第1章计算机科学技术的研究范畴课件.ppt

第 1 章 计算机科学技术的研究范畴 内 容 提 要 本章在介绍计算机的定义、分类、特点、用途和发展等基本概念的基础上，概要地介绍了计算机科学技术的研究范畴。计算机的应用领域和计算机应用能力培养方向，明确今后学习的目标和内容。 17世纪，欧洲出现了计算尺和机械式计算机。19世纪英国数学家巴贝奇(1792-1871)提出通用计算机的基本设计思想。 1934年，科学家图灵发表了一篇名为On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs-problem的论文。在该论文中，图灵通过对人的计算过程的哲学分析，描述了计算一个数的过程，提出了有限状态自动机也就是图灵机的概念。 图灵机可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。在图灵看来，只需要保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为这些最简单的操作就可以实现了，图灵机理论上是通用机。他相信有一个算法可以解决大部分问题，而困难的部分则是如何确定最简单的指令集，怎么样的指令集才是最少的，而且又能顶用，还有一个难点是如何将复杂问题分解为这些指令的问题。图灵在理论上奠定了计算机产生的基础。 图灵机是一种具有能行性的用数学方法精确定义的计算模型，现代计算机正是这种模型的具体实现。计算学科各分支领域均可以用模型与实现来描述。模型反映的是计算学科的抽象和理论两个过程，实现反映的是计算学科的设计过程。模型与实现已蕴含于计算学科的抽象、理论和设计3 个过程之中。计算学科各分支领域中的抽象和理论两个过程关心的是解决具有能行性和有效性的模型问题，设计过程关心的是模型的具体实现问题。正因为如此计算学科中的3 个过程是不可分割、密切相关的。 冯·诺依曼 冯·诺依曼迅速发现了这种后来被称之为计算机的通用机器的用处在于解决一些实际问题。因为战争的原因，冯·诺依曼开始接触到许多数学的分支，使他开始萌生了使用一台机器进行计算的想法。 理论和实践的紧密联系给计算学科带来了力量和生机。正是由于计算学科理论与实践的紧密联系并伴随着计算技术的飞速发展，计算学科现已成为一个极为宽广的学科。 现代计算机的产生以及计算学科的定义 现代计算机的产生 在图灵机模型提出不到10 年的时间里，由于应用的需求以及电子技术的发展，1946 年2 月14 日世界上第一台数字电子计算机ENIAC 在美国宾夕法尼亚大学研制成功。ENIAC是第一台使用电子线路来执行算术和逻辑运算以及信息存储的真正工作的计算机器。它的成功研制显示了电子线路的巨大优越性，但是ENIAC 的结构在很大程度上是依照机电系统设计的，还存在重大的线路结构等问题，要计算一个新的题目，就得将线路另外重新搭接一次。 在图灵等人的工作影响下，1946 年6 月美籍匈牙利数学家冯?诺依曼（Von Neumann）及其同事完成了关于电子计算装置逻辑结构设计的研究报告，具体给出了由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5 类部件组成的、被称为冯?诺依曼型计算机或存储程序式计算机的组织结构新思想及实现方法。为现代计算机的研制奠定了基础。该原理被称为冯?诺依曼原理。冯?诺依曼被人们誉为计算机之父。 计算机科学技术的应用领域 1.计算机系统概述 2.计算学科的传统应用领域 3.计算学科新的应用领域及未来的展望 一.计算机系统概述 计算机是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。 1. 计算机系统 计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。 (1) 计算机硬件系统 计算机硬件系统是由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，它是计算机系统的物质基础。 计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。该原理最初是由匈牙利数学家冯·诺依曼于1946年提出来的，故称为冯·诺依曼原理。 按照冯·诺依曼原理构造的计算机又称冯·诺依曼计算机，其体系结构称为冯·诺依曼结构。目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯·诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯·诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术。 (2) 计算机软件系统 计算机软件的定义：软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料。 没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机。裸机向外部世界提供的界面只是机器指令。用户及其他程序都通过系统软件来使用计算机。 一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件。计算机系统软件 由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到预