(AlanTuring)提出“圖靈機(jī)”，通過引入機(jī)器狀態(tài)使用了具有指令特點(diǎn)的運(yùn)算操作，奠定了計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)。第二次世界大戰(zhàn)中，Turing領(lǐng)導(dǎo)的小組制造出了破譯德軍Enigma密碼的計(jì)算機(jī)，并成功地完成了任務(wù)。,,,人類處理信息方式的歷史變遷（3）,,1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電工學(xué)院的莫克萊(J.W.Mauchly)等人，為實(shí)現(xiàn)彈道計(jì)算，研制成功了ENIAC（“電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)”，ElectronicNumericalIntegratorandComputer），用了19000個(gè)電子管，重13噸，耗電200千瓦。1952年，馮諾依曼等人完成了EDVAC機(jī)的建造工作。EDVAC方案的主要內(nèi)容是確定了計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等5部分組成（VonNeumann體系結(jié)構(gòu)）。,,,人類處理信息方式的歷史變遷（4）,,1948年發(fā)明的晶體管改變了計(jì)算機(jī)的建造方式。采用晶體管研制第二代電子計(jì)算機(jī)的工作就在美國的一些著名實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。1958年，當(dāng)?shù)诙?jì)算機(jī)還處于剛剛準(zhǔn)備批量生產(chǎn)的時(shí)候，美國得克薩斯州儀器公司制成了第一塊半導(dǎo)體集成電路。三年后，得克薩斯州儀器公司在軍方的支持下，研制成功了第一臺(tái)試驗(yàn)性的集成電路計(jì)算機(jī)。1967年，由于大量的編程語言得到應(yīng)用，IBM公司決定該公司的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為“非捆綁式”。即以前，用戶需要購買計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)上運(yùn)行的各種語言的翻譯程序，而現(xiàn)在可只購買需要的翻譯程序。由此形成了語言翻譯程序的競爭，開創(chuàng)了軟件產(chǎn)業(yè)。,人類處理信息方式的歷史變遷（5）,,60年代后期，出現(xiàn)高級(jí)語言的發(fā)展、出現(xiàn)了進(jìn)程的概念和分時(shí)操作系統(tǒng)。70年代初，半導(dǎo)體集成電路技術(shù)取得了飛速進(jìn)步。體積不斷地縮小，價(jià)格逐年下降，采用大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了第四代。從80年代起，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，支持了分布式信息處理。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行信息處理的計(jì)算活動(dòng)被稱作分布式計(jì)算。目前，支持高性能計(jì)算的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、并行與分布式算法、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等成為發(fā)展方向。,計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程,,第五代（1991~目前）：以互聯(lián)網(wǎng)（Internet）為標(biāo)志的信息系統(tǒng),2.計(jì)算機(jī)科學(xué),什么是計(jì)算科學(xué)計(jì)算科學(xué)的學(xué)科體系,什么是計(jì)算科學(xué),計(jì)算科學(xué)：研究描述和變換信息的算法過程，包括理論分析、設(shè)計(jì)，效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用系統(tǒng)的研究?；締栴}：什么能(有效地)自動(dòng)進(jìn)行，什么不能(有效地)自動(dòng)進(jìn)行。,人們將計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)的具體應(yīng)用與研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用與具體領(lǐng)域的共性理論、方法和技術(shù)的研究區(qū)分開來。前者叫計(jì)算機(jī)具體應(yīng)用，后者稱為計(jì)算機(jī)應(yīng)用或計(jì)算機(jī)基本應(yīng)用技術(shù)，屬于計(jì)算科學(xué)范疇。,計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科體系(1),離散結(jié)構(gòu)：主要內(nèi)容包括：集合論、數(shù)理邏輯、近似代數(shù)、圖論和組合數(shù)學(xué)等。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：主要內(nèi)容包括：程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、算法、問題求解和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。算法與復(fù)雜性：主要內(nèi)容包括：算法的復(fù)雜度分析、典型的算法策略、分布式算法、并行算法、可計(jì)算理論、P類和NP類問題、自動(dòng)機(jī)理論、密碼算法以及幾何算法等。,計(jì)算機(jī)學(xué)科的主要內(nèi)容分為14個(gè)主領(lǐng)域：,計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科體系(2),4.體系結(jié)構(gòu)：主要內(nèi)容包括：數(shù)字邏輯、數(shù)據(jù)的機(jī)器表示、匯編級(jí)機(jī)器組織、存儲(chǔ)技術(shù)、接口和通信、多道處理和預(yù)備體系結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)等。5.操作系統(tǒng)：主要內(nèi)容包括：操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)、并發(fā)處理、資源分配與調(diào)度、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)等。6.網(wǎng)絡(luò)計(jì)算：主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理、無線和移動(dòng)計(jì)算以及多媒體數(shù)據(jù)技術(shù)等。,計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科體系(3),7.程序設(shè)計(jì)語言：主要內(nèi)容包括：程序設(shè)計(jì)模式、虛擬機(jī)、類型系統(tǒng)、執(zhí)行控制模型、語言翻譯系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語言的語義學(xué)、基于語言的并行構(gòu)件等。8.人—機(jī)交互：主要內(nèi)容包括：以人為中心的軟件開發(fā)和評(píng)價(jià)、圖形用戶接口設(shè)計(jì)、多媒體系統(tǒng)的人機(jī)接口等。9.圖形學(xué)和可視化計(jì)算：主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺等。,計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科體系(4),10.智能系統(tǒng)：主要內(nèi)容包括：約束可滿足性問題、知識(shí)表示和推理、Agent、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能規(guī)劃系統(tǒng)和機(jī)器人學(xué)等。11.信息管理：主要內(nèi)容包括：信息模型與信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)建模、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫查詢語言、關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、事物處理、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、信息存儲(chǔ)與檢索、超文本和超媒體、多媒體信息與多媒體系統(tǒng)、數(shù)字圖書館等。12.軟件工程：主要內(nèi)容包括：軟件過程、軟件需求與規(guī)格說明、軟件設(shè)計(jì)、軟件驗(yàn)證、軟件演化、軟件項(xiàng)目管理、軟件開發(fā)工具與環(huán)境、基于構(gòu)件的計(jì)算、形式化方法、軟件可靠性、專用系統(tǒng)開發(fā)等。,計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科體系(5),13.社會(huì)和職業(yè)的問題：主要內(nèi)容包括：計(jì)算的歷史、計(jì)算的社會(huì)背景、分析方法和工具、專業(yè)和道德責(zé)任、基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)與責(zé)任、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、隱私與公民的自由、計(jì)算機(jī)犯罪、與計(jì)算有關(guān)的經(jīng)濟(jì)問題、哲學(xué)框架等。14.科學(xué)計(jì)算：主要內(nèi)容包括：數(shù)值分析、運(yùn)籌學(xué)、模擬和仿真、高性能計(jì)算。,3.計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息高速公路——社會(huì)的信息化,計(jì)算機(jī)的分類,1.巨型機(jī)：超級(jí)計(jì)算機(jī)，“銀河-Ⅲ”百億次計(jì)算機(jī)和“曙光”千億次計(jì)算機(jī)。2.大型機(jī)：運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量僅次于巨型機(jī)。3.小型機(jī)：規(guī)模較小，它結(jié)構(gòu)較簡單、操作簡便、維護(hù)容易、成本較低。4.微型機(jī)：個(gè)人計(jì)算機(jī)或微機(jī)。5.工作站：實(shí)際上是一臺(tái)高檔微機(jī)，它是配有大容量主存，具有高速運(yùn)算能力。,計(jì)算機(jī)應(yīng)用(1),科學(xué)計(jì)算：解決科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中存在的大量的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。例如，求解上千階的微分方程組、幾百個(gè)方程的線性方程組、大型矩陣運(yùn)算等.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理泛指任何形式的計(jì)算機(jī)管理和操縱數(shù)據(jù)的過程，例如，企業(yè)管理、庫存管理、帳目計(jì)算、信息情報(bào)檢索等。實(shí)時(shí)控制：計(jì)算機(jī)的速度不斷提高，計(jì)算機(jī)的指令周期已降到幾ns級(jí)，使得許多生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制成為可能。例如，化工生產(chǎn)過程中的壓力、流量、溫度等參數(shù)的控制。,計(jì)算機(jī)應(yīng)用(2),4.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造：CAD/CAM系統(tǒng)已發(fā)展成為更高級(jí)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。5.人工智能：是探索和模擬人的感覺和思維過程的科學(xué)，它是在控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、仿生學(xué)、生理學(xué)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)科。6.通信和文字處理：包括文字信息的產(chǎn)生、修改、編輯、復(fù)制、保存、檢索、傳輸?shù)?，通信和文字處理是?shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化、電子郵件、計(jì)算機(jī)會(huì)議和計(jì)算機(jī)出版等新技術(shù)的必由之路。7.多媒體技術(shù)：圖形、聲音、靜態(tài)圖像、動(dòng)畫、動(dòng)態(tài)圖像等多媒體技術(shù)。,計(jì)算機(jī)應(yīng)用(3),8.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息高速公路：把分布在不同地域的獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用通信設(shè)施連接起來，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享。網(wǎng)絡(luò)從地域范圍大小上分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。9.教育：包括計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、知識(shí)信息系統(tǒng)、自然語言處理等。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)生動(dòng)、形象、易于理解，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一。10.軍事：包括軍隊(duì)自動(dòng)化指揮系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)作戰(zhàn)模擬、軍事信息處理武器的自動(dòng)控制、精確制導(dǎo)武器、軍用機(jī)器人、數(shù)字化部隊(duì)、后勤保障等。,信息高速公路社會(huì)的信息化(高性能技術(shù)),1991年，美國政府提出了為期五年的高性能計(jì)算與通信計(jì)劃。高性能計(jì)算與通信：高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，先進(jìn)軟件技術(shù)和算法，國家研究與教育網(wǎng)絡(luò)，基礎(chǔ)研究與人才資源。高性能計(jì)算機(jī)與高速通信網(wǎng)絡(luò)：縮短了地域之間的距離，使地球變得越來越小，許多人開始把我們生活的地球稱為“地球村”。,4.計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢,巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化,巨型化,社會(huì)在不斷發(fā)展，人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)活動(dòng)也越來越多，很多情況要求計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，如，數(shù)學(xué)命題的證明、行星軌跡的計(jì)算以及航天飛機(jī)、宇宙飛船的設(shè)計(jì)等等。這些應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)速度的要求也越來越高?！熬扌突痹谶@里并不是通常意義上的大小，主要是指機(jī)器的性能——運(yùn)算速度等。,微型化,一方面，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在一些特定場合，需要很小的計(jì)算機(jī)(如航天飛機(jī)，由于燃料的關(guān)系，設(shè)計(jì)原則是為了減少每一克而奮斗)，所以計(jì)算機(jī)的重量、體積都變得越來越小，但功能并不減少。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)在世界上日益普及，個(gè)人電腦正逐步由辦公設(shè)備變?yōu)殡娮酉M(fèi)品。人們要求電腦除了要保留原有的性能之外，還要有時(shí)尚的外觀、輕便小巧、便于操作等特點(diǎn)，如平板電腦、手持電腦等。今后個(gè)人電腦在電腦中所占的比重將會(huì)越來越大，使用也將會(huì)越來越方便。,網(wǎng)絡(luò)化,因特網(wǎng)的建立正在改變我們的世界，改變我們的生活。網(wǎng)絡(luò)具有虛擬和真實(shí)兩種特性，網(wǎng)上聊天和網(wǎng)絡(luò)游戲等具有虛擬特性，而網(wǎng)絡(luò)通信、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源共享則具有真實(shí)的特性。我們可以通過因特網(wǎng)購買生活必需品，交納各種費(fèi)用、教學(xué)、管理個(gè)人賬務(wù)等等。,智能化,計(jì)算機(jī)在我們的生活中扮演的角色將會(huì)更加重要。計(jì)算機(jī)應(yīng)用將具有更多的智能特性，能夠幫助人們解決一些自己不熟悉或不愿意做的事。智能家居：智能家電、烹調(diào)等。,,電子計(jì)算機(jī)，誕生于20世紀(jì)40年代，它是人們采集、識(shí)別、轉(zhuǎn)換、處理信息的工具。,總結(jié)：電子計(jì)算機(jī),Havelimitedcapabilities.Candobasicmathematicsandlogicalcomparisons.Mustbeinstructedwithprogramswhattodo.,定義1：Computersareelectronicdevicesthatcanfollowinstructionstoacceptinput,processtheinputandthenproduceinformation.定義2：Acomputerisanelectronicmachinethatacceptsdata(input),manipulatesthedataaccordingtosomerules(process),produceresults(output)andstorestheresultsforfutureuse(storage).,思考題,(1)請舉出你所知道的5個(gè)典型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的例子，要求不是同一類型的。(2)你認(rèn)為的計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨勢，并就此進(jìn)行分析。,