计算机科学导论-绪论

大一软件工程新生，曾经学过c语言，想要了解c语言的处理原理，减少出错。本博客内容和图片来自于佛罗赞的计算机科学导论一书。

1.1 图灵模型

是图灵所设想的一种机器，可以完成某些计算，但图灵着重于对理论的描述，而非是建造一台真正的机器，但该设想是计算机的雏形。

1.1.1 数据处理器

计算机可以被当作是一个数据处理器，即用户输入数据，计算机经过数据处理，输出结果的这样的机器。

但这样的定义太过宽泛，在这种定义下，计算机也可以是计算器（即用户输入数字，计算器进行加减乘除后将结果输出）。

并且，该模型还没有确定机器可以处理的数据类型及其处理方式，即数据处理相对死板，无法完成多任务的操作，只能完成某一种处理

1.1.2 可编程数据处理器

为了解决上一种模型的缺陷，可编程式的数据处理器可以对数据的处理过程进行编辑，这种模型显然更加合理，更接近于图灵模型（过程可控，多变性强）。

该模型中的输出数据依赖于两个方面的结合作用：输入数据以及程序（程序和输入数据的改变都可能对输出数据造成影响）。通过对程序的改变，可以改变处理方式。

1.1.3 通用图灵机

通用图灵机是对现代计算机的首次描述，只要提供里合适的代码，该机器就可以做任何运算。我们要做的是为计算机提供数据和程序。

1.2.1 冯·诺伊曼模型

冯·诺伊曼模型有4个主要的子系统：储存器，算数逻辑单元，控制单元和输入/输出单元

1.储存器：顾名思义，用来储存。在该结构中用来存储数据和程序。

2.算数逻辑单元：可以对数据进行算数计算和逻辑运算（与或非）。

3.控制单元：对其他三个处理单元进行控制。

4.输入/输出单元：输入单元负责从计算机外部接收数据和代码，而输出单元则负责将计算机处理后得到的数据输出到计算机外部。但输入和输出的定义相对宽泛，对硬盘的读与写也叫做输入和输出（这时，硬盘可以叫做是输入和输出设备）。

1.1.2 储存的程序概念

对于冯·诺伊曼模型，要求数据和代码都存放在内存中（早期的计算机内存中只会存放数据，而现在的程序概念需要通过改变不同的开关和不同的接线来完成）。

数据和程序即然要存储在同养的寄存器中，那么他们必须有相同的格式（像早期电脑，程序的概念要通过认为操作来实现，这就无法和数据一起储存）。现代格式即：位模式（二进制，由0和1组成）。

1.1.3 指令的顺序执行

冯·诺伊曼结构中，程序顺序由人为编写，即代码顺序。控制单元从内存中取出一条指令后，解析指令并找到对应的数据后，执行指令（即程序是顺序执行的）。但有些指令可能要求控制单元跳转到前面或后面的的指令，但这并不违背程序的顺序执行。

1.3 计算机的组成

计算机由计算机硬件，数据，计算机软件组成。

1.3.1 计算机硬件

计算机的硬件有多种，主要的即为冯·诺伊曼模型的4个部分（硬件可以有多个，例如输入输出部分就可以有硬盘，屏幕，外接打印机等）。

1.3.2 数据

1.储存数据

冯·诺伊曼模型将计算机定义为是一台数据处理器，而对于电子设备来讲，储存数据最好的方法就是电子信号（0和1）。对于复杂形势如文字和图像的储存，则需要将0和1变成一种有效的形式。这会在后问中讲到

2.组织数据

在数据存储之前，会被组织为不同的实体以及格式，从而有序的组织数据。数据被组织为很多小单元，小单元会再组成大的单元（我猜想应该是字节）。

1.3.3 计算机软件（可以理解为图灵表述的程序的概念）

冯·诺伊曼模型在程序上的体现

1.必须要储存程序

在计算机的内存中，数据和程序都要被存放。

2.指令的序列

程序是有序的指令集，计算机通过执行指令来完成该程序。

3.算法

按步骤解决问题的方法，称做算法。

4.语言

早期的语言要求程序员使用机器语言（靠写指令来解决问题），但这种方法太过麻烦，于是后来出现了一种使用自然语言（英语）来代替二进制的语言，例如c语言等语言。

5.软件工程

是指结构化程序的设计与编写

6.操作系统

对于一些几乎所有程序都要用到的指令，可以只用编写一次就可以，效率会大大提高。于是，就有了操作系统的诞生。

1.4 历史

1.4.1 机械计算机

·17世纪布莱斯·帕斯卡发明了可以进行加减的机器。在20世纪时，有了计算机语言的出现，Pascal语言就是为了祭奠他

·17世纪后期戈特弗里德·莱布尼茨发明了可以进行加减乘除的机器，叫做莱布尼茨之轮

·第一台有编程理念的机器是提花织机由约瑟夫-玛丽·雅卡尔19世纪制造的，可以利用穿孔卡来控制线的变化

·1823年，查尔布·巴比奇发明了一种与冯·诺伊曼模型贼像的一种机器，可以进行复杂的数学运算，他的4个引擎为：制造场（相当于是算数逻辑单元），储存单元（相当于储存器），操作者（控制单元），输出单元（输入输出单元）。

·1890年，赫尔曼·何勒里斯制造了一种可以编程的机器，同样使用穿孔卡。

1.4.2 电子计算机

1.早期计算机

在这时，计算的数据和储存方式可以有电子管来完成，相比机器计算机有更强大的灵活性，更加具有通用性。但该时期的计算机没有把程序放在储存器中，编程都在外部进行（利用配线和开关）。

2.基于冯·诺伊曼模型的计算机

使用该模型，程序员只需要改变程序和数据就可以进行不同的计算，而不需要改变复杂的配线。第一台在宾夕法尼亚大学建成，叫做EDVAC。同时EDSAC机器在剑桥大学被建造，同样是基于该模型。

1.4.3 现代计算机的诞生

1.第一代

以真空管来组成电脑逻辑单元，体积庞大。

2.第二代

晶体管代替真空管，体积大大减小。同时，编程语言的使用是的编程过程与计算机处理分离开来，减少了程序猿的压力。

3.第三代

有了集成电路，也有了封装好的程序（最早的软件）。软件行业从此诞生。

4.第四代

出现了微型计算机，可以将计算机子系统做在单块电路板上，同时这一时代也有了计算机网络。

5.第五代

掌上电脑和台式机器的诞生以及多媒体等的应用。

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