人工智能通识课件 第3章 计算机基础

人工智能通识第3章计算机基础提纲3.1问题求解与计算系统3.2计算机的硬件部分3.3计算机的软件部分3.4新型计算系统3.1问题求解与计算系统计算问题将5个学生的学习成绩“78,28,90,89,60”按照由高到低的顺序进行排序这是一个典型的计算问题，每位同学都能快速地计算出结果3.1问题求解与计算系统计算问题更复杂的排序求解方程组人们需要耗费一些时间计算出结果但对于计算机来说却极为简单3.1问题求解与计算系统如何让计算机能够帮我们处理复杂的计算问题？明确求解规则让计算机按规则逐步计算获得结果3.1问题求解与计算系统计算机求解问题的过程：从逻辑到硬件计算需求规则描述编程语言数据转换3.1问题求解与计算系统支撑问题求解的硬件系统部件功能鼠标、键盘输入显示器输出内存数据暂存中央处理器数据加工提纲3.1问题求解与计算系统3.2计算机的硬件部分3.3计算机的软件部分3.4新型计算系统3.2.1经典计算机结构电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC）世界上第一台现代电子数字计算机采用插拔电缆的方式来设定程序，操作复杂且不够灵活3.2.1经典计算机结构冯诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼计算机的组成3.2.1经典计算机结构冯诺依曼计算机体系结构存储程序式计算机：程序和数据都存储在存储器中，并通过中央处理器进行统一处理。二进制：使用二进制表示指令与数据，简化硬件设计冯·诺依曼计算机的组成3.2.1经典计算机结构运算器:完成算术和逻辑运算,通常包括其中的寄存器；控制器:CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥计算机内各种部件共同完成程序功能。存储器:存放运行时程序及其所需要的数据的场所。输入设备:信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等。输出设备:将计算结果展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、喇叭等。冯诺依曼计算机的工作流程计算机工作通过程序驱动程序由一系列指令构成每条指令的执行可概括为“取指—译码—执行—回写”程序执行示例包含下一个待执行指令的地址用于存储正在执行的指令操作码功能1取数3存数5加法运算C停止寄存器地址主存地址程序执行示例程序程序执行示例A0程序执行示例取指156CA0程序执行示例取指156CA0A2程序执行示例取指156CA2译码执行一个时钟周期30程序执行示例取指166DA2A4译码执行一个时钟周期3020程序执行示例取指5056A4A6译码执行一个时钟周期302050程序执行示例取指306EA6A8译码执行一个时钟周期30205050程序执行示例取指C000A8AA译码执行一个时钟周期302050503.2.2数据存储数据大小与单位3.2.2数据存储内部存储器外部存储器主存储器2级高速缓存1级高速缓存高速总线3.2.2数据存储数据仓库与数据湖数据仓库存储源自多个渠道的运营数据与历史数据，旨在便于获取数据洞察和生成相关的报告。数据湖用于存储、处理海量的结构化、半结构化和非结构化数据，以原生格式存储数据并支持不同格式间的相互转换。3.2.3任务计算绝大部分“任务计算”都是由处理器来完成的（1）中央处理器CPUCPU由算术逻辑单元、控制单元和高速缓存组成，通过数据通路互连（2）GPUGPU拥有大量的计算核心，即图中浅灰色小矩形所表示的算术逻辑单元。与CPU强调单线程性能和复杂指令处理不同，GPU的核心更注重同时处理大量相似的简单计算任务，因此能够在较短的时间内完成大量任务的处理（3）FPGAPGA在出厂时其内部结构并非固定不变，而是由大量可配置的逻辑单元、互连资源，以及输入/输出单元构成，是一种可反复配置的半导体集成电路FPGA结构FPGA开发流程（4）XPU单芯片内集成标量、矢量、张量等多种核心，深度定制、高效协同，面向AI与通用计算融合场景TPUNPU3.2.4信息交换1.单机系统中的信息交换在单机系统中，信息交换是各组成部分协同工作的基础，而内存作为核心的存储与中转区域，在其中扮演着关键角色程序和程序之间通过内存交换主机和外设之间、外设和外设之间通过内存交换2.机器与机器之间的信息交换计算机通过互联网的信息传递（以电子邮件为例）电子邮件传输过程信息交换协议2.机器与机器之间的信息交换物联网实现了计算设备与物理世界之间的连接和信息交换物联网通过部署在设备中的传感器等部件，经由互联网实现物理实体与信息网络的连接2.机器与机器之间的信息交换分布式计算将一个复杂的计算任务分解为多个子任务，由多台计算设备分别处理这些子任务，再通过计算设备间的信息交换——网络传输，将子任务的结果汇总，得到最终的计算结果3.2.5智能计算系统人工智能领域呈现出计算密集化与模式固定化的特点核心计算是矩阵、向量运算，核心是逻辑简单、计算密集的乘累加操作计算特点和传统CPU架构特征大相径庭神经网络全连接层计算3.2.5智能计算系统人工智能计算系统具有低精度计算的特性提纲3.1问题求解与计算系统3.2计算机的硬件部分3.3计算机的软件部分3.4新型计算系统3.3计算机的软件部分计算系统的架构从底层到应用层相互支撑底层：计算机硬件是整个系统运行的物理基础支撑层：操作系统对硬件进行管理和资源分配，为上层提供稳定的运行环境工具层：编程语言通过提供开发语法和技术生态，成为开发者软件编程的标准化载体和核心工具支撑应用层：提供了软件应用所需的各类底层和高层接口，赋能各行各业，充分发挥计算机的强大计算功能3.3.1操作系统操作系统是计算机系统的“大管家”为用户提供了统一的系统控制和硬件操作接口为每个程序实例构建一个独占的虚拟系统视图操作系统的核心功能进程调度、内存分配、设备控制、文件管理及用户交互等3.3.2编程语言C语言代码示例3.3.3

AI框架使用TensorFlow构建神经网络模型国产昇思MindSpore框架提纲3.1问题求解与计算系统3.2计算机的硬件部分3.3计算机的软件部分3.4新型计算系统3.4新型计算系统生物计算利用生物语言原语（活细胞）构建状态机量子计算机我国量子计算机2024年1月，本源量子计算科技（合肥）股份有限公司发布中国第三代自主超导量子计算机—