《计算机导论绪论》PPT课件.ppt

第一章绪论 曲阜师范大学杏坛学院 本章内容 计算机的基本概念计算机科学与技术的定义计算机科学与技术的教育对计算机科学与技术学科毕业生的基本要求信息化社会的挑战计算机科学与技术学科知识体系 学习目标 初步了解计算机的产生和发展阶段 掌握计算机的基本概念 分类 特点 了解计算机的应用领域和发展趋势 了解计算机科学与技术学科概述 了解计算机科学与技术学科的知识体系 了解计算机科学与技术学科的教育 计算机是什么 Computersareeverywhere 计算机成了社会的必需品 计算机是一种相对其能力而言比较便宜的工具 同一台机器能够做许多种不同的事 算题 科学计算 制作图案处理文字记录事实控制其他机器游戏发送消息识别语音问题 大多数机器只能做一类事 为什么计算机能够做许多种不同的事 是不是计算机什么事都能做 计算机是一台快速 笨拙的机器 只有有限的能力 只能进行基本的数学运算与逻辑比较 必须由程序来指示它做什么事 GeorgeBeekman计算机是一台笨拙的机器 具有从事令人难以置信的聪明工作的能力 计算机程序员则是一些聪明的人 具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力 简而言之 计算机与程序员实现了完美的配合 JamieShiers 电子数字计算机 电子数字计算机 ElectronicDigitalComputer 简称为电子计算机或计算机 也是人们常说的电脑 是二十世纪最辉煌的成就之一 计算机给人类带来了巨大的变化 计算机的定义 计算机是一种能按照事先存储的程序 自动地 高速地 精确地进行大量数值计算 并且具有记忆 存储 能力 逻辑判断能力 可靠性能的数字化信息处理的现代化智能电子设备 1 1计算机的产生和发展阶段 计算机的产生和发展不是一蹴而就的 而是经历了漫长历史的过程 在这过程中 科学家们经过艰难的探索 发明了各种各样的 计算机 这些 计算机 顺应了当时历史的发展 发挥了巨大的作用 推动了社会的进步 也推动了计算机技术的发展 1 1 1计算机产生的史前史 1 算筹算筹又称为筹 策 算子等算筹在中国的起源很早中国著名科学家祖冲之 429 500年 借助算筹作为计算工具计算出圆周率 祖冲之 429 500年 1 1 1计算机产生的史前史 2 算盘算盘也称珠算 是中国劳动人民创造的一种工具 由古代 算筹 演变而来 素有 中国计算机 之称 最早见于汉末三国时代徐岳撰写的 数术记遗 南宋时期的数学家杨辉发明了 乘除通变算宝 3 机械计算机1623年 德国科学家契克卡德 W Schickard 为天文学家开普勒 Kepler 制作了一台机械计算机 1 1 1计算机产生的史前史 法国科学家布莱斯 帕斯卡 BlaisePascal 1623 1662年 是被公认为是制造出机械计算机的第一人 1 1 1计算机产生的史前史 德国著名数学家戈特弗里德 威廉 莱布尼茨 GottfriedWilhelmLeibniz 1646 阿1716年 将帕斯卡的 加法器 扩大为乘除运算 1700年左右 莱布尼茨从中国 易图 八卦 里受到启发 悟出了二进制数之真谛 1 1 1计算机产生的史前史 1 1 1计算机产生的史前史 4 提花机西汉年间中国的纺织工匠已能熟练掌握提花机技术 1 1 1计算机产生的史前史 法国机械师约瑟夫 杰卡德 JosephJacquard 大约在1801年完成了 自动提花编织机 的设计制作 真正成功地改进了提花机 1 1 1计算机产生的史前史 5 差分机和分析机英国剑桥大学著名科学家查理斯 巴贝奇 CharlesBabbage 1792 1871年 在1822年研制出第一台差分机 Babbage 1792 1871年 5 差分机和分析机阿达 奥古斯塔 AdaAugusta 1815 1852年 是计算机领域著名的女程序员 Ada 1815 1852年 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机19世纪末 赫尔曼 霍列瑞斯 HermanHollerith 1860 1929 首先用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机托马斯 沃森 T Watson 和IBM 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机 布什 V Bush 为了求解与电路有关的微分方程 制作了一台模拟计算装置助其求解1873年 美国人鲍德温 F Baldwin 利用齿数可变齿轮 设法制造出一种小型计算机样机 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机 英国数学家布尔 G Boole 1815 1864年 第一部著作 逻辑的数学分析 1854年 已经担任柯克大学教授的布尔再次出版 思维规律的研究 逻辑与概率的数学理论基础 凭借这两部著作 布尔建立了一门新的数学学科 布尔代数 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机 1938年 美国数学家香农 C Shannon 第一次在布尔代数和继电器开关电路之间架起了桥梁 以脉冲方式处理信息的继电器开关 从理论到技术彻底改变了数字电路的设计 1948年 香农凭借 通信的数学基础 一书 被誉为 信息论之父 1956年 香农参与发起了达特默斯人工智能会议 率先把人工智能运用于计算机下棋方面 还发明了一个能自动穿越迷宫的电子老鼠 以此验证了计算机可以通过学习提高智能 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机 1937年11月 在AT T贝尔实验室工作的斯蒂比兹 G Stibitz 运用继电器作为计算机的开关元件 1 1 1计算机产生的史前史 6 模拟计算机 1939年 楚泽继电器组装了Z 2 1941年 楚泽的电磁式计算机Z 3完成 希特勒战败后 楚泽辗转流落到瑞士一个荒凉的村庄 一度转向研究计算机软件理论 1938年 28岁的楚泽 K Zuse 完成了一台可编程数字计算机Z 1的设计 1945年建造了Z 4计算机 1949年 他建立了 Zuse计算机公司 继续开发更先进的机电式程序控制计算机 1 1 1计算机产生的史前史 Z 3重建Z 1Z 4老年楚泽 中 数字计算机之父 6 模拟计算机 电磁式计算机叫Mark 也叫 自动序列受控计算机 在计算机发展史上占据重要地位 是计算机 史前史 里最后一台著名的计算机 发明者是美国哈佛大学艾肯 H Aiken 博士 1 1 1计算机产生的史前史 1 1 2计算机的产生 1 图灵1936年 阿伦 图灵 AlanTuring 1912 1954年 在他的一篇具有划时代意义的论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem 中 论述了一种假想的通用计算器 也就是理想计算机 被后人称为 图灵机 TuringMachine TM 1 图灵 1939年 图灵炸弹 Bomba 图灵称它是 罗宾逊 1945年 图灵领导一批优秀的电子工程师 着手制造自动计算引擎 AutomaticComputingEngineer ACE 1950年 ACE样机公开表演 被称为世界上最快最强有力的电子计算机 1950年l0月 图灵发表了论文 计算机和智能 ComputingMachineryandIntelligence 图灵测试 TuringTest 图灵荣膺 人工智能之父 称号 1954年 42岁的图灵英年早逝 从1966年开始 每年由美国计算机学会 AssociationforComputingMachinery ACM 颁发 图灵奖 TuringAward 给世界上最优秀的电脑科学家 1 1 2计算机的产生 图灵纪念馆 2 ENIAC和冯 诺依曼 1946年2月 美国宾夕法尼亚大学成功研制出了ENIAC 这是世界上第一台数字电子计算机 莫尔学院的两位青年学者 36岁物理学家约翰 莫齐利 JohnMauchly 和他的学生 24岁的电气工程师布雷斯帕 埃克特 PresperEckert 向戈德斯坦提交了一份研制电子计算机的设计方案 高速电子管计算装置的使用 1 1 2计算机的产生 2 ENIAC和冯 诺依曼 1944年夏的一天 在阿贝丁火车站 戈德斯坦邂逅了数学家约翰 冯 诺依曼 JohnVonNouma 1903 1957年 于是戈德斯坦向冯 诺依曼介绍了正在研制电子计算机 冯 诺依曼非常感兴趣 几天之后 冯 诺依曼就专程到莫尔学院参观还未完成ENIAC并参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议 2 ENIAC和冯 诺依曼 这台名为ENIAC 电子数字积分计算机的缩写 的机器 使用18800个电子管 1500多个继电器 耗电150千瓦 占地170平方米 重达30吨 可谓 庞然大物 也 2 ENIAC和冯 诺依曼 冯 诺依曼决定重新设计一台计算机 命名为 离散变量自动电子计算机 ElectronicDiscreteVariableAutomaticCalculator EDVAC 1946年6月 冯 诺依曼和戈德斯坦 勃克斯回到普林斯顿大学高级研究院 完成了另一台ISA 高级研究院的英文缩写 电子计算机 他们联名发表了计算机史上著名的 101页报告 1946年 英国剑桥大学威尔克斯 M Wilkes 教授 到宾夕法尼亚大学参加冯 诺依曼主持的培训班 完全接受了冯 诺依曼存储程序的设计思想 1949年5月 威尔克斯研制成了一台由3000只电子管为主要元件的计算机 命名为电子储存程序计算机 ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator EDSAC 由此 他获得了1967年度 图灵奖 1 1 2计算机的产生 1 1 3计算机的发展阶段 计算机的出现是二十世纪最辉煌的成就之一 按照采用的电子器件划分 计算机大致已经历了四个阶段 1 第一代计算机 1946年 1957年 其主要特征是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 使用机器语言编程 第一代计算机体积大 运算速度低 存储容量小 可靠性低 几乎没有什么软件配置 主要用于科学计算 其代表机型有 ENIAC IBM650 小型机 IBM709 大型机 等 1 1 3计算机的发展阶段 1 1 3计算机的发展阶段 2 第二代计算机 1958年 1964年 其主要特征是使用晶体管代替了电子管 内存储器采用了磁芯体 引入了变址寄存器和浮点运算硬件 利用I O处理机提高了输入输出能力 在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序 并且推出了Fortran COBOL ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序 降低了程序设计的复杂性 其代表机型有 IBM7090 IBM7094 CDC7600等 3 第三代计算机 1965年 1972年 其主要特征是用半导体 小规模集成电路 IntegratedCircuit IC 作为元器件代替晶体管等分立元件 用半导体存储器代替磁芯存储器 使用微程序设计技术简化处理机的结构 这使得计算机的体积和耗电量显著减小 而计算速度和存储存量却有较大提高 可靠性也大大加强 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 计算机开始定向标准化 模块化 系列化 此时 计算机的应用进入到许多科学技术领域 其代表机器有 IBM360系列 富士通F230系列等 1 1 3计算机的发展阶段 4 第四代计算机 1972年 至今 其主要特征是使用了大规模和超大规模集成电路 大规模 超大规模块集成电路的出现 使计算机沿着两个方向飞速向前发展 一方面 利用大规模集成电路制造多种逻辑芯片 组装出大型 巨型计算机 另一方面 利用大规模集成电路技术 将运算器 控制器等部件集成在一个很小的集成电路芯片上 从而出现了微处理器 完善的系统软件 丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现 以及通信技术和计算机网络的飞速发展 使得计算机进入了一个大发展的阶段 1 1 3计算机的发展阶段 现在很多国家正在研制新一代的计算机 新 代计算机将是微电子技术 光学技术 超导技术 电子仿生技术等多学科相结合的产物 它能进行知识处理 自动编程 测试和排错 以及用自然语言 图形 声音和各种文字进行输入和输出 新 代计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构 使得计算机能够具有像人那样的思维 推理和判断能力 已实现的非传统计算技术有 超导计算 量子计算 生物计算 光计算等 未来的计算机可能是超导计算机 量子计算机 生物计算机 光计算机或纳米计算机 DNA计算机等 1 1 3计算机的发展阶段 1 2计算机系统 计算机系统是一种能够按照事先存储的程序 自动 高速地对数据进行输入 处理 输出和存储的系统 由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成 计算机硬件系统由一系列电子元器件按照一定逻辑关系连接而成 是计算机系统的物质基础 计算机软件系统由操作系统 语言处理系统以及各种软件工具和应用软件等软件程序组成 计算机软件指挥和控制计算机硬件系统按照预定的程序运行和工作 从而达到预定目标 44 计算机系统 1 2 1计算机的硬件系统 计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制 该原理最初是由冯 诺依曼于1946年提出来的 故称为冯 诺依曼原理 按照冯 诺依曼原理构造的计算机又称冯 诺依曼计算机 其体系结构称为冯 诺依曼结构 冯 诺依曼思想 1 由二进制替代十进制 2 采用存储程序的思想 3 把计算机从逻辑上划分为5大部分 即运算器 控制器 存储器 输入 输出设备 冯 诺依曼计算机的基本特点 1 采用存储程序方式 2 存储器是按地址访问的线性编址的惟一结构 3 指令由操作码和地址码组成 4 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作 5 机器以运算器为中心 输入输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器 6 数据以二进制表示 1 2 1计算机的硬件系统 计算机的五大部件 1 2 1计算机的硬件系统 1 运算器 运算器又称算术逻辑单元 ArithmeticLogicUnit ALU 是计算机对数据进行加工处理的部件 它的主要功能是对二进制数码进行加 减 乘 除等算术运算和与 或 非等基本逻辑运算 实现逻辑判断 运算器是在控制器的控制之下实现其功能的 运算结果由控制器发出的指令送到内存储器中 1 2 1计算机的硬件系统 2 控制器 控制器主要由指令寄存器 译码器 程序计数器和操作控制器等组成 控制器是用来控制计算机各部件协调工作 并使整个处理过程有条不紊地进行 基本功能就是从内存中取指令和执行指令 即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码 然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令 执行该指令 另外 控制器在工作过程中 还要接受各部件反馈回来的信息 通常把运算器 控制器做在一个大规模集成电路块上称为中央处理器 又称CPU CentralProcessingUnit 1 2 1计算机的硬件系统 3 存储器 存储器是计算机的记忆装置 用于存放原始数据 中间数据 最终结果和处理程序 向存储器里存入信息也称为 写入 写入新的内容则覆盖了原来的旧内容 从存储器里取出信息 也称为 读出 信息读出后并不破坏原来存储的内容 因此信息可以重复取出 多次利用 存储器可分为两种 内存储器与外存储器 通常把内存储器 运算器和控制器合称为计算机主机 也可以说主机是由CPU与内存储器组成的 而主机以外的装置称为外部设备 外部设备包括输入 输出设备 外存储器等 1 2 1计算机的硬件系统 3 存储器存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件 具有 记忆 功能的设备 存储器分为内存储器和外存储器两大类 内存储器又称为主存储器 外存储器又称为辅助存储器 内存是存取速度快而容量相对较小的一类存储器 外存是存取速度较慢而容量相对较大的一类存储器 1 计算机的基本结构 2 2 1冯 诺依曼结构 4 输入 输出设备 输入 输出设备简称I O Input Output 设备 用户通过输入设备将程序和数据输入计算机 输出设备将计算机处理的结果 如数字 字母 符号和图形 显示或打印出来 常用的输入设备有 键盘 鼠标器 扫描仪 数字化仪等 常用的输出设备有 显示器 打印机 绘图仪等 1 2 1计算机的硬件系统 1 2 2计算机的软件系统 软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发 使用和维护这些程序所需的技术文档 计算机软件系统分为系统软件和应用软件 没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机 裸机向外部世界提供的界面只是机器指令 用户及其他程序都通过系统软件来使用计算机 1 系统软件 计算机系统软件由操作系统 语言处理系统 以及各种软件工具等各种软件程序组成 指挥 控制计算机硬件系统按照预定的程序运行 工作 从而达到预定的目标 简单地说 系统软件的功能主要是简化计算机操作 扩展计算机处理能力和提高计算机的效益 1 2 2计算机的软件系统 2 应用软件 应用软件是用户利用计算机软 硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件 包括用户程序及其说明性文件资料 随着计算机应用的推广与普及 应用软件将会逐步地标准化 模块化 并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用 应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运作 但它必须在系统软件的支持下才能工作 1 2 2计算机的软件系统 1 2 3计算机的特点 1 运算速度快 精度高2 具有逻辑判断和记忆能力3 高度的自动化和灵活性 1 2 4计算机系统主要技术指标 1 字长2 时钟周期和主频3 运算速度4 内存容量5 数据输入输出最高速率 1 2 5计算机的分类 根据计算机工作原理和运算方式的不同 以及计算机中信息表示形式和处理方式的不同 计算机可分为 1 数字式电子计算机 DigitalComputer 2 模拟式电子计算机 AnalogComputer 3 数字模拟混合计算机 HybridComputer 按计算机的用途可分为 1 通用计算机 GeneralPurposeComputer 2 专用计算机 SpecialPurposeComputer 两大类 根据计算机的总体规模 按照计算机的字长 运算速度 存储量大小 功能强弱 配套设备多少 软件系统的丰富程度 对计算机分类 1 巨型机 SuperComputer 2 大 中型计算机 Mainframe 3 小型计算机 Minicomputer 4 微型计算机 Microcomputer 5 网络计算机 NetworkComputer 常见的微型机还可以分为台式机 便携机 笔记本电脑 掌上型电脑等多种类型 1 2 5计算机的分类 1 2 6计算机的基本运作方式 计算机的基本运作方式可概括为 IPOS循环 IPOS循环即输入 Input 处理 Processing 输出 Output 和存储 Storage 它反映了计算机进行数据处理的基本步骤 1 3计算机的应用领域和发展趋势 1 科学研究和科学计算科学计算是指科学和工程中的数值计算 它与理论研究 科学实验一起成为当代科学研究的三种主要方法 主要应用在航天工程 气象 地震 核能技术 石油勘探和密码解译等涉及复杂数值计算的领域 2 信息传输和信息处理指非数值形式的数据处理 是指以计算机技术为基础 对大量数据进行加工处理 形成有用的信息 被广泛应用于办公自动化 事务处理 情报检索 企业管理和知识系统等领域 信息管理是计算机应用最广泛的领域 1 3 1计算机的应用领域 3 生产过程的自动化控制和管理自动化又称实时控制 指用计算机及时采集检测数据 按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节 目前已在冶金 石油 化工 纺织 水电 机械和航天等部门得到广泛应用 4 计算机辅助设计 辅助制造 辅助教学指通过人机对话 使计算机辅助人们进行设计 加工 计划和学习等工作 如计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM 计算机辅助教育CBE 计算机辅助教学CAI 计算机辅助教学管理CMI 另外还有计算机辅助测试CAT和计算机集成制造系统CIMS等 1 3 1计算机的应用领域 1 3 1计算机的应用领域 5 人工智能 AI ArtificialIntelligence 研究怎样让计算机做一些通常认为需要智能才能做的事情 又称机器智能 主要研究智能机器所执行的通常是人类智能的有关功能 如判断 推理 证明 识别 感知 理解 设计 思考 规划 学习和问题求解等思维活动 人工智能是计算机当前和今后相当长的一段时间的重要研究领域 6 计算机网络与通信利用通讯技术 将不同地理位置的计算机互联 可以实现世界范围内的信息资源共享 并能交互式地交流信息 正所谓 一线联五洲 Internet的建立和应用使世界变成了一个 地球村 同时深刻地改变了我们的生活 学习和工作方式 1 3 2计算机的发展趋势 1 巨型化指不断研制速度更快的 存储量更大的和功能更强大的巨型计算机 主要应用于天文 气象 地质和核技术 航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域 研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志 2 微型化指利用微电子技术和超大规模集成电路技术 把计算机的体积进一步缩小 价格进一步降低 计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向 各种笔记本电脑和掌上电脑的大量使用 是计算机微型化的一个标志 1 3 2计算机的发展趋势 3 网格化网格 Grid 技术可以更好地管理网上的资源 它把整个互联网虚拟成一台空前强大的一体化信息系统 犹如一台巨型机 在这个动态变化的网络环境中 实现计算资源 存储资源 数据资源 信息资源 知识资源 专家资源的全面共享 从而让用户从中享受可灵活控制的 智能的 协作式的信息服务 并获得前所未有的使用方便性和超强能力 1 3 2计算机的发展趋势 4 智能化计算机智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力 智能化的研究包括模拟识别 物形分析 自然语言的生成和理解 博弈 定理自动证明 自动程序设计 专家系统 学习系统和智能机器人等等 目前已研制出多种具有人的部分智能的 机器人 可以代替人在一些危险的工作岗位上工作 据专家预测 机器人将是继电脑普及后 下一个普及到家庭的电器产品 拥有最强的并行计算能力 主要用于科学计算 在气象 军事 能源等领域承担大规模 高速度的计算任务 趋势是用许多台计算机构成一台超级计算机 巨型计算机 83年银河 I亿次机 92年银河 II10亿次机 97年银河 III百亿次机 大中型计算机 具有比小型机更强的数据处理能力 价格比小型机高 在银行等最早使用计算机的行业中广泛使用 中科院计算技术研究所国家智能机中心研制的每秒200亿次的曙光2000型超级服务器 小型计算机 具有比微机更强的数据处理能力和数据存储能力 多个用户可以同时使用 多用户 Multi user 目前主要用作服务器 微型计算机 微机 Microcomputer 台式计算机 Desktop 是通用计算机 通常是由一个用户来使用 单用户 Single user 配有文字 声音 图像等输入输出设备 可通过网络与其他计算机相连 高档台式机可充当服务器 微型计算机 微机 Microcomputer 膝上型电脑 Laptop 笔记本计算机 Notebook 功能与台式机类似 一体化结构 耗电更少 并配有电池 可在没有交流电源的场合使用 可装在文件包中 微型计算机 微机 Microcomputer 掌上型电脑 Palmtop 个人数字助理 PDA PersonalDigitalAssistant 向用户提供专门的功能 靠电池供电 可装在衣袋中 有些已具有无线通信能力 是嵌入式计算机的一类 工作站 Workstation 以联网为标志 计算能力比台式机更强 特别是在图形处理方面 价格比台式机高得多 随着台式机能力的不断提高 有可能被台式机所替代 服务器 Server 一种在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备 可分为文件服务器 通信服务器 打印服务器等 IBMz系列z900服务器 IBMz系列z990服务器 网络计算机 netcomputer 一种在网络环境下使用的终端设备 其特点是内存容量大 显示器的性能高 通信功能强 但本机中不一定配置外存 所需要的程序和数据存储在网络的服务器中 网络计算机 1 4计算机科学与技术学科概述 计算学科是对描述和变换信息的算法过程 包括对理论分析 设计 效率 实现和应用等进行的系统研究 它来源于对算法理论 数理逻辑 计算模型 自动计算机器的研究 并与存储式电子计算机的发明一起形成于20世纪40年代初期 计算学科的研究包括了从算法与可计算性的研究到根据可计算硬件和软件的实际实现问题的研究 这样 计算学科不但包括从总体上对算法和信息处理过程进行研究的内容 也包括满足给定规格要求的有效而可靠的软硬件设计 它包括所有科目的理论研究实验方法和工程设计 1 4 1计算学科的定义 1 4 2计算学科的本质 计算学科的根本问题是 什么能被有效地自动进行 计算学科的根本问题讨论的是能行性的有关内容 而凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的 因为非离散对象 连续对象 是很难进行能行处理的 因此能行性这个计算学科的根本问题决定了计算机本身的结构和它处理的对象都是离散型的 许多连续型的问题也必须在转化为离散型问题以后 才能被计算机处理 例如计算定积分就是把它变成离散量 再用分段求和的方法来处理的 1 4 2计算学科的本质 美国计算机协会 ACM 和美国电气和电子工程学会计算机分会 InstituteofElectricalandElectronicsEngineers ComputerSociety IEEE CS 发布了 计算学科2001教程 ComputingCurricula2001 CC2001 中国计算机学会和阿全国高等学校计算机教育研究会在学习和研究了CC2001教程后 发布了 中国计算机科学与技术学科教程2002 ChinaComputingCurricula2002 CCC2002 提取了计算学科中具有方法论性质的12个核心概念 1 绑定 Binding 2 大问题的复杂性 ComplexityofLargeProblems 3 概念和形式模型 ConceptualandFormatModels 1 4 2计算学科的本质 4 一致性 Consistency 和完备性 Completeness 5 效率 Efficiency 6 演化 Evolution 7 抽象层次LevelsofAbstraction 8 按空间排序 OrderinginSpace 9 按时间排序 OrderinginTime 10 重用 Reuse 11 安全性 Security 12 折衷 Tradeoff 和结论Consequences 1 4 3计算学科的三个过程 计算学科的实质是学科方法论的思想 其关键问题是抽象 理论和设计三个过程相互作用的问题 1 理论2 抽象3 设计 1 4 4计算学科新的应用领域及未来的发展 1 Internet带来的深刻影响2 多媒体技术带来的新的应用领域3 嵌入式系统4 人工智能 1 5计算机科学与技术学科的知识体系 计算机科学是从电子学 科学 数理逻辑和计算数学的交界处发展起来的 CC2001和CC2002教程鼓励计算机科学和工程中教学计划的多样性 并要求有公共内核 该内核定义成一系列知识单元 可用这些知识单元组合课程 CC2001和CCC2002教程中把学科所包含的教学内容归结为14个知识体 提炼出了更精简的核心知识单元 为了适应目前技术和应用的需要 CC2001和CCC2002教程提出把原来的计算学科划分成计算机科学 计算机工程 软件工程 信息系统等四个方向 并准备分别制订各自的教学计划纲要 1 5 1计算机科学与技术学科的形成与发展 1 5 2计算机科学与技术学科定义 计算机科学与技术借鉴数学的公理化思想来全面阐述了计算学科的科学问题 抽象 理论和设计三个学科形态 计算学科的核心概念 科学方法等 阐明了计算学科各主领域发展的基本规律及各领域的内在联系 构建了一个系统化 逻辑化的认知模型 让人们清晰透彻地了解了学科脉络 从整体上把握学科的学习研究方法 计算机科学方法论有助于人们正确理解计算学科中所蕴涵的科学思维方法 总结和提升计算学科所积累的各种方法和经验 树立正确的思想原则 把握正确的研究方向 计算机科学技术是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取 表示 存储 处理 控制等的理论 原则 方法和技术的学科 包括科学与技术两方面 科学侧重于研究现象 揭示规律 技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段 1 5 2计算机科学与技术学科定义 1 5 3计算机科学与技术学科的根本问题及研究范畴 计算机科学与技术学科的根本问题是什么能被有效地自动化 计算机科学技术的研究范畴包括计算机理论 硬件 软件 网络及应用等 按照研究的内容 也可以划分为基础理论 专业基础和应用三个层面 计算机理论的研究包括离散数学 算法分析理论 形式语言与自动机理论 程序设计语言理论 程序设计方法学 计算机硬件的研究包括元器件与存储介质 微电子技术 计算机组成原理 微型计算机技术 计算机体系结构 计算机软件的研究包括程序设计语言的设计 数据结构与算法 程序设计语言翻译系统 操作系统 数据库系统 算法设计与分析 软件工程学 可视化技术 计算机网络的研究包括网络结构 数据通信与网络协议 网络服务 网络安全 计算机应用的研究及人 机工程包括计算机应用的研究 软件开发工具 完善既有的应用系统 开拓新的应用领域 人 机工程 研究人与计算机的交互和协同技术 1 5 3计算机科学与技术学科的根本问题及研究范畴 1 5 4计算机科学课程体系的核心内容 计算学科课程体系的教学内容归结为14个知识体1 离散结构 PS 2 程序设计基础 PF 3 算法与复杂性 AL 4 组织与体系结构 AR 5 操作系统 OS 6 网络计算 NC 7 程序设计语言 PL 8 人 机交互 HL 9 图形学和可视化计算 GV 10 智能系统 IS 11 信息管理 IM 12 软件工程 SE 13 数值计算科学 CN 14 社会和职业问题 SP 1 6计算机科学与技术学科的教育 计算机科学与技术学科的发展速度是非常快的 计算机软 硬件系统的不断更新 有限的在校时间与不断增长的知识的矛盾更为突出 戈登 摩尔 GordonMoore Intel公司创建人之一 曾预言微处理器的处理能力每18个月到24个月将增加一倍 这个定律就是 摩尔定律 Moore sLaw 网络技术迅速发展给人们的工作和生活提供了新的方式 计算机科学与技术的教育除了受到计算机技术发展的影响外 同时还受到文化与社会发展的影响 1 6 1教育的目的和基本要求 教育的目的是培养在计算机领域的工作能力 包括面向学科的思维能力和使用工具的能力 培养计算机能力的过程有五个步骤 1 激发学习计算机的激情 2 阐明计算机的应用领域 3 揭示计算机的特色 4 弄清计算机特色的历史根源 5 实践计算机的特色 计算机科学与技术学科最初来源于数学学科和电子学科 学生除了要掌握本学科的各个知识领域的基本知识和技术外 还必须具有较扎实的数学功底 掌握科学的研究方法 熟悉计算机如何得以实际应用 并具有有效的沟通能力和良好的团队工作能力 1 6 2学习方法 学习方法主要有以下几个方面 1 学习计划的制定2 常规学习方法 1 课前预习 2 上课听讲 3 课后复习 4 作业与操作 5 小结3 理论 抽象 设计三个过程的学习方法 1 第一个过程 理论 2 第二个过程 抽象 3 第三个过程 设计4 确定有计划的学习方法 提高学习质量 1 7本章小结 计算机科学的研究范畴包括了计算机理论 硬件 软件 网络及应用等 本章从计算机产生的历史背景开始 介绍了计算机的基本概念 类型 特点 计算机科学与技术学科的定义 计算机科学与技术学科的知识体系 计算机的应用 发展趋势 计算机科学与技术学科的教育等基本概念 阐述了Internet对信息化社会的影响以及信息化社会对计算机知识的需求 通过本章的学习 应理解计算机的基本概念 信息化社会的特征以及信息化社会对计算机人才的需求 并初步了解计算机科学技术的研究范畴 明确今后学习的目标和内容