当前课程知识点：大学计算机基础 >  第4章 计算机硬件环境 >  4.1 计算机的硬件系统 >  4.1.1扩展阅读——图灵机快速入门

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4.1.1扩展阅读——图灵机快速入门

图灵机快速入门

图灵机是图灵机理论中提出的理想模型，其可以实现任意复杂的计算。

新的图片

1.什么是图灵机

英国数学家艾伦·图灵在1936年提出了“图灵机”的理论。“图灵机”设想有一条无限长的纸条，纸条上有一个个方格，每个方格可以存储一个符号，纸条可以向左或向右运动。

新的图片

图灵机可以做下面三个基本的操作：

·      读取指针头指向的符号。

·      修改方框中的字符。

·      将纸带向左或向右移动，以便修改其临近方框的值。

下面我们通过一个小例子来了解下图灵机到底是如何进行计算的。这个例子比较简单，我们将在空白的纸带条上打印1 1 0这三个数字。

首先，我们向指针头指向的方框中写入数字1：

新的图片

接着，我们让纸带向左移动一个方框：

新的图片

现在，我们再往指针头指向的方框写入数字1：

新的图片

接着，我们继续让纸带向左移动一个方框，并写入数字0：

新的图片

这样我们就完成了一个简单的图灵机操作。

2.用图灵机完成异或操作

我们来尝试一个稍微复杂点的操作，我们尝试将1 1 0做一个异或操作，即将1 1 0变成0 0 1。要图灵机完成计算，就类似于向图灵机输入以下操作指令，这些指令组成了一个小程序。

读到的符号

写入指令

移动指令

空

-

-

0

写入1

向右移动纸带

1

写入0

向右移动纸带

我们假设图灵机纸带现在的状态如下图所示：

新的图片

现在读取到的符号是0，按照操作指令，我们应该往方框写入1并向右移动一个方框：

新的图片

现在读取到的符号是1，按照操作指令，我们应该往方框写入0并向右移动一个方框：

新的图片

类似地，现在读取到的符号是1，我们重复相同的操作。

新的图片

最后，我们读取到了一个空白字符，图灵机不做任何操作。

3.用图灵机完成任意复杂计算

上面我们使用了图灵机成功完成了异或操作，理论上来讲我们也可以完成加法、减法、乘法、除法操作，只不过是实现的步骤（指令）复杂些而已。下面这个网站是一个图灵机的在线模拟器，其实现了一些基本运算，比如：加法、减法等，有兴趣的可以自己去试试看。

Online Turing Machine Simulator

4.图灵机的意义

让我们尝试这样的思考历程：

·      我有许多很复杂的公式需要计算，如果自己一个人算的话时间会很久。

·      思考：能不能有一个东西能帮我实现公式的计算，无论这个公式有多复杂？

·      思考：我能不能设计一个模型来证实这个实行是可行的？（数学家最喜欢建模型来证明了~）

·      思考：提出“图灵机”理论，任何计算都可以简化成固定的步骤，无论多复杂的计算都能实现了。

·      某些动手能力强的数学家利用电子工程学知识将许多真空管组成了一套设备，实现了“图灵机”理论模型。

·      随着电子工程的不断发展，原本庞大的计算机不断变小，慢慢地变成了今天的计算机。

“图灵机”理论通过假设模型证明了任意复杂的计算都能通过一个个简单的操作完成，从而从理论上证明了“无限复杂计算”的可能性，直接给计算机的诞生提供了理论基础。

从这样的思考历程来看，图灵机的出现为计算机的诞生奠定了理论基础，这就是图灵机诞生的意义。

 


下一节:4.1.2 冯•诺依曼体系结构及计算机的硬件组成

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开篇导读及常见问题

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第1章 计算文化与计算思维

-动画导入：国王的婚姻

-1.1 计算文化

--1.1.1 计算史-1

--1.1.1 ppt附件

--1.1.1扩展阅读——电子计算机的时代划分

--1.1.2 计算史-2及新型计算机

--1.1.2 ppt附件

--1.1.3 计算机的应用领域与计算思维

--1.1.1 Computer history and development Part I

--1.1.2 Computer history and development Part II

--1.1.3 Application of computers and computational thinking

-1.2 计算思维

--1.2.1 计算思维的本质与特征

--1.2.1 ppt附件

--1.2.2 如何利用计算思维进行问题求解

--1.2.2 ppt附件

--1.2.3扩展阅读——Computational Thinking

--1.2.1 the nature of computational thinking

--1.2.2 Problem solving using computational thinking

-第一章扩展阅读—量子计算综述

-第1章小结

-第1章作业

-【讨论帖】你在生活中有过用计算思维解决问题的经历吗？

第2章 计算机中的0和1

-动画导入：芯片眼中的世界

-2.1 数制

--2.1.1 0和1

--2.1.1 ppt附件

--2.1.1扩展阅读——为什么计算机能读懂 0和 1？

--2.1.2 数制转换-1

--2.1.2 ppt附件

--2.1.2扩展阅读——二进制

--2.1.3 数制转换-2

--2.1.3 ppt附件

--2.1.1 0

--2.2 Number conversion-1

--2.3 Number system II

-2.2 0/1世界中的数值

--2.2.1 二进制的算术运算和逻辑运算

--2.2.1 ppt附件

--2.2.2 无符号数和有符号数

--2.2.2 ppt附件

--2.2.3 原、反、补码和实数

--2.2.3 ppt附件

--2.2.3扩展阅读——实数

--2.4 Binary arithmetic and logical operations

--2.5 Signed and unsigned numbers

--2.6 sign-magnitude,one's complement,two's comliement representation and real munber

-2.3 0/1世界中的字符

--2.3.1 0/1世界中的字符

--2.3.1 ppt附件

--2.3.1扩展阅读——ASCII编码

--2.7 Characters in digital world

-2.4 0/1世界中的图片、声音和视频

--2.4.1 0/1世界中的图片、声音和视频

--2.4.1 ppt附件

--2.4.1扩展阅读——计算机图像处理技术

--2.4.2扩展阅读——计算机数字视频处理技术

--2.4.3扩展阅读——数字音频技术

--2.8 Images, sounds and videos in digital world

-2.5 条形码

--2.5.1 条形码

--2.5.1 ppt附件

--2.5.2扩展阅读——二维码

--2.9 barcode

-第2章小结

-第2章作业

-【讨论帖】关于二进制思想的趣味思考题

第3章 算法与编程基础

-动画导入：过河问题

-问题导入拓展阅读——从数学角度来研究过河问题

-3.1 算法概述

--3.1.1 算法概述

--3.1.1 ppt附件

--3.1.2 算法的描述

--3.1.2 ppt附件

--3.1 Overview of algorithms

--3.2 Description of algorithms

-3.2 典型算法

--3.2.1 枚举法和递推法

--3.2.1 ppt附件

--3.2.2 递归法和迭代法

--3.2.2 ppt附件

--3.2.3 分治法和回溯法

--3.2.3 ppt附件

--3.3 Typical algorithms enumeration and induction

--3.4 Typical algorithms recursion and iteration

--3.5 Typical algorithms divide-and-conquer and backtracking

-3.3 Python语言编程基础

--3.3.1 Python语言概述、安装和使用

--3.3.1 ppt附件

--3.3.2 Python基础语法及编程示例1-基本语法、条件语句

--3.3.2 ppt附件

--3.3.3 Python基础语法及编程示例2-循环语句、内置函数

--3.3.3 ppt附件

--3.3.4 Python基础语法及编程示例3-自定义函数

--3.3.4 ppt附件

--3.3.5 Python基础语法及编程示例4-海龟绘图

--3.3.5 ppt附件

--【讨论帖】分享你的海龟绘图作品

--3.3.1 Introduction to Python

--3.3.2 Python I basic syntax and conditional statements

--3.3.3 Python II loop statements and built-in functions

--3.3.4 Python III user-defined functions

--3.3.5 Python IV drawing with turtle

-第三章扩展阅读—Python实现贝叶斯分类

-第三章扩展阅读—网络爬虫

-第3章小结

-第3章作业

-【讨论帖】排序算法

第4章 计算机硬件环境

-动画导入：CPU的故事

-4.1 计算机的硬件系统

--4.1.1 图灵机模型

--4.1.1 ppt附件

--4.1.1扩展阅读——图灵机快速入门

--4.1.2 冯•诺依曼体系结构及计算机的硬件组成

--4.1.2 ppt附件

--【讨论帖】Alan Turing传记电影《模仿游戏》

--4.1.1 Turing machine

--4.1.2 Von Neumann architecture and computer organization

-4.2 计算机的基本工作原理

--4.2.1 计算机的基本工作原理

--4.2.1 ppt附件

--4.2.1扩展阅读——指令系统详述

--4.2.1 Basic working principles of computers

-4.3 现代微机构成及性能指标

--4.3.1 现代微机构成及性能指标

--4.3.1 ppt附件

--4.3.1扩展阅读——常用输入输出设备简介

--4.3.3扩展阅读——硬盘转速

--4.3.1 Composition and performance of modern computers

-第4章小结

-第4章作业

-【思政讨论帖】鸿蒙初开，任重道远。加油华为，加油中国！

第5章 计算机软件环境

-动画导入：“我”的一天

-5.1 计算机软件概述

--5.1.1 计算机软件概述

--5.1.1 ppt附件

--5.1.1扩展阅读——计算机软件发展历史

--5.1 Overview of computer software

-5.2 系统软件

--5.2.1 系统软件1-操作系统

--5.2.1 ppt附件

--5.2.1扩展阅读（1）——操作系统的历史

--5.2.1扩展阅读（2）——Windows的历代版本

--5.2.1扩展阅读（3）——Mac OS的历代版本

--5.2.2 系统软件2-语言与编译系统、数据库管理系统

--5.2.2 ppt附件

--5.2.1 System software I_operating system

--5.2.2 System software II programming language, compiler and DBMS

-5.3 应用软件

--5.3.1 应用软件

--5.3.1 ppt附件

--5.3 Application software

-第5章小结

-第5章作业

第6章 计算机网络环境

-动画导入：“笑话”还是“预言”？

-第六章扩展阅读—文件检索及管理

-6.1 计算机网络平台

--6.1.1 计算机网络的概念和发展

--6.1.1 ppt附件

--6.1.2 计算机网络的分类和拓扑结构

--6.1.2 ppt附件

--6.1.2扩展阅读——Internet在中国的发展

--6.1.3 计算机网络的体系结构和数据通信

--6.1.3 ppt附件

--6.1.3扩展阅读——无线网络分类

--6.1.5扩展阅读（1）——OSI参考模型各层功能

--6.1.5扩展阅读（2）——OSI参考模型与TCPIP的比较

--6.1.6扩展阅读（1）——多路复用技术对比

--6.1.6扩展阅读（2）——三种数据交换技术对比

--6.1.6扩展阅读（3）——网络传输介质

-6.2 局域网技术

--6.2.1 局域网技术

--6.2.1 ppt附件

--6.2.2扩展阅读——无线局域网

--6.2.1 LAN technology

-6.3 Internet及其应用

--6.3.1 IP地址及域名

--6.3.1 ppt附件

--6.3.1扩展阅读——顶级域名分类

--6.3.2 Internet接入与应用

--6.3.2 ppt附件

--6.3.1 IP address and domain name

--6.3.2 Access and application of the Internet

-6.4 网络安全

--动画导入：“想哭”病毒全球爆发，你“想哭”了没？

--6.4.1 网络安全概述

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--6.4.2 网络攻击的主要方法-1

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--6.4.2扩展阅读（1）——ARP欺骗

--6.4.2扩展阅读（2）——WannaCry勒索病毒

--6.4.2扩展阅读（3）——灰鸽子、冰河木马

--6.4.2扩展阅读（4）——拒绝服务攻击

--6.4.3 网络攻击的主要方法-2

--6.4.3 ppt附件

--6.4.3扩展阅读（1）——加密传输和数字签名完整过程

--6.4.3扩展阅读（2）——身份认证的方式

--6.4.3扩展阅读（3）——置换加密解密过程

--6.4.4 网络安全防御技术-1

--6.4.4 ppt附件

--6.4.5 网络安全防御技术-2

--6.4.5 ppt附件

--6.4.2 Cyber attack I

--6.4.3 cyber attack II

--6.4.4 Cyber defence I

--6.4.5 Cyber defense II

-第6章小结

-第6章作业

-【讨论帖】子网划分问题

第7章 数据管理与数据库

-动画导入：谁要贷款？阿里知道

-第七章扩展阅读—数据管理技术

-7.1 数据管理

--7.1.1 数据管理和数据模型

--7.1.1 ppt附件

--7.1.1扩展阅读——信息技术

--7.1.2扩展阅读——数据管理阶段

--7.1.1 Data managment and data models

-7.2 结构化数据库

--7.2.1 结构化数据库

--7.2.1 ppt附件

--7.2.2 创建本地数据库

--7.2.2 ppt附件

--7.2.3 SQL语法

--7.2.3 ppt附件

--7.2.3扩展阅读——数据库技术

--7.2.4 数据定义命令

--7.2.4 ppt附件

--7.2.5 数据查询命令-1

--7.2.6 数据查询命令-2

--7.2.5/7.2.6 ppt附件

--7.2.7 数据操作命令

--7.2.7 ppt附件

--7.2.1 Structured database

--7.2.2 Creating a local database

--7.2.3 SQL grammer

--7.2.4 Data definition language

--7.2.5,7.2.6 Data Query Command

--7.2.7 Data manipulation language

-7.3 大数据

--7.3.1 大数据

--7.3.1 ppt附件

--7.3.1扩展阅读——大数据技术

--7.3.2扩展阅读——NoSQL数据库

--7.3.1 Big data

-第7章小结

-第7章作业

第8章 计算机前沿技术

-动画导入：人工智能时代到来了！

-第八章扩展阅读—虚拟现实技术

-8.1 人工智能

--8.1.1 什么是人工智能

--8.1.1 ppt附件

--8.1.1扩展阅读——Siri的功能

--8.1.2 人工智能技术

--8.1.2 ppt附件

--【思政讨论帖】人工智能，赋能智能新时代！

--8.1.1 What is AI

--8.1.2 Artificial intelligence

-8.2 物联网

--8.2.1 物联网及其关键技术

--8.2.1 ppt附件

--8.2.1扩展阅读—物联网技术

-8.3 云计算

--8.3.1 云计算技术与服务

--8.3.1 ppt附件

--8.3.2扩展阅读——云计算体系结构各层功能

--8.3.1 Cloud Computing

-8.4 区块链

--8.4.1 区块链技术

--8.4.1 ppt附件

--8.4.1扩展阅读—初识区块链

--【讨论帖】央行DCEP vs Facebook Libra：数字货币你了解多少？

--8.4.1 Blockchain

-第8章小结

-第8章作业

第9章 Windows操作系统

-动画导入：你了解你的计算机吗？

-9.1 Windows基本操作

--9.1.1 基本操作演示

--9.1.1 ppt附件

-9.2 Windows程序管理

--9.2.1 程序管理及操作演示

--9.2.1 ppt附件

-9.3 Windows文件管理

--9.3.1 文件管理及操作演示

--9.3.1 ppt附件

-9.4 Windows设备管理

--9.4.1 设备管理及操作演示

--9.4.1 ppt附件

-第9章小结

-第9章作业

第10章 Word字处理

-动画导入：论文排版，不在话下！

-10.1 Word基本操作

--10.1.1 Word基本概念

--10.1.1 ppt附件

--10.1.2 Word基本格式设置

--10.1.2 ppt附件

--10.1.3 修饰文档外观

--10.1.3 ppt附件

-10.2 论文排版

--10.2.1 论文排版-章节与目录

--10.2.1 ppt附件

--10.2.2 论文排版-页眉与页脚

--10.2.2 ppt附件

--10.2.3 论文排版-图、表、公式

--10.2.3 ppt附件

--10.2.4 论文排版-参考文献

--10.2.4 ppt附件

--论文排版素材

-10.3 修订文档

--10.3.1 修订文档

--10.3.1 ppt附件

-第10章小结

-第10章作业

第11章 Excel电子表格

-动画导入：数据可视化，我也能！

-11.1 Excel基本操作

--11.1.1 录入原始数据

--11.1.1 ppt附件

--11.1.2 修饰表格

--11.1.2 ppt附件

-11.2 公式和函数

--11.2.1 公式和函数-1

--11.2.1 ppt附件

--11.2.2 公式和函数-2

--11.2.2 ppt附件

--11.2.3 公式和函数-3

--11.2.3 ppt附件

-11.3 数据分析和处理

--11.3.1 排序

--11.3.1 ppt附件

--11.3.2 筛选

--11.3.2 ppt附件

--11.3.3 分类汇总

--11.3.3 ppt附件

-11.4 数据可视化

--11.4.1 图表

--11.4.1 ppt附件

--11.4.2 数据透视表

--11.4.2 ppt附件

-第11章小结

-第11章作业

第12章 PowerPoint演示文稿

-动画导入：演讲、报告、论文海报，展现自我的舞台！

-12.1 PowerPoint基本操作

--12.1.1 演示文稿与幻灯片

--12.1.1 ppt附件

--12.1.2 幻灯片动态效果

--12.1.2 ppt附件

-12.2 论文展板制作

--12.2.1 论文展板制作

--12.2.1 ppt附件

-第12章小结

-第12章作业

4.1.1扩展阅读——图灵机快速入门笔记与讨论

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