Cap1.计算思维

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化，即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象“机器化”。

一.计算与自动计算

1.早期计算工具

（1）手指：十进制计数法（缺点：不能保存）

（2）结绳（缺点：不能计算）

（3）算筹（缺点：计算速度和能力无法满足）

2.“人”计算与“机器”计算

（1）人：规则可能复杂，但计算量小

（2）机器：规则可能简单，但计算量极大，也可用人所使用的计算规则

3.自动计算需解决的问题

数据的表示

计算规则的表示：程序

数据与计算规则的自动存储

计算规则的自动执行

4.机械计算的探索–表示->自动存储->自动执行

帕斯卡于1642年发明一种齿轮式计算机器

莱布尼茨：（1）莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行

（2）提出了二进制数及其计算规则

（3）数理逻辑的创始人

1834年：巴贝奇分析机的概念：可执行程序的机器

1805年：杰卡德，打孔卡，实践了输入手段问题

1854年：布尔创立布尔代数

二.电子自动计算-元器件

电子管时代：冯诺依曼：将运算和存储分离，“冯诺依曼计算机”

晶体管时代

集成电路时代

超大规模集成电路

摩尔定律：每18个月芯片能力增长一倍

（1）体积越来越小（2）可靠性越来越高（3）电路规模越来越大（4）速度越来越快（5）功能越来越强大

三.计算机的发展

1.第一代计算机（1946-1957）（主要用于科学计算）

（1）用电子管代替机械齿轮和继电器作为基本元器件，运算速度：每秒几千次至几万次

（2）采用二进制存储数据

（3）程序设计语言为机器语言和汇编语言

（4）程序可以存储，使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓、磁芯等作为存储器

（5）输入输出装置主要用穿孔卡片，lowspeed

2.第二代计算机（1958-1964）

（1）晶体管代替电子管

（2）采用磁芯存储器作主存，磁盘和磁带作辅存

（3）出现Fortran等高级语言，出现操作系统雏形：监控程序

（4）出现了超级计算机

应用：科学计算，数据处理，实时控制

3.第三代计算机（1965-1971）

（1）集成电路代替晶体管，体积大缩小

（2）半导体存储器替代磁芯存储器

（3）系列化，通用化，标准化

（4）出现结构化、模块化程序设计方法

4.第四代计算机（1971-至今）

（1）超大规模集成电路

（2）存储容量up

（3）高级程序设计语言up

（4）微型计算机走入千家万户

关键词：互联网，超级计算机，移动互联网，大数据，人工智能，云计算

四.计算系统发展趋势

1.微型化：可嵌入、可携带

2.大型化：可进行大规模复杂计算

3.智能化：理解自然语言，具有自适应性，自主完成复杂功能

4.网络化

五.计算机的分类

1.超级计算机

体积最大，速度最快，功能最强，价格最高

eg：日本Fugaku（富岳）、美国Summit、中国神威·太湖之光

已成为国家科技实力与科技水平的重要标志

2.大型计算机（zEnterprise EC12）

高性能大容量的通用计算机，标准化的体系机构和批量生产

3.小型计算机（PDP系列）

介于微型与大型之间

4.工作站

微型机基础上配备有大屏幕显示器、大容量存储器和图形加速卡的微型计算机

5.微型计算机

包括台式，笔记本，平板电脑

6.可嵌入式计算机（可归类为微型计算机）

嵌入到其他设备中并控制其工作的计算机系统（软件代码小，高度自动化，响应速度快）

7.服务器

通过网络为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机

高速的运算能力，长期的可靠运行，强大的外部数据吞吐性能

大型机作为服务器

六.计算机的特点

1.运算速度快

2.运算精度高

3.记忆能力强

4.判断能力好

5.自动运行（最本质的特点）

七.计算机的应用领域

1.信息处理

2.过程控制（实时控制）

3.人工智能

4.计算机辅助系统（CAD）

5.网络应用

Cap2.信息的数字化和数与数制

一.信息的数字化

术语：

（1）模拟信息：连续地或以无限小的步长来表示物理量随时间变化的信号（表示一个物理量的无穷个量值）

（2）数字信息：断续地以有限的步数并以增量的形式来表示物理量随时间变化的信号

一个变化的物理量可以用有限个分离的数字信号序列来表示

（3）信息数字化：模拟信息->数字信息

（4）A/D转换技术（模/数转换技术）：模拟信息（由变换器或传感器获得）到数字转换的技术

二.离散数字信息特性

（1）采样控制信号p（t）的频率决定离散信息密度

（2）离散数字信息的精确度取决于A/D转换器的数字位

三.数和进制

十进制（D），二进制（B），八进制（O），十六进制（H）之间的转换

任意进制转换：以十进制作为桥梁

关键词：基，位权，数码

1.为什么计算机使用二进制

（1）容易用数字逻辑电路实现

（2）节省设备使用量

（3）和布尔代数关系密切

Cap3.定点数的表示（略）

关键词：原码，反码，补码，变形补码，正溢出，负溢出

0的原码有俩种表示方式

Cap4.浮点数和多媒体信息编码

一.浮点数的规格化

eg：M是二进制，当基数R=2时，尾数M要求是真值小数点后一位非0

当基数R=8=2³时，尾数M要求是真值小数点后三位非0

二.移码性质

1.移码和补码符号位相反

2.采用移码表示浮点数的阶码时，”机器0“（满足尾数为0，且阶码对应的指数能让整个数值为0）为全0

3.真值0对应的移码唯一

4.移码加减运算需要修正

三.IEEE754浮点数

1.先把数字化为二进制并规格化

2.求阶码E=（）+127，并化为二进制

3.写出结果：符号位+E+M

四.多媒体信息编码

1.编码是以若干位数码或符号的不同组合来表示非数值性信息的方法，不同性质的非数值性信息都可以用编码表示

2.编码的三个主要特征

（1）唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义

（2）公共性：所有相关者都认同、遵循、使用这种编码

（3）易于记忆/便于识认性：有一定规律

3.分类

（1）英文字符编码：ASCII码

41H-5AH：’A’-‘Z’

61H-7AH:’a’-‘z’

0AH:换行符号LF

0DH:回车符号CR

30H-39H：‘0’-‘9’

（2）汉字编码：汉字输入码，汉字机内码，汉字交换码和汉字输出码

（3）十进制数编码：

ASCII码

BCD码：使用二进制编码的十进制，最常用的BCD码是8421码

当俩个BCD相加结果小于9时，不修正

当俩个BCD相加结果大于9或产生向高位进位时则加6修正

（4）图像编码：像素点

黑白：1位，灰度：8位，彩色：24位

Cap5.计算机硬件的基本思维

一.布尔代数

布尔常量：0，1

布尔变量

基本运算：与或非

布尔函数F=f（x1，x2，x3，…，xn）

1.二进制数任何计算都可以转换为逻辑运算来实现

eg.一位二进制全加器，并行加法器

2.逻辑电路还可以处理带时序的复杂任务

二.图灵机

基本思想

计算是计算者对一条俩段可无限延长的纸带上的一串0或1执行指令，经过有限步骤最后得到一个满足规定的符号串的变换过程

三.冯诺依曼计算机

运算器：负责执行逻辑运算和算数运算的部件

控制器：能读取指令、分析指令并执行指令，以调度运算器进行计算、调度存储器进行读写的部件

存储器：负责数据和指令存储和读写的部件

输入设备：负责将程序和指令输入到计算机中

输出设备：负责将计算机处理的结果显示或打印出来

计算机的基本部件

CPU，主存储器，IO设备，总线

四.并行性处理计算机-硬件并行设施

并行性：多于一个事件在同一时刻发生

Cap6.软件的基本思维

一.软件

1.定义：

（1）狭义：为了运行、管理和维护计算所编制的各种程序的总和

（2）广义：程序和数据、文档、使用说明书的总称

2.分类：

（1）系统软件：管理、监控和维护计算机资源的软件

（2）应用软件：计算机所有应用程序的总称

二.机器语言    高级语言

低级语言：与特定计算机体系结构密切相关的程序设计语言

高级语言：不反映特定计算机体系结构的程序设计语言

1.机器语言

由0和1编码表示，指令一般格式：操作码+地址码

2.汇编语言

标号：操作码 地址码（操作数）；注解

特点：

（1）使用助记符反映指令的功能和主要特征并代替机器指令代码

（2）助记符可用多种进制的数或表达式来表示数或操作数的地址

（3）转移指令中跳转地址也可用标号来表示

三.操作系统

1.定义

操作系统是控制和管理计算机系统各个资源（硬件，软件和信息资源）、合理组织计算机系统工作流程、提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、最重要的系统软件

2.形成

手工->脱机输入/输出->单道批处理系统->多道批处理系统->分时系统（多路性，独立性，及时性，交互性）->实时系统（实时控制，实时信息处理）

3.发展

微机操作系统：单用户单任务->单用户多任务（windows10）->多用户多任务（UNIX，Linux）

多处理器操作系统：主-从模式，对称模式

网络操作系统：网络通信，资源管理，网络服务，网络管理

分布式操作系统

嵌入式操作系统

4.特征：并发性，共享性（互斥共享，同时访问），虚拟性（时分复用技术，空分复用技术），异步性

并行性和共享性是操作系统的最基本特征

5.功能（资源管理角度）

（1）处理器管理功能：进程控制，进程同步，进程通信，调度（作业和进程）

（2）存储器管理功能：内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充

（3）设备管理功能：缓冲管理，设备分配，设备处理

（4）文件管理功能：文件存储空间的管理，目录（文件夹）管理，文件的读/写管理和保护

（5）操作系统与用户之间的接口：用户接口，程序接口

现代操作系统的新功能：系统安全，网络的功能和服务，支持多媒体