《信息技术与人工智能》课件-模块1：计算机基础-初识数字世界

计算机基础--初识数字世界开启数字时代的大门主讲人XXX1.1计算机概述1.2计算机工作原理目录CONTENTS知识目标能力目标素质目标

了解计算机的基本定义和特点。

掌握计算机的发展历史。

了解我国计算机发展历程。

熟悉计算机的分类和应用场景。

了解计算机系统的整体组成结构。

掌握计算机硬件系统的各个组成部分及其功能。

掌握信息的表示与存储方式，包括二进制、数据编码等。

能辨识计算机主要部件

能使用计算器进行数制转换

能根据主要性能指标选购计算机

培养认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。

了解我国在计算机领域的成就和贡献，培养爱国情怀和民族自豪感。

认识到计算机技术在社会发展中的重要作用，培养科技强国意识。教学目标章节概述

计算机是20世纪最伟大的发明之一，极大推动了社会信息化进程。它使信息处理更加高效便捷，促进了全球信息共享；为科研提供强大工具，加速科技创新；提升工农业生产力和商业效率，创造巨大经济效益；同时深刻改变人们的生活方式，实现远程办公、在线学习和数字娱乐。作为现代社会的核心基础设施，计算机技术持续推动各领域发展。

本章将系统介绍计算机的基础概念，从定义特点、发展历程到系统组成，重点解析计算机硬件组成和信息存储原理，学习使用计算器进行数制转换等内容，为后续专业学习奠定理论基础。

1.1计算机概述1.1计算机概述思考：什么是计算机？1.1.1计算机的定义1.1.1计算机的定义计算机（Computer）是基于存储程序原理，能够自动、高速执行算术和逻辑运算的电子设备，其全称为通用电子数字计算机（General-PurposeElectronicDigitalComputer）。计算机通过接收输入数据，经过内部存储、处理和输出，完成复杂的分析、计算和处理，大幅提升生产和工作效率。计算机的特点有：213能按事先存储的程序工作，程序由一系列指令组成，用户可通过编写或修改程序改变计算机行为和功能。具有高度自动化和高速处理能力，程序输入启动后能自动执行任务，且能在极短时间内完成大量计算和数据处理。核心功能是处理数据，既能进行数值计算，也能进行文本、图像、音频等各类信息处理，在各领域广泛应用，在科研中作用重大，推动了人工智能、机器学习、量子计算等前沿技术发展。程序控制自动高速数值计算和信息处理1.1.1计算机的定义1.1.2计算机的发展历史代次所用电子元件运算速度（次/秒）特点应用领域第一代（1946—1958年）电子管数千次至数万次第一代计算机没有现代意义上的操作系统，但存在一些简单的监控程序或管理程序用于管理硬件资源等，不过这些程序功能非常有限，不能算作完整的操作系统。军事研究和科学计算第二代（1959-1964年）晶体管数万至数十万操作系统处于雏形阶段，功能相对简单，主要是对内存、作业等进行简单管理，和现代操作系统有很大区别。科学计算、工程计算第三代（1965-1970年）中小规模集成电路数百万至数千万操作系统开始具备更多功能，如多道程序设计、分时系统等特性开始出现；应用程序也开始向多样化、专业化发展。开始广泛应用科学计算和事务处理第四代（1970年至今）大规模和超大规模集成电路上亿以上操作系统在功能、用户界面、安全性等方面有了极大提升，应用程序涵盖了各个领域，且不断向智能化、网络化方向发展。办公自动化、工业自动化、电子商务等各方面1.1.2计算机的发展历史

第一代计算机ENIAC1、第一代计算机核心元件：电子管2、世界首台通用电子计算机-ENIAC（1946）-诞生背景：由美国宾夕法尼亚大学研制，用于二战时期的弹道计算-重30吨，需6人操作-体积：占地170平方米，重30吨，含17,468个电子管-性能：每秒5,000次加法运算，比人工计算快8,400倍-历史意义：标志电子计算机时代的开端，为现代计算机体系奠基

电子管第一代计算机——电子管计算机（1946—1958年）1.1.2计算机的发展历史第二代计算机——晶体管计算机（1959-1964年）

第二代计算机TRADIC1、第二代计算机核心元件：晶体管2、晶体管性能比电子管提升：

-造价便宜

-体积缩小80%-功耗降低90%-速度突破30万次/秒

2、世界首台全晶体管计算机--TRADIC（1954）-美国贝尔实验室1954年研发-应用于军事航空领域

电子管1.1.2计算机的发展历史

第三代计算机IBMSystem3601、第三代计算机核心元件：中小规模集成电路2、中小规模集成电路特点：

-单芯片集成百个晶体管

-运算速度飞跃：每秒数百万次至数千万次

3、IBMSystem360计算机

-具备现代操作系统

-实现文件管理、进程管理、内存管理等功能

-应用场景：

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阿波罗登月计划

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全球首套ATM系统✅航空在线票务系统

中小规模集成电路第三代计算机——中小规模集成电路计算机（1965-1970年）1.1.2计算机的发展历史

1、第四代计算机核心元件：大规模和超大规模集成电路2、大规模和超大规模集成电路：-单个芯片上可以集成数以千计的逻辑门和功能模块-运算速度极快，每秒能进行几百亿次以上的加法运算-操作系统界面友好，如Windows、macOS、Unix、Linux等3、第四代计算机四化趋势：

-巨型化（超级运算能力）-微型化（体积微型，更便携）-网络化（网络互联）-智能化（人工智能）

大规模和超大规模集成电路第四代计算机——大规模和超大规模集成电路计算机（1970年至今）

第四代计算机1.1.3我国计算机发展历程

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技术突破-1958年研发我国首台电子管计算机“103”机

-4000个半导体锗二极管和800个电子管元件组成

-磁鼓存储1KB📊

性能参数

-速度：3000次/秒

-体积：占地40㎡

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历史意义

-1959年104机速度提升至每秒1万次

-打破西方技术封锁

电子管计算机阶段（1950年代至1960年代）我国首台电子管计算机“103机”1.1.3我国计算机发展历程

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国际坐标

同期美国已进入中小规模集成电路时代（IBMSystem/360）🔧

技术跨越

-109机速度达11.5万次/秒

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产业价值-应用于“两弹一星”弹道计算-被科学家誉为“功勋计算机”晶体管计算机阶段（1960年代至1970年代）晶体管计算机“109丙机”1.1.3我国计算机发展历程

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国际坐标

-比美国晚12年（IBM360于1964年研发）

-速度追平同期国际水平

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两大里程碑

-150机（1973年研发）

首台百万次机

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标志着中国进入中小规模集成电路计算机时代-DJS-130（1974研发）

清华大学牵头设计

|首款量产小型通用数字计算机

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产业进化

-实现系列化生产

中小规模集成电路计算机阶段（1970年代至1980年代）中小规模集成电路计算机“DJS-130”1.1.3我国计算机发展历程

大规模和超大规模集成电路计算机阶段（1980年代至今）中国超级计算机“银河-I”🚀

中国超级计算机“银河-I”（1983年）-运算速度达到1亿次/秒-成为全球第三个具备巨型机研制能力的国家

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中国超级计算机三个发展阶段

-银河系列（亿次级）→

天河/神威系列（千万亿次）→E级超算（百亿亿次）

1.1.4计算机的分类按功能分类通用计算机：家用/商用PC（如办公、娱乐）专用计算机：工业控制器、ATM机、医疗影像设备按规模分类巨型机（超算）：气候模拟、核能研究微型机（PC）：台式机、笔记本、平板其他分类服务器、工作站、嵌入式计算机（如智能家电）1.2计算机工作原理1.2.1计算机系统组成计算机系统由硬件系统和软件系统两大核心部分组成。计算机系统由硬件系统和软件系统两大核心部分组成。一台计算机如果只有硬件系统（通常称之为“裸机”），将无法正常运行和执行各种复杂的任务。硬件系统和软件系统相互依存，共同组成计算机系统，确保计算机能够正常运行和执行计算机系统组成1.2.1计算机系统组成硬件系统指的是计算机系统的物理组成部分，包括所有可以触摸的设备。它是有形的，由金属、塑料、硅等物理材料构成。常见的硬件组件包括中央处理器（CPU）、内存储器（常见的有随机存取存储器RAM和只读存储器ROM等）、输入设备（如键盘）、输出设备（如显示器、打印机）等。1、硬件系统

软件系统软件系统是无形的，是计算机系统中的程序和指令集合，它存在于计算机的内存或存储设备上，以数字形式存在，指导硬件如何执行各种任务。软件系统包括系统软件和应用软件，常见的软件包括操作系统（如Windows、macOS）、应用软件（如办公软件、图像处理软件）。2、软件系统1.2.2计算机硬件系统计算机硬件系统是指构成计算机的物理设备，由机械、光、电、磁器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。计算机硬件系统主要由五大基本部件组成，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器是其最核心部分，合称为中央处理器（CPU）。计算机硬件系统的组成1.2.2计算机硬件系统1、中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）是超大规模集成电路，堪称计算机硬件系统的“核心大脑”。它负责解释执行指令、处理数据运算，无论是简单的算术、逻辑运算，还是复杂的程序运行，都离不开它。CPU的速度和性能直接决定计算机的整体处理能力，高速高性能的CPU能让计算机响应更快、性能更优；反之，低速低性能的CPU会使计算机运行迟缓、效率降低。国外知名的CPU制造商有英特尔（Intel）和AMD。我国自主研发的CPU品牌有龙芯、鲲鹏、申威。1.2.2计算机硬件系统2、存储器存储器是计算机系统中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机中的所有信息（原始数据、程序、中间结果、最终结果）都依赖存储器保存。按在系统中的角色和性能，主要分为主存储器和辅助存储器。(1)主存储器（内存）功能：

用于临时存储CPU正在运行的程序和需要处理的数据。访问速度快，可与CPU直接交换数据。核心构成：

主要由动态随机存取存储器（DRAM）

构成。物理形态：

通常以内存条的形式安装在主板插槽上。关键特性：易失性：

断电后存储的数据会丢失。速度：

比辅助存储器快得多，但比CPU缓存慢。容量：

有限（相对于外存），是影响多任务和大型程序运行流畅度的重要因素。内存条1.2.2计算机硬件系统2、存储器(2)辅助存储器（外存）功能：

用于长期存储系统程序、应用程序、大型数据文件及数据库。存储容量巨大。特性：非易失性：

断电后数据不会丢失。速度：

比主存储器慢得多。常见类型：固态硬盘（SSD）

：采用闪存芯片，具有极高的读写速度、抗震性强、体积小、功耗低，是当前主流选择。硬盘驱动器（HDD）：传统机械硬盘，容量大成本低，速度相对较慢。光盘（CD/DVD/Blu-ray）：用于数据分发和备份。U盘/闪存驱动器：便携式存储。存储卡（SD,microSD等）：常用于移动设备、相机。固态硬盘（SSD）1.2.2计算机硬件系统2、存储器计算机系统中还存在ROM（只读存储器），独立于主存/外存体系，是硬件初始化的核心载体，主要用于存储固件（如BIOS/UEFI启动程序），正常运行时只读，断电不丢失数据。1.2.2计算机硬件系统3、输入设备输入设备是用户或外部环境与计算机交互的装置，用于将数据、程序或指令送入计算机。常见输入设备包括：(1)键盘：

最基础的设备，输入字符、数字和命令。(2)鼠标/触摸板：

控制屏幕光标定位和选择。(3)触摸屏：

直接在显示屏幕上触控操作。(4)扫描仪：

将纸质文档或图像转换为数字文件。(5)摄像头：

捕捉静态图像或动态视频。(6)麦克风：

录入声音信号。(7)游戏控制器：

如游戏手柄、操纵杆，用于游戏操作。(8)其他：

手写板、轨迹球、条码阅读器、生物识别设备（指纹仪）等。1.2.2计算机硬件系统4、输出设备输出设备负责将计算机处理后的信息转换为人或其它设备可感知的形式。主要输出设备有：(1)显示器：

最常用设备，显示文本、图形、图像、视频等信息。主流类型为液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器。(2)打印机：

将数字信息输出到纸张等介质上。常见类型有喷墨打印机、激光打印机。(3)音频输出设备：

如扬声器、耳机，将数字音频信号转换为声音。(4)投影仪：

将计算机画面投射到大屏幕上，用于演示等场合。(5)其他：

绘图仪（专业绘图）、网络接口（数据输出到网络）、外部存储接口（数据输出到存储设备）等。1.2.2计算机硬件系统5、其他关键组件(1)主板：

计算机的“骨架”和“神经系统”，是一块大型印刷电路板，集成了CPU插座、内存插槽、扩展槽、存储接口、各种I/O接口（USB,网络，音频）以及芯片组等。所有核心硬件通过主板连接和通信。(2)电源：

将交流市电转换为计算机内部各部件所需的稳定直流电，为整个系统提供动力。(3)散热系统：

包括CPU散热器（风扇/液冷）、机箱风扇、显卡散热器等，用于散发电子元件工作时产生的热量，防止过热损坏硬件，确保系统稳定运行。1.2.3计算机软件系统1、系统软件计算机软件系统是指为实现某种功能或解决特定问题而设计的一系列程序、数据和文档的集合。它是计算机硬件与用户之间的桥梁，为用户提供友好、高效的操作界面，使得用户可以轻松地完成各种复杂的计算和信息处理任务。计算机软件系统通常分为两大类：系统软件和应用软件。定位：计算机运行的基础，管理硬件资源（CPU/内存/存储/外设）。核心组件：操作系统（Windows/Linux/macOS），实现资源调度、文件管理、用户交互功能。1.2.3计算机软件系统2、应用软件定位：满足用户特定领域需求的软件，基于系统软件运行。主要类型：(1)办公软件：WPSOffice（国产）、MicrosoftOffice。(2)图像处理软件：Photoshop（位图编辑）、Illustrator（矢量设计）。(3)多媒体软件：音视频编辑工具（Audacity,Premiere）、播放器（VLC）。(4)开发工具：编程IDE（VSCode,PyCharm）、版本控制系统（Git）。(5)行业专用软件：CAD（机械设计）、ERP（企业管理）。(6)娱乐软件：电子游戏、VR应用等。1.2.4计算机主要性能指标1、CPU性能选购建议：日常办公：4-6核（i5/R5）

创作/游戏：8核+（i7/R7）核心参数：(1)架构与代际：新一代（如Intel13代/AMD7000系）性能更强(2)核心/线程数：8核16线程>4核8线程(3)主频：一般来说主频越高，计算机处理数据的能力就越强在日常生活中，我们常常会听到购买电脑时要关注CPU（4核以上）、内存（16GB）以及SSD（1TBNVMe）等配置，这些配置实际上就是衡量计算机主要性能的指标，也是计算机运算能力和工作效率的关键参数。对于大多数用户，计算机性能主要取决于以下方面：1.2.4计算机主要性能指标2、内存容量容量影响：内存（RAM）是程序和数据的临时工作区，容量不足会导致卡顿甚至崩溃。内存容量越大体验显著更流畅。场景建议：8GB：仅满足基础办公（Win11+浏览器+文档）16GB：主流之选，可流畅运行大型软件（如PS+PR）、多标签网页（50+）

32GB以上：适合视频剪辑、3D建模、虚拟机等专业场景1.2.4计算机主要性能指标3、硬盘速度与容量固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）都是计算机的主要存储设备，硬盘用于长期保存操作系统、软件和文件。当前装机或者购机推荐选择SSD作为系统盘。容量建议：512GB：系统+常用软件（剩余约300GB）1TB：兼顾速度与空间（可存10+大型游戏）2TB+：4K视频素材、游戏库等大文件需求类型固态硬盘（SSD）机械硬盘（HDD原理闪存芯片存储（无机械部件）磁头+磁盘（机械转动）速度快（NVMeSSD可达7000MB/s）慢（约100-200MB/s）噪音完全静音有转动噪音抗震抗摔抗震怕震动（磁头易损坏）价格较贵（1TB约300-600元）便宜（1TB约200-300元）思考：计算机是怎样“看见”文字图片和“听见”声音的呢？1.2.5信息的表示与存储1.2.5信息的表示与存储1、计算机常用数制计算机中常用的数制包括十进制、二进制、八进制和十六进制‌‌‌十进制(DEC)‌：由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数码组成，基数为10。十进制是我们日常生活中常用的数制，它的特点是：逢十进一，借一当十。‌二进制(BIN)‌：由0和1两个数码组成，基数为2。二进制的特点为：逢二进一，借一当二。‌八进制(OCT)‌：由0、1、2、3、4、5、6、7八个数码组成，基数为8。八进制的特点为：逢八进一，借一当八。‌十六进制(HEX)‌：由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个数码组成，基数为16。十六进制的特点为：逢十六进一，借一当十六。计算机采用二进制的原因：(1)技术实现简单(2)运算规则简单(3)适合逻辑运算(4)抗干扰能力强，可靠性高(5)易于进行转换和存储信息是对社会以及自然界中事物的特征、现象、本质及规律的描述。计算机中所有的信息都是以二进制（0/1）形式存储和传输的，包括文本、图像、音频和视频等。1.2.5信息的表示与存储2、数制之间转换（1）十进制转化其他进制

将十进制数不断除以进制基数（例如转换为二进制，则不断除以进制基数2），记录每次的余数（0或1）。直到商为0时停止，将余数倒序排列。10÷2=5余05÷2=2余12÷2=1余01÷2=0余1结果：101025÷16=1余91÷16=0余1结果：19(16)十进制的数字10转换二进制1010计算方法十进制的数字25转换十六进制19(16)的计算方法1.2.5信息的表示与存储2、数制之间转换（2）其他进制转换十进制确定基数R（二进制R=2，八进制R=8，十六进制R=16），从右到左，每位数字乘以R的相应次方，相加得到十进制结果。二进制1010转换十进制为10：十六进制A3转换十进制为163：

1.2.5信息的表示与存储3、使用计算器转化不同数制在Windows操作系统中，自带的计算器可以进行对数运算以及在不同数制（如二进制、八进制、十六进制和十进制）之间进行转换。在程序员计算器模式下，点击DEC（如图1-15所示），输入10，表示输入的10是十进制数，其中HEX：A，表示10转为十六进制是“A”；DEC：10，表示当前选择输入的“10”是十进制的；OCT：12，表示十进制的10转为八进制是“12”；BIN：1010，表示将十进制的10转为二进制是“1010”。1.2.5信息的表示与存储4、字符的编码计算机内部是以二进制形式存储和处理数据的。字符编码是将人类可读的字符（如字母、数字、标点符号等）转换为二进制数的过程，这样计算机才能识别和处理这些字符。ASCII编码：7位编码（0-127），覆盖英文/数字/控制符。本地化编码：GB2312和GBK字符编码（中文）、ISO8859（欧洲）等，兼容ASCII编码。Unicode编码：统一字符集，UTF-8（变长编码）为互联网标准。解决了不同编码标准之间的不兼容问题，促进了全球信息的无障碍交流。1.2.5信息的表示与存储5、字节（byte，B）和比特（bit）(1)比特（bit）比特（bit）是计算机信息表示的最小原子单位，一切复杂信息（文字/图像/AI模型）均由比特序列构成。其核心作用在于通过二进制状态（0/1）

为所有数字信息提供底层支撑。比特通常用小写字母“b”来表示，1比特=1个二进制选择（0或1）。1个比特单独存在几乎无意义，需组合使用：1字节（Byte）=8比特

可表示1个英文字符（如A=01000001）24比特=3字节

可表示1个像素点的RGB颜色（如红色#FF0000）1.2.5信息的表示与存储5、字节（