信息科学导论.ppt

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1、信息科学导论,2019/8/23,2,学生计算机基础调查,从来没用过计算机 聊天、玩儿游戏 文字编辑、PPT等 上网、查找学习资料 组装过个人计算机 写过程序 参加过中学生信息奥林匹克竞赛,3,学生计算机基础调查,非常喜欢计算机专业 调剂过来的，不喜欢计算机专业 不知道，家长给填报的志愿 无所谓，反正已经念上了 既来之，则安之！ 热爱自己的专业，学好自己的专业！ 树立目标，合理规划，不虚度大学时光！,4,课程性质,课程性质：综述性、导引型课程 粗线条介绍，作用：旅游出发前浏览地图。 教学要求：了解、理解 学习知识的四个层次：了解、理解、掌握、应用。 不要求弄懂技术细节，后续课程会学习。 教学目

2、标：学完本课程，学生可以“知其然，但不知其所以然”，学生应该了解计算机学科的各个主题并充满了兴趣和好奇，同时又产生了太多的不理解和疑问，非常渴望探索其中的科学道理。,5,计算机科学导论侯惠芳 张雪萍 刘素华主编，北京邮电大学出版社，2007年11月第1版； 计算机科学概论（原书第2版）美Nell Dale John Lewis，机械工业出版社，2005年9月第1版； Computing Essentials，Timothy J. OLeary Linda I. OLeary，高等教育出版社,参考书目：,联系方式:guolijuan_,6,授课方式与成绩评定,课堂讲授和演示 自学和书面作业 成绩

3、评测 实验及考勤 30% 期末考试 70%,7,澄清一个认识,8,用户与专业人员的区别,9,启示？,计算机应用技术应用计算机技术 对于从事计算机系统的研究、发展、设计和制造的专业人员来说，不仅要懂得计算机系统的原理，还要懂得计算的原理。 什么是计算机系统？什么是计算？ “计算机学科概论”这门课是学习的开端 今后的课程将从不同的角度回答这两个问题 四年后，同学们应当自己回答这两个问题,10,计算机学科的 基础知识 计算机学科的 专业知识,计算机科学专业知识体系,数学知识,物理学及电子学知识,学科基础知识,学科专业知识,高等数学,线性代数,概率与数理统计,离散数学,大学普物,电路分析基础,模拟电子

4、技术,数字逻辑电路,计算机导论,高级语言程序设计,面向对象程序设计,数据结构,操作系统,编译原理,数据库系统原理,软件工程,计算机图形学,人工智能,11,1.1.1 计算机的发展 1.1.2 计算机的特点与分类 1.1.3 微型计算机的发展 1.1.4 计算机的应用,1 计算机基础,1.1 计算机的发展及分类,12,第 1 章 计算机基础,本章讨论的主要问题是： 1. 计算机是计算工具吗？计算机出现之前人类用什么作为计算工具？ 2. 计算机从诞生到现在经历了怎样的发展变化？未来的计算机可能是什么样的？ 3. 我们大多数人接触过微型计算机，常识告诉我们微型计算机只是计算机家族的一员，还有哪些种类

5、的计算机？ 4. 计算机内部是什么样的？计算机是如何进行工作的？从文字处理到卫星导航，计算机神通广大的原因是什么？ 5. 计算机系统在今天的生产生活中有哪些重要的应用？,13,第 1 章 计算机基础,人与其他动物的根本区别是制造工具、使用工具,还有什么启示？,14,情景问题无处不在的计算机,画图 娱乐 模拟世界上的事物 制作影视特技 帮助人进行决策 帮助人进行设计 帮助人制定计划 ,科学计算 处理文字 制作图案 数据管理 控制其他机器 游戏 发送消息 识别语音,计算工具信息处理机,15,中国古书中记载“上古结绳而治”。 拉丁文中“Calculus”的原意是用于计算的小石子。 计算工具：手指，采

6、用十进制。 绳子、石子的用途：延长手指的计算能力和存储能力。,远古时代,古巴比伦人采用 60 进制， 玛雅人采用 20 进制。,计算机的发展早期计算工具,1.计早期的计算工具,16,算筹：第一个人造计算工具。 我国古代劳动人民最先创造和使用了这种简单的计算工具。 南北朝时期，祖冲之用算筹作为计算工具将圆周率精确到3.1415926和3.1415927之间。,春秋时期,计算机的发展早期计算工具,17,示例：计算 206 + 15,阿拉伯数字是由古印度人民发明的，12世纪由阿拉伯人传入欧洲。,祖冲之如何用算筹计算圆周率？,人类为什么要发明计算工具？,计算机的发展早期计算工具,18,算盘：计算工具发

7、展史上第一次重大改革。 我国古代劳动人民创造的。 在英语中，算盘有两种拼法：abacus 和 Suan-Pan。 算盘由算筹演变而来，并且和算筹并存竞争了一个时期，终于在元代后期取代了算筹。,元代后期,计算机的发展早期计算工具,19,Napier算筹：英国人发明。 用加法操作来实现乘法操作。,1617 年,计算机的发展早期计算工具,20,示例：计算 25 8,从Napier算筹可以得到什么启示？,将复杂运算转换为简单运算。,计算机的发展早期计算工具,21,数学原理：根据对数原理，在两个圆盘的边缘标注对数刻度，然后让它们相对转动，基于对数原理用加减法来实现乘除运算。 18世纪末，瓦特在尺座上添置

8、了一个滑标。,1621 年,对数计算尺：英国人发明。,计算机的发展早期计算工具,22,计算机的发展早期计算工具,23,机械式计算工具,机械：利用力学原理组成的各种装置，如杠杆、滑轮以及枪炮等（新华字典）。,滑 轮,计算机的发展早期计算工具,24,帕斯卡加法器：法国人发明。 背景：钟表技术、齿轮技术。 帕斯卡加法器由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位。,1642 年,启示：可以用机械工具来模拟人的思维活动。,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,25,莱布尼茨四则运算器：德国人发明。 工作原理同帕斯卡加法器，能进行四则运算。 乘法运算采用进位-加，后来演化为二

9、进制，被现代计算机采用。,1673 年,机械的含义？,需要手动上发条，然后就可以机械地实现计算手动机械。,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,26,1673 年,手动上发条相当于现代计算机的什么操作？,输入操作，如果找不到输入信息的机械方法，那么就不是真正意义上的机械式计算工具。,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,莱布尼茨四则运算器：德国人发明。 工作原理同帕斯卡加法器，能进行四则运算。 乘法运算采用进位-加，后来演化为二进制，被现代计算机采用。,27,穿孔卡片：法国人发明。 Joseph Jacquard（雅各）发明了可编程织布机，通过读取穿孔卡片上的编码信息来自动控制织布机的

10、编织图案。,1804 年,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,28,穿孔卡片：本质上是一种输入设备。 20 世纪 70 年代还在普遍使用。,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,29,1822 年,差分机：英国人（巴贝奇）发明。 背景：英国工业革命，航海和天文计算。 差分机原理：任何连续函数都可以用多项式严格地逼近，例如：,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,30,1822 年,差分机：英国人（巴贝奇）发明。 背景：英国工业革命，航海和天文计算。 采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据使计算工具从手动机械跃入自动机械。,难点和关键是什么？,不仅输入信息需要机械化，而且操作信息也要机

11、械化。,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,31,分析机：英国人（巴贝奇）发明。 背景：瓦特发明了蒸气机。 以齿轮为元件、以蒸汽为动力。虽然没有实现，但意义重大，采用了具有现代意义的装置： （1）存储装置 （2）运算装置 （3）控制装置 （4）输入和输出装置,1832 年,计算机的发展早期计算工具,机械式计算工具,32,机电：机械和电子设备的总称（新华字典）。,计算机的发展早期计算工具,机电式计算机,33,制表机：美国人发明。 背景：机电技术、美国人口普查，参与了美国1890年的人口普查工作。 第一台可以自动进行加减乘除运算、累计存档、制作报表的机电式计算工具。 输入、输出、存储均用穿孔

12、卡片。 人类历史上第一次利用计算工具进行大规模数据的自动处理。,1886 年,计算机的发展早期计算工具,机电式计算机,34,Z-1计算机：德国人朱斯（zuse）发明。先后研制出Z-2、Z-3、Z-4。 第一台采用二进制和继电器的通用程序计算机。二进制、浮点记数法、带存储地址的指令等思想已经有人提出，但朱斯第一次将这些思想具体实现。,1938 年,启示：站在巨人的肩膀上，怎么才能站上去呢？ 多读书，读好书,计算机的发展早期计算工具,机电式计算机,35,1937年英国数学家图灵(1912 -1954)提出了著名的“图灵机”的模型，探讨了计算机的基本概念，证明了通用数字计算机是能够制造出来的。为了纪

13、念图灵对计算机科学的重大贡献，美国计算机协会设有图灵奖，每年授予在计算机科学领域作出特殊贡献的人。,1943 年,计算机的发展-图灵和图灵机,36,一条无限长的工作带：工作带上的每个元可以存放一个符号；所有允许出现的符号属于一个预先规定好的字母表。,计算机的发展-图灵和图灵机,一个读写头：读写头可以左移一个单元、右移一个单元或者保持不动。,37,一个控制器：控制器在每个时刻处于一定状态，当读写头从工作带上读出一个符号后，控制器就根据这个符号和当时的机器状态，指挥读写头进行读写或者移动，并决定是否改变机器状态。,计算机的发展-图灵和图灵机,38,那么，图灵机怎样进行运算呢？例如做加法3+2=？

14、开始先把最左单元放上特殊的符号B，表示分割空格，它不属于输入符号集。然后写上3个“1”，用B分割后再写上2个1”，接着在再填一个B，相加时，只要把中间的B修改为“1”，而把,计算机的发展-图灵和图灵机,最左边的“1”修改为B，于是机器把两个B 之间的“1”读出就得到3+2=5。由于计算过程的直观概念可以看成是能用机器实现的有限指令序列，所以图灵机已被认为是过程的形式定义。,39,1941年，朱斯向德国政府申请基金用来建造计算机，用于破译敌人的密码，德国政府没有批准。 与此同时，英国政府秘密组建一个由科学家和工程师组成的绝密小组，1943年，图灵等人研制成功Colossus（巨人计算机），使得英

15、国军方能够窃取并破译德国的军事情报。,1943 年,计算机的发展-图灵和图灵机,40,莫克利,埃克特,1943 年,ENIAC：美国人发明。 背景：军械部为计算弹道和射击表启动的计划，宾夕法尼亚大学。,计算机发展第一台电子数字计算机,电子计算机,41,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒 体重约30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW/小时,42,John von Neumann 冯诺依曼,1949 EDVAC,计算机的发展-冯诺依曼,存储程序工作原理： 计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（

16、内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,43,4. 冯诺依曼,冯诺依曼1903年出生，1921年至1925年他先后在柏林和苏黎世学习化学，1926年获得苏黎世化学工程文凭和布达佩斯数学博士证书。1930年他以客座讲师身份到美国普林斯顿大学讲学，次年应聘为普林斯顿大学教授。,冯诺依曼介入ENIAC的工作是偶然的。冯诺依曼到达莫尔学院计算机研究实验室看了研制中的计算机之后，提的第一个问题就是这台计算机的逻辑装置和结构，而这正是莫克利等人所谓判别真正的天才的标志。 冯诺依曼对ENIAC机不足之处进行认真分析，并讨论全新的存储程序的通用计算机方案。当军方要求比ENIAC性能更好的计算机时，他便提出EDVAC（埃德瓦克）方案。,44,计算机是一种可以自动处理信息的工具。 计算机是一种能快速高效自动