计算机科学概论 

Computer science illuminated 

历史比较悠久的学科有数学,哲学,物理学
二十世纪五六十年代产生了一门新的学科：计算机科学

研究内容分为两大类  系统领域和应用领域
系统领域 硬件和软件构成直接相关的领域
如计算机体系结构，计算机网络，操作系统，算法，程序设计语言和软件工程

应用领域 与计算机使用相关的领域，如数据库和人工智能


体系结构

布尔代数 数字电路 计算机
布尔代数 1847年英国数学家乔治·布尔发明
传统数学运算 加减乘除操作
布尔代数 运算  AND(与) OR(或) NOT(非)

0和1， 0代表假，1代表真，0 AND 0 = 0，0 OR 1 = 1

1938年21岁 香农 硕士论文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》（继电器与开关电路的符号分析）
1948年香农发表 《A Mathematical Theory of Communication 》（通讯的数学原理）的论文，
创造了信息论，奠定了通信原理的理论基础，他提出将一切信号都用0和1进行编码

1948年还有项重要发明-晶体管，晶体管终结了电子管，大大缩小了计算机的体积和开支

1936年 24岁 图灵 
《On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem》（论数字计算在决断难题中的应用） 
论文中提出一种计算装置，后被称为“图灵机”，
图灵机是一种抽象计算模型，将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器进行数学运算

1946年 冯诺依曼在香农和图灵的理论基础之上提出了冯.诺依曼计算机体系结构，并制造出世界上第一台通用计算机 ENIAC

冯·诺依曼对图灵机模型进行了改进，提出存储程序原理，程序和数据有相同的逻辑都是二进制数,
所以他把程序本身也当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，
冯.诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多计算机仍是冯.诺依曼计算机的组织结构，只是作了一些改进而已。

冯诺依曼体系结构五大部件 
输入设备 输出设备 存储器 运算器 控制器
数据流 指令流 控制流

存储器用来存放数据和程序
运算器主要运行算数运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到寄存器中
控制器主要用来控制和指挥程序和数据的输入运行，以及处理运算结果
输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式
常见的有键盘，鼠标等，输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等。

计算机的每条程序指令使用一个指令周期，
如一个程序有5条指令，就有5个指令周期
每个周期通常有3个步骤组成：取指，译码，执行


算法
程序=算法+数据结构
算法是分步骤解决问题或完成任务的的方法，它接受一组输入数据并在有限时间内获得所要求的输出
算法的优劣 用时间复杂度和空间复杂度来衡量

顺序查找 时间复杂度 O(n)
二分查找 时间复杂度 O(log2n)

常见的算法  查找 排序 加密 图算法 字符串查找等


程序设计语言
机器语言
汇编语言 助记符 一条机器指令与一条方便记忆的汇编符号对应，通过汇编器把汇编语言翻译成机器指令
高级语言 编译器把高级语言翻译成机器语言

编译器开发需要熟悉编译理论 熟悉汇编，熟悉各种CPU的体系结构，熟悉CPU众多的指令集


操作系统
进程管理 内存管理 文件管理 设备管理


计算机网络
因特网
tcp/ip协议  
应用层 传输层 网络层 链路层 物理层


数据库

数据模型  
关系模型
关系模型的理论基础是关系代数，主要包括选择，投影，连接等操作


软件工程

软件工程主要研究大型复杂软件系统的开发原则，解决大型软件开发中可能遇到的问题
工期长 需求变化 人员变动
软件工程的目标就是解决这些问题，保证在给定成本、进度的前提下，
开发出具有可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性并且满足用户需求的软件产品


人工智能/图形学

人工智能(Artificical Intelligence)
使用计算机来模拟人的思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）
人工智能应用广泛，如语音识别，机器翻译，人脸识别，机器博弈，智能汽车等

计算机视觉(Computer Vision)
人工智能的一个分支，输入的是相机拍摄的图片或视频文件，输出的是计算机对图像的理解，如人脸识别等

计算机图形学(Computer Graphics)
输入的是对图像的描述，如一个圆形的圆心坐标，半径，圆的颜色，输出的是图像即二维像素数组，应用的领域有游戏制作，电影特效制作等

数字图像处理(Digital Image Processing)
输入的是图像，输出的也是图像，典型应用 Photoshop图像处理

对数学知识要求比较搞，如高等数学，线性代数，概率论与数理统计