大学计算机-计算思维与人工智能（第2版）课件 第1章 计算机与计算思维

第1章

计算机与计算思维content重点难点重点：1.计算思维基本概念2.计算机系统3.数据编码难点：1.计算机系统与计算思维2.编码Contents目录1.1计算思维1.2计算机系统1.3计算机中的数据编码1.1计算思维1.1.1计算思维的广泛应用计算与计算机科学计算思维基本概念计算手段与各学科广泛融合计算形式符号操作函数运算能行可计算算法的执行规则数字状态机器信息处理物理符号系统计算机科学计算机是一种按照预先设计的程序自动、高速地运行复杂且高精度的设备以数学理论为基础，涉及数理逻辑、计算模型、算法理论等领域的研究计算机科学起源于上个世纪30年代研究如何构建计算工具探索利用这些工具解决实际问题的新方法计算思维的基本概念计算思维是一种基于计算机科学的基础概念和方法去求解问题、设计系统和理解人类的行为核心要素问题分解抽象与建模算法与自动化评估与优化计算与多学科融合预测气象分析基因序列金融数据分析车企模拟碰撞测试计算手段与社会治理1.1.2计算工具的进化算筹帕斯卡加法机莱布尼茨乘法机差分机世界上第一台计算机ENIAC电子数字积分计算机1946年在美国宾夕法尼亚大学研发成功计算速度为5000次加法/秒体重30吨，占地170平方米，18800只电子管，1500个继电器耗电150kW/小时价格40万美元平均2个小时坏1个电子管，平均每周工作2个小时第一代（1946~1958）电子管计算机5千~4万（次/秒）第二代（1959~1964）晶体管计算机几十万~百万（次/秒）第四代（1971~现在）超大规模的集成电路几百万~几亿（次/秒）第三代（1965~1970）集成电路计算机百万~几百万（次/秒）计算机计算机电子元器件新型元器件计算机量子计算机光子计算机生物计算机1.1.3图灵机和冯.诺依曼机图灵机一种通用型计算机器模型通过一些简单指令集合模拟人类所能进行的任何计算过程。只要能把计算任务分解成有限的指令步骤，图灵机就能够通过执行这些步骤完成计算任务。凡是能用算法解决的问题，都能用图灵机解决凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了冯.诺依曼计算机计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五个部分组成存储程序思想采用二进制1.2计算机系统1.2.1硬件系统中央处理器（CPU）主要由运算器和控制器组成运算器算术运算：包括加、减、乘、除等逻辑运算：主要是与、或、非、异或、比较等控制器读取指令、分析指令、执行指令按时间的先后顺序向其他部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作性能指标主频、时钟周期、外频、缓存、线程数、核心数、指令集、制程工艺、功耗、字长并行策略单核、多核、并行处理器存储器存放数据和程序信息高速缓冲存储器一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、三级缓存（L3）主存储器随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM)只读存储器(ReadOnlyMemory,ROM)辅助存储器固态硬盘、U盘磁盘光盘存储策略局部性原则：时间局部性：如果一个存储单元被访问，则可能该单元会很快被再次访问空间局部性：如果一个存储单元被访问，则该单元邻近的单元也可能很快被访问。一致性原则：同一个信息会同时存放在几个层次的存储器中，此时，这一信息在几个层次的存储器中必须保持相同的值。包含性原则：处在内层(更靠近CPU)存储器中的信息一定被包含在各外层的存储器中，即内层存储器中的全部信息一定是各外层存储器中所存信息中的一小部分。输入/输出(I/O)接口对于外部设备，计算机内部部件通过输入/输出(I/O)接口电路与总线连接，再与外设连接。按照计算机与外部设备之间信息传输方式串行接口按二进制位逐位传输，传输速度较慢，但省器材并行接口一次可以传输若干二进制位的信息，传输速度比串行方式快，但器材投入较多PCI接口显卡、声卡、网卡、MODEM等接口PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线插槽由Intel公司推出的一种32位数据总线、且可扩展为64位局部总线。它的工作频率为33MHz，是系统总线接口的国际标准。AGP图形加速接口直接与主板的北桥芯片相连使视频处理器与系统主内存直接相连，避免经过窄带宽的PCI总线而形成系统瓶颈增加3D图形数据传输速度，而且在显存不足的情况下还可以调用系统主内存，拥有很高的传输速率。USB接口中文含义是“通用串行总线”USB能使相关外设在机箱外连接，允许“热插拔”（连接外设时不必关闭电源），实现安装自动化可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、USB网卡、ADSLModem、CableModem等几乎所有的外部设备。总线数据总线双方向的多根信号线组成CPU可以通过这些线从主存或外设读入数据或向主存或外设送出数据。地址总线由单方向的多根信号线组成用于CPU向主存、外设传输地址信息控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存(或外设)返回CPU的反馈信号1.2.2软件系统系统软件：系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口。操作系统语言处理程序数据库系统：由计算机硬件、数据库、数据库管理系统、操作系统和数据库应用程序组成服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等。应用软件：用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料数学计算软件包、统计软件包文字处理软件包(如WPS、WORD2021)图像处理软件包(如Photoshop、动画处理软件3DSMAX)各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等计算机语言程序设计语言分类机器语言(MachineLanguage)01汇编语言（AssembleLanguage）英文字母符号串高级语言(Highlevellanguage)数学符号英文单词高级语言转化为机器语言编译方式解释方式操作系统操作系统（OperatingSystem，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行操作系统基本功能进程管理负责管理CPU资源，提高CPU的利用率先来先服务（FCFS）：按照先后到达的顺序优先获得CPU资源短作业优先（SJF）：从等待队列中选择预计运行时间最短的进程投入运行按时间片轮转（RR）：每个进程被分配一个时间片（如100毫秒）运行，时间片用完后，即使进程没有执行完，也会被暂停，放到就绪队列末尾等待下一次调度优先级调度：给每个进程分配一个优先级，调度时优先选择优先级高的进程运行多级反馈队列调度：设置多个不同优先级的就绪队列，每个队列对应不同的时间片。新进程先进入高优先级队列，若在该队列时间片内未执行完，则降到下一级队列。优先级越高的队列时间片越短。内存管理负责管理内存资源的使用，用户程序启动时为之分配内存，用户程序结束时收回相应内存，提高内存空间利用率。虚拟内存是操作系统将内存与外存（如硬盘）结合，为用户提供一个比实际物理内存大得多的逻辑内存空间。它能让应用程序认为自己拥有连续可用的内存（逻辑内存），实际上，运行时只有部分数据和代码在物理内存中，其余在磁盘上，需要时再调入内存。分页式：把程序和数据划分为固定大小的页分段式：按逻辑模块分段段页式：先分段再分页设备管理负责管理CPU和内存以外的资源使用，来提高外存空间利用率和用户查找速度实现文件组织、磁盘信息组织、文件分配表等来掩盖扇区、磁道等物理寻址机制管理各种I/O设备，为每个用户程序分配和回收I/O设备常用的操作系统功能开启任务管理器磁盘清理设置虚拟内存操作系统分类桌面操作系统Windows（微软）：如Windows10、Windows11，操作简便、界面直观、应用软件丰富，广泛兼容硬件与软件，适合办公、娱乐及通用场景。macOS（苹果）：在图形设计、影视制作等专业领域表现卓越，注重用户体验与系统流畅性。Linux：开源免费，资源占用低、安全性与稳定性高，适用于开发者、服务器迁移及个人桌面，尤其在技术社区广受欢迎。移动操作系统Android（谷歌）iOS（苹果）HarmonyOS（华为）服务器操作系统WindowsServer（微软）UNIXLinux嵌入式操作系统1.2.3指令系统指令是指示计算机执行某项运算或处理功能的命令是计算机运行的最小功能单位指令格式指令系统一台计算机使用的全部指令规定了计算机硬件能够直接识别和执行的各种操作以及这些操作的编码方式指令系统的实现依赖于硬件和程序紧密相关，是程序的基本组成单位操作码操作数地址指令系统分类CISC：复杂指令系统增强原有指令功能设置更为复杂的新指令，实现软件功能的硬化RISC：精简指令系统指令系统都比较简单指令条数少运算功能弱数据传送类指令实现寄存器与寄存器之间寄存器与主存单元之间两个主存单元之间的数据传送运算类指令算术运算指令逻辑运算指令移位指令程序控制类指令用于控制程序的执行顺序转移指令子程序调用、返回指令中断、中断返回指令输入/输出(I/O)类指令用来实现主机与外部设备之间的数据传送1.3计算机中的数据编码1.3.1二进制及存储组织进制数十进制数（Decimal）有十个数码0、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十进一，借一当十二进制数（Binary）有两个数码0和1逢二进一、借一当二八进制数（Octal）有八个数码0、1、2、3、4、5、6、7逢八进一，借一当八十六进制数(Hexadecilnal)有十六个数码，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，A、B、C、D、E、F逢十六进一，借一当十六下标法(1010)2、(1010)8、(1010)10、(1010)16后缀法1010B、1010D、1010Q、1010H进制数加权展开式设一个R进制数P，以小数点为分界线，各位数字依次排列如下：KnKn-1……K1K0.K-1K-2……K-mP=Kn×Rn+Kn-1×Rn-1+Ki×Ri……+K1×R1+K0×R0+……+K-m×R-mki表示第i位数码，Ri表示R进制数位权值（1011．01）2=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2=8+2+1+0.25=11.25（324）8=3×82+2×81+4×80=212即八进制数324等于十进制数212。以十进制转二进制为例整数除2取余法余数倒排小数部分乘2取整法2与8进制、2与16进制互转2与8互转2转8：以小数点为界限，分别向左、向右将每三位二进制数与一位八进制数相对应，若不足三位用0补齐8转2：只须将每一位八进制数写成对应的3位二进制数2与162转16：以小数点为界限，分别向左、向右每4位二进制数转换为1位十六进制数，不足4位用0补齐16转换为2:将16进制数写出对应的4位二进制数二进制存储最小单位位bit1个二进制位可以存储一个0或1基本单位字节Byte1个字节包含8个位常用单位1KB=210Byte=1024Byte1MB=210KB=220Byte=1,048,576Byte1GB=210MB=220KB=230Byte=1,073,741,824Byte1TB=210GB=220MB=230KB1PB=210TB=220GB=230MB=240KB=250B1.3.2数值编码机器数：数值型数据在计算机内的二进制表示形式真值：机器数所代表的实际值无符号数只能表示零和正整数，不包含负数所有二进制位都用来表示数值大小n+1位的无符号数的表示范围是0~(2n+1-1)有符号数能表示正数、负数和零通常使用最高位（最左边的位）作为符号位，0表示正数，1表示负数，其余位表示数值原码符号位用0表示正数，用1表示负数数值部分就是该数绝对值的二进制表示+0的原码是00000000，-0的原码是10000000。反码正数的反码和原码相同负数的反码是将该数原码的符号位不变（仍为1），数值部分按位取反（0变1，1变0）+0的8位二进制反码是00000000，-0的8位二进制反码是11111111。补码正数的补码和原码、反码一致；负数的补码是将该数绝对值的二进制形式按位取反（0变1，1变0），然后在最低位加1。换言之，负数的补码是在其反码的基础上加1。无论是+0还是-0，8位二进制补码都是00000000。例题十进制数+3的原码、反码、补码均是00000011十进制数-3原码是10000011反码：符号位不变，数值部分取反后得到反码11111100补码：反码+1:11111101

1.3.3字符编码ASCII码AmericanStandardCodeforInformationInterchange美国国家信息交换标准代码编码对象：128个常用字符大小写英文字母数学运算符号标点符号数字符号0-9控制字符每个字符占7位二进制数，一个字节是8位二进制数，余1位，用做检测编码出错的奇偶校验位编码方法：给128个字符排序，赋予整数序号0-127，该序号的二进制数即为ASCII码汉字编码输入码用各种汉字输入法输入汉字的编码全拼、智能拼音、五笔字型输入法等国标码“中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码”代号为“GB2312-80”收集了一级汉字3755个，二级汉字3008个，图形符号682个，共计7445个每个汉字用两个字节进行编码，每个字节的最高位为0，其余7位为符号信息如：汉字“啊”的国标码为00110000B、00100001B（即30H、21H）机内码汉字在计算机中的编码将汉字国标码的最高位都置成“1”，从而得到汉字的“机内码”由于国标码与基本字符中的ASCII码有冲突，如：汉字“啊”的国标码为30H、21H，而它们又分别是ASC