计算机科学导论 -- 第一章 绪论

一 本章内容

本章讲述了 图灵模型 冯.诺依曼模型 计算机组成部分 历史
社会问题和道德问题等

1.1 图灵模型

1. Alan Turing（阿兰-图灵）1937年首次提出通用计算设备的设想：
   所有的计算都可能在一种特殊的机器上执行。

2. 是一种数学上的描述

3. 不是一台真实的机器

通用图灵机是对现代计算机的首次描述，该机器只要提供合适的程序就能做任何运算

1.1.1 数据处理器

首先，将计算机定义为数据处理器。也就是接收数据、处理数据并产生输出数据的黑盒。

该模型存在一个问题，就是没有说明基于该模型能够完成处理类型和数量。

1.1.2 可编程数据处理器

图灵模型添加了一个额外元素，也就是程序。程序：就是告诉计算机对数据处理的指令集合

在该模型中，输出数据是由两个维度进行控制–输入数据和程序

• 相同数据，不同程序；输出数据不同
• 不同数据，相同程序；输出数据不同
• 相同输入，相同程序；输出数据相同

1.2 冯.洛伊曼模型

• 由科学家冯-诺依曼提出的模型理论

• 基于通用图灵机建造的计算机都是在存储器(内存/寄存器)上存储数据

• 鉴于程序和数据在逻辑上是相同的，因此 程序也能存储在计算机的存储器中

1.2.1 4个子系统

基于冯.诺依曼模型建造的计算机有4个子系统：存储器、算术逻辑单元、控制器、输入/输出单元

• 存储器: 用于存储数据和程序的区域

• 算术逻辑单元(ALU): 用来计算和逻辑运算的地方

• 控制器: 对存储器、算术逻辑单元、输入输出等子系统进行控制操作

• 输出/输出单元:

  • 输入子系统负责从计算机外部接收输入数据；
  • 输出子单元负责将计算机处理结果输出到计算机外部

1.2.2 存储程序概念

• 冯.诺依曼模型要求 程序也必须存储在存储器（内存）中

• 现代计算机的存储单元用来存储程序和数据，这意味着 程序和数据应该有相同的格式，
  实际上它们都是以 位模式（0和1序列）存储在内存中

1.2.4 指令执行顺序

• 冯-诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的指令组成。

• 控制单元从内存中提取一条指令，解释指令，接着执行指令，
  也就是说指令是一条接着一条顺序执行的。

1.3 计算机组成部分

计算机由计算机硬件、数据、计算机软件三部分组成

1.3.1 计算机硬件

1.3.2 数据

冯.诺依曼模型是基于通用图灵模型进行定义的，在图灵模型中，计算机被定义为了一个数据处理机。
它接收输入数据、处理数据，然后输出数据

1. 存储数据: 计算机是一台电子设备，最好的存储数据方式是电子信号
   以 电子信号的出现与消失（位模式） 来存储数据，也就是以两种状态之一来存储数据。
   日常生活中的数据，都不是以位模式存储，要存储到计算机中需要将其转换为位模式来存储。

2. 组织数据: 在数据存储到计算机之前，需要合理有序的组织成不同的格式。
   将数据从计算机中输出也需要表现不同的形式。

1.3.3 计算机软件

图灵或冯·诺依曼模型的主要特征是程序的概念。在早期的计算机并没有在计算机的存储器中
存储程序，但它们还是使用了程序的概念。编程在早期的计算机中体现为一系列开关的打开或
闭合以及配线的改变。编程在数据实际开始处理之前是由操作员或工程师完成的一项工作。

1. 程序必须是存储的

   在冯·诺依曼模型中,这些程序被存储在计算机的存储器中，存储器中不仅要存储数据，
   还要存储程序

2. 指令有序

   这个模型还要求程序必须是有序的指令集。每一条指令操作一个或者多个数据项。
   因此，一条指令可以改变它前面指令的作用

3. 算法

   程序要求包含一系列指令使得编程变得可能，程序员不仅要了解每条指令所完成的任务，
   还要知道怎样将这些指令结合起来完成一些特定的任务。对于一些不同的问题，
   程序员首先应该以循序渐进的方式来解决问题，接着尽量找到合适的指令(指令序列)来解决问题。
   这种 按步骤解决问题的方法就是所谓的算法。

4. 语言

   • 机器语言: 程序员依靠写指令的方式(使用位模式)来解决问题。但是随着程序越来越大，
     采用这种模式来编写很长的程序变得单调乏味。

   • 符号语言：随着任务的复杂性越来越高，科学家研究使用符号来表示位模式指令，
     这样计算机编程语言就诞生了

5. 软件工程

   软件工程指结构化程序的设计和编写，为高效的程序开发而诞生的一门理论体系

6. 操作系统

1.4 历史

1. 机械计算机器

2. 电子计算机

3. 计算机诞生

1.5 社会问题和道德问题

1.5.1 社会问题

1. 依赖: 对计算机的过渡依赖，离开计算机什么事也做不了。

2. 社会公正: 作者从计算机的设备花费昂贵等，说明只有有钱人能使用计算机，
   但是随着计算机科学的发展，计算机越来越便宜，计算机使用的公正问题正在减小。

3. 数字化分裂: 导致的信息分裂，作者把使用计算机和不使用计算机分为两类人群，
   一部分人通计算机进行通信，一部分使用传统通信方式。

1.5.2 道德问题

• 隐私
• 版权
• 计算机犯罪

1.6 计算机作为一门学科

随着计算机的发明，带来了新的学科:计算机科学。如同其他任何学科一样，
计算机科学现在被划分成几个领域。我们可以把这些领域归纳为两大类:系统领域和应用领域。

• 系统领域涵盖那些与硬件和软件构成直接有关的领域

  例如计算机体系结构、计算机网络、安全问题、操作系统、算法、程序设计语言以及软件工程。

• 应用领域涵盖了与计算机使用有关的领域

  例如数据库和人工智能。本书对所有这些领域采用广度优先的方式介绍。学完本书之后，读者应该有足够的信息来选择专业方向。