计算机科学概论（微课版）· 第2章 计算机发展与概述 · 教学课件

高等学校计算机专业核心课程精品系列教材计算机科学概论（微课版）第2章计算机发展与概述图灵模型·冯·诺依曼体系结构·硬件与软件·类型与性能ENIAC的工作环境（世界上第一台通用计算机）教材图2-7，见教材第19页第2章·计算机发展与概述本章学习目标与知识地图本章从图灵模型与冯·诺依曼体系结构两大理论基石出发，带你认识计算机的硬件与软件，并了解计算机的类型、数据、特点与性能评估。学完本章，你能够01理解图灵模型与通用图灵机的思想02掌握冯·诺依曼体系结构五大部件03认识硬件、软件与计算机性能指标图灵模型回答「计算机能做什么」，冯·诺依曼体系结构回答「计算机如何造出来」——这两条主线将贯穿本书后续所有章节。本章知识导图（教材第14页）计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述02第2章·计算机发展与概述本章内容结构2.1图灵模型诞生背景｜数据处理器｜可编程数据处理器｜通用图灵机2.2冯·诺依曼体系结构概述诞生背景｜五大部件与存储程序概念2.3计算机硬件CPU｜主存｜输入/输出设备｜GPU2.4计算机软件系统软件（操作系统、系统工具）｜应用软件2.5计算机相关知识类型｜数据｜特点｜性能评估｜基本工作方式章末2.6小结·2.7拓展知识·2.8习题教学建议：本章约2学时；「图灵模型→冯·诺依曼体系结构」的理论主线约1学时，硬件、软件与性能评估约1学时，可结合装机场景组织讨论。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述032.1图灵模型2.1.1诞生背景：从希尔伯特之问到图灵机起点：希尔伯特第10问题（1900年）巴黎国际数学大会上，希尔伯特提出23个根本性数学问题，第10个是：「随便给一个不确定的方程，能否通过有限步骤的运算，判断它是否存在整数解？」若答案是否定的，则意味着有些问题是无解的。图灵的三点思考（1936年论文）①世界上是否所有数学问题都有明确的答案？②如果有，能否通过有限步骤的计算得到答案？③能否用一种通用计算模型，运行至答案被算出？图灵机的四个组成部分状态寄存器+规则表＝控制器，依据当前状态（有限状态机）指挥读写头；读写头：在纸带上写/擦符号，或移动到另一位置；无限长纸带：划分为小格子存放符号，停机状态标志符代表计算结束。图2-1模拟纸带计算过程（教材第16页）图灵模型是一台「思维机器」：用抽象计算框架模拟人用纸笔运算的过程，被证明合理且完整，后来不断扩展才有了现代计算机。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述042.1图灵模型2.1.2数据处理器：计算机的第一个抽象定义：数据处理器是一种能够接收输入数据、执行特定操作并产生输出数据的设备。把计算机先理解为一台数据处理器，是认识图灵模型的第一步。输入数据数据处理器（计算机）输出数据数据处理器模型（依据教材图2-2重绘，教材第16页）实例：简易计算器输入第一个数值→按下「+」→输入第二个数值→计算器执行固定的加法操作并输出结果。按定义，简易计算器就是一台数据处理器（教材图2-3）。但它只是「专用机器」简易计算器只能接收数值这一种输入数据类型，不能接收其他类型数据，因此不满足计算机作为「通用机器」的定义。要反映当今计算机的通用计算性，需要把数据处理器模型改造为图灵模型——下一节为此引入「程序」。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述052.1图灵模型2.1.3可编程数据处理器：加上「程序」这一环图灵模型相较于数据处理器模型，添加了一个额外元素——程序。不同的数据处理器可以编写不同的程序来控制，因此图灵模型更加满足计算机的通用计算性。程序输入数据可编程数据处理器（计算机）输出数据基于图灵模型的计算机——可编程数据处理器（依据教材图2-4重绘，教材第17页）输出数据=输入数据×程序不同程序接收不同类型数据、完成不同操作、输出不同类型数据：装上计算程序就能做数值计算，装上股票分析程序就能绘制走势曲线。计算机集成多种程序→功能多样性→符合「通用」特性。图2-5机器人玩具（教材第17页）类比：可编程数据处理器就像一个机器人玩具——程序是一系列指令，机器人读取指令决定下一步动作：先向前走、再转弯、最后停下。我们可以随时输入、加载指令，指导它执行不同操作。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述062.1图灵模型2.1.4通用图灵机：能模拟一切计算设备定义：可以接收任意程序编码，并模拟程序运作的图灵机，称为通用图灵机（UniversalTuringMachine）。它代表着计算机科学中最高级别的抽象概念，用于描述能够模拟任何其他计算设备的计算机；现代电子计算机其实就是一种通用图灵机的模拟。①具有无限的纸带（无限的程序），可执行任何可计算的任务；②能理解任何形式的输入——文字、图像、音频均可；③只要提供程序和输入数据，就能完成任何可计算的运算。实战检验：破译恩尼格玛密码机二战期间，图灵为英国军方开展密码破译，坚持「用机械对抗机械」的自动化破译思想。基于自己提出的图灵模型，他耗费两年多改进波兰前辈设计的破译机器，使破译恩尼格玛加密通信的效率大幅提升，改变了手工破译的低效模式。图2-6从通用图灵机到破译密码机（教材第18页）承上启下通用图灵机是抽象模型，帮助人们理解计算的本质与可计算性；如何把它落地为真实硬件？这正是2.2节冯·诺依曼体系结构要回答的问题。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述072.2冯·诺依曼体系结构概述2.2.1诞生背景：被「烦琐计算」逼出来的体系结构困境一：曼哈顿计划的海量运算二战期间，冯·诺依曼参与原子弹研制。仅判断一个核反应能否传播，就需要几十亿次数学运算和逻辑指令判断；聘用多名计算人员用老式计算机从早到晚计算，仍远远不能满足需要。困境二：大炮火控问题与ENIAC为美军解决大炮火控问题时，冯·诺依曼把火控问题抽象成数值计算问题并编写程序，使ENIAC（世界上第一台通用数字计算机）能模拟火控计算，根据不同条件迅速得出结果，而不需要手工计算。ENIAC的致命痛点ENIAC没有存储器，程序存储在电路中——每修改一次程序功能，就要重新组装电路板，极其复杂耗时。二战后冯·诺依曼转向计算机科学研究，提出「存储程序」思想，彻底改变了计算机的传统体系结构。图2-7ENIAC的工作环境（教材第19页）冯·诺依曼体系结构由匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼提出，是图灵机的一种实现体系结构。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述082.2冯·诺依曼体系结构概述2.2.2五大部件与「存储程序」概念图2-8冯·诺依曼体系结构（教材第19页）五大部件，相互协作存储器（分内存与外存）存放程序和数据，具备可寻址性；运算器负责数据计算；控制器如同「调度员」，协调各部分按正确顺序执行；输入/输出设备负责与计算机外部交换数据。核心思想一：存储程序程序和数据都以二进制形式存储在内存中，计算机按内存中的指令执行不同操作，无需改变硬件即可运行不同程序——灵活性与通用性正来源于此。核心思想二：指令的顺序执行运算器与控制器集成在一起即CPU。程序由有限数量的指令组成，CPU按照顺序读取并执行（可连续取址，也可跳转取址），保证程序的逻辑控制、正确性与可预测性。联系图灵模型：指令的顺序执行，对应图灵模型中读写头按顺序读取纸带符号的过程（教材图2-9）。冯·诺依曼体系结构正是通用图灵机概念在现代计算机硬件中的实际体现。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述092.3计算机硬件硬件概览与2.3.1CPU：计算机的「厨师」场景导入：小明想自己组装计算机，面对众多硬件参数不知所措。简单计算机的硬件包含三个基本部分——CPU、主存（内存）、输入/输出设备；如今个人计算机一般还包含GPU（图形处理器，俗称显卡）。CPU＝运算器＋控制器CPU负责执行各种计算指令：运算器执行算术逻辑运算，控制器控制指令流程。把CPU比作厨师：按菜谱（指令集）进行配菜、切菜、炒菜（算术逻辑运算），同时控制整个烹饪过程按正确顺序进行（控制指令）。两个主要参数①主频：可理解为运算速度，主频越高运算越快——好比刀工娴熟的厨师切菜更快；②核心、线程：可理解为可参与运算的单位，核心线程越多可同时进行的运算越多——好比一个厨师同时用多个锅炒菜。图2-11不同品牌的CPU（教材第21页）GPU（显卡）专门用于处理图形和图像，广泛用于图形渲染、游戏和科学计算等领域，是个人计算机标配之外的性能担当。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述102.3计算机硬件2.3.2主存与2.3.3输入/输出设备主存：CPU的「菜架」主存用于存储待操作数和程序指令，分为不同存储单元，每个单元都有唯一地址，可由CPU直接随机访问和读写。类比菜架：烹饪前取原料（读数据），烹饪后放菜品（写数据），每格都有位置（数据地址）。游戏、Office软件的数据都要先加载到主存才能被CPU访问。经验：同时开很多软件容易卡死，大概率是主存资源紧缺——增大主存容量，相当于换更大的菜架，协作更流畅。图2-12不同类型的内存条（教材第21页）输入/输出设备：点菜与上菜厨师获取点菜信息才开始炒菜（输入），做好的菜品端上餐桌（输出）。鼠标单击、键盘信号对计算机而言都是数据输入；显示器呈现桌面、打印机打印文档则是数据输出。图2-14常见的输入/输出设备（教材第22页）计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述112.4计算机软件2.4.1系统软件：计算机的「大管家」计算机软件是一系列定制化程序，分为系统软件与应用软件。软件史上，埃达·洛夫莱斯被认为是世界上第一位程序员；1973年帕克研究中心开发出世界上第一个图形用户界面（GUI）；20世纪末至21世纪初，开源运动促进了Linux、Firefox等项目的发展。操作系统：管理硬件资源的「大管家」操作系统负责任务调度、内存管理等，协调各部分工作有序进行；最初是为应用程序访问计算机部件提供接口的管理程序，现代操作系统功能日益强大。Windows广泛用于个人计算机和服务器；Linux开源，应用于服务器、超算和嵌入式系统；macOS以简洁外观和用户体验著称。系统工具：驱动程序、编译器与维护程序驱动程序：确保操作系统与硬件设备有效通信，使硬件充分发挥性能；编译器：把高级语言源代码翻译成机器代码供计算机执行；维护程序：磁盘清理、防病毒软件、文件压缩工具等，承担系统维护、诊断和配置任务。图2-15常用的操作系统标志（教材第23页）想一想为什么手机、计算机经常提示系统更新或驱动更新？——就像汽车需要定期维护，系统软件也需要不断更新以保持最佳状态。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述122.4计算机软件2.4.2应用软件：为特定任务而生定义：应用软件（ApplicationSoftware）是为特定任务或用途而设计的程序，以满足用户的实际需求。其本质上还是使用计算机硬件和系统软件来执行各种操作任务。计算机上的应用软件QQ、微信等通信交流软件；Word、Excel等办公组件；还有网络游戏等，都属于计算机应用软件。手机上的应用软件抖音、淘宝、京东、12306等手机应用软件，覆盖从业务管理到娱乐、教育等几乎所有领域。小结：网页搜索、音乐播放、游戏娱乐……这些日常行为的背后都离不开应用软件。图2-16常见的应用软件标志（教材第23页）软硬件关系应用软件→依托系统软件（操作系统）→调用硬件资源。硬件提供计算与存储的物理平台，软件控制硬件资源的分配与管理，二者协作，整个计算机系统才能有条不紊地运行。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述132.5计算机相关知识2.5.1计算机的类型：八大家族1超级计算机复杂科学与工程计算：气象预测、核能模拟、天体物理；神威·太湖之光、天河一号2大型计算机大规模数据与事务处理：银行、医疗、政府机构；IBM占超90%市场份额3服务器数据存储、事务处理与应用服务：托管网站、应用软件、数据库4工作站专门用途的个人计算机：高性能计算、科学工程应用、3D建模与动画制作5个人计算机桌面式或便携式：一般办公、互联网浏览与娱乐，如台式机、笔记本电脑6嵌入式计算机内置在其他设备中：智能手机、汽车控制系统、家用电器的控制与监测7移动设备智能手机、平板电脑：触摸屏界面，娱乐通信、电子书与轻量生产力8量子计算机基于量子力学原理：潜在突破性计算能力，面向密码学、材料科学等图2-17超级计算机（教材第24页）读图：我国的「神威·太湖之光」和「天河一号」都属于超级计算机，这类计算机拥有大量处理器和内存，以期达到极高的计算速度。随着技术演进，新的计算机类型和架构仍在不断涌现。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述142.5计算机相关知识2.5.2计算机的数据：表达、计算与传输计算机处理的数据分为两种主要类型：程序（一系列指令组成的指令集合，CPU从主存读取并运行）和数据（程序处理的信息，可为文本、图像、音频等形式）。①数据的表达：二进制计算机内部数据最终都是0、1序列：一张2000字节的图片，对应序列长度为2000×8＝16000位。为什么用二进制？只有开/关（0/1）两种状态的电子元器件最稳定；0、1两个数字还能简化运算器结构、提高运算速度。打开图片、视频、文档，底层都是把文件的0、1序列加载进主存，由解释性程序计算后展示。②数据的计算CPU基于二进制表达进行各类运算：算术运算：加、减、乘、除（整数2+2即10+10=100，二进制100就是十进制4）；浮点数遵循IEEE754标准；逻辑运算：与、或、非，用于条件判断与决策；比较运算：确定两个值的大小关系，控制程序流程；位运算：按位操作，如10101010与01010101按位或得11111111。③数据的传输：总线地址总线指示要读写的存储器地址；数据总线负责实际数据传输。传输还包括固态硬盘等外存与存储器之间的数据交换，多数通过有线方式进行，不同接口遵循不同协议（如M.2/SATA），接口决定读写速度。网络数据除网线外，还可经Wi-Fi、蓝牙无线传输（第5章详解）。数据计算原理将在第3章详细介绍；本页示例均出自教材第25—26页。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述152.5计算机相关知识2.5.3计算机的特点与2.5.4性能评估四大特点1高速度与高精度：执行指令远快于人；字长越长精度越高，不受人为错误或疲劳影响——卫星轨道、气象预报皆依赖于此。2自动化与可编程性：以存储程序方式工作，按需求编写运行不同程序，应用灵活覆盖各领域。3存储功能强且可扩展：内存＋辅助存储使信息长期保存检索成为可能；可添加硬件/软件模块，还可运行虚拟机提高资源利用率。4并行处理与学习通信：分时操作系统或多核处理器同时执行多任务；通过网络通信实现信息传输与分享。五类性能指标①CPU性能时钟周期越短运算越快，常用其倒数主频表示（如今流行2.8GHz、3.0GHz）；运算速度用MIPS（每秒百万指令数）衡量，个人计算机一般1500MIPS以上；CPI＝主频f÷（MIPS×10⁶）。②内存性能内存容量越大，记忆信息能力越强；内存读写比CPU运算低1～2个数量级，内存带宽直接影响运行速率。③数据传输性能硬盘读/写速度以每秒数据量表示；固态硬盘成本低、速率高，替代机械硬盘趋势明显。④字长每次可读取并运算的数据长度；字长直接影响计算机的功能强弱、精度高低和速度快慢。⑤GPU性能与帧速率GPU性能含图形渲染速度与图形计算性能；帧速率以FPS为单位，帧数越大画面越流畅（打游戏时感受最明显）。不同应用环境下应关注不同性能指标，按需选择软硬件配置。（教材第26—27页）计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述162.5计算机相关知识2.5.5基本工作方式：IPOS循环计算机的基本工作方式可分为四个关键步骤：输入（Input）、处理（Processing）、输出（Output）、存储（Storage），概括为「IPOS循环」。图2-22计算机的基本工作方式（教材第28页）输入接收键盘、鼠标、摄像头、传感器等设备的数据——文本、图像、音频、视频等各种形式。处理CPU执行内存中的程序，进行各种计算、逻辑操作和数据处理，可针对各种数据类型。输出处理结果传送到显示器、打印机、扬声器等设备，供用户观察、听取或接收。存储内存临时存储正在处理的数据和程序，供CPU快速访问；固态硬盘等长期设备持久化保存数据和程序。四个步骤周而复始，构成每台计算机每次任务处理的基本节奏。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述172.6小结本章小结：从抽象模型到真实计算机01图灵模型：计算机发展的理论基础图灵模型是一种抽象计算模型，程序和输入保存在纸带上，图灵机按纸带信息一步步执行直到得出结果；它证明了通用计算理论，引入了读、写以及程序的概念，从中已能看到冯·诺依曼体系结构的影子。02冯·诺依曼体系结构：通用图灵机的硬件实现程序编成数码与数据一同存入存储器，计算机依次取出指令并执行，实现可编程；其核心思想是减少硬件连接、实现硬件设计与程序设计分离——这一分离一定程度上催生了程序员职业。03计算机硬件：性能上限的决定者硬件不仅包含CPU、主存、输入/输出设备和GPU，还包含主板、网卡等；硬件的优劣决定计算机整体性能的上限，理解硬件是理解计算机系统如何工作的关键。04计算机软件：硬件资源的调度者硬件提供计算与存储的物理平台，软件控制硬件资源的分配和管理；软件的运行需要硬件能够理解程序描述（编译器负责翻译）。只有软硬件相互协作，整个计算机系统才能有条不紊地运行。下一章预告第3章「数据表示与运算」：数制及其转换、原码/反码/补码、定点数与浮点数、逻辑与移位运算。计算机科学概论（微课版）｜第2章计算机发展与概述182.7拓展知识拓展知识：「存储程序」诞生背后的故事①痛点催生革新冯·诺依曼是在经历曼哈顿计划的