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1、计算机科学与技术专业导论第六讲 Lecture Six计算学科的科学方法 计算机的发展与应用计算机科学与技术专业导论计算学科中的数学和 解决复杂问题的科学方法o 计算学科中的数学方法 o 系统科学的基本方法 o 信息处理及信息系统 o 结构化方法 o 面向对象的方法 o 面向服务的架构 o 核心概念计算机科学与技术专业导论计算机的发展与应用 -发展规律、应用领域o 计算机的发展史和走向 o 计算机技术(硬件、软件、网络） o 计算机应用技术 o 硅谷的秘密计算机科学与技术专业导论计算学科中的数学方法o 计算学科中常用数学概念和术语 n集合 n函数和关系 n字母表、字符串和语言 n布尔逻辑 n定
2、义、定理和证明 o 数学方法概述 n证明方法 n递归和迭代 n公理化方法 n形式化方法计算机科学与技术专业导论计算学科中的数学方法o 数学的基本特征 n高度抽象性 n逻辑的严密性 n普遍的适用性 o 数学方法的作用:为科学技术研究提供 n简洁精确的形式化语言 n数量分析和计算的方法 n逻辑推理的工具计算机科学与技术专业导论计算机科学中的系统科学方法o 系统的定义 n 系统是由相互联系和相互制约的若干组成部分 结合而成的、具有特定功能的有机整体。 o 系统的基本模型（图6-1） o 系统的基本要素 - 六个要素 n 系统（功能）、输入、输出、边界、组织、环 境（系统的例子） o 系统的特性 n
3、整体性、相关性、功能性、协调性、支持性计算机科学与技术专业导论处理处理反馈输入输出一个简单的系统模型图6-1有反馈控制的系统模型输入输出计算机科学与技术专业导论系统科学的基本思想o 系统科学的基本概念 n系统和子系统（图6-2） n结构和结构分析 n层次和层次分析 (图6-3) n环境、行为和功能 n状态、演化和过程 o 系统科学遵循的一般原则 n整体性原则、动态原则、最优化原则、模型化原则 o 常用的几种系统科学方法 n系统分析法、信息方法、功能模拟方法、黑箱方法、 整体优化方法计算机科学与技术专业导论图6-2 系统与子系统：一种系统复杂性的分解方法子系统 3-1子系统 3-3子系统 3-2
4、子系统 1-1子系统 2-1子系统 2-2输入输出计算机科学与技术专业导论系统名称 0000主功能 2100子系统3000子系统2000子系统1000主功能 2200主功能 3100主功能 3200子模块 3111子模块 1112子模块 1111子模块 3112主功能 1200主功能 1100子功能 3110子功能 3120子功能 1120子功能 1110图6-3 层次结构图计算机科学与技术专业导论信息系统与信息处理o 信息系统的定义 n以计算机和各种信息技术为基础，为实现某个系统目标 ，由信息资源处理模型支持的，由计算机软硬件设备通 信和网络设备、信息资源、用户、规章制度等所组成的 信息处理
5、的统一体。 o 信息系统的功能 n对信息的采集、处理、存储、管理、检索和传输并能向 有关人员提供有用信息。 o 信息系统的类型（系统的例子）计算机科学与技术专业导论结构化方法（Structured Methodology)o 结构化方法的产生和发展 ngoto语句是有害的引发的争论 o 结构化方法 n一种典型的系统开发方法，采用系统科学思想,从层次 角度自顶向下地分析和设计系统(如下图)。 n结构化分析（SA)、结构化设计（SD)、结构化程序设 计（SP).SA/SD属抽象形态，SP是设计形态。 o 结构化方法遵循的基本原则 n抽象、分解、模块化 o 结构化方法的核心问题 n建立模型（简称建模
6、）-通过需求分析计算机科学与技术专业导论面向对象的方法（Object-Oriented:OO)o 面向对象的方法的产生和发展 n 起源于面向对象语言：Simula(67)、 Smalltalk-80、Objective C(86)、C+(86) o 面向对象的方法的基本思路 n “分类学理论”的构造法则o 区分对象及其属性； o 区分整体对象及其组成部分 o 形成并区分不同对象的类计算机科学与技术专业导论面向服务的架构 （SOA: Service-Oriented Architecture )o 是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单 元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接 口和契约联系
7、起来。 o 接口是采用中立的方式进行定义的，它应该独 立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语 言。 o 使得构建在各种各样的系统中的服务可以以一 种统一和通用的方式进行交互。案例计算机科学与技术专业导论计算学科中的核心概念o 算法 (Algorithm) o 数据结构 (Data Structure) o 程序 (Program = 算法+数据结构） o 软件（Software= 程序+文档) o 硬件 (Hardware 物理器件、部件和设备)计算机科学与技术专业导论计算学科中的核心概念-算法n算法的定义 o 非形式定义:一个算法就是有穷规则的集合,其中的规则 规定了一个解决某一特定类型问
8、题的运算序列. o 形式化定义 n算法的重要特征 o 有穷性、确定性、输入、输出、能行性 n算法的表示方法 o 自然语言、流程图、伪代码、程序设计语言 n算法分析 o 时间复杂度、空间复杂度、可读性 o 复杂度: 6级，用“O”表示，时空可转换计算机科学与技术专业导论计算学科中的核心概念-数据结构o 数据结构基本概念 n数据结构的组成 n形式化定义 n数据的存储结构 n基本运算内容o 常用数据结构 (DSDemoW)n线性表 n数组 n树和二叉树 n图计算机科学与技术专业导论o 核心概念 n具有普遍性、持久性的重要思想、原则和方法 o 基本特征 n在学科中多次出现； n在各分支领域及抽象、理论
9、和设计的各个层面上都有 很多示例； n在技术上有高度的独立性； n一般都在数学、科学和工程中出现。计算机科学与技术专业导论CC1991报告提取的核心概念*o 绑定（Binding) o 大问题的复杂性 (Complexity) o 概念和形式模型 (conceptual and Format Models) o 一致性和完备性 (Consistency and Completeness) o 效率(Efficiency) o 演化(Evolution)o 抽象层次(Abstraction) o 按空间排序(Ordering in Space) o 按时间排序(Ordering in Time)
10、 o 重用(Reuse) o 安全性(Security) o 折衷和结论(Tradeoff and Consequences)计算机科学与技术专业导论计算机的发展史o第一代计算机，从1946年到1954年 n第一台计算机EN1AC开始，它的特征是采用电子管(electron tube/vacuum tube)作为元件。从EN1AC机占地面积111平方米。 o第二代计算机，从1955年到1964年 n它的特征是用晶体管(transistor)代替了电子管，缩小了计算机的体积，从 而对计算机的普及和应用产生了深刻的影响。 o第三代计算机，从1965年到1974年 n它的特征是用集成电路(integ
11、rate circuit,IC)代替了分立晶体管，从而使 电子器件的集成度提高了 (LSI:Large Scale Integration(of Circuits). o第四代计算机，从1975年至今 n它的特征是以大/超规模集成电路电路的(Very large scale integration,VLSI)为计算机的主要功能部件。它的密度可达每平方毫米上 分布几百个到几千个电子元件。 o第五代计算机 ？ n巨型化,微型化,网络化,智能化 n光学计算，量子计算，生物计算，分子(DNA)计算,神经网络计算 计算机科学与技术专业导论计算机的发展史-高性能计算机o 萌芽阶段（1964-1975） n
12、1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台巨型计算机，其运算速度为 1Mflops。随后于1974年，诞生了世界上最早的SIMD阵列计算机-ILLIAC- IV并行机。 o向量机鼎盛阶段（1976-1990） n1976年，CRAY公司推出CRAY-1向量机，开始了向量机的蓬勃发展，其峰值 速度为0.1Gflops. n1985年，CRAY-2，1G flops, 向量机处理对提高计算机运算速度十分有利 ，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于时钟 周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太可能。 o大规模并行处理MPP蓬勃发展阶段（1990年至今） nMP
13、P机时代。各种新技术层出不穷，大公司也纷纷介入。其中，1996年12月宣布的ASCI RED，运算速度超过了万亿次/秒。截至2000年6月，世界上已有14万亿次机，超过3000 亿次机62台。排名世界前10名的均为MPP。 n我国的银河III巨型计算机（1997.6）采用分布共享存储结构，峰值性能达到每秒130 亿浮点运算 计算机科学与技术专业导论计算机的发展史-微型机o第一代微型机(19711972年) n1971年美国Intel公司首先研制成4004微处理器，它是一种4 位微处理器，随后又研制出 8 位微处理器Intel 8008。 o 第二代微型机(19731977年) n第二代微型机的
14、微处理器都是8位的，但集成有了较大的提 高。典型产品有Intel公司的8080，Motorola公司的6800和 Zilog 公司的 Z80 等处理器芯片。 o第三代微型机(19781981年) n1978年 Intel 公司生产出16位微处理器8086，标志着微处 理器进入第三代，其性能比第二代提高近10倍。 o第四代微型机(1981年至今) n随着半导体技术工艺的发展，集成电路的集成度越来越高， 众多的 32 位高档微处理器被研制出来，典型产品有 Intel 公司的 Pentium 系列；其性能可与20世纪70年代的大，中 型计算机相媲美。计算机科学与技术专业导论计算机的发展走向o 197
15、6提出“摩尔定律”, 至2025年有效。 n摩尔定律（Moores Law)：有关电脑发展速度和规模的经验 n摩尔定律是1965年英特尔联合创始人高顿-摩尔(Gordon Moore) 为 全球芯片行业确立的基本准则，主要内容是：芯片中所使用的晶体管 数量每18个月到两年就增加一倍，计算处理能力也随之提升一倍 o 现在进入技术成熟期（有待突破） n 计算机主流系统 o盈利点在下降 n 应用程度提高 o多样性 n 深入到各个领域 o会有一天感觉不到她-结论：即年轻，又成熟 o 服务模式创新计算机科学与技术专业导论计算机技术-硬件o电路的故事 n1947,半导体（晶体管），第一家半导体公司 n19
16、58,平面工艺和集成电路 n1968，Intel公司，微处理器的发明 4004-8080 oIBM 360的故事 n1950开始研制电脑 n1961 IBM S/360 nS/360的总体方案 o微机的故事 n牵牛星8800（Altair 8800) :世界上第一台微机 n比尔.盖茨和微机上的BASIC n苹果电脑 nIBM PC和MS DOS n联想的故事计算机科学与技术专业导论计算机技术-网络o 因特网（Internet) n 60年代开始，ARPAnet, Ethernet， TCP/IP o 万维网 (www或Web: World Wide Web) n 72年， FTP, Telnet, BBS, E-mail, CERN, Hypertext, URL,HTTP, HTML, Netscape Nevigator, Yahool (搜索引擎） o 网格 (Grid)、物联网、云计算计算机科学与技术专业导论计算机技术-软件o 什么是软件 n四层：固件、系统软件、中间件、应用软件 n机器语言、汇编
