1計算機導論2使用教材

BehrouzA.Forouzan

（佛羅贊）

FirouzMosharraf（莫沙拉夫）劉藝瞿高峰機械工業(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)學家、邏輯學家、密碼破譯專家、計算機之父、人工智能之父

1931年進入劍橋大學國王學院，畢業(yè)后到普林斯頓大學攻讀博士，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《論可計算數(shù)及其在判定問題上的應用》，提出“算法”和“計算機”兩個核心概念（computingmachines）1950年，圖靈發(fā)表題為“機器能思考嗎”的論文，成為劃時代之作71-1圖靈模型

AlanTuring在1937年首次提出了一個通用計算設(shè)備的設(shè)想。設(shè)想所有的計算都可能在一種特殊的機器上執(zhí)行，這就是現(xiàn)在提出的圖靈機Turingmachine.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(shù)。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(shù)據(jù)處理器Dataprocessors在討論圖靈模型之前，首先把計算機定義成一個數(shù)據(jù)處理器。依照該定義，可以認為計算機是一個

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(shù)量，專用機？通用機？9可編程數(shù)據(jù)處理器Programmabledataprocessors圖靈模型是一個適用于通用計算機的更好模型.該模型添加了一個額外的元素（程序）到不同的計算機器中.程序是用來告訴計算機對數(shù)據(jù)進行處理的指令集合.Figure1.2基于圖靈模型的計算機：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TheuniversalTuringmachine通用圖靈機是對現(xiàn)代計算機的首次描述，該機器只要提供了合適的程序就能做任何計算。一臺很強大的計算機和通用圖靈機能進行同樣的運算。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算的程序.實際上，通用圖靈機能夠做任何可計算的運算.131-2馮.諾依曼模型VONNEUMANNMODEL基于通用圖靈機建造的計算機都是在存儲器中儲存數(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，程序也能儲存在計算機的存儲器中.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)大學學習．1926年獲得布達佩斯大學數(shù)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(zhuǎn)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．JohnVonNeumann（約翰·馮·諾依曼）1903.12.28-1957.2.8美籍匈牙利人數(shù)學家、化學家、物理學家、發(fā)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(tǒng):存儲器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在內(nèi)存中.與早期只有數(shù)據(jù)才存儲在存儲器中的計算機結(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)或改變其配線來實現(xiàn)的.現(xiàn)代計算機的存儲單元主要用來存儲程序及其響應數(shù)據(jù)。這意味著數(shù)據(jù)和程序應該具有相同的格式，這是因為它們都儲存在存儲器中.實際上，它們都是以二進制模式存儲在內(nèi)存中的（0和1序列）存儲的程序概念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算機的初始條件.當今的計算機以最高效的順序來執(zhí)行程序.指令的順序執(zhí)行Sequentialexecutionofinstructions191-3計算機組成COMPUTERCOMPONENTS我們可以認為計算機由三大部分組成:計算機硬件computerhardware,數(shù)據(jù)data,計算機軟件computersoftware.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/輸出子系統(tǒng)等。在第5章我們將詳細討論計算機模型.計算機硬件Computerhardware21馮諾依曼模型將一臺計算機定義為一臺數(shù)據(jù)處理機。它接收輸入數(shù)據(jù)，處理并輸出相應的結(jié)果。存儲數(shù)據(jù)：馮諾伊曼模型并沒有清楚定義數(shù)據(jù)應如何存儲在計算機中。如果一臺計算機是電子設(shè)備，最好的存儲方式是電子信號，電子信號的出現(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)存儲到計算機之前，能否有效的將數(shù)據(jù)組織成不同的實體和格式？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(xiàn)為對系列開關(guān)的開閉和配線的改變.編程在數(shù)據(jù)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Computersoftware24Figure1.7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27電子計算機的誕生Thebirthofelectroniccomputers(1930–1950)1930-1950,被視為電子計算機工業(yè)先驅(qū)的科學家們發(fā)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(wù)的計算機是通過將信息進行電子編碼來實現(xiàn)功能，主要用于實現(xiàn)解決一些線性方程的系統(tǒng)（1939）Z1：與ABC統(tǒng)一時期，德國數(shù)學家設(shè)計出通用的計算機MarkI：美國海軍和IBM在哈佛大學創(chuàng)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(fā)明了名為巨人Colossus的計算機，是為破譯德國Enigma密碼而設(shè)計的ENIAC：電子數(shù)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(shè)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(shù)據(jù)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(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).第一臺基于馮氏思想的電子離散變量計算機于1950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MauriceWilkes制造產(chǎn)生.基于馮諾依曼模型的計算機ComputersbasedonthevonNeumannmodel30計算機的誕生Computergenerations(1950–present)1950年以后出現(xiàn)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.321-5社會問題和道德問題SOCIALANDETHICALISSUES計算機科學引發(fā)了一些周遭的問題，其中最為普遍的可以歸類為社會問題和道德問題33社會問題Socialissues依賴：一些人認為計算機已經(jīng)構(gòu)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(shè)備及每月支付的上網(wǎng)費對低收入家庭來說是額外的負擔。這意味著計算機已經(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(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(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.版權(quán)：在計算機化的社會中，誰擁有數(shù)據(jù)?Internet已為思想共享創(chuàng)造了機會，但還是帶來了更深的職業(yè)道德問題：電子版權(quán).計算機犯罪：計算機和信息技術(shù)帶來了新的犯罪.黑客已經(jīng)能訪問世界上的很多計算機并盜取大量金錢.病毒制造者設(shè)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網(wǎng)絡(luò)時代之前并不存在.351-6計算機科學作為一門學科COMPUTERSCIENCEASADISCIPLINE隨著計算機的發(fā)明，帶來了新的學科，計算機科學computerscience.同其他任何學科一樣，計算機科學劃分成幾個領(lǐng)域.可以把這些領(lǐng)域歸納為兩大類：系統(tǒng)領(lǐng)域和應用領(lǐng)域.我們對所有這些領(lǐng)域采用廣度優(yōu)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(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)表示與運算第二部分：計算機硬件第三部分：計算機軟件第四部分：數(shù)據(jù)組織與抽象第五部分：高級論題371-7課程綱要OUTLINEOFTHECOURSE第一部分：數(shù)據(jù)表示與運算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)量如何能使用符號來表示.第3章：數(shù)據(jù)存儲討論不同的數(shù)據(jù)如何存儲在計算機中.第4章：數(shù)據(jù)運算討論一些基本的運算.38第二部分：計算機硬件PartII:Computerhardware（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(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：計算機網(wǎng)絡(luò)闡明不同的計算機是如何連接成計算機網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)的39第三部分：計算機軟件PartIII:Computersoftware（這部分包括第7、8、9、10章）第7章：操作系統(tǒng)研究如何自動地對計算機系統(tǒng)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(jié)成為該問題編寫算法的.第9章：程序設(shè)計語言比較對照不同的語言，是當今程序設(shè)計語言之旅.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