计算思维与人工智能基础

第1章计算机技术与计算思维基础1.11.2计算机技术计算思维基础了解计算机的发展、分类及应用掌握计算机的特点了解计算思维基本概念学习目标

计算机(电脑)是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。第1章计算机技术与计算思维基础1.1

计算机技术计算机的诞生(1)ENIAC（埃尼阿克）

世界上第一台电子计算机诞生于1946年，美国宾夕法尼亚大学；

(2)规模

18000多个电子管，170平方米，30吨,功率140千瓦；

(3)速度

5000次/秒。1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展第1章计算机技术与计算思维基础70多年来发展速度之快大大超出人们的预料：性能、体积、价格、···应用领域软件技术和软件产品1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展问题：70多年来没变的是什么？基本工作原理第1章计算机技术与计算思维基础按照采用的物理元器件,分为四代:（1）第1代（20世纪40年代中-50年代末）

CPU:电子管

机器语言和汇编语言程序速度几千次到几万次/秒应用范围：科学计算1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（2）第2代（20世纪50年代中、后期-60年代中）CPU:晶体管

高级语言（Fortran）

体积小速度几十万次/秒应用范围扩大：科学计算、数据处理1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（3）第3代（20世纪60年代中-70年代初）

CPU:SSI、MSI（小、中规模集成电路）体积更小速度几十万次/秒~几百万次/秒出现了操作系统和数据库管理系统应用范围扩大：科学计算、数据处理、

辅助设计、工业控制等1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（4）第4代（70年代中期至今）CPU：LSI、VLSI（大规模、超大规模集成电路）体积更小速度上千万次/秒~数十万亿次/秒软件丰富应用范围扩大：各个领域1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础1.处理速度快2.具有庞大的信息存储能力3.自动处理例如：求1~100的和4.具有逻辑判断能力例如：判断2<3的对错5.计算精度高能进行天文数据的计算等6.通用性强（数值型数据和非数值型数据）1.1计算机技术1.1.2计算机的特点第1章计算机技术与计算思维基础1.巨型机即超级计算机，采用并行处理的体系结构，数以万计的CPU组成，处理速度达到每秒亿亿次以上。按照计算机的性能、作用和价格分为：1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类如：“顶点”峰值每秒18.77亿亿次；

“神威·太湖之光”达9.3亿亿次；

“天河二号”峰值达每秒5.49亿亿次。第1章计算机技术与计算思维基础

2.个人计算机(微机）

台式机和便携式（笔记本、平板、智能手机）

其特点：体积小、价格便宜、使用方便、软件丰富等。1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类第1章计算机技术与计算思维基础3.服务器

具有较强计算能力、高速的网络通信和良好的多任务处理功能。如：文件服务器、通信服务器等4.嵌入式计算机是为特定应用而量身打造的专用计算机。

是将系统和功能软件集成于计算机硬件系统中，即把软件固化在芯片上，其内部的程序一般不能被改动。

如：家用电器、汽车的一键启动等智能化功能都是由嵌入式计算机完成的。1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类第1章计算机技术与计算思维基础1.科学计算2.数据处理3.生产过程控制4.人工智能

利用计算机模拟人类的智能活动，

机器人就是人工智能研究的综合产物。5.计算机辅助系统CAD、CAM、CBE、CAI6.通信与网络无机不在网，无网机难存7.电子商务8.多媒体技术1.1

计算机技术1.1.4计算机的应用第1章计算机技术与计算思维基础1.科学思维

科学思维是人类思维中运用于科学认识活动的部分，是对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系；是对各种科学的思维方法的有机整合，是人类实践活动的产物。1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础第1章计算机技术与计算思维基础1.科学思维

从人类认识实践和改造世界的思维方式出发，科学思维分为：

理论思维以推理和演绎为特征，以数学学科为代表；

实验思维以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表；

计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础第1章计算机技术与计算思维基础强调推理强调归纳希望自动求解2.计算思维

周以真教授2006年提出的计算思维概念，得到国际广泛认可和使用。

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维目的：求解问题、设计系统、理解人类行为；第1章计算机技术与计算思维基础1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础使用的方法：计算机科学的方法。3.简单实例【例1-1】求阶乘（n!）。

计算机中求n!的方法：递归和迭代。【例1-2】求f(x)在[a,b]区间上的积分。

高等数学中，用牛顿-莱布尼兹公式，

计算机中，使用黎曼积分，计算小区间的面积。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础计算思维是概念化思维，不是程序化思维计算思维是根本的技能，不是刻板的技能计算思维属于人的思维方式，不是计算机的思维方式计算思维是思想，不是人造物计算思维是数学思维和工程思维的互补与融合计算思维面向所有的人、所有的领域第1章计算机技术与计算思维基础1.2.2

计算思维的特征（需要在后续的学习过程中慢慢体会和运用）1.2

计算思维基础抽象—建模（忽略细节）自动化—模拟（机械地一步一步自动执行抽象出来的模型）【例1-3】哥尼斯堡七桥问题。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.3计算思维的本质1.2

计算思维基础

ABDC

计算思维的核心是计算思维方法。计算思维方法很多，周以真教授具体阐述了以下七大类方法。（1）约简、嵌入、转化和仿真等方法，用来把一个看似困难的问题重新阐释成一个人们知道问题怎样解决的思维方法。（2）递归方法、并行方法、把代码译成数据又能把数据译成代码的方法、多维分析推广的类型检查方法。（3）抽象和分解的方法，用来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统的设计；基于关注分离的方法（SoC方法）。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.4

计算思维的基本方法

（也需要在后续的学习过程中慢慢体会和运用）1.2

计算思维基础（4）选择合适的方式去陈述一个问题的方法、对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。（5）按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。（6）利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。（7）利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.4

计算思维的基本方法1.2

计算思维基础计算机的出现，使得许多原本只是理论上可以实现的过程变成了实际可以实现的过程，因为计算机对信息和符号具有快速处理的能力。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.5

计算思维与计算机的关系1.2

计算思维基础计算思维不仅应用于：计算生物学、纳米计算、量子计算等；

计算思维也已经渗透到脑科学、化学、地质学、数学、教育等各个学科；

计算思维正影响和推动各领域的发展，成为一种发展趋势。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.6

计算思维的应用1.2

计算思维基础（1）计算机的发展（2）计算机的特点（3）计算机的分类（4）计算机的应用（5）计算思维的定义（6）计算思维的本质（7）计算思维的应用本章小结：第1章计算机技术与计算思维基础要求：（1）选择题答案写在讲义上；（2）简答题在题号旁写上答案的页码，并在相应页码上做标记；（3）了解自己的专业，看看计算思维在本专业的应用情况。课后作业：P9思考题第1章计算机技术与计算思维基础2.1常用数制及其转换2.2二进制数的运算2.3数值型数据的表示及处理2.4文字的表示和处理第2章

计算机中信息的表示1.掌握常用数制；2.掌握数制之间的转换方法；3.掌握二进制数的运算法则；4.掌握数值型数据在计算机内的表示方法；5.掌握西文字符的表示及处理；

了解汉字的表示。学习目标和要求计算机领域的常用数制:二进制数的表示、基数、位权、值与标识符号B十进制数的表示、基数、位权、值与标识符号D八进制数的表示与标识符号O十六进制数的表示与标识符号H2.1常用数制及其转换第2章计算机中信息的表示数制、进位计数制的概念数制是指用一组固定的符号和统一的规则来计数的方法。进位计数制：计数是数的记写与命名，各种不同的记写与命名方法构成计数制。按进位的方法计数的数制，称为进位计数制。第2章计算机中信息的表示1.十进制

特点：数值用0～9表示，逢十进一。十进制通式为：s10=

an×10n-1+...+a1×100

+

a-1×10-1+...+a-m×10-m其中：“10”为十进制数的基数

整数部分，n为整数部分位数小数部分，m为小数部分位数2.1.1常用数制第2章计算机中信息的表示2.R进制R进制数用

R个基本符号（例如0，1，2，…，R-1）表示数值，逢R进一。R进制数的通式为：sR=an×Rn-1+...+a1×R

0

+

a-1×R-1+...+a-m×R-m位权展开多项式第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制(1)2＋(1)2＝（10）2(11)2＋(1)2＝（100）2例如,R进制数的求和：(7)8＋(1)8＝(10)8(6)8＋(5)8＝(13)8(9)16＋(A)16＝(F)16＋(1)16＝(10)16(13)16第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

可行性－易于物理实现，只有0和1两个符号，使用有两个稳定状态的电子器件就可以分别表示它们。3.计算机内采用二进制的原因

可靠性高－二进制的数字信号可以提高信息的抗干扰能力。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制在计算机中表示二进位的方法：电路的高电平状态或低电平状态(CPU)电容的充电状态或放电状态(RAM)两种不同的磁化状态(磁盘)光盘面上的凹凸状态(光盘)···第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状态分别表示0和1例磁盘存储器中比特的表示磁盘表面磁性材料粒子第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制例CD/DVD盘片上比特的表示

光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息CD光盘表面DVD光盘表面第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

简易性－运算规则简单，易于进行高速运算

逻辑性－数理逻辑中的“真”和“假”可以分别用“1”和“0”来表示，这样就把非数值信息的逻辑运算与数值信息的算术运算联系了起来。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

使用八进制和十六进制的原因：二进制数太长，书写、阅读、记忆均不便；八进制和十六进制与二进制之间的转换直观、方便。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制1.R进制转换成十进制例

将二进制小数(11010.101)2转换成十进制数

（11010.101)2=1×24+

1×23+1×21

+1×2-1

+

1×2-3=16＋8＋2＋0.5+0.125=(26.625)10

第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换例

将(16A.B)16转换为十进制数。(16A.B)16

＝(1×162＋6×161＋10×160＋11×16-1)10

＝(362.69)10第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换故：(19)10＝(10011)22.十进制转换成R进制例

将(19)10转换为二进制数。低位高位余11920余1余1余0余092422212(a)纯整数部分的转换：除2倒取余直到商为0

第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换例

将(0.625)10转换为二进制数。故：(0.625)10＝(0.101)2低位高位1.2500×20.5000×21.00000.625×2(b)纯小数部分的转换：乘2顺取整直到小数部分为0.第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换解：因为：(19)10＝(10011)2例

将(19.625)10转换为二进制数。(0.625)10＝(0.101)2注意：十进制数转换成R进制数时，常将整数和纯小数部分分开转换为相应的R进制，然后再将R进制数的整数和小数部分连接起来。故：(19.625)10＝(10011.101)2第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换并非所有的十进制小数都能用有限位的二进制小数来表示。故取近似值

(0.1)10＝(0.00011)2小数部分乘2会无限循环下去注意：例:将(0.1)10转换为二进制。第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换3.八进制、十六进制与二进制转换二十十六八二十十六八0000000100088100001111100199110010222101010A120011333101111B130100444110012C140101555110113D150110666111014E160111777111115F17第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换(011

110

111.100

010

101)2

.

二进制转换为八进制的方法：

先用两端补“0”的方法，将二进制数的整数与小数部分分别补足为3的倍数位，再将三位二进制数用一位等值的八进制数表示。367425小数部分从高位向低位整数部分从低位向高位＝(367.425)8第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换(16.327)8八进制转换为二进制的方法：一位八进制用三位二进制数表示例

将(16.327)8转换为二进制数。=(001

110.011

010

111)2第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换

(4C.2E)16二进制与十六进制的转换方法：一位十六进制数用四位二进制数表示例

将(4C.2E)16转换为二进制数。

＝(0100

1100.0010

1110)2

第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换

R进制→十进制

按位权展开

十进制→R进制

除R倒取余和乘R顺取整十进制与R进制的转换第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换小试牛刀：二进制数10110110.1010转换为十进制、八进制、十六进制十进制数137.625转换为二进制、八进制、十六进制第2章计算机中信息的表示2.1.2数制转换引入信息的基本单位—

比特(bit)比特（bit）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”

或“位”1比特只有2

种取值：0或者1第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算比特是组成数字信息的最小单位数值、文字、符号、图像、声音、命令······都可以使用比特来表示，即“编码”或“代码”第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算用比特表示图像第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算

对二进制数可以进行两种不同类型的基本运算：算术运算和逻辑运算。

两个一位数的加法基本运算规则是：加法

0011

＋0＋1＋0＋1 01110向高位进1第2章计算机中信息的表示2.2.1算术运算（1）逻辑数据的表示

“真”“假”、“是”“非”、

“对”“错”、“有”“无”（2）逻辑运算

逻辑非逻辑与逻辑或第2章计算机中信息的表示2.2.1逻辑运算

逻辑非

0=

逻辑与（逻辑乘）AND、×、·、∧

运算规则：

0×1=01×0=00×0=01×1=1011=第2章计算机中信息的表示2.2.2逻辑运算

逻辑或（逻辑加）OR、+、∨运算规则：

0+1=11+0=11+1=10+0=0第2章计算机中信息的表示2.2.1算术运算在计算机内能表示和使用的数据包括： 无符号整数整数数值型数据

有符号整数实数

非数值型数据第2章计算机中信息的表示2.3数值型数据的表示与处理定点数的概念：约定小数点在某个固定的位置,整数可以用定点数表示,约定小数点在个位数的右面。第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示整数的分类：不带符号的整数(8位,16位,32位)

带符号的整数(正整数，负整数)

符号位:使用最高位(最左面的一位)作为符号位

0--

＋(正数)

1--

－

(负数)

其余各位表示数的绝对值例如：00101011=＋43,10101011=－43第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示有符号的整数可以有三种表示方法：原码反码补码第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示原码表示：最高位作为符号位

若符号位为0，则表示正数。

若符号位为1，则表示负数。

其余各位代表数值本身的绝对值

（以二进制表示）（1）原码表示

第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求+7和-7的原码。解:根据原码的定义：

（＋7）原＝00000111（－7）原＝10000111结论：绝对值相同的正数和负数，它们除了

符号位不同外，其他各位都相同。84211111第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，

求0的原码解:根据原码的定义：+0的原码=00000000-0的原码=10000000结论：

0的原码不唯一分析：当由数轴的左端趋向0时，我们记为-0

当由数轴的右端趋向0时，我们记为+0+0-0第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数用原码表示的最小值为：-127，其原码为：11111111

用原码表示的最大值为：+127，其原码为：01111111原码的表示范围:所以，原码的表示范围为：-127~

+127第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示（2）反码表示

表示方法：

1.一个数如果值为正,则它的反码与原码相同;2.一个数如果值为负,则将其符号位置为1,其余各位为对原码的相应数据位取反。取反就是取与当前状态相反的状态。

二进制中有0和1两种状态：

1取反=00取反=1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求+7和-7的反码。解:根据反码的定义：(＋7)反＝00000111(－7)反＝(10000111)反

＝1111100084211111第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示

例：假设用一个字节来表示一个数，求0的反码。解:根据反码的定义：+0的反码=00000000-0的反码=11111111结论：0的反码不唯一第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数。用反码表示的最小值为：-127，其反码为:10000000用反码表示的最大值为：+127，其反码为:01111111所以，反码的表示范围为：–127~

+127反码的表示范围：第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示（3）补码表示*计算机中使用补码的原因：

在加减法运算中，对参与运算的数符号正负的判断问题*补码的原理:（即为什么用补码可以实现减法按加法处理？）

*时钟原理*补数的概念第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示补码表示方法规定:

正数的补码：与反码、原码相同.

负数的补码：则将其最高位置为1，其余各位为对原码的相应数据位取反，然后再对整个数加1.

X为负数时[x]补=

[x]反+1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求+7和-7的补码。解:根据补码的定义：[+7]补＝00000111[-7]反＝11111000

[-7]补＝11111000

+1

11111001第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求0的补码。解:根据补码的定义：进位舍去[+0]补＝00000000[-0]反＝11111111[-0]补＝11111111

+1

100000000[-0]补＝00000000结论：

0的补码是唯一的。第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示用补码进行运算例：假设用一个字节来表示一个数，求7-6的值解:

[+7]补＝00000111

[-6]补＝11111010[+7]补+[-6]补＝00000111

+11111010

100000001进位舍去＝00000001说明：补码的减法可以按加法来处理第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数。用补码表示的最大值：+127，01111111。用补码表示的最小值：-128，10000000。所以，用补码表示的数的范围是：

-128—+127补码的表示范围:注意：用补码表示的数的范围比原码和反码多一个数。为什么？第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示补码如何向原码转换？思考：第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示几种整数表示法的比较8位二进制代码无符号整数原码补码0000000000000000001111……………………01111111127127127100000001280－12810000001129－1－127……………………11111111255－127－1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示引入浮点数的目的：

在一定字长下，整数数值的表示范围有限；实际的数据往往有整数部分又有小数部分；实际数据有的特别大，有的特别小。第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示

很多高级程序语言，数值型数据都可以写成如下形式：

4.32E-2表示4.32×10-2=0.0432

0.432E-1表示0.432×10-1=0.0432第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示基数（R）：通常隐含为2尾数（M）：必须是二进制定点纯小数

尾数的位数决定数的精度阶码（E）:必须是二进制定点整数。

阶码的位数决定数的范围浮点数可表示成：阶码基数尾数N＝M·RE

第2章计算机中信息的表示2.3.2符点数表示例如假设某机器字长为16位，规定前6位表示阶码(包括阶码符号)，后10位表示尾数(包括尾数符号)，(阶码和尾数用原码表示)

则0001011110101000

表示的浮点数是：第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示

＝-(26.5)10

0001011110101000阶码尾数-(0.110101)2×2+

(101)2符号位=(-11010.1)2

阶码和尾数用补码表示呢？第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示2.4.1西文字符编码

2.4.2汉字编码

第2章计算机中信息的表示2.4文字的表示和处理

ASCII码，即美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)，使用7个二进位对字符进行编码。第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码

基本的ASCII字符集共有128个字符

95个可打印字符（常用字母、数字、标点符号）

33个控制字符（不可直接显示或打印）特殊字符的ASCII码空格(32)、A(65)、a(97)、0(48)

下面为ASCII代码表：第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码87见讲义P18

对ASCII码的说明：每个字符用标准规定的7位二进制数表示，在机内占一个字节（最高位为0）。

如：字符“A”的ASCII码为：

(01000001)2

或(65)10、(101)8、(41)16

字符“0”的ASCII码为：

(00110000)2

或(48)10、(60)8、(30)16第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码对ASCII码的要求：

1.学会比较ASCII字符的大小（按其ASCII码值）

空格＜0～9＜A～Z＜a～z

2.会推算同组字符ASCII码值如A的ASCII值（十进制）为65，则B、C…

的ASCII值分别为66、67…第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码

1980年,国家颁布的《信息交换用汉字编码字符集-基本集》(GB2312-80)(国标码)。

组成：

（1）第一部分：字母、数字和各种符号，包括拉丁字母、俄文、日文平假名与片假名、希腊字母、汉语拼音等共682个（统称为GB2312图形符号）1.汉字编码标准第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码（2）第二部分：一级常用汉字，共3755个， 按汉语拼音排列（3）第三部分：二级常用汉字，共3008个， 按偏旁部首排列

汉字共6763个字符共7445个第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码1995年发布GBK，全称为《汉字内码扩展规范》GBK字符集中一共有21003个汉字和883个图形符号，它与GB2312国标汉字字符集及其内码保持兼容。GBK汉字内码扩展规范

为实现全世界文字的统一编码，对全世界的所有字符和符号进行统一编码的标准。UCS/Unicode第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码在计算机中对汉字进行处理的编码称为“汉字机内码”，它用两个字节来编码，为了与ASCII码做区分，机内码中两个字节的最高位都用1来表示。

例如：计、算、机三个字的机内码分别是：

计

BCC6H1011110011000110B

算

CBE3H1100101111100011B

机

BBFAH1011101111111010B2.机内码第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码（1）常用数制（十、二、八、十六）（2）常用数制转换（3）二进制的算术运算和逻辑运算（4）整数和浮点数的表示（5）西文字符的ASCII码（6）中文汉字的机内码本章小结：第2章计算机中信息的表示第3章计算机系统的基本组成

和基本工作原理本章内容3.1计算机的基本组成3.2微型计算机硬件系统3.3计算机软件系统3.4计算机的基本工作原理1.掌握计算机系统的基本组成、逻辑结构、主要组成部分及其功能；2.掌握微机的CPU、主板及其主要部件、内存等；3.掌握总线的概念、分类；4.掌握计算机软件的概念和分类；5.掌握操作系统的概念和作用，功能；6.掌握计算机的基本工作原理。学习目标和要求3.1.1计算机系统的组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1计算机的基本组成硬件系统软件系统+计算机系统=

1.硬件

硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称，是计算机工作的物理基础。这些我们看得见、摸得着的实际物理设备都是硬件3.1.1计算机系统的组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理2.软件软件是指在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档。3.1.1计算机系统的组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.硬件和软件的关系（1）硬件是软件工作的基础（2）软件是硬件功能的扩充和完善（3）软件和硬件结合才成为一个完整的计算机系统（4）实际上，软件和硬件的功能没有明确分界：软件硬化或固化硬件软化3.1.1计算机系统的组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成计算机的外形发生巨大变化，但硬件的基本逻辑结构都建立在同一模型基础上的。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成冯·诺伊曼美籍匈牙利数学家。提出了“程序内存式”计算机的设计思想,被誉为“计算机之父”。

第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成冯·诺伊曼计算机：（1）计算机的五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。（2）二进制（计算机数字化存储）

计算机编码采用二进制数字化表示，也就是计算机内部的所有信息仅由0、1来表示。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成（3）存储程序

把程序（解决问题的详细步骤）存储在计算机内，使计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地读取、执行指令，并得到预期的结果。冯·诺伊曼计算机：第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理按照冯·诺依曼的设计理论，计算机的五大基本组成部件：输入设备

存储器输出设备控制器运算器数据流：控制流：程序数据结果3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理①运算器：用来执行当前指令所规定的算术运算和逻辑运算。主要包括算术逻辑运算单元、累加器、寄存器组等。

算术逻辑运算单元（ALU）主要完成对二进制数据的定点算术运算、逻辑运算以及移位运算。

累加器是一个具有特殊功能的寄存器，用来临时存储ALU运算的中间结果和其他数据。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理②控制器：是计算机的指挥中心，它按人们预先编好的程序进行工作，根据程序中指令的要求，有序地向各个部件发出控制信息，控制信息存储、各种运算、信息输入和输出。

计算机的各部件都要在控制器的统一指挥下有条不紊地工作。

控制器和运算器合称为中央处理器（CPU）。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理存储器内存储器外存储器③存储器(Memory)：存放程序和原始数据的记忆装置。按功能可以分为：3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理内存储器（内存）外存储器（外存）可以和CPU直接交换数据，用来存放当前运行的数据和程序，如内存条。

内存的存取速度直接影响计算机的运行速度。在主机的外部，属于外部设备，主要用来长期存放暂时不用的信息。如：硬盘、U盘等。

执行程序时，外存中的程序及数据必须先传送到内存，才能被CPU使用。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理外存存取速度比内存慢、容量大、价格低，可以长久地

存储信息，“永久性存储设备”内存的读写速度外存的读写速度内存存取速度快、容量小、价格高，

内存的读写时间：十亿分之一秒（纳秒级）3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理1001101011001100001010110101000110010110位字节位(bit)：每一个二进制数0或1所占的数位,

是信息存储的最小单位，

简称b。字节(Byte)：是计量存储容量的基本单位（简称B），

8个二进制位是1个字节。存储器的相关概念3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理1011011001011000某存储器片断：地址：存储单元的编号内容：存储单元中存放的信息38F04H地址......14F04H存储内容地址：存储单元的编号3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理例如：4GB内存的存储容量为：4GB=4*1024MB=4*1024*1024KB

=4*1024*1024*1024B存储容量：存储器所包含的存储单元总数。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成1B=8bit1KB=1024B

1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理④输入设备(InputDevice)是把信息送到计算机系统的设备。根据输入信息的类型不同，输入设备分很多种，如：键盘、

鼠标、麦克风、扫描仪。I/O设备是人和计算机交互的桥梁。⑤输出设备(OutputDevice)是从计算机系统输送出信息的设备。输出的信息可以是：文字、语音、图像、动画等。常见的输出设备有：显示器、打印机、音响等。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理主机+外设主机：CPU、内存外设：外存储器、输入设备和输出设备3.2.1

微型计算机的硬件基本组成3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理（1）CPU指标（CPU字长、CPU时钟频率）（2）内存容量（3）运算速度（MIPS、MFLOPS）（4）外部设备的配置及扩展能力（5）软件配置3.2.2

微型计算机系统的主要性能指标3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3GHZ/512/800什么含义？1.CPU的主要技术参数3.2.3

微型计算机的主机系统3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理①字长：指CPU运算器位数或寄存器位数，表示CPU在同一时刻能处理的二进制数据位数。

字长决定了计算的精度，通常是2的整数次幂。3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理②主频：CPU运算时的工作频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，它决定着CPU内部的数据传输和指令执行的速度，单位Hz。如：AMDA10-5800KCPU主频为：3.8GHz主频越高，一个时钟周期内完成的指令数也就越多，因此CPU的运算速度就越快。由于内部结构不同，因此主频相同的CPU，其性能不一定都一样。3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理③外频：主板为CPU提供的基准时钟频率；是系统总线的工作频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线工作频率。如：AMDA10-5800K

外频:100MHz3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理④高速缓冲存储器（Cache）容量Cache是位于CPU与内存之间的高速存储器。例如：AMDAthlon64FX-60

一级缓存L1128K

二级缓存L22048KAMDA10-5800K

二级缓存：4MB3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理⑤

内核数

为提高CPU的性能，CPU可包含多个内核，每个内核就是一个独立的CPU。

其他参数：Cache的结构和速率、CPU的生产工艺技术、CPU指令系统、CPU逻辑结构等。

以上因素都会影响到程序的执行速度，也就是系统的整体性能。3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3GHZ/512/800主频二级缓存系统总线频率3.2.3

微型计算机的主机系统--1.CPU的主要技术参数3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理2.微机主板及其主要部件3.2.3

微型计算机的主机系统3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理主板上都有什么？3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理（2）内存插槽用来安装内存条。（1）CPU插座用于连接并固定CPU芯片的。（3）总线扩展槽用来连接各种功能插卡，如：网卡、声卡等。3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在两个芯片内，是构成主板电路的核心。

一定意义上讲，它决定了主板性能的好坏。★按照在主板上排列的位置不同，通常分为：（4）芯片组主板的灵魂3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理①北桥芯片:通常在主板上靠近CPU插槽的位置，是存储控制中心，用于连接CPU、内存条、显卡等。主板性能的高低主要由北桥芯片决定。②南桥芯片:通常靠近PCI总线插槽的位置，是I/O控制中心。主板功能的多少，往往取决于南桥芯片与主板上的一些专用芯片。主桥CPU类型不同，通常需要不同的芯片组。注意：3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理BIOS和CMOS是主板上两块重要的集成电路。（5）BIOS和CMOSBIOS芯片电池CMOS芯片3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理BIOS是操作系统的最底层部分的可执行程序代码，是硬件和软件的接口。BIOS代码是被固化在只读存储器芯片(ROM)中，故称为BIOS芯片。CMOS中存放着用户对计算机硬件设置的一些参数，如：系统当前的日期和时间、系统的口令等。CMOS芯片属于RAM芯片，具有易失性，因此需要电池持续供电，否则信息就会丢失。（5）BIOS和CMOS3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

BIOS主要包含4部分程序:POST程序基本外围设备的驱动程序系统装入程序CMOS设置程序一般情况下是不能被修改的!3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理BIOS是一段可执行程序代码；CMOS中存储了重要参数

通过CMOS设置程序（BIOS中的一段）可以对CMOS芯片中的参数

进行设置。注意：CMOS芯片与BIOS芯片的关系。CMOS设置程序是BIOS的一部分。3.2.3

微型计算机的主机系统--2.微机主板及其主要部件3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.内存储器按功能特征分为两类：内存储器RAMROM3.2.3

微型计算机的主机系统3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理①

随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)

只能在电源电压正常时才能工作，其中的信息可以随时改写，断电后，里面的信息会丢失。既能读出也能写入，存放用户程序和数据。SRAMDRAMRAM分类：3.2.3

微型计算机的主机系统--3.内存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理动态随机存储器(DynamicRAM)：集成度高、功耗低，成本低；内存条通常使用这种动态RAM；动态：指内存需持续地刷新来保存数据。静态随机存储器(StaticRAM)：采用了与制作CPU相同的半导体工艺；运行速度快、集成度低，功耗大，容量小，价格高；适用于各级缓存；3.2.3

微型计算机的主机系统--3.内存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理具体工作：计算机系统装载程序时，先加载一部分数据到内存条中供程序运行使用。内存条内存是仅次于CPU的决定计算机性能的一个重要标志。内存芯片3.2.3

微型计算机的主机系统--3.内存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理②只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）通常存放固定不变不需修改的程序，如BIOS程序。断电后，其中的信息不丢失。ROM掩膜式ROM可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）快擦除ROM（FlashMemory）电可擦除PROM（EEPROM）BIOS存储器、U盘、数码相机、手机……3.2.3

微型计算机的主机系统--3.内存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理Cache（SRAM）Cache控制器CPU主存储器（DRAM）

将内存中经常被CPU访问到的那部分程序的内容拷贝到Cache存储器中（该工作由系统自动完成），以后CPU执行这部分程序时，可以用较快的速度从Cache中存取。③高速缓冲存储器Cache3.3.3存储器的层次结构3.3微型计算机的主机系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理ROM内存储器SRAMDRAMRAMBIOS存储器Cache主存储器综上，内存的类型及应用：3.2.3

微型计算机的主机系统--3.内存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理对I/O设备的读写操作（1）I/O操作①什么叫I/O操作？CPU与I/O设备进行数据交换的操作②I/O操作有哪些特点？

速度差异大信号类型不同差异如此多，如何管理呢？4.I/O操作、I/O总线与I/O接口信息格式不同与微机系统连接方式各不相同3.2.3

微型计算机的主机系统3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

正因为I/O设备的多样性及I/O操作的差异性，外设与CPU相连，必须通过中间环节——I/O接口电路实现信息交换，也称I/O控制器。中央处理器内存储器系统总线I/O控制器外存储器输出设备输入设备I/O控制器I/O控制器I/O端口I/O端口外存储器接口主机外设3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

对主机与外设两个方面进行协调和缓冲，如：进行数据缓冲；速度匹配、信息转换等。I/O控制器的主要作用：

每一类I/O设备都有各自专用的I/O控制器，只不过有的I/O控制器功能集成在主板的芯片内。3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理（2）I/O总线

总线：各部件或各设备之间传输信息的一组公共的信号线及相关控制电路。I/O总线：I/O控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的信号线，也称系统总线；3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统系统总线，按照传递信号类型不同分为：

地址总线、控制总线、数据总线第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

总线最重要的性能是它的数据传输速率,称为总线带宽,指单位时间内总线上可传送的数据量。总线的性能总线带宽(MB/s)＝(总线位宽/8)×总线工作频率(MHz)×传输次数总线能同时传送的数据位数，如32位、64位。3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统每个时钟周期内数据传输的次数。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理系统总线标准①PCI总线

一种32位并行总线，频率一般为33MHz；

优点：结构简单、成本低、设计容易；

缺点：带宽有限，多个设备共享带宽。②PCI-E（PCI扩展标准）在PCI总线基础上发展起来的；采用高速串行传输，采用点对点的方式传输数据；

优点：带宽高，多个设备独享带宽。3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

I/O设备和I/O控制器要实现互联，必须通过插头/插座。把用于连接各种I/O设备的各种插头/插座，统称为I/O接口。（3）I/O接口3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理并行接口USB接口串行接口键盘接口鼠标接口音源接口I/O接口分类从数据传输方式来分：串行（一次只传输1个二进制位）并行（8位或者16位、32位一起进行传输）3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理串行传输并行传输3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理从是否能连接多个设备来分：总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分：标准接口（通用接口）专用接口I/O接口分类3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理通用串行总线式接口（UniversalSerialBus）高速、可连接多个设备、串行传输传输速率：USB2.0:60MB/sUSB3.0:600MB/sUSB接口3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

I/O设备、I/O接口、I/O控制器及I/O总线等之间的相互关系如下图所示。键盘鼠标器打印机显示器麦克风…I/O总线I/O接口硬盘，光驱I/O设备CPU主板I/O设备I/O控制器（扩展卡）机箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽内存主板插槽机箱芯片组IDE接口3.2.3

微型计算机的主机系统--4.I/O操作、I/O总线与I/O接口3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理1.硬盘存储器3.2.4

外存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理盘片控制电路磁头（1）组织结构主轴3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理硬盘包含多张盘片每个盘片有两个记录面3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理每条磁道有若干扇区每个记录面有若干磁道信息记录格式：按磁道和扇区进行存储，但磁道和扇区数目非常多。3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理存储容量=磁头数*磁道数*每道扇区数*每扇区字节数①存储容量一般为512B或4KB（2）硬盘主要性能指标3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理②转速

盘片每分钟转动的圈数，如7200rpm。③平均等待时间

数据所在扇区转到磁头下的平均时间；约3ms～6ms,一般取盘片旋转周期的一半。

例如：硬盘的转速为6000转/分钟，则平均等待时间为5ms。④硬盘自带Cache的容量

容量越大，存取信息速度越快。3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理PC较早大多使用IDE(也称ATA)，一个IDE接口可同时连接两个外设。

（3）硬盘接口类型IDE接口3.2.4

外存储器—1.硬盘存储器3.2微型计算机硬件系统第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理SATA接口，以高速串行方式传输数据。3