第1章计算思维及计算机基础

1、第第1章章 计算思维与计算机基础计算思维与计算机基础主讲人 姜永生1.1计算思维计算思维1思维的概念思维的概念 思维是思维主体处理信息及意识的活动，是人脑对客观事物间接的和概括的反映。 思维主体可包括自然进化而形成的动物（如人）与将来逐渐发展完善的人工智能产品。 思维活动的对象是信息及意识。 信息是能被思维主体识别的事物现象及表象；意识是思维活动的产物。 意识以信息的形式储存、表现和输出，意识传播的实质是信息传播；意识往往又会成为思维主体进行下一步思维的基础。1.1计算思维计算思维2思维的基本特征思维的基本特征 概括性 是指在大量感性材料的基础上，通过比较、分析、综合，把一类事物共同的特征和规

2、律抽取出来，加以概括，并得出认识。如2只老虎，5辆汽车等。 间接性 是指人们借助一定的媒介和知识经验对客观事物进行间接的认识。思维的间接性，把本无直接关系的现象联系在一起，并揭露出事物的本质。如警察通过罪犯在现场留下的痕迹，推断出罪犯在现场作案时的场景。1.1计算思维计算思维3思维的认知方式思维的认知方式 分析与综合 分析是将事物的属性表征进行分解，分别加以考察的逻辑方法。 综合是在思维中把对象的各个部分或因素结合成为一个统一体加以考察的逻辑方法。 比较与分类 比较是将各种事物的属性表征进行对比，以确定它们之间的相异或相同关系。 分类是根据事物的共同性与差异性进行划分，把具有相同属性的事物归入

3、一类。 1.1计算思维计算思维3思维的思维的认知方式认知方式 归纳与演绎 归纳是从个别性的前提推出一般性的结论，前提与结论之间的联系是或然性的。 演绎是从一般性的前提推出个别性的结论，前提与结论之间的联系是必然性的。 抽象与概括 抽象是将事物的本质属性抽取出来，舍弃事物的非本质属性。 概括是将抽取出来的本质属性综合起来，并推广到同类事物中去的思维方法。1.1计算思维计算思维实证思维实证思维逻辑思维逻辑思维计算思维计算思维4思维的分类思维的分类 根据思维过程中是以日常经验还是以理论、设计构造为指导来划分实证思维以观实证思维以观察和总结（归察和总结（归纳的方式，不纳的方式，不是数学归纳）是数学归纳

4、）自然规律（包自然规律（包括人类社会活括人类社会活动）为特征。动）为特征。逻辑思维是以逻辑思维是以科学的原理、科学的原理、定理、定律等定理、定律等理论为依据，理论为依据，对问题进行分对问题进行分析、判断的思析、判断的思维。维。运用计算机科运用计算机科学的基础概念学的基础概念进行问题求解、进行问题求解、系统设计、以系统设计、以及人类行为理及人类行为理解等涵盖计算解等涵盖计算机科学之广度机科学之广度的思维活动。的思维活动。1.1计算思维计算思维1234计算思维是概念化，不是程序化.计算思维是根本的，不是刻板的技能。计算思维是人的，不是计算机的思维方式。计算思维是数学和工程思维的互补与融合。5. 计

5、算思维的特性计算思维的特性计算思维是思想，不是人造物。51.2计算机基础知识计算机基础知识1.2.1计算机的基本概念计算机的基本概念 计算机（Computer）全称：电子计算机，俗称电脑，是一种具有算术运算和逻辑判断能力，并能通过预先编好的程序来自动完成海量数据加工处理的现代化智能电子设备。1.2.2 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 1. 世界上第一台电子计算机叫埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机，ENIAC），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。1.2计算机基础知识计算机基础知识2.计算机产生的理论

6、奠基计算机产生的理论奠基 论可计算数在判定问题中的应用 冯诺依曼体系结构设计思想 计算机硬件体系：计算机硬件体系是由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 采用二进制：二进制编码是计算机唯一能够直接识别的语言。二进制电路简单、可靠且具有很强的逻辑功能. 存储程序思想：指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中，让计算机能自动执行程序指令和数据。1.2计算机基础知识计算机基础知识3.计算机的计算机的发展发展 代 年份电子元器件数据处理方法运算速度应用领域119461957 电子管汇编语言、代码程序5千3万次/秒 国防及高科技219581964 晶体管高级程序语言数十万几百万次/

7、秒工程设计、数据处理319651971 集成电路结构化、模块化程序设计、实时处理数百万几千万次/秒工业控制、数据处理41971至今大规模超大规模集成电路分时、实时数据处理、计算机网络上亿条指令/秒工业、生活等各方面1.2计算机基础知识计算机基础知识3.微型微型计算机的计算机的发展阶段发展阶段 代年份字长代表性处理器芯片1197119734位8位Intel4004、80082197419778位Intel808031978198516位Intel80386、8048641986200032位Pentium及Pentium Pro52000至今64位Intel Itanium（安腾），AMD At

8、hlon 64（速龙）量子计算机量子计算机分子计算机分子计算机神经计算机神经计算机生物计算机生物计算机纳米计算机纳米计算机光子计算机光子计算机1.2计算机基础知识计算机基础知识4.计算机计算机未来发展方向未来发展方向1.2.3数据与信息数据与信息 数据（data） 是载荷或记录信息的、按一定规则排列组合的物理符号。数据可以是数字、文字、图像，也可以是计算机代码。 信息（Information） 是数据的内在与解释，是数据中有意义的内容，是以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知识或消息。 在计算机系统中，各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像、视频等统称为数据，数据经过加工后就成为信息。

9、1.2计算机基础知识计算机基础知识1.数据存储单位数据存储单位 位 计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一位（bit）。位是计算机中最小的信息单位，通常用bit或b表示。 字节 在对二进制数据进行存储时，以8位二进制代码为一个单元存放在一起，称为一个字节，用Byte表示。数据的基本单位是字节.1KB=210B=1024B 1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB 1TB=210GB=1024GB 1.2.3数据与信息数据与信息二进制二进制八进制八进制十进制十进制十六进制十六进制2.数制及相互转换数制及相互转换进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二

10、进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16数码0，10，1，70，1，90，1，7，A，F位权2i8i10i16i标识B（Binary）O（Octal） D（Decimal） H（Hexadecimal）1.2.3数据与信息数据与信息步骤步骤1步骤步骤2步骤步骤3步骤步骤4选择选择“开开始始”“所所有程有程序序”“附附件件”“计计算器算器”命令，命令，启动计算器。启动计算器。计算器中，计算器中，选择选择“查查看看”“程程序员序员”命令命令（XP中为中为“查查看看”“科科学型学型”）。）。选择数制如选择数制如十进制，输十进制，输入要转换的入要转换的数字如数字如5566选择转换

11、数选择转换数制如十六进制如十六进制，得到转制，得到转换结果如换结果如15BE3.使用使用“计算器计算器”转换数制转换数制1.2.3数据与信息数据与信息使用使用WIN7的的“计算器计算器”转换数制转换数制1.2.3数据与信息数据与信息常见的信息编码常见的信息编码BCD码码汉字编码汉字编码ASCII码码Unicode编码编码4.常见的信息编码常见的信息编码1.2.4 计算机的特点与分类计算机的特点与分类计算机的分类计算机的分类微型机微型机PC大型机大型机小型小型计算机计算机巨型机巨型机计算机的特点计算机的特点速度快速度快精度高精度高连续自连续自动执行动执行逻辑判逻辑判断能力断能力通用性通用性强强1

12、.2.5计算机的应用领域计算机的应用领域 科学计算科学计算 信息管理信息管理 过程控制过程控制 计算机辅助系统计算机辅助系统 计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM 计算机辅助教育CBE 人工智能人工智能 多媒体应用多媒体应用 计算机网络计算机网络 1.3计算机系统组成计算机系统组成1.2.5计算机的应用领域计算机的应用领域 科学计算科学计算 信息管理信息管理 过程控制过程控制 计算机辅助系统计算机辅助系统 计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM 计算机辅助教育（CBE） 人工智能人工智能 多媒体应用多媒体应用 计算机网络计算机网络 1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统指令指令寄存

13、器寄存器程序程序计数器计数器指令指令译码器译码器操作操作控制器控制器用于保存用于保存当前执行当前执行或即将执或即将执行的指令行的指令.指明程序指明程序中下一次中下一次要执行指要执行指令地址的令地址的一种计数一种计数器器.将输入二进将输入二进制代码的状制代码的状态翻译成输态翻译成输出信号，以出信号，以表示其原来表示其原来含义的电路含义的电路各寄存器各寄存器之间建立之间建立数据通路数据通路 计算机硬件（Computer Hardware）是指构成计算机系统的电子、机械和光电元件等各种物理设备。1.控制器控制器-读取指令、分析指令和执行指令1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统算术逻算术逻辑单元辑

14、单元累加器累加器状态状态寄存器寄存器通用通用寄存器寄存器 算术逻辑运算单元的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。运算器与控制器共同组成了运算器与控制器共同组成了CPU的核心部分。的核心部分。2.运算器 又称算术逻辑部件（Arithmetic and Logic Unit，ALU），是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件。1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器按工作方式不同随机存储器（Random Access Memory，RAM）只读存储器（Read Only Memory，ROM）硬盘，软盘，磁带，CD、

15、U盘3.存储器存储器 存储器可接收计算机内的信息（数据和程序），存储起来，并可根据命令读取已保存的信息。存储器按功能、用途可分为主存储器和辅助存储器，1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器主存储器特点是速度快，价格贵，容量小，断电后内存内数据会丢失。 辅助存储器特点是价格低，容量大，速度慢，断电后数据不会丢失。3.存储器存储器 主存储器和辅助储器的区别1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统4.输入设备输入设备 输入设备（Input Device）是人或外部事物与计算机进行交互的部件，用于数据的输入.鼠标鼠标键盘键盘扫描仪扫描仪麦克风麦克风一种手持式屏幕坐

16、标定位设备机械式光电式由一组开关矩阵组成，包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键利用光电扫描将图像转换成像素数据输入到计算机的输入设备将声波转换为数字音频信号的输入设备1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统5.输出设备输出设备 将各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来的设备显示器显示器打印机打印机音箱音箱光驱光驱阴极射线管显示器、液晶显示器、等离子显示器按印字方式可分为击打式和非击打式两类将数字音频信号转换为模拟信号将硬盘数据刻录到光盘1.3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统6.总线总线 指计算机内部数据传输的公共通道，是一条供各部件共享的通信链路。一次能够在总线上

17、同时传输信息的二进制位数被称为总线宽度。地址总线地址总线AB数据总线数据总线DB控制总线控制总线CB用于传送地址用于传送地址信息，信息，CPU通通过地址总线中过地址总线中传送的地址信传送的地址信息访问存储器息访问存储器用于传送数据用于传送数据信息，主要连信息，主要连接接CPU与各个与各个部件，是它们部件，是它们之间交换信息之间交换信息的通路的通路用于传送控制用于传送控制信号，以协调信号，以协调各部件之间的各部件之间的操作操作1.3.2 计算机软件系统计算机软件系统软件系统可分为系统软件和应用软件两大类6.系统软件系统软件 系统软件指控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的软件系统，

18、是无需用户干预的各种程序的集合。操作系统操作系统OS语言处语言处理程序理程序服务程序服务程序数据库数据库管理系统管理系统管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序集合。人与计算机交流信息使用的语言为用户使用和维护计算机提供服务的程序对数据库进行加工、管理的系统软件1.3.2 计算机软件系统计算机软件系统语言处理系统语言处理系统 机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言用二进制序列编写的程序称为机器语言程序，是计算机唯一能直接识别并执行的低级语言采用指令的助记符、符号地址、标号等符号书写程序，以代替机器语言的操作码。高级语言的特点是接近于人类的自然语言和数学语言，C+、Java、C

19、OBOL、Visual Basic1.3.2 计算机软件系统计算机软件系统2.应用软件应用软件 为解决各类实际问题而设计的程序系统称为应用软件。 它可以是一个特定的程序，如一个图像浏览器；也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程序的集合，如微软的Office软件；还可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统，如学校的教务管理等数据管理系统。1.3.3 计算机的主要技术指标计算机的主要技术指标1.字长字长 是指CPU中每个字所包含的二进制代码的位数，即计算机一次能同时接纳和处理数据的位数。2.时钟频率时钟频率 又称主频，是指CPU内部晶振的频率，即CPU每秒钟平均运行的次数, 单位是MHz。

20、3.运算速度运算速度 指每秒钟计算机能执行指令的条数，单位MIPS.4.内存容量内存容量5.存储周期存储周期 指存储器完成一次读取或写入操作所需的时间6. RAS技术技术 可靠性、可维护性、可使用性。1.3.4 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理提取提取解码解码执行执行写回写回CPU从存储器或高速缓冲存储器中检索指令CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为解码后的指令将连接到各种运算所需的CPU部件，运行指令运算结果写进存储器，或写进CPU内部的寄存器，以供随后指令快速读取CPU的运作原理可分为四个阶段1.4 微型计算机的硬件系统组成微型计算机的硬件系统组成 微型计算机是以微处理器为

21、核心，添加存储器及可编程接口芯片，连接外设（包括键盘、显示器、打印机和软驱、光驱等外部存储器）及电源所组成的计算机。 微型计算机简称微型机或微机，PCPersonal Computer或MC（Micro computer）。微型计算机安装软件系统后，就构成了微型计算机系统。1.4.1 主板主板 主板是电脑中各个部件连接与工作的平台，各个部件通过主板进行数据传输.1.4.1 主板主板BIOS芯片芯片北桥芯片北桥芯片南桥芯片南桥芯片1. 接口与接口与芯片片(1)芯片片基本输入基本输入/输出系输出系统，是一组固化统，是一组固化在在ROM芯片中的芯片中的程序，包含基本程序，包含基本的输入的输入/输出程

22、序、输出程序、系统设置信息、系统设置信息、开机自检程序和开机自检程序和系统启动自检程系统启动自检程序等序等负责与负责与CPU联联系，并控制内系，并控制内存、存、AGP、PCI数据在北数据在北桥内传输桥内传输负责负责I/O设备设备接口控制、接口控制、IDE设备控制设备控制以及高级能以及高级能源管理源管理1.4.1 主板主板1. 接口与接口与芯片片(2)内置接口/插槽CPU插槽：CPU和主板相连接的接口。内存插槽：内存条板和主板的接口。有SD、 DDR1、DDR2、DDR3等类型。总线扩展槽：诸如显卡、声卡和网卡等设备与 主板的接口，有AGP插槽与PCI、PCI-E x1、 PCI-E x16插槽

23、。驱动器接口：通常有IDE、SATA、SATA II、 SATA III接口主板电源插座：为主板提供电能。1.4.1 主板主板USB接口接口PS/2接口接口HDMI接口接口1. 接口与接口与芯片片(3)外置输入/输出接口通用串行总线通用串行总线，是连接外部装是连接外部装置的一个串行置的一个串行总线标准总线标准。支支持热拔插持热拔插用于连接鼠标和键盘的专用接口，属于串行接口。不支持热拔插，采用9针头或25针头接口高清晰度多媒体接口，数字化视频/音频接口技术。最高数据传输速度为5Gbps1.4.1 主板主板ATXMicro ATXBTX2.主板架构主板架构 指对主板的大小、形状、各元件的布局和所使

24、用的电源规格等制定出的通用标准。是目前最见的主板架构，扩展槽较多，数量为46个又称小板又称小板，扩展插槽在扩展插槽在3个或以下个或以下Intel公司制定的新一代主板架构 若CPU、北桥芯片、南桥蕊片和机箱后部的接口基本在一条线的就是BTX1.4.2 CPU CPU是一台计算机的运算核心和控制核心。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。1.4.2 CPU1. CPU的主要性能指标的主要性能指标（1）主频（2）外频：外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，即系统的时钟频率，单位是MHz。目前CPU的外频已达到400MHz。（3）前端总线频率：FSB是指CPU与北桥芯片之间的数据传

25、输总线。（4）倍频系数：倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系（倍数关系）。（5）缓存：位于CPU与内存之间的高速存储器。一级缓存（L1 Cache）分数据缓存和指令缓存二级缓存（L2 Cache）分内部和外部三级缓存（L3 Cache）1.4.2 CPU1. CPU的主要性能指标的主要性能指标（6）CPU扩展指令集 指令集可分为复杂指令集和精简指令集。 MMX包含有57条命令，SSE包含有50条命令，SSE2包含有144条命令，SSE3指令集是目前规模最小的指令集包含有13条命令。（7）制造工艺与核心数量 制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势向密集度高方向发展

26、。32nm、22nm的线宽。 核心数量：即在一个处理器中集成多个功能相同的处理器核心，以提高性能。单核、双核、4核1.4.2 CPUIntel系列系列AMD系列系列龙芯龙芯系列系列奔腾（Pentium）赛扬（Celeron）酷睿（Core）三大系列。皓龙（Opteron）、速龙（Athlon64）闪龙（TM）（Sempron64）龙芯（Loongson，旧称Godson），是中国科学院计算机所自主研发的通用CPU。龙芯3号将会有单核、四核、16核2.CPU产品产品1.4.3 内存内存 内存（RAM），是CPU能够直接访问的存储器，CPU通过数据总线对内存寻址。 RAM主要性能指标有：存储容量与存取速度。 存储容量越大，计算机存储的信息越多。 存取时间以纳秒（ns）为单位，1ns等于10-9秒。数字越小，表明存取速度越快。目前容量最高可达8GB，存取速度达2000MHz。 型号：SD、DDR、DDR2、DDR31.4.4外部存储器外部存储器硬盘硬盘光盘光盘