文章目录一、计算机简介1.1 计算机与数字化1.2 IPOS模型1.3 程序与软件分类二、计算机的分类与使用2.1 计算机的分类2.2 新兴的计算机设备2.3 兼容性2.4 计算机的优缺点三、数字数据表示3.1 数据表示基础知识3.2 常用信息的表示3.2.1 进制系统3.2.2 字符编码3.2.3 图像数字化3.2.4 声音数字化3.3 位和字节的量化3.4 电路和芯片四、数字处理4.1 程序和指令集4.2 处理器逻辑五、计算思维5.1 概念5.1.1 计算思维的定义5.1.2 计算思维研究的三类核心问题5.1.3 四个相关概念的关系5.1.4 计算思维解决问题的步骤5.2 主要思想5.2.1 符号化思想5.2.2 程序化思想5.2.3 递归思想5.2.4 抽象和分解思想参考资料一、计算机简介1.1 计算机与数字化计算机是信息时代的核心。计算机的发明与数字化时代的到来开启了数字革命。数字化是利用电信号来表示各类数据实现不同类型信息的统一处理。计算机是广义概念依托电子学原理按照一系列指令完成数据处理的机器。computer一词最早指代从事手工数据计算的人早期专门用于计算的设备称为计算器、制表器并非现代意义上的计算机。1.2 IPOS模型计算机的四类基础操作输入Input、处理Process、输出Output、存储Store统称为IPOS模型该模型概括了计算机的基本工作形态。1.3 程序与软件分类计算机程序控制计算机完成处理任务的指令集合简称程序程序组合构成软件软件使计算机能够完成特定业务任务。软件分为三大类系统软件操作系统Windows11、macOS、Linux、Android、支撑软件CPU监控程序、显卡/声卡等设备驱动程序等应用软件Word、Excel、微信、Chrome浏览器、Photoshop、各类游戏开发工具VS Code、PyCharm、Dev‑C、IDEA、编译器早期计算机市场销量低迷的主要原因硬件造价昂贵可用性差对操作人员专业能力要求高。早期个人微机采用 DOS 命令行没有图形用户界面 (GUI)普通用户学习门槛高难以普及。二、计算机的分类与使用2.1 计算机的分类个人计算机PC供终端用户直接操作、面向个人使用的计算机统称。PC常见硬件形态Desktop台式计算机主机搭配独立显示器固定桌面使用硬件扩展性好。Laptop (Notebook笔记本电脑)一体化整机自带屏幕、键盘与电池便于携带。Hybrid (2‑in‑1二合一混合设备)可拆卸屏幕接上键盘作为笔记本拆下即为平板电脑。Tablet平板电脑以触屏操作为主一般无内置物理键盘。Smartphone智能手机手持移动智能设备。补充手机、平板本质属于嵌入式计算机同时也归为个人使用的PC类设备。工作站Workstation硬件定义面向单用户的高端微型计算机擅长图形处理与并行任务如今高性能的个人计算机也可充当工作站。网络定义网络环境下接入服务器的终端客户机也叫网络工作站仅代表客户端角色不要求硬件高性能。服务器计算能力较强能够同时为多个用户提供服务的计算机。大型机高可靠性、高吞吐率多用于大型企业、机构处理核心业务。超级计算机综合性能最强运算速度、存储容量领先主要用于科学运算、大规模仿真模拟。嵌入式计算机内嵌在各类电子产品内部作为设备的控制核心。量子计算机现已落地应用但受量子比特数量限制大规模商用尚在发展阶段。设备特点对比个人计算机PC多用于娱乐、办公、游戏硬件配置普通间断使用优先考虑性价比。工作站适用于专业制图、三维建模、渲染、仿真多核性能强、内存大可长时间高负载运行适配专业设计软件。服务器7×24小时不间断运行部署网站、数据库、网络服务搭载ECC纠错内存、硬盘阵列、冗余电源容错稳定性高一般不外接显示器操作。2.2 新兴的计算机设备电子书阅读器Kindle、掌阅iReader主要用于阅读电子书籍。游戏主机索尼PlayStation、任天堂Wii、微软Xbox等。便携式媒体播放器iPod、MP3播放器、MP4播放器用于播放音频、视频文件。智能手表Apple Watch、华为手表支持计时、消息提醒、健康监测等功能。智能眼镜Meta Quest、华为智能眼镜支持信息显示、影音播放、部分AR交互。运动追踪器监测佩戴者的步伐与心率例小米手环、Fitbit手环。智能家电智能冰箱、智能空调、扫地机器人内置计算模块支持联网与自动化控制。树莓派体积略大于扑克牌的完整计算机装置可外接键盘、显示器成本低廉为程序开发、硬件实验提供低成本实验平台。2.3 兼容性兼容性也常被称为“是否属于同一平台”。两台计算机若使用同一操作系统则二者互相兼容可以共用软件、硬件配件数据也能够便捷迁移。主流平台分为三类苹果macOS、iOS微软WindowsWindows Phone已停止官方支持谷歌Chrome OS、Android同一平台下的设备用户上手难度更低。2.4 计算机的优缺点✅优点运算速度快计算结果准确可以在极小物理空间内存储海量信息可持续工作不存在疲劳问题拓宽人们获取信息、认知世界的渠道❌缺点手机等智能设备造成用户时间碎片化人们更倾向于利用碎片时间刷手机减少深度阅读以及面对面社交交流。也可以结合不同计算机类别从多个角度解读计算机的优缺点。三、数字数据表示3.1 数据表示基础知识数据与信息存在明确区别数据描述人、事件、事物、思想的符号面向机器信息数据经过加工处理形成人可以理解、使用的形式面向使用者。数据表示指数据存储、处理、传输的形式分为数字方式和模拟方式二者核心区别是信号状态是否连续。类型状态特征类比数字离散只有有限状态无中间过渡开关开/关模拟连续拥有无限取值范围音量旋钮计算机属于数字设备所有数据均以数字数据的形式完成存储、处理与传输。3.2 常用信息的表示3.2.1 进制系统计算机领域常用三种进制二进制、十进制、十六进制十进制人类日常生活使用二进制计算机底层处理数据的进制十六进制用于简化长串二进制的阅读与书写进制规则进制中符号的总个数称为基数遵循逢基数进一的进位规则。十进制转换为其他进制余数法其他进制转换为十进制位权展开法4位二进制对应1位十六进制二进制分组不足4位时高位补零。十进制42.6875转换成二进制的过程如下3.2.2 字符编码ASCII码标准ASCII基础ASCII7位二进制可表示128种字符。 扩展ASCII8位二进制可表示256种字符。输入技巧Alt 小键盘数字例符号的ASCII码为64按住Alt键小键盘输入64即可输出该字符。Unicode统一码/万国码为世界各类语言的每一个字符分配唯一的二进制编码常见实现格式UTF‑8、UTF‑16、UTF‑32后缀数字代表编码单元的存储位数。汉字编码字符集GB2312收录6763个汉字682个非汉字字符、GBK向下兼容GB2312、GB18030‑2005。中文汉字信息处理流程输入码 → 交换码国标码 → 机内码 → 字形码输出码简单解释输入码外码键盘输入比如拼音、五笔交换码国标码不同系统之间传输交换用GB2312机内码内码计算机内部存储、处理汉字国标码 8080H字形码输出码显示 / 打印用点阵字库3.2.3 图像数字化将模拟图像划分成规则网格采样每个网格称为像素再把像素连续的亮度、色彩转为离散数值量化。网格划分越密集图像分辨率越高。未压缩位图大小 分辨率总像素数 × 颜色深度 ÷ 8颜色深度单位 bit。图像位图vs 图形矢量图图像位图照片、扫描图等通过采样量化数字化放大易失真。图形矢量图由直线、圆、多边形等几何对象组成用数学参数描述无需采样放大不失真。视频画面未压缩码率 帧速率 × 分辨率 × 颜色深度纯画面大小 码率 × 时长 ÷ 8⚠️ 该公式仅计算视频画面流不含音频、字幕完整视频文件大小 视频画面数据量 音频数据量字幕一般忽略⚠️ 只适用于原始无压缩视频压缩视频不适用。3.2.4 声音数字化采样按固定时间间隔抽取连续声波波形上的离散幅值。量化把采样得到的幅值近似转为离散二进制数值。核心思想用离散样本逼近连续声波。公式无压缩音频音频码率 声道数 × 采样频率 × 量化位数音频存储大小 码率 × 时长 (s) ÷ 8MIDI 文件不存储声音波形数据传输 / 记录的是音乐控制指令。3.3 位和字节的量化位 bitb小写Binary Digit的缩写1位仅可以存储二进制0或1。字节 ByteB大写计算机基础存储单位1 B 8 bit。存储容量词头K、M、G、T、P、E计算机存储换算1024 2 10 1024 2^{10}1024210⚠️单位区分网络带宽传输速率使用位(b)作为单位文件存储空间使用字节(B)作为单位例100 Mbps带宽理论最大下载速度 100 ÷ 8 12.5 MB/s 100 \div 8 12.5\ \text{MB/s}100÷812.5MB/s3.4 电路和芯片集成电路芯片也叫微芯片以半导体材料制成的薄片在薄片上集成数量庞大的微型电路元器件实现特定运算、控制功能。芯片需要经过封装保护芯片内部触点通过导线连接到外壳的引脚引脚再借助印刷电路板和其他硬件器件实现信号通信。常见芯片封装类型DIP双列直插、PGA插针网格、BGA球栅阵列。主板又称系统板数字设备的核心电路板。各类芯片插接或焊接在主板上依靠主板内部的板载布线完成芯片与芯片之间的数据传输与通信。四、数字处理4.1 程序和指令集程序大多使用高级编程语言编写依靠有限的关键字组成程序语句指挥CPU完成对应操作。简单程序记事本等普通文本编辑器即可编写。大型复杂项目使用IDE集成开发环境进行开发。指令集微处理器能够支持的全部指令的集合。源代码经过编译器或者解释器转换生成目标代码目标代码包含CPU可直接执行的机器代码。机器指令由两部分组成操作码代表具体执行的指令。操作数指令所要处理的数据可以为0个或多个。一条高级语言语句通常被编译为多条机器指令绝大多数汇编指令与机器指令一一对应汇编伪指令除外。补充汇编伪指令仅用于给汇编器提供编译提示不会生成机器码CPU不会执行伪指令。4.2 处理器逻辑微处理器内部两大核心单元ALU 算术逻辑单元运算执行核心寄存器存放待处理的数据累加器保存运算结果。CU 控制单元整机指挥控制中心从存储器读取指令调度ALU完成运算处理。指令周期CPU执行一条完整机器指令的全过程也叫取指‑执行周期共分为4个步骤。取指令从存储器中读取待执行的指令送入CPU内部寄存器。解释指令控制单元对获取到的指令进行译码解析出操作码与操作数明确要完成什么操作。执行指令ALU等部件按照译码结果完成对应的运算或控制操作。指向下一条指令更新程序计数器定位到下一条将要执行的指令准备开启下一轮指令周期。补充硬件电路层面指令译码器属于组合逻辑电路仅存在电路传输延迟不需要占用一整个独立的时钟/机器周期。译码发生在取指周期结束、执行周期开始的交界处时序连续无停顿嵌套在两个机器周期之间完成。通俗理解好比收货取指完成后立刻查看快递单译码随后马上处理包裹执行全程没有时间空隙。但课程教学模型为方便理解会将译码抽象为独立的逻辑阶段。注意逻辑上的操作阶段 ≠ 硬件上独立的机器周期。逻辑流程上划分出译码步骤不等于硬件会为译码分配单独的机器周期。五、计算思维5.1 概念5.1.1 计算思维的定义计算思维是认知事物、分析并解决问题的能力与过程。它是人类的思维方式而非计算机的思考方式不一定依赖计算机硬件来执行但和机器的工作逻辑紧密相关。它与数学思维、工程思维互为补充、相互结合重点关注解决问题的思路想法而非最终的实现成品。广义的计算把一组输入转化为一组输出的思维过程概念上和函数高度相似。现实中的各类问题只有经过抽象、转化为函数形式求解才能够交给计算机处理。5.1.2 计算思维研究的三类核心问题哪些问题是可计算的如何借助计算机系统实现计算如何更加高效地实现计算5.1.3 四个相关概念的关系计算不等同狭义数学运算现实场景的各类问题都可以属于计算范畴。计算机用于执行计算的硬件工具。计算机科学研究计算机以及相关现象、内在规律的学科。计算思维从计算机科学研究与工程实践中提炼出来具备普适性的问题解决思想。计算思维的根本目的更好解决现实中的实际问题。5.1.4 计算思维解决问题的步骤抽象把现实问题进行抽象使用数学符号完成描述。理论查找、证明相关理论为问题求解提供支撑。设计设计、实现算法或者系统落地解决问题。5.2 主要思想5.2.1 符号化思想用统一符号计算机中为0、1完成信息的表示、处理、转换现实世界的各类信息可以转换为0和1计算机中0、1存储的数据也可以还原为人能够读懂的文字、图片、视频。底层依靠逻辑门电路实现0、1的逻辑运算。核心采用统一符号体系表达信息是解决问题的基础。5.2.2 程序化思想只要问题属于可计算问题无论多么复杂都可以把求解过程拆解为一系列简单基础步骤按顺序执行基础步骤即可完成问题求解。基础步骤对应计算机指令程序就是按照规定次序组合而成的指令集合。5.2.3 递归思想递归思想递归是调用自身的计算模式将规模较大的原问题拆解为结构相似、规模更小的子问题求解。核心两点把问题分解为同构的小规模子问题必须设置递归终止边界条件防止无限调用。价值可以用有限的步骤定义无限的处理能力分治、回溯思想大多基于递归实现动态规划也常借助递归思路推导。示例阶乘计算、遍历文件夹文件夹里面还包含子文件夹是典型递归场景。5.2.4 抽象和分解思想分解拆大变小抽象藏细留要。分解将大型复杂任务拆分为若干规模更小的子问题大问题拆成多个小问题侧重拆分细化。抽象屏蔽细碎、无关的底层细节抽取关键信息进行概括建模侧重隐藏实现细节。使用者不需要掌握全部底层细节就可以安全使用、调整复杂系统该思想广泛应用于软件研发、数据处理等领域。⚠️区分分解侧重把问题拆分细化抽象侧重屏蔽底层细节二者不能等同。参考资料Wing06-ct.pdf工作站_百度百科What Is a Computer?What is a Computer? - GeeksforGeeks一图搞懂CPU的时钟周期、机器周期和指令周期 - 知乎【浅析】CPU中的指令周期、CPU周期和时钟周期 - 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