1、計算機科學導論第一章_緒 論2使 用 教 材 Behrouz A. Forouzan （佛羅贊） Firouz Mosharraf（莫沙拉夫） 劉藝 瞿高峰 機械工業出版社 2010年出版3使 用 教 材 Behrouz A. Forouzan （佛羅贊） Firouz Mosharraf（莫沙拉夫） 迪安那大學.5 定義計算機的圖靈模型. 定義計算機的馮.諾依曼模型. 描述計算機的三大部分：硬件、數據和軟件. 列舉與計算機硬件相關的話題. 列舉與數據相關的話題. 列舉與軟件相關的話題. 討論與計算機使用相關的一些社會問題和職業道德問題. 說出計算機的簡明歷史.目標 通過本章的學習，學生應該能

2、夠: 71-1 圖靈模型 Alan Turing在1937年首次提出了一個通用計算設備的設想。設想所有的計算都可能在一種特殊的機器上執行，這就是現在提出的圖靈機 Turing machine. 圖靈機不是一種具體的機器，而是一種思想模型，可制造一種十分簡單但運算能力極強的計算裝置，用來計算所有能想象得到的可計算函數。他將該模型建立在人們進行計算過程的行為上，并將這些行為抽象到用于計算的機器的模型中，這才真正改變了世界。 8數據處理器 Data processors 在討論圖靈模型之前，首先把計算機定義成一個數據處理器。依照該定義，可以認為計算機是一個 輸入數據、處理數據并產生輸出數據的黑盒。F

3、igure 1.1 數據處理模型盡管該模型能夠體現現代計算機的功能，但其定義還是太廣泛。 按照這種定義，也可以認為便攜式計算器是計算機。 (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量，專用機？通用機？10Figure 1.3 相同的程序，不同的數據 11Figure 1.4 相同的數據，不同的程序 131-2 馮.諾依曼模型 VON NEUMANN MODEL 基于通用圖靈機建造的計算機都是在存儲器中儲存數據。在19441945年期間, John von Neumann 馮.諾依曼指出, 鑒于程序和數據在邏輯上是相同的, 因此，程序也能儲存在計算機的存儲器中.14讀書過目不

4、忘一生掌握七種語言最擅德語1921-1923在蘇黎世聯邦工業大學學習1926年獲得布達佩斯大學數學博士學位1927-1929在柏林大學和漢堡大學任教1930普林斯頓大學客座教授，1931年他成為美國普林斯頓大學的第一批終身教授1933年轉到該校的高級研究所，成為最初六位教授之一，并在那里工作了一生John Von Neumann （約翰馮諾依曼） 1903.12.28-1957.2.8美籍匈牙利人數學家、化學家、物理學家、發明家、計算機專家 15基于馮諾依曼模型的計算機分為四個子系統: 存儲器memory 、算術邏輯單元 arithmetic logic unit, 控制單元control u

5、nit、輸入輸出單元 input/output 四個子系統 Four subsystems Figure 1.5 馮.諾依曼模型 16存儲器：用來存儲的區域。在計算機的存儲過程中，用來存儲程序和數據。算術邏輯單元 : 進行計算和邏輯運算。控制單元: 對存儲器、ALU、I/O等子系統進行控制操作。輸入輸出單元 : 輸入子系統負責從計算機外部接收輸入數據和程序。輸出子系統負責將計算機的處理結果輸出到計算機外部。四個子系統 Four subsystems 18馮諾依曼模型中的一段程序是由一組數量有限的指令組成.控制單元從內存中提取一條指令，解釋指令，執行指令 . 換句話說，指令就一條接著一條按順序執

6、行. 一條指令可能會請求控制單元以便跳轉到其前面或者后面的指令去執行，但這并不意味著指令沒有按照順序來執行.指令的順序執行是基于馮諾依曼模型的計算機的初始條件.當今的計算機以最高效的順序來執行程序.指令的順序執行Sequential execution of instructions 191-3 計算機組成 COMPUTER COMPONENTS 我們可以認為計算機由三大部分組成: 計算機硬件 computer hardware, 數據 data, 計算機軟件 computer software.20當今計算機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器、不同類型的輸入/輸出子

7、系統等。在第5章我們將詳細討論計算機模型.計算機硬件 Computer hardware 21馮諾依曼模型將一臺計算機定義為一臺數據處理機。它接收輸入數據，處理并輸出相應的結果。存儲數據：馮諾伊曼模型并沒有清楚定義數據應如何存儲在計算機中。如果一臺計算機是電子設備，最好的存儲方式是電子信號，電子信號的出現和消失可用0、1表示。（日常使用的數據，其他類型的數據）組織數據：在將數據存儲到計算機之前，能否有效的將數據組織成不同的實體和格式？數據 Data 22圖靈或馮諾依曼模型的主要特征是程序的概念. 盡管早期的計算機并沒有在存儲器中儲存程序，但它們還是使用了程序的概念. 編程在早期計算機中體現為對

8、系列開關的開閉和配線的改變. 編程在數據實際開始處理之前，是由操作員或工程師完成的.計算機軟件 Computer software 24Figure 1.7 由指令組成的程序 251-4 歷史 HISTORY 我們將計算機的歷史分為三個階段.機械計算機電子計算機計算機的誕生26機械計算機 Mechanical machines (before 1930) 用來計算的機器，與計算機的現代概念幾乎沒有相似之處. 17世紀，法國Blaise Pascal發明了 Pascaline. 一個用來進行加減運算的計算機器。20世紀，尼克勞斯.澳思發明了一種結構化程序設計語言Pascal 17世紀后期，德國數

9、學家Gottfried Leibnitz 發明了既能進行乘除又能加減的更復雜的機器，該機器稱為萊布尼茨之輪 Leibnitz wheel. 第一臺利用存儲和編程概念的機器是提花織機Jacquard loom, 由約瑟夫.瑪麗.雅卡爾 Joseph-Marie Jacquard 在19世紀初期發明的.這種織布機是利用穿孔卡（類似于存儲程序）來控制在織布過程中經線的提升.1823年, Charles Babbage發明了一種差分引擎.不僅能進行數學運算，還可以解多項式方程。后來發明了一種分析引擎，有四個組成部分：制造場（ALU），存儲單元（存儲器），操作者（控制單元）和輸出單元（I/O） 1890

10、年, 在美國人口普查辦公室工作的Herman Hollerith, 設計出具有編程能力的機器,該機器可以自動閱讀、計數和排列存儲在穿孔卡上的數據.27電子計算機的誕生The birth of electronic computers (19301950)1930-1950, 被視為電子計算機工業先驅的科學家們發明了電子計算機.早期電子計算機并不是將程序存儲到存儲器中，所有計算機都是在外部進行編程的. 五種杰出的計算機: ABC：第一臺用于完成特定任務的計算機是通過將信息進行電子編碼來實現功能，主要用于實現解決一些線性方程的系統（1939） Z1：與ABC統一時期，德國數學家設計出通用的計算機

11、Mark I：美國海軍和IBM在哈佛大學創建了一項工程，建造了這臺巨型計算機，這臺計算機既使用了電子部件，也使用了機械部件 Colossus：英國，阿蘭圖靈發明了名為巨人Colossus的計算機，是為破譯德國Enigma密碼而設計的 ENIAC：電子數值積分計算機，第一臺通用的、完全電子的計算機，1946年完成設計，用了將近18000個集成塊，100英尺長，10米英尺高，重30噸，獲圖靈獎計算機界的諾貝爾獎28馮諾依曼提出了程序和數據應該存儲在存儲器中.按照這種方法，每次使用計算機完成一項新任務，只要改變程序，而不用重新布線或調節成百上千的開關.第一臺基于馮氏思想的電子離散變量計算機于1950

12、年在賓尼法尼大學誕生，命名EDVAC（埃德瓦克）. 存儲原理、快240倍（1952核武器理論運算）與此同時，同樣類型的被稱為EDSAC（埃德沙克）的電子延遲存儲自動計算機由英國劍橋大學的Maurice Wilkes 制造產生.基于馮諾依曼模型的計算機Computers based on the von Neumann model291956年，東北大學教授李華天帶領工作人員開發研制出國內第一臺模擬電子計算機。全套設備占地面積40平方米，擁有5個2.3米高的立柜式的外殼。僅各種運算小盒就有400多個。小盒中裝有各種電子管1700多個、半導體二級管4300多個. 國內第一臺模擬電子計算機30計算機

13、的誕生Computer generations (1950present)1950年以后出現的計算機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，價格更便宜，但是原理幾乎是相同的. 31第一代計算機：電子管計算機，以商用計算機的出現為主要特征 (19501959).電子管穿孔卡磁帶機器語言體積大、速度慢IBM700第二代計算機：晶體管計算機(19591965). FORTRAN、COBOL程序設計語言的發明, 使得編程更加容易. 晶體管磁心、磁盤高級語言體積小、百萬次/秒 IBM7000第三代計算機：集成電路計算機 (19651975) ：集成電路的發明更減少了計算機的體積和成本

14、. 小型計算機出現在市場上.封裝的程序，就是通常說的軟件包也已經有售. 集成電路半導體操作系統性能好IMB360第四代計算機：大規模集成電路計算機(19751985) 出現了微型計算機. 第一個桌面計算器Altair 8800出現在1975年. 這一時代還出現了計算機網絡.第五代計算機始于1985年. 見證了掌上電腦和臺式電腦的誕生, 第二代存儲媒體 (CD-ROM, DVD)的改進, 多媒體及虛擬現實等.歷史學家將這一時期劃分成幾代，每一代計算機的改進主要體現在硬件或軟件方面 (而不是模型).321-5 社會問題和道德問題 SOCIAL AND ETHICAL ISSUES計算機科學引發了一

15、些周遭的問題，其中最為普遍的可以歸類為社會問題和道德問題33社會問題 Social issues依賴：一些人認為計算機已經構成了一種依賴，使得人們的生活更加困難.社會公正：該問題的支持者辯稱在家使用計算機不是所有人都能付得起的奢侈行為。計算機的花費、外圍設備及每月支付的上網費對低收入家庭來說是額外的負擔。這意味著計算機已經構成僅為中高收入人群的服務，而低收入人群剝奪了權利。數字化分裂：包括依賴和社會公正問題。將社會分裂成兩大組群：與社會其他部分以電子形式聯系在一起的人。通過電子郵件與本組群的人們通信，使用因特網進行電子商務或娛樂。那些沒有以電子形式聯系在一起的人。使用傳統的郵件和電話交流，喜歡

16、坐在電影院看電影而不是通過網絡下載影片。34道德問題 Ethical issues隱私：計算機允許兩方之間通過電子方式進行通信。為確保通信的私密性需要做很多工作. 社會正在為私密的電子通信支付高昂費用.網絡安全可以創建這種私密性，但這需要大量努力和花費.版權：在計算機化的社會中，誰擁有數據? Internet已為思想共享創造了機會，但還是帶來了更深的職業道德問題：電子版權.計算機犯罪：計算機和信息技術帶來了新的犯罪. 黑客已經能訪問世界上的很多計算機并盜取大量金錢. 病毒制造者設計出新病毒，摧毀存儲在計算機中的信息. 盡管有很多殺毒軟件，社會卻正在為這類犯罪支付高昂的費用，而這類犯罪在計算機和

17、網絡時代之前并不存在.351-6 計算機科學作為一門學科 COMPUTER SCIENCE AS A DISCIPLINE隨著計算機的發明，帶來了新的學科，計算機科學computer science. 同其他任何學科一樣，計算機科學劃分成幾個領域. 可以把這些領域歸納為兩大類：系統領域和應用領域.我們對所有這些領域采用廣度優先的方式介紹. 學完本門課，學生應該有足夠的信息來選擇專業方向.361-7 課程綱要 OUTLINE OF THE COURSE在緒論一章之后，本門課分為五大部分.第一部分：數據表示與運算第二部分：計算機硬件第三部分：計算機軟件第四部分：數據組織與抽象第五部分：高級論題37

18、1-7 課程綱要 OUTLINE OF THE COURSE第一部分：數據表示與運算Part I: Data representation and operation（這部分包括第2、3和4章）第2章：數制系統討論數制系統，數量如何能使用符號來表示. 第3章：數據存儲討論不同的數據如何存儲在計算機中. 第4章：數據運算討論一些基本的運算. 38第二部分：計算機硬件Part II: Computer hardware（這部分包括第5、6章）第5章：計算機組成給出計算機硬件的通用概念，研究通用計算機硬件組成結構以及五大設備等各部件的構成和工作原理. 第6章：計算機網絡闡明不同的計算機是如何連接成計算機網絡及互聯網的39第三部分：計算機軟件Part III: Computer software（這部分包括第7、8、9、10章） 第7章：操作系統研究如何自動地對計算機系統的軟、硬件資源進行有效的管理，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成為該問題編寫算法的.第9章：程序設計語言比較對照不同的語言，是當今程序設