计算机科学导论电子教案

计算机科学导论 Foundations of Computer Science 田际平 计算机专业副教授 答疑:工程实验北楼310室(办公室) 教学计划与进度课程名称 计算机科学导论/课程类别 专业必修课/教学时数 28学时 第一部分 计算机和数据 第一章 绪论 数据处理 冯?诺伊曼理论 计算机硬件 计算机软件 计算机发展简史 数据处理 任何数据处理系统都可以表示为三个步骤： 数据输入 数据输出 计算机系统 在用户看来，给出数据(出入)得到结果(输出)，目的即达到，不关心也不知道数据的处理过程，所以数据处理中的处理过程对用户是看不到的，就象个“黑盒子”。 对计算机科学者来说，除去数据的输入与输出，更关心数据处理系统中的数据处理过程。因为包括数据的输入与输出在内的整个数据处理都是计算机科学研究的对象。 美籍匈牙利数学家冯?诺伊曼(Von Neumann)于1945年奠定了现代计算机科学的基本理论。 现代计算机的特点是具有速度快精度高、逻辑判断与记忆功能的、高度的自动化与灵活性。 冯?诺伊曼理论 冯?诺伊曼提出的重要的计算机设计思想可概括为： (1)计算机应由五个基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入部件与输出部件。 (2)程序存储思想：将程序与数据同时存储在存储器中，让机器自动执行程序。 (3)程序控制思想:计算机以运算器为中心，输入 / 输出设备与存储器之间的数据传输都通过运算器。 数据流 控制流 冯·诺依曼计算机的基本特点 计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制称为冯·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。 其基本特点为： (1)采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，两者没有区别，指令同数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 (2)存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。 (3)指令由操作码和地址码组成。 (4)通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。 (5)机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。 (6)数据以二进制表示。 计算机硬件 计算机硬件通常由五部分组成：运算器和控制器、存储器、输入与输出设备。这五部分之间的联结结构，称为冯·诺依曼结构图(如前图)，其以运算器为中心。 运算器是对信息进行加工处理的部件。它在控制器的控制下与内存交换信息，负责进行各类基本的算术运算和与、或、非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。此外，在运算器中还含有能暂时存放数据或结果的寄存器。 控制器是整个计算机的指挥中心。它负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确保系统自动运行。 控制器和运算器一起组成了计算机的核心，称为中央处理器，即CPU(Central Processing Unit)。通常把控制器、运算器和主存储器一起称为主机，而其余的输入、输出设备和辅助存储器称为外部设备。 存储器是计算机的记忆装置，为了对存储的信息进行管理，把存储器划分成单元，每个单元的编号称为该单元的地址。存储器内的信息是按地址存取的。向存储器内存入信息也称为“写入”。写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以重复取出，多次利用。 计算机的存储器可分为主存储器和辅助存储器两种，通常分别简称为主存和辅存。 输入设备如：键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。 输出设备如：屏幕显示器、打印机、绘图仪、音箱等。 计算机软件 在计算机中，数据是以电信号的方式存在的，并以二进制的形式来组织数据。 程序是指令的有序序列(冯?诺伊曼也定义了指令集)，并与其所处理的同时数据必须存放在存储器中。 程序设计是以算法为基础的，算法是一套自顶向下、逐步求精地去解决问题的方法。 计算机语言是由符号与单词按特定语法构成的语句集合。每个语句都对应这特