大学计算与人工智能 课件第1章 计算系统的基本原理

大学计算与人工智能（第1章计算系统的基本原理）-

2内容简介本书依据《新时代大学计算机基础课程教学基本要求》，在强化计算思维能力培养的同时，采用大量Python编程实例来提升学生对物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的理解能力。全书主要内容包括计算系统、Python程序设计、计算思维与问题求解、计算机网络与物联网、数据存储与分析、人工智能和信息安全等。全书紧扣课程思政主题，多凝练思政要素，聚焦创新素养、工匠精神与家国情怀的养成。本书可作为高等院校、高职高专大学计算机基础系列课程的教材使用，还可作为新一代信息技术研究人员的入门参考书。第1章计算系统的基本原理学习目标（1）了解计算系统的发展历程，理解单计算机系统和多计算机系统的差异。（2）理解单机系统的理论模型（图灵机模型）和实现模型（冯诺依曼体系）。（3）理解计算机系统的基本构成和工作原理，能够利用机硬件和软件组装一个计算机系统。（4）理解信息系统中的信息表示方法，如数制表示、进制转换和编码方法。（5）能够在二进制数、八进制数和十六进制数间进行转换。（6）理解英文字符的ASCII编码规则和中文字符的编码规则。（7）能够对给出的点阵字符（包括中文、英文）进行数字化编码。

3本章目录1.1计算系统的发展1.2单计算机系统模型1.3单计算机系统的组成1.4计算机的信息编码1.5计算机的基本运算

4计算思维+人工智能1.1计算系统的发展事实上，我们每天都在使用计算系统或平台，小到智能手机、平板电脑、桌面电脑，大到服务器和云计算系统。计算系统的发展经历了从简单到复杂，从功能单一到功能多样化，从单计算机系统到多计算机系统集成融合的过程。

5第1章计算系统的基本原理学习目标（1）了解计算系统的发展历程，理解单计算机系统和多计算机系统的差异。（2）理解单机系统的理论模型（图灵机模型）和实现模型（冯诺依曼体系）。（3）理解计算机系统的基本构成和工作原理，能够利用机硬件和软件组装一个计算机系统。（4）理解信息系统中的信息表示方法，如数制表示、进制转换和编码方法。（5）能够在二进制数、八进制数和十六进制数间进行转换。（6）理解英文字符的ASCII编码规则和中文字符的编码规则。（7）能够对给出的点阵字符（包括中文、英文）进行数字化编码。

61.1.1单计算机系统单计算机系统是指一种大小、价格和性能适用于个人使用的多用途计算机。台式机、笔记本电脑、平板电脑、超级本和智能手机等都属于这个范畴。

71.1.2多计算机系统1）并行计算系统并行计算（parallelcomputing）是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。它的基本思想是用多个处理器来协同求解同一问题，即将被求解的问题分解成若干个部分，各部分均由一个独立的处理机来并行计算。根据并行计算系统使用的CPU的差异性，可以将并行计算系统分为同构并行计算系统和异构并行计算系统。同构计算系统是指由多个相同的处理机或计算机通过网络连接起来所构建的一个多计算机系统。异构计算系统是指由一组异构机器通过高速网络连接起来、配以异构计算支撑软件所构成的一个多计算机系统。

81）并行计算系统超级计算系统高效能的并行计算系统又称为超级计算机系统。2003年，曙光4000L超级计算机登上全国十大科技进展的榜单。基于中国自主研发的神威26010众核处理器构建的“神威-太湖之光”超级计算机系统，安装了40960个峰值性能3168万亿次每秒的国产处理器。2020年7月，中国科大在“神威-太湖之光”上首次实现千万核心并行第一性原理计算模拟。图给出的是“天河二号”的外部架构。

92）网络计算系统网络计算系统是一种分布式计算系统，旨在为各类研究者提供汇集全球各地大量个人电脑和服务器的强大运算能力，主要包括网格计算平台、云计算平台等。1）网格计算平台网格计算平台（gridcomputingplatform）是2018年公布的计算机科学技术名词。它是一种基于互联网的分布式计算平台。它通过系统软件，把分布在不同地理位置的计算资源有效地集成和管理起来，能屏蔽计算、存储或软件资源的异构性，向开发人员提供单一系统映像，以及全局一致、安全友好的编程接口。

102）网络计算系统2）云计算平台在2006年的搜索引擎大会上，谷歌公司的首席执行官埃里克·施密特首次提出“云计算”这一概念。云计算一经提出，发展极为迅速，不仅受到工业界的高度重视，也得到了学术界的广泛关注。我国政府对云计算的发展给予了有力的支持，在2015年印发的《国务院关于促进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见》中，明确了我国云计算产业的发展目标、主要任务和保障措施。3）移动边缘计算平台移动边缘计算是一种新兴的分布式计算模式，它结合移动通信技术和云计算技术，将计算资源和服务推向网络边缘。移动边缘计算将应用服务部署到边缘服务器上，以解决移动设备面临的计算能力不足、延迟高和能源消耗大等问题。

113）云计算的概念维基百科：云计算是一种新的基于互联网的计算方式，虚拟化的资源在互联网上通过服务的形式提供给用户，而用户不需要知道这些支持云计算的基础设施的具体管理方法。亚马逊公司：云计算是一种新的计算模型，它通过互联网以及“即付即用”的模式进行资源和应用的交付。云计算服务提供商能够给用户提供快速、弹性的资源访问，用户能够简单地通过互联网访问存储、数据库以及服务器等而无须了解底层架构和具体的实现细节。IBM公司：云计算是一种共享的网络交付信息的服务模式，用户看到的只是服务本身，可以按照实际使用量付费，不用去关心实现服务的底层基础设施。

12云计算的服务模式按照云计算的服务范围和服务对象，可以将云计算平台分为三类：公有云平台、私有云平台和混合云平台。公有云：公有云是指云服务面向大众，由云服务提供商运行和维护，为用户提供各种IT资源，包括应用程序、软件运行环境、物理基础设施等。典型的公有云包括：GoogleAppEngine、AmazonEC2、IBMDeveloperCloud及中国的“无锡云计算中心”私有云：私有云是指云服务提供商仅为本企业或组织内部提供云服务，又称为专属云。相对公有云，私有云的用户完全拥有整个云中心设施，可以控制应用程序的运行位置及决定用户的使用权限等。混合云：混合云是指把“公有云”和“私有云”结合在一起的方式。用户可以通过一种可控的方式实现资源部分拥有、部分与他人共享。

13按照云计算提供的服务能力划分，云计算可划分为三个层次的服务模式：软件即服务（SaaS）：服务提供商在云计算设施上运行应用程序，用户通过各种瘦客户终端设备（如手机、平板）使用这些应用程序。平台即服务（PaaS）：用户采用服务提供商支持的工具和编程语言创建个性化的应用，然后将其部署到云平台中运行。如谷歌的AppEngine、微软的Azure和新浪的AppEngine等。基础设施即服务（IaaS）：将数据中心的计算和存储资源虚拟化，以授权服务形式提供，用户按自己的意志部署处理器、存储系统、网络、数据库等资源，自主运行操作系统和应用程序等软件。如Amazon的弹性计算云EC2（ElasticComputeCloud）和IBM的蓝云平台等。

141.2单计算机系统模型计算模式的演变经历了一个较为长期的演变过程。从早期的图灵机理论模型，到冯诺依曼单计算机实现模型，再到量子计算体系；从多机并行计算体系到网络分布式计算体系。每一次计算模型的演化都有其深刻的技术背景和巨大的应用需求。应用需求是推动计算模型不断演化的主要动力。

151.2.1图灵机模型1936年，英国数学家阿兰・麦席森・图灵(1912―1954年)提出了一种抽象的计算模型—图灵机(Turingmachine)。图灵机，又称图灵计算机，即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人类进行数学运算。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作。（1）在纸上写上或擦除某个符号。（2）把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。

161.2.2冯诺依曼计算机体系冯·诺依曼计算机是一个包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成的系统，如图所示。构运算器又称算术逻辑单元（arithmeticalandlogicalunit，ALU）。ALU负责算术运算和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除等基本运算；逻辑运算包括逻辑判断、关系比较以及其他的基本逻辑运算，如“与”“或”“非”等。控制器是整个计算机系统的指挥控制中心，它控制计算机各部分自动协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。

17输入设备用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫输入设备。输入设备把各种形式的信息，如数字、文字、声音、图像等转换为数字形式的“编码”，即计算机能够识别的用1和0表示的二进制代码，并把它们“输入”(Input)到计算机的内存中存储起来。键盘是标准的输入设备，除此外还有鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、麦克风、视频摄像机等。输出设备从计算机输出各类数据或计算结果的设备叫作输出设备。输出设备把计算机加工处理的结果(仍然是数字形式的编码)变换为人或其他设备所能接收和识别的信息形式，如文字、数字、图形、图像、声音等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音像等。通常，我们把输入设备和输出设备统称为输入/输出设备（简称，I/O设备）。

18冯-诺依曼计算机的工作过程可以描述如下。第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器，初始化程序指针，启动运行。第二步：计算机的CPU根据程序指针的值，从存储器中取出程序指令送到控制器去分析和识别，根据分析识别结果，确定该指令功能和含义。第三步：控制器根据指令的功能和含义，发出相应的命令（如打开或关闭数据通路上的开关），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算（如进行加法、减法或逻辑运算等），再把运算结果送回存储器指定的单元中。第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。第五步：修改程序指针，指向下一条指令，重复第二至第五步。

191.2.3量子计算体系1982年，美国著名物理物学家理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。1985年，英国物理学家大卫·杜斯提出了量子计算图灵机模型。理查德·费曼当时就提出如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生了。1993年，姚期智等证明了量子图灵机与量子线路之间存在等价性从而为实现量子计算机提供了理论基础。

201.3单计算机系统的组成1.主机主机是微型计算机系统的核心部件，通常采用总线结构，CPU、存储器、外设接口等均挂接在总线上，外设通过总线和外设接口与主机互连，完成各种输入输出功能。2.外设计算机的输入/输出设备种类繁多，不同设备可以满足人们使用计算机时的各种不同需要。

21计算机软件计算机软件是计算机运行与工作的灵魂，不配置计算机软件的计算机什么事情都做不成。计算机软件按其功能可分为系统软件、应用软件和软件开发环境三大类。目前，常用的台式计算机操作系统有：麒麟、Windows、Unix、Linux、MacOS等；常用的手机操作系统有谷歌的安卓（Android）、苹果的iOS、华为的鸿蒙（Harmony）、微软的WindowsPhone/Mobile等。应用软件是指专门为解决某个应用领域内的具体问题而编制的软件(或实用程序)。如文字处理软件、计算机辅助设计软件、企事业单位的信息管理软件，以及游戏软件等等。软件集成开发环境（IDE）是用于提供程序开发环境的应用程序，一般包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面等工具。

221.4计算机的信息编码什么是信息信息通常是指音讯或消息，即通信系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。在网络通信和工业应用系统中，信息是一种普遍存在的形式，人们通过感知器获得来自自然界和社会的不同信息并以此识别不同事物，从而认识和改造世界。什么是信息革命信息革命是指由于信息生产、处理手段的高度发展而导致的社会生产力、生产关系的一种变革活动，有时也称为第三次工业革命。信息革命的主要标志是计算机的出现、互联网的全球化普及与应用。

23信息革命可以分为三个阶段1）以计算机为标志的第一次信息革命1946年，第一台计算机的产生，标志着全世界进入了第一次信息革命，人类开始迈向信息社会。2）以互联网为标志的第二次信息革命1990年代初，世界各国纷纷提出建立“信息高速公路”，用大容量光纤把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机进行互联。第二次信息革命的标志是计算机网络，其特征是网络化、多媒体化，其功能开始涉及数据、图像、声音等复杂信息的传输，其服务范围包括教育、卫生、娱乐、商业、金融和科研等。3）以物联网为标志的第三次信息革命1998年，麻省理工学院（MIT）提出了基于射频识别（RFID）的产品电子编码（EPC）方案。1999年，美国自动识别技术实验室提出了“物联网”的概念。研究人员利用EPC技术对物品进行编码标识，再通过互联网把RFID装置和激光扫描器等各种信息传感设备连接起来，实现物品的智能化识别和管理。

24什么是数字技术数字技术（digitaltechnology）是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，它是指借助一定的设备将各种信息，包括：图、文、声、像等，转化为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”后进行运算、加工、存储、传送、传播、还原的技术。由于在运算、存储等环节中要借助计算机对信息进行编码、压缩、解码等，因此，有时候也称为数字化编码技术等。

“数字化技术”是随着互联网的迭代与发展，在市场需求中应运而生出来的一门技术。它是指组织在处理或存储数据和完成许多其他功能时所应用的电子工具、设备、系统和资源，目的在于提高组织与员工的生产力和效率。

251.4.1计算机的数制信息的数字化主要涉及数据的二进制表示及编码。在日常生活中，人们通常采用十进制（decimal）来表示数据。但在计算机中，由于受到电子元器件技术的限制，计算机采用二进制（binary）来表示数据。由于一个二进制数所需要的位数较多，所以书写不方便，记忆也困难。在计算机编程中，人们为了书写方便，还经常使用八进制（octal）和十六进制（hexadecimal）来表示数据。

26八进制是一种以8为基数的记数法，由数码0、1.2.3、4、5、6、7八个数组成，常用大写字母O或Q表示，采用“逢八进一”进位方式，例如，353.72Q或53.72Q。十六进制是一种以16为基数的记数法，由数码0～9和字母A～F组成（其中，A～F分别表示10～15），常用字母H或h标识，采用“逢十六进一”的进位方式，例如，8A.E8H。在历史上，中国曾经在重量单位上使用过十六进制，比如，规定16两为一斤。

27二进制数的表示单位计算机二进制设置了位（bit）、字节（byte）、字（word）和双字等多种数据表示单位。(1)位位是计算机内部编码的最基本单位。在计算机中，程序和数据都用二进制表示，一个二进制位只能表示两种状态位，即0和1。位是计算机存储数据的最小单位。(2)字节一个字节等于八个二进制位。以字节作为度量的单位有B（字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节），其中，1KB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB、1TB=1024GB。(3)字和双字一个字等于2个字节；一个双字等于2个字，4个字节。

281.4.2进制数的转换1．二进制数转换为十六进制数将二进制数的整数部分和小数部分分别进行转换，即以小数点为界，整数部分从小数点开始往左数，每4位分成一组，当最左边的数不足4位时，可根据需要在数的最左边添加若干个“0”以补足4位；对于小数部分，从小数点开始往右数，每4位分成一组，当最右边的数不足4位时，可根据需要在数的最右边添加若干个“0”以补足4位，最终使二进制数的总的位数是4的倍数，然后用相应的十六进制数取而代之。例如：111011.1010011011B=00111011.101001101100B=3B.A6CH2．十六进制数转换为二进制数要将十六进制数转换成二进制数，只要将1位十六进制数写成4位二进制数，然后将整数部分最左边的“0”和小数部分最右边的“0”去掉即可。例如：3B.328H=00111011.001100101000B=111011.001100101B

293．十进制数转换为二进制数要将一个十进制数转换成二进制数，通常采用的方法是基数乘除法。这种转换方法是对十进制数的整数部分和小数部分分别进行处理，整数部分用除基取余法，小数部分用乘基取整法，最后将它们拼接起来即可。1）十进制整数转换为二进制整数（除基取余法）十进制整数转换为二进制整数的规则是：除以基数（这里为2）后取余数，先得到的余数为低位，后得到的余数为高位。例如，将175D转换成二进制数，如右图2）十进制小数转换为二进制小数（乘基取整法）将十进制小数转换为二进制小数的规则是：乘以基数（这里为2）取整数，先得到的整数为高位，后得到的整数为低位。

301.4.3字符编码信息的数字化编码（也称为信息编码、数据编码）是指用“0”和“1”这两个最简单的二进制数码，按照一定的组合规则来表示数据、文字、声音、图像、视频等复杂信息。本节主要讨论英、中文字符和语音等在计算机中的表示方法。1．英文字符的ASCII编码ASCII是美国标准信息交换代码，广泛用于小型机和各种微型计算机中。标准的ASCII是由7位二进制数组成，其对应的国际标准为ISO646，其字符编码规则如表1-1所示，表中的列号（横轴）用7位ASCII的高3位二进制b6b5b4表示，行号（纵轴）用ASCII的低4位二进制b3b2b1b0表示，表格的内容为对应ASCII的字符。

31该标准定义了128个符号，在128个ASCII字符中，有95个是可显示和打印的字符，包括10个十进制数字（0～9）、52个英文大写和小写字母（A～Z，a～z），以及若干个运算符和标点符号。例如，大写字母A的ASCII码为1000001B（十六进制表示为41H，十进制表示为65），空格的ASCII为0100000B（十六进制为20H，十进制为32）等。

322.中文字符的汉字机内码1981年，中国制订了中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码代号为GB2312-80，在这种标准编码的字符集中一共收录了汉字和图形符号7445个，其中包括6763个常用汉字和682个图形符号。为避免同西文的存储发生冲突，GB2312字符在进行存储时，通过将原来的每个字节第8位设置为1，用来跟西文加以区别。如果第8位为0，则表示西文字符，否则表示GB2312中的中文字符。

333.多语种的混合编码由于不同国家或地区的ANSI编码之间互不兼容，解决这个问题的最佳方案是设计一种全新的编码方法，而这种方法必须有足够的能力来容纳全世界所有语言中任意一种语言的所有符号，这就是统一码Unicode。目前实际应用的Unicode对应于两字节通用字符集UCS-2，每个字符占用2个字节，使用16位的编码空间，理论上允许表示216=65536个字符，可以基本满足各种语言的使用需要。考虑到将来，又定义了UCS-4编码，即每个字符占用4个字节（实际上只用了31位，最高位必须为0），理论上可以表示231=2147483648个字符。

344.多语种混合的压缩编码UTF-8是一种是针对Unicode码进行压缩的可变长度字符编码。它可以根据不同的符号自动选择编码的长短，其目的是提高Unicode的编码效率。UTF-8根据不同字符，使用1～4字节为每个字符进行编码，其编码规则为：1）当为标准ASCII字符集时，则采用1个字节进行编码，对应Unicode范围为U+0000～U+007F。2）当为带有变音符号的拉丁文、希腊文、西里尔字母、亚美尼亚语、希伯来文、阿拉伯文、叙利亚文等字母时，则采用2个字节编码，对应Unicode范围为U+0080～U+07FF。3）当为中日韩文字、东南亚文字、中东文字等时，则使用3个字节进行编码。4）当为其他极少使用的语言字符时，则使用4个字节进行编码。

35Unicode与UTF-8之间的编码映射关系如表1-3所示。

36Unicode-2到UTF-8编码步骤如下：第一，根据Unicode的编码范围，确定转换后的UTF-8需要的字节数，选取对应的UTF-8编码模板；第二，将Unicode编码写成二进制序列，以二进制形式，从高到低位，依次填充到对应的UTF-8编码模板中“x”位置上。第三，将填充完成的UTF-8编码模板按照十六进制读出，就是转换后的UTF-8编码。

371.4.4字形编码ASCII、汉字机内码和Unicode码都是一种文字编码方法，不能直接在屏幕上进行文字显示。要在屏幕上进行显示，不管是中文汉字还是英文字母和数字，都需要为其构建相对应的点阵字库或矢量字库。我们把为中英文字符构建点阵字库或矢量字库的过程，称为字形编码。

38例如，一个16×16点阵的“你”字，其点阵结构如图所示。在图中，黑色小方块用1表示，白色小方块用0表示。就可以得到一个32字节的“你”字的字模信息2.中文字符显示的矢量编码矢量字库就是通过数学曲线来对每一个汉字进行描述，保存的是每个汉字的字形信息，比如一个笔画的起始、终止坐标，半径、弧度和连线的导数等。字形显示时，字体的渲染引擎读取这些矢量信息，然后通过数学运算来进行显示。这类字库可以保证汉字在任意缩放下不变形，笔画轮廓仍然能保持圆滑和不变色。主流的矢量字库有3种：Type1TrueType OpenType

391.4.5语音和图像编码语音和图像如果需要在计算机内部进行处理，就必须进行数字化。即将语音或图像转换成二进制序列数据。1.语音编码语音编码就是对模拟的语音信号进行编码，将模拟信号转化成数字信号，从而降低传输码率并进行数字传输，语音编码的基本方法可分为波形编码、参量编码（音源编码）和混合编码。2．图像编码图像编码也称图像压缩，是指在满足一定质量（信噪比的要求或主观评价得分）的条件下，以较少比特数表示图像或图像中所包含信息的技术。计算机系统的图像格式：BMP，TIFF格式、GIF格式、JPEG格式、PNG格式等。

401.5计算机的基本运算算机中，通常包括两大类最基本的运算：算术运算和逻辑运算。逻辑运算包括逻辑数的与、或、非、异或等，算术运算包括机器数的加、减、乘、除等。而减、乘、除实际上是通过计算机的机器数的补码加法来实现的。

411.5.1计算机的逻辑运算计算机中的逻辑运算主要包括逻辑非、逻辑与、逻辑或、逻辑异或等4种运算。（1）逻辑非运算（NOT）逻辑非运算又称为取反运算，就是对某个操作数的各位按位取反，使每一位0变成1，1变成0。逻辑非运算的运算符一般写成“ˉ”或“┐”。（2）逻辑与运算（AND）逻辑与运算也叫逻辑乘，表示两个操作数相同位的数据进行按位“与”运算，两个都是1则结果为1，两个中只要有1个为0结果就是0。逻辑与运算的运算符一般写成“∧”或“·”。（3）逻辑或运算（OR）逻辑或运算也叫逻辑加，表示两个操作数相同位的数据进行按位“或”运算，两个都是0则结果为0，两个中只要有1个为1结果就是1。逻辑或运算的运算符一般写成“∨”或“+”。

421.5.2计算机的算术运算在计算机中，运算器除了要完成各种逻辑运算外，还要进行加、减、乘、除等算术运算。计算机的算术运算包括定点算术运算和浮点算术运算。实际工作中，算术运算也是通过各种逻辑运算的组合来实现的。1.机器数在普通数字表示中，将“+”或“-”符号放在数的绝对值之前来区分数的正负。但在计算机系统中，符号也需要用0、1表示。这种将符号与数据一体化进行表示的数，称为机器数。计算机中的机器数包含三种表示方法：原码、反码、补码。1）原码表示法用机器数的最高位代表符号位，其余各位是这个数的绝对值，称为原码表示法。符号位若为0则表示正数，若为1则表示负数。通常用[X]原表示X的原码。

431.5.2计算机的算术运算2）反码表示法正数的反码和原码相同，负数的反码是对