1、第第0章章 緒緒 論論計算機科學概論計算機科學概論 理解計算機科學的發展及其含義理解計算機科學的發展及其含義 了解計算機科學涵蓋的內容了解計算機科學涵蓋的內容 了解計算機的發展及現代計算機的分類了解計算機的發展及現代計算機的分類 理解計算機與社會問題的聯系理解計算機與社會問題的聯系 教 學 目目 的的1計算機科計算機科學的概念學的概念 2計算機的計算機的歷史歷史 3我國計算我國計算機的發展機的發展計算機與計算機與社會問題社會問題4教教 學學 內內 容容學學 習習 重重 點點 熟悉計算機的發展歷史熟悉計算機的發展歷史 掌握計算機科學的基本概念掌握計算機科學的基本概念第一節第一節 什么是計算機科學

2、什么是計算機科學 計算機科學計算機科學 (Computer Science) (Computer Science) 國際計算機組織 (ACM) 定義： 計算機科學計算機科學（計算學科）是對描述和變換信息的（計算學科）是對描述和變換信息的算法過程的系統研究，包括它的理論、分析、設計、算法過程的系統研究，包括它的理論、分析、設計、有效性、實現和應用。有效性、實現和應用。1 1 什么是計算機科學什么是計算機科學 計算機科學研究的主要內容：計算機科學研究的主要內容： 計算機信息計算機信息的轉換與表示技術的轉換與表示技術 計算機系統計算機系統的理論與實現技術的理論與實現技術 計算機軟件計算機軟件的開發與

3、維護技術的開發與維護技術 計算機科學涉及的主要領域：計算機科學涉及的主要領域： 數值和符號計算數值和符號計算 體系結構體系結構 操作系統操作系統 數據結構和算法數據結構和算法 程序設計程序設計 軟件工程軟件工程 數據庫和信息檢索數據庫和信息檢索 人工智能和計算理論人工智能和計算理論1 1 什么是計算機科學什么是計算機科學 艾倫艾倫圖靈通用機模型的設想圖靈通用機模型的設想 “它可以表達成一臺單一的特殊它可以表達成一臺單一的特殊機器，這種形式的機器可以被塑造成機器，這種形式的機器可以被塑造成去做到所有工作。事實上，它可以被去做到所有工作。事實上，它可以被塑造成如同任何其他機器的模型般工塑造成如同任

4、何其他機器的模型般工作。這種特殊機器或許可以被稱呼為作。這種特殊機器或許可以被稱呼為通用機器。通用機器。” 1947年的艾倫年的艾倫 圖靈圖靈1 1 什么是計算機科學什么是計算機科學 圖靈機的直觀描述：圖靈機的直觀描述： 3個部件：有窮控制器、無窮帶和讀寫頭個部件：有窮控制器、無窮帶和讀寫頭 3個動作：改寫當前格、左移或右移一格個動作：改寫當前格、左移或右移一格讀寫頭讀寫頭有窮控制器有窮控制器存儲帶存儲帶 圖靈機模型圖靈機模型1 1 什么是計算機科學什么是計算機科學 馮馮諾依曼計算機模型諾依曼計算機模型程序、數據、存儲理論程序、數據、存儲理論計算機系統的組成：計算機系統的組成：存儲器（存儲器（

5、MemoryMemory ）（存儲）（存儲）算術算術/ /邏輯單元（邏輯單元（Computer UnitComputer Unit) () (計算）計算）控制單元（控制單元（Control UnitControl Unit）（控制）（控制）輸入輸入/ /輸出單元（輸出單元（Input/Output UnitInput/Output Unit) )（傳輸）（傳輸）1 1 什么是計算機科學什么是計算機科學 哥尼斯堡七橋問題 梵天塔問題 哲學家共餐問題列昂納德列昂納德 歐拉（歐拉（L.Euler） 計算機科學中一些經典問題計算機科學中一些經典問題哥尼斯堡七橋問題哥尼斯堡七橋問題歐拉圖解歐拉圖解 梵天

6、塔問題示意圖梵天塔問題示意圖計算機科學中一些經典問題計算機科學中一些經典問題第二節第二節 計算機發展歷史計算機發展歷史2 計算機的發展歷史計算機的發展歷史 19461946年之前年之前 古典計算機器時代古典計算機器時代 19461946至今至今 現代計算機時代現代計算機時代 19851985年以后年以后 計算機發展的新方向計算機發展的新方向個人計算機與智能計算機個人計算機與智能計算機第第1 1階段古典計算機器時代階段古典計算機器時代 計算設備還不是科學，而是工具。計算設備還不是科學，而是工具。 出現一些具備計算和存儲信息能力的設備。出現一些具備計算和存儲信息能力的設備。 輔助計算的基本手段出現

7、，主要針對的是數字。輔助計算的基本手段出現，主要針對的是數字。 主要特點：計算設備作為人腦計算的輔助工具，不具主要特點：計算設備作為人腦計算的輔助工具，不具備自動計算能力。備自動計算能力。2 計算機的發展歷史第一階段計算機的發展歷史第一階段算盤時代算盤時代 這一階段出現了表示語言和數字的文字及其書寫工這一階段出現了表示語言和數字的文字及其書寫工具，最主要的計算工具是算盤。具，最主要的計算工具是算盤。 機械時代機械時代 這一時期計算裝置的特點是借助于各種機械裝置齒這一時期計算裝置的特點是借助于各種機械裝置齒輪杠桿等自動傳送（十進位），而機械裝置的動力則輪杠桿等自動傳送（十進位），而機械裝置的動力

8、則來自計算人員的手。來自計算人員的手。機電時代機電時代 使用電力作為計算機器動力，但計算機構本身還是使用電力作為計算機器動力，但計算機構本身還是機械式的。機械式的。 2 2 計算機的發展歷史第一階段計算機的發展歷史第一階段帕斯卡的加法機帕斯卡的加法機古老的計算工具古老的計算工具算盤算盤 萊布尼茲的演算機萊布尼茲的演算機 巴貝奇差分機巴貝奇差分機巴貝奇分析機巴貝奇分析機早期的計算機器早期的計算機器2 2 計算機發展第一階段中的典型成果計算機發展第一階段中的典型成果早期的計算機器早期的計算機器哈佛大學研制的機電式自動順序控制計算機哈佛大學研制的機電式自動順序控制計算機MARK I2 2 計算機發展

9、第一階段中的典型成果計算機發展第一階段中的典型成果2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段第第2 2階段階段 1946-1946-至今至今 現代計算機時代現代計算機時代第一代計算機第一代計算機 1946年年1957年年第二代計算機第二代計算機 1958年年1964年年第三代計算機第三代計算機 1965年年1975年年第四代計算機第四代計算機 1972年至今年至今第一代計算機第一代計算機 1946年年1957年：年：1944年到年到1945年間，馮年間，馮諾依曼主持設計了諾依曼主持設計了 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Com

10、puter)方案，它明確了計算機由五個部分組方案，它明確了計算機由五個部分組 成，包括：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸成，包括：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸 入和輸出設備，并描述了這五部分的職能和相互入和輸出設備，并描述了這五部分的職能和相互 關系。關系。1946年，馮年，馮諾依曼和戈爾德斯廷、勃克斯等人諾依曼和戈爾德斯廷、勃克斯等人 在在EDVAC方案的基礎上，提出了方案的基礎上，提出了電子計算機電子計算機 邏輯設計初探邏輯設計初探的設計報告，標志著電子計算機的設計報告，標志著電子計算機 時代的真正開始。時代的真正開始。馮馮諾依曼是諾依曼是20世紀世紀最偉大的全才之一最偉大的全才之一2

11、 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段賓夕法尼亞大學研制的第一臺電子計算機賓夕法尼亞大學研制的第一臺電子計算機ENIAC2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段 第一代計算機第一代計算機 1946年年-1957年：年： 1946年世界上第一臺電子計算機年世界上第一臺電子計算機 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，讀作，讀作“埃尼阿克埃尼阿克”）在美國賓夕法尼亞）在美國賓夕法尼亞大學研制成功。大學研制成功。 第一代電子計算機主要特點：第一代電子計算機主要特點： 利用真空管制造電子元件利用真空管制造電子元件

12、利用穿孔卡作為主要的存儲介質利用穿孔卡作為主要的存儲介質 體積龐大，重量驚人，耗電量大體積龐大，重量驚人，耗電量大2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段真空管真空管第一代計算機核心材料第一代計算機核心材料第二代計算機第二代計算機 1958年年1964年：年： 使用用晶體管的計算機被稱作第二代計算機。和真空管計使用用晶體管的計算機被稱作第二代計算機。和真空管計算機相比，晶體管計算機無論是耗電量還是產生的熱能都算機相比，晶體管計算機無論是耗電量還是產生的熱能都大大降低，而可靠性和計算能力則大為提高。大大降低，而可靠性和計算能力則大為

13、提高。 主存儲器均采用磁心存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的主存儲器均采用磁心存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的輔助存儲器。輔助存儲器。 1953年年 1963年期間，年期間，IBM 相繼推出相繼推出IBM 701、IBM 650、等經典機型，成為市場領導者。并于等經典機型，成為市場領導者。并于1964年研制成功年研制成功IBM 360，開啟了第三代計算機的設計時代。，開啟了第三代計算機的設計時代。 2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段 IBM 701 計算機系列計算機系列第二代計算機經典代表第二代計算機經典代表 IBM 650 計算機系列計算機系列2 計算機的發展歷史第二階段計算

14、機的發展歷史第二階段2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段晶體管電子計算機發展歷史：晶體管電子計算機發展歷史：翻查晶體管歷史，今年是晶體管誕生翻查晶體管歷史，今年是晶體管誕生61周年，首顆晶體管誕生于周年，首顆晶體管誕生于1947年年12月月16日，由貝爾實驗室日，由貝爾實驗室(Bell Labs) 的的William Shockley、John Bardeen和和Walter Brattain成功制成成功制成第一個晶體管，由此改變了人類科技第一個晶體管，由此改變了人類科技的歷史。到了的歷史。到了1950年，年，William Shockley開發出雙極性接面晶體管開發出雙極性接

15、面晶體管 (bipolar junction transistor)，也就，也就是現在俗稱的晶體管，而第一款采用是現在俗稱的晶體管，而第一款采用晶體管技術，并用于商業化裝置于晶體管技術，并用于商業化裝置于1953年上市，僅僅是一款助聽器。年上市，僅僅是一款助聽器。 William Shockley 2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段第一顆晶體管第一顆晶體管 2 計算機的發展歷史第二階段計算機的發展歷史第二階段1954年年10月月18日日 第一臺晶體管收音機第一臺晶體管收音機Regency TR1問世，采用四顆鍺晶體管問世，采用四顆鍺晶體管 1965年年 Intel創辦人之一，

16、創辦人之一，Gordon Moore電子雜志撰文預測芯片上的晶體電子雜志撰文預測芯片上的晶體管數目未來將約每年倍增（之后十年改為每兩年倍增），摩爾定律管數目未來將約每年倍增（之后十年改為每兩年倍增），摩爾定律正式誕生。正式誕生。 1968年年7月月 Robert Noyce和和Gordon Moore從快捷半導體公司離職，創立從快捷半導體公司離職，創立Intel 公司公司 。1969年年 -1971年年 1969年，年，Intel 公司率先成功開發公司率先成功開發PMOS硅閘極晶體管技術，以傳硅閘極晶體管技術，以傳統的二氧化硅統的二氧化硅 (SiO2) 閘極電介質并引進新多晶硅閘極技術。閘極電

17、介質并引進新多晶硅閘極技術。1971年，年，Intel出第一個微處理器出第一個微處理器4004，1/8 x 1/16英吋大小內含英吋大小內含2,000余余顆晶體管，以顆晶體管，以10微米微米PMOS技術制成。技術制成。 1978年年 16位的位的Intel 8088微處理器誕生，內含微處理器誕生，內含29,000顆晶體管，執行速度顆晶體管，執行速度為為5MHz、8MHz和和10MH，8088于于1981年成功銷售給年成功銷售給IBM的新個人的新個人計算機部門，這項關鍵性的交易使計算機部門，這項關鍵性的交易使Intel 8088微處理器成為微處理器成為IBM個個人計算機人計算機(IBM PC)的

18、頭腦，令的頭腦，令Intel成為財星雜志成為財星雜志Fortune 500大公大公司之一及司之一及1970年代商業成功典范之一，年代商業成功典范之一，PC歷史亦由這一刻開始。歷史亦由這一刻開始。 晶體管計算機發展大事記晶體管計算機發展大事記 第三代計算機第三代計算機 1965年年1975年：年： 使用集成電路代替晶體管，使用硅半導體制造存儲器。使用集成電路代替晶體管，使用硅半導體制造存儲器。 廣泛使用微程序技術，簡化處理機設計。廣泛使用微程序技術，簡化處理機設計。 系列化通用化和標準化是這一時期計算機設計的基本思想。系列化通用化和標準化是這一時期計算機設計的基本思想。 2 計算機的發展歷史第三

19、階段計算機的發展歷史第三階段2 計算機的發展歷史第三階段計算機的發展歷史第三階段中小規模集成電路和中小規模集成電路和CPU 2 計算機的發展歷史第三階段計算機的發展歷史第三階段中小規模集成電路計算機中小規模集成電路計算機第四代計算機第四代計算機 1972年年至今：至今： 大規模、超大規模集成電路迅速代替中小規模集成電路。大規模、超大規模集成電路迅速代替中小規模集成電路。 產生了微處理器和微型計算機產生了微處理器和微型計算機 。 產生了字長產生了字長4位、位、8位、位、16位、位、32位和位和64位的微型計算機，位的微型計算機，計算機的性能迅速提高。計算機的性能迅速提高。 2 計算機的發展歷史第

20、四階段計算機的發展歷史第四階段2 計算機的發展歷史第四階段計算機的發展歷史第四階段大規模集成電路和大規模集成電路和CPU 個人計算機的經典個人計算機的經典IBM PC2 計算機的發展歷史第四階段計算機的發展歷史第四階段 第四代計算機第四代計算機 1972年年至今：至今： 1981年年8月月12日，日，PC機之父的唐機之父的唐.埃斯特奇（埃斯特奇（D.Estridge）領導的）領導的開發團隊完成了開發團隊完成了IBM個人電腦的研發，個人電腦的研發，IBM PC正式問世。正式問世。 蘋果的蘋果的Macintosh計算機計算機2 計算機的發展歷史第四階段計算機的發展歷史第四階段第四代計算機第四代計算

21、機 1972年年至今：至今： 1983年，蘋果公司推出了劃時代的年，蘋果公司推出了劃時代的Macintosh計算機，不僅首次計算機，不僅首次采用了圖形界面的操作系統，并且第一次使個人計算機具有了多媒體采用了圖形界面的操作系統，并且第一次使個人計算機具有了多媒體處理能力。處理能力。 2 計算機發展歷史計算機的未來計算機發展歷史計算機的未來 計算機未來發展方向計算機未來發展方向網絡化網絡化（Network)Network)智能化智能化（Interception)Interception)新材料技術新材料技術（New MateriousNew Materious）第三節第三節 我國計算機發展我國計算

22、機發展3 我國計算機的發展我國計算機的發展 古典時代：古典時代： 在早期計算工具和算學理論的發明創造方面，中在早期計算工具和算學理論的發明創造方面，中國曾取得極其輝煌的成就：國曾取得極其輝煌的成就： 中國古代經典發明創造：中國古代經典發明創造：3 我國計算機的發展我國計算機的發展中國古代經典發明創造：中國古代經典發明創造：中國古代用陽、陰兩爻中國古代用陽、陰兩爻構成的八卦，被認為是構成的八卦，被認為是世界上最早的二進制表世界上最早的二進制表示法示法由八卦演變而來的算術由八卦演變而來的算術羅經羅經3 我國計算機的發展我國計算機的發展 近現代：近現代： 全國解放后，中國在極其困難的情況下，依靠自全

23、國解放后，中國在極其困難的情況下，依靠自身努力，先后在計算機設計和理論領域取得了一系列身努力，先后在計算機設計和理論領域取得了一系列成果：成果： l1958年，中國研制成功第一臺年，中國研制成功第一臺 小型電子管計算機小型電子管計算機 中國第一臺小型電子管計算機中國第一臺小型電子管計算機 3 我國計算機的發展我國計算機的發展 近現代：近現代： 全國解放后，中國在極其困難的情況下，依靠自全國解放后，中國在極其困難的情況下，依靠自身努力，先后在計算機設計和理論領域取得了一系列身努力，先后在計算機設計和理論領域取得了一系列成果：成果： l1959年，中國研制成功第年，中國研制成功第 一臺大型電子管計

24、算機一臺大型電子管計算機 中國第一臺大型電子管計算機中國第一臺大型電子管計算機 3 我國計算機的發展我國計算機的發展近現代：近現代： 改革開放后，中國在科技發展方面緊跟世界潮流，不斷開拓改革開放后，中國在科技發展方面緊跟世界潮流，不斷開拓 創新，在計算機技術發展方面取得了新的成就：創新，在計算機技術發展方面取得了新的成就： 60年代后期，中國開始研究集成電路計算機年代后期，中國開始研究集成電路計算機 。 70年代，中國已批量生產小型集成電路計算機。年代，中國已批量生產小型集成電路計算機。80年代以后，年代以后，中國開始重點研制微型計算機系統并推廣應用中國開始重點研制微型計算機系統并推廣應用 。

25、產生了字長產生了字長4位、位、8位、位、16位、位、32位和位和64位的微型計算機，計算位的微型計算機，計算機的性能迅速提高。機的性能迅速提高。 3 我國計算機的發展我國計算機的發展近現代：近現代： 龍芯一號龍芯一號CPU是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式CPU特點的新一代特點的新一代32位位CPU，標志著我國在現代通用微處理器設計方，標志著我國在現代通用微處理器設計方面實現了面實現了“零零”的突破，的突破， 打破了我國長期依賴國外打破了我國長期依賴國外CPU產品的產品的無無“芯芯”的歷史。的歷史。龍芯一號龍芯一號CPU 3 我國計算機的發展我國計算機的發

26、展使用使用“龍芯一號龍芯一號”的計算機產的計算機產品品3 我國計算機的發展我國計算機的發展近現代：近現代： 在大型計算機、特別是巨型計算機技術方面也取得了重要進在大型計算機、特別是巨型計算機技術方面也取得了重要進展；建立了計算機服務業，逐步健全了計算機產業結構。展；建立了計算機服務業，逐步健全了計算機產業結構。 中國第一臺億次計算機中國第一臺億次計算機3 我國計算機的發展我國計算機的發展運算速度可達運算速度可達5000億次的億次的“神威神威”計算機計算機3 我國計算機的發展我國計算機的發展近現代：近現代： 在計算機科學的研究方面，中國在有限元計算方法、數學定在計算機科學的研究方面，中國在有限元

27、計算方法、數學定理的機器證明、漢字信息處理、計算機系統結構和軟件等方面都理的機器證明、漢字信息處理、計算機系統結構和軟件等方面都有所建樹，對于現代計算機理論的發展做出了貢獻。有所建樹，對于現代計算機理論的發展做出了貢獻。 3 我國計算機的發展我國計算機的發展 我國計算機發展存在的問題我國計算機發展存在的問題（1 1）自主創新能力不足；）自主創新能力不足；（2 2）核心技術缺失（）核心技術缺失（CPUCPU制造技術，高科技材料技制造技術，高科技材料技術，操作系統技術，高性能網絡服務器技術術，操作系統技術，高性能網絡服務器技術）；）；（3 3）發展體制存在缺陷；）發展體制存在缺陷；（4 4）相關法

28、律法規不夠健全，缺乏法律意識；）相關法律法規不夠健全，缺乏法律意識；3 我國計算機的發展我國計算機的發展第四節第四節 計算機與社會問題計算機與社會問題 計算機與社會問題：計算機與社會問題： 計算機的出現和迅猛發展給人類社會帶來了計算機的出現和迅猛發展給人類社會帶來了很多新問題。在倫理上，人們面臨著許多挑戰傳很多新問題。在倫理上，人們面臨著許多挑戰傳統社會行為準則的抉擇。在科學上，計算機技術統社會行為準則的抉擇。在科學上，計算機技術及其應用應該規范到什么程度？在哲學上，人們及其應用應該規范到什么程度？在哲學上，人們開始了智能行為的存在與智能本身存的爭論。同開始了智能行為的存在與智能本身存的爭論。

29、同時，整個社會也在討論：新的計算機應用是代表時，整個社會也在討論：新的計算機應用是代表新的自由還是新的控制？新的自由還是新的控制？4 計算機與社會問題計算機與社會問題 計算機發展所帶來的社會問題計算機發展所帶來的社會問題（1 1）人們的生產與生活越來越依賴計算機）人們的生產與生活越來越依賴計算機（圖（圖1 1）；（2 2）對人類社會傳統的社會倫理觀念產生重大影響）對人類社會傳統的社會倫理觀念產生重大影響（圖（圖2 2）；（3 3）計算機犯罪問題日益嚴重）計算機犯罪問題日益嚴重（圖（圖3 3）；4 計算機與社會問題計算機與社會問題計算機與人類生活聯系越來越緊密計算機與人類生活聯系越來越緊密計算機

30、在軍事上計算機在軍事上應用廣泛應用廣泛計算機自動控制計算機自動控制技術技術國際互聯網讓人國際互聯網讓人們生活聯系更加們生活聯系更加緊密緊密計算機在航空航天方面的應用計算機在航空航天方面的應用 問題的產生：問題的產生： 人類對于新的計算機應用是代表時更大的自人類對于新的計算機應用是代表時更大的自由還是被計算機所控制？由還是被計算機所控制？問題4 計算機與社會問題計算機與社會問題 計算機發展所帶來的社會問題計算機發展所帶來的社會問題（1 1）人們的生產與生活越來越依賴計算機（圖）人們的生產與生活越來越依賴計算機（圖1 1）；）；（2 2）對人類社會傳統的社會倫理觀念產生重大影響（圖）對人類社會傳統

31、的社會倫理觀念產生重大影響（圖2 2）；）；（3 3）計算機犯罪問題日益嚴重（圖）計算機犯罪問題日益嚴重（圖3 3）；）；4 計算機與社會問題計算機與社會問題計算機的發展沖擊著傳統倫理觀念計算機的發展沖擊著傳統倫理觀念計算機控制的智能計算機控制的智能機器人，可能顛覆機器人，可能顛覆人類正常的倫理觀人類正常的倫理觀念念虛擬的網絡世虛擬的網絡世界中的人際關界中的人際關系，超越了人系，超越了人們正常的社會們正常的社會關系原則關系原則計算機游戲的廣泛普及，計算機游戲的廣泛普及，改變著青少年的生活方式改變著青少年的生活方式和道德理念和道德理念 問題的產生：問題的產生： 在計算機應用越來越廣泛的趨勢下，人類社會在計算機應用越來越廣泛的趨勢下，人類社會傳統的倫理道德準則是否將被打破？傳統的倫理道德準則是否將被打破？問題4 計算機與社會問題計算機與社會問題 計算機發展所帶來的社會問題計算機發展所帶來的社會問題（1 1）人們的生產與生活越來越依賴計算機（圖）人們的生產與生活越來越依賴計算機（圖1 1）；）；（2 2）對人類社會傳統的社會倫理觀念產生重大影響（圖）對人類社會傳統的社會倫理觀念產生重大影響（圖2 2）；）；（3 3）計算機犯罪問題日益嚴重（圖）計算機犯罪問題日益嚴重（圖3 3）；）；4 計算機與社會問題計算機與社會問題計算機犯罪問題日益嚴重