计算思维与计算机导论 课件 00-计算思维导论概述、01-计算思维和计算、02-计算机系统的基本思维

计算思维与计算机导论

天津科技大学

计算机基础与新技术教研部1课程简介课程名称：计算思维导论课程编码：K100100220英文名称：AnIntroductionofComputationalThinking学时：32学分：2适用专业：全校理工类专业起点二课程类别：必修课程性质：公共基础课先修课程：教学目的教学目的：学生树立计算思维的理论体系，培养使用计算思维的方法解决实际问题的能力，为进一步学习其他课程打下坚实基础，与各学科的专业知识融合进行研究和创新。主要内容计算思维和计算计算系统的基本思维计算机硬件的基本思维计算机软件的基本思维问题求解计算机网络技术信息安全技术新一代信息技术数据库技术wps文字处理wps表格处理wps演示文稿设计学时安排课程总学时32，（1）理论课讲授（20学时）（2）上机实践（12学时）（3）自主学习参考教材参考教材：[1]宁爱军，王淑敬等.计算思维与计算机导论（第2版）（微课版）[M].北京：人民邮电出版社，2023年8月考核方式课程成绩=平时成绩100%=作业*20%+上机实验30%+平时测验30%+考勤*10%+课堂表现*10%小结通过本章的学习，了解课程的有关情况。81计算思维和计算天津科技大学

计算机公共基础系9目录1.1计算思维概述 1.2计算与自动计算 1.3计算工具的发展史 1.1计算思维概述计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家和工程技术人员的思维方法。目的是希望人们能够像计算机科学家一样思考，将计算技术与各学科的理论、技术与艺术融合，实现创新。计算思维的基本内容计算思维包括多项基本内容。二进制0和1的基础思维。指令和程序的思维计算机系统发展的思维问题求解的思维递归的思维网络化的思维1.1.2计算思维与各学科的关系1．应用计算手段促进各学科的研究和创新2．各学科创新自己的新型计算手段3．计算思维可以帮助培养各专业的人才1.2计算与自动计算计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据变换。有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结果。a=3+2

对数指数微分积分计算与自动计算两种解决方法（1）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从而完成计算。【例1.2】计算

通过数学推导可得

，可以轻松的完成计算计算与自动计算（2）设计简单的规则，让机器重复执行，进行自动计算。【例1.3】计算

可以转化为可以由机器重复执行的自动计算的计算规则step1:输入整数nStep2:s=0Step3:i=1Step4:s=s+iStep5:i=i+1Step6:如果i<=n，那么转入step4执行Step7:输出s，算法结束。计算与自动计算2．计算科学的基本问题：“什么能够被有效地自动计算，什么不能被有效地自动计算？”（1）哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计算的时间和空间复杂度怎样？（2）通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法，以减少计算的时间和空间复杂度。1.3计算工具的发展史计算和自动计算时需要考虑以下4个问题：（1）数据的表示。（2）数据的存储及自动存储。（3）计算规则的表示。（4）计算规则的执行与自动执行。提示：计算工具的发展过程就是人们不断追求计算的机械化、自动化和智能化，尝试各种计算工具，实现数据的表示、存储和自动存储数据、计算规则的表示、执行和自动执行计算规则的过程。1.3.1计算工具的发展计算工具的发展包括三个阶段:手动计算器机械计算器电子计算机1．手动计算器手动计算器利用算法进行辅助数字计算过程的设备，手动操作。小石块和有刻痕的小棍算筹、算盘，珠算歌诀。纳皮尔筹（纳皮尔计算尺）滑动刻度尺2．计算机的雏形——机械式计算器机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解算法.1642年，帕斯卡加法器1673年，莱布尼兹乘法器1822年，差分机库塔（Curta）帕斯卡加法器莱布尼茨改进的计算器差分机库塔计算器3．电子计算机电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。ABC计算机电子计算机1937-1942年，阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-BerryComputer，ABC）真空电子管代替机械式开关作为处理电路基于二进制数字系统的理念。ABC本身不可编程，仅用于求解线性方程组电子计算机1946年2月，ENIAC使用18

000个电子管，耗电150kw，总重量30吨每秒5

000次加法运算，是手工计算的20万倍造价48万美元ENIAC是世界公认的第一台通用电子计算机。1.3.2元器件的发展电子计算机元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个阶段电子管晶体管集成电路电子管1895年，英国约翰·弗莱明发明了第一只电子管（真空二极管）；1907年，美国李·德福雷斯特发明真空三极管，赢得了“无线电之父”的称号。在二极管的灯丝和板级间加了一块栅板，使得电子流动可以控制，从而使得电子管进入普及和应用阶段，电子管可以用于存储和控制二进制数的电子元器件。电子管比机械式继电器反应快，计算速度快缺点是体积大、可靠性低、能耗大、易损坏晶体管1947年，贝尔（Bell）实验室发明了晶体管，不仅可以控制电流和电压，还可以作为电子信号的开关。与电子管相比，晶体管的体积更小、价格更便宜，并且能耗低、可靠。以晶体管为主要器件的计算机体积更小，速度提升到百万次/秒此时出现操作系统、高级语言晶体管计算机需要使用电线将数万个晶体管连接起来，其电路结构复杂集成电路1958年，德州仪器公司杰克·基尔比提出集成电路构想：

通过在同一材料（硅）块上集成所有元件，并通过上方的金属化层连接各个部分，自动实现复杂的变换。这样，就不再需要分立的独立元件，避免了手工组装元件、导线的步骤。（1）1980年代，超大规模集成电路（VLSI），几十万（2）1990年代，特大规模集成电路（ULSI），几百万级（3）2012年，一块硅片上可以集成14亿个元件。摩尔定律摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目约每18个月会增加1倍，其性能也提升1倍。提示：元器件的发展规律是：元件的尺寸越来越小，芯片体积越来越小，芯片上集成的器件越来越多，可靠性越来越高，运行速度越来越快，价格却越来越便宜。计算机的计算速度越来越快，功能越来越强大，能够完成的任务也越来越复杂。2计算机系统的基本思维天津科技大学

计算机基础与新技术教研部30目录2.10和1的思维 2.2二进制与数据编码 2.3图灵机与冯•诺依曼计算机 2.10和1的思维计数制是指用一组固定的数码和一套统一的规则表示数值的方法。按进位的原则进行计数称为进位计数制十进制、二进制、八进制、十六进制。进位计数制进位计数制中表示一位数所能使用的数码符号个数称为基数。例如：十进制数有0～9共10个数码，基数为10，逢10进1不同数位的数码表示的值的大小不同。例如：进位计数制进位计数制1．十进制十进制中，K表示0～9的10个数码中的任意一个数码，则任何一个数（N）可以表示为：为了便于区分，在十进制数后加“D”，表示数为十进制数，如323.4D。进位计数制2．二进制计算机中信息的存储和处理都采用二进制。二进制数只有0、1两个数码，基数为2，逢2进1。为了便于区分，在二进制数后加“B”，表示二进制数。进位计数制3．八进制八进制有0～7共8个数码，基数为8，逢8进1。为了便于区分，在八进制数后加“O”，表示数为八进制数。例如：进位计数制4．十六进制十六进制有0～9、A、B、C、D、E、F共16个数码，基数为16，逢16进1，用A～F表示十进制中10～15的6种状态。为了便于区分，在十六进制数后加“H”，表示数为十六进制数。例如：2.1.2不同进制数的转换1．不同进制数转换为十进制数【例2.1】将二进制数110010100111.1B、八进制数6

247.4O、十六进制数CA7.8H转换为对应的十进制数。不同进制数的转换2．十进制数转换为二进制、八进制、十六进制数将十进制数的整数部分转换为R进制数，通常采用“除R取余法”，即用十进制整数除以R取余数，将商反复除以R，直至商为零。得到的第一个余数为最低位，最后一个余数为最高位，将所得余数从高位到低位依次排列，就是对应R进制数。不同进制数的转换【例2.2】将十进制整数167转换为对应的二进制、八进制、十六进制数。不同进制数的转换十进制转换为八进制不同进制数的转换十进制转换为十六进制不同进制数的转换二进制、八进制、十六进制数的相互转换每3位二进制数对应一位八进制数，每4位二进制数对应一位十六进制数【例2.3】将二进制数10100111.1011B转换成八进制、十六进制数。不同进制数的转换【例2.4】将367.45O、E7B2.C8H转换为二进制数。2.1.3二进制与易经易经是中国最古老的哲学思想，通过阴阳的组合来进行现实世界的语义符号化。语义符号化是指将现实世界的使用符号来表达，进而进行基于符号的计算的一种思维。

阴：两个短线（或六）

阳：一根长线（或九）

阴对应二进制0，阳对应二进制1二进制与易经三画卦，8种组合，即八卦

天（乾）、地（坤）、

雷（震）、风（巽）、

水或月（坎）、

火或日（离）、

山（艮）、泽（兑）二进制与易经六画卦，共有64种组合，即六十四卦。六画卦可以描述人从生到死的变化规律，或者描述一年二十四节气的演变规律。八卦：三位二进制数的8个数六十四卦：8位二进制数的64个数2.1.4二进制与逻辑运算逻辑指的是事物之间遵循的规律，是现实生活中普适的思维方式。逻辑的基本表现形式是命题和推理。例如：10>6篮球是圆的姚明比我高二进制与逻辑运算命题是由语句表达的内容为真或假的一个判断。推理就是依据简单命题的判断结论推导出复杂命题的判断结论的过程。命题和推理可以用二进制的0表示假，1表示真。【例2.5】命题举例，假如小明是一个男的小学生。命题1：小明是男生，结果为真，值为1。命题2：小明是小学生，结果为真，值为1。命题3：小明是男生，并且是个小学生，结果为真，值为1。命题4：小明是女生，结果为假，值为0。二进制与逻辑运算命题和推理可以符号化，用符号来表示命题和推理。【例2.6】将例2.5的命题符号化。命题1用X表示，值为1。命题2用Y表示，值为1。命题3用Z表示，则“Z=XANDY”，则值为1。二进制与逻辑运算复杂命题的推理可以通过逻辑运算完成。逻辑运算符（1）AND与：XANDY，X和Y都为真时，为真。（2）OR或：XORY，X和Y都为假，才为假。（3）NOT非：NOTX，X为真时值为假，X为假时值为真（4）XOR异或：XXORY，X和Y不同时为真。XYNOTXXANDYXORYXXORY1101101000110110110010002.1.5二进制与元器件基本的逻辑运算可以由电子元器件及其电路实现。如高电平为1，低电平为0。电子计算机中，使用电子管来表示十进制的十种状态过于复杂，而使用电子管的开和关两种状态来表示二进制的0和1则非常容易实现。二进制与元器件【例2.7】使用8个电子管的一组开关状态表示二进制数10100110二进制与元器件硬盘也称为磁存储设备，通过电磁学原理读写数据，存储介质为磁盘或磁带，通过读写磁头改变存储介质中每个磁性粒子的磁极为两个状态，分别表示0和1二进制与元器件光盘利用激光束在光盘表面存储信息，根据激光束和反射光的强弱不同，可以实现信息的读写。在写入光盘时会在光盘表面形成小凹坑，有坑的地方记录“1”，反之为“0”。二进制与元器件计算机中采用二进制数有以下优点。（1）可行性。

只需要0、1两种状态，易于实现。（2）简易性。算术运算规则简单。

如两数相乘，只有0×0=0、0×1=0、1×0=0、1×1=1共4种组合，而十进制却有100种组合（3）适合逻辑运算。

1和0对应“真”和“假”（4）易于转换。

二进制与十、八、十六进制数转换方便。。2.1.6存储单位关系（1）位（bit）：一“位”只能表示0和1中的一个。（2）字节（Byte）：每8个位为字节（简写为B）。常用单位：B、KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、BB、NB、DB换算率为10241张JPG图片，大约1MB，使用传统电子管存储需要220×8，约800万个。2.2二进制与数据编码在计算机中，数字、字符、图片、声音、视频等所有信息都要进行二进制编码才能存储和处理2.2.1二进制与数字的表示1．机器数在计算机中采用固定数目的二进制位数来表示数字，称为机器数。机器数的表示范围受计算机字长的限制，一般字长为8、16、32或64位数值超出机器数能表示的范围，会出现“溢出”错误。通常把一个二进制数的最高位作为符号位。机器数【例2.8】8位计算机中整数+7和-7对应的机器数+7机器数是

00000111-7机器数是10000111原码在计算机中，数字可以采用原码、反码、补码存储和处理原码是数字最简单的表示方法。用0表示正号、1表示负号。0的原码有两种表示方法反码正数的反码与原码相同，负数的反码由原码的数值部分按位取反得到（即0变为1，1变为0）。0的反码有两种表示方法补码正数的补码与原码、反码相同，负数的补码等于负数的反码加10有唯一的补码，[+0]补=[-0]补=00000000补码的算术运算补码可以将计算中的减法运算转变为加法运算，而原码和反码则不行。2.2.2计算机中的字符编码常用的西文字符有128个（1）10个十进制的数码0～9（2）52个大小写英文字母A～Z及a～z（3）32个标点符号、运算符、专用符号和34个控制符采用ASCII码存储和处理西文字符，是通用的国际标准编码每个字符占用1Byte空间，最高位为0，其余7位表示ASCII值2.2.3计算机中的汉字编码1981年颁布《信息交换用汉字编码字符集——基本集》，国家标准GB2312—80，简称国标码。基本集共收集汉字6

763个，常用一级汉字3

755，二级汉字3

008个。2个字节（16位）表示一个汉字，理论上可以表示256×256=65

536个汉字机内码为了区分汉字编码和ASCII字符，将国标码每个字节的最高位由0改为1，构成汉字的机内码，也称内码汉字在计算机内部存储、处理和传输时使用机内码

汉字内码=汉字国标码+8080H输入码通过键盘向计算机中输入汉字所使用的编码为输入码，也称外码。以拼音为基础的拼音类输入法以字形为基础的字形类输入法以拼音、字形混合为基础的混合类输入码搜狗输入法、智能ABC、微软全拼五笔字型自然码输出码输出码也称汉字字型码，指汉字字库中存储的汉字字型的数字化信息，用于汉字在显示或打印输出。不同的汉字字库存放不同形状的汉字字型（即字体），如宋体、楷体、隶书等分为：点阵字库和矢量字库点阵字库用点阵表示字型，将一个汉字放在一个多行多列的网格中，有笔画通过的网格用二进制位1表示，没有笔画通过的网格用二进制位0表示。一般有16×16、24×24、48×48、64×64点阵汉字字型码以二进制数形式保存在存储器中，构成汉字字库48×48点阵需要288Byte（48×48/8）空间存放一个汉字的字型码矢量字库矢量汉字字库存储的是描述汉字字型的轮廓特征，当要输出汉字时，通过计算机的计算由汉字字型描述生成所需大小和形状的汉字点阵。放大以后不影响输出效果2.2.4图像的数字化编码图像是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的画面图像由许多像素组合而成，每个像素用若干二进制位来表示其颜色。每个像素所占二进制位数越多，则色彩越丰富，效果越逼真。色彩采用RGB模式，24位颜色中从低位到高位分别用1字节表示蓝色、绿色和红色。红色#FF0000

绿色#00FF00

蓝色#0000FF白色#FFFFFF

黑色#000000位图位图主要用于表现人物、动植物等真实存在的自然景物位图进行缩放时图像会失真图像的数字化现实中的图像都是模拟图像，要在计算机中存储、显示和处理，必须转换为数字形式，即数字化图像的采集和数字化设备：数码相机、摄像头、扫描仪图像的数字化过程主要包括：（1）采样（2）量化（3）编码采样采样是对二维空间上的模拟图像在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，每个微小方格称为一个像素分辨率是指图像在横纵方向上像素的个数，分辨率越高，图像质量越好，文件也越大。一幅640×480像素的图像，包括640×480=307

200个像素量化量化是将采样的每个像素的颜色用相同位数的二进制数表示每个像素使用二进制数的编码表示其颜色，将所有点的二进制编码保存在一起成为一个图片文件。（1）一张24位色、640×480像素的照片 224=16777216种颜色存储照片约需640×480×24/8B=921600B=900KB（2）一张24位色、4288×2848像素的照片约需 4288×2848×24bit=35778KB=34.94MB

编码由于采样、量化后得到的图像数据量巨大，必须采用编码技术来压缩其数据量。采用压缩的方法减少其占用的空间例如：JPEG压缩，一张24位色、4288×2848像素的照片压缩为约3.2MB的JPG文件2.2.5声音的数字化编码声音又称音频。自然界的声音是模拟音频，是随时间连续变化的模拟量，信号体现为波形计算机中存储的音频为数字音频，它是随时间不连续或离散变化的数字量。音频数字化模拟音频进入计算机时需要进行数字化处理，使其转换为数字音频音频采集和数字化所需的硬件设备主要有声卡、话筒等过程：

（1）采样（2）量化（3）编码声音的数字化编码采样过程是指每隔一定时间T对模拟音频信号的振幅取值，其中T称为采样周期，得到的振幅值称为采样值，采样后的数据仍为模拟量。将每1秒的采样次数称为采样频率，如22.05kHz、44.1kHz、48kHz，编码可以用8bit、16bit、24bit表示声音的数字化编码例如44.1kHz的32位音频每秒有44.1×1024=45158.4个采用每个采样能描述232=4294967296种声音信号单声道1分钟的44.1kHz的32位音频，需要存储空间 44.1×1024×60×32bit=10584KB=10.34MB2.2.6数据压缩技术数据压缩技术对数据重新编码，以减少所需的比特数，减少占用的存储空间，便于传输。数据压缩是可逆的，它的逆过程称为解压缩。数据之所以能被压缩，是因为数据中存在冗余。数据压缩技术1．压缩的指标

（1）压缩比。如：100:1，5:1，2:1（2）压缩质量。（3）压缩和解压缩速度。数据压缩技术压缩的分类（1）有损压缩。

如图像、视频或者音频等

压缩比可以从几倍到上百倍（2）无损压缩。

用于文本数据、程序代码和特殊应用场合的图像数据（如指纹图像、医学影像等）

压缩比一般为2∶1～5∶1数据压缩技术图像压缩JPEG，有损压缩。（a）原始BMP文件

（b）30%压缩率的JPG文件2.3图灵机与冯•诺依曼计算机阿兰·麦席森·图灵英国著名数学家、逻辑学家、密码学家是计算机逻辑的奠基者被称为计算机科学之父、人工智能之父图灵机图灵测试图灵机的基本思想图灵认为自动计算就是人或者机器对一条两端无限延长的纸带上的一串0和1，执行指令，一步步地改变纸带上的0和1，经过有限步骤得到结果的过程。（1）指令由0和1表示，（2）例如00表示停止01表示转0为1,10表示翻转1为011表示移位图灵机模型图灵机（TuringMachine）是指一个抽象的计算模型。图灵机模型被认为是计算机的基本理论模型，它是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路，一个问题的求解可以通过构造器图灵机来解决。图灵可计算问题：凡是能用算法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。图灵测试图灵测试，是图灵提出的一个关于机器人的著名判断原则，它是一种测试机器是否具备人类智能的方法。如果计算机能在5min内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为是人类所答，则计算机通过测试图灵测试2014年6月聊天程序“尤金·古斯特曼”（EugeneGoostman）首次通过了图灵测试。