《计算机文化基础》教学配套课件

第1章

计算机与计算思维基础11.1引言1.2计算机的诞生和发展1.2.1计算机的诞生1.2.2计算机的发展1.2.3计算机的分类1.2.4计算机的应用1.3计算机的新技术1.4计算思维基础1.1引言2

人类为什么要发明计算机？■人的计算速度很低

◆祖冲之计算π至小数点后7位数用了15年

◆

计算30×30的行列式需要几个人年

◆

中国第一棵原子弹研制时，数百位科学家在大礼堂打算盘■

早期的计算工具

◆算筹春秋战国时期 世界上最早的计算工具

◆算盘中国唐代第一种手动式计数器沿有至今

◆计算尺1622年 手动式，上世纪70年代被计算器取代

可进行加、减、乘、除、指数、三角函数

◆

加法器1642年 机械式，只能做加法

1.1引言3

◆

计算器1673年 德国GottfriedLeibniz，机械式 可进行加、减、乘、除和开方◆差分机和分析机

查尔斯.巴贝奇

1812年差分机1834年分析机

分析机：体现了现代电子计算机的结构、设计思想被称为现代通用计算机的雏形第一章

计算机与计算思维基础41.1引言1.2计算机的诞生和发展

1.2.1计算机的诞生1.2.2计算机的发展1.2.3计算机的分类1.2.4计算机的应用1.3计算机的新技术1.4计算思维基础1.2计算机的诞生和发展5（1）M的状态：接受状态、进位状态。初始时处于进位状态。（2）从右向左扫描纸带。进位状态：读到0或空白，则改写1，进入接受状态，立即停机；读到1，则改写为0，状态保住不变，读写头左移。1.计算机的诞生

图灵机、ENIAC和冯·诺依曼体系结构在理论上、工作原理、体系结构

上奠定现代电子计算机的基础

◆图灵机(Turingmachine，TM)

阿兰·图灵（AlanMathisonTuring，1912—1954）

解决问题：什么是计算？什么是可计算性？组成：计算X+1的图灵机M纸带

读写头

1.通用图灵机1.2计算机的诞生和发展通用图灵机图灵机M输入输出图灵机M的输出图灵机

程序通用图灵机

计算机

有时说的图灵机是指通用图灵机1.2计算机的诞生和发展7

图灵机的能力=高级程序设计语言=现代通用计算机

邱奇、图灵和哥德尔断言：一切直觉上能行可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦然邱奇－图灵论题

世界上的问题

可计算的：图灵机可计算的就是可计算的

不可计算的

图灵的贡献

图灵机模型：解决了可计算问题

计算机的理论问题图灵测试：回答了什么样的机器具有智能人工智能的理论基础美国计算机学会ACM于1966年创立了“图灵奖”计算机科学之父人工智能之父1.2计算机的诞生和发展8图灵测试机器能有智能吗？

换一句话来，通过什么样的测试机器才能称拥有智能？无法判断对方是人还是计算机，那么就可以认为计算机具有同人相当的智力测试场景

◆ENIAC（电子数字积分计算机）1946.2~1955.10宾州大学9每秒5千次加减运算没有存储器采用十进制第一款商用计算机：UNIVAL1947年，莫奇莱和埃克特仅表明电子计算机时代的到来

1.2计算机的诞生和发展

◆

冯·诺依曼体系结构计算机

人类第二台计算机；EDVAC（离散变量自动电子计算机）1945年

冯·诺依曼参与研制并且发表：关于EDVAC的报告草案10采用二进制存储程序：程序和数据一起存储在内存中

五个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

奠定了现代计算机体系结构和工作原理迄今为止的计算机都采用这种思想，称为冯·诺依曼计算机

1.2计算机的诞生和发展2.计算机的分代11时代年份器件运算速度软件应用一46-58电子管每秒几千次机器语言汇编语言科学计算军事领域二58-64晶体管每秒几十万次高级语言数据处理工业控制三64-70集成电路每秒几百万次操作系统文字处理图形处理四71年迄今大规模集成电路达到每秒亿亿次数据库、网络等各个领域电子管晶体管集成电路大规模集成电路1.2计算机的诞生和发展

◆发展趋势：微型化、巨型化、网络化和智能化

◆未来新型计算机12①光计算机

用光束代替电子进行计算和存储

具有超强的并行处理能力和超高速的运算速度②

生物计算机（分子计算机）采用由生物工程技术产生的蛋白质分子

芯片：

信息以波的形式传播

运算速度比当今最新一代计算机快10万倍，

能耗仅有十分之一

巨大的存储能力③

量子计算机

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

中国科学技术大学潘建伟：2017年5月，光量子计算机1.2计算机的诞生和发展3.计算机的分类13按综合性能指标分类高性能计算机（巨型机或大型机）：速度最快、处理能力最强、最快：神威·太湖之光

每秒9.3亿亿次浮点运算2016.11 工作站：介于PC与小型机之间高档微机系统

高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：

桌面型计算机、笔记本电脑、平板电脑、移动设备

服务器：网络环境中对外提供服务的计算机系统按用途分类通用机专用机嵌入式计算机：数量超过PC

1.2计算机的诞生和发展1.2计算机的诞生和发展144.计算机的应用类型

1.科学计算

2.数据处理

3.电子商务①B2B阿里巴巴 ②B2C京东商城 ③C2C淘宝网

4.过程控制

5.CAD/CAM/CIMS

6.多媒体技术

7.人工智能

机器学习、深度学习AlphaGo与李世石的人机大战第一章

计算机与计算思维基础151.1引言1.2计算机的诞生和发展

1.3计算机的新技术

1.3.1大数据

1.3.2云计算

1.3.3物联网

1.3.4虚拟现实1.4计算思维基础1.3计算机的新技术161.大数据

具有海量、高增长率和多样化的信息资产，

它需要全新的处理模式来增强决策力、洞察发现力和流程优化能力四个特征：◆Volume数据量巨大

单位：PB、EB、ZB◆Variety数据类型繁多

5%是结构性，95%是非结构性◆Velocity要求处理速度快，时效性高。◆Value数据价值密度相对较低

大数据思维：◆不是抽样统计

不是统计1000或10000人，而是处理全部人员信息◆允许不精确和混杂性

允许某些数据不准确，各种数据类型都有◆不是因果关系，而是相互关系

应用案例：阿里信用贷款、京东慧眼2.云计算

“云”：对计算机集群的一种形象比喻，

每一群包括了几十台、甚至上百万台计算机，

通过互联网随时随地为用户提供各种资源和服务，

用户只需要一个能上网的终端设备获得资源1.3计算机的新技术用户企业过去购买计算机、存储设备搭建服务器购买发电设备建设电厂现在向云端租用服务器，申请各种资源和服务按需购买向国家电网购买电力按需购买

国家的电力系统、自来水网是一种公共设施

云也是一种公共设施。1.3计算机的新技术18三个特点：◆超大规模，弹性伸缩

“云”的规模和计算能力相当巨大

可以根据需求可以动态伸缩◆资源抽象，虚拟化

所有资源均被抽象和虚拟化了，

用户可以采用按需支付的方式购买。◆高可靠性

安全的数据存储方式，能够保证数据的可靠性，

用户无需担心软件的升级更新、病毒攻击和数据丢失云服务种类：◆IaaSInfrastructure-as-a-Service

基础架构即服务

例如：云存储、云主机、云服务器◆PaaS

Platform-as-a-Service平台即服务

云数据库、云开发平台◆SaaSSoftware-as-a-Service软件即服务如：阿里云提供的短信服务、邮件推送3.物联网TheInternetofthings物物相连的互联网

通过射频识别、红外感应器、全球定位系统等各种传感设备，

按照协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，

实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，

是互联网的延伸与扩展。关键技术：◆RFID技术

射频识别技术◆传感技术

各种类型的传感器◆嵌入式技术◆位置服务技术◆IPv6技术1.3计算机的新技术4.虚拟现实VirtualRealityVR

利用计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官

体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感

觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世界及物体的内在变化，

与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的

感觉，使人与计算机融为一体。三个特征：◆沉浸性

用户感觉到置身于虚拟世界之中◆交互性

用户与虚拟世界交互◆想象性

虚拟的环境是人想象出来的1.3计算机的新技术常见设备：

输入设备

交互设备：数据手套、三维控制器、三维扫描仪

三维定位跟踪设备：电磁跟踪系统、声学跟踪系统、

光学跟踪系统、机械跟踪系统、

惯性位置跟踪系统等。

输出设备

视觉感知设备：头盔式显示器、洞穴式立体显示装置等

听觉感知设备：耳机、喇叭等

触觉反馈装置1.3计算机的新技术第一章计算机与计算思维基础221.1引言1.2计算机的诞生和发展1.3计算机的新技术1.4计算思维基础1.4.1什么是计算思维1.4.2计算思维内涵

1.4.3计算思维的应用三大科学思维理论思维（推理思维）

特征：以推理和演绎为特征代表学科：数学实验思维（实证思维）特征：观察和总结自然规律代表学科：物理学计算思维（构造思维）

特征：设计和构造代表学科：计算机科学1.4计算思维基础示例1：计算f(x)是[a,b]上的积分数学方法：牛顿─莱布尼兹f(x)F(x)

计算思维：黎曼积分①对[a,b]进行n等分②计算小矩形面积③累加计算思维：

运用计算机科学的基础概念进行问题求解、

系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机

科学之广度的一系列思维活动1.4计算思维基础1.4计算思维基础25

迭代法迭代过程：1!=12!=1!*2……n!=(n-1)!*n

程序：s=1;for(i=1;i<=n;i++)s=s*i;

经典迭代：牛顿迭代法

J20研制过程就是迭代过程：

原型机1原型机2原型机3原型机4示例2：计算n的阶乘f(n)=n!

递归

分

解问题小问题n!(n-1)!intfac(intn){if(n==1)return(1);else return(fac(n-1)*n);}

voidmain(){inty;y=f(4)cout<<y;}1.4计算思维基础26示例1.3哥尼斯堡七桥在哥尼斯堡的一个公园里，有七座桥将普雷格尔河中两个岛以及岛与河岸连接起来。问是否可能从这四块陆地中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？1．计算思维的本质：抽象和自动化

抽象：完全超越物理的时空观，

并完全用符号来表示数学抽象是一种特例

哥尼斯堡七桥问题的抽象

自动化：机械地一步一步自动执行，

其基础和前提是抽像

27案例：计算机破案

张三在家中遇害，侦查中发现A、B、C、D

四人到过现场。A说：“我没有杀人。”B说：“C是凶手。”C说：“杀人者是D”D说：“C在冤枉好人。”侦查员经过判断四人中有三人说的是真话，四人中有且只有一人是凶手，凶手到底是谁？1.4计算思维基础28抽象用0表示不是凶手，1表示凶手,则对四人说话、侦查员判断如下表

1.4计算思维基础自动化采用穷举法（枚举法）

在每个人的取值范围[0，1]的所有可能中进行搜索，不能遗漏也不要重复，若表的组合条件同时满足，即为凶手。相应的伪代码为：ForA=0To1ForB=0TO1ForC=0To1ForD=0To1If((A=0)+(C=1)+(D=1)+(D=0))=3And(A+B+C+D=1))PrintA,B,C,D//输出的值是1的为凶手1.4计算思维基础1.4计算思维基础302．计算思维的特征

◆

是属于人的思维方式，不是计算机的思维方式递归、迭代、黎曼积分早已提出，

是人类赋予计算机

◆

可以由人执行，也可以由计算机执行

◆

是思想，不是人造物

◆

是概念化，不是程序化

3．计算思维的基本问题

◆

可计算性是指可以使用计算机在有限步骤内解决

邱奇－图灵论题：图灵机可以计算的就是可计算的

◆

计算复杂性

时间复杂性和空间复杂性

示例4矩阵相乘：Cn×n=An×n×Bn×n

计算cij需要n次乘法和n-1次加法

c中有n2个元素，故c需要n3次乘法和n2*(n-1)次加法示例5汉诺塔问题大梵天创造世界的时候做了三根金刚石柱子，在一根柱子上从下往上按照大小顺序摞着64片黄金圆盘。大梵天命令婆罗门把圆盘从下面开始按大小顺序重新摆放在另一根柱子上。并且规定，在小圆盘上不能放大圆盘，在三根

柱子之间一次只能移动一个圆盘。

1.4计算思维基础1.4计算思维基础32汉诺塔问题分析：假设有n黄金圆盘，移动次数记为f(n)则f(1)=1，f(2)=3，f(3)=7，…，f(k+1）=2*f(k)+1故f(n)=2n-1，时间复杂性记作O(2n)假定n=64，则f(64)=264-1=18446744073709551615假如每秒钟移动一次，一个365天，则约需要584942417355年，即5849亿年而地球的寿命才45亿年。假使用计算机进行每秒1亿次移动，需要5849年。时间复杂性：

O(1)O(logn)O(n)O(nlogn)O(n2）O(n3)…O(nk)O(2n)当n值稍大时，O(2n)的问题就无法计算了1.4计算思维基础334．图灵测试机器能有智能吗？换一句话来，通过什么样的

测试机器才能称拥有智能？无法判断对方是人还是计算机，那么就可以认为计算机具有同人相当的智力测试场景

1.4计算思维基础345．计算思维基本方法计算思维的核心是计算思维方法◆约简、嵌入、转化和仿真等方法，用来把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；◆递归方法、并行方法、把代码译成数据又能把数据译成代码的方法、多维分析推广的类型检查方法；◆抽象和分解方法，用来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计；基于关注分离的方法（SoC方法）；计算思维方法来自数学和工程来自计算机科学自身1.4计算思维基础35◆

选择合适的方式去陈述一个问题的方法、对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；◆

按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；◆

启发式推理，用于在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；◆

利用海量数据来加快计算,在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。6．计算思维应用

◆计算物理

◆计算化学

◆计算生物学

◆计算经济学第2章计算机系统2.1计算机系统的组成和工作原理36计算机系统的组成

37

操作系统：

DOS、Windows、MacOS、UNIX、Linux等

硬件系统

主

机

运算器(ALU)

控制器(CU)

输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风等

中央处理器

(CPU)

内

存

软件系统

系统软件

通用应用软件：

办公软件包、数据库管理系统、计算机辅助设计等

计算机系统

只读存储器(ROM)

随机存取存储器(RAM)

高速缓冲存储器(Cache)

外

设

输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等

外

存：硬盘、光盘、U盘、移动硬盘等

实用程序：诊断程序、排错程序等

语言处理程序：C、C++、Java

专用应用软件：各企业的管理信息系统等

应用软件

2.2计算机硬件系统和工作原理38CPU39冯.诺依曼思想：五大模块程序和数据以二进制的形式存放在存储器控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器冯•诺依曼体系结构特点：程序存储，按程序顺序执行40程序控制方式编写程序可执行程序指令操作码地址码指令译码器操作控制线路程序计数器控制信号控制器（CU）功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。组成包括：指令寄存器IR、程序计数器PC、指令译码器ID。如何利用计算机解决问题？运算器41控制信号功能：进行算术运算和逻辑运算。包括：算术逻辑部件ALU、累加器、通用寄存器、状态寄存器。数据内存算术逻辑部件ALU累加器状态寄存器通用寄存器控制器的控制线路42存储体地址译码器数据寄存器数据总线读写电路地址总线存储器功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。外存储器：长期存放大量信息。一般只与内存进行数据交换内存储器：信息交流中心。计算机直接从内存中存取信息内存RAM随机存取存储器ROM只读存储器多级存储器体系结构43CPU寄存器组Cache主存外存主机存取速度快，但容量小价格贵容量大、价格低，但存取速度慢高速存取，但存储容量小实现高速存取存放当前使用最频繁的指令和数据存储单元44每个记忆单元由8位二进制位组成。常用：KB，MB，GB，TB等字节Byte76543210位bit位(bit)：二进制的最小单位，代表一个0或1。字节(Byte)：8位二进制，数据存储基本单位。字(Word)：计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数.存储器中，通常每个单元存储一个字。字长(WordLength)：每个字中二进制位数输入、输出设备45内存输入设备接受用户输入的原始信息转换成计算机可识别的信息形式（二进制）存放到内存中输出设备将内存中的处理结果信息转变为用户可接受的形式输出或成为其它机器所能接受的形式输出计算机基本工作原理指令和程序计算机的一般工作过程程序的执行方式461.指令系统47操作码

地址码

数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令

其它指令

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等指令

结构分类指令系统:一台计算机的所有指令的集合指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，规定了某一种操作。要完成的操作类型及功能操作数或操作数的地址48计算机的工作过程就是执行程序的过程开始指令n结束…程序指令2指令1程序：计算机指令的有序集合，即完成一定功能的指令序列结束指令？取指令分析指令执行指令开始结束程序的执行过程：按照程序设定的次序依次执行指令，直到遇到结束指令什么是程序？程序如何执行？例2.2若要计算计算s=ax+b算法

49相应功能的指令存储取x至累加器中乘以a

在累加器中加b

在累加器中将运算结果存于s打印s停机

指令的执行过程图例50①取指令

按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。②分析指令

对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号由地址码确定操作数地址。③执行指令

由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。如：加法指令一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。指令的串行执行51取指令分析指令执行指令222111时间完成√√指令流水线技术

52取指令部件分析指令部件执行指令部件66555444333222111时间6完成√√√√√√多部件重叠操作多指令并行处理53多核技术

流水线技术局限：能使指令并行处理，但在控制器中每个部件还是串行处理，提高程序执行速度的任务还是要提高处理器主频的速度，但主频与功耗成指数关系，主频越高，功耗越高，发热量越高，散热无法解决。解决的方法：通过放置多个计算引擎（内核），可以并行地执行程序代码来提升处理器的计算速度。应用：目前手机、个人电脑、服务器和超级计算机等计算机系统广泛采用多核，多核技术已经成为处理器体系结构发展的一种必然趋势。计算机软件系统54软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。裸机操作系统UnixLinuxWindows其他系统软件语言处理程序诊断程序系统设置和优化备份程序反病毒程序压缩程序应用软件办公软件包多媒体软件数据管理游戏软件学习软件互联软件MacOs系统软件面向计算机管理支持应用软件开发和运行具有专门的应用目的系统软件

55操作系统语言处理程序实用程序使软硬件资源协调一致有条不紊地工作，对软硬件实行统一的管理和调度。管理计算机硬件资源控制其他程序运行为用户提供交互操作界面目前典型的操作系统有：Windows、UNIX、MacOSX、Linux等。系统软件

56操作系统语言处理程序实用程序翻译工具作用：将源程序翻译成计算机能识别的机器语言程序。程序设计语言：机器语言汇编语言高级语言典型的程序设计语言有：FORTRAN、Pascal、C与C++、BASIC、Java、C#等。汇编程序编译程序解释程序（1）机器语言

由“0”、“1”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。

57缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改；

不同计算机的指令系统不同，机器语言通用性差优点：代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。例如，计算A=15+10的机器语言程序如下：1011000000001111 ：把15放入累加器A中0010110000001010 ：10与累加器A的值相加，结 果仍放入A中11110100 ：结束，停机（2）汇编语言58使用反映机器指令功能的助记符代替机器语言的符号语言。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等等。优点：克服了机器语言难读等缺点，保持了其编程质量高、占存储空间少，执行速度快的优点。缺点：仍然依赖于机器，通用性差。特点：源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言。常用于过程控制等编程。例如，计算A=15+10的汇编语言程序：MOV A，15 ：把15放入累加器A中ADD A，10 ：10与累加器A相加，结果存入A中HLT ：结束，停机类比：

IP地址46机器语言域名汇编语言（3）高级语言59接近于自然语言和数学公式的程序设计语言。优点：接近算法语言，易学、易掌握，可读性好，可维护性强，可靠性高；可移植性好，重用率高自动化程度高，编程效率高。缺点：源程序要通过翻译程序翻译成机器语言，代码不最优。例如，计算A=15+10的BASIC语言程序如下：A=15+10 ‘15与10相加的结果放入A中PRINTA ‘输出AEND ‘程序结束常用高级语言60Fortran：1954年推出，适用于科学和工程计算。C、C++：1972年推出C语言，1983年加入面向对象的概念，改名为C++。语言简练、功能强，适用面广。BASIC：初学者语言，1964年推出；1991年微软推出可视化的、基于对象的VisualBasic开发环境，发展到现在的VB.NET开发环境，则是完全面向对象、功能更强大。Java：1995年推出，是一种新型的跨平台的面向对象设计语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。C#：以其简单的可视化操作，高运行效率，强大的操作能力，面向组件编程的支持。Python:一种面向对象的解释型程序设计语言，1989年诞生。Python语法简洁清晰、易学易读，具有丰富和功能强大的类库以支持应用开发所需的各种功能。612017年程序设计语言排行语言处理程序for低级语言62机器语言源程序汇编语言源程序机器语言程序（目标程序）汇编程序翻译高级语言翻译程序63高级语言源程序计算结果解释程序数据高级语言源程序计算结果连接程序数据目标程序可执行程序编译程序解释方式编译方式BasicC++程序库可脱离编译程序和源程序独立存在并反复使用实用程序

64系统设置软件：对系统进行全面设置、优化和保护 Windows优化大师：系统检测、系统优化、系统清理、系统维护诊断程序：识别并且改正计算机系统存在的问题“管理|设备管理器”：所有设备的详细情况备份程序：把硬盘上的文件复制到其他存储设备上“控制面板|系统和安全|备份和恢复”反病毒程序：消除或防御电脑病毒和恶意软件 MicrosoftSecurityEssentials文件压缩程序：压缩较大的文件，产生另一较小容量的文件 WinRAR，7-Zip完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务应用软件

为某一专门的应用目的而开发的软件。1.办公软件包2.图形和图象处理软件3.数据管理4.Ineternet服务软件5.娱乐与学习软件65第二章计算机系统同济大学662.4微型计算机硬件系统主机系统总线与接口输入和输出设备672.4.1主机系统681.微型计算机的诞生1971年Intel的工程师马西安·霍夫(M.E.Hoff)成功地在一个芯片上实现了中央处理器：第一片4位微处理器—Intel4004，第一台4位微型计算机—MCS-4，2.摩尔定律

每18个月，集成度将翻一翻，

速度将提高一倍，

而其价格将降低一半AppleII第一个带有彩色图形的个人计算机

69笔记本电脑台式计算机平板

3.

微机种类主机系统

70主机的基本组成主板

CPU

存储器：内存、外存主板部件主板（MainBoard）也叫母板（MotherBoard），是连接其它部件的载体71芯片：平台控制芯片、BIOS芯片。插槽/接口：CPU插槽、内存插槽、显卡插槽、PCI插槽、硬盘/光驱接口等。外部接口:USB接口、视频输出接口（HDMI、DVI、VGA等）、音频接口、网络接口、键盘鼠标接口等。芯片组主板的核心，决定了主板的功能和档次。由平台控制器芯片组成，以前由北桥和南桥芯片组成，现在北桥功能集成到CPU里面。控制器芯片(PlatformControllerHub，PCH)负责控制外部I/O设备的连接通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等接口，以及负责管理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等72主板线路原理图73板载功能:板载功能就是将某一些接口卡的功能集成到主板上。最常见的就是集成声卡和网卡的功能。

CPU主要指标主频，CPU内核工作的时钟频率。一般来说，主频越高，CPU运算速度也越快。睿频（睿频加速），是一种能自动超频的技术。字长和位数,CPU内部寄存器位数。QPI（QuickPathInterconnect）总线,是CPU内核与内存之间、内核与内核之间的总线。QPI带宽越高意味着CPU数据处理能力越强。高速缓存（Cache）容量核心数量,单个芯片上有多个一样功能的处理器核心单一提高CPU的主频无法带来相应的性能提高，反而会使CPU在短时间内烧毁生产工艺电子元件之间的最小距离,最新的45纳米和32纳米(10-9米)74IntelCPU2005年，Intel公司开始推出酷睿。特点；低功耗2010年Intel推出智能处理器Corei系列采用睿频加速技术，按负载提升主频，高效节能。采用超线程技术，提升CPU的并行处理能力。集成高清显卡，大幅提升3D性能。75AMDCPU在Intel中都能找到相对应的产品，性能基本一致在同级别的情况下，AMD的CPU浮点运算能力比Intel的稍弱.强项在于集成的显卡。在相同的价格情况下，AMD的配置更高，核心数量更多。76国产CPU——龙芯龙芯（Loongson）是中国科学院计算所自主开发的CPU，具有自主知识产权。龙芯1号2002,32位处理器，主频266MHz。龙芯2号2003,64位处理器，主频300MHz至500MHz。龙芯2E（龙芯2号增强型处理器）2006年，64位处理器，主频1.0GHz龙芯2E最高运算速度达到每秒40亿次双精度浮点运算，实测性能超过1.5ＧHz的奔腾4处理器的水平。龙芯3号龙芯3A于2009年9月28日研发完成自主知识产权的四核CPU采用的是65纳米工艺，主频1GHz，性能达到了世界先进水平77存储器内存储器（主存储器）,速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。外存储器（辅助存储器）,速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。78内存随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器(Cache)外存磁介质,软盘和硬盘光盘Flash存储器CPURAM外存内存-RAM79SDRAM(同步动态存储器)DDR(双倍数据速率SDRAM)DDR2DDR3一个总线周期读写一次数据一个总线周期读写两次数据,2倍一个总线周期读写两次数据并行存取两个数据,4倍一个总线周期读写两次数据并行存取四个数据,8倍ROM只读存储器(ROM),可读，不可写；掉电后数据不会丢失BIOS(BasicInputOutputSystem)即基本输入输出系统。是被固化到主板ROM芯片上的程序。BIOS主要功能:识别各种硬件(包括型号)引导操作系统进行硬件最直接的操作，如读文件等。引导操作系统过程自检。检查电脑硬件是否良好。初始化，读取CMOS里设置的参数,对硬件进行设置。引导操作系统。在c盘观察ntldr

80开机自检执行ROM中的启动程序加载操作系统执行操作系统CMOSCMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）是一种RAM存储器。它存储了计算机的时钟和硬件配置等信息。它靠系统电源供电，当关机后就靠主板电池供电，因而它保存的信息不会丢失。CMOS设置：在电脑刚开机时（操作系统还没开始启动），一般按Del键进入（不同的主板会不一样）81主存储器-Cache原因：CPU的速度很快而内存速度较慢。Cache集成在CPU内部，高速，小容量。CPU访问Cache是以字节为单位的，而Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。CPU首先从Cache中查找，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中一级缓存L1Cache，容量小。二级缓存L2Cache，容量大。主要区别在于CPU查找数据的顺序。一般由DRAM(静态存储器)构成。82外存储器（辅助存储器）内存储器，读写速度快，容量小，断电不能保存数据。外存储器，大容量、能长期保存数据的存储器。分类：83磁盘:软盘和硬盘光盘：CD,DVDFlash存储器：U盘和各种Flash卡外存机械硬盘硬盘(HardDisk)是微机中最主要的辅存，特点是容量大。硬盘有数个盘片，每盘片有上下两个面，每个面一个磁头。同一盘片不同半径的同心圆为磁道。磁道被划分为多个扇区。不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面。存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数。信息记录可表示为：几号磁道（柱面），几号磁头，几号扇区。84固态硬盘固态硬盘（solid-statedisk，SSD）运用Flash芯片发展出最新的硬盘不怕摔，能适应极端温度或湿度读写速度快价格高容量小、一般128G读写次数有限（使用寿命有限）其他硬盘笔记本硬盘：直径：2.5英寸和1.8英寸。特点：小巧轻便，重量尚不足百克。移动硬盘＝笔记本硬盘＋读写控制电路板＋外部接口外部接口：USB2.0和IEEE1394。微型硬盘：一般为1英寸以下的硬盘。主要用于数码产品中，如数码摄像机。86辅存－光盘CD的容量一般为680M,DVD的容量为4.7G~50G，相当于7~73张普通CD光盘。DVD采用更细的激光束，具有更高的磁道密度。87光驱：COMBO光驱：“康宝”是一种集合了CD、DVD的读取和CD的刻录。DVD刻录光驱：包括了CD、DVD的读取和CD、DVD的刻录。光驱的数据读取速率用倍速来表示，CD最高为64倍速DVD为20倍。CD光驱的1倍速是150KB/s,DVD光驱的1倍速是1350KB/s辅存－Flash存储器Flash存储器（FlashMemory），也叫闪速存储器，它既有ROM的特点，断电能长期保存信息，又可以通过一定的电压进行擦除重写。U盘Flash卡：需要读卡器与计算机连接。88总线总线（Bus）是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道89设备设备设备设备设备总线高速公路天津北京济南上海南京设备设备点对点的总线

（a）总线（b）点到点总线（c）高速公路图2.3.9总线与高速公路作用比较总线90地址总线:传输地址信息数据总线:传输数据信息控制总线:传输控制信息内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）系统总线：连接计算机中各大部件外部总线：连接计算机和外部设备连接对象传输对象并行总线:通信速度快、实时性好串行总线:简易、方便、灵活通信方式

计算机的各个部件内部，部件之间都采用总线连接。衡量总线的指标就是总线带宽总线的带宽=总线频率×总线宽度×传输次数系统总线是微机系统中最重要的总线，用于连接计算机中各大部件。常见的总线有：PCIPCI-E91PCIPCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位），总线频率为33MHz或66MHz，最大传输速率＝66M×64/8＝532MB/s。优点：结构简单、成本低、设计容易。缺点：总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设备是共享总带宽。92PCI-E是替代PCI的最新的总线，是一种串行总线。有多个通道（Lane），各个通道相互独立，即PCI-E的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32等。每个通道单向传输带宽可达250MB/s，双向为500MB/s。优点是数据传输速率高，而且总线带宽是各个设备独享的。PCI-Ex1取代传统的PCI，而PCI-Ex16取代AGP。93接口94USB接口USB（UniversalSerialBus）通用串行总线。USB接口目前有两个规范：①USB2.0（黑色）

传输速率可达60MB/s。②USB3.0（蓝色）

传输速率可达600MB/s，足以满足大多数外设的要求。USB接口有如下类型：①TypeA：一般用于PC。②TypeB：一般用于USB设备。③TypeAMini和TypeBMini：一般用于数码相机、数码摄像机、测量仪器以及移动硬盘等95其它接口HDMI（HighDefinitionMultimediaInterface，高清晰度多媒体接口）是一种数字化视频/音频接口技术，是适合视频传输的专用接口，可同时传送视频和音频信号，最高数据传输速度为5Gbps。HDMI接口是替代DVI(数字显示接口)的计算机高清显示输出的统一标准。1394接口,全称IEEE1394接口，支持热插拔缺点：应用少和占用计算机资源多。96输入和输出设备各种类型的信息通过输入设备输入到计算机，计算机处理的结果由输出设备输出。输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、光笔、光学阅读设备、IC卡读卡器等。

97输出设备主要有显示器、打印机、投影仪等显示器目前主要是液晶显示器（LCD）等。显示器的三个重要技术指标是：分辨率、色深和刷新频率。1200×1024和真彩32位，75Hz。打印机有针打式打印机，激光打印机和喷墨式打印机。982.3总结主机系统的主要构成部件？什么是总线？什么是接口？及常见类型。输入和输出设备的作用及常见设备。99第三章操作系统基础1003.1操作系统概述3.1.1引言3.1.2操作系统的分类3.1.3常用操作系统简介3.2Windows和云服务3.3操作系统基本功能请问这个LOGO的含义？

预备知识：计算机科学奠基人英国科学家阿兰.图灵1912-1954主要贡献：建立图灵机模型，奠定了可计算理论的基础提出图灵测试，阐述了机器智能的概念

电子计算机之父美籍匈牙利数学家冯·诺依曼1903-1957美国计算机学会(ACM)1966年设立图灵奖主要贡献：与同事研制人类第二台计算机EDVAC

提出二进制思想与程序存储内存思想

奠定了现代计算机体系结构和工作原理计算机科学奠基人英国科学家阿兰·图灵1912-1954苹果CEO史蒂夫·乔布斯1955-2011主要贡献：创立并领导苹果公司改变了生活方式

请问哪位华人在哪年获得图灵奖？新周刊201108期封3个苹果改变的世界夏娃欲望看到这个新世界牛顿知识了解这个新世界乔布斯创新体验这个新世界

创新例：乔布斯

创造力和想象力定义了一个时代，他重新诠释了创新的意义，创新不仅颠覆性的，更是持续性的：苹果公司第一台麦金塔计算机（Macintosh），开创微机图形用户界面皮克斯工作室的《玩具总动员》再次引领了3D动画领域的新潮流iPhone、iPad、iPod等给PC、电影、互联网、音乐、手机等行业带来了颠覆性的创新希望：下一个乔布斯会在中国出现，下一个苹果会砸中中国的创业者…

计算机系统的组成

106输入设备：键盘、鼠标、扫描仪

输出设备：显示器、打印机

外

存：软、硬盘、光盘、闪存

网络设备：网卡、调制解调器等

计算机系统软件外部设备系统软件应用软件硬件运算器寄存器控制器主机内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器

(Cache)操作系统：Windows、Unix、Linux语言处理程序：C、Pascal、VB等实用程序：诊断程序、排错程序等

办公软件包、数据库管理系统

107软件系统软件实用程序

诊断程序排错程序等

操作系统

WindowsUnixLinuxAndroid语言处理程序

C、C++、C#、Java、VB

应用软件系统软件：

控制和维护计算机的正常运行，管理计算机的各种资源，以满足应用软件的需要。应用软件：

完成一个特定的任务，

在系统软件的支持下，才能运行一、操作系统概述1.问题的提出：

铁路、高铁、地铁出问题所在？

等公交车，正常情况下公交车子不来，责任在谁？

公交车，车子一直不来，责任在谁？调度员的作用：车子与乘客的最佳安排乘客等的时间最少车子载客量最多

1092.操作系统作用裸机操作系统应用程序用户主要功能有：处理机管理存储管理设备管理信息(文件)管理用于管理和控制计算机所有的硬件和软件资源接口：计算机硬件与其它软件 用户和计算机的接口

虚拟机=裸机+操作系统操统作系3.什么是操作系统？广义操作系统：厂家为了方便用户使用机器所安排的硬件和软件例如电视机的遥控器、配合遥控完成工作的电路、遥控器的使 用说明书。

计算机操作系统OperatingSystem，OS管理和控制计算机硬件与软件资源的一组计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。4.操作系统的发展111满足两大需求：提高资源利用率、增强计算机系统性能要求

以及计算机技术发展（1）无操作系统阶段（计算机诞生-20世纪50年年代中期）

计算机工作采用手工操作方式。

穿孔卡片或纸带输入机计算机输出机程序数据结果用户特点：用户独占全机，资源利用率低。CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。112（2）各种系统功能的操作系统—小、中、大型计算机

批处理系统

分时操作系统

实时操作系统

（3）操作系统的进一步发展计算机普及（20世纪80年代以来）

个人计算机操作系统

网络操作系统

113批处理系统作用：自动、成批处理用户的作业。

特点：有了磁带，作业放在磁带，监控程序管理作业的运行

要执行的程序应是正确的，用户无法交互。

高速CPU与相对低速的IO，CPU利用率问题。

解决办法：多道批处理，即多个程序加载到内存交替运行。

执行过程

分时操作系统114主机CPU内存

终端终端终端终端…外部设备终端：键盘和显示屏终端作用：各终端用户共享主机和外部设备

实现：CPU按照“时间片”分时给各用户特点：提高CPU利用率，用户可以与计算机交互

快速的CPU，使得用户感觉独享CPU115系统能够及时响应随机发生的外部事件，并要快速处理。分类：

实时控制系统：飞机、导弹发射的实时控制，

轧钢、石化等工业生产过程控制

实时信息处理系统：飞机票订票、银行系统、证券系统等特点:及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送有时间限制。高可靠性。不可逆，可靠保障、保密措施等。

实时操作系统

网络操作系统

116服务器工作站工作站工作站工作站…工作站：独立功能的计算机工作站网络资源工作站共享网络上的软硬件资源4.操作系统分类APPLEIBMDOS操作系统图形用户界面操作系统命令行界面操作系统分时操作系统批处理系统实时操作系统网络操作系统按用户界面按系统功能智能手机操作系统5.常用操作系统

①DOS（DiskOperatingSystem）1981

Microsoft公司研制的配置在PC的操作系统 单用户命令行界面操作系统 从4.0版开始成为支持多任务的操作系统。

②Windows图形用户界面1985Windows2003WindowsVistaWindowsxpWindows7Windows8Windows10Windows2008Windows2012Windows10Server119③Unix操作系统开发：Unix是AT&T公司贝尔实验室1969用汇编语言开发的；

1973年用C语言重新编写。特点：安全性、可靠性高

可移植性多用户多任务网络功能强，TCP/IP协议是在UNIX系统上开发的Windows120④Linux操作系统开发：由UNIX发展而来，丹麦大学生特点：源代码开放多用户多任务主要应用：Linux服务器⑤MacOS操作系统

开发：苹果公司特点：较好的图形处理能力主要应用：Macintosh一族计算机上公布软件源代码的程序可以编辑、编译，免费

智能手机操作系统Google的Android苹果的iOSAndroidAndroid(安卓或安致)最初由AndyRubin创办，2005年由Google收购，是目前市场上的霸主。优点：免费开源、服务不受限制、第三方软件多。iOSiOS是由苹果公司为iPhone、iPad等系列产品开发的操作系统优点：优秀的图形用户界面、多媒体效果和方便的触控、丰富的软件库。缺点：付费软件库、不支持第三方软件。第三章操作系统基础1243.1操作系统概述3.2Windows和云服务3.2.1Windows3.2.2云服务3.3操作系统基本功能一、Windows基础1251.Windows的发展历史两条产品线◆面向个人消费者和客户机 WindowsXP/Vista/7/8/10◆面向服务器WindowsServer2003/2008/2012/10ServerCPU位数>=Windows位数>=应用程序位数文件是存放在外存上的一组相关信息的集合文件名2.文件按名存取文件名：文件名.扩展名文件类型 扩展名反映了文件类型EXE、CPP、JPG、WMV、HTM文件属性 文件大小占用空间日期与时间所有者信息 只读隐藏存档文件删除

文件删除：送入“回收站”

通过回收站可恢复Shift+删除：不送到“回收站”通配符?：代表任意一个字符*：代表任意一个字符串*.DOC：代表扩展名为DOC的所有文件，?B*.EXE：代表第二个字符为B的所有程序文件。

指定多个文件名：使用分号、逗号或空格

例如：*.DOC;*.BMP;*.TXT128

◆快捷方式快捷方式是指向对象的图标，不是这个对象本身如同一个人的照片

创建快捷方式的方法：

①Ctrl+Shift不放进行拖曳

②使用“文件｜新建｜快捷方式”命令。3.控制面板◆用户管理

两种类型：

①标准用户

可使用大多数软件、更改不影响其他用户的设置

②管理员

有计算机的完全访问权，可以做任何的修改

用户管理：控制面板｜用户帐户和家庭安全◆安装或卸载应用程序

①安装应用程序 自带的安装程序进行安装

②卸载应用程序 控制面板

③Windows组件的安装和卸载131

◆硬件的添加和管理

①设备驱动程序使用设备之前，该设备的驱动程序必须被安装

②添加设备 USB设备支持即插即用（PnP）和热插拔③管理设备

控制面板｜硬件和声音｜设备管理器4．剪贴板剪贴板是程序和文件之间用于传递信息的临时存储区

5．任务管理器的使用

Ctrl+Alt+Del①终止未响应的应用程序②终止进程的运行③判断是否有病毒特别是蠕虫病毒1336．帮助系统二、云服务134阿里云：华为云：百度云：/1.个人云

PC、智能手机利用互联网实现无缝存储、同步、获取并分享数据的一组在线服务

云计算在个人领域的延伸

两种使用模式：

◆WiFi连接的情况下、设备空闲时自动工作◆在PC上通过浏览器1352.云存储

网盘就是一种简单的云存储服务

能进行文件的上传、下载、分享等

百度网盘：1363.云主机

在一组集群主机上虚拟出多个类似独立主机的部分，

集群中每个主机上都有云主机的一个镜像，

具有非常高的安全稳定性。

简单地说：在云上申请一个虚拟的计算机一般通过域名或IP地址访问申请后可部署Web网站、数据库等第三章操作系统基础1373.1操作系统概述3.2Windows和云服务3.3操作系统基本功能3.3.1程序管理3.3.2存储管理3.3.3文件系统3.3.4磁盘管理操作系统的基本功能冯•诺依曼计算机的组成存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器处理机管理存储管理文件系统设备管理CPU程序管理存储管理文件系统磁盘管理1.程序管理(1)单道程序系统:任何时刻内存中只有一道程序。一个程序运行完全结束后才能运行下一个程序任务：有效地、合理地分配CPU的时间CPU：程序A程序B程序C内

存程序A程序B程序C执行执行执行时间t程序A程序C程序A程序B程序C程序CCPU：(2)多道程序系统：多道程序同时在执行特点：多道：计算机内存中同时存放了几道相互独立的程序宏观上并行：同时在执行微观上串行：各程序轮流地占有CPU，交替执行□内

存程序A程序B程序C执行执行时间t等待等待等待执行等待执行等待等待执行执行等待◆

程序程序是文件的形式存放在外储存器。运行一个程序，首先将程序文件从外存储器调入内存才能运行。◆

进程一个正在执行的程序进程是一个程序与其数据一道在计算机上顺序执行时所发生的活动。(3)程序、进程和线程程序A进程A程序A被执行调入内存后称进程磁盘

内存□进程的状态和调度①就绪状态除了CPU，所有的资源都拥有了②执行状态在CPU上运行③挂起状态

因等待某个事件而暂停执行时的状态

程序和进程的区别①程序是一个静态的概念，进程是一个动态的概念。②程序可以脱离机器长期保存，进程是执行着的程序

③一个程序可多次执行并产生多个不同的进程。分配到了所需资源除了CPU以外，所需要的所有资源都分配了缺少资源等待某个资源，如打印机执行状态就绪状态挂起状态时间片到进程被选中等待某个事件发生了某个事件◆线程(threads)目前许多操作系统把进程再“细分”成线程目的：充分共享资源，减少内存开销提高并发性，切换速度相对较快

UNIX：进程仍然是CPU的分配单位

Windows：线程是CPU的分配单位□2.存储管理计算机内存是CPU可以直接存取的存储器存储管理主要功能有下面4个方面:

①虚拟内存

②存储器分配

③地址的转换

④信息的保护什么是虚拟内存？用硬盘空间模拟内存

为什么要模拟：内存不够内存为什么不够：运行的程序必须放在内存中真正内存虚拟内存内存空间Windows7：控制面板｜系统和安全｜系统｜高级系统设置｜高级｜设置｜高级｜更改页面文件是pagefile.sys

□3.文件系统147又称信息管理系统负责管理和存取文件信息的部分为用户提供了一个简单、统一的访问文件的方法有了文件系统：实现了按名访问不必考虑各种外存储器的差异，