1. 计算机基础知识笔记

发表于 2024-12-26 分类于计算机知识

1 计算机的诞生与发展

计算机技术经历了从早期计算工具到电子计算机，再到未来新型计算机的发展；计算机技术的进步极大地推动了科技和经济的发展。

早期计算工具
- 手指、石头、结绳：简单计算
- 唐代：算法
- 欧洲：加法计算器
- 电子计算机：标志着电子计算时代的开始
电子计算机的发展历程
- 第一代计算机（1946-1950 年代中期）
  - 电子管为逻辑元件
  - 特点：体积大、价格高、维修困难
  - 应用：军事、科学研究
- 第二代计算机（1950 年代中期-1960 年代中期）
  - 晶体管
  - 应用扩展：数据处理、事务处理、工业控制
- 第三代计算机（1960 年代中期-1970 年代初期）
  - 集成电路
  - 性能提高、成本降低
  - 广泛应用于各领域
- 第四代计算机（1970 年代至今）
  - 大规模集成电路
  - 微处理器和微型计算机的出现
  - IBM PC5150：个人计算机的里程碑
未来计算机技术
- 量子计算机
  - 特点：量子位存储、高速运算、能耗低
  - 面临问题：量子态操纵困难、环境影响
- 光子计算机
  - 利用光子代替电子
  - 优点：能耗低、运行处理能力强、不受温度影响
  - 面临问题：装配精度要求高、光线对准严格
- 生物计算机
  - 利用生物质分子
  - 优点：体积小、功效高、自我修复
  - 面临问题：蛋白质分子易分解、操作困难
计算机技术的关键因素
- 硬件性能
- 电子开关器件的性能
- 集成电路的发展
- 新型计算技术的研究
摩尔定律
- 集成电路的晶体管数量每 18 个月翻一番
- 对计算机发展的深远影响

2 计算机的分类

大型计算机
- 超级计算机
  - 特点：计算能力强大，国际 500 强排名
  - 应用：科学计算、军事领域、国家大型项目
- 大型集群计算机
  - 特点：由多台计算机组成，协同工作
  - 应用：大型工程项目
- 大型服务器
  - 特点：专业系统结构
  - 应用：通信、网络、工程计算
微型计算机
- 个人计算机（PC）
  - 特点：兼容 IBM PC，采用 Windows 操作系统
  - 应用：广泛
- 苹果系统（Mac）
  - 特点：与PC不兼容，苹果公司推出
  - 应用：创意、设计等行业
- 一体机
  - 特点：主机集成于显示器中，连线少、体积小
- 笔记本电脑
  - 特点：便于携带，尺寸多样，与台式机软件兼容
- 平板电脑
  - 特点：小型便携，触摸屏操作，可支持电话功能
- 掌上电脑
  - 特点：手持计算设备，价格实惠，可具备手机功能
- PC 服务器
  - 特点：与其他 PC 兼容，采用 Windows Server 操作系统
  - 应用：网络服务器，强调稳定性和数据处理能力
嵌入式系统
- 特点
  - 应用软件与硬件集成，软件代码小，高度自动化，响应速度快
- 应用领域
  - 国际控制、信息、家电、通讯设备、医疗仪器、智能仪表、军事设备等
- 日常生活应用
  - 电视机顶盒、数字电视、微波炉、照相机、电梯、空调、冰箱、洗衣机等

3 计算机的应用领域

当前是普遍计算的时代，计算机应用广泛。计算机技术在多个领域扮演重要角色。

计算机技术发展
- 从 1946 年至今
  - 人类社会进入信息时代
  - 计算机技术快速发展
应用领域
- 科学计算
  - 数字计算
    - 应用于高能物理、工程设计等
- 控制与检测
  - 将计算机用于数据检测和操作控制
    - 应用于工业生产中对产品的检测与控制
- 信息管理
  - 数据的采集、存储、检索、加工变化和传输
    - 应用于企业管理、物资管理、报表统计等
- 计算机辅助系统
  - 计算机辅助设计(CAD)
    - 帮助设计人员进行设计工作
      - 应用于业务设计、机械设计、土木建筑等领域
  - 计算机辅助制造(CAM)
    - 生产设备管理控制和操作
      - 输入为工艺路线和工序内容，输出为操作轨迹
  - 计算机辅助测试(CAT)
    - 搜集和处理零部件的各种参数
      - 判断零部件是否满足要求
  - 计算机辅助教学(CAI)
    - 在计算机辅助下进行教学活动
      - 可以对话的方式进行讨论、教学内容安排等

4 计算机系统组成

硬件系统
- 中央处理器(CPU)
  - 计算机系统的指挥控制中心
  - 控制计算机各部分动作
- 存储器
  - 内部存储器(内存)
    - 存放运行中的程序和数据
    - 由大规模集成电路制成
    - 容量小，存取速度快
  - 外部存储器(外存)
    - 主要用于长久存放不常用程序和数据
    - 包括硬盘、U盘、光盘等
- 输入输出设备
  - 输入设备
    - 键盘、鼠标等
  - 输出设备
    - 显示器、打印机等
- 接口电路
  - 显卡、声卡、网卡等
- 总线
  - 连接计算机内部功能部件的信息通路
  - 主机与外设的连接
软件系统
- 系统软件
  - 提供和管理计算机资源
  - 用户使用和维护计算机
  - 示例：微软 Windows 操作系统
- 应用软件
  - 解决特定领域问题的软件
  - 示例：Office 软件、图形图像编辑软件、Flash 等

5 计算机思维的定义

计算思维的定义
- 本质: 抽象和自然
- 目的: 增强思维能力和认识能力
- 提出者: 周以真教授
- 核心能力: 抽象、形式化表达、设计问题解决过程
科学与思维的关系
- 理论科学
  - 对应思维: 理论思维（对思维）
  - 特点: 推理和演绎，以数学学科为代表
  - 方法: 理论思惟的灵通定理和证明
- 实验科学
  - 对应思维: 实验思维（实践者）
  - 特点: 观察和总结自然规律，以物理学科为代表
  - 方法: 物理化的方法
- 计算科学
  - 对应思维: 计算思维
  - 特点: 设计和构造，以计算机学科为代表
  - 基础: 问题求解，基础设计及人类行为理解
计算思维在教育中的应用
- 培养方式: 通过计算机学科的学习
  - 学习目的: 理解计算机处理问题的能力成为常识
  - 促进作用: 对人类社会发展起更大作用
抽象能力的重要性
- 定义: 对问题进行抽象的表示
  - 结果: 形式化表达，设计问题解决过程
  - 最终目标: 通过程序实现精确的自动化执行
学科之间的联系
- 数学学科: 培养理论思维和逻辑思维
  - 计算机学科: 培养实践能力，理解和应用计算思维
计算思维的应用范围
- 广度: 涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动
  - 选择: 在遇到问题时提供更多解决方案
  - 分解: 将复杂问题分解，并借助计算机完成任务

6 计算思维的特点

计算思维是一种基础技能，对于现代社会的每个人都是必要的；
它不是要让人类像计算机一样思考，而是利用计算思维来解决复杂问题；
计算思维跨越所有领域，是人类智慧在技术时代的应用。

定义与特点
- 计算思维的定义：通过约定、嵌入、转化和仿真等方法，将困难的问题重新探测成已知解决方法的问题。
- 计算思维的特点：
  - 概念化而非程序化
  - 跨学科应用
  - 非机械式基本技能
  - 人类思维的延伸，非机器式思考
解决问题的方法
- 近似解：是否近似解足够
- 随机化利用：利用随机化简化问题
- 允许错误：是否允许误报和漏报
- 递归与并行处理：解决复杂问题的方式
- 多维分推广的类型检查：采用抽象和分解处理复杂系统
- 不变量的使用：简明扼要地刻画系统行为
- 容错与纠错：通过启发式推理从最坏情形恢复
应用与实践
- 日常生活中的应用：配置与缓冲、回推与搜索、多服务器性能管理、无关性与设计的鲁棒性
- 计算思维的重要性：不仅是计算机科学家的技能，而是面向所有人的基本技能
- 计算思维的传播：培养孩子的解析能力，不仅仅是阅读、写作，还要学会计算思维
计算思维与技术的关系
- 计算思维与计算机科学：计算思维是计算机科学的核心，不只是编程
- 人工智能：需要在多个抽象层次上思考问题，不是简单的技术应用
- 数学与工程的融合：计算思维是数学工程融合的思维方式，源自数学和工程

7 计算思维的应用案例

汉诺塔问题起源
- 源于印度古老传说。圣庙中三根宝石针，64 片由大到小的晶片。世界末日预言：所有晶片从一根针移到另一根时，世界将毁灭。
问题描述与解决
- 目标：将所有晶片按大小顺序从一根针移到另一根
- 规则：每次只能移动一片晶片，小片必须在大片上面
算法设计与分析
- 基础案例
  - 1个晶片：移动1次
  - 2个晶片：移动3次
  - 3个晶片：移动7次
- 一般公式
  - FN = 2^N - 1
  - N 为晶片数量，FN 为所需移动次数
计算机实现
- 递归方法
  - 将问题分解为更小的子问题
  - 逐步解决并合并结果
- 实现步骤
  - 将 N-1 个晶片从 A 借助 C 移到 B
  - 将第 N 个晶片直接从 A 移动到 C
  - 将 B 上的 N-1 个晶片借助 A 移到C
现实意义
- 计算机模拟实现汉诺塔问题
- 探讨递归算法的实际应用和效率问题
- 计算思维的应用介绍
数学趣味与挑战
- 汉诺塔问题中将 64 个晶片的移动需要约 5845 亿年
- 体现了指数增长的力量与挑战
- 强调了计算机模拟的重要性与实用性