[理学]大学计算机教程-第1章_绪论

1.〞5.402.“与进电位子计部数件制的二态性相对应。如 电源的 “开〞 → “ 1 〞；“断〞 →
只采用r个根本符号 (例如0，l，2，…，r-1)表示数值，那么称为r位计数制 ，r称为该数制的基。因此，二进制有如下特点：
计算机中数字编码
其特点是： ⑴每一种数制都有固定的符号集：如十进制数制，有十个符号：0，l，2， …，9。二进制数制，有两个符号：0和1。 ⑵都使用位置表示法：即处于不同位置的数符所代表的值不同，与它所在位 置的权值有关。
④计算机辅助系统：主要包括计算机辅助设计CAD、计算机 辅助制造CAM、计算机辅助教育CBE、计算机辅助教学CAI和 计算机管理教学CMI等。
⑤人工智能：是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过 程。
⑥电子商务(E-Business)：指通过计算机网络进行商务活动。
4 计算机开展趋势
计算机开展的五种趋向：巨型化、微型化、网络化、多媒体化 和智①能巨化型。化：是指开展高速度、大存储量和强功能的巨型计算
计算机中字符〔汉字〕编码
每个汉字给定一个唯一的二进制编码。由于汉字数量较多，故用两个字节表示。原 那么上，两个字节可以表示256×256=65536种不同的符号，但方案中只用了两个 字节的低7位〔高位一般都取1〕。加之每个字节中都不能再用32个控制功能码及 127的操作码。所以每个字节只能有94个编码。这样，双七位实际能够表示的字数 是94×94=8836个。
2 计算机分类与特点
分类 1 .按功能分为：
①通用计算机 ②专用计算机 ③工业控制机 2 .按工作原理可分为：
①电子数字计算机 ②电子模拟计算机 ③模拟、数字混合计算机 3 .按规模那么可分为： ①通用机 ②巨型机 ③小型机 ④微型机

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1.1.2 计算机的分类
3.按规模大小分：
巨型机：运算速度高、存储量大、处理能力强、工艺技术性能 先进，主要用于复杂的科学和工程计算。 大型机：具有较强的数据处理和管理能力，运算速度较快，每 秒钟可达几千万次,通常用于国家级科研机构及高等院校中。 小巨型机：是一种新发展起来的小型超级计算机或桌面型超级 计算机，它可以使巨型机缩小成个人机的大小，或使个人机具 有超级计算机的性能。 小型机：规模小、结构简单、价格便宜、通用性强、维修使用 方便，主要用于工商业及事务处理。 PC机：又称微型机或个人计算机,是目前应用最广泛的计算机. 它体积小、功耗低、成本低、价格低,一般为家庭或个人使用。 等……
数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。
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计算机发展——智能化
‚总有一天，人类会造出一些举止跟人一样 的 ‘没有灵魂的机械’来‛。
第一代机器人 机械手（1962年出现）
——笛卡尔（1637）
第二代机器人 具有‚感觉‛的机器人
第三代机器人 装有启发式计算机的‚智能机器人‛
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计算机硬件系统 20 各部分联系示意图
主机
即主板、CPU、内存和输入/输出设 备接口等一起组构成的子系统
图2-2主机箱外观
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图2-3主机箱内部结构
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主板
图2-4 主板结构图
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CPU
Central Processing Unit
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1.1.2 计算机的分类

Android
基于Linux的移动操作系统，广泛应用于智 能手机和平板电脑。
操作系统的功能
资源管理
操作系统负责分配和管理计算机硬件资 源，如CPU、内存、磁盘空间等。
用户界面
操作系统提供用户界面，使用户能够 方便地与计算机进行交互。
任务调度
操作系统根据任务优先级和系统负载 情况，合理分配CPU时间，确保任务 高效执行。
THANKS
感谢观看
03
Excel
学习电子表格的制作，掌握单元 格的编辑、公式和函数的使用、
数据分析和图表制作等。
02
Word
掌握文档的创建、编辑、排版和 打印等操作，学习使用样式、表
格、图片、超链接等功能。
04
PowerPoint
了解演示文稿的制作，掌握幻灯 片的编辑、动画效果和放映设置
等操作。
操作系统的维护
总结词
操作系统的重要性
操作系统是计算机系统的关键组成部分，对计算 机性能、稳定性和安全性具有重要影响。
常见的操作系统
Windows
由微软公司开发的桌面操作系统，广泛应用 于个人和商业领域。
Mac OS
苹果公司开发的专有操作系统，主要用于苹 果设备。
Linux
开源的操作系统，适用于服务器、桌面和移 动设备，具有高度的可定制性。
课程内容
本课程将涵盖计算机体系结构、操 作系统、编程语言、数据结构和算 法等方面的知识。
学习目标
掌握计算机科学的基本概 念和原理。
了解计算机系统的基本组 成和功能。
掌握常用的计算机编程语 言和开发工具。
培养分析和解决问题的能 力。
02
计算机基础知识
计算机的发展历程

① “数据”的表示 ② “计算规则”的表示 ③ 数据和计算规则的存储 ④ 计算规则的“自动执行”
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1.1.2 思维概述
1. 思维与思维过程
① 分析与综合 ② 比较 ③ 抽象与概括
2. 三种科学思维
① 实证思维：实验思维 ② 逻辑思维：理论思维 ③ 计算思维：构造思维
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1.1.3 计算思维的引入
1. 计算思维的含义
① 机器人、专家系统、模式识别、智能检索
6. 网络应用 7. 多媒体技术的应用
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1.3 高性能计算机 1.3.1 并行计算 1.3.2 分布式计算 1.3.3 集群计算 1.3.4 云计算
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1.3.1 并行计算
1. 并行计算（Parallel Computing）：
指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程。
① 计算思维是概念化思维，不是程序化思维。 ② 计算思维是基础的技能，不是机械的技能。 ③ 计算思维是人的思维，不是计算机的思维。 ④ 计算思维是思想，不是人造品。 ⑤ 计算思维是数学和工程互补的思维，不是数学性的思维。 ⑥ 计算思维面向所有的人，所有领域。7源自1.1.3 计算思维的引入
2. 计算思维的特点
① 算盘时代 ② 机械时代 ③ 机电时代
加法器
差分机
制表机
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1.2.1 计算机的发展
2. 计算机的诞生
1946年2月14日诞生，是美国宾夕法尼亚大学研制的 “电子数值积分计算机”（ENIAC）。
1. 5000次加法/秒 2. 保存80个字节 3. 体重28吨 4. 占地170m2 5. 18800只电子管 6. 1500个继电器 7. 功率150KW 13
三级分层：云软件、云平台、云设备。

3) 混合计算机 混合计算机兼有模拟计算机和数字计算机两种计算机的 优点，既能处理模拟物理量，又能处理数字信息。混合计算 机一般由模拟计算机、数字计算机和混合接口三部分组成， 其中模拟计算机部分承担快速计算的工作，而数字计算机部 分承担高精度运算和数据处理。混合计算机的优点是运算速 度快、计算精度高、逻辑运算能力强、存储能力强以及仿真 能力强，主要应用于航空航天、导弹系统等实时性的复杂系 统中。这类计算机往往结构复杂，设计困难，价格昂贵。
电子器件的更新推动着电子计算机的高速发展，计算机 按各时期所使用的元器件可分为四代：第一代为电子管计算 机，第二代为晶体管计算机，第三代为集成电路计算机，第 四代为大规模及超大规模集成电路计算机。
图1.1 ENIAC图片
1．第一代计算机 1946年～1957年，为电子管计算机时代。 第一代计算机的主要电子元器件为真空电子管，以汞延 迟线、磁芯等为主存，以纸带、卡片、磁鼓、磁带和磁芯等 为辅存，因此体积庞大，造价高，耗电量大，存储空间小， 可靠性差且寿命短；没有系统软件，编制程序时只能采用机 器语言和汇编语言，不便于使用；运算速度低，每秒只能运 算几千至几万次，主要用于军事和科研中的科学计算。
3．第三代计算机 1965年～1971年，为集成电路计算机时代。 第三代计算机的主要电子元器件为中、小规模集成电路， 以半导体存储器为主存，以磁带、磁带库和磁盘等为辅存， 因此较电子管计算机体积进一步减小，造价更低，功耗更小， 存储空间更大，可靠性更高，寿命更长且外设也有所增加； 运算速度提高到每秒近千万次，功能进一步增强，应用领域 全面扩展到工商业和科学界；出现了BASIC和PASCAL等更 高级的语言，操作系统和编译系统得到进一步完善，且出现 了结构化的程序设计方法，使编程和操作更加方便。

验证等研究计算。
1.1 计算与计算模型
上世纪初，德国大数学家希尔伯特(Hilbert)提出： 是否存在着一个通用过程，这个过程能用来判
定任意数学命题是否成立，即，输入一个数学命题， 在有限时间内，得到一个证明，如果这个命题成立； 或是一个反例，如果这个命题不成立。
图灵证明了对于平面几何来说，存在这样的过程。 但是，对于一般的数学命题，不存在这样的过程。
图灵机和可计算函数
英国 数学家
1936年，图灵24岁时发表一篇 论文《论数字计算在判决难题 中的应用》，提出著名的“图 灵机”的设想。这一思想奠定 了现代计算机的基础。
美国计算机协会在图灵去世12 年后以他的名字命名了计算机 领域的最高奖“图灵奖”。
艾伦·图灵（1912－1954）
1.1 计算与计算模型
判定。
1.3图灵机
NP完全问题：
NP类中某些问题的复杂性与整个类的复杂 性相关联，这些问题称为NP完全问题。
可计算性与计算复杂性
可计算性computability 是否可解
复杂性 complexity 解的难易程度
1.4 语言与文法
乔姆斯基最初从产生语言的角度研究语言， L*。
问题：考察一个字符串是否是某个语言的句 子。
计算的图灵机定义：
1936年由Turing给出，定义计算为： 输入—执行过程（有限步内结束）—输出
1946年，冯·诺依曼与宾夕法尼亚大学的工程师 采用电子器件物理实现了图灵的计算模型，建成 了世界的第一台计算机。
现在称计算机的体系结构为冯·诺依曼体系结构。
1.1 计算与计算模型
图灵给出了过程的科学定义，区分了可计算 的问题和不可计算的问题。
1.6 计算逻辑与描述逻辑

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1.4 计算思维与学科融合
1.4.1 计算化学 1.4.2 制造业 1.4.3 计算神经学 1.4.4 计算金融 1.4.5 计算社会科学
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1.4.1 计算化学
1. 计算化学（Computational Chemistry） ① 一种实验之外的化学，顾名思义就是通过计算来获得 各种性质的化学。 ② 本质上，计算化学的研究方法是一种建立模型进而处 理的方法。
1.2.1 计算机的发展
3. 计算机的发展史（根据使用的电子器件划分）
时代 年 份
元器件
软件
应用领域
1946-一 1957
电子管
机器语言 汇编语言
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
科学计算
1958-二 1964
晶体管
高级语言 监控程序
数据处理 工业控制
1965-三 1970 中小规模集成电路 操作系统
文字处理 图形处理
数据库、
四 1971— 大规模集成电路
第1章 计算思维与计算机
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第1章 计算思维与计算机
1.1 计算与计算思维 1.2 计算机概述 1.3 高性能计算 1.4 计算思维与学科融合
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1.1 计算与计算思维
1.1.1 计算的含义 1.1.2 思维概述 1.1.3 计算思维的引入 1.1.4 计算思维的培养 1.1.5 计算思维与计算机科学
2. 特征
① 将工作分离成离散部分，有助于同时解决； ② 随时并及时地执行多个程序指令； ③ 多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资
源下的耗时。
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1.3.2 分布式计算
1. 分布式计算是一门计算机科学，主要研究分布式系统。 ① 一个分布式系统包括若干通过网络互联的计算机。 ② 这些计算机互相配合以完成一个共同的目标（ “项 目”）。

Γ 是有限输入带字符集
δ 是状态转移函数
q0 是初始状态 F 是有限终结状态集
B 是空格符
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冯·诺依曼：美籍匈牙利数学家，
提出了著名的“存储程序”设计思 想。
John Von Nouma
存储程序工作原理
➢存储程序到内存 ➢自动按地址执行行的二进制代码，它规定了
外部 设备 总线
中央处理器 （CPU） 内存储器
输入设备 输出设备 外存
系统软件 应用软件
运算器 控制器 RAM ROM
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计算机硬件
➢ 微处理器：也称中央处理器单元（CPU），是计算 机的核心。
• 提供运算和控制功能。主要包括： 运算器、控制 器。
• 微处理器是计算机系统的运算和指挥控制中心。 由运算器、控制器组成。
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量子计算机（Quantum Computer）是一种遵循量子力
学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物 理装置。
生物计算机（Bio-computer）是将生物工程技术产生的
蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，利用有机化合物存储 数据的计算机。
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计算机 系统
硬件 系统
软件 系统
主机
图灵机由三部分组成：一条两端都可无限延长的被 分为一个个小方格的纸带、一个有限状态控制器和 一个在带子上可以左右移动的读写头。
…… a1
a2 …… ai …… an ……
控制器 状态q1
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图灵机的形式化定义
一台图灵机是一个七元组（Q，∑，Γ，δ，q0，B，F）， 其中：
Q 是有限状态集
∑ 是有限输入字符集
➢ 存储器：计算机中的记忆装置。 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。 主要包括内存储器和外存储器。

中央处理器
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1.3.2 微型计算机的组成
内存储器
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1.3.2 微型计算机的组成
显示适配器
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1.3.2 微型计算机的组成
声卡
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1.3.2 微型计算机的组成
硬盘驱动器
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1.3.2 微型计算机的组成
十进制向二进制的转换 ——按权展开
例：将二进制数（1011.01）2 转换成十进制数 （1011.01）2 = 1 23 + 0 22 + 1 21 + 1 20 + 0 2-1 + 1 2-2
= 8+0+2+1+0+0.25=（11.25）10
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1.2.1 计算机内数的表示与转换——2.数制的转换
办公自动化
人工智能
多媒体应用
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1.2 数制与编码
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什么是（进位计）数制
数制:
指用一组固定的符号和统一的规则来表示数的方法,也称计 数制。
进位计数制:
按进位的方法进行计数,如十进制“满十进一”。
9 8 7 6 5 4 3 2 1 -1
123456789.0
108 107 106 105 104 103 102 101 100 10-1
进位计数制的三要素
数位:指数中各数字的位置 基数:用来表示数字的符号个数 位权：数字在不同位置上的倍率值
计算机世界使用二进制
为什么计算机要使用二进制