計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論第一章-緒 論課件

1計(jì)算機(jī)導(dǎo)論2使用教材

BehrouzA.Forouzan

（佛羅贊）

FirouzMosharraf（莫沙拉夫）劉藝瞿高峰機(jī)械工業(yè)出版社2010年出版4第1章緒論61-1圖靈模型TURINGMODELAlanTuring（阿蘭.圖靈）1912.6.23-1954.6.7英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、密碼破譯專家、計(jì)算機(jī)之父、人工智能之父

1931年進(jìn)入劍橋大學(xué)國王學(xué)院，畢業(yè)后到普林斯頓大學(xué)攻讀博士，二戰(zhàn)爆發(fā)后回到劍橋，后曾協(xié)助軍方破解德國著名密碼系統(tǒng)Enigma，幫助盟軍取得了二戰(zhàn)勝利1936年，圖靈發(fā)表重要論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用》，提出“算法”和“計(jì)算機(jī)”兩個(gè)核心概念（computingmachines）1950年，圖靈發(fā)表題為“機(jī)器能思考嗎”的論文，成為劃時(shí)代之作71-1圖靈模型

AlanTuring在1937年首次提出了一個(gè)通用計(jì)算設(shè)備的設(shè)想。設(shè)想所有的計(jì)算都可能在一種特殊的機(jī)器上執(zhí)行，這就是現(xiàn)在提出的圖靈機(jī)Turingmachine.圖靈機(jī)不是一種具體的機(jī)器，而是一種思想模型，可制造一種十分簡單但運(yùn)算能力極強(qiáng)的計(jì)算裝置，用來計(jì)算所有能想象得到的可計(jì)算函數(shù)。他將該模型建立在人們進(jìn)行計(jì)算過程的行為上，并將這些行為抽象到用于計(jì)算的機(jī)器的模型中，這才真正改變了世界。8數(shù)據(jù)處理器Dataprocessors在討論圖靈模型之前，首先把計(jì)算機(jī)定義成一個(gè)數(shù)據(jù)處理器。依照該定義，可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)是一個(gè)

輸入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)的黑盒。Figure1.1數(shù)據(jù)處理模型盡管該模型能夠體現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能，但其定義還是太廣泛。

按照這種定義，也可以認(rèn)為便攜式計(jì)算器是計(jì)算機(jī)。

(按照字面意思，它也符合定義的模型).

沒有說明處理的類型和數(shù)量，專用機(jī)？通用機(jī)？9可編程數(shù)據(jù)處理器Programmabledataprocessors圖靈模型是一個(gè)適用于通用計(jì)算機(jī)的更好模型.該模型添加了一個(gè)額外的元素（程序）到不同的計(jì)算機(jī)器中.程序是用來告訴計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的指令集合.Figure1.2基于圖靈模型的計(jì)算機(jī)：可編程數(shù)據(jù)處理器11Figure1.4相同的數(shù)據(jù)，不同的程序12通用圖靈機(jī)TheuniversalTuringmachine通用圖靈機(jī)是對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的首次描述，該機(jī)器只要提供了合適的程序就能做任何計(jì)算。一臺(tái)很強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和通用圖靈機(jī)能進(jìn)行同樣的運(yùn)算。我們所需要的僅僅是為這兩者提供數(shù)據(jù)以及用于描述如何做運(yùn)算的程序.實(shí)際上，通用圖靈機(jī)能夠做任何可計(jì)算的運(yùn)算.131-2馮.諾依曼模型VONNEUMANNMODEL基于通用圖靈機(jī)建造的計(jì)算機(jī)都是在存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。在1944–1945年期間,JohnvonNeumann馮.諾依曼指出,鑒于程序和數(shù)據(jù)在邏輯上是相同的,因此，程序也能儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中.14讀書過目不忘．一生掌握七種語言．最擅德語1921-1923在蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)．1926年獲得布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位1927-1929在柏林大學(xué)和漢堡大學(xué)任教1930普林斯頓大學(xué)客座教授，1931年他成為美國普林斯頓大學(xué)的第一批終身教授1933年轉(zhuǎn)到該校的高級(jí)研究所，成為最初六位教授之一，并在那里工作了一生．JohnVonNeumann（約翰·馮·諾依曼）1903.12.28-1957.2.8美籍匈牙利人數(shù)學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家、發(fā)明家、計(jì)算機(jī)專家

15基于馮諾依曼模型的計(jì)算機(jī)分為四個(gè)子系統(tǒng):存儲(chǔ)器memory、算術(shù)邏輯單元

arithmeticlogicunit,控制單元controlunit、輸入輸出單元input/output四個(gè)子系統(tǒng)FoursubsystemsFigure1.5馮.諾依曼模型17馮諾依曼模型要求程序必須存儲(chǔ)在內(nèi)存中.與早期只有數(shù)據(jù)才存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)完全不同:完成某一任務(wù)的程序是通過操作一系列的開關(guān)或改變其配線來實(shí)現(xiàn)的.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元主要用來存儲(chǔ)程序及其響應(yīng)數(shù)據(jù)。這意味著數(shù)據(jù)和程序應(yīng)該具有相同的格式，這是因?yàn)樗鼈兌純?chǔ)存在存儲(chǔ)器中.實(shí)際上，它們都是以二進(jìn)制模式存儲(chǔ)在內(nèi)存中的（0和1序列）存儲(chǔ)的程序概念Thestoredprogramconcept18馮諾依曼模型中的一段程序是由一組數(shù)量有限的指令組成.控制單元從內(nèi)存中提取一條指令，解釋指令，執(zhí)行指令.換句話說，指令就一條接著一條按順序執(zhí)行.一條指令可能會(huì)請求控制單元以便跳轉(zhuǎn)到其前面或者后面的指令去執(zhí)行，但這并不意味著指令沒有按照順序來執(zhí)行.指令的順序執(zhí)行是基于馮諾依曼模型的計(jì)算機(jī)的初始條件.當(dāng)今的計(jì)算機(jī)以最高效的順序來執(zhí)行程序.指令的順序執(zhí)行Sequentialexecutionofinstructions191-3計(jì)算機(jī)組成COMPUTERCOMPONENTS我們可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)由三大部分組成:計(jì)算機(jī)硬件computerhardware,數(shù)據(jù)data,計(jì)算機(jī)軟件computersoftware.20當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件基于馮諾依曼模型，包含四部分，盡管可以有不同類型的存儲(chǔ)器、不同類型的輸入/輸出子系統(tǒng)等。在第5章我們將詳細(xì)討論計(jì)算機(jī)模型.計(jì)算機(jī)硬件Computerhardware21馮諾依曼模型將一臺(tái)計(jì)算機(jī)定義為一臺(tái)數(shù)據(jù)處理機(jī)。它接收輸入數(shù)據(jù)，處理并輸出相應(yīng)的結(jié)果。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：馮諾伊曼模型并沒有清楚定義數(shù)據(jù)應(yīng)如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)是電子設(shè)備，最好的存儲(chǔ)方式是電子信號(hào)，電子信號(hào)的出現(xiàn)和消失可用0、1表示。（日常使用的數(shù)據(jù)，其他類型的數(shù)據(jù)）組織數(shù)據(jù)：在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)之前，能否有效的將數(shù)據(jù)組織成不同的實(shí)體和格式？數(shù)據(jù)Data22圖靈或馮諾依曼模型的主要特征是程序的概念.盡管早期的計(jì)算機(jī)并沒有在存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存程序，但它們還是使用了程序的概念.編程在早期計(jì)算機(jī)中體現(xiàn)為對(duì)系列開關(guān)的開閉和配線的改變.編程在數(shù)據(jù)實(shí)際開始處理之前，是由操作員或工程師完成的.計(jì)算機(jī)軟件Computersoftware24Figure1.7由指令組成的程序251-4歷史HISTORY我們將計(jì)算機(jī)的歷史分為三個(gè)階段.機(jī)械計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的誕生27電子計(jì)算機(jī)的誕生Thebirthofelectroniccomputers(1930–1950)1930-1950,被視為電子計(jì)算機(jī)工業(yè)先驅(qū)的科學(xué)家們發(fā)明了電子計(jì)算機(jī).早期電子計(jì)算機(jī)并不是將程序存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，所有計(jì)算機(jī)都是在外部進(jìn)行編程的.五種杰出的計(jì)算機(jī):

ABC：第一臺(tái)用于完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)是通過將信息進(jìn)行電子編碼來實(shí)現(xiàn)功能，主要用于實(shí)現(xiàn)解決一些線性方程的系統(tǒng)（1939）Z1：與ABC統(tǒng)一時(shí)期，德國數(shù)學(xué)家設(shè)計(jì)出通用的計(jì)算機(jī)MarkI：美國海軍和IBM在哈佛大學(xué)創(chuàng)建了一項(xiàng)工程，建造了這臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)既使用了電子部件，也使用了機(jī)械部件Colossus：英國，阿蘭圖靈發(fā)明了名為巨人Colossus的計(jì)算機(jī)，是為破譯德國Enigma密碼而設(shè)計(jì)的ENIAC：電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)，第一臺(tái)通用的、完全電子的計(jì)算機(jī)，1946年完成設(shè)計(jì)，用了將近18000個(gè)集成塊，100英尺長，10米英尺高，重30噸，獲圖靈獎(jiǎng)－計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)28馮諾依曼提出了程序和數(shù)據(jù)應(yīng)該存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中.按照這種方法，每次使用計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)新任務(wù)，只要改變程序，而不用重新布線或調(diào)節(jié)成百上千的開關(guān).第一臺(tái)基于馮氏思想的電子離散變量計(jì)算機(jī)于1950年在賓尼法尼大學(xué)誕生，命名EDVAC（埃德瓦克）.存儲(chǔ)原理、快240倍（1952核武器理論運(yùn)算）與此同時(shí)，同樣類型的被稱為EDSAC（埃德沙克）的電子延遲存儲(chǔ)自動(dòng)計(jì)算機(jī)由英國劍橋大學(xué)的MauriceWilkes制造產(chǎn)生.基于馮諾依曼模型的計(jì)算機(jī)ComputersbasedonthevonNeumannmodel30計(jì)算機(jī)的誕生Computergenerations(1950–present)1950年以后出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)差不多都基于馮諾依曼模型.雖然它們變得速度更快，體積更小，價(jià)格更便宜，但是原理幾乎是相同的.321-5社會(huì)問題和道德問題SOCIALANDETHICALISSUES計(jì)算機(jī)科學(xué)引發(fā)了一些周遭的問題，其中最為普遍的可以歸類為社會(huì)問題和道德問題33社會(huì)問題Socialissues依賴：一些人認(rèn)為計(jì)算機(jī)已經(jīng)構(gòu)成了一種依賴，使得人們的生活更加困難.社會(huì)公正：該問題的支持者辯稱在家使用計(jì)算機(jī)不是所有人都能付得起的奢侈行為。計(jì)算機(jī)的花費(fèi)、外圍設(shè)備及每月支付的上網(wǎng)費(fèi)對(duì)低收入家庭來說是額外的負(fù)擔(dān)。這意味著計(jì)算機(jī)已經(jīng)構(gòu)成僅為中高收入人群的服務(wù)，而低收入人群剝奪了權(quán)利。數(shù)字化分裂：包括依賴和社會(huì)公正問題。將社會(huì)分裂成兩大組群：與社會(huì)其他部分以電子形式聯(lián)系在一起的人。通過電子郵件與本組群的人們通信，使用因特網(wǎng)進(jìn)行電子商務(wù)或娛樂。那些沒有以電子形式聯(lián)系在一起的人。使用傳統(tǒng)的郵件和電話交流，喜歡坐在電影院看電影而不是通過網(wǎng)絡(luò)下載影片。34道德問題Ethicalissues隱私：計(jì)算機(jī)允許兩方之間通過電子方式進(jìn)行通信。為確保通信的私密性需要做很多工作.社會(huì)正在為私密的電子通信支付高昂費(fèi)用.網(wǎng)絡(luò)安全可以創(chuàng)建這種私密性，但這需要大量努力和花費(fèi).版權(quán)：在計(jì)算機(jī)化的社會(huì)中，誰擁有數(shù)據(jù)?Internet已為思想共享創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，但還是帶來了更深的職業(yè)道德問題：電子版權(quán).計(jì)算機(jī)犯罪：計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)帶來了新的犯罪.黑客已經(jīng)能訪問世界上的很多計(jì)算機(jī)并盜取大量金錢.病毒制造者設(shè)計(jì)出新病毒，摧毀存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息.盡管有很多殺毒軟件，社會(huì)卻正在為這類犯罪支付高昂的費(fèi)用，而這類犯罪在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代之前并不存在.351-6計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門學(xué)科COMPUTERSCIENCEASADISCIPLINE隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明，帶來了新的學(xué)科，計(jì)算機(jī)科學(xué)computerscience.同其他任何學(xué)科一樣，計(jì)算機(jī)科學(xué)劃分成幾個(gè)領(lǐng)域.可以把這些領(lǐng)域歸納為兩大類：系統(tǒng)領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域.我們對(duì)所有這些領(lǐng)域采用廣度優(yōu)先的方式介紹.學(xué)完本門課，學(xué)生應(yīng)該有足夠的信息來選擇專業(yè)方向.361-7課程綱要OUTLINEOFTHECOURSE在緒論一章之后，本門課分為五大部分.第一部分：數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算第二部分：計(jì)算機(jī)硬件第三部分：計(jì)算機(jī)軟件第四部分：數(shù)據(jù)組織與抽象第五部分：高級(jí)論題371-7課程綱要OUTLINEOFTHECOURSE第一部分：數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算PartI:Datarepresentationandoperation（這部分包括第2、3和4章）第2章：數(shù)制系統(tǒng)討論數(shù)制系統(tǒng)，數(shù)量如何能使用符號(hào)來表示.第3章：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)討論不同的數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中.第4章：數(shù)據(jù)運(yùn)算討論一些基本的運(yùn)算.38第二部分：計(jì)算機(jī)硬件PartII:Computerhardware（這部分包括第5、6章）第5章：計(jì)算機(jī)組成給出計(jì)算機(jī)硬件的通用概念，研究通用計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)以及五大設(shè)備等各部件的構(gòu)成和工作原理.第6章：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)闡明不同的計(jì)算機(jī)是如何連接成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)的39第三部分：計(jì)算機(jī)軟件PartIII:Computersoftware（這部分包括第7、8、9、10章）第7章：操作系統(tǒng)研究如何自動(dòng)地對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件資源進(jìn)行有效的管理，并最大限度的方便用戶.第8章：算法說明問題求解是如何歸結(jié)成為該問題編寫算法的.第9章：程序設(shè)計(jì)語言比較對(duì)照不同的語言，是當(dāng)今程序設(shè)計(jì)語言之旅.第10章：軟件工程討論如何采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)和維護(hù)軟件40第四部分：數(shù)據(jù)組織與抽象PartIV:Dataorganizationandabstraction(包括11,12,13,14章)第11章：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究數(shù)據(jù)的