加州理工学院-计算系统导论 (7)
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《计算科学导论》课件
06
网站测试与部署
对网站进行测试，确保各项功能正常，然后将 网站部署到服务器上。
人工智能应用实战项目
总结词
通过开发一个基于人工智能的应用程序，学生可以掌握 人工智能的基本原理和技术，提高实际应用能力。
选择合适的人工智能技术
根据项目的需求，选择合适的人工智能技术，如机器学 习、深度学习等。
数据收集与标注
20世纪90年代
大数据和云计算技术的出现，为 计算科学带来了新的挑战和机遇
。
20世纪80年代
互联网的兴起，推动了计算机网 络的快速发展。
20世纪70年代
个人计算机的出现，使得计算机 技术更加普及。
计算科学的应用领域
数据科学
涉及数据挖掘、数 据分析、数据可视 化等领域。
软件工程
包括软件开发、软 件测试、软件维护 等领域。
生物信息学与计算生物学
随着基因组学和蛋白质组学等研究的 深入，计算科学将在生命科学领域发 挥越来越重要的作用。
个人如何学习与发展计算科学
基础学科知识
掌握数学、物理、计算机等基础学科知 识，为深入学习计算科学打下坚实基础
。
参加竞赛与项目实践
参加算法竞赛、数据科学竞赛等活动 ，参与开源项目和实际应用开发，提
云计算与虚拟化技术包括云平台架构、虚拟机技术、容器化技术等，这 些技术能够实现资源的动态管理和调度，提高资源利用率，降低运维成
本，同时也为应用程序的开发和部署提供了便利。
云计算与虚拟化技术的发展对于推动企业数字化转型、促进软件产业升 级等方面具有重要意义，同时也为人工智能、大数据等领域的快速发展 提供了基础支撑。
物联网与智能家居
物联网与智能家居是计算科学领域中的 另一前沿技术，它通过互联网连接家居 用品，实现智能化控制和管理，提高生
计算机科学与工程导论
计算机科学与工程导论计算机科学与工程导论是计算机学科的一门基础课程，旨在向学生们介绍计算机科学与工程的基本概念、原理和应用。
本文将从计算机科学和计算机工程两个方面论述导论课程的内容。
一、计算机科学的基本概念与原理1. 计算机科学的发展历程计算机科学作为一门学科，在过去几十年中经历了快速的发展。
从最早的机械计算器，到现代计算机的诞生和普及，计算机科学的发展带动了科技和社会的进步。
2. 计算机系统组成计算机系统由硬件和软件组成。
硬件包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等，而软件包括操作系统、编程语言等。
深入了解计算机系统组成对于理解计算机工作原理和进行计算机系统设计至关重要。
3. 算法与数据结构算法是计算机科学的核心，是解决问题和完成任务的方法和步骤。
好的算法能够提高计算机程序的效率和性能。
而数据结构是组织和存储数据的方式和方法，不同的数据结构适用于不同的问题和场景。
4. 编程语言与程序设计编程语言是计算机与人交流的桥梁，它提供了表示和执行算法的方式。
掌握一门或多门编程语言，能够编写出高效、可靠的程序，并解决实际问题。
二、计算机工程的基本概念与应用1. 计算机体系结构计算机体系结构描述了计算机硬件组件之间的关系和工作原理。
了解计算机体系结构对于理解计算机内部的工作原理和性能优化非常重要。
2. 操作系统与系统软件操作系统是计算机系统的核心软件，它负责管理计算机硬件资源和提供服务。
了解操作系统的工作方式和功能，能够更好地利用计算机资源，提高系统的性能。
3. 网络与通信技术在信息时代，网络与通信技术的重要性不言而喻。
计算机工程的一个重要方向就是网络与通信技术的研究和开发。
了解网络技术，能够构建和管理计算机网络，并实现信息的传输与交流。
4. 数据库与信息管理数据是计算机科学与工程的核心。
数据库技术提供了存储和管理大量数据的方法和工具。
了解数据库的原理和应用，能够有效地组织和管理数据，并实现数据的查询与分析。
计算机科学导论学习课件教学课件PPT
机器
-6-
1、数据处理器
在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理器
计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据 的黑盒
该模型过于宽泛，按照该模型定义，计算器也可以算做 一种计算机
-7-
2、可编程数据处理器
图灵模型是一种适用于通用计算机的模型
该模型增加了额外的元素：程序 程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合 输出数据依赖于两方面因素，即输入数据和程序
-32-
6、操作系统
在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序都 是公用的、通用的。
早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方便 的一种通用管理程序。
现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源的 系统软件。(第7章讨论)
-33-
本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
-18-
2、存储程序的概念
冯.诺依曼模型要求程序必须存储在存储器中，早 期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通 过操作开关或改变配线完成。
现代计算机的存储器主要用来存储程序和数据。程 序和数据都以二进制(0和1的序列)模式存储在存储 器中。
-19-
3、指令的顺序执行
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指令、解释指令、执行指令；指 令按照顺序执行
一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执 行，跳转后仍然会顺序执行。
-20-
本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
-21-
计算机组成
计算机系统由3大部分构成
计算机硬件 数据 计算机软件
-6-
1、数据处理器
在讨论图灵模型之前，将计算机定义为数据处理器
计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据 的黑盒
该模型过于宽泛，按照该模型定义，计算器也可以算做 一种计算机
-7-
2、可编程数据处理器
图灵模型是一种适用于通用计算机的模型
该模型增加了额外的元素：程序 程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合 输出数据依赖于两方面因素，即输入数据和程序
-32-
6、操作系统
在程序设计过程中，有一些指令序列对所有程序都 是公用的、通用的。
早期的操作系统是为程序访问计算机部件提供方便 的一种通用管理程序。
现代操作系统已经成为管理计算机软硬件及资源的 系统软件。(第7章讨论)
-33-
本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
-18-
2、存储程序的概念
冯.诺依曼模型要求程序必须存储在存储器中，早 期的计算机只将数据存储在存储器中，执行程序通 过操作开关或改变配线完成。
现代计算机的存储器主要用来存储程序和数据。程 序和数据都以二进制(0和1的序列)模式存储在存储 器中。
-19-
3、指令的顺序执行
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指令、解释指令、执行指令；指 令按照顺序执行
一条指令可能会请求跳转到前面或后面的某个地方去执 行，跳转后仍然会顺序执行。
-20-
本章内容安排
图灵模型 冯.诺伊曼模型 计算机组成 历史 社会问题和道德问题 计算机科学
-21-
计算机组成
计算机系统由3大部分构成
计算机硬件 数据 计算机软件
加州理工学院-计算系统导论 (30)
b bits block offset
¢ Example: direct-mapped cache with 4 sets
2 bits in set index
Direct-Mapped Cache with 4 Sets
¢ Very fast to map an address to a cache set
CS24: INTRODUCTION TO COMPUTING SYSTEMS
Spring 2013 Lecture 15
LAST TIME
¢ Discussed concepts of locality and stride
Spatial locality: programs tend to access values near values they have already accessed
¢ Each cache set has E cache lines in it…
Need to look up cache line using only the block’s tag The cache set is an associative memory
¢ More complicated to find if a block is in the cache
Need to examine all cache-line tags
Also, tag is larger than in a direct-mapped cache
Valid Tag
Avoid conflict misses by having multiple lines per cache-set
Avoid complicated logic to check tags of many lines
《计算机科学导论课件》
编程与算法
学习编程语言和算法设计，提升解决复杂问题的能 力。
人机交互与用户体验
研究如何设计用户友好的界面和交互体验，提升人 机互动效果。
计算机科学的历史
年代 1936 1971 1990 2004
里程碑 图灵机提出，标志着计算机科学的开始。 发明第一台微处理器，开启了个人计算机时代。 万维网诞生，互联网得以普及。 诞生了Facebook，社交媒体的兴起。
计算机科学的基础知识
1 二进制
计算机使用的数字系统，了解其原理对理解计算机工作方式至关重要。
2 逻辑电路
了解计算机内部的电路以及逻辑门的工作原理。
3 操作系统
学习操作系统的功能和作用，了解计算机的基本操作。
4 编程语言
掌握编程语言的基本概念和语法，能够编写简单的程序。
计算机硬件和软件架构
计算机硬件
掌握常见的排序和搜索算法，提高程序的效 率。
计算机网络和通信技术
计算机网络
学习网络基础知识，如TCP/IP协 议、局域网、广域网等。
网络安全
了解网络安全的重要性和常见的 网络攻击方式，学习保护网络的 方法。
通信技术
掌握无线通信和移动通信的原理 和技术，了解通信协议和网络传 输。
人工智能和机器学习
包括中央处理器、内存、硬盘等各 种硬件组件。
软件架构
设计软件的结构和组织方式，实现 程序的功能和目标。
电路板
控制计算机硬件的电路，使其能够 正常工作。
数据结构和算法
1
数据结构
学习数据的存储方式和组织结构，如数组、
算法复杂性
2
链表和树等。
分析算法的时间和空间复杂性，选择合适的
算法解决问题。
加州理工学院-计算系统导论 (18)
UPDATE OUR ISA AND PROCESSOR
¢ Add a new instruction: BRZ A, Addr (Branch if Zero)
If value in slot A is 0, change Prog Ctr to address Addr
¢ New logic to support this instruction:
¢ Branch Logic:
If opcode is BRZ, and memory A outputs 0, then tell multiplexer to load Addr into the Program Counter.
UPDATED PROCESSOR
¢ With updated processor, can reuse instructions by creating loops in our programs
p = p + b;
1001
a = a >> 1;
1010
b = b << 1;
1011
}
1100
return p;
}
1110
¢ Coding is more complex now!
Need to plan out our loops…
Need to know the addresses to jump to!
Operation
ADD
AB
SUB
AB
NEG
A
BRZ
A Addr
AND
AB
OR
AB
XOR
AB
INV
A
SHL
计算机科学导论.ppt
可见，软件程序和硬件逻辑都是建立在数 学模型基础上的
16
计算机科学的数学理论体系
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
计算机学科需要支撑其它学科的发展：
科学计算、工程计算等工业软件的开发需要物理学知识
物联网、信息物理系统（CSP）需要物理学知识 量子计算需要物理学知识
总之，现代社会要求通才型、交叉型、综合型人才
22
三大科学思维
推动人类文明进步和科技发展的三大科学：
理论科学，实验科学，计算科学
与三大科学相对应的是三大科学思维：
应试教育强调的正是人工智能擅长的，相比之 下人类学生不具有优势
人工智能不擅长的，人类学生也不擅长
如果不改革教育方式，现在的学生在毕业 之时可能面临着被人工智能淘汰的尴尬处 境
31
正确的学习方式
重视写作与表达的训练：
重视实验报告、课程论文等的写作，多读科技论文，学会条 理清楚、逻辑正确地表述一个工作或自己的观点，能流利地 进行口头表达
28
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
数学教学：
应试教育：中小学强调计算、题型和公式套用， 缺少逻辑推理训练；高校数学知识碎片化，仍 是简单套公式应付考试，会解题但往往不会活 用数学工具，如根据实际问题建立数学模型
人工智能：擅长计算，已有Matlab等非常强大 的数学和统计软件工具，计算能力远超人类
数学教育看起来只是一种知识教育，但本质上是一种 素质教育
16
计算机科学的数学理论体系
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
计算机学科需要支撑其它学科的发展：
科学计算、工程计算等工业软件的开发需要物理学知识
物联网、信息物理系统（CSP）需要物理学知识 量子计算需要物理学知识
总之，现代社会要求通才型、交叉型、综合型人才
22
三大科学思维
推动人类文明进步和科技发展的三大科学：
理论科学，实验科学，计算科学
与三大科学相对应的是三大科学思维：
应试教育强调的正是人工智能擅长的，相比之 下人类学生不具有优势
人工智能不擅长的，人类学生也不擅长
如果不改革教育方式，现在的学生在毕业 之时可能面临着被人工智能淘汰的尴尬处 境
31
正确的学习方式
重视写作与表达的训练：
重视实验报告、课程论文等的写作，多读科技论文，学会条 理清楚、逻辑正确地表述一个工作或自己的观点，能流利地 进行口头表达
28
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
数学教学：
应试教育：中小学强调计算、题型和公式套用， 缺少逻辑推理训练；高校数学知识碎片化，仍 是简单套公式应付考试，会解题但往往不会活 用数学工具，如根据实际问题建立数学模型
人工智能：擅长计算，已有Matlab等非常强大 的数学和统计软件工具，计算能力远超人类
数学教育看起来只是一种知识教育，但本质上是一种 素质教育
计导习题答案1
计算机科学与导论-思想与方法习题答案习题一1.1简述计算学科的定义及其根本问题。
答：计算学科是对描述和变换信息的算法过程进行的系统研究，包括理论、分析、设计、效率、实现和应用等。
学科的根本问题是：什么能被（有效地）自动进行。
1.2简述计算学科专业名称的演变。
答：计算学科专业名称主要包括：计算机科学、信息系统、软件工程、计算机工程、和信息技术。
1962年，美国普渡大学开设了最早的“计算机科学”学位课程。
当时，在美国的一些高校还开设有与计算相关的两给学位课程：电子工程和信息系统。
而在我国，早在1956年，就开设了“计算装置与仪器”专业。
20世纪70年代，在美国，“计算机工程”（也被称为“计算机系统工程”）从电子工程学科中脱离出来，成为一个独立的二级学科，并被人们所接受。
随着软件规模及其复杂度的增加，制造可靠软件的困难越来越大，出现了所谓的软件危机；针对这种情况，1968年秋，北大西洋公约组织（NA TO）在当时的联邦德国召开了一次会议，提出了软件工程的概念。
20世纪70年代未、80年代初，在一些计算机科学专业的学位课程中，引入了软件工程的内容，然而，这些内容，只能让学生了解软件工程，却不能使学生明白如何成为一名软件工程师。
于是，人们开始构建单独的软件工程学位课程。
20世纪80年代，英国和澳大利亚，最早开设了“软件工程”这样的学位课程。
20世纪90年代，计算机已成为公司各级人员使用的基本工具，而计算机网络则成为公司信息的中枢，人们相信它有助于提高生产力，而原有的学术学位课程并不能满足社会的需求，于是，在美国等西方国家，不少大学相继开设了“信息系统”、“信息技术”等学位课程。
至此，需要指出的是，即使在美国，5个分支学科（专业）同时在一所大学开设的情况也是不多的，更多的高校仍然是以传统的“计算机科学”为主；在我国，则是以“计算机科学与技术”为主。
1.3简述计算学科主要专业培养的不同。
答：对计算学科五个主要专业的培养侧重点简述如下。
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COMMIT
T2 credits both accounts with a 6% interest payment
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Recall: Three Types of Regions of Memory Local Global
3.Disk: Global memory can read from / flush to disk 4.Log: Assume on stable disk storage- spans both main
memory and disk…
Log is a sequence from main memory -> disk
ACID
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Example- consider two TXNs:
T1: START TRANSACTION UPDATE Accounts SET Amt = Amt + 100 WHERE Name = ‘A’
Starting A
UPDATE Accounts SET Amt = Amt - 100 WHERE Name = ‘B’ COMMIT
T1 transfers $100 from B’s account to A’s account
T2: START TRANSACTION UPDATE Accounts SET Amt = Amt * 1.06
B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $112
Different result than serial T1,T2!
7
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Scheduling examples
Serial schedule T2,T1:
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Concurrency: Isolation & Consistency
• The DBMS must handle concurrency such that…
1. Isolation is maintained: Users must be able to execute each TXN as if they were the only user
• Destroy the midterm!
• Midterm is with CAs.
• We will post on the page how to divide into overflow rooms • Please start posting questions (some very good ones already!) • I promise to be there for final CA
• Trolling: no SQL and bitcoin (OPTIONAL!) bitcoin exchange brought down by lack of consistency?
• Today, we end early for small group feedback… we read every element, and we take it seriously!
Lecture 8
Lecture 8--Continued: Concurrency & Locking
Lecture 8 > Announcements
Announcements
• Scores were quite good overall for homework! We’re excited!
• DBMS handles the details of interleaving various TXNs
ACID
2. Consistency is maintained: TXNs must leave the DB in a consistent state
• DBMS handles the details of enforcing integrity constraints
1.Local: In our model each process in a DBMS has its own local memory, where it stores values that only it “sees”
Main
Memory 1
(RAM)
Disk
24 3
2.Global: Each process can read from / write to shared data in main memory
T1 A += 100 B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $106
Interleaved schedule A:
T1 A += 100
B -= 100
T2
A *= 1.06
B *= 1.06
A $159
B $106
Same resuection 1 > Interleaving & scheduling
“Flushing to disk” = writing to disk.
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Scheduling examples
Serial schedule T1,T2:
Starting A
B
Balance $50 $200
Scheduling examples
Serial schedule T1,T2:
Starting A
B
Balance $50 $200
T1 A += 100 B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $106
Interleaved schedule B:
T1 A += 100
T2 credits both accounts with a 6% interest payment
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Recall: Three Types of Regions of Memory Local Global
3.Disk: Global memory can read from / flush to disk 4.Log: Assume on stable disk storage- spans both main
memory and disk…
Log is a sequence from main memory -> disk
ACID
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Example- consider two TXNs:
T1: START TRANSACTION UPDATE Accounts SET Amt = Amt + 100 WHERE Name = ‘A’
Starting A
UPDATE Accounts SET Amt = Amt - 100 WHERE Name = ‘B’ COMMIT
T1 transfers $100 from B’s account to A’s account
T2: START TRANSACTION UPDATE Accounts SET Amt = Amt * 1.06
B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $112
Different result than serial T1,T2!
7
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Scheduling examples
Serial schedule T2,T1:
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Concurrency: Isolation & Consistency
• The DBMS must handle concurrency such that…
1. Isolation is maintained: Users must be able to execute each TXN as if they were the only user
• Destroy the midterm!
• Midterm is with CAs.
• We will post on the page how to divide into overflow rooms • Please start posting questions (some very good ones already!) • I promise to be there for final CA
• Trolling: no SQL and bitcoin (OPTIONAL!) bitcoin exchange brought down by lack of consistency?
• Today, we end early for small group feedback… we read every element, and we take it seriously!
Lecture 8
Lecture 8--Continued: Concurrency & Locking
Lecture 8 > Announcements
Announcements
• Scores were quite good overall for homework! We’re excited!
• DBMS handles the details of interleaving various TXNs
ACID
2. Consistency is maintained: TXNs must leave the DB in a consistent state
• DBMS handles the details of enforcing integrity constraints
1.Local: In our model each process in a DBMS has its own local memory, where it stores values that only it “sees”
Main
Memory 1
(RAM)
Disk
24 3
2.Global: Each process can read from / write to shared data in main memory
T1 A += 100 B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $106
Interleaved schedule A:
T1 A += 100
B -= 100
T2
A *= 1.06
B *= 1.06
A $159
B $106
Same resuection 1 > Interleaving & scheduling
“Flushing to disk” = writing to disk.
Lecture 8 > Section 1 > Interleaving & scheduling
Scheduling examples
Serial schedule T1,T2:
Starting A
B
Balance $50 $200
Scheduling examples
Serial schedule T1,T2:
Starting A
B
Balance $50 $200
T1 A += 100 B -= 100
T2
A *= 1.06 B *= 1.06
A $159
B $106
Interleaved schedule B:
T1 A += 100