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第一章引论浙江大学计算机学院Overview•计算机是什么•数据处理机模型•现代计算机模型•计算机系统•信息系统•因特网和万维网•计算机文化和计算思维1.1计算机是什么计算机是一种能对各种信息进行高速处理的工具或电子机器，是20世纪人类最伟大的科技发明之一。不仅仅是个计算工具，更是一个信息处理机。不同于其它任何机器，具有存储功能，无需人工直接干预，按程序的引导自动存取和处理数据，输出人们所期望的信息。计算机的定义计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并提供结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）及相应的处理算法。——《计算机科学技术百科全书》核心词汇工具处理信息算法计算机和计算ComputerandComputation计算数学的基础计算机的基础期望：计算机实现数学意义上的“自动计算”现实：客观世界的形态被“数字化”计算机素质知道它，知道它是如何做到的1.2数据处理机模型•DataProcessor——Computer–处理数据(Data)，得到信息(Information)•Data–原材料•Information–制成品•数据处理器模型–黒盒模型–带有程序功能的处理机模型黑盒模型•定义了计算机的功能，给出了计算机的基本属性，即–计算机就是处理数据的机器输入数据输出数据(信息)计算机（处理数据）具有程序能力的数据处理机•程序（Program）–简单地被理解为按照预定的步骤进行工作–程序是处理数据的算法的具体实现输入数据输出数据(信息)计算机（处理数据）程序具有程序能力的处理机模型•计算机的灵活性–不同的数据，相同的程序，不同的结果–相同的数据，不同的程序，相同的结果•程序原理–能够按照“程序”进行工作–程序是事先编制好并存放在计算机内部的1.3现代计算机模型•冯·诺依曼计算机存储器运算器控制器输入输出现代计算机模型定义了计算机的5个组成部分输入Input运算ArithmeticLogicUnit存储Memory控制Controller输出Output巴贝奇（CharlesBabbage）IPOSCPU=ALU+Controller三个子系统CPU、Memory、I/O程序存储原理•现代计算机模型要求–程序在执行前存放到存储器中–还要求程序和数据采用同样的格式–——程序存储原理•如何使计算机自动执行程序–程序存储原理解决的问题•程序存储的另一个重要的理由是–程序的“重用”1.4计算机系统计算机系统硬件系统处理器系统(主机)存储器系统外部设备输入设备输出设备软件系统系统软件操作系统编程语言工具软件应用软件办公软件其他应用软件硬件系统•计算机的物理设备叫做硬件（Hardware）–实现计算机操作过程、输入、输出互联的各种电子设备–术语计算机设备（Device）既可以指一个价值数亿的巨型计算机系统，也指一个只有数十元的鼠标器计算机的历史•计算的概念和人类文明历史是同步的•计算是基于数字的•在英文中，数字（Digit）一词拉丁语——“手指”——隐喻人类的计算从手指开始•手工到机械自动–史前时期，我们的祖先就采用石块和贝壳记数；–算筹算盘；–17世纪，出现了计算尺；–1642年，法国数学家Pascal创造了第一台能完成加、减运算的机械计算器，计算税收；•钟表齿轮计数加减，用杠杆实现进位•程序设计语言Pascal以他的名字命名–1822年，英国数学家巴贝奇提出了自动计算机的基本概念，并设计出差分机和分析机；•机械计算到电动计算–1884年，美国工程师霍雷斯创造了第一台电动计算机,用于人口普查,使十年才能完成的统计工作在六个星期内就完成了；–1944年，美国哈佛大学数学教授霍华德·阿肯提出设计思想，由IBM承建，设计出“马克1号”计算机。•机电全自动到电子数字–1946年，第一台数字式计算机ENIAC诞生在美国，从此人类社会进入以计算机为主导的信息时代。ENIAC计算机和主要发明人J.毛赫利和艾克特左前共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法。第一代计算机（1946—1959）•电子管计算机–计算机全名为通用数字电子计算机–体积大，故障率高–磁鼓作为存储器•第一台UNIVACI被交付人口普查局用于1950年的人口普查。•第二台UNIVACI用于预测大选结果，在投票点关闭后1小时之内，预测艾森豪威尔会赢得1952年总统大选。•IBM公司生产的第一台商用计算机IBM701，一共生产了19台：第二代计算机（1959—1963）•晶体管计算机–1948年6月贝尔实验室研制成功世界上第一只晶体管–第一台晶体管的计算机是CDC制造的1604机器–开始使用高级语言–开始通过电话线进行数据交流，虽然速度很慢，但这已经是网络的萌芽–应用于事务管理及工业控制–代表机型IBM7000系列–优点体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高IBM70901962年，IBM发布7090型大型计算机，用于美国航空公司的订票系统SABRE。该系统通过电话线提供“实时服务“，将坐落于50多座城市的高性能计算机彼此连通，处理票务数据。第三代计算机（1963—1975年）•集成电路（IC，IntegratedCircuits）计算机–1958年发明了集成电路–摩尔博士预言IC上能被集成的晶体管数目将会以每18个月翻一番的速度稳定增长——摩尔法则–软件的主要发展是操作系统的复杂化程度提高，出现了现代操作系统的特征，包括：多道程序设计、虚拟存储和分时技术–交互式系统开始普及，尤其是在小型计算机上。BASIC语言由于其交互式特征而在第三代计算机期间大为流行。–IBM推出了著名的360系列计算机.第四代计算机（1975年—）•第四代计算机标志的处理器使用的大规模集成电路（LSIC）——Intel系列处理器•1976年4月，在乔布斯（SteveJobs）的车库里诞生了AppleI，模样像打字机。主板裸露在外，需连接电视机做为显示器，第四代计算机（1975年—）•1980年，IBM选择Intel8088芯片作为它的微机的处理器——PC（PersonalComputer），委托Microsoft设计操作系统•销售量：1981年2万5千台；1982年19万台；1983年70万台•IBM公司的这两个决定的巨大的影响：–IBM公司商标的PC成为微型计算机的同义词–Microsoft和Intel公司则在计算机软件和硬件方面成为和IBM公司分庭抗礼的业界巨头。•PC兼容机——PC开放式结构•大规模集成电路（LSIC）技术–Intel第一片处理器芯片2500个元件–Intel宣布将于2005年投放IA-64处理器，以双重结构在单个芯片上集成超过5亿个元件•编程语言的发展——新语言——面向对象（OOP）•硬件成本的大幅度下降和PC的快速普及——软件成为一个增长速度最快的产业之一•高速计算机网络和Internet今天的计算机•集中关注微机发展：微机离我们最近•1994/12/25：微机销售第一次超过电视机——最大的消费电子产品•图形界面为特征的主流操作系统–用户不需要记忆复杂的计算机命令–以图形用户接口（GUI）技术为特征的面向对象的编程技术使得程序设计不再以代码开始新型计算机•仿生的生物计算机DNA计算机科学家研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因物质。数学家，生物学家，化学家以及计算机专家从中得到启迪，合作研制未来的液体DNA电脑。这种DNA电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，对问题以新的DNA编码形式加以解答。DNA电脑的优点：•体积小，但存储的信息量非常大。•运算速度极快。•最大限量的减少能耗，DNA电脑的能耗，仅为普通电脑的十亿分之一。用脑电波控制的电脑美国研制成一种可由人脑电波控制的电脑。人脑电波频率从0.5赫兹到40赫兹不等，附着在人的头皮上的传感器能把这种脑电波传给电脑。帮助四肢瘫痪的人使用计算机、控制机器人脑控游戏（EmotivSystems的“神经头盔”，使用者戴在头上,只需起心动念,就可以操控眼前的计算机，最重要的部分是16个传感器,一方面紧贴头皮感测神经讯号,一方面将讯号传输给计算机•高速超导计算机超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机。所谓超导，是指有些物质在接近绝对零度（相当于-269摄氏度）时，电流流动是无阻力的。超导电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，它采用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有3~5立方毫米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。约瑟夫逊超导元件。使用铌系列超导材料，不但速度快，而且耗电少•光子计算机光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。–超高速的运算速度–超大规模的信息存储容量–能量消耗小，散发热量低–在对图像处理、目标识别和人工智能等方面，光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大。计算机类型•按计算机的规模及销售价进行划分–千万USD：Supercomputer•天河-1A：主机的处理器达到186368个，运算速度达到了每秒2570万亿次。–数百万USD：MainframeComputer–小型计算机–PC，微型计算机–嵌入式系统–智能手机计算机软件•软件：“看不见”的，却是不可或缺的–所有与计算机相关的文档、程序、语言等都可以归类为软件•软件系统–系统软件：把服务于计算机本身–应用软件：解决特定问题•软件的进化–从专业到产业计算机是如何运行的•通电后–CPU执行启动程序BIOS–操作系统调入内存•BIOS引导后–计算机由操作系统管理和控制1.5信息系统信息系统有6个要素硬件软件数据/信息人/用户（PeopleorUser）计算机有两类用户，一类是以计算机为职业的另一类用户主要就是使用计算机，大多数用户属于这一类。过程/处理通信1.6因特网和万维网•Network：两台以上的计算机互连•世界上最大的网：Internet–目的：资源共享–网络的网络–管理上：无中心–特性——开放–虚拟社会–网上的各种社会形态：现实世界的Copy万维网•WorldWideWeb––简称为Web–中文名为万维网•原为Internet的一种应用（技术）–LinkandWebpageandWebsite–现实：Internet的代名词–第一个浏览器软件：Mosaic–免费的浏览器1.7计算机文化和计算思维•ComputerLiteracy–理解计算机是什么–它如何被作为资源使用•ComputationalThinking–是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动–本质：Abstraction、Automation–与理论思维、实验思维的差异计算思维的特征计算思维是什么计算思维不是什么1是概念化不是程序化2是根本的不是刻板的技能3是人的思维不是计算机的思维4是思想不是人造物5是数学与工程思维的互补与融合不是空穴来风6面向所有的人，所有的地方不局限于计算学科思考题回忆一下你使用计算机的经历，列举你使用计算机做过的事情。你是否考虑过将研究计算机作为你的职业，为什么？