計(jì)算思維與人工智能基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院邱虹坤計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維01計(jì)算的起源計(jì)算一般是指運(yùn)用事先規(guī)定的規(guī)則，將一組數(shù)值變換為另一數(shù)值的過程，即根據(jù)已知量算出未知量，即經(jīng)過有限步驟之后得到一個(gè)確定的結(jié)果。計(jì)算起源于人類早期的生產(chǎn)活動。計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維01起源最初的計(jì)算工具最初的計(jì)算工具輔助記憶石頭：Caculus的意思手指：Digit的意思十進(jìn)制計(jì)數(shù)，簡單方便，但不能存儲結(jié)繩法：延長記憶能力計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算工具的發(fā)展1）手動式

2）機(jī)械式（1）算籌（2）算盤（3）計(jì)算尺計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維最早的人造計(jì)算工具算籌：最早出現(xiàn)于商代祖沖之算出圓周率小數(shù)點(diǎn)后的第七位十進(jìn)制計(jì)數(shù)，簡單方便，但不能存儲我國的天文歷法“運(yùn)籌帷幄”、“觥籌交錯(cuò)”計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維第一種手動式計(jì)數(shù)器——算盤

結(jié)合十進(jìn)制計(jì)數(shù)法和計(jì)算口訣，使用方便，沿用至今。上珠每珠當(dāng)五，下珠每珠當(dāng)一，每一檔可當(dāng)作一個(gè)數(shù)位?？谠E：相當(dāng)于算法。計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

計(jì)算尺：

英國數(shù)學(xué)家威廉·奧特雷德（WilliamOughtred）根據(jù)對數(shù)原理發(fā)明了圓形計(jì)算尺即對數(shù)計(jì)算尺，發(fā)明于大約1620-1630年；可進(jìn)行加、減、乘、除；更復(fù)雜的算尺可以進(jìn)行其他計(jì)算，例如平方根、指數(shù)、對數(shù)和三角函數(shù)。20世紀(jì)60年代，工程師身份的象征計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維2）機(jī)械式計(jì)算器—乘法自動計(jì)算機(jī)差分機(jī)和分析機(jī)0203加法器—機(jī)械計(jì)算機(jī)制表機(jī)0104計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維加法器：科學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)，可用于計(jì)算加減法1642年，帕斯卡發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)。布萊士·帕斯卡法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、思想家發(fā)明了“帕斯卡定律”用他的名字命名：PASCAL語言計(jì)算器：1673年，萊布尼茨設(shè)計(jì)完成——乘法自動計(jì)算機(jī)，可進(jìn)行加、減、乘、除和開方。萊布尼茨德國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家，是歷史上少見的通才，被譽(yù)為十七世紀(jì)的亞里士多德。他和牛頓先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了微積分計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維1834年，巴貝奇設(shè)計(jì)了分析機(jī)機(jī)械史上最強(qiáng)大腦：英國數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇可編程計(jì)算機(jī)的發(fā)明者，計(jì)算機(jī)的先驅(qū)1822年差分機(jī)可以代替人編制對數(shù)表、函數(shù)表等數(shù)學(xué)表差分機(jī)可謂是機(jī)械史最復(fù)雜的巔峰之作。1834年分析機(jī)

采用打孔紙帶作為輸入輸出方式體現(xiàn)了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想，被稱為現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的雛形計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維1946年世界上第一臺通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī))誕生表明電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來每秒5千次加減運(yùn)算沒有存儲器采用十進(jìn)制計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1）圖靈機(jī)圖靈機(jī)（TuringMachine，TM)，又稱圖靈計(jì)算機(jī)，一個(gè)抽象的機(jī)器，是英國科學(xué)家、邏輯學(xué)家阿蘭?圖靈于1936年提出的一種抽象的計(jì)算模型。英國科學(xué)家阿蘭.圖靈（1912-1954）計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用2）馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)規(guī)定控制器是根據(jù)存放在存儲器中的程序來工作的，即計(jì)算機(jī)的工作過程就是運(yùn)行程序的過程。為了使計(jì)算機(jī)能正常工作，程序必須預(yù)先存放在存儲器中，這就是存儲程序的概念。其主要思想有如下幾點(diǎn)。（1）采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令。（2）“存儲程序”，即程序和數(shù)據(jù)一起存儲在內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)按照程序順序執(zhí)行。（3）計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維3）計(jì)算機(jī)發(fā)展的不同階段根據(jù)計(jì)算機(jī)采用的電子元件，一般將計(jì)算機(jī)的發(fā)展分成4個(gè)階段。電子管時(shí)代(1946—1957年)

邏輯元件采用的是真空電子管(2)晶體管時(shí)代(1958—1964年)

邏輯元件采用晶體管(3)中、小規(guī)模集成電路時(shí)代(1965—1970年)

邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路(4)大、超大規(guī)模集成電路時(shí)代(1970—至今)

邏輯元件采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維4）計(jì)算機(jī)的分類從不同的角度對計(jì)算機(jī)有不同的分類方法。1.按處理對象與數(shù)據(jù)表示方式分（1）數(shù)字計(jì)算機(jī)（2）模擬計(jì)算機(jī)2.按用途與使用范圍分（1）通用計(jì)算機(jī)（2）專用計(jì)算機(jī)3.按規(guī)模和性能分（1）巨型計(jì)算機(jī)（2）微型計(jì)算機(jī)（3）小型計(jì)算機(jī)（4）大型計(jì)算機(jī)（5）嵌入式計(jì)算機(jī)巨型計(jì)算機(jī)神威·太湖之光計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維5）未來新型計(jì)算機(jī)（1）光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計(jì)算機(jī)。（2）生物計(jì)算機(jī)又稱仿生計(jì)算機(jī)或分子計(jì)算機(jī)，采用由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片，以DNA(脫氧核糖核酸）作為基本的運(yùn)算單元，信息以波的形式傳播，通過控制DNA間的生化反應(yīng)來完成運(yùn)算。（3）量子計(jì)算機(jī)是一種全新的基于量子理論的計(jì)算機(jī)，其裝置處理和計(jì)算的對象都是量子信息，其運(yùn)行的算法也是量子算法，遵循量子力學(xué)規(guī)律，能進(jìn)行高速算術(shù)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲及處理。（4）納米計(jì)算機(jī)納米計(jì)算機(jī)是運(yùn)用納米技術(shù)研發(fā)的一種新型高性能計(jì)算機(jī)。

操作系統(tǒng)：

DOS、Windows、MacOS、UNIX、Linux等

硬件系統(tǒng)

主

機(jī)

運(yùn)算器(ALU)

控制器(CU)

輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀、麥克風(fēng)等

中央處理器

(CPU)

內(nèi)

存

軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件

通用應(yīng)用軟件：

辦公軟件包、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

只讀存儲器(ROM)

隨機(jī)存取存儲器(RAM)

高速緩沖存儲器(Cache)

外

設(shè)

輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音響等

外

存：硬盤、光盤、U盤、移動硬盤等

實(shí)用程序：診斷程序、排錯(cuò)程序等

語言處理程序：C、C++、Java等

專用應(yīng)用軟件：各企業(yè)的管理信息系統(tǒng)等

應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維20微型計(jì)算機(jī)的硬件組成臺式機(jī)微型計(jì)算機(jī)主機(jī)外部設(shè)備機(jī)箱、電源主板CPU內(nèi)存條顯示卡芯片組BIOSROMCMOSPCI插槽(I/O總線)網(wǎng)卡輸入設(shè)備外存儲器鍵盤鼠標(biāo)器麥克風(fēng)攝像頭輸出設(shè)備U盤、移動硬盤顯示器打印機(jī)音箱/耳機(jī)聲卡插頭和插座(I/O接口)硬盤、軟驅(qū)光盤驅(qū)動器計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維硬件系統(tǒng)的核心好比人的大腦，主要負(fù)責(zé)所有相關(guān)事情的判斷與實(shí)際處理。CPU主要由控制器、運(yùn)算器等組成。現(xiàn)階段，個(gè)人計(jì)算機(jī)中的CPU通常指包含了計(jì)算機(jī)的中央處理單元、高速緩存及接口邏輯的集成電路，又稱微處理器芯片。計(jì)算機(jī)的邏輯組成中央處理器CPUIntel4004chipIntel8080chip計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維運(yùn)算器功能：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。包括：算術(shù)邏輯部件ALU、累加器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器。功能：是計(jì)算機(jī)的指揮中心，指揮計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作。主要功能是取指令、分析指令、執(zhí)行指令組成包括：指令寄存器IR、程序計(jì)數(shù)器PC、指令譯碼器ID。計(jì)算機(jī)的邏輯組成中央處理器CPU控制器計(jì)算機(jī)的邏輯組成存儲器功能：儲存以二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù)分類：主存儲器/輔助存儲器主存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)輔助存儲器(簡稱外存或輔存)與CPU關(guān)系CPU所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用用途存放已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)長期存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息存儲容量較小(因單位成本較高)

很大(因單位成本較低)

存取速度很快較慢性質(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持常用分類RAM、ROM硬盤、光盤、磁帶、U盤等·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存儲內(nèi)容地址存儲單元23計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)的邏輯組成計(jì)算機(jī)存儲器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲器外存儲器寄存器典型容量<1KB幾個(gè)MB幾個(gè)GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取時(shí)間1ns2ns10ns10ms10s工作過程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲器中取(存)數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出→RAM→cache分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價(jià)格比，計(jì)算機(jī)中各種存儲器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作。有多種類型：半導(dǎo)體存儲器非易失性存儲器易失性存儲器(RAM)動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM

EPROM、EEPROM閃速存儲器（FlashMemory）（用作主存儲器）（用作Cache存儲器）每個(gè)存儲單元(cell)由6個(gè)晶體管組成只要加上電，信息就能一直保持對電器干擾相對不很敏感比DRAM更快，也更貴每個(gè)存儲單元由1個(gè)電容和1個(gè)晶體管組成.每10-100ms必須刷新一次對電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜用作內(nèi)存：存儲BIOS等固件用作外存：U盤、固態(tài)硬盤NOR型NAND型速度較慢、容量不大，價(jià)格便宜，在低端產(chǎn)品中用得較多主存儲器1計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維輔助存儲器2硬盤存儲器的結(jié)構(gòu)控制電路硬盤片接口柱面所有盤片上相同半徑處的所有磁道構(gòu)成一個(gè)“柱面”磁頭磁頭浮在高速旋轉(zhuǎn)的盤片上，它負(fù)責(zé)盤片上數(shù)據(jù)的寫入或讀出移動臂用來固定磁頭并可帶動磁頭沿盤片徑向高速移動，以便定位到指定的“柱面”

主軸帶動盤片高速旋轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維輔助存儲器2閃存移動存儲器采用NANDFlash存儲器（閃存）芯片斷電以后資料能夠保存，擦寫次數(shù)在幾十萬次以上不需要驅(qū)動器，無外接電源使用USB接口，即插即用，支持熱插拔存取速度快，可靠性好體積小，重量輕，容量大，便攜可以模擬光驅(qū)和硬盤啟動操作系統(tǒng)移動硬盤存儲器以硬盤為存儲介質(zhì)，工作原理與普通硬盤相同存儲容量大（30GB～1TB甚至更高）采用USB或eSATA接口，即插即用，支持熱插拔體積小、質(zhì)量輕，便于攜帶速度快，安全可靠計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維輔助存儲器2固態(tài)硬盤存儲器固態(tài)硬盤(SolidStateDisk、SolidStateDrive)是使用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的外存儲器用途：可代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與常規(guī)硬盤完全相同存儲介質(zhì)：1、閃存芯片作為存儲介質(zhì)；2、DRAM作為存儲介質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、體積小、低功耗、無噪音、抗震動、低熱量，讀寫速度也快于傳統(tǒng)硬盤存在問題：價(jià)格昂貴，容量較低一旦硬件損壞，數(shù)據(jù)較難恢復(fù)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維輔助存儲器2存儲卡在閃存芯片的基礎(chǔ)上做成的固態(tài)存儲器，原理與U盤相同扁平的長方形或正方形卡片狀，最先應(yīng)用在數(shù)字照相機(jī)上使用印刷插頭，不使用USB插頭，使用讀卡器才能對存儲卡進(jìn)行讀寫存儲卡的的種類較多，廣泛使用的有：安全數(shù)字存儲卡（securedigitalcard，SD）多媒體卡（multimediacard，MMC）緊湊式閃存卡（compactflashcard，CF）記憶棒（memorystick，MS）用途：數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維內(nèi)存輸入設(shè)備接受用戶輸入的原始信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識別的信息形式（二進(jìn)制）存放到內(nèi)存中輸出設(shè)備將內(nèi)存中的處理結(jié)果信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩艨山邮艿男问捷敵龌虺蔀槠渌鼨C(jī)器所能接受的形式輸出輸入、輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件；為CPU、主存儲器和各種功能卡提供安裝插座（槽），為各種輔助存儲器、各種I/O設(shè)備等提供接口ROMBIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件——基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)CMOS存儲器：存放硬件配置信息和系統(tǒng)基本參數(shù)（日期、時(shí)間、口令等）存儲器插槽處理器插座

I/O設(shè)備插口光驅(qū)及硬盤連接器電源連接器擴(kuò)充卡插槽(PCI)CPU插座北橋芯片南橋芯片

BIOSROMCMOS存儲器擴(kuò)充卡插槽(PCI-Ex1)顯示卡插槽(PCI-Ex16)主板計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維芯片組是CPU與周邊設(shè)備溝通的橋梁、樞紐，既實(shí)現(xiàn)了PC總線控制的功能，又提供了各種I/O接口及相關(guān)的控制。北橋芯片：1.存儲器控制功能；2.連接CPU、存儲器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片：1.I/O控制中心；2.連接PCI總線插槽、USB接口、硬盤接口、音頻編解碼器、BIOS和CMOS存儲器等；3.提供CPU的時(shí)鐘信號CPU芯片CPU前端總線北橋MCH圖形卡接口雙通道南橋ICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI插槽(≤6個(gè))ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標(biāo),軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時(shí)鐘生成DDR2存儲器芯片組計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的CPU，就有什么樣的芯片組與之配套由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能由于CPU芯片越來越復(fù)雜，功能越來強(qiáng)大（如Corei3/i5/i7），有些已將北橋芯片的存儲器控制器和圖形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北橋芯片已經(jīng)消失，只需一塊南橋芯片即可。關(guān)于芯片組的一些說明計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維軟件是指程序、程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序所需要的文檔的集合。裸機(jī)操作系統(tǒng)UnixLinuxWindows其他系統(tǒng)軟件語言處理程序診斷程序系統(tǒng)設(shè)置和優(yōu)化備份程序反病毒程序壓縮程序應(yīng)用軟件辦公軟件包多媒體軟件數(shù)據(jù)管理游戲軟件學(xué)習(xí)軟件互聯(lián)軟件計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件面向計(jì)算機(jī)管理支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行應(yīng)用軟件具有專門的應(yīng)用目的計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維不可見性——是無形的，不能被人們直接觀察、欣賞和評價(jià)

適用性——可以完成傳統(tǒng)工具或方法很難完成甚至不可能完成的任務(wù)，

或者能以更方便、更有效的方式完成該任務(wù)依附性——依附于特定的硬件、網(wǎng)絡(luò)和其他軟件復(fù)雜性——規(guī)模越來越大，開發(fā)人員越來越多，開發(fā)成本也越來越高01020304計(jì)算機(jī)軟件的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維易復(fù)制性——可以非常容易且毫無失真地進(jìn)行復(fù)制

不斷演變性——軟件的更新和版本的升級有限責(zé)任——有限保證脆弱性——黑客攻擊、病毒入侵、信息盜用

05060708“本軟件不做任何保證。程序運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)由用戶自己承擔(dān)。這個(gè)程序可能會有一些錯(cuò)誤，你需要自己承擔(dān)所有服務(wù)、維護(hù)和糾正軟件錯(cuò)誤的費(fèi)用。另外，生產(chǎn)廠商不對軟件使用的正確性、精確性、可靠性和通用性做任何承諾?！庇?jì)算機(jī)軟件的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維按軟件用途系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件通用應(yīng)用軟件定制應(yīng)用軟件按產(chǎn)權(quán)性質(zhì)商業(yè)（品）軟件共享軟件自由軟件免費(fèi)軟件計(jì)算機(jī)軟件的分類計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維類

別功

能流行軟件舉例文字處理軟件文本編輯、文字處理、桌面排版等Word、AdobeAcrobat、WPS、FrontPage等電子表格軟件表格、數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)、繪圖等Excel等圖形圖像軟件圖像處理、幾何圖形繪制、動畫制作等AutoCAD、Photoshop、Flash、3DSMAX等媒體播放軟件播放各種數(shù)字音頻和視頻文件暴風(fēng)影音、PPS影音、QQ音樂播放器等網(wǎng)絡(luò)通信軟件收發(fā)電子郵件、聊天、IP電話等163郵箱、QQ、微信等演示軟件幻燈片制作與播放PowerPoint等

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