計算機(jī)導(dǎo)論IntroductiontoComputerScience袁培森peiseny@個人簡介2011年博士畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，2013年調(diào)入南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主持國家自然科學(xué)基金項目1項，主持中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項1項，參與國家科技支撐項目2項發(fā)表SCI/EI等論文10余篇參考教材計算機(jī)導(dǎo)論（第三版）黃國興主編

ComputerScience:anOverviewedition7J.GlennBrookshear計算機(jī)導(dǎo)論[美]RobertaBaber&MarilynMeyer課程學(xué)習(xí)形式№4理論內(nèi)容：基本原理、方法和技術(shù)形式：講授、自學(xué)、討論時間：4-15周實(shí)踐內(nèi)容：上機(jī)實(shí)驗(7-15周)時間：周五6-7節(jié)入門與引導(dǎo)整體性系統(tǒng)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(guān)于電子資料/邀請碼：USVFQQ導(dǎo)言計算機(jī)、網(wǎng)工專業(yè)學(xué)生必修的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。系統(tǒng)地學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)課程，必須首先對計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)知識有一個概括而全面地了解。是學(xué)習(xí)軟件與理論、體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)課程的指導(dǎo)和先導(dǎo)。第1章緒論1.1計算機(jī)的基本概念1.計算機(jī)的概念

計算機(jī)是一種可按照事先存儲的程序，自動、高速地對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、處理、存儲與輸出的系統(tǒng)。 一個計算機(jī)系統(tǒng)包括硬件與軟件兩大部分。 計算機(jī)的基本操作是ＩＰＯＳ。硬件:硬件是由電子的、磁性的、機(jī)械的器件組成的物理實(shí)體。包括運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等5個組成部分軟件：軟件是使計算機(jī)工作的程序及文檔的總稱。可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件與工具軟件三大類。計算機(jī)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(jī)的分類按處理對象分按用途分按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為單處理機(jī)、多處理機(jī)(并行機(jī))

按字長分為16位機(jī)、32位機(jī)或64位計算機(jī)等

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

巨型計算機(jī)也稱超級計算機(jī)，它采用大規(guī)模并行處理的體系結(jié)構(gòu)，CPU由數(shù)以百計、千計、萬計的處理器組成，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，速度達(dá)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(lǐng)域。1976年美國克雷公司推出了世界上首臺運(yùn)算速度達(dá)每秒2.5億次的超級計算機(jī)(1)巨型計算機(jī)（Supercomputer）IBM藍(lán)色基因日本“京”計算機(jī)“天河一號”超級計算機(jī)天河二號2014年的全球超級計算機(jī)500強(qiáng)冠軍，每秒33.86千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度運(yùn)算速度快、存儲容量大、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、可靠性高、安全性好、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計算機(jī)，CPU通常有4、8、16、32個甚至更多處理器。功能：為企業(yè)或政府的數(shù)據(jù)提供集中的存儲、管理和處理，作為主服務(wù)器（企業(yè)級服務(wù)器），在信息系統(tǒng)中起著核心作用。(2)大/中型計算機(jī)（Mainframe）供部門使用的計算機(jī)，以IBM公司的AS/400為代表。近些年來，小型機(jī)逐步為高性能的服務(wù)器所取代。功能：為多個用戶執(zhí)行任務(wù)，但它沒有大型機(jī)的高性能，支持的并發(fā)用戶數(shù)目比較少。小型機(jī)的典型應(yīng)用是幫助中小企業(yè)（或大型企業(yè)的一個部門）完成信息處理任務(wù)，如庫存管理、銷售管理、文檔管理等。小型機(jī)(3)小型計算機(jī)（Minicomputer）特點(diǎn)：以微處理器為中心的一個獨(dú)立完整的計算機(jī)系統(tǒng)。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(wù)，可獨(dú)立使用，也可與其他計算機(jī)互連。(4)個人計算機(jī)（PersonalComputer，PC機(jī)或微型計算機(jī)）微型計算機(jī)類別臺式機(jī)：一般在辦公室或家庭中使用。便攜機(jī)：用于移動計算。筆記本（膝上機(jī)）：體積小、重量輕，便于外出攜帶手持式計算機(jī)（掌上機(jī)）：包括商務(wù)通、快譯通之類產(chǎn)品，它們與PC機(jī)不一定兼容，有些只有一些專用功能，缺乏通用性。臺式機(jī)筆記本電腦掌上計算機(jī)（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(jī)系統(tǒng)，通常根據(jù)用途配有相應(yīng)的輸入輸出設(shè)備及專用軟件。例如圖形工作站，具有高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的圖形處理功能，通常運(yùn)行UNIX操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此類產(chǎn)品。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，承擔(dān)為網(wǎng)絡(luò)中的其他計算機(jī)提供服務(wù)和支持的計算機(jī)。又可分為文件服務(wù)器、打印服務(wù)器、通信服務(wù)器等。(6)服務(wù)器3計算機(jī)信息處理的特點(diǎn)（1）通用性強(qiáng)、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(shí)現(xiàn)信息的共享與交流。（5）計算機(jī)在輔助開發(fā)新的信息處理應(yīng)用方面能提供有力的支持。運(yùn)算速度快；運(yùn)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(jī)的工作特點(diǎn)：4計算機(jī)的巨大作用（1）開拓了人類認(rèn)識自然、改造自然的新資源（2）增添了人類發(fā)展科學(xué)技術(shù)的新手段（3）提供了人類創(chuàng)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(xué)計算；數(shù)據(jù)處理；實(shí)時控制；人工智能；計算機(jī)輔助工程：CAD、CAM、CIMS、CAI等；娛樂與游戲。計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域布萊士·帕斯卡(BlaisePascal)1623-1662年設(shè)計了加法器中國的算盤5計算機(jī)的發(fā)展電驅(qū)動計算機(jī)COLOSSUS：二次大戰(zhàn)時英國人為破譯德國的密碼而設(shè)計，英國數(shù)學(xué)家Turing協(xié)助設(shè)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(jī)的誕生和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的兩個人：阿倫·圖靈（AlanTuring）馮·諾依曼（JohnVonNeumman）阿倫.圖靈

英國數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家、密碼破譯家

30年代初，發(fā)表了一篇著名的論文《論數(shù)字計算在決斷難題中的應(yīng)用》，他提出了一種十分簡單但運(yùn)算能力極強(qiáng)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(shù)。圖靈的思想奠定了現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

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

1944年，美國哈佛大學(xué)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(jī)——自動程控計算機(jī)，大部分學(xué)者認(rèn)為它是第一臺電腦。第一臺電子計算機(jī)誕生ENIAC：電子數(shù)字積分機(jī)與計算機(jī)（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）時間：1946年2月地點(diǎn)：美國賓夕法尼亞大學(xué)用途：軍事計算運(yùn)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(lǐng)導(dǎo)ENIAC開始研究。圖為JohnMauchly及J.PresperEckert負(fù)責(zé)這計劃的執(zhí)行者1945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks發(fā)表了一篇論文《電子計算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》提出了兩個主要論點(diǎn):

使用二進(jìn)制

存儲程序和程序控制奠定了當(dāng)代計算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等組成的結(jié)構(gòu)體系。馮·諾依曼教授（JohnVonNeumman）和他設(shè)計的“存儲程序式”計算機(jī)EDVAC（埃德瓦克）馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)此后，計算機(jī)速度提高、功能增加、體積縮小、成本降低、應(yīng)用擴(kuò)大，其發(fā)展之快，不斷改寫預(yù)測。早期，8～10年其運(yùn)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(jī)的性能就提高近四倍，成本卻下降一半。推動力：微電子技術(shù)的進(jìn)展和計算機(jī)應(yīng)用需求為計算機(jī)劃代：按主機(jī)所使用的元器件以計算機(jī)使用的基本電子元件作為劃分依據(jù)，計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段?；倦娮釉难葑儯弘娮庸芫w管中小規(guī)模集成電路芯片大規(guī)模超大規(guī)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(jī)

幾十次/秒—幾萬次/秒，

水銀延遲線內(nèi)存，千字

外設(shè)：磁鼓、紙帶、卡片、磁帶

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

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

(SSI,MSI--MediumScaleIntegration)

幾十萬次/秒—幾百萬次/秒

半導(dǎo)體存儲器

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

(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(jī)主機(jī)所使用的元器件為計算機(jī)劃代。代別年代主要元器件配置的軟件主要應(yīng)用第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓

使用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)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(nèi)存：磁芯

使用FORTRAN等高級程序設(shè)計語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI半導(dǎo)體存儲器操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器軟件工程、分布式計算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計算機(jī)著名計算機(jī)人物計算機(jī)科學(xué)之父，阿倫·圖靈AlanTuring，1912.6～1954.6，英國數(shù)學(xué)家。1951年被選為英國皇家學(xué)會院士。1936年，圖靈發(fā)表了一篇著名的論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》，論文中提出了一種十分簡單但運(yùn)算能力極強(qiáng)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(jī)模型奠定了計算機(jī)組成部件、工作方式和順序，被稱為圖靈機(jī)，圖靈的這一思想奠定了整個現(xiàn)代計算機(jī)的理論基礎(chǔ)。圖靈對計算機(jī)科學(xué)的杰出貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在：創(chuàng)建了自動機(jī)理論，發(fā)展了可計算性理論，奠定了人工智能的基礎(chǔ)。馮·諾依曼（JohnVonNouma，1903－1957），美藉匈牙利人，數(shù)學(xué)家。1945年6月，馮·諾依曼與戈德斯坦等人，聯(lián)名發(fā)表了一篇長達(dá)101頁紙洋洋萬言的報告，即計算機(jī)史上著名的“101頁報告”。這份報告奠定了現(xiàn)代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)堅實(shí)的根基，直到今天，仍然被認(rèn)為是現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)發(fā)展里程碑式的文獻(xiàn)。

現(xiàn)在計算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍為“馮·諾依曼機(jī)”著名計算機(jī)團(tuán)體與公司IEEE-CS：InstituteofElectricalandElectronicEngineersComputerSociety,美國電氣與電子工程師學(xué)會計算機(jī)學(xué)會，它是目前世界上最大的計算機(jī)學(xué)術(shù)團(tuán)體。IEEE-CS宗旨是推進(jìn)計算機(jī)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的理論和實(shí)踐的發(fā)展，促進(jìn)會員之間的信息交流與合作。IEEE-CS設(shè)有若干專業(yè)技術(shù)委員會、標(biāo)準(zhǔn)化委員會以及教育和專業(yè)技能開發(fā)委員會。專業(yè)技術(shù)委員會組織專業(yè)學(xué)術(shù)會議、研討會，覆蓋計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)各領(lǐng)域并隨計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而變化。標(biāo)準(zhǔn)化委員會負(fù)責(zé)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。教育和專業(yè)技能開發(fā)委員會負(fù)責(zé)制定計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)大綱、課程設(shè)置方案以及繼續(xù)教育發(fā)展，并向各高等學(xué)校推薦。ACM：美國計算機(jī)學(xué)會（AssociationforComputingMachinery）創(chuàng)立于1947年，是世界上最早和最大的計算機(jī)教育和科研協(xié)會?，F(xiàn)已成為計算機(jī)界最有影響的兩大國際性學(xué)術(shù)組織之一（另一為IEEE-CS）。ACM下面建立了幾十個專業(yè)委員會（正式名稱是SIG—SpecialInterestGroup），幾乎每個SIG都有自己的雜志。據(jù)不完全統(tǒng)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(jī)科學(xué)技術(shù)的幾乎所有領(lǐng)域。

中國計算機(jī)學(xué)會，ChinaComputerFederation，英文縮寫CCF。成立于1962年6月，全國性一級學(xué)會。學(xué)會具有廣泛的業(yè)務(wù)范圍，包括學(xué)術(shù)交流、科學(xué)普及、技術(shù)咨詢、教育評估、優(yōu)秀成果及人物評獎、刊物出版、計算機(jī)名詞標(biāo)準(zhǔn)化等。學(xué)會下設(shè)9個工作委員會，33個專業(yè)委員會，這些專業(yè)委員會涵蓋了計算機(jī)研究及應(yīng)用的各個領(lǐng)域。學(xué)會的會刊有《計算機(jī)學(xué)報》、《計算機(jī)研究與發(fā)展》、《軟件學(xué)報》、《CAD與圖形學(xué)》等近二十多種刊物。

學(xué)會網(wǎng)址為。

IBM（InternationalBusinessMachinesCorporation，國際商用機(jī)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(fā)展而來。1981年8月IBM發(fā)布第一臺PC，由于IBM-PC，IBM商標(biāo)開始進(jìn)入家庭、學(xué)校、中小企業(yè)。Intel和微軟的霸業(yè)在此基礎(chǔ)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(lán)”（DeepBlue）計算機(jī)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(guān)芯片制造商。80%左右的計算機(jī)都是使用Intel公司生產(chǎn)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(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

微軟(Microsoft)是專門生產(chǎn)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(jù)統(tǒng)計90%以上的微機(jī)都裝有Microsoft的操作系統(tǒng)。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(chuàng)立的。微軟生產(chǎn)的軟件產(chǎn)品除操作系統(tǒng)外，還有：辦公軟件MicrosoftOffice，網(wǎng)頁瀏覽器InternetExplorer(使用廣泛的一種瀏覽器)和中小數(shù)據(jù)庫SQLServer是。

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

IEEE-CS的計算機(jī)先驅(qū)獎（ComputerPioneerAward）設(shè)立于1980年。IEEE-CS設(shè)立計算機(jī)先驅(qū)獎以獎勵這些理應(yīng)贏得人們尊敬的學(xué)者和工程師。計算機(jī)先驅(qū)獎同樣有嚴(yán)格的評審條件和程序，但與其他獎項不同的是，這個獎項規(guī)定獲獎?wù)叩某晒仨毷窃?5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(zhàn)當(dāng)今世界已進(jìn)入信息時代信息技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)已成為推動社會進(jìn)步和社會發(fā)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(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合為特征的新一代信息革