計算機導論IntroductiontoComputerScience袁培森peiseny@個人簡介2011年博士畢業于復旦大學計算機學院，2013年調入南京農業大學主持國家自然科學基金項目1項，主持中央高?；究蒲袠I務費專項1項，參與國家科技支撐項目2項發表SCI/EI等論文10余篇參考教材計算機導論（第三版）黃國興主編

ComputerScience:anOverviewedition7J.GlennBrookshear計算機導論[美]RobertaBaber&MarilynMeyer課程學習形式№4理論內容：基本原理、方法和技術形式：講授、自學、討論時間：4-15周實踐內容：上機實驗(7-15周)時間：周五6-7節入門與引導整體性系統性考核方法與課程要求№5考核方法：平時30%期考70%（閉卷）課堂要求各種通訊工具提前書面請假關于電子資料/邀請碼：USVFQQ導言計算機、網工專業學生必修的第一門專業基礎課。系統地學習專業相關課程，必須首先對計算機技術基礎知識有一個概括而全面地了解。是學習軟件與理論、體系結構、應用技術、網絡工程等專業課程的指導和先導。第1章緒論1.1計算機的基本概念1.計算機的概念

計算機是一種可按照事先存儲的程序，自動、高速地對數據進行輸入、處理、存儲與輸出的系統。 一個計算機系統包括硬件與軟件兩大部分。 計算機的基本操作是ＩＰＯＳ。硬件:硬件是由電子的、磁性的、機械的器件組成的物理實體。包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等5個組成部分軟件：軟件是使計算機工作的程序及文檔的總稱?？煞譃橄到y軟件、應用軟件與工具軟件三大類。計算機能夠完成的基本操作：I（Input）：輸入P（Processing）：處理O（Output）：輸出S（Storage）：存儲2.計算機的分類按處理對象分按用途分按內部邏輯結構分為單處理機、多處理機(并行機)

按字長分為16位機、32位機或64位計算機等

按規模分為巨型計算機（Supercomputer）大型計算機（Mainframe）小型計算機（Minicomputer）個人計算機（PersonalComputer）

巨型計算機也稱超級計算機，它采用大規模并行處理的體系結構，CPU由數以百計、千計、萬計的處理器組成，有極強的運算處理能力，速度達到每秒萬億次以上，大多使用在軍事、科研、氣象、石油勘探等領域。1976年美國克雷公司推出了世界上首臺運算速度達每秒2.5億次的超級計算機(1)巨型計算機（Supercomputer）IBM藍色基因日本“京”計算機“天河一號”超級計算機天河二號2014年的全球超級計算機500強冠軍，每秒33.86千萬億次的浮點運算速度運算速度快、存儲容量大、通信聯網功能完善、可靠性高、安全性好、有豐富的系統軟件和應用軟件的計算機，CPU通常有4、8、16、32個甚至更多處理器。功能：為企業或政府的數據提供集中的存儲、管理和處理，作為主服務器（企業級服務器），在信息系統中起著核心作用。(2)大/中型計算機（Mainframe）供部門使用的計算機，以IBM公司的AS/400為代表。近些年來，小型機逐步為高性能的服務器所取代。功能：為多個用戶執行任務，但它沒有大型機的高性能，支持的并發用戶數目比較少。小型機的典型應用是幫助中小企業（或大型企業的一個部門）完成信息處理任務，如庫存管理、銷售管理、文檔管理等。小型機(3)小型計算機（Minicomputer）特點：以微處理器為中心的一個獨立完整的計算機系統。價格便宜，使用方便，軟件豐富，性能不斷提高，適合辦公或家庭使用。通常只用來處理一個用戶的任務，可獨立使用，也可與其他計算機互連。(4)個人計算機（PersonalComputer，PC機或微型計算機）微型計算機類別臺式機：一般在辦公室或家庭中使用。便攜機：用于移動計算。筆記本（膝上機）：體積小、重量輕，便于外出攜帶手持式計算機（掌上機）：包括商務通、快譯通之類產品，它們與PC機不一定兼容，有些只有一些專用功能，缺乏通用性。臺式機筆記本電腦掌上計算機（5）工作站工作站一種基于某種特定用途的高性能微型計算機系統，通常根據用途配有相應的輸入輸出設備及專用軟件。例如圖形工作站，具有高速運算能力和強大的圖形處理功能，通常運行UNIX操作系統，特別適合于工程與產品設計使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此類產品。

在網絡環境中，承擔為網絡中的其他計算機提供服務和支持的計算機。又可分為文件服務器、打印服務器、通信服務器等。(6)服務器3計算機信息處理的特點（1）通用性強、速度高。（2）提供友善的使用方式和多種多樣的信息輸出形式。（3）具有龐大的信息存儲能力和極快的信息存取速度。（4）打破時空限制，實現信息的共享與交流。（5）計算機在輔助開發新的信息處理應用方面能提供有力的支持。運算速度快；運算精度高；具有記憶能力；具有邏輯判斷能力；存儲程序，自動完成各種操作。

計算機的工作特點：4計算機的巨大作用（1）開拓了人類認識自然、改造自然的新資源（2）增添了人類發展科學技術的新手段（3）提供了人類創造文化的新工具（4）引起了人類的工作與生活方式的變化

科學計算；數據處理；實時控制；人工智能；計算機輔助工程：CAD、CAM、CIMS、CAI等；娛樂與游戲。計算機的應用領域布萊士·帕斯卡(BlaisePascal)1623-1662年設計了加法器中國的算盤5計算機的發展電驅動計算機COLOSSUS：二次大戰時英國人為破譯德國的密碼而設計，英國數學家Turing協助設計，1934年開始使用。由于屬于軍事秘密，三十年后才公開。對計算機的誕生和發展做出重大貢獻的兩個人：阿倫·圖靈（AlanTuring）馮·諾依曼（JohnVonNeumman）阿倫.圖靈

英國數學家、哲學家、密碼破譯家

30年代初，發表了一篇著名的論文《論數字計算在決斷難題中的應用》，他提出了一種十分簡單但運算能力極強的理想計算裝置，用它來計算所有能想象得到的可計算函數。圖靈的思想奠定了現代計算機科學的理論基礎。

圖靈機——有限狀態自動機.uk/turing//S-Z/details~z/Turning.htmMARK1：

1944年，美國哈佛大學的霍華德·艾肯教授（HowardHathawayAiken；1900～1973）完成，研制成功世界第一臺通用自動計算機——自動程控計算機，大部分學者認為它是第一臺電腦。第一臺電子計算機誕生ENIAC：電子數字積分機與計算機（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）時間：1946年2月地點：美國賓夕法尼亞大學用途：軍事計算運算速度：5000次/秒體積價格：170平方米，30噸，140千瓦，40萬美元1943年由JohnBrainered領導ENIAC開始研究。圖為JohnMauchly及J.PresperEckert負責這計劃的執行者1945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks發表了一篇論文《電子計算機裝置邏輯結構初探》提出了兩個主要論點:

使用二進制

存儲程序和程序控制奠定了當代計算機硬件由控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備等組成的結構體系。馮·諾依曼教授（JohnVonNeumman）和他設計的“存儲程序式”計算機EDVAC（埃德瓦克）馮·諾伊曼結構此后，計算機速度提高、功能增加、體積縮小、成本降低、應用擴大，其發展之快，不斷改寫預測。早期，8～10年其運算速度就提高十倍，而成本和體積卻是原來的1/10。1980s開始，幾乎每三年計算機的性能就提高近四倍，成本卻下降一半。推動力：微電子技術的進展和計算機應用需求為計算機劃代：按主機所使用的元器件以計算機使用的基本電子元件作為劃分依據，計算機的發展經歷了四個階段?；倦娮釉难葑儯弘娮庸芫w管中小規模集成電路芯片大規模超大規模集成電路芯片按主要元器件分代第一代（約1946-1957）電子管計算機

幾十次/秒—幾萬次/秒，

水銀延遲線內存，千字

外設：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶

機器語言編程第二代（約1957-1964）晶體管計算機 幾十萬次/秒， 匯編語言或高級語言編程

1948年Bell發明晶體管，磁芯十萬字，磁盤圖為美國于20世紀50年代生產的IBM704型采用電子管的第一代電子計算機圖為在第一代電子計算機中使用的磁鼓圖為晶體管圖為第一代電子計算機第三代（約1965-1972）中小規模集成電路計算機

(SSI,MSI--MediumScaleIntegration)

幾十萬次/秒—幾百萬次/秒

半導體存儲器

匯編語言或高級語言編程第四代（1971年起）是大規模(LSI)和超大規模集成電路計算機

(VeryLargeScaleIntegration)

幾百萬次/秒—億次/秒

匯編語言或高級語言編程按照計算機主機所使用的元器件為計算機劃代。代別年代主要元器件配置的軟件主要應用第1代20世紀40年代中期～50年代末期CPU：電子管內存：磁鼓

使用機器語言和匯編語言編寫程序科學計算和工程計算第2代50年代中后期～60年代中期CPU：晶體管內存：磁芯

使用FORTRAN等高級程序設計語言開始廣泛應用于數據處理領域第3代60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內存：SSI，MSI半導體存儲器操作系統，數據庫管理系統等開始使用在科學計算、數據處理、工業控制等領域得到廣泛應用第4代20世紀70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內存：LSI、VLSI的半導體存儲器軟件工程、分布式計算、網絡軟件等開始廣泛使用深入到各行各業，家庭和個人開始使用計算機著名計算機人物計算機科學之父，阿倫·圖靈AlanTuring，1912.6～1954.6，英國數學家。1951年被選為英國皇家學會院士。1936年，圖靈發表了一篇著名的論文《論可計算數及其在判定問題中的應用》，論文中提出了一種十分簡單但運算能力極強的理想計算裝置，這一裝置是一種理想的計算模型，這種計算機模型奠定了計算機組成部件、工作方式和順序，被稱為圖靈機，圖靈的這一思想奠定了整個現代計算機的理論基礎。圖靈對計算機科學的杰出貢獻主要表現在：創建了自動機理論，發展了可計算性理論，奠定了人工智能的基礎。馮·諾依曼（JohnVonNouma，1903－1957），美藉匈牙利人，數學家。1945年6月，馮·諾依曼與戈德斯坦等人，聯名發表了一篇長達101頁紙洋洋萬言的報告，即計算機史上著名的“101頁報告”。這份報告奠定了現代計算機體系結構堅實的根基，直到今天，仍然被認為是現代計算機科學發展里程碑式的文獻。

現在計算機的結構仍為“馮·諾依曼機”著名計算機團體與公司IEEE-CS：InstituteofElectricalandElectronicEngineersComputerSociety,美國電氣與電子工程師學會計算機學會，它是目前世界上最大的計算機學術團體。IEEE-CS宗旨是推進計算機和數據處理技術的理論和實踐的發展，促進會員之間的信息交流與合作。IEEE-CS設有若干專業技術委員會、標準化委員會以及教育和專業技能開發委員會。專業技術委員會組織專業學術會議、研討會，覆蓋計算機科學與技術各領域并隨計算機科學與技術的發展而變化。標準化委員會負責制定技術標準。教育和專業技能開發委員會負責制定計算機科學與技術專業的教學大綱、課程設置方案以及繼續教育發展，并向各高等學校推薦。ACM：美國計算機學會（AssociationforComputingMachinery）創立于1947年，是世界上最早和最大的計算機教育和科研協會。現已成為計算機界最有影響的兩大國際性學術組織之一（另一為IEEE-CS）。ACM下面建立了幾十個專業委員會（正式名稱是SIG—SpecialInterestGroup），幾乎每個SIG都有自己的雜志。據不完全統計，由ACM出版社出版的定期、不定期刊物有四十多種，覆蓋了計算機科學技術的幾乎所有領域。

中國計算機學會，ChinaComputerFederation，英文縮寫CCF。成立于1962年6月，全國性一級學會。學會具有廣泛的業務范圍，包括學術交流、科學普及、技術咨詢、教育評估、優秀成果及人物評獎、刊物出版、計算機名詞標準化等。學會下設9個工作委員會，33個專業委員會，這些專業委員會涵蓋了計算機研究及應用的各個領域。學會的會刊有《計算機學報》、《計算機研究與發展》、《軟件學報》、《CAD與圖形學》等近二十多種刊物。

學會網址為。

IBM（InternationalBusinessMachinesCorporation，國際商用機器公司）是由1911年成立的計算制表記錄公司（Computing-Tabulating-RecordingCompany，即CTR公司）發展而來。1981年8月IBM發布第一臺PC，由于IBM-PC，IBM商標開始進入家庭、學校、中小企業。Intel和微軟的霸業在此基礎上萌芽。1985年，IBM投資的科研項目催生了4位諾貝爾獎獲得者。1997年5月11日，IBM的“深藍”（DeepBlue）計算機擊敗世界象棋大師GaryKasparov。英特爾（Intel）公司成立于1968年，是世界上最大的CPU及相關芯片制造商。80%左右的計算機都是使用Intel公司生產的CPU。1971年，推出了全球第一個微處理器4004。這一舉措不僅改變了公司的未來，而且對整個工業產生了深遠的影響。

微軟(Microsoft)是專門生產軟件的公司，是全球最著名的軟件商。Microsoft是由兩個英語單詞組成：Micro意為“微小”，Soft意為“軟的”，即Software軟件之意，據統計90%以上的微機都裝有Microsoft的操作系統。微軟公司是由比爾·蓋茨（BillGates）和保羅·艾倫（PaulAllen，1983年離開微軟）于1975年創立的。微軟生產的軟件產品除操作系統外，還有：辦公軟件MicrosoftOffice，網頁瀏覽器InternetExplorer(使用廣泛的一種瀏覽器)和中小數據庫SQLServer是。

聯想集團（Lenovo）成立于1984年，是國內最大的電腦制造商，聯想品牌個人電腦多年來在中國及亞太市場保持首位。聯想集團1990年在國內推出聯想系列微機，都在市場上獲得成功。自主開發微機成功，造就了聯想今日成就的根基。2004年12月聯想集團以總價12.5億美元收購IBM的全球PC業務，其中包括臺式機業務和筆記本業務。聯想的收購行為，是中國IT行業在海外投資最大的一場.2013年，聯想電腦銷售量升居世界第一，成為全球最大的PC生產廠商AMD：世界第二大CPU制造商.Epson：愛普生，日本愛普生打印機制造商。HP：是美國著名的惠普打印機、電腦制造商。Canon：佳能，日本著名的佳能打印機制造商。Apple：美國蘋果電腦公司，該公司以生產高性能專業級電腦著稱于世。Philips：飛利浦，荷蘭公司，生產彩顯、光驅等。Sumsung：三星，韓國三星公司，著名的彩顯制造商、家用電器等。圖靈獎，計算機科學界的最崇高獎項，有“計算機界的諾貝爾獎”之稱。圖靈獎是由ACM于1966年設立的獎項，獎金2.5萬美元。專門獎勵那些在計算機科學研究中做出創造性貢獻，推動了計算機科學技術發展的杰出科學家。從實際執行過程來看，圖靈獎偏重于計算機科學理論、算法、語言和軟件開發方面。由于圖靈獎對獲獎條件要求極高，評定審查極為嚴格，一般每年只獎勵一名計算機科學家。從1966年到2003年的38屆圖靈獎，共計有47名科學家獲此殊榮，其中美國學者最多。2000年圖靈獎得主為華裔科學家姚期智（安德魯-姚，AndrewYao）,現被聘為清華大學計算機系講席教授.著名計算機獎項著名計算機獎項

IEEE-CS的計算機先驅獎（ComputerPioneerAward）設立于1980年。IEEE-CS設立計算機先驅獎以獎勵這些理應贏得人們尊敬的學者和工程師。計算機先驅獎同樣有嚴格的評審條件和程序，但與其他獎項不同的是，這個獎項規定獲獎者的成果必須是在15年以前完成的，以確保成果得到起時間的考驗。

1.2信息化社會的挑戰當今世界已進入信息時代信息技術與信息產業已成為推動社會進步和社會發展的重要動力為收集、存儲、傳輸、處理與利用日益劇增的信息資源，以通信、網絡和計算機技術相結合為特征的新一代信息革