计算机导论1

计算机专业导论之思维与系统

第1讲-计算机、计算与计算思维

101-课程导引-为什么学

学习计算机是为了创造出与人们息息相关的产品。

要熟悉了解计算思维，计算机是不可能学全的，无数种编程语言、软件硬件等，但是他们的计算思维是一样的。

计算思维和理论思维和实验思维合称为复合思维，最后他们生成了创造性思维。

102-本课程学什么

本课程学习的是从发现自然/社会问题到解决自然/社会问题整个流程。

• 人计算
• 机器自动计算
• 机器难于计算

程序如何被机器自动执行 程序vs系统

如何编写机器可执行程序 语言vs编译

如何构造解决问题的算法 问题vs算法

可求解vs难求解

如何降低计算量：计算vs算法

怎样研究算法

奠基性思维：0和1，程序，递归。

计算机发展：由小趋向于大，冯诺依曼计算机趋向于云计算。是网络化和数据化的过程。

103-怎样学习本课程

1. 0和1：符号化-计算化-自动化；程序与系统：组合-抽象-构造；迭代与递归：构造的基本手段。
2. 问
3. 题求解算法与程序设计
4. 问题求解算法与程序设计
5. 网络化思维
6. 数据化思维

怎样学：理解场景，区分场景中的不同要素而初步理解一些术语，主要目的是将知识贯通起来，而不纠结于细节！

思维->知识/技能->能力

104-人计算与机器自动计算

人计算：

1. 一条规则可能很复杂，但计算量却可能很小
2. 人需要知道具体的规则，然后再去计算，并且该规则是特定的，不能适用于一般规则。

机器计算

1. 每条规则可以很简单，计算量很大
2. 机器也可以采用人所使用的计算规则
3. 规则可以是一般规则，使用所有情况。例如：穷举法。

105-机器自动计算需要解决的问题

机器自动计算。需要解决表示、存储、执行。

表示：将十进制转化为计算机读的懂的二进制，将二进制转化为计算机读得懂的十进制。即输入输出。

存储：计算的过程中需要读取程序，计算的中间值需要存储再读取。即存储器。

执行：机器需要能够自动读取数据存储数据并计算，这整个过程就是执行。即中央处理单元。

106-计算系统发展趋势

微型化、大型化、智能化、网络化

IBM提出：智慧星球。smart planet

X105x详细版选修-机械计算与电子自动计算-元器件

电子管、晶体管、集成电路、超级集成电路。

X105y详细版选修-电子自动计算与计算机系统

输入设备、输出设备、存储设备、cpu

第2讲-符号化、计算化与自动化

201-本讲概述

语义符号化–符号计算化–计算01化–01自动化–分层构造化–构造集成化

202-信息如何用０和１表示

数值型：多进制转化为二进制。

非数值型：比如汉字，将汉字符号化，比如大->da,编码为ord(d)和ord(a)，称为汉字外码，然后存储到计算机中，为区分ascii码，将最高位转化为1，称为汉字内码。输出的时候形成点阵式的字形化编码。

203-如何用０和１进行计算

与或非、异或

抽象化即将生活问题符号化，符号计算化，由计算机01计算解决生活问题。

204-如何将减法变加法

用补码计算，一正一负不可能溢出，而两正或者两负都可能溢出，所以很容易判断是否溢出。

205-用逻辑用硬件实现加法

用逻辑运算来实现加法。

用二极管高低电平和三极管高低电平来模拟加法。

X202y详细版选修-小数点如何处理

定点数表示：或者默认在符号位后面数值位前面，或者默认在整个数值位的后面

浮点数表示：单精度和双精度。

X203x详细版选修-易经、０１与抽象

人的基本思维模式和计算机的0和1运算是相通的

0和1是连接硬件与软件的纽带，理论上来说，任何计算既可以由硬件实现，也可以由软件实现

第3讲-冯.诺依曼计算机

301-本讲概述

理解程序如何被执行的。

302-冯.诺依曼计算机的思想和构成

1. 控制器启动

2. 控制器发送第一条指令地址给存储器

3. 控制器从存储器取出指令并分析指令

4. 控制器执行指令并向存储器发送需要操作的操作数地址

5. 控制器从存储器取出操作数

6. 控制器发送下一条指令地址给存储器

7. 控制器从存储器取出指令并分析指令

   。。。

冯诺依曼计算机结构是以运算器作为计算机的中心，现代计算机是以存储器为中心。以不同结构连接会导致不同的性能，这就是系统。强调结构，强调部件连接后的整体性和协同性。

303-自动存储与存储器

存储器基本机构：地址编码，地址译码器，地址控制线，存储单元，存储位（字长或数据线）。

操作指令和数据以同等地位存储于存储器中。

算法不同会影响到操作的次数，次数越多越耗性能。

304-机器级程序与机器指令

305-机器级程序的执行机制

运算器：
  1.算数、逻辑及移位计算
  2.数据寄存器
控制器：
  1.程序计数器PC：存放下一条要执行指令的存储地址。
  2.指令寄存器IR：存放当前指令内容
  3.时钟与节拍发生器：1.取出地址传给pc。2.取出指令。3.分析指令。4.执行指令相关操作。
  4.信号控制
存储器：
  地址编码，地址译码器，地址控制线，存储单元，存储位（字长或数据线）
  内容寄存器
  地址寄存器

306-机器级程序的执行过程模拟

X302x详细版选修-图灵机的思想

任何能用算法解决的都能用图灵机解决。

任何用图灵机解决不了的算法都解决不了。

第4讲-现代计算机

401-本讲概述

将存储器划分为内存和外存。

一个块=512B=256个字
1G=1024*1024*1024=10 7374 1824 B
1G=1024*1024*2= 209 7152块

操作系统：管理内外存和cpu资源，完成应用程序的执行。

402-计算机的存储体系

内存：内部结构类似cpu所以可以快速的一个单元一个单元的进行读取。

外存：块状读取，一个扇区为单位读取，一般为512个字节。

内存按地址访问，半导体材料。

外存按顺序访问，磁性材料。

403-对存储体系的分工-合作与协同管理思想

操作系统：控制和管理计算机系统各种资源，合理组织计算机系统工作流程、提供用户和计算机之间的接口的最基本最重要的系统软件。

分工：独立管理复杂环境中的每个不见。

​ cpu：调度cpu去执行那个程序

​ 内存：管理内存空间分配和回收

​ 磁盘：管理磁盘读写。

合作：以任务为驱动，各部件合作完成该任务。（中心任务：让计算机或者cpu执行外村上的程序）

协同：合作、同步、自动化、最优化。

404-操作系统的分工管理

化整为零，化零为整。

分工管理：

磁盘管理：目录或文件夹后藏着文件第一块的存储地址，文件分配表里对应文件各个块的存储地址。

​ 所以病毒攻击，可以攻击文件分配表，这样就找不到下一个存储地址，或者攻击目录或文件夹，这样系统就

​ 找不到第一个存储地址。

内存管理：内存空间分配，内存空间管理，内外存信息自动交换，内存回收。

cpu管理：分时操作。

405-操作系统的合作与协同管理

406-现代计算机的演进

分时：一台主机一个cpu执行多个程序。

并行：一台主机多个cpu执行一个程序。其中一个cpu负责作业拆分和合并。

分布：多台主机多个cpu执行一个任务。