计算机科学导论-概述 ppt课件
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第1章 概述-计算机科学导论(第5版)-瞿中-清华大学出版社
为了更清楚地认识计算机，必须先了解数及记数方式， 因为计算机产生之初主要是应用于科学计算。
➢ 数的概念及记数方式的诞生 ➢ 古埃及数学及记数体系 古印度数学及记数体系
1.2 计算机的产生和发展阶段
➢ 计算机的产生和发展不是一蹴而就的，而是经历了漫 长的历史过程。在这个过程中，科学家们经过艰难的 探索，发明了各种各样的“计算机”，这些“计算机” 顺应了当时历史的发展，发挥了巨大的作用，推动了 社会的进步，也推动了计算机技术的发展。
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 19世纪末，赫尔曼•霍列 瑞斯(Herman Hollerith： 1860-1929)首先用穿孔 卡完成了第一次大规模数 据处理。
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 托马斯•约翰•沃森(Thmoas J.Watson，1874~1956)和 IBM
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 英国数学家布尔(G.Boole： 1815-1864年)
➢ 第一部著作《逻辑的数学分析》 ➢ 1854年，已经担任柯克大学教授
的布尔再次出版《思维规律的研 究—逻辑与概率的数学理论基础》 ➢ 凭借这两部著作，布尔建立了一 门新的数学学科—布尔代数
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
机械计算机 ➢ 德国著名数学家戈特弗里德•
威廉•莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz：16461716年)将帕斯卡的“加法器” 扩大为乘除运算 ➢ 1700年左右，莱布尼茨从中 国“易图”(八卦)里受到启发， 悟出了二进制数之真谛
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
提花机
➢ 小托马斯·沃森（Thomas Watson Jr.，1914~1993）
➢ 数的概念及记数方式的诞生 ➢ 古埃及数学及记数体系 古印度数学及记数体系
1.2 计算机的产生和发展阶段
➢ 计算机的产生和发展不是一蹴而就的，而是经历了漫 长的历史过程。在这个过程中，科学家们经过艰难的 探索，发明了各种各样的“计算机”，这些“计算机” 顺应了当时历史的发展，发挥了巨大的作用，推动了 社会的进步，也推动了计算机技术的发展。
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 19世纪末，赫尔曼•霍列 瑞斯(Herman Hollerith： 1860-1929)首先用穿孔 卡完成了第一次大规模数 据处理。
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 托马斯•约翰•沃森(Thmoas J.Watson，1874~1956)和 IBM
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
模拟计算机
➢ 英国数学家布尔(G.Boole： 1815-1864年)
➢ 第一部著作《逻辑的数学分析》 ➢ 1854年，已经担任柯克大学教授
的布尔再次出版《思维规律的研 究—逻辑与概率的数学理论基础》 ➢ 凭借这两部著作，布尔建立了一 门新的数学学科—布尔代数
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
机械计算机 ➢ 德国著名数学家戈特弗里德•
威廉•莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz：16461716年)将帕斯卡的“加法器” 扩大为乘除运算 ➢ 1700年左右，莱布尼茨从中 国“易图”(八卦)里受到启发， 悟出了二进制数之真谛
1.2.1 计算机产生之前的计算历史
提花机
➢ 小托马斯·沃森（Thomas Watson Jr.，1914~1993）
计算机导论第1章简明教程PPT课件
图灵机（Turing Machine）
英国科学家艾兰· 图灵（Alan Turing）提出了一种理想的计算机器 的数学模型——图灵机，发展了可计算性理论。现在该理论不仅是 计算机科学的基础，也是数学的基础之一，为纪念图灵而设立的图 灵奖已成为计算机界的诺贝尔奖。
图灵（1912-1954）
第一章 概述
电子管 (1904)
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务2：熟悉计算机发展简史
第二代（1959年～1964年）是晶体管时代 逻辑元件是半导体晶体管。软件方面使 用操作系统和各种计算机高级语言。
晶体管 (1948)
该时期计算机主要用于数据处理、自动 控制等方面，代表机型有：IBM7090、 IBM7094、CDC7600等。
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
计算机导论
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
第一章 概述
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
学习目标
了解信息技术的概念
熟悉计算机发展简史 掌握计算机中常用的数制
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务1：了解信息技术的概念
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务2：熟悉计算机发展简史
计算机的产生
人类使用的计算工具随着生产力的发展和社会的进步 ,经历了从 简单到复杂、由低级到高级发展的过程。
世界上最早的计算工具是算盘，世界上最早的计算机，可以 说是计算尺。
算盘和计算尺最大的区别是，算盘由算盘珠组成，计算尺是 由刻度构成的。
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
英国科学家艾兰· 图灵（Alan Turing）提出了一种理想的计算机器 的数学模型——图灵机，发展了可计算性理论。现在该理论不仅是 计算机科学的基础，也是数学的基础之一，为纪念图灵而设立的图 灵奖已成为计算机界的诺贝尔奖。
图灵（1912-1954）
第一章 概述
电子管 (1904)
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务2：熟悉计算机发展简史
第二代（1959年～1964年）是晶体管时代 逻辑元件是半导体晶体管。软件方面使 用操作系统和各种计算机高级语言。
晶体管 (1948)
该时期计算机主要用于数据处理、自动 控制等方面，代表机型有：IBM7090、 IBM7094、CDC7600等。
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
计算机导论
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
第一章 概述
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
学习目标
了解信息技术的概念
熟悉计算机发展简史 掌握计算机中常用的数制
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务1：了解信息技术的概念
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
任务2：熟悉计算机发展简史
计算机的产生
人类使用的计算工具随着生产力的发展和社会的进步 ,经历了从 简单到复杂、由低级到高级发展的过程。
世界上最早的计算工具是算盘，世界上最早的计算机，可以 说是计算尺。
算盘和计算尺最大的区别是，算盘由算盘珠组成，计算尺是 由刻度构成的。
第一章 概述
面向职业 体现系统 重视实践 强化应用
计算机科学导论_Introduction
要将一个现实中的问题交给计算机处理：
建立数学模型：将一个现实问题转化成可以被 计算的任务（数学建模）
设计算法：准确而完整地描述可在计算机上执 行的一个求解方案
编写程序或设计硬件逻辑：通过软件或硬件实 现求解方案
可见，软件程序和硬件逻辑都是建立在数 学模型基础上的
计算机科学的数学理论体系
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
数学之外的理科：
应试教育：注重结论性的东西，忽视问题的提 出、过程的探究、实验设计的原始思路
人工智能：擅长学习已有的知识，在自然问题 和工程问题的提出、探究、实验方面只能起辅 助作用
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
应试教育正在产生一大批“在思想层面上 类人工智能化，而在执行力层面上远低于 人工智能”的学生：
数值计算：
主要包括数值分析、数学分析、线性代数、计算几 何、概率论与数理统计
离散数学：
一般认为包含集合论、逻辑学、代数学、图论、组 合学
数论：
包括初等数论、解析数论、代数数论、几何数论
计算理论：
主要包括算法学、计算复杂性理论、程序理论
离散数学
离散数学是研究离散量的结构及其相互关系的数 学学科
如何学好数学？
关注数学的来龙去脉，知道数学概念、方法和理论的 产生渊源和发展过程：
它们为什么提出来？要解决什么问题？ 理解数学的精神实质和思想方法：
注重思考和理解，不要死记硬背数学知识，要活学要用 对于实际问题要能建立正确的数学模型，然后运用已知的数
学工具加以解决
严格训练，培养抽象思维、逻辑推理和归纳构造能力：
数学是一门关键的技术：
数学的思想和方法与高度发展的计算技术相结合，形成 了一种关键性的、可实现的技术，称为“数学技术”
建立数学模型：将一个现实问题转化成可以被 计算的任务（数学建模）
设计算法：准确而完整地描述可在计算机上执 行的一个求解方案
编写程序或设计硬件逻辑：通过软件或硬件实 现求解方案
可见，软件程序和硬件逻辑都是建立在数 学模型基础上的
计算机科学的数学理论体系
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
数学之外的理科：
应试教育：注重结论性的东西，忽视问题的提 出、过程的探究、实验设计的原始思路
人工智能：擅长学习已有的知识，在自然问题 和工程问题的提出、探究、实验方面只能起辅 助作用
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
应试教育正在产生一大批“在思想层面上 类人工智能化，而在执行力层面上远低于 人工智能”的学生：
数值计算：
主要包括数值分析、数学分析、线性代数、计算几 何、概率论与数理统计
离散数学：
一般认为包含集合论、逻辑学、代数学、图论、组 合学
数论：
包括初等数论、解析数论、代数数论、几何数论
计算理论：
主要包括算法学、计算复杂性理论、程序理论
离散数学
离散数学是研究离散量的结构及其相互关系的数 学学科
如何学好数学？
关注数学的来龙去脉，知道数学概念、方法和理论的 产生渊源和发展过程：
它们为什么提出来？要解决什么问题？ 理解数学的精神实质和思想方法：
注重思考和理解，不要死记硬背数学知识，要活学要用 对于实际问题要能建立正确的数学模型，然后运用已知的数
学工具加以解决
严格训练，培养抽象思维、逻辑推理和归纳构造能力：
数学是一门关键的技术：
数学的思想和方法与高度发展的计算技术相结合，形成 了一种关键性的、可实现的技术，称为“数学技术”
计算机导论ppt课件
＝ （302.578125）10
.
27
一般地，任意一个八进制数可以表示为： C ＝ c n－18 n－1 +c n－28 n－2 +…+c 18 1 +
c 08 0+c－18－1 +…+c－m8－m
在上式中，C i 只能取0～7之一的值；八进制 的基数是8。
.
28
（4）十六进制
十六进制记数法也有两个特点：
.
40
必须注意:
逐次除2取余的余数是按从低位到高位的 排列顺序与二进制整数数位相对应的；逐 次乘2取整的整数是按从高位向低位的排列 顺序与二进制小数数位相对应的。其共同 特点是以小数点为中心，逐次向左、右两 边排列。
.
41
（1）八进制、十六进制数转换成十进制数
同二进制数到十进制数的转换，分别套用 相应公式 。
.
24
例如： （10110.1）2 ＝ 1×2 4 ＋0×2 3 ＋1×2 1 ＋0×2 0 ＋1×2－1 ＝ （22.5）10
任意一个二进制数B，可以展开成多项式之和, 即
B = b n－12 n－1 +b n－22 n－2 +…+b 12 1+b 02 0+
b－12－1 +…+b－m2－m
.
25
.
30
一个任意的十六进制数可以表示为： D ＝ d n－116 n－1 +d n－216 n－2 +…
+d 116 1+d 016 0 +d －116－1 +…+d－m16－m 在上式中，d i可以取0～F之一的值；十六进制 的基数是16。
.
.
27
一般地，任意一个八进制数可以表示为： C ＝ c n－18 n－1 +c n－28 n－2 +…+c 18 1 +
c 08 0+c－18－1 +…+c－m8－m
在上式中，C i 只能取0～7之一的值；八进制 的基数是8。
.
28
（4）十六进制
十六进制记数法也有两个特点：
.
40
必须注意:
逐次除2取余的余数是按从低位到高位的 排列顺序与二进制整数数位相对应的；逐 次乘2取整的整数是按从高位向低位的排列 顺序与二进制小数数位相对应的。其共同 特点是以小数点为中心，逐次向左、右两 边排列。
.
41
（1）八进制、十六进制数转换成十进制数
同二进制数到十进制数的转换，分别套用 相应公式 。
.
24
例如： （10110.1）2 ＝ 1×2 4 ＋0×2 3 ＋1×2 1 ＋0×2 0 ＋1×2－1 ＝ （22.5）10
任意一个二进制数B，可以展开成多项式之和, 即
B = b n－12 n－1 +b n－22 n－2 +…+b 12 1+b 02 0+
b－12－1 +…+b－m2－m
.
25
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30
一个任意的十六进制数可以表示为： D ＝ d n－116 n－1 +d n－216 n－2 +…
+d 116 1+d 016 0 +d －116－1 +…+d－m16－m 在上式中，d i可以取0～F之一的值；十六进制 的基数是16。
.
计算机科学导论 PPT
图像
音频
编码 1000…… 000
器
0101…… 001
解码
音频
视频
编码
1011…… 100
1111…… 111
解码
视频
字节：长度为8的位模式 1 byte = 8 bits
7
常用单位的换算关系
Hale Waihona Puke Bit—位Byte—字节1 Byte = 8 Bits.
Kilobyte (KB)—千字节
1KB = 1,024 = 210 bytes.
是一系列的符号，如26个英文字母， 数字0 9，标点符号等。 ➢ 计算机用一定长度的位模式来表示符 号。符号序列是文本的一个片段。
9
位模式长度与表示的字符的个数关系
符号个数2N 2 16
128 ……. 65,536
位模式长度N 1 4 7
……. 16
10
目前几种常见的文本符号编码: ➢ ASCII码 ➢ 扩展 ASCII码 ➢ EBCDIC ➢ Unicode ➢ ISO
11
ASCII码(美国信息交换标准码)
American Standard Code for Information Interchange
美国国家标准局制（， American National Standards Institute ，ANSI）制
定的一套标准化信息交换码。 ASCII码由7位二进制位模式组成，对
0 ---00110000 30H A ---01000001 41H a ---01100001 61H
9 ---00111001 39H Z ---01011010 5AH z ---01111010 7AH
13
计算机科学导论PPT幻灯片
1.10
Figure 8.6: Three constructs
1.11
8.3 Algorithm Representation
So far, we have used figures to convey the concept of an algorithm. During the last few decades, tools have been designed for this purpose. Two of these tools, UML and pseudocode, are presented here.
1.19
8.4 A More Formal Definition
Now that we have discussed the concept of an algorithm and shown its representation, here is a more formal definition. Let us elaborate on this definition.
❑ To list basic algorithms and their applications.
1.2
Objectives (continued):
❑ To describe the concept of sorting and understand
the three primitive sorting algorithms.
algorithms.
1.3
8.1 Concept
In this section we informally define an algorithm and elaborate on the concept using an example.
Figure 8.6: Three constructs
1.11
8.3 Algorithm Representation
So far, we have used figures to convey the concept of an algorithm. During the last few decades, tools have been designed for this purpose. Two of these tools, UML and pseudocode, are presented here.
1.19
8.4 A More Formal Definition
Now that we have discussed the concept of an algorithm and shown its representation, here is a more formal definition. Let us elaborate on this definition.
❑ To list basic algorithms and their applications.
1.2
Objectives (continued):
❑ To describe the concept of sorting and understand
the three primitive sorting algorithms.
algorithms.
1.3
8.1 Concept
In this section we informally define an algorithm and elaborate on the concept using an example.
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程序（存储在存储器中）
输入 8,12,22,3
输3,出8,12,22
冯•诺依曼模型（John Von Neumann1903－1957）
现代计算机都是基于冯•诺依曼模型
1. 4个子系统 2. 程序存储 3. 指令顺序执行
计算机硬件 计算机软件
12
计算机概述——计算机系统分层结构
通信
程序
网络，多台计算机联接在一起，实现信息交换和资 源共享
2
《计算机科学导论》教材
教材 《计算机科学导论》 机械工业出版社 刘艺等译 参考书：
➢ 计算机科学导论，王玲，宋斌编著，清华大学出版社， 2008
➢ 计算机科学导论（第2版），瞿中 等编著，清华大学 出版社， 2007
➢ 计算机科学导论（第7版）（影印版），布鲁克希尔 著，清华大学出版社 ，2004
第10讲：数据库
（第14章）
第11讲：人工智能与计算理论 （第17，18章）
学习建议
内容多，用系统的思想学习，掌握基本概念、 基本原理、基本操作；
听讲与自学相结合，可以快速浏览几本书，有 针对性的上网查阅或图书查阅；
多上机，多实践，提高动手能力
本讲内容
1.1．计算机系统分层结构 1.2．计算机的发展历史 1.3．计算机的分类 1.4．计算机应用
计算机科学导论
第一讲 概述
课程简介
《计算机科学导论》是计算机类各专业全程教学内容的导 引课程，介绍计算机硬件、软件、数据组织和计算理论等方面的 内容，包括编码及计算机体系结构的基本原理、操作系统、计算 机网络、算法、程序设计语言、数据结构和数据库、人工智能以 及计算理论等专业知识的知识点以及与信息技术有关的社会人文 等知识，力求使学生对计算机科学有比较全面的了解。与此同时， 使读者对后续课程的学习有一个概括的了解，为今后的学习打下 良好的基础。
什么是计算机科学（Computer Science）
Computer science is the study of the theory, design, implementation, and performance of computer software and computer systems, including the study of computability and computation itself.
传统且主流的 研究方向
计算机科学涉及的主要领域：
➢ 数值和符号计算
➢ 体系结构
➢ 操作系统
➢ 数据结构和算法
➢ 程序设计
➢ 软件工程
➢ 数据库和信息检索
➢ 人工智能和计算理论
10
什么是计算机
计算机是数据处理器，它根据事先存储在存储器中的一组 指令的要求，接收输入的数据、处理数据、 存储数据并且 输出数据。
由原始事实和图像等各种信息组成
应用 通过指令完成计算和数据管理
硬件
在不管同理领计域算充机分资利源用计算机的能力 由物理元器件构成操作 系统数据 信息源自计算机基础——计算机的发展历史
机械计算器时期 (1930以前)
帕斯卡与机械计算机 Pascaline， 1642 莱布尼兹与 改进的Pascaline，1672 巴贝奇与 差分引擎，1823 霍列瑞斯与卡片穿孔制表机，1890
国际计算机组织 (ACM) 定义： 计算机科学（计算学科）是对描述和变换信息的算
法过程的系统研究，包括它的理论、分析、设计、有效 性、实现和应用。
9
什么是计算机科学（Computer Science）
计算机科学研究的主要内容：
计算机信息的转换与表示技术 计算机系统的理论与实现技术 计算机软件的开发与维护技术
电子计算机时期 (1930 ~ 1950)
图灵与图灵机、巨人计算机 Colossus，1943 莫奇利和埃克特与ENIAC, 1946 EDVAC, 1950 与UNIVAC, 1951 冯•诺依曼 与IAS, 1952
现代计算机时期 (1950 ~ now)
帕斯卡与机械计算机 Pascaline，1642
早期最重要的计算工具是算盘 (abacus)
计算工具最重要的发展是帕斯卡机械计算 机 ，也称“Pascaline”，1642由法国数 学家 Blaise Pascal发明。可对所以数字 做加减法运算。
莱布尼兹与 改进的Pascaline， 1672
德国数学家莱布尼兹 1672年对“Pascaline”进 行了改进，可进行四则运算和开方。称之为莱布 尼兹轮。
5
课程安排
讲授内容
第1讲：概论
（第1章）
第2讲：数据和数的表示
（第2、3、4章）
第3讲：计算机硬件
（第5章）
第4讲：计算机操作系统
（第7章）
第5讲：数据结构与算法
（第8，11,12章）
第6讲：计算机网络
（第6章）
第7讲：软件工程
（第10章）
第8讲：计算机程序设计基础 （第9章）
第9讲：计算机信息系统安全 （第16章）
课程目标
展示计算机科学的全景 激发学习兴趣 为后续课程的学习做好必要的知识准备
学习要求
了解计算机科学的内涵与应用领域、计算机的硬件 结构与组成原理、软件工程、计算机网络与信息安 全、多媒体技术、人工智能等领域的基本知识；
初步掌握计算机科学的基本概念和术语、操作系统 的功能、数据结构和数据库的基本概念和相关技术、 计算机基本应用技能等。
图灵在1936年发表的论文中， 提出了一种计算机抽象模型， 利用这种计算机可用一些简单 的机械动作实现推理。这种计 算机也称“图灵机”。
1896年，霍列瑞斯组织了 International Business Machines (IBM)。
该组织后来在计算机发展 中发挥了重要的作用。
图灵与图灵机、巨人计算机 Colossus， 1943
1943年，图灵设计了 “Colossus” (巨人计算机)，主要用于第二次世
界大战破译德国的密码。
巴贝奇与 差分引擎，1823
1823 年 , 设 计了一台自 动的机械计 算器，也称
差分引擎 “ (Differen ce Engine )”。
1833, 又开始设计可编程的自动
机械数字计算机，也称分析引擎 “ (Analytical Engine )”。
霍列瑞斯与卡片穿孔制表机，1890
计算机系统发展的重要一 步是1890年制表机的发明。 由霍列瑞斯发明，首次用 于全美的人口普查。