人工智能通识教程 课件 第2章 计算机系统

人工智能导论主讲人：XXXAI同学们好！数字化实验项目实践综合实训人工智能导论目

录

第一篇计算机基础与系统1AI与计算机科学导论2计算机系统3计算机程序与算法面向的问题：离开计算机科学AI能否发展？支撑AI发展的主要计算机科学与技术是什么？

第二篇AI基础与应用4人工智能学科框架5机器学习6神经网络与深度学习面向的问题：AI的科学体系？机器为什么能战胜人类？机器是如何思考问题的？

第三篇AI应用技术7图像识别到视觉理解8文本处理到语言理解面向的问题：人脸怎样被识别？手机怎样具有智能的？人类语言是怎样被机器理解的？

第四篇实验、实践与实训面向的问题：云计算是怎样支持虚拟服务的？图像编码方法？汽车外观设计垂类模型怎样训练？9验证性虚拟实验10汽车营销项目实践11垂类模型综合实训数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

计算机系统

2.1

计算机的硬件体系：从电子计算到智能加速2.2

计算机软件系统：人与硬件的翻译官

2.3

计算机网络系统：全球计算机的“神经脉络2.4

应用实例：AI原生计算机系统——华为昇腾Atlas900

SuperCluster

本章目的：从计算机应用的角度看，我们可以不关注计算机科学最深层次的每一个细节，只是从系统的观点洞悉计算机的本质以及新应用驱动下的发展动向。所以，本章的方法是解剖复杂系统的"手术刀"——透过现象看本质的分层抽象思维，以及理解技术演进的第一性原理。希望我们在这里不仅学到了知识，更重要的是掌握了探寻知识的方法，激发创造的激情。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

计算机系统

2.1

计算机的硬件体系：从电子计算到智能加速

2.1.1

图灵机与冯

·诺依曼计算机体系结构

1、图灵与图灵机图灵机模型是一个采用了符号处理方式（程序）的通用计算机模型。模型要解决的问题是：对于任何一种计算，都可以使用图灵机实现，输出的数据仅取决于输入的数据和程序这两个因素。也就是说，当输入数据和程序不变时，通过图灵机计算所得到的输出结果是确定的。同样，当输入数据和程序任何一个发生变化时，输出数据也会发生相应的变化。图灵认为这台机器只需要保留一些最简单的指令，对于复杂的计算只要将其分解为这几个最简单的操作，就可以模拟人类所能进行的任何计算过程数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2、冯·诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼提出了计算机的五大核心组件：运算器控制器存储器输入设备输出设备这个贡献的核心在于：存储程序原则，奠定了现代计算机的设计范式。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3、以CPU为核心的计算机硬件系统

控制器和运算器是计算机系统的核心，所以称为中央处理器（简称CPU）CPU的控制线指向系统中的每一个部件，用于控制计算机工作时所发生的全部动作。如果把计算机的硬件系统整体看做一个精密协作的生命体，那么CPU就是这个生命体的“大脑”，而其他部件则是支撑其运行的“躯体”，显然，这是一个以CPU为核心的计算机硬件系统。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.2

计算机软件系统：人与硬件的翻译官

1、机指令与指令系统指令格式

一条加法指令指令系统：每种计算机都规定了确定数量的指令，这批指令的总和称为计算机的指令系统。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2、程序自动控制的实现完成一条指令的操作分为3个阶段：取指令分析指令执行指令数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3、以运算器为核心的计算实现

计算机是以运算器为核心完成所有计算的，而运算器是以ALU为核心来构建运算逻辑。当计算机运行时，运算器执行何种操作由控制器来决定，参与操作的数据来自于存储器，处理后的结果再送回到存储器。可见，运算器是靠控制器来指挥、存储器作数据保障来完成运算的。【纵横学习】为什么称“累加器”？而不是“累乘器”或者别的什么呢？难道计算机只会做加法吗？数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.3微型计算机及其多级存储体系1．什么是微型计算机数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2、微型计算机的性能指标微型计算机的性能指标是由它的指令系统、系统结构、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。通常从以下几个方面衡量计算机的性能。（1）字长：指微处理器一次能够完成的二进制数运算的位数，如32位、64位。（2）主频：是指微型计算机中CPU的时钟频率（CPUClockSpeed），也就是CPU运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，当然CPU的速度就越快。（3）内存容量：指内存中所有存储单元的总数目，反映了计算机即时存储信息的能力。（4）外部存储器的容量：指硬盘容量（内置硬盘）。（5）外设扩展能力：指一台微型计算机可配置外部设备的数量以及配置外部设备的类型，对整个系统的性能有重大影响。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3、微型计算机的多级存储体系

（1）微处理器存储层（2）高速缓冲存储层（3）主存储器层（4）外存储器层【案例2-2】联想的拯救者Y9000P2023年推出的游戏笔记本，其基本内存是16GB，可扩展至32GB，而采用的固态硬盘容量是1TB，是内存的近千倍。戴尔XPS8950高性能台式机，内存是32GB，硬盘采用SSD和HDD配合的方式，容量为：1TBNVMeSSD+2TBHDD。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.4摩尔定律与微处理器的发展1.晶体管与集成电路2.摩尔定律3.微处理器与协处理器晶体管数量芯片的摩尔定律数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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【案例2-3】2005年至今，是我们熟知的酷睿（Core）系列微处理器时代。早期的酷睿是基于笔记本处理器的；2006年推出的新一代基于Core微架构的产品酷睿2，是一个跨平台的构架体系；2010年发布了第2代Corei3/i5/i7；2011年又发布了新的处理器微架构，将显卡与CPU封装在同一块基板上，使视频处理时间比老款处理器至少提升了30%。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.5以总线为数据通道的微型计算机体系结构1．总线结构数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2．总线的类型（1）内部总线：CPU芯片内部的总线（2）系统总线：CPU与计算机系统各部分之间的信息通路（3）外部总线：微机与外部设备之间的总线数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3．总线的技术指标三种评价总线的技术指标：总线位宽：指总线能同时传送的二进制位数总线频率：每秒内能传输的数据次数总线带宽：是指单位时间内总线上可传送的数据量总线位宽与字长有什么异同？又有什么联系？讨论数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.6多核处理器与并行计算机1、多核处理器CPU核心1L2Cache1CCache核心2L2Cache2CCache系统请求队列请求响应开关内存控制传输控制双核处理器结构示意图多核处理器架构实际上体现了“分治法”的思想，它通过划分任务，使线程应用能够充分利用多个执行内核，并可在特定的时间内执行更多任务。思考多核处理器是单个芯片还是多个芯片？数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2、并行计算机并行计算机是由多个处理器组成的计算机系统。【案例2-4】我国银河1号计算机就是采用了并行向量处理机（PVP）体系结构向量处理机向量处理机向量处理机…交叉开关共享存储共享存储共享存储银河1号的PVP结构示意图数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3、集群计算机系统集群计算机系统：通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题。银河1号的PVP结构示意图数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.1.7AI驱动的异构扩展（GPU/TPU）什么是异构扩展？在计算机与人工智能领域，"异构"指由不同类型计算机硬件或软件架构组成的系统。所谓的AI驱动的异构扩展，是指利用AI技术动态优化异构资源的分配与协作，从而提升系统整体效率。这其中的核心思想是：AI通过实时分析任务需求（如计算量、延迟要求等），自动匹配最适合的硬件资源。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.2

计算机软件系统：人与硬件的翻译官

2.2.1软件的本质与分类模型

软件类型很多，通常按功能、运行层次、交付方式等不同维度进行细分：系统软件：在最底层，直接与计算机硬件系统打交道。系统软件包括了操作系统（OperatingSystem，简称OS）和一系列基本工具，比如一些驱动程序、编译器、虚拟机等等。应用软件：在最外层，用户经常需要用到，他需要系统软件的支持。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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【案例2-6】《原神》（GenshinImpact）游戏软件，是由我国的米哈游公司开发的一款“开放世界冒险游戏”。这款游戏采用了现代化的软硬件技术支持，这里我们仅解析就软件系统相关的关键技术支持：游戏研发软件是Unity引擎，这种引擎应该是归类为中间层软件，其特性就是“翻译官”，高度依赖外部API（ApplicationProgrammingInterface，简称API，应用程序编程接口）。API是谁提供的呢？思考数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.2.2操作系统核心功能（1）通用型OS

电脑：Windows、macOS、Linux

手机：Android、iOS、HarmonyOS（2）专用型OS

嵌入式：FreeRTOS（智能硬件）

游戏主机：PlayStationOS、SwitchOS

实时系统（RTOS）：工业/航天控制1、操作系统分类需要具有以下4个方面的特征：并发性：指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生；共享性：指计算机系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的用户程序和系统程序共同使用，而不是被其中某一个程序所独占；异步性：也称随机性，指在多道程序环境中允许多个进程并发执行。这是由于资源有限而进程众多，多数情况下进程的执行不是一贯到底的，而是被切换调度；虚拟性：虚拟性是指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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PC机操作系统包括以下功能。（1）文件系统：用于保存和管理文件，包括程序和文档等数据。（2）用户界面：提供人机交互接口，便于操控计算机并提交计算任务。（3）内存管理：将不同用户、不同程序的数据资源从文件中动态加载到内存中并进行有效的管理，以备CPU访问。

（4）进程管理：管理大量程序的运行和调度，确保CPU计算资源的高效利用。（5）设备管理：提供外界设备与计算机之间的数据交互管理，包括键盘输入以及显示器输出等输入输出功能。（6）网络通信：提供计算机之间的数据交互和服务访问。（7）安全机制：保证计算机的运行安全和信息安全。2、操作系统的主要功能数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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（1）磁盘特性：永久性存储，存储量大。（2）磁盘格式化：为磁盘创建文件系统的过程，通过划分磁道、扇区并初始化存储结构，使其能够被操作系统识别和存取数据。(3)引导程序

(4)计算机启动引导的实现：磁盘主动引导，就是计算机启动时，由主机固件（BIOS/UEFI）加载磁盘引导程序，再由引导程序加载操作系统内核并移交控制权的过程，最终完成系统启动。3、磁盘管理与引导程序数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

计算机系统

（1）文件管理的物理实现

文件分配表（2）NTFS文件系统与树目录结构4、文件管理与系统调用图2-19多层树状目录结构示意图表2-2常用的文件类型列表扩展名文件类型用途.txt纯文本文件无格式文本存储.docxWord文档办公文档（微软Word）.xlsxExcel表格数据表格（微软Excel）.jpg图片文件压缩图像（通用照片格式）.mp3音频文件音乐/声音存储.pdfPDF文档跨平台图文固定格式.exe可执行程序Windows应用程序安装/运行.zip压缩文件多文件打包压缩数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.3计算机网络系统2.3.1网络通信1、信道（1）有线信道（2）无线信道表2-3常用的有线传输介质主要参数对比数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2、通信协议通信协议是设备之间实现数据交换的规则与标准，它定义了数据传输的格式、时序、错误控制等关键流程。当前主流的网络通信协议可分为：互联网基础协议无线与移动通信协议文件与数据传输协议物联网协议实时通信协议区块链与去中心化协议数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3、网络设备人工智能导论第二章

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3、网络设备调制解调器数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.3.2计算机网络的基本架构1.计算机网络基本组成（1）资源子网（2）通信子网2.计算机网络分类计算机网络按覆盖范围分为：局域网城域网广域网【纵横学习】太空空间站用什么网？中国空间站是通过“天链二号”中继卫星实现实时通信，舱内Wi-Fi支持科学实验数据共享（国际空间站（ISS）依赖TDRSS中继系统，宇航员用iPad控制实验设备）。中国空间站网络是“中继卫星（WAN）+舱内局域网（LAN）”的混合架构，网络接入是“天地一体化通信系统”，未来还将向激光通信和星际协议演进。这其中都采用了什么技术？又是属于哪一类型的网络？有兴趣的同学可查阅资料自主学习。如果你去南极探险，乘坐的海上游轮上用什么网？思考数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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3.计算机网络的七层架构模型数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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4.TCP/IP模型与OSI模型的区别思考OSI模型为什么不被淘汰？数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.3.3基于网络平台的计算演变1.从集中式到分布式早期的大型机是单点计算的，依赖单一的计算节点或处理器来完成计算任务。到了客户端-服务器时期，核心计算模式变成了集中式分工：例如银行系统，后台主机是服务器，提供数据和算力，客户端（如ATM机）发起请求并展示结果，通过请求-响应机制完成交互；还有早期的网页浏览也是同样模式（浏览器→网站服务器），这就方式突出了“中心供给+终端消费”的简单关系，避免分层技术细节，但最核心的计算仍然是集中式进行的。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.云计算云计算的体系结构示意图数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.3.4新一代网络计算范式1、算力网络--“东数西算”的资源调配数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

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2.AI原生架构--大模型驱动的新型计算范式AI原生架构是指从系统设计之初就以人工智能（尤其是大模型）为核心基础所构建的计算架构。其本质是将AI能力深度融入系统的底层逻辑，使计算、存储、网络等资源能够自主感知、动态优化，并支持自然语言交互等智能化特性。阿里云AI原生调度系统技术要点是：①大模型智能感知：利用通义大模型实时解析任务特征，动态生成最优资源分配策略；②异构算力自适配：自动拆解计算子任务，精准调度至CPU/GPU/NPU集群；③意图驱动交互：支持自然语言指令（如“优先保障AIGC任务”），直接重构底层资源拓扑。数字化实验项目实践综合实训人工智能导论第二章

计