计算机导论上课课件(第1讲：思考)

1、1课程内容课程内容第第1 1讲讲 计算机如何思考计算机如何思考第第2 2讲讲 计算机如何记忆计算机如何记忆第第3 3讲讲 计算机如何工作计算机如何工作第第4 4讲讲 计算机如何处理信息计算机如何处理信息第第5 5讲讲 计算机如何通信计算机如何通信第第6 6讲讲 计算机的前世今生计算机的前世今生第第7 7讲讲 常用软件的使用常用软件的使用2参考书目参考书目o 使用教材：使用教材：n （美）帕森斯（美）帕森斯, ,（美）奥贾（美）奥贾 著著, , 吕云翔吕云翔, , 傅尔也傅尔也 译译. . 计计算机文化（原书第算机文化（原书第1313版）版）M. M. 机械工业出版社，机械工业出版社，2011.

2、7.2011.7.o 参考书：参考书：n Brookshear J G. Brookshear J G. 计算机科学概论计算机科学概论( (第第1111版版)M. )M. 人民人民邮电出版社邮电出版社., 2011.10., 2011.10n 战德臣，聂兰顺等战德臣，聂兰顺等. . 大学计算机大学计算机计算思维导论计算思维导论M. M. 电子工业出版社电子工业出版社. 2013.7. 2013.7n 吴军吴军. . 浪潮之巅浪潮之巅M. M. 人民邮电出版社人民邮电出版社.2013.7.2013.7第第1 1讲讲 计算机如何思考计算机如何思考本章内容本章内容1.1 1.1 计算机系统及其基本功

3、能计算机系统及其基本功能1.2 1.2 数据和指令的概念数据和指令的概念1.3 CPU1.3 CPU的工作原理的工作原理1.4 1.4 程序和算法的概念程序和算法的概念1.5 1.5 人工智能的概念人工智能的概念卡斯帕罗夫对阵深蓝卡斯帕罗夫对阵深蓝o19961996年年2 2月月1010日，超级电脑深蓝首次挑战国际象棋世界冠军卡斯帕日，超级电脑深蓝首次挑战国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫，但以罗夫，但以2-42-4落败。比赛在落败。比赛在2 2月月1717日结束。日结束。o其后研究小组把深蓝加以改良，其后研究小组把深蓝加以改良，19971997年年5 5月再度挑战卡斯帕罗夫，月再度挑战卡斯帕罗夫，比

4、赛在比赛在5 5月月1111日结束，最终深蓝电脑以日结束，最终深蓝电脑以3.53.52.52.5击败卡斯帕罗夫，成击败卡斯帕罗夫，成为首个在标准比赛时限内击败国际象棋世界冠军的电脑系统。为首个在标准比赛时限内击败国际象棋世界冠军的电脑系统。IBMIBM在比赛后宣布深蓝退役。在比赛后宣布深蓝退役。计算机怎样下棋？计算机怎样下棋？o 明白下棋的规则（存储指令集明白下棋的规则（存储指令集/ /程序）程序）o 表示棋盘和棋子（数据）表示棋盘和棋子（数据）o 知道对方的走棋（输入）知道对方的走棋（输入）o 算出我方的对策（数据处理）算出我方的对策（数据处理）o 告知别人我方如何走棋（输出）告知别人我方如

5、何走棋（输出）o 记住棋局（存储数据）记住棋局（存储数据）1.1 1.1 计算机系统及其基本功能计算机系统及其基本功能计算机系统计算机系统计算机的数据输入设备（键盘）计算机的数据输入设备（键盘）计算机的数据输入设备（鼠标）计算机的数据输入设备（鼠标）其他输入设备其他输入设备穿孔卡片手写板手柄条码扫描器触摸屏姿势感应计算机的输出设备计算机的输出设备3D3D打印机打印机计算机的基本功能计算机的基本功能o 什么是计算机？什么是计算机？n 一种在存储指令集的控制下，接受输一种在存储指令集的控制下，接受输入，处理数据、存储数据，并产生输入，处理数据、存储数据，并产生输出的多用途设备。出的多用途设备。o

6、问题：那个是计算机，那个不是？问题：那个是计算机，那个不是？n 照相机照相机n 电视机电视机n 机器人机器人141.2 1.2 数据和指令的概念数据和指令的概念数据数据o 什么是数据？什么是数据？n那些能够表示某些事实、对象和思想的符号那些能够表示某些事实、对象和思想的符号o 举例：举例：n棋盘棋盘n棋子棋子n走棋动作走棋动作n问题：怎样区分敌方和我方的棋子？问题：怎样区分敌方和我方的棋子？数据的输入与输出数据的输入与输出o 什么是输入？什么是输入？n 送入计算机系统的一切数据送入计算机系统的一切数据o 例如：例如：n 棋子的位置棋子的位置n 键盘上的动作键盘上的动作n 鼠标的动作鼠标的动作n

7、 声音、文字、图像声音、文字、图像数据的输入与输出数据的输入与输出o 什么是输出？什么是输出？n 计算机产生的结果计算机产生的结果o 举例：举例：n 频幕上的文字、符号、图像频幕上的文字、符号、图像n 打印出来的文字、符号、图像打印出来的文字、符号、图像n 发出的声音发出的声音18数据的处理数据的处理o 什么是数据处理？什么是数据处理？n 对输入的数据进行加工处理。对输入的数据进行加工处理。o 举例：举例：n 将对方鼠标点击的棋格转变成棋盘上的位置将对方鼠标点击的棋格转变成棋盘上的位置（1,21,2）n 计算出我方最佳走棋计算出我方最佳走棋o 哪些是数据处理？哪些是数据处理？n 拷贝照片，放大

8、照片，删除照片拷贝照片，放大照片，删除照片数据的存储数据的存储o 什么是数据存储？什么是数据存储？n 将数据保存起来，以便进行加工处理。将数据保存起来，以便进行加工处理。o 数据保存的地点：数据保存的地点：n 内存（大脑）内存（大脑）n 外存（存储器上的文件）（记事本）外存（存储器上的文件）（记事本）o 问题：问题：n 计算机下棋时，要记住那些数据？计算机下棋时，要记住那些数据？n 为什么要记住这些数据？为什么要记住这些数据？20指令指令o 什么是指令？什么是指令？n 计算机的一系列执行步骤。计算机的一系列执行步骤。o 也称为程序或软件。也称为程序或软件。o 举例：举例：开始开始询问对方出棋询

9、问对方出棋针对每个棋子针对每个棋子 针对棋盘上的每个位置针对棋盘上的每个位置 是否允许落子？是否允许落子？ 如果允许，判断是否有危险？如果允许，判断是否有危险？ 如果有危险，换下一个位置；如果有危险，换下一个位置； 如果没有危险，确定我方走棋位置，输出，如果没有危险，确定我方走棋位置，输出， 结束。结束。 如果不允许，换下一个位置，继续判断。如果不允许，换下一个位置，继续判断。如果尚未走棋，换下一个棋子继续判断如果尚未走棋，换下一个棋子继续判断结束结束指令在计算机内的表示形式指令在计算机内的表示形式o 01000100001000100010000100o 100100100010010010

10、01000100o 为什么是这样？为什么是这样？n 因为微处理器是由门电路组成的，也称开关因为微处理器是由门电路组成的，也称开关电路，擅长表示两种状态：电路，擅长表示两种状态：o 开开00o 关关11指令和数据在外观上有差别吗？指令和数据在外观上有差别吗？o 微处理器既需要读指令，也需要读数据。微处理器既需要读指令，也需要读数据。o 指令和数据从外观上没有差别，需要根据当指令和数据从外观上没有差别，需要根据当前的状态和数据的内容判断是指令还是数据，前的状态和数据的内容判断是指令还是数据，以及何种指令。以及何种指令。o 例如：例如：“00000100” “00000100” 既代表指令既代表指令

11、“加加”，也代表数据也代表数据“4”“4”。o 这类计算机称为冯这类计算机称为冯诺依曼结构也称普林斯诺依曼结构也称普林斯顿结构。即将程序指令和数据放在同一个存顿结构。即将程序指令和数据放在同一个存储器的不同物理位置。储器的不同物理位置。 冯冯诺依曼诺依曼19031903年出生，年出生，19211921年至年至19251925年他先后在柏林和苏黎世学习化学，年他先后在柏林和苏黎世学习化学，19261926年获得苏黎世化学工程文凭和布达佩斯数年获得苏黎世化学工程文凭和布达佩斯数学博士证书。学博士证书。19301930年他以客座讲师身份到年他以客座讲师身份到美国普林斯顿大学讲学，次年应聘为普林美国普

12、林斯顿大学讲学，次年应聘为普林斯顿大学教授。斯顿大学教授。 冯冯诺依曼介入诺依曼介入ENIAC的工作是偶然的。冯的工作是偶然的。冯诺依曼到达莫尔学诺依曼到达莫尔学院计算机研究实验室看了研制中的计算机之后，提的第一个问题院计算机研究实验室看了研制中的计算机之后，提的第一个问题就是这台计算机的逻辑装置和结构，而这正是莫克利等人所谓判就是这台计算机的逻辑装置和结构，而这正是莫克利等人所谓判别真正的天才的标志。别真正的天才的标志。 冯冯诺依曼对诺依曼对ENIACENIAC机不足之处进行认真分析，并讨论全新机不足之处进行认真分析，并讨论全新的存储程序的通用计算机方案。当军方要求比的存储程序的通用计算机方

13、案。当军方要求比ENIACENIAC性能更好的性能更好的计算机时，他便提出计算机时，他便提出EDVACEDVAC（埃德瓦克）方案。（埃德瓦克）方案。 1946 1946年年6 6月冯月冯诺依曼与戈德斯坦（诺依曼与戈德斯坦（H.GoldstineH.Goldstine）等发表）等发表了了电子计算机装置逻辑结构初探电子计算机装置逻辑结构初探的论文，成为的论文，成为EDVACEDVAC的设的设计基础。计基础。 19521952年完成了年完成了EDVACEDVAC机的建造工作，并投入运行，用于核机的建造工作，并投入运行，用于核武器的理论计算。武器的理论计算。 EDVACEDVAC是是电子离散变量计算电

14、子离散变量计算机机的缩写。它的主要改进有两的缩写。它的主要改进有两点：一是为了充分发挥电子元点：一是为了充分发挥电子元件的高速性能而采用了二进制；件的高速性能而采用了二进制；二是把指令和数据都存储起来，二是把指令和数据都存储起来，让机器能自动地执行程序。由让机器能自动地执行程序。由于它利用水银延时线作主存，于它利用水银延时线作主存，用磁鼓作辅存，其运算速度比用磁鼓作辅存，其运算速度比ENIACENIAC提高了提高了240240倍。倍。下棋的指令为何与指令的机内形式令有这么下棋的指令为何与指令的机内形式令有这么大的区别？大的区别？o 什么是指令集？什么是指令集？n 每一种微处理器对应的一套预设指

15、令，可以每一种微处理器对应的一套预设指令，可以指挥微处理器完成所有的任务。指挥微处理器完成所有的任务。o 一个复杂的任务可以用一系列基本的指令完成。一个复杂的任务可以用一系列基本的指令完成。o 微处理器的指令都是二进制（微处理器的指令都是二进制（0,10,1）形式的，也）形式的，也称机器指令。称机器指令。o 复杂的任务可以用人们易懂的高级语言编写的复杂的任务可以用人们易懂的高级语言编写的程序表示。程序表示。o 高级语言程序需要高级语言程序需要“翻译翻译”（编译或解释编译或解释）成成微处理器可以理解的机器指令。微处理器可以理解的机器指令。26执行指令的中央处理器（执行指令的中央处理器（CPUCP

16、U）o 什么是什么是CPUCPU？n计算机中处理数据的集成电路（计算机的大脑）。计算机中处理数据的集成电路（计算机的大脑）。o 现代计算机的现代计算机的CPUCPU一般称为微处理器。一般称为微处理器。o 微处理器有类似人的大脑的作用：微处理器有类似人的大脑的作用： n思考（执行指令）思考（执行指令）n记忆（记住指令和数据）记忆（记住指令和数据）注：计算机把大脑的记忆分为两个部分：注：计算机把大脑的记忆分为两个部分：n内存的数据内存的数据n微处理器中的寄存器和缓存微处理器中的寄存器和缓存1.3 CPU1.3 CPU的工作原理的工作原理CPUCPU是计算机的大脑中枢是计算机的大脑中枢CPUCPU是

17、如何工作的？是如何工作的？oCPUCPU是按节拍（时钟周期）工作的。是按节拍（时钟周期）工作的。o例如：例如：n 第第1 1个节拍：发送指令地址到存储器个节拍：发送指令地址到存储器n 第第2 2个节拍：取出存储器中的指令给控制器个节拍：取出存储器中的指令给控制器n 第第3 3个节拍：控制器解释指令码个节拍：控制器解释指令码n 第第4 4个节拍：依据指令码控制相关动作执行个节拍：依据指令码控制相关动作执行o什么是机器周期？什么是机器周期？n CPUCPU执行一条标准指令的时间。执行一条标准指令的时间。举例：举例：1GHz CPU1GHz CPU：1 1秒内执行秒内执行1010亿个周期，约亿个周期

18、，约2.52.5亿条指令。亿条指令。时钟周期与机器周期时钟周期与机器周期CPUCPU怎么知道每个节拍做什么？怎么知道每个节拍做什么？o通过控制器和指令控制通过控制器和指令控制o例如：例如：n 第第1 1步：读取第步：读取第1 1个数据个数据n 第第2 2步：读取第步：读取第2 2个数据个数据n 第第3 3步：把两个数据相乘步：把两个数据相乘n 第第4 4步：把乘积保存起来步：把乘积保存起来计算机如何读取指令？计算机如何读取指令？o 指令和数据放在内存里。指令和数据放在内存里。o 有一个指针指向第有一个指针指向第1 1条指令的存放地址。条指令的存放地址。o CPUCPU根据这个指针，从相应的地址

19、中取出指根据这个指针，从相应的地址中取出指令。令。o 每执行完一个指令，指针会自动加每执行完一个指令，指针会自动加1 1，指向，指向下一条指令的地址。下一条指令的地址。o 如此不断循环，直到指令结束如此不断循环，直到指令结束运算器运算器存储器存储器控制台控制台控制器控制器(1)(1)(3)(3)(10)(10)(5)(5)(2)(2)(4)(4) (6)(6)(1)(1)启动控制器工作启动控制器工作(2)(2)发送第发送第1 1条指令地址条指令地址(3)(3)取出指令并分析指令取出指令并分析指令(4)(4)执行指令：发送操作数执行指令：发送操作数x x所在地址所在地址(5)(5)执行指令：取出

20、操作数执行指令：取出操作数x x(10)(10)执行指令：通知运算器计算执行指令：通知运算器计算a a乘乘x x(11)(11)继续后续指令的取指、执行继续后续指令的取指、执行(6)(6)发送下一条指令地址发送下一条指令地址(7)(7)取出指令并分析指令取出指令并分析指令(8)(8)执行指令：发送操作数执行指令：发送操作数a a所在地址所在地址(9)(9)执行指令：取出操作数执行指令：取出操作数a a(7)(7)(8)(8)(9)(9)指令的执行过程指令的执行过程1.4 1.4 程序和算法的概念程序和算法的概念计算机程序的相关概念计算机程序的相关概念o 程序：计算机执行的命令集合程序：计算机执

21、行的命令集合o 代码：构成程序的语句集合代码：构成程序的语句集合o 源代码：高级语言写成的代码源代码：高级语言写成的代码o 目标代码：源代码经过编译后得到的机器指令集合目标代码：源代码经过编译后得到的机器指令集合o 程序设计（编程）：编写程序程序设计（编程）：编写程序o 编程语言：程序遵循的关键字和语法规范编程语言：程序遵循的关键字和语法规范o 高级语言：人类易于理解的编程语言高级语言：人类易于理解的编程语言o 机器语言：计算机可理解的机器指令机器语言：计算机可理解的机器指令o 计算机软件：完成各种任务的计算机程序的总称计算机软件：完成各种任务的计算机程序的总称o 计算机硬件：组成计算机的电路

22、和器件的总称计算机硬件：组成计算机的电路和器件的总称36编译编译-源程序转换成目标程序源程序转换成目标程序算法的概念算法的概念o 什么是算法？什么是算法？n 解决某个问题的具体步骤。解决某个问题的具体步骤。o 举例：举例：n 如何计算如何计算 1+2+3+91+2+3+9o 算法算法1 1：(1+2)+3)+4)+5)+(1+2)+3)+4)+5)+o 算法算法2 2：1+91+9；2+82+8；3+73+7；o 算法的关键算法的关键n 正确性正确性n 有效性（空间和时间）有效性（空间和时间）38分析一下前面下棋的程序有什么问题？分析一下前面下棋的程序有什么问题？开始开始询问对方出棋询问对方出

23、棋针对每个棋子针对每个棋子 针对棋盘上的每个位置针对棋盘上的每个位置 是否允许落子？是否允许落子？ 如果允许，判断是否有危险？如果允许，判断是否有危险？ 如果有危险，换下一个位置；如果有危险，换下一个位置； 如果没有危险，确定我方走棋位置，输出，结束。如果没有危险，确定我方走棋位置，输出，结束。 如果不允许，换下一个位置，继续判断。如果不允许，换下一个位置，继续判断。如果尚未走棋，换下一个棋子继续判断如果尚未走棋，换下一个棋子继续判断结束结束发现的问题发现的问题-1-11 1）走出的棋虽然是）走出的棋虽然是“合法合法”的，但不是最优的，但不是最优的。的。o如何使算法变得智能？如何使算法变得智能

24、？n 如何计算续着如何计算续着o 半个回合：半个回合：16001600个局面个局面o 2 2个回合：个回合：250250万个局面万个局面o 3 3个回合：个回合：4141亿个局面亿个局面o 4040个回合：个回合：1010128128o 深蓝：深蓝：Alpha-betaAlpha-beta算法，计算算法，计算1010亿个局面亿个局面/ /秒秒,14,14层层（7 7个回合）个回合）40发现的问题发现的问题-2-22 2）没有加入人类的经验）没有加入人类的经验o知识库知识库n 开棋局：通常情况下，一个程序所弈开棋局：通常情况下，一个程序所弈的前的前1515至至2020步都来自开局库，然后才步都来

25、自开局库，然后才真正进入到程序真正进入到程序“思考思考”阶段。阶段。n 残棋局：残棋局：Ken Thompson 80Ken Thompson 80年代期间制年代期间制作了作了4 4子和子和5 5子的残局库，被子的残局库，被“深蓝深蓝” 使用。使用。411.5 1.5 人工智能的概念人工智能的概念人工智能人工智能o 什么是人工智能？什么是人工智能？n计算机具有智能或利用计算机实现智能的理论、方法和技术。计算机具有智能或利用计算机实现智能的理论、方法和技术。o 人工智能的始祖阿兰人工智能的始祖阿兰图灵提出了一种称作图灵试验的图灵提出了一种称作图灵试验的方法，用于测试机器是不是具备人类智能：方法，

26、用于测试机器是不是具备人类智能：n被测试的有一个人，另一个是声称自己有人类智力的机器。测被测试的有一个人，另一个是声称自己有人类智力的机器。测试时，测试人与被测试人是分开的，测试人只有通过一些装置试时，测试人与被测试人是分开的，测试人只有通过一些装置（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题都可以。问过一些问题后，如果测试人能够正确地分出谁是人都可以。问过一些问题后，如果测试人能够正确地分出谁是人谁是机器，那机器就没有通过图灵测试，如果测试人没有分出谁是机器，那机器就没有通过图灵测试，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那这个机器

27、就是有人类智能的。谁是机器谁是人，那这个机器就是有人类智能的。o 目前还没有一台机器能够通过图灵测试，也就是说，计目前还没有一台机器能够通过图灵测试，也就是说，计算机的智力与人类相比还差得远。算机的智力与人类相比还差得远。4343中文屋子问题中文屋子问题 智能的体现是理解，但什么是智能的体现是理解，但什么是“理解理解”？ 如果一个系统通过了图灵测试，那么它是否真如果一个系统通过了图灵测试，那么它是否真正理解了问题？正理解了问题？ 美国哲学家希尔勒提出否定意见美国哲学家希尔勒提出否定意见 希尔勒的中文屋子希尔勒的中文屋子n希尔勒认为：系统按照事先编好的字典和规则去理解故事和回希尔勒认为：系统按照

28、事先编好的字典和规则去理解故事和回答问题，并不是真正理解了故事。答问题，并不是真正理解了故事。n一个完全不懂中文的人在一个屋子里，人们向他提供一些字典一个完全不懂中文的人在一个屋子里，人们向他提供一些字典和规则，然后通过窗口用中文向他提出一些问题，他可以通过和规则，然后通过窗口用中文向他提出一些问题，他可以通过查字典和运用规则来回答这些问题。希尔勒认为：即便是正确查字典和运用规则来回答这些问题。希尔勒认为：即便是正确回答了问题，但他还是不懂中文，也就是说，他还是不懂这些回答了问题，但他还是不懂中文，也就是说，他还是不懂这些中文问题，只是机械地运用字典和规则来回答问题。中文问题，只是机械地运用字典和规则来回答问题。44o 一个笑话（英俄翻译）：一个笑话（英俄翻译）：The spirit is willing but the flesh is week.The spirit is willing but the flesh is week.（心有余而力不足）（心有余而力不足