計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課件第1章

從一個(gè)程序談起計(jì)算機(jī)編程的基本概念計(jì)算機(jī)核心知識(shí)——算法什么是計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)前沿知識(shí)——大數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)科學(xué)之美

1/TP

第一章計(jì)算機(jī)學(xué)什么引言

2每一個(gè)人都應(yīng)該學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)，然而這要分成兩個(gè)層面來說。對(duì)一般人而言，由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，改變著人們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展。學(xué)會(huì)如何有效地使用計(jì)算機(jī)基本技術(shù)，是生活于現(xiàn)代信息時(shí)代中的基本要求。對(duì)信息（InformationTechnology，IT）專業(yè)的我們而言，所要學(xué)習(xí)的知識(shí)和需要掌握的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于一般人對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)要求。我們要學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)軟件和硬件系統(tǒng)、如何分析數(shù)據(jù)及做出決斷，進(jìn)而學(xué)習(xí)如何優(yōu)化我們的設(shè)計(jì)、如何確保我們的設(shè)計(jì)是正確、有效、安全并且是符合設(shè)計(jì)要求的。涉及到一系列計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)科內(nèi)容，就需要我們從學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件、硬件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、算法、信息安全等的知識(shí)開始。引言（續(xù)）

3現(xiàn)代IT科技產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)力，是主要的創(chuàng)新泉源。中國(guó)和世界的IT產(chǎn)業(yè)急需高水平的計(jì)算機(jī)人才。學(xué)習(xí)這些知識(shí)，是需要有形成組織體系的知識(shí)積累和持續(xù)不斷的動(dòng)手實(shí)踐。很多學(xué)生在畢業(yè)時(shí)仍然對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)沒有整體而連貫性的理解，也就是對(duì)計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)沒有“通”，歸根溯源，從第一門課——《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》開始，學(xué)生就對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)迷迷糊糊、一知半解。本課程將會(huì)帶領(lǐng)大家走進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)絢爛的殿堂，進(jìn)而領(lǐng)略計(jì)算機(jī)的美。沙老師：殿堂給你造好了，歸根結(jié)底，你還是得要自己打開門，自己走進(jìn)去。第一節(jié)從一個(gè)程序談起

4探索黑匣子之計(jì)算機(jī)硬件探索黑匣子之計(jì)算機(jī)軟件探索黑匣子之操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次引言：什么是程序？

5對(duì)于普通的計(jì)算機(jī)使用者，程序就像是一個(gè)黑匣子。當(dāng)程序的黑匣子獲得一個(gè)輸入，它就按照事先定義好的變換規(guī)則，對(duì)輸入進(jìn)行變換以得到結(jié)果并輸出。所以，普通用戶只需要了解黑匣子的輸入格式，就能使用黑匣子所提供的功能。程序：黑匣子功能：對(duì)輸入實(shí)數(shù)進(jìn)行平方根運(yùn)算輸入：一個(gè)實(shí)數(shù)C例如：9輸出：例如：3引言：什么是程序？（續(xù)）

6作為普通用戶，不需要了解黑匣子內(nèi)部?jī)?nèi)容，只需要知道怎么使用這個(gè)黑匣子。而對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，僅僅知道黑匣子的功能和使用方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這就需要同學(xué)們一步一步打開這個(gè)黑匣子，探索和了解其內(nèi)部的構(gòu)造，從而設(shè)計(jì)具有個(gè)性功能的、屬于自己的黑匣子。本小節(jié)將逐步為同學(xué)們揭開黑匣子的神秘面紗。1.1探索黑匣子之計(jì)算機(jī)硬件

7問：怎么給定輸入值，輸入值又將存放在黑匣子的什么位置？黑匣子的整個(gè)運(yùn)算過程是誰在控制？黑匣子運(yùn)算的結(jié)果又將輸出或者存儲(chǔ)到什么位置？答：硬件所有的操作都離不開計(jì)算機(jī)硬件。硬件多種多樣，根據(jù)不同功能，又可以劃分為：輸入設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)；存儲(chǔ)設(shè)備，如內(nèi)存，硬盤；運(yùn)算控制設(shè)備，如中央處理器CPU；輸出設(shè)備，如顯示器。程序：黑匣子

功能：對(duì)輸入實(shí)數(shù)進(jìn)行平方根運(yùn)算1.1探索黑匣子之計(jì)算機(jī)硬件

8輸入數(shù)據(jù)在硬件上的邏輯流動(dòng)過程為：首先，用戶從鍵盤上輸入實(shí)數(shù)C，操作系統(tǒng)將實(shí)數(shù)C傳送到內(nèi)存。接下來，黑匣子內(nèi)部的中央處理器CPU對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并得到結(jié)果。最后，運(yùn)算結(jié)果輸出并通過顯示器顯示。在這個(gè)過程中涉及到的數(shù)據(jù)傳輸都是通過總線完成的。輸入：一個(gè)實(shí)數(shù)C例如：9輸出：例如：3中央處理器CPU存儲(chǔ)器內(nèi)存鍵盤硬件1.1探索黑匣子之計(jì)算機(jī)硬件

9了解黑匣子中硬件的部署之后，就能清楚地認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)在程序運(yùn)算過程中的傳輸與計(jì)算流程。但是，僅有這些硬件，計(jì)算機(jī)仍然不能對(duì)輸入實(shí)數(shù)C進(jìn)行開平方根。因?yàn)橛布o法自我完成和實(shí)現(xiàn)用戶的需求，硬件本身并不知道黑匣子要完成的功能，并不能讀懂自然語言“對(duì)輸入實(shí)數(shù)開平方根”所表示的意思。那么，程序這個(gè)黑匣子中就需要有一個(gè)部分，專門將用戶需求轉(zhuǎn)換為硬件能夠看懂的語言，同時(shí)也控制著硬件的操作步驟和順序。1.2探索黑匣子之計(jì)算機(jī)軟件

10對(duì)于一個(gè)高中生，告訴他求解實(shí)數(shù)9的算術(shù)平方根，通過已學(xué)過的知識(shí)，在他頭腦中進(jìn)行一系列的運(yùn)算過程，告訴你答案是3。對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，CPU是計(jì)算機(jī)的大腦，而計(jì)算機(jī)語言，將控制CPU按步驟執(zhí)行任務(wù)。指示CPU進(jìn)行操作的語言稱為程序語言，每一個(gè)步驟稱為一條指令，一個(gè)程序（或稱為軟件）由若干條指令組成。1.2探索黑匣子之計(jì)算機(jī)軟件

11要讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)開算術(shù)平方根運(yùn)算，計(jì)算機(jī)語言需要告訴計(jì)算機(jī)：首先從輸入設(shè)備讀入一個(gè)實(shí)數(shù)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器的1000號(hào)單元。接著，做開平方根的運(yùn)算，在此運(yùn)算函數(shù)簡(jiǎn)記為do_sqrt。最后，將運(yùn)算結(jié)果打印到顯示器。輸入：一個(gè)實(shí)數(shù)C例如：9輸出：例如：3中央處理器CPU存儲(chǔ)器內(nèi)存鍵盤硬件對(duì)輸入實(shí)數(shù)進(jìn)行平方根運(yùn)算軟件C=input()B=do_sqrt(C)print(B)1.2探索黑匣子之計(jì)算機(jī)軟件

12在程序執(zhí)行的這個(gè)黑匣子中，軟件描述了用戶的需求，硬件則實(shí)現(xiàn)了用戶的需求。但是，軟件與硬件之間的銜接和相互工作的實(shí)現(xiàn)，不是獨(dú)立完成的。程序?qū)懞煤筮€需要被加載到存儲(chǔ)器中，在程序的執(zhí)行過程中，軟件并不能獨(dú)立的控制硬件進(jìn)行工作。因此，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，還需要一個(gè)層次來銜接軟件與硬件、控制硬件工作、為軟件提供服務(wù)等。這個(gè)特殊的層次就是操作系統(tǒng)。1.3探索黑匣子之操作系統(tǒng)

13有了存儲(chǔ)器、中央處理器等硬件，結(jié)合控制這些硬件的程序語言，計(jì)算機(jī)就能夠工作了?，F(xiàn)今的計(jì)算機(jī)，可以附加多種多樣的硬件。操作系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)較為方便和安全的平臺(tái)，就是由操作系統(tǒng)來充當(dāng)這些硬件的管理者，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同的硬件的管理和使用，為各種不同類型的應(yīng)用軟件提供支持。操作系統(tǒng)其實(shí)也是一組程序，這組程序非常巨大，并且很復(fù)雜。操作系統(tǒng)這組程序的主要功能在于管理計(jì)算機(jī)的各種資源及周邊設(shè)備的硬件。有了操作系統(tǒng)后，應(yīng)用程序編寫者不用再去參考硬件手冊(cè)，而只需要了解所使用操作系統(tǒng)提供的統(tǒng)一的命令標(biāo)準(zhǔn)就可以了。1.3探索黑匣子之操作系統(tǒng)

14輸入：一個(gè)實(shí)數(shù)C例如：9輸出：例如：3中央處理器CPU存儲(chǔ)器內(nèi)存鍵盤硬件對(duì)輸入實(shí)數(shù)進(jìn)行平方根運(yùn)算軟件C=input()B=do_sqrt(C)print(B)操作系統(tǒng)（OS）到此，整個(gè)黑匣子就揭開了，它是由軟件、操作系統(tǒng)和硬件共同構(gòu)成的。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

15現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不僅僅是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的硬、軟件結(jié)合而成的整體。沒有硬件作為支撐，軟件只能是空中樓閣，而沒有軟件的控制，硬件則只是一堆廢鐵。通過對(duì)程序黑匣子的探索，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件層，操作系統(tǒng)層，軟件層。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

16硬件層包括計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件，控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。這個(gè)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)架構(gòu)早在1964年，由美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼提出。上述中央處理器CPU包含了控制器與運(yùn)算器兩個(gè)功能部件。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（VonNeumannarchitecture）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在大多計(jì)算機(jī)只是在馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)上作了一些改進(jìn)而已。馮·諾依曼也因此被人們稱為“計(jì)算機(jī)之父”。在這以前，程序也是硬件，不易于更改。而在馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)都放在存儲(chǔ)器里，馮·諾依曼結(jié)構(gòu)將程序變成了用戶可以自定義的“軟件”，也就是說程序變得易于定義和修改。從此，便有了軟件“編程”的概念和相關(guān)學(xué)科的開展。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

17軟件層包括由匯編以及高級(jí)語言（C/C++，Java，Python等）等開發(fā)出的應(yīng)用程序。對(duì)通用型計(jì)算機(jī)而言，功能的實(shí)現(xiàn)需要軟硬件的無縫配合。要使硬件CPU發(fā)揮計(jì)算功能，需要控制指令來完成。每一條指令指示了某一些硬件進(jìn)行運(yùn)作，比如“將3加上5存入主存儲(chǔ)器的1000號(hào)地址單元”，該指令將讓運(yùn)算器做3加5的計(jì)算，并存入到主存儲(chǔ)器的1000號(hào)地址中。然而，對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，它不能識(shí)別中文指令，計(jì)算機(jī)僅能識(shí)別由二進(jìn)制數(shù)字0與1構(gòu)成的語言（這部分內(nèi)容將在第二章詳細(xì)講解）。這時(shí)候，就需要操作系統(tǒng)提供一個(gè)語言轉(zhuǎn)換的功能，將高級(jí)語言轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的機(jī)器語言。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

18操作系統(tǒng)層是連接硬件和軟件的中間橋梁，它是由機(jī)器指令和廣義指令組成。機(jī)器指令，指的是CPU能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的指令，通常表現(xiàn)為二進(jìn)制編碼。廣義指令指的是系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。操作系統(tǒng)的種類繁多，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，有不同的操作系統(tǒng)。生活中最常見的操作系統(tǒng)有微軟的Windows系列產(chǎn)品、Ubuntu、Fedora等Linux系統(tǒng)，蘋果MacOS系列產(chǎn)品，以及智能手機(jī)中所使用的Android、IOS系統(tǒng)等等。但在某些情況下，用上述的操作系統(tǒng)是不行的。如雷達(dá)對(duì)獲取到的信號(hào)進(jìn)行處理所需的操作系統(tǒng)；汽車中用于快速地分配展開安全氣囊的任務(wù)所需的操作系統(tǒng)，這一類的系統(tǒng)都是生活中常見的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，諸如WinCE，VxWorks等。操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)中是非常重要的部分，同學(xué)們一定要清楚地掌握好操作系統(tǒng)的知識(shí)！1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次

19操作系統(tǒng)的主要職能可以簡(jiǎn)要概括為以下幾點(diǎn)：管理文件系統(tǒng)，管理各種硬件資源，例如U盤、網(wǎng)絡(luò)、鍵盤等管理程序共享的資源，例如CPU、主存等（一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)會(huì)有多個(gè)程序同時(shí)在執(zhí)行或等待執(zhí)行）管理和調(diào)度多個(gè)程序的執(zhí)行提供程序和硬件的銜接，提供各種系統(tǒng)的服務(wù)和接口設(shè)法維護(hù)系統(tǒng)的安全，盡量防止病毒（惡意軟件）有意或無意的侵入有關(guān)操作系統(tǒng)各個(gè)部分的詳細(xì)內(nèi)容將在本書接下來的章節(jié)中依次介紹。同學(xué)一定要理解操作系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制，這樣將來才有能力實(shí)現(xiàn)出一個(gè)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”——無論是嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)還是云計(jì)算系統(tǒng)等。第二節(jié)計(jì)算機(jī)編程的基本概念

20初窺高級(jí)語言從Python語言進(jìn)入計(jì)算機(jī)語言的世界引言：

21計(jì)算機(jī)的程序并不是一個(gè)神秘難懂的東西。程序就是計(jì)算機(jī)能夠看得懂的語言，編程就是與計(jì)算機(jī)的對(duì)話。計(jì)算機(jī)程序就是利用計(jì)算機(jī)語言，讓計(jì)算機(jī)理解編程者所要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，從而完成各種功能。2.1初窺高級(jí)語言

22軟件層的實(shí)現(xiàn)主要包括匯編語言以及高級(jí)語言。在進(jìn)一步學(xué)習(xí)之前，我們先來補(bǔ)充一些高級(jí)語言的基礎(chǔ)知識(shí)。常見的高級(jí)語言有：C語言、C++、VB、JAVA、C#等等。計(jì)算機(jī)順序地執(zhí)行程序，不同的高級(jí)語言有不同的編寫格式和語句分割符號(hào)，按照語句分割符號(hào)，計(jì)算機(jī)每次執(zhí)行的代碼稱之為語句。按照順序，函數(shù)的第一條語句首先執(zhí)行，接著是第二條，依次執(zhí)行直到結(jié)束語句或者滿足結(jié)束條件。2.1初窺高級(jí)語言——表達(dá)式語句

23表達(dá)式語句由表達(dá)式組成。表達(dá)式是由數(shù)字、運(yùn)算符、數(shù)字分組符號(hào)（括號(hào)）、變量等組成，并且是能夠求得數(shù)值的、有意義的排列方法的組合。執(zhí)行表達(dá)式語句就是計(jì)算表達(dá)式的值。例如：y+z為加法運(yùn)算語句，但計(jì)算結(jié)果不能保留，無實(shí)際意義x=3為賦值語句，將字面值為3的常數(shù)賦值給變量x，執(zhí)行該賦值語句后x的內(nèi)容即為3x=y+z為上述兩個(gè)表達(dá)式的組合，意思是將y+z的值賦給x2.1初窺高級(jí)語言——函數(shù)調(diào)用語句

24函數(shù)調(diào)用語句由函數(shù)名、實(shí)際參數(shù)組成。其一般形式為：函數(shù)名(實(shí)際參數(shù)表)。如果該函數(shù)有返回值，則調(diào)用函數(shù)后返回該值。如：x=add(y,z)，add函數(shù)的作用是將兩個(gè)參數(shù)y、z的值相加并將和返回給x，則該語句表達(dá)的意思是將y+z的值賦給x。2.1初窺高級(jí)語言——控制結(jié)構(gòu)語句

25高級(jí)程序語言提供了多種控制結(jié)構(gòu)支持更為復(fù)雜的執(zhí)行路徑。for語句for語句的一般形式為:for(iinrange(N))｛循環(huán)部分｝。for語句的語義是：for循環(huán)會(huì)執(zhí)行{循環(huán)部分}N次，其中用索引i來表示某時(shí)刻執(zhí)行的次數(shù)。一般而言，i=0,…,N-1。索引i的起始和最終值可根據(jù)不同的需求在for（）里面設(shè)定。至于如何設(shè)定i的起始和最終值，不同的編程語言有不同的設(shè)置方法。while語句while語句的一般形式為：while(表達(dá)式){循環(huán)部分}。其中表達(dá)式是循環(huán)條件，語句為循環(huán)體。表達(dá)式所表示的循環(huán)條件就限制了程序只能在滿足這個(gè)條件的情況下才能執(zhí)行{循環(huán)部分}。while語句的語義是：每次循環(huán)都計(jì)算表達(dá)式的值，當(dāng)值為真(非0)時(shí)，執(zhí)行{循環(huán)部分}。if語句if語句的一般形式為：if(表達(dá)式)｛語句｝。if語句的語義是：如果表達(dá)式的值為真，則執(zhí)行{語句}部分，否則不執(zhí)行該語句。2.1初窺高級(jí)語言——控制結(jié)構(gòu)語句（續(xù)）

26例如：現(xiàn)在有一棟教學(xué)樓，每層有一個(gè)班，共六層。小明今天是值日生，在大家放學(xué)后小明需要到每一層樓檢查各班是否都關(guān)好了燈。如果發(fā)現(xiàn)某班教室未關(guān)燈，則關(guān)燈，并扣該班1分；如果關(guān)了燈，則上一層樓繼續(xù)檢查其他班級(jí)，直到檢查完最后一個(gè)班級(jí)。用for與whle語句實(shí)現(xiàn)如下：#<程序：for循環(huán)>for小明所在樓層i

從1到6：

if樓層i的燈是亮的：關(guān)燈

print該班扣1分#<程序：while循環(huán)>小明所在樓層i=1while小明所在樓層i<=6：if樓層i的燈是亮的：

關(guān)燈

print該班扣1分上一層樓（i的值變成i+1）for語句和while語句實(shí)際上都是一種循環(huán)語句，可以用來處理同一個(gè)問題，一般可以相互替代。2.2從Python語言進(jìn)入計(jì)算機(jī)語言的世界

27什么是python？如何寫python？漢語、英語都有各自的語法，那python的語法是什么呢？我們會(huì)在第四章更詳細(xì)的講述Python，這一節(jié)只是簡(jiǎn)單的描述一些最基本的概念。Python（/?pa?θ?n/）,是一種面向?qū)ο?、解釋型?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，由GuidovanRossum于1989年底發(fā)明，第一個(gè)公開發(fā)行版發(fā)行于1991年。Python語法簡(jiǎn)潔而清晰，具有豐富和強(qiáng)大的類庫(kù)。由于Python語言的簡(jiǎn)潔、易讀以及可擴(kuò)展性，在國(guó)外用Python做科學(xué)計(jì)算的研究機(jī)構(gòu)日益增多，一些知名大學(xué)已經(jīng)采用Python教授程序設(shè)計(jì)課程。本課程也將使用該語言作為入門計(jì)算機(jī)的語言工具。2.2從Python語言進(jìn)入計(jì)算機(jī)語言的世界

——在windows中使用Python

28在windows中，同其他應(yīng)用程序，例如QQ一樣，要使用該軟件，必須首先進(jìn)行程序運(yùn)行環(huán)境的搭建。因此，要使用Python進(jìn)行開發(fā)，必須先安裝Python的運(yùn)行環(huán)境。安裝包下載地址為/downloads/。（本課程使用Python3.3版本，注：3.x與2.x有較大差別）進(jìn)入“LatestPython3Release”，找到“downloadpage”進(jìn)去，然后下載適合自己計(jì)算機(jī)的下載包。下載安裝包，并成功安裝。這時(shí)，Python就安裝好，可以使用了。為了方便編輯，Python自動(dòng)安裝了一個(gè)Python編輯器——IDLE。在安裝好Python的計(jì)算機(jī)的windows系統(tǒng)中，點(diǎn)擊開始->所有程序->Python->IDLE（PythonGUI），并將其打開找到，這時(shí)候一個(gè)Pythonshell就建立好了。Python的shell好像是一個(gè)計(jì)算器，能夠方便的完成一次性的運(yùn)算，但是如果寫程序或函數(shù)這類具有復(fù)雜邏輯和結(jié)構(gòu)的語句，可以借助其他的Python編輯器來完成。2.2從Python語言進(jìn)入計(jì)算機(jī)語言的世界

——HelloWorld!

29打開IDEL，F(xiàn)ile->NewFile，創(chuàng)建一個(gè)新文件并保存為任何名字的.py格式。在該文件中輸入print("Helloworld!")，點(diǎn)擊run選擇runModule（或快捷鍵F5）運(yùn)行。第一次執(zhí)行該程序時(shí)，Python會(huì)先詢問函數(shù)所在的文件的名稱，將此程序存起來。然后可以看到，PythonShell窗口中打印出了Helloworld!字樣，表示程序成功執(zhí)行。在print中包含在兩個(gè)雙引號(hào)”（或兩個(gè)單引號(hào)’）中間的字符叫做字串。另外，為了增加程序的可讀性，為程序添寫注釋是一個(gè)良好的習(xí)慣，Python中的注釋是以‘#’開始的行，即‘#’后面的內(nèi)容Python是不會(huì)執(zhí)行的，只是為了閱讀程序的方便而書寫的。在進(jìn)行程序編寫的過程中可以試試以下的程序，產(chǎn)生一個(gè)新文件，每次都用F5保存和執(zhí)行。2.2從Python語言進(jìn)入計(jì)算機(jī)語言的世界

——變量與表達(dá)式

30本節(jié)前開始之前，我們先來看一個(gè)程序表達(dá)式：y=x+1，這個(gè)式子幾乎包含了本小節(jié)的所有知識(shí)點(diǎn)。其中x、y為變量，1為常量，+為算術(shù)操作符，=為賦值操作符，x+1為公式，y=x+1為表達(dá)式。等號(hào)右邊的公式將計(jì)算值賦值給等號(hào)左邊的變量y。等號(hào)左邊的變量就相當(dāng)是一個(gè)盒子的標(biāo)簽，y就是這個(gè)盒子的標(biāo)簽，代表著這個(gè)盒子；等號(hào)右邊的變量名x代表這個(gè)變量x所存的值，可以想成是盒子x內(nèi)的值，x+1就是把盒子x的內(nèi)容拿出來加上1后，再放進(jìn)盒子y里。變量出現(xiàn)在等號(hào)左邊和右邊時(shí)所代表的意思是不一樣的，等號(hào)左邊代表了“盒子”，等號(hào)右邊代表了盒子里的值。所以x=x+1的意思就很清楚了。將x存的值拿出來加1后，再將計(jì)算后的值存回到變量x中。例如x=1，經(jīng)過x=x+1后，變量x就變成2了。在Python的shell中寫：x=1;x=x+1;print(x)#

輸出：22.3活學(xué)活用——運(yùn)用python的基本功能解決數(shù)學(xué)問題

31

問題一：給定一個(gè)常數(shù)n（n>0），求n的階乘，即n!=1*2*…*(n-1)*n。例如4!=24，5!=120。

32要求n的階乘，一種方法是利用循環(huán)來訪問1到n的所有數(shù)。在程序最開始時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)初值為1的中間變量res，循環(huán)中每訪問一個(gè)數(shù)i，就將數(shù)i與中間變量相乘，這樣中間變量存放的值就為i!。當(dāng)i=n時(shí)，res內(nèi)的值就是最終要求的n!。求解問題一的Python程序段如下所示。輸出結(jié)果為：1307674368000。這個(gè)程序首先給n賦值15，即要求15的階乘。首先，我們利用if語句判斷n的值是否為0，如果n為0，根據(jù)階乘的定義，0!=1，程序直接打印1。否則，進(jìn)入else分支。在else分支中，我們首先給一個(gè)名為res的變量賦初值1，如上所述，該變量將存儲(chǔ)計(jì)算的中間結(jié)果i!。我們利用for循環(huán)依次訪問1到n的所有數(shù)。注意，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)要訪問的數(shù)為n，所以range的上邊界為n+1。最后，程序?qū)⑤敵鏊蟮玫?5!的結(jié)果。接下來，我們來考慮一個(gè)組合（combination）問題，即要在n個(gè)有編號(hào)的小球中任意選取k個(gè)小球，試問所有的可能。

33

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輸出結(jié)果為：14641。有了自定義函數(shù)，該問題的Python實(shí)現(xiàn)就變得十分簡(jiǎn)潔了。同學(xué)們可以嘗試一下，如果不定義函數(shù)combination，我們?cè)撊绾尉帉慞ython代碼求解該問題呢？#<程序：(x+1)的n次方的展開式系數(shù)>n=4foriinrange(0,n+1):combination(n,i)第三節(jié)計(jì)算機(jī)核心知識(shí)——算法

35算法的重要性解平方根算法一解平方根算法二解平方根算法三3.1算法的重要性——計(jì)算機(jī)的核心

36算法是計(jì)算機(jī)的核心。算法獨(dú)立于編程語言，但是好的算法能夠優(yōu)化程序和計(jì)算的過程，減少資源的開銷。算法，作為軟件的核心，決定著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算效率和軟件的運(yùn)行效率。算法具有以下的五個(gè)重要特征：有限的運(yùn)行步驟；具有確定的執(zhí)行步驟；具有輸入項(xiàng)；具有輸出項(xiàng)；對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是可行的；3.2算法問題——解平方根

37要設(shè)計(jì)一個(gè)算法來解決問題，首先要定義問題，并確定問題的輸入和輸出。求解平方根問題的輸入是一個(gè)任意的實(shí)數(shù)c，問題的定義是求c的算數(shù)平方根，輸出是c的算術(shù)平方根的值。輸入：一個(gè)任意實(shí)數(shù)c；輸出：c的算術(shù)平方根g。實(shí)數(shù)C輸入算法輸出3.2.1解平方根的算法一——趨近

38這個(gè)問題有多種解決的途徑。根據(jù)我們以往所學(xué)的知識(shí)，可能最先想到的是采用趨近的方法來求解。這個(gè)算法的描述如下：輸入：一個(gè)任意實(shí)數(shù)c；輸出：c的算術(shù)平方根g。（1）從0到c的區(qū)域里選取一個(gè)整數(shù)g’，滿足g’2<c且(g’+1)2>c的條件；（2）如果g’2-c足夠接近于0，g’即為所求算術(shù)平方根的解g=c1/2；（3）否則，以步長(zhǎng)h增加g’：g’=g’+h，其中，h為設(shè)定精度（可設(shè)為0.0001）下的步長(zhǎng)（可設(shè)為0.00001），即每次對(duì)g’作調(diào)整的值；（4）重復(fù)步驟(2)直到滿足條件，此時(shí)輸出g’，并終止計(jì)算。

39#<程序：平方根運(yùn)算1>defsquare_root_1():#函數(shù)定義，函數(shù)名為square_root_1c=10 #所求平方根的輸入，即該段程序求根號(hào)10i=0 #記錄執(zhí)行循環(huán)次數(shù)g=0forjinrange(0,c+1):#for循環(huán)開始if(j*j>candg==0):#if判斷，使得g2<c，(g+1)2>cg=j-1#for循環(huán)結(jié)束while(abs(g*g-c)>0.0001):#判斷g2-c是否在精度范圍內(nèi) g+=0.00001 #g每次加步長(zhǎng)，以逼近所求解i=i+1print("%d:g=%.5f"%(i,g))

#函數(shù)外，執(zhí)行下面的語句square_root_1()3.2.1解平方根的算法一——趨近

40該段程序包括兩個(gè)循環(huán)部分和一個(gè)判斷部分。執(zhí)行結(jié)果如下：1:g=3.000012:g=3.00002…………16226:g=3.1622616227:g=3.16227實(shí)際運(yùn)行該程序會(huì)發(fā)現(xiàn)，程序運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)。如果把解的精度和步長(zhǎng)縮小，那么運(yùn)行時(shí)間會(huì)明顯延長(zhǎng)。這意味著該算法的時(shí)間性能還不理想。要提高程序運(yùn)行的效率，就需要改進(jìn)算法。3.2.1解平方根的算法二——二分法

41觀察算法一的輸出結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，雖然能夠得到正確的算術(shù)平方根求解結(jié)果，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)解的精度要求提高時(shí)，該算法的效率明顯降低。因?yàn)檩敵鼋Y(jié)果精度增加時(shí)，算法不得不減小步長(zhǎng)h，以避免g+h跳過可接受的解范圍。觀察程序后可以發(fā)現(xiàn)，隨著精度的提高，h的值減小，算法所需要進(jìn)行循環(huán)的次數(shù)大大增加了。算法一例子中，精度要求0.0001，算法的循環(huán)次數(shù)已達(dá)到16227次。如果提高精確度，循環(huán)的次數(shù)會(huì)成倍增長(zhǎng)。這是算法一運(yùn)行效率低的原因。因此，算法二使用“二分法”，有效減少逼近最終解的步驟，加快逼近過程。3.2.1解平方根的算法二——二分法

42“二分法”的基本思想：每次將求解值域的區(qū)間減少一半，因此可以快速縮小搜索的范圍。所謂求解值域區(qū)間就是精確值可能存在的范圍。我們不妨假設(shè)c的平方根為x，令f(x)=x2-c，求c的平方根x即是求f(x)=0的解。如圖所示：當(dāng)c>=1時(shí)，解的范圍是0<x<c。假設(shè)min=0，max=c。x的值肯定是介于min和max之間，取中間值(min+max)/2，令該值為g。比較g2-c與0，如果|g2-c|在求解精度范圍內(nèi)，該值即為所求解；否則，如果g2-c>0，表示g的值偏大，因此從g到max的區(qū)間不可能包含要找的最終解。于是，在算法中將新的max設(shè)定為當(dāng)前g的值，繼續(xù)搜索。同理，如果g2-c<0，表示g的值偏小，此時(shí)將新的min就設(shè)定為當(dāng)前g的值。3.2.1解平方根的算法二——二分法

43設(shè)初始值設(shè)定max=10，min=0，中點(diǎn)值g=5。測(cè)試g=5，5×5=25>10，表示正確的平方根值x不在5到10的區(qū)域內(nèi)，所以不再考慮5到10的區(qū)域。于是將max設(shè)定為5。此時(shí)，求解空間變?yōu)榱嗽瓉淼囊话搿＝酉聛韽?到5的區(qū)間中，以同樣的方式用二分法縮小解空間。以此類推，經(jīng)過n次循環(huán)后，得到的范圍就減到10/2n數(shù)量級(jí)。求解過程以指數(shù)級(jí)速度逼近精確解。設(shè)定精度為0.00000000001，改進(jìn)后求平方根的具體算法描述如下：輸入：一個(gè)任意實(shí)數(shù)c；輸出：c的算術(shù)平方根g。（1）令min=0，max=c；（2）令g’=(min+max)/2；（3）如果g’2-c足夠接近于0，g’即為所求解g，否則：（4）如果g’2<c，min=g’，否則max=g’；（5）重復(fù)步驟(2)，直到滿足條件，輸出g’，終止程序

44#<程序：平方根運(yùn)算2-二分法>defsquare_root_2():i=0c=10m_max=cm_min=0g=(m_min+m_max)/2while(abs(g*g-c)>0.00000000001):#while循環(huán)開始 if(g*g<c):m_min=g else:m_max=gg=(m_min+m_max)/2i=i+1 print("%d:%.13f"%(i,g))#while循環(huán)結(jié)束square_root_2()3.2.1解平方根的算法二——二分法

45程序包括一個(gè)while循環(huán)部分以及一個(gè)if語句。循環(huán)部分判斷g2與c的大小，然后針對(duì)不同的情況，改變相應(yīng)m_min或m_max的值，快速縮小求解空間。運(yùn)行該程序的輸出如下：1:2.50000000000002:3.75000000000003:3.1250000000000…………38:3.162277660176239:3.1622776601671結(jié)果表明該算法僅僅用了39次循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)了平方根的計(jì)算，并且精度由0.0001提高到了0.00000000001。相比于算法1的16227次循環(huán)，算法效率得到了非常大的提升。3.2.1解平方根的算法三——牛頓迭代法

46我們還可以進(jìn)一步修改算法，獲得更少的循環(huán)次數(shù)，加快g的求解過程，而且可以得到同樣精度甚至是更高精度的解。在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，要養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，持續(xù)不斷的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，尋找更高效的求解方法，這也是計(jì)算機(jī)科學(xué)美的重要體現(xiàn)。為了獲得更少的循環(huán)次數(shù)，算法三利用牛頓迭代方式逼近近似解。首先構(gòu)建一個(gè)函數(shù)f(x)，使得f(x)=0時(shí)對(duì)應(yīng)的x的解就是c的平方根。令f(x)=x2-c，這樣求c的平方根的問題就轉(zhuǎn)化為求解f(x)=0的問題。設(shè)x0是f(x)=0的根，選取g0作為x0的初始近似值，算法的核心在于如何推導(dǎo)下一點(diǎn)g1，使得g1更趨近于正確的x0值。以此類推，直到找到精確范圍內(nèi)的正確解為止。3.2.1解平方根的算法三——牛頓迭代法

47牛頓迭代法的基本思想：當(dāng)x=g0時(shí)，過點(diǎn)f(x)做一條切線。這條切線與x軸相交于一點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)就是g1。從圖1.13可以清楚地看到g1比g0更趨近于正確的平方根值。然后，再經(jīng)過f(x=g1)做一條切線，同樣，該切線與x軸的交點(diǎn)成為下一個(gè)更趨近于精確值x0的近似值g2。以此類推，直到gn的平方和c的差值達(dá)到所設(shè)定的精度為止。通過數(shù)學(xué)計(jì)算，可以得出g1和g0的關(guān)系是g1=(g0+c/g0)/2。具體推導(dǎo)如下，過點(diǎn)(g0，f(g0))做f(x)的切線L，可以算出切線的斜率：f(x)=x2-c的導(dǎo)數(shù)（對(duì)x微分），就是2x。切線L的斜率就是f’(g0)=2g0。L的方程為y=f(g0)+f’(g0)(x-g0)，設(shè)L與x軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(g?1,0)，則0=f(g0)+f’(g0)(g?1-g0)。因?yàn)閒(g0)=g02-c和f’(g0)=2g0，代入計(jì)算，可以得到：g02-c+2g0(g?1-g0)=0,所以2g0g?1=c-g02+2g02=c+g02,化簡(jiǎn)得到g1=(g0+c/g0)/2。3.2.1解平方根的算法三——牛頓迭代法

48以此類推，每次循環(huán)將近似值gi更新為(gi-1+c/gi-1)/2，新的g更加接近最終解x0。在n次循環(huán)迭代后，近似值gn+1=(gn+c/gn)/2，這就是牛頓迭代公式。牛頓迭代算法求任意正數(shù)c的平方根的具體算法描述如下：（1）先設(shè)g=c/2；（2）如果g2-c足夠接近于0，g即為所求，否則：（3）g=(g+c/g)/2；（4）重復(fù)2。3.2.1解平方根的算法三——牛頓迭代法

49#<程序：平方根運(yùn)算3-牛頓法>defsquare_root_3(): c=10 g=c/2 i=0 whileabs(g*g-c)>0.00000000001: g=(g+c/g)/2i=i+1 print("%d:%.13f"%(i,g))square_root_3()3.2.1解平方根的算法三——牛頓迭代法

50該程序僅用7行代碼就實(shí)現(xiàn)了解平方根的功能，運(yùn)行結(jié)果如下：1:3.50000000000002:3.17857142857143:3.16231942215094:3.16227766044415:3.1622776601684[Finishedin0.1s]觀察發(fā)現(xiàn)，算法三僅僅用了5次循環(huán)迭代便實(shí)現(xiàn)了一個(gè)求解平方根的計(jì)算。相比于算法2的39次迭代，又得到了很大的改進(jìn)。上面的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示實(shí)際時(shí)間縮短到0.1秒之內(nèi)。計(jì)算機(jī)科學(xué)的最神妙有趣之處，就是它對(duì)于“算法”的研究。解決同一個(gè)問題可以設(shè)計(jì)出各種不同的算法。不是獲得解就結(jié)束了，而且要分析不同算法之間對(duì)程序執(zhí)行效率的影響，不同的算法會(huì)有很顯著的性能優(yōu)劣差異。第四節(jié)什么是計(jì)算機(jī)

51歷史上的計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)未來的計(jì)算機(jī)什么是計(jì)算機(jī)

52什么是計(jì)算機(jī)？在不同的年代，人們對(duì)該問題的回答是不一樣的一般來說，計(jì)算機(jī)可以分成兩種：通用型計(jì)算機(jī)(generalpurposecomputers)和專用型計(jì)算機(jī)(specialpurposecomputers)。通用型計(jì)算機(jī)包括常用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)(desktopcomputers)、筆記本電腦(laptopcomputers)、平板電腦(tablet)等，或者是服務(wù)器（servers）、超級(jí)電腦(supercomputers)等。專用型計(jì)算機(jī)是為特定應(yīng)用量身打造的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的程序一般不能被改動(dòng)。比如控制智能家電的電腦、工業(yè)用電腦和機(jī)器人，汽車內(nèi)部的數(shù)十個(gè)用于控制電腦，所有船艦、飛機(jī)、航天上的控制電腦，安檢偵測(cè)設(shè)備、智能卡、網(wǎng)絡(luò)路由器、照相機(jī)、印表機(jī)、游戲機(jī)等，數(shù)不勝數(shù)。專業(yè)型電腦常被稱為“嵌入式系統(tǒng)”（embeddedsystems），就是將“智能”嵌入到應(yīng)用中的意思。4.1歷史上的計(jì)算機(jī)

531946年2月14日，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（ENIAC）在美國(guó)誕生，并于次日正式對(duì)外公布。共用了18000多個(gè)電子管組成，占地170m2，總重量為30噸，耗電150kw。運(yùn)算速度較快，能達(dá)到每秒能進(jìn)行5000次加法、300次乘法，比當(dāng)時(shí)最快的繼電器計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快1000多倍。4.1歷史上的計(jì)算機(jī)

54電子計(jì)算機(jī)從誕生起，短短的50多年里經(jīng)過了電子管、晶體管、集成電路（IC）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）四個(gè)階段的發(fā)展。在這個(gè)過程中，計(jì)算機(jī)的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)，價(jià)格越來越低，應(yīng)用越來越廣泛。中國(guó)的計(jì)算機(jī)也有了飛速的發(fā)展。2014年初，中國(guó)造的天河2號(hào)電腦成為了世界上最快的電腦。天河2號(hào)擁有百萬個(gè)核，運(yùn)算速度達(dá)到5億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算。4.1歷史上的計(jì)算機(jī)——四代計(jì)算機(jī)

55第一代計(jì)算機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間為1946年至1958年。處于這一時(shí)代的計(jì)算機(jī)的共同特點(diǎn)是：體積較大；運(yùn)算速度較低；存儲(chǔ)容量不大；而且價(jià)格昂貴；使用也不方便。解決一個(gè)簡(jiǎn)單問題所編寫的程序的復(fù)雜程度也難以表述。這一代計(jì)算機(jī)只在重要機(jī)構(gòu)或科學(xué)研究部門使用，主要用于科學(xué)計(jì)算。第二代計(jì)算機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間為1958年至1965年。這一時(shí)代的計(jì)算機(jī)全部采用晶體管作為電子器件，其運(yùn)算速度比第一代計(jì)算機(jī)的提高了近百倍，體積為原來的幾十分之一。在軟件方面，開始使用計(jì)算機(jī)算法語言。這一代計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理及工業(yè)控制。4.1歷史上的計(jì)算機(jī)——四代計(jì)算機(jī)

56第三代計(jì)算機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間為1965年至1970年。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)的主要特征是以中、小規(guī)模集成電路為電子器件。一個(gè)重大的突破是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來越廣。它們不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于文字處理、企業(yè)管理、自動(dòng)控制等事務(wù)。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的信息管理系統(tǒng)，可用在生產(chǎn)管理、交通管理、情報(bào)檢索等領(lǐng)域。第四代計(jì)算機(jī)是指從1970年以后采用大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）為主要電子器件制成的計(jì)算機(jī)。例如80386微處理器，在面積約為10mm*l0mm的單個(gè)芯片上，可以集成大約32萬個(gè)晶體管。第四代計(jì)算機(jī)的另一個(gè)重要分支是以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微處理器和微型計(jì)算機(jī)。4.2嵌入式系統(tǒng)

57在汽車上能看到各式各樣的智能化功能，如無鑰匙啟動(dòng)、自動(dòng)頭燈、倒車影像等，都是由計(jì)算機(jī)完成的。只不過這樣的計(jì)算機(jī)是嵌入在汽車內(nèi)部的，稱為嵌入式系統(tǒng)。一輛汽車內(nèi)部有多達(dá)50個(gè)這樣的“計(jì)算機(jī)”。EnglishName中文名EnglishName中文名Anti-lockbrakes防抱死剎車Electronicinstruments電子儀器Automatictellermachines自動(dòng)取款機(jī)Electronictoys/games電子玩具/游戲Automatictollsystems自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)Factorycontrol工業(yè)控制Automatictransmission自動(dòng)換檔Faxmachines傳真機(jī)Avionicsystems航空系統(tǒng)Fingerprintidentifiers指紋識(shí)別器Batterychargers充電器Homesecuritysystems家庭安全系統(tǒng)Camcorders數(shù)碼攝像機(jī)Printers打印機(jī)Cellphones手機(jī)Satellitephones衛(wèi)星電話Cell-phonebasestations手機(jī)基站Scanners掃描儀Cordlessphones無線電話Televisions電視機(jī)Cruisecontrol定速巡航Temperaturecontrollers溫度控制器Digitalcameras數(shù)碼相機(jī)Thefttrackingsystems盜竊跟蹤系統(tǒng)Diskdrives磁碟機(jī)TVset-topboxes機(jī)頂盒Electroniccardreaders讀卡器Washersanddryers洗衣機(jī)干洗機(jī)4.2嵌入式系統(tǒng)

58計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已深入到生活的各個(gè)方面，從家用設(shè)備到工業(yè)設(shè)備，從民用設(shè)備到軍用設(shè)備。所以，當(dāng)現(xiàn)在談?wù)摰绞裁词怯?jì)算機(jī)的時(shí)候，我們應(yīng)該知道，身邊的一切電子控制、自動(dòng)化系統(tǒng)等都是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)：具有運(yùn)算能力并且經(jīng)過編程后可以解決特定的問題。這個(gè)編程可以是用軟件，在CPU的平臺(tái)上運(yùn)行，或者是直接做成硬件來執(zhí)行。近年來，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的進(jìn)步，使得硬件的開發(fā)也較為容易。尤其是FPGA（FieldProgrammableGateArray）的發(fā)展，硬件原型機(jī)的制作也變得相對(duì)容易許多。設(shè)計(jì)FPGA就好像是編寫軟件程序，設(shè)計(jì)好的程序（用特殊的語言），進(jìn)過編譯后，下載到FPGA的開發(fā)板上，就完成了硬件的設(shè)計(jì)。無論如何，軟件程序是需要硬件來執(zhí)行，那硬件需要軟件嗎？通用型的CPU肯定是需要軟件來完成計(jì)算，然而專用型（ApplicationSpecific）的硬件，就不需要軟件了，因?yàn)檎麄€(gè)“軟件”算法已經(jīng)嵌入在硬件設(shè)計(jì)里了。4.3未來的計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)科學(xué)未來發(fā)展趨勢(shì)

59（1）隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息安全（InformationSecurity）逐漸成為人們不可忽視的學(xué)科。如何確保信息系統(tǒng)的安全，已成為全社會(huì)關(guān)注的問題。（2）隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云計(jì)算（CloudComputing）將成為主流的計(jì)算方式。云計(jì)算是分布式計(jì)算（DistributedComputing）、并行計(jì)算（ParallelComputing）、效用計(jì)算（UtilityComputing）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)（NetworkStorageTechnologies）、虛擬化技術(shù)（Virtualization）、負(fù)載均衡技術(shù)（LoadBalance）等計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。（3）隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)（BigData）將影響互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等大規(guī)模數(shù)據(jù)的操作。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于擁有龐大的數(shù)據(jù)量，而在于如何對(duì)這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的分析處理。4.3未來的計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

60當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：系統(tǒng)越來越大，核數(shù)越來越多；終端越來越小，越來越便攜；越來越高效能。多核時(shí)代已經(jīng)到來。2005年4月，英特爾倉(cāng)促推出簡(jiǎn)單封裝雙核的奔騰D和奔騰四至尊版840。AMD在之后也發(fā)布了雙核皓龍(Opteron)和速龍(Athlon)64X2處理器。但真正的“雙核元年”，則被認(rèn)為是2006年。這一年的7月23日，英特爾基于酷睿(Core)架構(gòu)的處理器正式發(fā)布。2006年11月，又推出面向服務(wù)器、工作站和高端個(gè)人電腦的至強(qiáng)(Xeon)5300和酷睿雙核、四核至尊版系列處理器。而如今，智能手機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了四核以及八核。不久的將來，個(gè)人電腦會(huì)有32核，64核，128核及以上。時(shí)代的進(jìn)步飛速，現(xiàn)在的超級(jí)電腦已經(jīng)有一百萬核以上了！在多核的時(shí)代，如何設(shè)計(jì)軟件使其有效地在多核上運(yùn)行、操作系統(tǒng)要如何有效管理這么多的核，等等，這些都是計(jì)算機(jī)科學(xué)所面臨的諸多挑戰(zhàn)，需要大量計(jì)算機(jī)專業(yè)人才來解決并行、調(diào)度、資源管理、節(jié)能省電等等的問題。計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究發(fā)展方興未艾、生機(jī)蓬勃。第五節(jié)計(jì)算機(jī)前沿知識(shí)——大數(shù)據(jù)

61數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用5.1數(shù)據(jù)——什么是數(shù)據(jù)？

62什么是數(shù)據(jù)？在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)是指所有能輸入到計(jì)算機(jī)并被計(jì)算機(jī)程序處理的，具有一定意義的數(shù)字、字母、符號(hào)和模擬量等的通稱。計(jì)算機(jī)的世界里只有兩個(gè)數(shù)：0，1。而正是這簡(jiǎn)單而又神奇的兩個(gè)數(shù)字，卻能表示現(xiàn)實(shí)生活中各式各樣的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，AnalogtoDigitalConverter），將模擬信號(hào)（即真實(shí)世界的連續(xù)的信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（即用數(shù)值表示的離散信號(hào)），即0,1進(jìn)行傳輸。5.1數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理操作

63正如數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的定義：輸入到計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理的內(nèi)容。將照片，音頻等信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的過程，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集工作；將這些數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的方式存入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)完成了對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作；在存入計(jì)算機(jī)的信息中提取我們感興趣的部分，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的檢索操作；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，比如噪聲去除，圖像增強(qiáng)，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的加工操作；將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等操作，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的變換操作；最后，將這些數(shù)據(jù)傳輸給其他計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)完成了對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸操作。以上各種操作，均是數(shù)據(jù)處理的部分內(nèi)容。數(shù)據(jù)處理指的就是對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、檢索、加工、變換和傳輸。5.2大數(shù)據(jù)

64國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）從下面這四個(gè)特征來定義大數(shù)據(jù)，即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（Volume）、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)體系（Velocity）、多樣的數(shù)據(jù)類型（Variety）、巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值（Value）。亞馬遜（全球最大的電子商務(wù)公司）的大數(shù)據(jù)科學(xué)家JohnRauser給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的定義：大數(shù)據(jù)是任何超過了一臺(tái)計(jì)算機(jī)處理能力的數(shù)據(jù)量。維基百科解釋道：“大數(shù)據(jù)(bigdata)，指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法通過目前主流軟件工具，在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策更積極目的的資訊”大數(shù)據(jù)是一個(gè)寬泛的概念。誠(chéng)然“大”是大數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特征，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是全部。大數(shù)據(jù)是“在多樣的大量的數(shù)據(jù)中，迅速獲取信息的能力”。這個(gè)定義凸顯了大數(shù)據(jù)的功用，而其重心是“能力”。大數(shù)據(jù)的核心能力，是發(fā)現(xiàn)規(guī)律和預(yù)測(cè)未來。5.3大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

65有了大數(shù)據(jù)的概念，本節(jié)將列舉生活中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用包括了射頻識(shí)別（RFID）、傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、天文學(xué)、大氣學(xué)、基因組學(xué)、生物學(xué)、大社會(huì)數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)文件處理、制作互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎索引、通信記錄明細(xì)、軍事偵查、社交網(wǎng)絡(luò)、通勤時(shí)間預(yù)測(cè)、醫(yī)療記錄、照片圖像和圖像封存、大規(guī)模的電子商務(wù)，等等不同領(lǐng)域的應(yīng)用5.3.1大數(shù)據(jù)的應(yīng)用——商業(yè)中的大數(shù)據(jù)

66沃爾瑪是最早利用大數(shù)據(jù)而受益的企業(yè)之一，曾擁有世界上最大的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)。公司在對(duì)消費(fèi)者購(gòu)物行為進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，男性顧客在購(gòu)買嬰兒尿片時(shí)，常常會(huì)順便搭配幾瓶啤酒來犒勞自己，于是推出了將啤酒和尿布捆綁銷售的促銷手段。如今，這一“啤酒＋尿布”的美國(guó)第二大的超市塔吉特（Target）百貨公司，為了吸引孕婦這一含金量很高的群體，也求助數(shù)據(jù)分析手段。他們希望在孕婦懷孕較初期時(shí)就把她們識(shí)別出來，這樣就可以在別的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之前吸引她們的采購(gòu)。數(shù)據(jù)分析成果也成了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)典案例。TescoPLC（特易購(gòu)）這家超市連鎖在其數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中收集了700萬部冰箱的數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行更全面的監(jiān)控并進(jìn)行主動(dòng)的維修以降低整體能耗。梅西百貨(Macy's)的實(shí)時(shí)定價(jià)機(jī)制可以根據(jù)需求和庫(kù)存的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)價(jià)。該公司基于SAS的系統(tǒng)可以對(duì)多達(dá)7300萬種貨品進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)價(jià)。5.3.1大數(shù)據(jù)的應(yīng)用——體育競(jìng)技中的大數(shù)據(jù)

67隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)已經(jīng)悄然進(jìn)入了這項(xiàng)體育競(jìng)技項(xiàng)目的賽場(chǎng)。F1賽車場(chǎng)可能是大數(shù)據(jù)最經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景之一，一輛輛風(fēng)馳電掣的造價(jià)高達(dá)200萬美元的F1賽車的設(shè)計(jì)、模擬、測(cè)試和建造完全在電腦中完成，這個(gè)流程的每個(gè)環(huán)節(jié)都將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。雖然F1的模擬測(cè)試需要昂貴的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，但這依然比在賽道上實(shí)測(cè)的成本要低，據(jù)悉，一輛F1賽車在賽道上實(shí)測(cè)的花費(fèi)每天高達(dá)40-60因此，各大F1車隊(duì)紛紛大量借助高級(jí)流體動(dòng)力計(jì)算（CFD）和CAD/CAM進(jìn)行賽車的設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造。尤其在測(cè)試環(huán)節(jié)，每輛F1賽車都是大數(shù)據(jù)發(fā)生器，對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)環(huán)境提出了極高的要求。5.3.1大數(shù)據(jù)的應(yīng)用——日常生活中的大數(shù)據(jù)

68美國(guó)電業(yè)公司TXUEnergy，發(fā)明了一種智能電表技術(shù)。有了智能電表，公司能每隔15分鐘就讀一次用電數(shù)據(jù)，而不是過去的一月一次，從而大大節(jié)省了抄表的人且由于能高頻率快速采集分析用電數(shù)據(jù)（產(chǎn)生大數(shù)據(jù)），供電公司能根據(jù)用電高峰和低谷時(shí)段制定不同的電價(jià)。PRADA試衣間的大數(shù)據(jù)。在紐約旗艦店里，每件衣服上都有RFID碼。每當(dāng)顧客拿起衣服進(jìn)試衣間時(shí)，這件衣服上的RFID會(huì)被自動(dòng)識(shí)別，試衣間里的屏幕會(huì)自動(dòng)播放模特穿著這件衣服走臺(tái)步的視頻。這也需要大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)對(duì)顧客信息和服裝信息的處理。第六節(jié)計(jì)算機(jī)科學(xué)之美

69無處不在的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)學(xué)科本身包含的知識(shí)面之廣6.1無處不在的計(jì)算機(jī)

70現(xiàn)今社會(huì)大量地使用計(jì)算機(jī)，已經(jīng)找不到?jīng)]有使用計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域了。大家都知道，假如沒有電，世界將一片黑暗?？墒羌偃鐩]有計(jì)算機(jī)，世界會(huì)怎樣？交通運(yùn)輸癱瘓，制造業(yè)無法發(fā)展，農(nóng)業(yè)遭受損失，通訊將中斷，商業(yè)和金融活動(dòng)將無法進(jìn)行。6.1.1無處不在的計(jì)算機(jī)——交通運(yùn)輸

71隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在交通運(yùn)輸中起著舉足輕重的作用。從空運(yùn)系統(tǒng)，到陸運(yùn)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)無處不在。如下圖所示，左圖為航拍原圖像，右圖為經(jīng)過去霧處理后的圖像，可以看出，去霧后的圖像能夠恢復(fù)出清晰的地面場(chǎng)景，有助于高空視覺系統(tǒng)的分辨和識(shí)別，減少了霧對(duì)飛機(jī)降落的影響。計(jì)算機(jī)在空運(yùn)中不僅僅進(jìn)行圖像處理。澳門機(jī)場(chǎng)和深圳機(jī)場(chǎng)曾發(fā)生過這樣一件事。當(dāng)一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，由于澳門機(jī)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)比較先進(jìn)，算出飛機(jī)不必停飛；而深圳機(jī)場(chǎng)因?yàn)樗悴磺宄?，只好關(guān)閉機(jī)場(chǎng)，損失以億計(jì)。6.1.1無處不在的計(jì)算機(jī)——交通運(yùn)輸

72陸運(yùn)系統(tǒng)中，現(xiàn)在城市里的地鐵，城市間鐵路運(yùn)輸、動(dòng)車、高鐵，都是計(jì)算機(jī)全程和全局來控制。假如系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)好，沒有測(cè)試全，沒有考慮各種可能的情況，慘劇就可能會(huì)發(fā)生。除了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的功能正確和安全可靠以外，計(jì)算機(jī)的性能也是十分重要的。氣象預(yù)測(cè)牽扯到大規(guī)模的計(jì)算，需要高性能的計(jì)算機(jī)和軟件。2001年12月7日，一場(chǎng)沒有預(yù)報(bào)的落雪使北京的交通大癱瘓，很多人只能步行幾小時(shí)回家，不少人指責(zé)氣象部門失職。再看道路上的紅綠燈控制系統(tǒng)。離開了計(jì)算機(jī)，沒有了交通信號(hào)控制系統(tǒng)，沒有了道路監(jiān)控系統(tǒng)，十字路口將會(huì)產(chǎn)生死鎖，封鎖交通，致使交通癱瘓。如圖1.3所示。6.1.1無處不在的計(jì)算機(jī)——制造產(chǎn)業(yè)

73以日本和韓國(guó)的造船業(yè)為例，由于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，這兩個(gè)國(guó)家的造船工人人數(shù)從十幾萬下降到2萬多，年造船排水量近千萬噸；我國(guó)有30萬造船工人，年造船300萬噸排水量，效率相差數(shù)十倍。建設(shè)高速公路用的鋪瀝青設(shè)備，西氣東輸以后需要的燃?xì)廨啓C(jī)，地鐵建設(shè)需要的大型挖掘機(jī)等等許多關(guān)鍵性設(shè)備我國(guó)都不能制造，只能花巨額外匯進(jìn)口。因?yàn)橹圃爝@些設(shè)備都需要性能先進(jìn)的計(jì)算機(jī)的幫助。在當(dāng)今時(shí)代，制造業(yè)僅僅靠拼人力是不行的，一定要靠計(jì)算機(jī)技術(shù)提高產(chǎn)業(yè)水平。6.1.1無處不在的計(jì)算機(jī)——農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

74計(jì)算機(jī)在美國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，最早可追溯至20世紀(jì)50年代初。迄今，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，給美國(guó)帶來了高質(zhì)量、高效率和高效益的農(nóng)場(chǎng)管理、科研和生產(chǎn)；同時(shí)也使作物生產(chǎn)管理自動(dòng)化，農(nóng)田灌溉調(diào)控自動(dòng)化，畜禽生產(chǎn)管理自動(dòng)化，農(nóng)機(jī)管理與產(chǎn)品加工自動(dòng)化，以及農(nóng)業(yè)科研與服務(wù)系統(tǒng)信息化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中包含利用傳感器和網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息的采集、分析和控制。如果沒有計(jì)算機(jī)，這所有的工作都將由人力來完成，不僅效率低下，而且會(huì)影響農(nóng)作物的品質(zhì)。同時(shí)，沒有計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)、冰雹、洪水可能給農(nóng)業(yè)帶來災(zāi)難性的損失。6.1.1無處不在的計(jì)算機(jī)——日常生活

75現(xiàn)代生活的各行各業(yè)都離不開計(jì)算機(jī)：在生物工程中，新興的生物信息工程，DNA基因工程，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，需要計(jì)算機(jī)的支撐；在土木建筑，機(jī)械設(shè)計(jì)，電子開發(fā)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesignCAD）利用計(jì)算機(jī)硬軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，諸如AutoCAD等軟件在工程制圖中被廣泛使用；在行政管理，經(jīng)濟(jì)分析中，諸如SPSS（StatisticalProduct