计算机科学技术的基础知识

综上所述，可以给计算机下一个定义： 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、 高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化 智能电子设备。
1.1.2 计算机科学与技术专业知识体系和专业方向
作为计算机科学与技术专业的大学生 , 首先必须 了解在大学4年的学习中应具备什么样的知识结构和 综合能力，在大学生活开始时就知道构建一个什么样 的知识体系和如何构建这个知识体系。
计算机具有各种计算的能力。在数据处理过程中，计 算机不仅能进行加、减、乘、除等算术运算，而且还能进行 逻辑运算并对运算结果进行判断，从而决定以后执行什么操 作。 计算机具有信息处理能力。在当今的信息社会里，各 行各业，随时随处产生大量的信息，人们为了高效地获取、 传送、检索信息及从信息中产生各种报表数据，必须将信息 在计算机的控制下进行有效的组织和管理 。
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18000只电子管（主要元件） 10000只电容 7000只电阻 占地170平方米 重量30吨 功耗150千瓦
第一台电子计算机平面图(1)
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第一台电子计算机平面图(2)
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埃克特为ENIAC换电子管
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电子计算机发展阶段
• • • • 第一阶段：电子管计算机(1946-1957) 第二阶段：晶体管计算机(1958-1964) 第三阶段：集成电路时代(1965-1970) 第四阶段：大规模、超大规模集成电路时代 (1971年以后) • 四个阶段的比较
根据素质和能力培养的要求，计算机科学与技术专业的知识 体系主要包括公共基础知识、学科基础知识和专业知识三大模 块。 （1）公共基础知识模块：主要开设树立科学的世界观、培养 高尚情操和良好的心理素质、增强法制观念等方面的课程，还 有“大学英语”、“大学体育”和“大学语文”等。 （2）学科基础知识模块：主要开设数学和电子学方面的课程。 如“高等数学”、“线性代数”、“概率论与数理统计”、 “离散数学”、“电路基础”、“模拟电路”、“数字电路” 等。 （3）专业知识模块：主要分为专业基础和专业方向两部分。 专业基础课程主要包括“计算机科学与技术导论”、“面向对 象程序设计”、“计算机组成原理”、“数据结构”、“操作 系统”、“数据库原理”、“软件工程”、“编译原理”、 “计算机网络”等。专业方向课程根据不同方向开设相关的专 业课程。
1．计算机科学（CS） 计算机科学的学科范围跨度很大，包括从理论基础、算 法基础到最前沿的学科发展，比如机器人学、计算机视觉、 智能系统、仿生信息学等许多令人兴奋的学科。计算机科学 家的工作包括三个方面： （1）设计和实现软件。 （2）发明应用计算机的新方法。 （3）发明高效的方法解决计算问题。 2．计算机工程（CE） 计算机工程是一门关于设计和构造计算机以及基于计算 机系统的学科。它所涉及的研究包括软件、硬件、通信以及 它们之间的相互作用等方面。
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1.1计算机科学的基本概念和基本知识
1.1.1 计算机的基本概念
“计算机”顾名思义是一种计算的机器，它是由 一系列电子器件组成—英语名称为Computer。 计算机可以对数字、文字、颜色、声音、图形、 图像等各种形式的数据进行加工处理。 计算机具有各种计算的能力。当用计算机进行数 据处理时，首先把要解决的实际问题，用计算机语言 编写成计算机程序，然后将待处理的数据和程序输入 到计算机中，计算机按程序的要求，一步一步地进行 各种运算，直到存入的整个程序执行完毕为止。
2. 专业方向
计算机科学与技术学科经过了半个多世纪的迅猛发展，已 经成为一个相对比较完备的学科体系，衍生了许多相对独立的 方向和分支。 近十年来，计算机学科发生了巨大变化，从历史上看，在 计算机学科发展的早期，数学、逻辑、电子学、程序语言和程 序设计是支撑学科发展的主要基础知识。到了20世纪60～70 年代，数据结构、计算机原理、编译技术、操作系统、程序设 计与程序语言、数据库系统原理等成为学科的主要基础知识。 从20世纪80年代开始，并行与分布计算、网络技术、软件工程 等开始成为新的学科内容，计算机学科原有的专业设置框架被 突破，逐渐形成了在“计算机科学与技术”一个专业之下分为 计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术等多个专业方 向的新格局。
国防及高科 技 工程设计、 数据处理
第二代
晶体管
第三代
1965~197 0
中、小规模集 成电路
大规模、超大 规模集成电路
数百万 ~ 几 千万次/秒
上亿条指令 /秒
工业控制、 数据处理
工业、生活 等各方面
第四代
1970~今
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2.冯·诺依曼设计思想和摩尔定律
英国科学家艾兰.图灵
美籍匈牙利数学家冯.诺依曼
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表1-1 计算机发展的四个阶段
代次 起止年份 所用电子元件 数据处理方式 运算速度 应用领域
第一代
1946~195 7 1958~196 4
电子管
汇编语言、代 码程序 高级程序设计 语言 结构化、模块 化程序设计、 实时处理 分时、实时数 据处理、计算 机网络
5千~3万次 /秒 数十万 ~ 几 百万次/秒
3．软件工程（SE） 软件工程是一门交叉性的工程学科，它是将计算机科学、 数学、工程学和管理学等基本原理应用于软件的开发和维护 中，其重点在于大型软件的分析与评价、规格说明、设计和 演化，同时涉及管理、质量、创新、标准、个人技能、团队 协作和专业实践等。 4．信息技术（IT） 信息技术专业，主要培养能满足多种组织对计算机技术 需求的人才。信息技术专业更多地关注于“技术”本身，信 息技术是一门新的且快速发展的学科，并作为一门基础学科 响应着公司或组织的多种日常实践需求。
大学生应具备以下几方面的能力： （1）自学能力。进入大学要逐步由以教师传授知 识为主向自主获取知识为主过渡，掌握必要的文献检 索、资料查询的基本方法及能力，注重自学能力的提 高，为日后走向社会独立工作打下基础。 （2）自控能力。自我控制约束能力是一个人基本 素质的体现 ，进入大学，个人自由空间变大了，自由 时间变多了，更需要自我约束控制能力。 （3）表达沟通能力。包括书面文字表达能力和口 头与人沟通的能力。特别要强调的是，从事计算机领 域的工作英语表达能力尤为重要，要注重英语的听、 说、读、写、译能力的提高，这对于及时了解计算机 学科的最新成果，正确把握学科的发展趋势都是至关 重要的。
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1.2.1 电子计算机的发展(3)
• 1946年，由宾夕法尼亚大学的工程师们开发出了世界上 第一台多用途的计算机ENIAC，这是一台真正现代意义上 的计算机。 • ENIAC：“电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator）” • 器件：
• 1936发表论文“论可计算数及其在判 定问题中的应用”，为计算机的理论和模 型奠定了基础；
冯·诺依曼提出“存储程序”的思想； 确立现代计算机体系结构； 五十多年来，虽然计算机技术突飞猛
• 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念 。 进，但计算机系统基本结构没有变。
冯·诺依曼的三个重要设计思想
○五大基本部件;
微型机已经深入到社会生活的各个领域，并进入千家万户，真正成为大 众化的信息处理工具
○采用二进制数表示指令和数据;
○将程序和数据存放在计算机的内存中，并让计算机自动执 行
摩尔定律
集成电路中的晶体管数平均每18个月翻一番，芯片的 性能 也随之提高一倍
2003年2月摩尔发表讲话说，摩尔定律至少在未来10年 中还能继续发挥作用
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3. 微型机的发展
微型机已从4位机、8位机、16位机、32位机发展到64位机。 微型机 的核心是微处理器
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1.2.1 电子计算机的发展(2)
• 1936年英国数学家图灵（Alan Turing，1912 - 1954） 提出了著名的“图灵机”模型，探讨了现代计算机的基 本概念，理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。 • 1945年，匈牙利出生的美籍数学家冯·诺依曼（John von Neumann，1903 ~ 1958）提出了在数字计算机内 部的存储器中存放程序的概念。这是所有现代计算机的范 式，被称为“冯·诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机 称为存储程序计算机，又称为通用计算机。长达101页 的EDVAC（Electronic Discrete Variable Computer， “离散变量自动电子计算机”的简称）方案是计算机发展 史上的一个划时代的文献.
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集成电路时代(1965-1970)
• 主要特点：
– 逻辑元件采用中、小规模集成电路 – 主存储器采用半导体存储器 – 运算速度几十万次到几百万次 – 软件方面操作更加完善，高级语言进一步发展。 会话型高级语言（如BASIC）得到广泛应用
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大规模、超大规模集成电路时代
• 主要特点：
– 逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路 – 主存储器采用集成度更高的半导体存储器 – 外存储器使用软、硬磁盘和光盘 – 运算速度每秒几百万次至上亿次 – 软件方面发展了数据库系统、分布式操作系统，高级 语言发展为数百种 – 外部设备丰富多彩，输入输出设备品种多、质量高 – 网络通信技术、多媒体技术及信息高速公路使世界范 围内的信息传递更加方便
大学生应具备以下几方面的能力：
（4）创新能力。现在社会是一个竞争的社会，要 想在竞争中处于有利地位，创新是基础。理论创新、 技术创新、制度创新、管理创新、教育创新，无论日 后从事什么工作都需要创新，没有创新思维和创新能 力就不具备竞争力。 （5）组织能力。大学毕业走向社会，总是要工作 在一个团队中，总要涉及到合作问题，组织协调能力 对于充分调动成员的积极性，高质量完成合作性工作 是非常必要的。
甘肃民族师范学院计算机科学系现设专业情况： 现设有计算机科学与技术专业，分为普通类和藏汉 双语类。 普通类分为技术科学与技术（网络方向、数字媒体 方向）
1.2计算机的基本结构与工作原理
1.2.1 电子计算机的发展(1)
• • • • 算筹—中国古代的计算工具。 算盘—产生于约公元600年左右。 计算器（1642年）产生。 1832年由英国数学家巴贝奇（Charles Babbage，1792 - 1871）首先提出了通用数字 计算机的设计思想，并且设计出了第一台由外部 指令驱动的计算机。 • 1854年，英国数学家布尔（George Boole， 1824 - 1898）提出了符号逻辑的思想，数十年 后形成了计算机科学软件的理论基础。
计算机是一种能快速而高效 地自动完成信息处理的数字化 电子设备。 随着信息时代的到来，计算 机已经成为人类活动中不可缺 少的工具。
本章主要内容
计算机科学的基本概念和基本知识 计算机的基本结构与工作原理 计算机系统
CPU 存储器 输入设备 软件系统 总线、主板与接口 输出设备
数据存储与数字逻辑基础
讨论题
1.素质培养和知识体系
综合素质和能力对一个人的事业成功起到了重要的作用。 综合素质应体现在以下几个方面： （1）品德素质。热爱祖国；具有远大理想抱负；遵纪守 法，严于律已，宽以待人，团结协作，勤奋向上。 （2）文化素质。从人类一切优秀文化中汲取营养，陶冶 情操，提高自身的文学素质、科学素质、美学素质。 （3）心理素质。树立科学的世界观和人生观，能适应顺 境和逆境环境下的自我调整。 （4）专业素质。具备扎实的基础理论，掌握计算机学科 的基本概念和方法，具有较强的实践能力，了解计算机学科 的发展方向和应用前景，具备较强的分析问题和解决问题的 能力。 （5）身体素质。注重锻炼身体，具备良好的身体素质， 能应对日常工作及超强度工作的需要。
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电子管计算机(1946-1957)
• 主要特点： – 逻辑元件采用电子管 – 主存储器采用磁鼓或延迟线 – 外存储器使用纸带、卡片、磁带等 – 运算速度为每秒几千次或几万次 – 软件使用机器语言或汇编语言 – 主要用于科学计算
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晶体管计算机(1958-1964)
• 主要特点：
– – – – – 逻辑元件采用晶体管 主存储器采用磁性材料制成的磁芯存储器 外存储器使用磁带、磁盘 计算速度为每秒几十万次 软件使用操作系统，并出现FORTRAN、COBOL等面 向过程的高级语言