第五章 计算机科学与技术“十二·五” 普通高等教育本科国家级规划教材 《电子信息科学与技术导论》第二版 计算机科学与技术是电子信息科学技术领域中的基础学科，它几乎应 用到了所有的科学技术领域，不论是自然科学，还是社会科学计算机科 学与技术包括科学与工程技术两方面，两者互为作用，高度融合计算机科学与技术”（一级学科）研究的主要内容可概括为计算机 科学理论、计算机软件、计算机硬件、计算机系统结构、计算机应用技术 等领域在“计算机科学与技术”一级学科下又设置了三个二级学科，即 ：“计算机系统结构”，“计算机软件与理论”和“计算机应用技术”计算机系统结构”主要研究软件与硬件的功能匹配，确定软件与硬 件间的关联；研究计算机系统的物理或硬件结构、各组成部分的属性以及 这些部分的相互联系计算机软件与理论”主要研究软件开发（生产） 、维护以及使用过程中所涉及的理论、方法和技术，探讨计算机科学与技 术学科发展的理论基础计算机应用技术”着重研究计算机用于各个领 域所涉及的原理、方法与技术，它是计算机产业和本学科发展的动力和源 泉本章将针对计算机科学与技术学科的主要理论和技术进行简单的介绍 ，以便读者对本学科有一个基本的了解，为今后进一步深入学习本学科的 知识打下基础。
前 言第5章 计算机科学与技术 一二三四5.1 概述5.2 计算机的硬件系统5.3 计算机的软件系统5.4 计算机科学技术的发展 5.5 计算机技术的应用5.1 概述发展历史研究领域计算机 ？组成 结构功能分类 特点初步认识功能1、计算 2、模拟、思维、自适应反馈处理等对各种数字化信息进行高速运算和处理数值计算、数据处理 、自动控制 、辅助工程 、 辅助教学、人工智能 、计算机通信 、娱乐活动 用 途通用机 专用机组成 结构分类 特点巨型机：国防、科学计算 大/中：科学计算、数据处理网络服务器 小型：工业控制、数据采集 微型：商业、服务业、办公自动化、信息处理 单片机：控制 结构复杂性、性能、价格、 依次递减软件硬件软件：程序和有关文档的总称巨型机微机处理速度快 计算精度高 记忆能力强 可靠的逻辑判断能力 可靠性高，通用性强 ……发展历史１．计算机的发展历史世界上第一台电子计算机 ———— 诞生于1946年2月14日ENIAC 1943年，战火纷飞的二次大战 计算火炮和高射炮射击时的弹道 23岁 埃克特 庞然大物2．计算机科学的发展历史发展历史世界上第一台电子计算机 ———— 诞生于1946年2月14日ENIAC 耗资近50万美元。
占地170多平方米， 有三层楼高， 重30多吨5000次/秒加法运算 是手工的20万倍、继电器计算机的1000倍 计算弹道3秒钟，200人手工计算两个月 它曾在第一颗原子弹的研制过程中发挥了重要作用1955年10月2日，埃尼阿克宣告“退役”ENIAC的问题：线路连接繁琐——1~2天的准备发展历史世界上第一台电子计算机 ———— 诞生于1946年2月14日ENIAC 数学家：冯·诺依曼 引入存储器 —— 冯·诺依曼机科学家：阿兰·图灵 现代计算机 基本结构 理论模型——人工智能发展历史世界上第一台电子计算机 ———— 诞生于1946年2月14日ENIAC 第一代计算机（1951-1958）：第二代计算机（1959-1964）：第三代计算机（1965-1970）：第四代计算机（1971-现在）：机器或汇编语言操作系统和高级语言网络软件工程 目前，正在研究量子计算机、光学计算机、生物计算机等2．计算机科学的发展历史“计算机科学”这个术语 ——1963年Forsythe教授引入创始人——阿兰·图灵 是计算机、计算机技术的升华 植根于电子工程、数学、语言学，是科学、工程和艺术的结晶世界上第一个计算机科学系是由普渡大学在1962年设立 世界上第一个计算机学院于1980年由美国的东北大学设立 最高荣誉是图灵奖，被誉计算机科学的诺贝尔奖。
研究领域(1)计算机系统结构的研究(2)程序设计科学与方法论的研究 (3)软件工程基础理论的研究 (4)人工智能与知识处理的研究 (5)网络、数据库及各种计算机辅助技术的研究 (6)理论计算机科学的研究 计算机科学技术是研究计算机的设计与制造利用计算机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等 的理论、原则、方法和技术的学科它是一门科学性与工程性并重的学科，表现为理论性和实践性紧密结合的特征小结5.2 计算机的硬件系统（二）性能指标（三）工作原理（一）体系结构基本 结构冯· 诺依曼微机 结构进一步认识通过1 二进制√ 十进制3程序控制1、冯·诺依曼体系结构 冯·诺依曼理论现代计算机冯·诺依曼——“计算机之父” 2预先编制程序 存放存储器中1二进制√十进制3程序控制2预先编制程序 存放存储器中2、计算机的硬件组成框图 1、冯·诺依曼体系结构 3、微型计算机的硬件结构 主板3、微型计算机的硬件结构 内存储器运 算 器输 入 设 备控 制 器输 出 设 备ROM RAM系统总线CPU适配器CPU的基本功能：程 序控制 操作控制 时间控制 数据处理主频字长内存容量存取 周期运算 速度（二）性能指标运算器能同时处 理的二进制数据 的位数。
决定计 算机的精度内存中能存贮信 息的总字节数 8个二进制位称 为一个字节存贮器连续两次独 立的“读”或“写”操作 所需的最短时间 单位是纳秒综合性指标 单位为 MIPS（百万 条指令/秒 ）CPU在单位时间内输出 的脉冲数很大程度上 决定了计算机的运行速 度单位是MHz（三）工作原理数据信息 控制信息存储器控制器ROM RAM运算器输入 设备输出 设备就是存储程序和程序控制的原理5.3 计算机的软件系统数据结构数据算法程序 设计操作 系统较深入认识!@#%*&^%tR:”*&%!@”:&%$#&: !@#%*&^%tR:”&%!@”:&程序基本 知识（一）计算机软件的基本知识 为各种应用领域解决某些 具体问题而编制的软件如文字处理软件Word、财务管理软件、辅助教学软件等 程序方法规则文档数据操作系统、 各种程序语言的翻译系统 、 诊断程序和故障处理程序 、 数据库管理系统、 网络软件等系统软件应用软件程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计 程序设计语言（二）程序设计基础 机器语言、汇编语言、高级语言程序设计语言即计算机语言， 用来产生由计算机处理和执行的指令机器语言：用“0”、“1”代码组成， 计算机能直接识别的低级语言。
汇编语言：用能帮助记忆的 英文缩写符号表示， 计算机不能直接识别 高级语言：类似于 人类语言，其 源程序也不 能直接被 识别 程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计 程序设计语言（二）程序设计基础 机器语言、汇编语言、高级语言结构化程序设计即模块化设计，将待开发的 软件系统分为若干相互独立的模块， 这样使完成每一个模块的工作变 的单纯而明确，为设计一些较 大的软件打下了良好的基础 顺序结构、选择结构、循环结构 程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计 程序设计语言（二）程序设计基础 机器语言、汇编语言、高级语言顺序结构、选择结构、循环结构 一般有12个步骤程序设计就是用计算机语言编写程序的过程一般有以下几个步骤： (1)问题定义 (2)划分模块 (3)确定数据结构 (4)确定算法 (5)画出框图或流程图 (6)完成设计计划文档 (7)编写代码 (8)语法检查 (9)运行调试 (10)反复修改调试 (11)系统测试 (12)完成其它文档程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计 程序设计语言（二）程序设计基础 机器语言、汇编语言、高级语言顺序结构、选择结构、循环结构 一般有12个步骤程序设计风格是指一个人编制程序时所表现出 来的特点，习惯，逻辑思路等。
源程序文档化：标识符应按意 取名；程序应加注释 数据说明：顺序应规范， 使数据的属性更 易于查找 语句构造的原则 是：简单直接 输入和输出 效率 （三）数据结构数据结构是指数据之间的相互关系，即数据的组织形式 研究即数据元素 之间的 逻辑关系即数据元素 及其关系在 计算机存储器 内的表示即对数据 施加的操作数 据逻辑结构存储结构数据运算几种典型的数据结构几种典型的数据结构(c)栈的示意图（d）队列的示意图（e）图的示意图（f）树的示意图（四）数据算法数据算法指完成一个任务所需要的具体步骤和方法算法+数据结构=程序有零或多个输入 有一或多个输出 描述必须无歧义 以保结果的确定 有限的步骤 操作的有效性自然语言 伪代码等 图形工具 传统流程图 N-S流程图讨 论比较 逻辑判断重复程序就是用计算机语言描述的算法递归 枚举法 查找算法时间复杂度 空间复杂度 是否易理解 和易维护算法的特性算法的描述常用算法算法评价开始输出m真结束假输入m,n输入m,n输出m直到 为真为止N-S流程图传统流程图数据结构与算法的关系算法实现算法设计数据的 逻辑结构数据的 物理存储结构（五）操作系统 裸机操作系统BIOS应用程序用户硬件的组合 不能独立工作basic input/output system 是一个基本软件系统 提供最基本的计算机操作功能，如接收键盘字符的输入等＋操作系统是基于BIOS之上，用于运行应用软件的一套软件。
负责管理计算机的各种资源，提供操作计算机所需的工作界面分类特 点功能网络 操作系统操作系统型态多样化： 简单操作系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 智能操作系统Windows类 NetWare类 Unix Linux 资源管理 程序控制 人机交互 等操作系统均具有： 并发性、 共享性、 虚拟性、 不确定性 四个基本特征 特征5.4 计算机科学技术的发展 趋势难题高性能 计算机多核较全面认识我国计算机的发展状况技术未来计算机科学发展的云计算大数据（一）高性能计算机新型计算机量子计算机样图原理优实现量子计算机（quantum computer） 是一类遵循量子力学规律 进行高速数学运算和逻辑运算、 存储及处理量子信息的物理装置 1. 量子计算机量子态特性重要思想量子态量子计算机使计算的概念 焕然一新量子的多态性 因而一个量子就可以同时表 示多个二进制比特，因而量子计 算机具有更强的数据处理能力a）量子态的叠加性； （b）量子相干性； （c）量子纠缠性； （d）量子不可克隆 2009年11月15日，世界首台量子计算机正式在美国诞生 实用的量子计算机可能需要成百上千个量子的协同工作 ，如果取得关键性技术的突破，实用的量子计算机有可能在 5-15年内取得成功。
但也有人认为：“现在的量子计算机只 是一个玩具，真正做到有实用价值，也许是5年，10年，甚 至50年以后” 不久前美国IBM利用5个原子作为处理器和存储器， 开发出量子计算机的实验机我国清华大学量子计算机实验室完成了 利用2个原子进行量子计算的实验发展进程2.光子计算机光子计算机 是一种由光信号进行数字运算、 逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机激光器光学反射镜透镜滤波器特特 点点随着现代 光学与计 算机技术 、微电子 技术相结 合，光子 计算机将 成为人类 普遍的工 具1、光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度2、光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中 某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果3、光子在传输中所造成的信息畸变和失真极小4、光传输、转换时能量消耗和散发热量极低， 对环境条件的要求比电子计算机低得多分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的 信息，并以更有效的方式进行组织排列分子计算机的运算 过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程3.分子计算机生物分子组成的计算机具备能在 生化环境下，甚至在生物有机体 中运行，并能以其它分子形式与 外部环境交换。
因此它将在医疗 诊治、遗传追踪和仿生工程中发 挥无法替代的作用转换开关为酶， 而程序则在酶合 成系统本身和蛋 白质的结构。