《信息技术基础教学课件》第1章计算思维和计算机基础.ppt

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1、第1章计算思维与计算机基础知识计算与算与计算思算思维 计算思维是人类固有的一种思维模式，通过对问题和解题途径加以形式化抽象，使之能有效通过信息处理系统来实现。计算思算思维的定的定义2006年3月，美国卡内基梅隆大学周以真教授首次提出了计算思维的概念计算思算思维是运用是运用计算机科学的基本概念算机科学的基本概念进行行问题求求解、系解、系统设计以及人以及人类行行为理解等涵盖理解等涵盖计算机科学算机科学之广度的一系列活之广度的一系列活动在信息社会中在信息社会中计算思算思维是人是人们思考与解决思考与解决问题的基的基本技能之一，是本技能之一，是每个人每个人应具有的思具有的思维能力能力。计算思算思维的特征

2、的特征（1）计算思算思维是概念化的抽象思是概念化的抽象思维，不只是程序，不只是程序设计（2）计算思算思维是基本的，而不是机械的技能是基本的，而不是机械的技能（3）计算思算思维是人的，而不是是人的，而不是计算机的思算机的思维（4）计算思算思维是数学思是数学思维和工程思和工程思维的互的互补和融合和融合（5）计算思算思维是思想，而不是人造物是思想，而不是人造物（6）计算思算思维面向所有的人，所有地方面向所有的人，所有地方计算思算思维的的应用示例用示例1、囚徒困境囚徒困境问题问题警方逮捕甲、乙两名嫌疑犯，但没有足够证据指控二人有罪。于是警方分开囚禁嫌疑犯，分别和二人见面，并向双方提供以下相同的选择：若

3、一人若一人认认罪并作罪并作证检证检控控对对方，而方，而对对方保持沉方保持沉默，此人将即默，此人将即时获释时获释，沉默者将判，沉默者将判监监10年。年。若二人都保持沉默，若二人都保持沉默，则则二人同二人同样样判判监监半年。半年。若二人都互相若二人都互相检举检举，则则二人同二人同样样判判监监2年。年。1、囚徒困境囚徒困境问题问题合作合作背叛背叛合作合作3，30，5背叛背叛5，01，1程序的规则：程序的规则：双方合作各得双方合作各得3分分双方背叛各得双方背叛各得1分分一方合作一方背叛，合作方得一方合作一方背叛，合作方得0分，背叛方得分，背叛方得5分分prisonersdilemma难题的解决-计算机

4、模拟 为解决“囚徒困境”难题，美国曾组织竞赛，要求参赛者根据“重复囚徒困境”(双方不止一次相遇，“背叛”可能在以后遭到报复)来设计程序。将程序输入计算机反复互相博弈，以最终得分评估优劣(双方合作各得3分；双方背叛各得1分；一方合作一方背叛，合作方得0分，背叛方得5分)；有些程序采用“随机”对策；有些采用“永远背叛”对策；有些采用“永远合作”对策；最佳确定性策略被认为是“以牙还牙”，这个策略在重复博弈的开头合作，然后，采取你的对手前一回合的策略。数字猜测数字猜测小明说他心中想到一个小明说他心中想到一个0-1000-100之间的数字，这个数字之间的数字，这个数字他要告诉给老师，然后让其他人来提问。

5、他要告诉给老师，然后让其他人来提问。提问的人可以问提问的人可以问问题问题，但小明只能用，但小明只能用YES/NOYES/NO作答。作答。方方 法：法：蛮力蛮力 穷举穷举 折半折半猜猜测数字数字最佳的猜数字策略最佳的猜数字策略折半折半先先猜猜50，若若大于大于50。则则该该数是在数是在51100之之间间的的再再猜猜的数字是的数字是75，若若小于小于75，此，此时该时该数在数在5174之之间间再次再次找到找到这这个范个范围围内的中内的中间间数，重复数，重复该过该过程直到程直到猜到数字，最多猜猜到数字，最多猜7次。次。“折半折半”策略，每次提策略，每次提问问将范将范围缩围缩小一半小一半。如果将猜数的

6、范如果将猜数的范围围从从0100扩扩大到大到01000，需要需要多多问问多少多少个个问题问题？思思考考柯柯尼斯堡七尼斯堡七桥问题在柯尼斯堡的一个公园里，有七座桥将普雷格尔河中两个岛及岛与河岸连接起来。请问是否可能从这4块陆地中任一地出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？Map of Knigsberg in Eulers timeshowingtheactuallayoutofthesevenbridges,highlighting the river Pregelandthebridges计计算思算思维维的本的本质质是是抽象抽象和和自自动动化化抽象抽象：完全超越物理的完全超越物理的时时空空观

7、观，并完全用符号来表示。，并完全用符号来表示。问题转化为：问题转化为：从从A A、B B、C C、D D中的任一点出发，能否既不重复也中的任一点出发，能否既不重复也不遗漏地把每一条线都走过一遍，并最不遗漏地把每一条线都走过一遍，并最终回到起点终回到起点若定义进入A的线的条数为入度，离开线的条数为出度，与A有关的线的条数为A的度，则A的出度和入度是相等的，即A的度应该为偶数。即要使得从A出发有解则A的度数应该为偶数A的度数：5B的度数：3C的度数：3D的度数：3所有起点都是无解的l若可以画出来，则图形中必有终点和起点，并且起点和终点应该是同一点。l对称性可知由B或C为起点得到的效果是一样的l若假

8、设以A为起点和终点，则必有一离开线和对应的进入线。“七七桥问题桥问题”转转化化为为一笔不重复画出一笔不重复画出过过七条七条线线的的问题问题欧拉定理的解释欧拉定理的解释凡是由偶点组成的连通图，一定可以一笔画凡是由偶点组成的连通图，一定可以一笔画成。画时可以把任一偶点为起点，最后一定能成。画时可以把任一偶点为起点，最后一定能以这个点为终点画完此图。以这个点为终点画完此图。凡是只有两个奇点的连通图（其余都为偶点）凡是只有两个奇点的连通图（其余都为偶点），一定可以一笔画成。画时必须把一个奇点为，一定可以一笔画成。画时必须把一个奇点为起点，另一个奇点终点。起点，另一个奇点终点。本章目录本章目录1.2 信

9、息化社会与计算机文化 1.1.2 计算机的发展与应用电子计算机的定义电子计算机的定义电子数字计算机的诞生电子数字计算机的诞生 电子计算机（电子计算机（ComputerComputer）也称为电脑，它是一种能存储程）也称为电脑，它是一种能存储程序和数据、自动执行程序、快速而高效地自动完成对各种数字序和数据、自动执行程序、快速而高效地自动完成对各种数字化信息进行处理的电子设备。化信息进行处理的电子设备。举世公认的世界第一台电子计算机诞生于举世公认的世界第一台电子计算机诞生于19461946年年。是由美。是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰莫克利和工程师普雷斯伯莫克利和

10、工程师普雷斯伯埃克特领导研制的取名埃克特领导研制的取名ENIAC ENIAC。计算机发展简史本章目录本章目录1.2 信息化社会与计算机文化计算机之父计算机之父阿伦阿伦.图灵图灵-图灵的主要贡献是建立了图灵机的理论模型图灵的主要贡献是建立了图灵机的理论模型 .冯冯.诺依曼诺依曼-他首先提出了在计算机内部存储程序的概念，他首先提出了在计算机内部存储程序的概念，“存存储程序储程序”的计算机成了现代计算机的重要标志。的计算机成了现代计算机的重要标志。存储程序计算机的基本设计思想：存储程序计算机的基本设计思想：l把把程序和数据一样都存储程序和数据一样都存储起来起来l依次依次取出存储的程序进行译码，并按照

11、译码结果进行计算，取出存储的程序进行译码，并按照译码结果进行计算，从而实现计算机工作的从而实现计算机工作的自动化自动化冯冯.诺依曼型计算机诺依曼型计算机图1-1 年轻的阿伦.图灵 图1-2 冯诺依曼本章目录本章目录1.3 计算机系统的组成结构与工作原理 计算机系统的组成计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机外部设备外部设备内存内存CPU控制器控制器随机存储器随机存储器(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)输入设备输入设备输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件运算器运算器高速缓存高速缓存(Cache)外存及其它辅助设备外存及其它辅助设备 运算器运算器控制器控制器

12、CPU冯冯.诺依曼的重要思想：诺依曼的重要思想：二进制；二进制；程序与数据一样存储在内存；程序与数据一样存储在内存；五大部件组成五大部件组成冯.诺依曼计算机的基本结构（硬件系统）主机主机外存储器外存储器内存储器内存储器输输入入设设备备输输出出设设备备CPU主机主机数据流数据流控制流控制流各部件功能运算器运算器负责完成所有算术运算、逻辑运算任务。负责完成所有算术运算、逻辑运算任务。控制器控制器控制整个计算机所有部件的工作。可以认为控制控制整个计算机所有部件的工作。可以认为控制器控制着计算机硬件系统的全部动作。器控制着计算机硬件系统的全部动作。存储器存储器是计算机能够实现是计算机能够实现“存储程序

13、存储程序”原理的硬件基础。原理的硬件基础。程序和数据均以二进制形式存储在其中。程序和数据均以二进制形式存储在其中。8位位(Bit)称为一个字节称为一个字节(Byte)，每个字节都有唯一地址，每个字节都有唯一地址1KB=1024B=2101MB=1024KB=2201GB=1024MB=2301TB=1024GB=2401PB=1024TB=250输入设备输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序。用来接受用户输入的原始数据和程序。输出设备输出设备用于将计算机处理得到的运算结果等转变为人用于将计算机处理得到的运算结果等转变为人们所能接受的形式，输出到相应的介质们所能接受的形式，输出到相应的介质上。

14、上。存储器存储示意图字节字节计算机的软件系统计算机的软件系统用户与计算机软、硬件之间的层次关系用户与计算机软、硬件之间的层次关系 软件泛指软件泛指程序程序，软件系统包括了使计算机运行所需的各，软件系统包括了使计算机运行所需的各种程序及其有关的种程序及其有关的数据数据和和文档资料文档资料。根据程序的不同用途，通常软件系统被分为根据程序的不同用途，通常软件系统被分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大部分。两大部分。3.程序的执行程序的执行CPU不断地一条一条的取指令、指令译码、执行指令不断地一条一条的取指令、指令译码、执行指令本章目录本章目录1.指令指令让计算机完成某个操作发出的命令。让计算

15、机完成某个操作发出的命令。2.程序程序有序的指令集合。有序的指令集合。例如，设例如，设a=3a=3，b=5b=5，计算，计算a+ba+b并显示输出并显示输出算法描述：算法描述：取一个运算数取一个运算数3 3赋值给赋值给a a；再取一个运算数再取一个运算数5 5赋值给赋值给b b；执行执行a+ba+b运算；运算；结果存入存储器某单元中；结果存入存储器某单元中；输出存储器中的运算结果；输出存储器中的运算结果；结束。结束。程序：程序：main()inta,b,c;a=3;b=5;c=a+b;printf(“a+b=%dn”,c);计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理“存储程序

16、存储程序”原理原理 计算机能够自动完成运算，是因为在存储器中“存储”了程序。计算机是在程序的控制下自动完成相应操作的。这就是所谓“存储程序”原理，即计算机的基本工作原理，又被称为“冯.诺依曼原理”。本章目录本章目录 1.4.1 微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统微处理器微处理器（CPU）内存内存外存外存接口接口软盘、硬盘软盘、硬盘光盘驱动器光盘驱动器输入设备输入设备接口接口键盘等输入键盘等输入设备设备输出设备输出设备接口接口显示器、打印机显示器、打印机等输出设备等输出设备其它外设其它外设接口接口各种其它各种其它I/O设备设备系统总线系统总线主机主机外设外设微型机的硬件系统结构示意图微型机

17、的硬件系统结构示意图存储器存储器内部存储器内部存储器l访问速度快访问速度快l信息易失性信息易失性l相对价格高相对价格高外部存储器外部存储器u访问速度慢访问速度慢u信息永久性信息永久性u相对价格低相对价格低（1）随机存取存储器）随机存取存储器(RAM)RAM通通常常指指计计算算机机主主存存，使使用用动动态态随随机机存存储储器器，制制作作成成内内存存条条形形式出现。式出现。PU对它们既可读出又可写入数据。断电后信息丢失。对它们既可读出又可写入数据。断电后信息丢失。（2）只读存储器）只读存储器(ROM)CPU对对它它们们只只能能读读，其其信信息息用用户户无无法法修修改改。断断电电时时信信息息不不会会

18、丢丢失失。ROM中一般存放计算机系统初始化程序等。中一般存放计算机系统初始化程序等。（3）高速缓冲存储器）高速缓冲存储器(Cache)是是介介于于CPU和和内内存存之之间间的的一一种种可可高高速速存存取取信信息息的的芯芯片片，用用于于解解决决它们之间的速度不匹配问题，它们之间的速度不匹配问题，CPUCacheRAM1内部存储器内部存储器增加增加Cache，只是提高，只是提高CPU的读写的读写速度，而不会改变内存的容量速度，而不会改变内存的容量微型机的存储层次微型机的存储层次 CPU高速缓存高速缓存主主存存辅存（磁盘、光盘、闪存）辅存（磁盘、光盘、闪存）内存内存外存外存存存取取速速度度越越慢慢单

19、单位位价价格格越越低低存存取取容容量量越越大大输入输入/输出设备输出设备输入设备输入设备输出设备输出设备处理结果处理结果数据数据二进制二进制内存内存数字、字符、数字、字符、图像、声音图像、声音常用输入设备：键盘、鼠标器、常用输入设备：键盘、鼠标器、语音输入设备语音输入设备（麦克）（麦克）、扫描仪、录像机、数码相机等设备、扫描仪、录像机、数码相机等设备常用输出设备：显示器、打印机、音箱、绘图仪等设常用输出设备：显示器、打印机、音箱、绘图仪等设备。备。本章目录本章目录本章目录本章目录1.4 微型计算机的硬件与软件系统 1.4.2PC机的主要性能指标机的主要性能指标主频主频主频越高表示主频越高表示C

20、PU处理数据的速度越快。主频处理数据的速度越快。主频的单位的单位是是GHz。字长字长在主频相同的情况下字长越长信息处理速度越在主频相同的情况下字长越长信息处理速度越快、快、计算精度越高计算精度越高。如字长为。如字长为16位、位、32位、位、64位。位。运算速度运算速度它取决于指令的执行时间。描述运算速度它取决于指令的执行时间。描述运算速度的单位为的单位为MIPS（表示每秒钟百万条指令）。（表示每秒钟百万条指令）。内存容量内存容量表示计算机存储信息的多少。取决于表示计算机存储信息的多少。取决于CPU的寻址能力。的寻址能力。外存与外设的配置外存与外设的配置输入输入/输出设备的最大配置数量。输出设备

21、的最大配置数量。数据数据带宽带宽数据带宽是指每秒最大数据传输量，带宽数据带宽是指每秒最大数据传输量，带宽的单位为的单位为Mb/s或或Gb/s。带宽越大，数据传输速度越快。带宽越大，数据传输速度越快。本章目录本章目录微型计算机软件的分类微型计算机软件的分类计算机语言的发展计算机语言的发展第一代计算机语言第一代计算机语言机器语言，计算机能直接识别并执行的语言。机器语言，计算机能直接识别并执行的语言。第二代计算机语言第二代计算机语言汇编语言，是面向机器的符号语言。汇编语言，是面向机器的符号语言。第三代计算机语言第三代计算机语言高级语言，也叫算法语言或过程化语言。高级语言，也叫算法语言或过程化语言。第

22、四代计算机语言第四代计算机语言非过程化的语言，是面向问题的非过程化非过程化的语言，是面向问题的非过程化语言语言第五代计算机语言第五代计算机语言智能化语言，同第四代语言且具有一定的智能化语言，同第四代语言且具有一定的智能智能本章目录本章目录1.4 微型计算机的硬件与软件系统 1.4.3 微型计算机的软件系统微型计算机的软件系统系统软件系统软件应用软件应用软件机器语言程序机器语言程序00100011111011010110000101110110汇编语言源程序汇编语言源程序MOVAX,30HADDAX,50HMOV2100H,BXHLT高级语言源程序高级语言源程序(C)main()inta,b,c

23、;a=300;b=18;c=a+b;printf(“a+b=%dn”,c);例如，查找学生表中的所有女学生的学号、姓名、性别和出生日期的信息例如，查找学生表中的所有女学生的学号、姓名、性别和出生日期的信息的的SQL语句为：语句为：SELECT学号学号,姓名姓名,性别性别,出生日期出生日期FROM学生表学生表WHERE性别性别=“女女”本章目录本章目录系统软件介绍系统软件介绍本章目录本章目录微型计算机软件系统介绍微型计算机软件系统介绍（1）操作系统）操作系统是系统软件中最核心的软件。为了使计算机系统的所有是系统软件中最核心的软件。为了使计算机系统的所有软、硬件资源协调一致，有条不紊地工作，就必须

24、有一个软、硬件资源协调一致，有条不紊地工作，就必须有一个软件来进行统一的管理和调度软件来进行统一的管理和调度这种软件就是操作系统。这种软件就是操作系统。操作系统的主要功能是控制和管理计算机系统的所有资源操作系统的主要功能是控制和管理计算机系统的所有资源（包括硬件资源和软件资源）。（包括硬件资源和软件资源）。(2)服务性程序服务性程序操作系统自己带一些操作系统自己带一些第三方开发第三方开发源程序源程序可执行程序可执行程序目标程序目标程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接程序连接程序机器语言机器语言高级语言高级语言汇编语言汇编语言面向过程：面向过程：BASIC、Pascal、FORTRAN、C等

25、等面向对象：面向对象：C+、Java、VisualBasic等等非过程化语言非过程化语言 (面向问题的语言如面向问题的语言如SQL)SQL)（3）语言处理程序）语言处理程序智能化语言智能化语言程序、数据程序、数据系统软件介绍系统软件介绍语言处理程序语言处理程序本章目录本章目录应用软件介绍应用软件介绍本章目录本章目录微型计算机软件系统介绍微型计算机软件系统介绍（1 1）办公自动化软件包）办公自动化软件包（2 2）数据库系统）数据库系统（3 3）浏览器）浏览器（4 4）实时控制软件）实时控制软件（5 5）图形图像处理软件）图形图像处理软件 （6 6）工程设计软件）工程设计软件 （7 7）多媒体创作工具软件）多媒体创作工具软件（8 8）网站制作软件）网站制作软件