讲义1 背景

ENIAC (埃尼亚克)
• Electronic Numerical Integrator and Calculator • Made in 1946,18,000 vacuum tubes • 第一部全功能且电子化的计算机 • John Mauchly 和 J. Presper Eckert所发明 所发明 • 开启时，所在地费城的灯光还会 开启时， 微暗
System Software: The Computer’s Boss
• 功能 用于使计算机能够管理其本身的内部资源，控制硬 用于使计算机能够管理其本身的内部资源， 件的运行，执行各种基本操作，如使CPU与键盘、显示器、 件的运行，执行各种基本操作，如使CPU与键盘、显示器、 CPU与键盘 打印机和磁盘驱动器通信等。系统软件不用于解决各种业 打印机和磁盘驱动器通信等。 务性或专业性的具体问题。 务性或专业性的具体问题。 • 最重要的一种系统软件是“操作系统”。目前个人计算机 最重要的一种系统软件是“操作系统” 最常用的系统软件即美国Microsoft(微软) 最常用的系统软件即美国Microsoft(微软)公司的 Microsoft(微软 Windows（视窗）系列操作系统。 Windows（视窗）系列操作系统。
存储系统结构
• Cache • 用于解决 用于解决CPU与内存之间的速度不 与内存之间的速度不 匹配，有Cache后，相当于给CPU配 匹配， 后 相当于给 配 备了相当于内存容量，具有 备了相当于内存容量，具有Cache 速度的内存。 速度的内存。
2.3冯·诺依曼模型 2.3冯 诺依曼模型
2. Arithmetic Logical Unit (ALU) 进行信息加工、进行算术运算和逻辑运算的场所， 进行信息加工、进行算术运算和逻辑运算的场所，核心是算数 逻辑单元
两类软件
软件通常可以分为两类： 软件通常可以分为两类：
• System Software (系统软件 系统软件) 系统软件 • Application Software (应用软件 应用软件) 应用软件
你可以认为应 用软件是 你 用的，而系统 软件是 计算 机用的。 应用软件：我用的
系统软件：它用的
第三代（1964-1970）
• 固体物理技术，核心 元件中小规模集成电 路，在几平方毫米单 晶硅片上集成十几个 至上百个电子元件； 几十万至几百万次/秒； 用于各个科学领域 。
第四代（1971至今）
• 核心元件大规模和超 大规模集成电路(如 “奔腾4处理器”包含 4200万个晶体管)；上 千万次至上亿次/秒； 进入现代社会各个领 域。 • 超大规模集成电路应 用的直接结果是微型 计算机的诞生。
2 可编程数据处理器模型
程序
可编程数据处理器模型
• 可以认为计算机是一个可编程 可编程数据处理器 可编程 • 程序 ，一种事先编制好了具有功能的指令序列。
2 冯·诺依曼模型 诺依曼模型
• 从计算机的结构原理来看，目前的 绝大 从计算机的结构原理来看， 部分计算机是建立在“存储程序控制” 部分计算机是建立在“存储程序控制” 原理概念基础上的，即所谓的“ 诺依 原理概念基础上的，即所谓的“冯.诺依 曼”型计算机。 型计算机。 • 四個主要部分 – Memory (存储器 存储器) 存储器 – Arithmetic Logic Unit (ALU,算术/逻 算术/ 算术 辑单元) 辑单元 – Control Unit (CU,控制单元 控制单元) 控制单元 – Input/Output (I/O,输入输出单元 ) 输入输出单元
电子计算机时代的到来
• ENIAC由美国宾夕法尼亚州立大学莫 由美国宾夕法尼亚州立大学莫 尔学院设计研制，价值 多万美元 多万美元， 尔学院设计研制，价值40多万美元， 运算速度5000次/秒。 运算速度 次秒 • 在当时，计算一条弹道时间缩短为30 在当时，计算一条弹道时间缩短为 秒。它运算两小时，相当于一个物理 它运算两小时， 学家100年的手工计算，不能不说是一 年的手工计算， 学家 年的手工计算 个划时代的事件——表明了电子计算 表明了电子计算 个划时代的事件 机时代的到来。 机时代的到来。
计算机发展史上的重要人物
• 英国数学家图灵 英国数学家图灵(Turing):创建了自动机理论，发展了可计算 创建了自动机理论， 创建了自动机理论 机性理论，奠定了人工智能的基础。 机性理论，奠定了人工智能的基础。 • 美籍匈牙利数学家冯 诺依曼(Von Neumann)：确立了现代计 美籍匈牙利数学家冯.诺依曼 诺依曼 ： 算机的基本结构，即冯 诺依曼体系结构 诺依曼体系结构。 算机的基本结构，即冯.诺依曼体系结构。其要点是 – 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 计算机由运算器、控制器、存储器、 五大部分组成 – 数据和指令（程序）以二进制代码形式不加区别地在执行 数据和指令（程序） 前存放在存储器中 – 存储程序和数据的概念
计算机史
• 从1946年到今天，计 算机技术已经经历了 四次革命性的变化 （四代），一代比一 代体积缩小，功能增 大，价格下降。
第一代（1946-1958）
• 电子技术，核心元件 电子管，几千次/秒， 用于军事与科学研究。
第二代（1959-1963）
• 半导体技术，核心元 件晶体管，几十万次/ 秒，用于科学计算、 数据和事务处理 。
Turing Machine
• Alan Turing在二次大战时设计 破解了德国的 在二次大战时设计, 在二次大战时设计 破解了德国的Enigma密码 密码
该计算机使用一条无限长度的纸带，纸带被划分成许多方格， 该计算机使用一条无限长度的纸带，纸带被划分成许多方格， 有的方格被画上斜线，代表“1”；有的没有画任何线条，代表 有的方格被画上斜线，代表 ；有的没有画任何线条， “0"。该计算机有一个读写头部件，可以从带子上读出信息， 。该计算机有一个读写头部件，可以从带子上读出信息， 也可以往空方格里写下信息。该计算机仅有的功能是： 也可以往空方格里写下信息。该计算机仅有的功能是：把纸带 向右移动一格，然后把"1"变成 变成"0"，或者相反把 变成"1"。 向右移动一格，然后把 变成 ，或者相反把"0"变成 变成 。
4 HISTORY
ABC (Atanasoff Berry Computer)
• 第一部将信息电子化的特定功能计算机 • 1941夏季 Atanasoff和学生 夏季: 和学生Berry完成了能解线性代数方 夏季 和学生 完成了能解线性代数方 程的计算机，取名叫 程的计算机，取名叫"ABC"（Atanasoff-Berry （ Computer），用电容作存储器，用穿孔卡片作辅助存储 ），用电容作存储器， ），用电容作存储器 上的。 器，那些孔实际上是"烧"上的。 时钟频率是 那些孔实际上是 烧 上的 时钟频率是60HZ，一秒 ， 完成一次加法运算。 完成一次加法运算。
3.wk.baidu.comControl Unit 计算机的指挥控制中心， 计算机的指挥控制中心，控制与协调整机各个部件有条不紊 的自动工作。 的自动工作。
2.4 冯·诺依曼模型 诺依曼模型
4.Input/Output • 输入设备将人熟悉的信息变换成机器内部能够 识别的二进制信息； • 输出设备把计算机处理信息的结果变换成人或 其他机器能够识别的信息形式。
3计算机软件
为什么要使用软件？
• 计算机机器本身毫无智力可言，必须由人们提供各种指令 计算机机器本身毫无智力可言， 来告诉它做什么、如何做和何时做。 来告诉它做什么、如何做和何时做。这些指令被总称为 “software” ( 软件 )，因为它的存在人们感觉不到也看不到。 ，因为它的存在人们感觉不到也看不到。 • 软件是由一组用所谓“编程语言”编写的程序组成。程序 软件是由一组用所谓“编程语言”编写的程序组成。 是由一组用所谓 则由指令组成。 则由指令组成。用于实现某一专业功能的软件通常又称为 “软件包”。 软件包” • 软件通常由专业编程人员开发，并存放在磁盘、光盘上， 软件通常由专业编程人员开发，并存放在磁盘、光盘上， 或通过因特网在线提供。 或通过因特网在线提供。
Application Software: Your Servant
• 功能 用于提高计算机用户的工作效率和创造力。 用于提高计算机用户的工作效率和创造力。 • 目前个人计算机最常用的应用软件是美国Microsoft(微软 目前个人计算机最常用的应用软件是美国 微软) 微软 公司的Office系列办公软件和 系列办公软件和Internet Explorer Browser 公司的 系列办公软件和 ( IE浏览器)。前者用于编写文档、处理电子表格、制作网 浏览器) 浏览器 前者用于编写文档、处理电子表格、 页和多媒体演示软件等，后者用于在因特网上“ 页和多媒体演示软件等，后者用于在因特网上“上网冲 浪”——访问远程网站、下载软件、收发电子邮件、网上 ——访问远程网站、下载软件、收发电子邮件、 访问远程网站 交友…
输入设备
存储器
输出设备
运算器
控制器
计算机的基本组成结构（ 诺依曼体系 诺依曼体系） 计算机的基本组成结构（冯.诺依曼体系）
计算机硬件可以分成哪五类？
• Input（输入系统硬件） （输入系统硬件） • Processing and memory（数据处理和主存 （ 储系统硬件） 储系统硬件） • Output（输出系统硬件） （输出系统硬件） • Storage（辅助存储系统硬件） （辅助存储系统硬件） • Communications（通信系统硬件） （通信系统硬件）
计算机科学导论
Foundations of Computer Science
教材与参考书
• 计算机科学导论，B. A. FOROUZEN 机械工业出版社，V2 机械工业出版社， 计算机科学导论， • 计算机导论，清华大学出版社 计算机导论， • COMPUTERS,COMUNICATIONS.AND INFORMATION， ， V7 HUTCHSON & SAWYER 高教出版社
具体目标
•黑盒 •程序 •数据处理器 •可编程数据处理器 •冯.诺依曼模型
•硬件 •软件 •数据 •计算机历史
1 什么是“计算机”？
一种能够按照事先存储的程序，自动、 一种能够按照事先存储的程序，自动、高速 地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。 地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。
如果不关心计算机的内部结构， 如果不关心计算机的内部结构，可以简单地认为计算机是一 个黑盒。这里我们提供两个常见的计算机模型 两个常见的计算机模型。 个黑盒。这里我们提供两个常见的计算机模型。 可以认为计算机是一个数据处理器。按照这个定义， 可以认为计算机是一个数据处理器。按照这个定义，计算机 是一个接收数据，处理数据，产生数据的黑盒。 是一个接收数据，处理数据，产生数据的黑盒
世界上第一台电子计算机
• 诞生于 诞生于1946年2月的世界上第一台电子计算机，是为美国陆军 年 月的世界上第一台电子计算机 月的世界上第一台电子计算机， 计算枪炮火力表而研制。每张火力表需要计算数百条弹道， 计算枪炮火力表而研制。每张火力表需要计算数百条弹道， 一条飞行时间为60秒的弹道，手摇计算机 小时 小时， 一条飞行时间为 秒的弹道，手摇计算机20小时，大型微分 秒的弹道 分析仪15分钟。军方要求每天计算6张火力表。 张火力表。 分析仪 分钟。军方要求每天计算 张火力表 分钟
如何学习本课程 说说你对计算机的认识 你用过何种操作系统 你用过何种应用软件 你希望从这么课程中学到什么 你喜欢的教学方式是什么？ 你喜欢的教学方式是什么？ …... Requirement to the students
本章目的
• 计算机的定义 • 计算机的定义分类 • 计算机的定义特点 • 计算机的定义用途和发展
2.1 冯·诺依曼模型 诺依曼模型
程序
2.2 冯·诺依曼模型 诺依曼模型
1.Memory 冯.诺依曼原理的 核心，用于存放程序和数据的 诺依曼原理的 核心， 部件。 部件。 内存储器（主存） 内存储器（主存） 少 快 外存储器（辅存） 外存储器（辅存） 多 慢
中央处理器
高速缓冲存储器
主存储器
外存储器