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1、2020/7/10,计算机科学导论,学习计算机专业的第一门基础课程，本课程将会带领大家遨游计算机海洋！,2020/7/10,计算机科学导论的地位和作用,作为入门性课程 学生不需要特殊的预备知识，立足于建立对计算机学科的正确认识，并为今后的深入学习做好铺垫。 作为专业基础课程 注重基础知识的完备性，从计算机发展历史讲起，对计算机分类、软件分类、硬件设备、二进制概念、网络基础、程序设计、计算机文化等均有覆盖，帮助学生建立完整视野。 作为工具性课程 引导学生了解计算机学科的主要理论，初步掌握一些关键知识和技术。,2020/7/10,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
2、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？,2020/7/10,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。 George Beekman 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。 Jamie Shiers,2020/7/10
3、,电子数字计算机,电子数字计算机(Electronic Digital Computer)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。,2020/7/10,第一章 概 述,本章学习目标 1了解计算机的发展前史。 2了解计算机的发展与应用。 3掌握现代计算机模型。 4掌握计算机应用系统的计算模式。 5了解计算学科与其相关的课程体系。,2020/7/10,1.1 计算机的发展前史,计算机的产生
4、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。,2020/7/10,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(429500年)借助算筹作为计算工具计算出圆周率,1. 算筹,2020/7/10,2. 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,2020/7/10,3. 机械
5、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,2020/7/10,3. 机械计算机,法国科学家布莱斯帕斯卡(Blaise Pascal：16231662年)是被公认为是制造出机械计算机的第一人。,2020/7/10,3. 机械计算机,2020/7/10,4. 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 。,2020/7/10,4. 提花机,法国机械师约瑟夫杰卡德(Joseph Jacquard)，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。,2020/7/10,5. 差分机和分析
6、机,英国剑桥大学著名科学家查理斯巴贝奇(Charles Babbage：17921871年)在1822年研制出第一台差分机。,Babbage(17921871年),2020/7/10,5. 差分机和分析机,阿达奥古斯塔(Ada Augusta：18151852年)是计算机领域著名的女程序员。,Ada(18151852年),2020/7/10,6. 模拟计算机,19世纪末，赫尔曼霍列瑞斯(Herman Hollerith：18601929)首先用穿孔卡完成了第一次大规模数据处理。,2020/7/10,6. 模拟计算机,托马斯沃森(T.Watson)和IBM,2020/7/10,6. 模拟计算机,
7、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,2020/7/10,6. 模拟计算机,英国数学家布尔(G.Boole：18151864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,2020/7/10,6. 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
8、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。,2020/7/10,6. 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。,2020/7/10,6. 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
9、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。,2020/7/10,Z3 重建Z1 Z4 老年楚泽（中） 数字计算机之父,2020/7/10,6. 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。,2020/7/10,1.2 计算机的发展与应用,1.2.1电子计算机的发展 数字电子计算机（Ele
10、ctronic Computer）是一种能自动地、高速地、精确地进行信息处理的电子设备，是20世纪最重大的发明之一。在计算机家族中包括了机械计算机、电磁式计算机、电子计算机等。电子计算机又可分为模拟电子计算机和数字电子计算机，通常人们所说的计算机就是指数字电子计算机，它是现代科学技术发展的结晶，特别是微电子、光电、通信等技术及计算数学、控制理论的迅速发展带动计算机不断更新。,2020/7/10,1.电子计算机的产生,1943年，美国为了解决新武器研制中的弹道计算问题而组织科技人员开始了电子数字计算机的研究。1946年2月，电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integ
11、rator And Calculator，ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它是世界上第一台数字电子计算机。,2020/7/10,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。,2020/7/10,2.电子计算机的发展,自1946年第一台数字电子计算机诞生以来，计算机发展十分迅速，已经从开始的高科技军事应用渗透到了人类社会的各个领域，对人类社会的发展产生了极其深刻的影响。,2020/7/10,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
12、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。,2020/7/10,2020/7/10,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
13、的复杂性。 其代表机型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。,2020/7/10,2020/7/10,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(Integrated CircuitIC)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
14、许多科学技术领域。 其代表机器有：IBM360系列、富士通F230系列等。,2020/7/10,2020/7/10,第四代计算机(1972年),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。,2020/7/10,202
15、0/7/10,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。 已经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。,2020/7/10,3.微型计算机的发展,微型计算机指的是个人计算机（Personal Computer, PC
16、），简称微机。其主要特点是采用微处理器（Micro Processing Unit, MPU）作为计算机的核心部件，并由大规模、超大规模集成电路构成。 微型计算机的升级换代主要有两个标志：微处理器的更新和系统组成的变革。微处理器从诞生的那一天起发展方向就是：更高的频率；更小的制造工艺；更大的高速缓存。随着微处理器的不断发展，微型计算机的发展大致可以分为以下几代。,2020/7/10,第一代（19711973年）是4位和低档8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel4004、Intel8008。集成度为2000晶体管/片，时钟频率为1MHz。 第二代（19741977年）是8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel公司的Intel8080、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等。集成度为5000晶体管/片，时钟频率为2MHz。同时指令系统得到完善，形成典型的体系结构，具备中断、DMA等控制功能。 第三代（19781984年）是
