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計算機導(dǎo)論,胡小鵬，xphu@MSC(USTC),PhD(ImperialCollegeLondon)Professor，SchoolofComputerScienceandTechnology,,,用戶與專業(yè)人員的區(qū)別,使用洗衣機的人（用戶）沒有必要懂得洗衣機的原理，只需要了解使用知識。,,從事洗衣機的研究、發(fā)展、設(shè)計和制造的人（專業(yè)人員，Professionals）不僅要懂得洗衣機的原理，還要懂得洗衣的原理。,,計算機導(dǎo)論,計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)：研究、發(fā)展、設(shè)計、制造和應(yīng)用計算機系統(tǒng)的創(chuàng)造型人才。計算機系統(tǒng)專業(yè)人員不僅要懂得計算機系統(tǒng)的原理，還要懂得計算的原理。問題：什么是計算機系統(tǒng)？,我們專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),計算機導(dǎo)論,第1章概述第2章信息表示與運算第3章計算科學(xué)與計算機基本工作原理第4章計算機硬件系統(tǒng)第5章計算機軟件系統(tǒng)第6章計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第7章人工智能,計算機導(dǎo)論,了解計算的基本概念；了解計算機系統(tǒng)的基本組成；了解計算機硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用的基礎(chǔ)知識；了解將要學(xué)習(xí)的主要課程對實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)所起的作用。,第1章概述,第1章概述,1.計算機簡史2.計算科學(xué)基礎(chǔ)3.計算機應(yīng)用領(lǐng)域4.計算機發(fā)展趨勢,1.計算機簡史,人類處理信息方式的歷史變遷計算機的發(fā)展歷程,,早期計算工具（商業(yè)活動）人類社會最早使用手指、結(jié)繩、算籌等工具進行計算。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和交流的增加，又發(fā)明了更先進的計算工具——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),,早期機械傳動計算工具（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)制造了一臺能夠進行加法和減法運算的計算器。（為了紀念巴斯卡爾，一種高級程序設(shè)計語言取名為Pascal）1672年，德國人萊布尼茲(G.W.Leibniz)提出了不用連續(xù)相加進行機械乘法的思想。,,,,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)計了差分機，這是第一臺可自動進行數(shù)學(xué)變換(程序控制計算思想)的機器。19世紀，英國杰出的數(shù)學(xué)家布爾(G.Bool)。布爾代數(shù)實現(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”，通過引入機器狀態(tài)使用了具有指令特點的運算操作，奠定了計算機的理論基礎(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密碼的計算機，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，為實現(xiàn)彈道計算，研制成功了ENIAC（“電子數(shù)字積分計算機”，ElectronicNumericalIntegratorandComputer），用了19000個電子管，重13噸，耗電200千瓦。1952年，馮諾依曼等人完成了EDVAC機的建造工作。EDVAC方案的主要內(nèi)容是確定了計算機由運算器、控制器、存儲器、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算機的建造方式。采用晶體管研制第二代電子計算機的工作就在美國的一些著名實驗室進行。1958年，當(dāng)?shù)诙嬎銠C還處于剛剛準備批量生產(chǎn)的時候，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，研制成功了第一臺試驗性的集成電路計算機。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算機系統(tǒng)成為“非捆綁式”。即以前，用戶需要購買計算機及其系統(tǒng)上運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)高級語言的發(fā)展、出現(xiàn)了進程的概念和分時操作系統(tǒng)。70年代初，半導(dǎo)體集成電路技術(shù)取得了飛速進步。體積不斷地縮小，價格逐年下降，采用大規(guī)模集成電路的計算機系統(tǒng)，電子計算機的發(fā)展進入了第四代。從80年代起，網(wǎng)絡(luò)計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，支持了分布式信息處理。在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行信息處理的計算活動被稱作分布式計算。目前，支持高性能計算的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、并行與分布式算法、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信等成為發(fā)展方向。,計算機的發(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.計算機科學(xué),什么是計算科學(xué)計算科學(xué)的學(xué)科體系,什么是計算科學(xué),計算科學(xué)：研究描述和變換信息的算法過程，包括理論分析、設(shè)計，效率分析、實現(xiàn)和應(yīng)用系統(tǒng)的研究?；締栴}：什么能(有效地)自動進行，什么不能(有效地)自動進行。,人們將計算機在各行各業(yè)的具體應(yīng)用與研究計算機應(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。前者叫計算機具體應(yīng)用，后者稱為計算機應(yīng)用或計算機基本應(yīng)用技術(shù)，屬于計算科學(xué)范疇。,計算機科學(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)計基礎(chǔ)：主要內(nèi)容包括：程序設(shè)計結(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、可計算理論、P類和NP類問題、自動機理論、密碼算法以及幾何算法等。,計算機學(xué)科的主要內(nèi)容分為14個主領(lǐng)域：,計算機科學(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)的機器表示、匯編級機器組織、存儲技術(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、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)等。6.網(wǎng)絡(luò)計算：主要內(nèi)容包括：計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理、無線和移動計算以及多媒體數(shù)據(jù)技術(shù)等。,計算機科學(xué)的學(xué)科體系(3),7.程序設(shè)計語言：主要內(nèi)容包括：程序設(shè)計模式、虛擬機、類型系統(tǒng)、執(zhí)行控制模型、語言翻譯系統(tǒng)、程序設(shè)計語言的語義學(xué)、基于語言的并行構(gòu)件等。8.人—機交互：主要內(nèi)容包括：以人為中心的軟件開發(fā)和評價、圖形用戶接口設(shè)計、多媒體系統(tǒng)的人機接口等。9.圖形學(xué)和可視化計算：主要內(nèi)容包括：計算機圖形學(xué)、可視化、虛擬現(xiàn)實、計算機視覺等。,計算機科學(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、知識表示和推理、Agent、自然語言處理、機器學(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、事物處理、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、信息存儲與檢索、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、軟件驗證、軟件演化、軟件項目管理、軟件開發(fā)工具與環(huán)境、基于構(gòu)件的計算、形式化方法、軟件可靠性、專用系統(tǒng)開發(fā)等。,計算機科學(xué)的學(xué)科體系(5),13.社會和職業(yè)的問題：主要內(nèi)容包括：計算的歷史、計算的社會背景、分析方法和工具、專業(yè)和道德責(zé)任、基于計算機系統(tǒng)的風(fēng)險與責(zé)任、知識產(chǎn)權(quán)、隱私與公民的自由、計算機犯罪、與計算有關(guān)的經(jīng)濟問題、哲學(xué)框架等。14.科學(xué)計算：主要內(nèi)容包括：數(shù)值分析、運籌學(xué)、模擬和仿真、高性能計算。,3.計算機應(yīng)用領(lǐng)域,計算機的分類計算機應(yīng)用信息高速公路——社會的信息化,計算機的分類,1.巨型機：超級計算機，“銀河-Ⅲ”百億次計算機和“曙光”千億次計算機。2.大型機：運算速度和存儲容量僅次于巨型機。3.小型機：規(guī)模較小，它結(jié)構(gòu)較簡單、操作簡便、維護容易、成本較低。4.微型機：個人計算機或微機。5.工作站：實際上是一臺高檔微機，它是配有大容量主存，具有高速運算能力。,計算機應(yīng)用(1),科學(xué)計算：解決科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計中存在的大量的數(shù)學(xué)計算問題。例如，求解上千階的微分方程組、幾百個方程的線性方程組、大型矩陣運算等.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理泛指任何形式的計算機管理和操縱數(shù)據(jù)的過程，例如，企業(yè)管理、庫存管理、帳目計算、信息情報檢索等。實時控制：計算機的速度不斷提高，計算機的指令周期已降到幾ns級，使得許多生產(chǎn)過程的實時控制成為可能。例如，化工生產(chǎn)過程中的壓力、流量、溫度等參數(shù)的控制。,計算機應(yīng)用(2),4.計算機輔助設(shè)計和制造：CAD/CAM系統(tǒng)已發(fā)展成為更高級的計算機集成制造系統(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、計算機科學(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)?，通信和文字處理是實現(xiàn)辦公自動化、電子郵件、計算機會議和計算機出版等新技術(shù)的必由之路。7.多媒體技術(shù)：圖形、聲音、靜態(tài)圖像、動畫、動態(tài)圖像等多媒體技術(shù)。,計算機應(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立的計算機系統(tǒng)用通信設(shè)施連接起來，以實現(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：包括計算機輔助教學(xué)、知識信息系統(tǒng)、自然語言處理等。計算機輔助教學(xué)生動、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：包括軍隊自動化指揮系統(tǒng)、計算機作戰(zhàn)模擬、軍事信息處理武器的自動控制、精確制導(dǎo)武器、軍用機器人、數(shù)字化部隊、后勤保障等。,信息高速公路社會的信息化(高性能技術(shù)),1991年，美國政府提出了為期五年的高性能計算與通信計劃。高性能計算與通信：高性能計算機系統(tǒng)，先進軟件技術(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。高性能計算機與高速通信網(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.計算機發(fā)展趨勢,巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化,巨型化,社會在不斷發(fā)展，人類對自然世界的認識活動也越來越多，很多情況要求計算機進行大量數(shù)據(jù)的運算，如，數(shù)學(xué)命題的證明、行星軌跡的計算以及航天飛機、宇宙飛船的設(shè)計等等。這些應(yīng)用對計算機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，主要是指機器的性能——運算速度等。,微型化,一方面，隨著計算機的應(yīng)用日益廣泛，在一些特定場合，需要很小的計算機(如航天飛機，由于燃料的關(guān)系，設(shè)計原則是為了減少每一克而奮斗)，所以計算機的重量、體積都變得越來越小，但功能并不減少。另一方面，隨著計算機在世界上日益普及，個人電腦正逐步由辦公設(shè)備變?yōu)殡娮酉M品。人們要求電腦除了要保留原有的性能之外，還要有時尚的外觀、輕便小巧、便于操作等特點，如平板電腦、手持電腦等。今后個人電腦在電腦中所占的比重將會越來越大，使用也將會越來越方便。,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，交納各種費用、教學(xué)、管理個人賬務(wù)等等。,智能化,計算機在我們的生活中扮演的角色將會更加重要。計算機應(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。,,電子計算機，誕生于20世紀40年代，它是人們采集、識別、轉(zhuǎn)換、處理信息的工具。,總結(jié)：電子計算機,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個典型計算機應(yīng)用的例子，要求不是同一類型的。(2)你認為的計算機的未來發(fā)展趨勢，并就此進行分析。,