第1章

計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維content重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：1.計(jì)算思維基本概念2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3.數(shù)據(jù)編碼難點(diǎn)：1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與計(jì)算思維2.編碼Contents目錄1.1計(jì)算思維1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)編碼1.1計(jì)算思維1.1.1計(jì)算思維的廣泛應(yīng)用計(jì)算與計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算思維基本概念計(jì)算手段與各學(xué)科廣泛融合計(jì)算形式符號(hào)操作函數(shù)運(yùn)算能行可計(jì)算算法的執(zhí)行規(guī)則數(shù)字狀態(tài)機(jī)器信息處理物理符號(hào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)是一種按照預(yù)先設(shè)計(jì)的程序自動(dòng)、高速地運(yùn)行復(fù)雜且高精度的設(shè)備以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，涉及數(shù)理邏輯、計(jì)算模型、算法理論等領(lǐng)域的研究計(jì)算機(jī)科學(xué)起源于上個(gè)世紀(jì)30年代研究如何構(gòu)建計(jì)算工具探索利用這些工具解決實(shí)際問(wèn)題的新方法計(jì)算思維的基本概念計(jì)算思維是一種基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念和方法去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為核心要素問(wèn)題分解抽象與建模算法與自動(dòng)化評(píng)估與優(yōu)化計(jì)算與多學(xué)科融合預(yù)測(cè)氣象分析基因序列金融數(shù)據(jù)分析車(chē)企模擬碰撞測(cè)試計(jì)算手段與社會(huì)治理1.1.2計(jì)算工具的進(jìn)化算籌帕斯卡加法機(jī)萊布尼茨乘法機(jī)差分機(jī)世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)成功計(jì)算速度為5000次加法/秒體重30噸，占地170平方米，18800只電子管，1500個(gè)繼電器耗電150kW/小時(shí)價(jià)格40萬(wàn)美元平均2個(gè)小時(shí)壞1個(gè)電子管，平均每周工作2個(gè)小時(shí)第一代（1946~1958）電子管計(jì)算機(jī)5千~4萬(wàn)（次/秒）第二代（1959~1964）晶體管計(jì)算機(jī)幾十萬(wàn)~百萬(wàn)（次/秒）第四代（1971~現(xiàn)在）超大規(guī)模的集成電路幾百萬(wàn)~幾億（次/秒）第三代（1965~1970）集成電路計(jì)算機(jī)百萬(wàn)~幾百萬(wàn)（次/秒）計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)電子元器件新型元器件計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)1.1.3圖靈機(jī)和馮.諾依曼機(jī)圖靈機(jī)一種通用型計(jì)算機(jī)器模型通過(guò)一些簡(jiǎn)單指令集合模擬人類(lèi)所能進(jìn)行的任何計(jì)算過(guò)程。只要能把計(jì)算任務(wù)分解成有限的指令步驟，圖靈機(jī)就能夠通過(guò)執(zhí)行這些步驟完成計(jì)算任務(wù)。凡是能用算法解決的問(wèn)題，都能用圖靈機(jī)解決凡是圖靈機(jī)解決不了的問(wèn)題，任何算法也解決不了馮.諾依曼計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備五個(gè)部分組成存儲(chǔ)程序思想采用二進(jìn)制1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2.1硬件系統(tǒng)中央處理器（CPU）主要由運(yùn)算器和控制器組成運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算：包括加、減、乘、除等邏輯運(yùn)算：主要是與、或、非、異或、比較等控制器讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令按時(shí)間的先后順序向其他部件發(fā)出控制信號(hào)，保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作性能指標(biāo)主頻、時(shí)鐘周期、外頻、緩存、線程數(shù)、核心數(shù)、指令集、制程工藝、功耗、字長(zhǎng)并行策略單核、多核、并行處理器存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)和程序信息高速緩沖存儲(chǔ)器一級(jí)緩存（L1）、二級(jí)緩存（L2）、三級(jí)緩存（L3）主存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory,RAM)只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory,ROM)輔助存儲(chǔ)器固態(tài)硬盤(pán)、U盤(pán)磁盤(pán)光盤(pán)存儲(chǔ)策略局部性原則：時(shí)間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)單元被訪問(wèn)，則可能該單元會(huì)很快被再次訪問(wèn)空間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)單元被訪問(wèn)，則該單元鄰近的單元也可能很快被訪問(wèn)。一致性原則：同一個(gè)信息會(huì)同時(shí)存放在幾個(gè)層次的存儲(chǔ)器中，此時(shí)，這一信息在幾個(gè)層次的存儲(chǔ)器中必須保持相同的值。包含性原則：處在內(nèi)層(更靠近CPU)存儲(chǔ)器中的信息一定被包含在各外層的存儲(chǔ)器中，即內(nèi)層存儲(chǔ)器中的全部信息一定是各外層存儲(chǔ)器中所存信息中的一小部分。輸入/輸出(I/O)接口對(duì)于外部設(shè)備，計(jì)算機(jī)內(nèi)部部件通過(guò)輸入/輸出(I/O)接口電路與總線連接，再與外設(shè)連接。按照計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間信息傳輸方式串行接口按二進(jìn)制位逐位傳輸，傳輸速度較慢，但省器材并行接口一次可以傳輸若干二進(jìn)制位的信息，傳輸速度比串行方式快，但器材投入較多PCI接口顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、MODEM等接口PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線插槽由Intel公司推出的一種32位數(shù)據(jù)總線、且可擴(kuò)展為64位局部總線。它的工作頻率為33MHz，是系統(tǒng)總線接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。AGP圖形加速接口直接與主板的北橋芯片相連使視頻處理器與系統(tǒng)主內(nèi)存直接相連，避免經(jīng)過(guò)窄帶寬的PCI總線而形成系統(tǒng)瓶頸增加3D圖形數(shù)據(jù)傳輸速度，而且在顯存不足的情況下還可以調(diào)用系統(tǒng)主內(nèi)存，擁有很高的傳輸速率。USB接口中文含義是“通用串行總線”USB能使相關(guān)外設(shè)在機(jī)箱外連接，允許“熱插拔”（連接外設(shè)時(shí)不必關(guān)閉電源），實(shí)現(xiàn)安裝自動(dòng)化可以連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、閃存盤(pán)、MP3機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)硬盤(pán)、USB網(wǎng)卡、ADSLModem、CableModem等幾乎所有的外部設(shè)備?？偩€數(shù)據(jù)總線雙方向的多根信號(hào)線組成CPU可以通過(guò)這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)或向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)。地址總線由單方向的多根信號(hào)線組成用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔⒖刂瓶偩€傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存(或外設(shè))返回CPU的反饋信號(hào)1.2.2軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源的軟件，其主要的功能是進(jìn)行調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)等等。系統(tǒng)軟件是用戶和裸機(jī)的接口。操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序組成服務(wù)性程序，如機(jī)器的調(diào)試、故障檢查和診斷程序、殺毒程序等。應(yīng)用軟件：用戶為解決各種實(shí)際問(wèn)題而編制的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序及其有關(guān)資料數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包、統(tǒng)計(jì)軟件包文字處理軟件包(如WPS、WORD2021)圖像處理軟件包(如Photoshop、動(dòng)畫(huà)處理軟件3DSMAX)各種財(cái)務(wù)管理軟件、稅務(wù)管理軟件、工業(yè)控制軟件、輔助教育等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分類(lèi)機(jī)器語(yǔ)言(MachineLanguage)01匯編語(yǔ)言（AssembleLanguage）英文字母符號(hào)串高級(jí)語(yǔ)言(Highlevellanguage)數(shù)學(xué)符號(hào)英文單詞高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為機(jī)器語(yǔ)言編譯方式解釋方式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)OS）是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行操作系統(tǒng)基本功能進(jìn)程管理負(fù)責(zé)管理CPU資源，提高CPU的利用率先來(lái)先服務(wù)（FCFS）：按照先后到達(dá)的順序優(yōu)先獲得CPU資源短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：從等待隊(duì)列中選擇預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程投入運(yùn)行按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）：每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)時(shí)間片（如100毫秒）運(yùn)行，時(shí)間片用完后，即使進(jìn)程沒(méi)有執(zhí)行完，也會(huì)被暫停，放到就緒隊(duì)列末尾等待下一次調(diào)度優(yōu)先級(jí)調(diào)度：給每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，調(diào)度時(shí)優(yōu)先選擇優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程運(yùn)行多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度：設(shè)置多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的就緒隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間片。新進(jìn)程先進(jìn)入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，若在該隊(duì)列時(shí)間片內(nèi)未執(zhí)行完，則降到下一級(jí)隊(duì)列。優(yōu)先級(jí)越高的隊(duì)列時(shí)間片越短。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)管理內(nèi)存資源的使用，用戶程序啟動(dòng)時(shí)為之分配內(nèi)存，用戶程序結(jié)束時(shí)收回相應(yīng)內(nèi)存，提高內(nèi)存空間利用率。虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)將內(nèi)存與外存（如硬盤(pán)）結(jié)合，為用戶提供一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大得多的邏輯內(nèi)存空間。它能讓?xiě)?yīng)用程序認(rèn)為自己擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（邏輯內(nèi)存），實(shí)際上，運(yùn)行時(shí)只有部分?jǐn)?shù)據(jù)和代碼在物理內(nèi)存中，其余在磁盤(pán)上，需要時(shí)再調(diào)入內(nèi)存。分頁(yè)式：把程序和數(shù)據(jù)劃分為固定大小的頁(yè)分段式：按邏輯模塊分段段頁(yè)式：先分段再分頁(yè)設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理CPU和內(nèi)存以外的資源使用，來(lái)提高外存空間利用率和用戶查找速度實(shí)現(xiàn)文件組織、磁盤(pán)信息組織、文件分配表等來(lái)掩蓋扇區(qū)、磁道等物理尋址機(jī)制管理各種I/O設(shè)備，為每個(gè)用戶程序分配和回收I/O設(shè)備常用的操作系統(tǒng)功能開(kāi)啟任務(wù)管理器磁盤(pán)清理設(shè)置虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)分類(lèi)桌面操作系統(tǒng)Windows（微軟）：如Windows10、Windows11，操作簡(jiǎn)便、界面直觀、應(yīng)用軟件豐富，廣泛兼容硬件與軟件，適合辦公、娛樂(lè)及通用場(chǎng)景。macOS（蘋(píng)果）：在圖形設(shè)計(jì)、影視制作等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，注重用戶體驗(yàn)與系統(tǒng)流暢性。Linux：開(kāi)源免費(fèi)，資源占用低、安全性與穩(wěn)定性高，適用于開(kāi)發(fā)者、服務(wù)器遷移及個(gè)人桌面，尤其在技術(shù)社區(qū)廣受歡迎。移動(dòng)操作系統(tǒng)Android（谷歌）iOS（蘋(píng)果）HarmonyOS（華為）服務(wù)器操作系統(tǒng)WindowsServer（微軟）UNIXLinux嵌入式操作系統(tǒng)1.2.3指令系統(tǒng)指令是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某項(xiàng)運(yùn)算或處理功能的命令是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小功能單位指令格式指令系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)使用的全部指令規(guī)定了計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和執(zhí)行的各種操作以及這些操作的編碼方式指令系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于硬件和程序緊密相關(guān)，是程序的基本組成單位操作碼操作數(shù)地址指令系統(tǒng)分類(lèi)CISC：復(fù)雜指令系統(tǒng)增強(qiáng)原有指令功能設(shè)置更為復(fù)雜的新指令，實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化RISC：精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)都比較簡(jiǎn)單指令條數(shù)少運(yùn)算功能弱數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器之間寄存器與主存單元之間兩個(gè)主存單元之間的數(shù)據(jù)傳送運(yùn)算類(lèi)指令算術(shù)運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令移位指令程序控制類(lèi)指令用于控制程序的執(zhí)行順序轉(zhuǎn)移指令子程序調(diào)用、返回指令中斷、中斷返回指令輸入/輸出(I/O)類(lèi)指令用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送1.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)編碼1.3.1二進(jìn)制及存儲(chǔ)組織進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)（Decimal）有十個(gè)數(shù)碼0、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十二進(jìn)制數(shù)（Binary）有兩個(gè)數(shù)碼0和1逢二進(jìn)一、借一當(dāng)二八進(jìn)制數(shù)（Octal）有八個(gè)數(shù)碼0、1、2、3、4、5、6、7逢八進(jìn)一，借一當(dāng)八十六進(jìn)制數(shù)(Hexadecilnal)有十六個(gè)數(shù)碼，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，A、B、C、D、E、F逢十六進(jìn)一，借一當(dāng)十六下標(biāo)法(1010)2、(1010)8、(1010)10、(1010)16后綴法1010B、1010D、1010Q、1010H進(jìn)制數(shù)加權(quán)展開(kāi)式設(shè)一個(gè)R進(jìn)制數(shù)P，以小數(shù)點(diǎn)為分界線，各位數(shù)字依次排列如下：KnKn-1……K1K0.K-1K-2……K-mP=Kn×Rn+Kn-1×Rn-1+Ki×Ri……+K1×R1+K0×R0+……+K-m×R-mki表示第i位數(shù)碼，Ri表示R進(jìn)制數(shù)位權(quán)值（1011．01）2=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2=8+2+1+0.25=11.25（324）8=3×82+2×81+4×80=212即八進(jìn)制數(shù)324等于十進(jìn)制數(shù)212。以十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制為例整數(shù)除2取余法余數(shù)倒排小數(shù)部分乘2取整法2與8進(jìn)制、2與16進(jìn)制互轉(zhuǎn)2與8互轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)8：以小數(shù)點(diǎn)為界限，分別向左、向右將每三位二進(jìn)制數(shù)與一位八進(jìn)制數(shù)相對(duì)應(yīng)，若不足三位用0補(bǔ)齊8轉(zhuǎn)2：只須將每一位八進(jìn)制數(shù)寫(xiě)成對(duì)應(yīng)的3位二進(jìn)制數(shù)2與162轉(zhuǎn)16：以小數(shù)點(diǎn)為界限，分別向左、向右每4位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為1位十六進(jìn)制數(shù)，不足4位用0補(bǔ)齊16轉(zhuǎn)換為2:將16進(jìn)制數(shù)寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制存儲(chǔ)最小單位位bit1個(gè)二進(jìn)制位可以存儲(chǔ)一個(gè)0或1基本單位字節(jié)Byte1個(gè)字節(jié)包含8個(gè)位常用單位1KB=210Byte=1024Byte1MB=210KB=220Byte=1,048,576Byte1GB=210MB=220KB=230Byte=1,073,741,824Byte1TB=210GB=220MB=230KB1PB=210TB=220GB=230MB=240KB=250B1.3.2數(shù)值編碼機(jī)器數(shù)：數(shù)值型數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的二進(jìn)制表示形式真值：機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際值無(wú)符號(hào)數(shù)只能表示零和正整數(shù)，不包含負(fù)數(shù)所有二進(jìn)制位都用來(lái)表示數(shù)值大小n+1位的無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍是0~(2n+1-1)有符號(hào)數(shù)能表示正數(shù)、負(fù)數(shù)和零通常使用最高位（最左邊的位）作為符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，其余位表示數(shù)值原碼符號(hào)位用0表示正數(shù)，用1表示負(fù)數(shù)數(shù)值部分就是該數(shù)絕對(duì)值的二進(jìn)制表示+0的原碼是00000000，-0的原碼是10000000。反碼正數(shù)的反碼和原碼相同負(fù)數(shù)的反碼是將該數(shù)原碼的符號(hào)位不變（仍為1），數(shù)值部分按位取反（0變1，1變0）+0的8位二進(jìn)制反碼是00000000，-0的8位二進(jìn)制反碼是11111111。補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼和原碼、反碼一致；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將該數(shù)絕對(duì)值的二進(jìn)制形式按位取反（0變1，1變0），然后在最低位加1。換言之，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在其反碼的基礎(chǔ)上加1。無(wú)論是+0還是-0，8位二進(jìn)制補(bǔ)碼都是00000000。例題十進(jìn)制數(shù)+3的原碼、反碼、補(bǔ)碼均是00000011十進(jìn)制數(shù)-3原碼是10000011反碼：符號(hào)位不變，數(shù)值部分取反后得到反碼11111100補(bǔ)碼：反碼+1:11111101

1.3.3字符編碼ASCII碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼編碼對(duì)象：128個(gè)常用字符大小寫(xiě)英文字母數(shù)學(xué)運(yùn)算符號(hào)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)數(shù)字符號(hào)0-9控制字符每個(gè)字符占7位二進(jìn)制數(shù)，一個(gè)字節(jié)是8位二進(jìn)制數(shù)，余1位，用做檢測(cè)編碼出錯(cuò)的奇偶校驗(yàn)位編碼方法：給128個(gè)字符排序，賦予整數(shù)序號(hào)0-127，該序號(hào)的二進(jìn)制數(shù)即為ASCII碼漢字編碼輸入碼用各種漢字輸入法輸入漢字的編碼全拼、智能拼音、五筆字型輸入法等國(guó)標(biāo)碼“中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換漢字編碼”代號(hào)為“GB2312-80”收集了一級(jí)漢字3755個(gè)，二級(jí)漢字3008個(gè)，圖形符號(hào)682個(gè)，共計(jì)7445個(gè)每個(gè)漢字用兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行編碼，每個(gè)字節(jié)的最高位為0，其余7位為符號(hào)信息如：漢字“啊”的國(guó)標(biāo)碼為00110000B、00100001B（即30H、21H）機(jī)內(nèi)碼漢字在計(jì)算機(jī)中的編碼將漢字國(guó)標(biāo)碼的最高位都置成“1”，從而得到漢字的“機(jī)內(nèi)碼”由于國(guó)標(biāo)碼與基本字符中的ASCII碼有沖突，如：漢字“啊”的國(guó)標(biāo)碼為30H、21H，而它們又分別是ASC