計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第一章計(jì)算機(jī)的基本概念_第1頁(yè)
計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第一章計(jì)算機(jī)的基本概念_第2頁(yè)
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計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第一章計(jì)算機(jī)的基本概念1第1頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?我們?cè)趺炊x計(jì)算機(jī)?我們考慮人的定義是什么?比如:兩足行走的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物?比如:能使用工具的動(dòng)物?唯一用背睡覺(jué)的動(dòng)物?為什么外星人(如果有的話)會(huì)被我們毫不猶豫地承認(rèn)為“人”?(我們似乎不在乎他們的外形)(我對(duì)人的定義)——人是能夠用某種語(yǔ)言進(jìn)行思維和交流的智慧生物。2第2頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?計(jì)算機(jī)(或者稱(chēng)為“電腦”),我們隨處可以見(jiàn)到、聽(tīng)到。超級(jí)計(jì)算機(jī)、小型機(jī)、圖形工作站、服務(wù)器、微機(jī)、筆記本電腦、單片機(jī)……甚至很多設(shè)備(如機(jī)床)或日用品(如手機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐、照相機(jī))中也大量采用電腦控制。3第3頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?如果有一天,有一只動(dòng)物,走到你的面前,告訴你:“我是一個(gè)人!”你能不能斷定、或者說(shuō)根據(jù)什么斷定它是人或不是人?如果商店里擺放著一臺(tái)電扇,說(shuō)明書(shū)寫(xiě)著:微電腦控制。你能不能斷定、根據(jù)什么斷定它是電腦或不是電腦控制?1.給它出一道數(shù)學(xué)題,看它會(huì)不會(huì)做?2.看它的設(shè)計(jì)資料或干脆拆開(kāi),看有沒(méi)有 電腦芯片?3.…...如何根據(jù)定義判斷它是不是計(jì)算機(jī)?4第4頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四怎樣定義計(jì)算機(jī)?方案1:能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的機(jī)器?方案2:由基本的通用硬件組成,通過(guò)執(zhí)行預(yù)先編制好的程序,完成程序所規(guī)定的功能。計(jì)算機(jī)最早確實(shí)是為完成計(jì)算任務(wù)設(shè)計(jì)和發(fā)展起來(lái)的。但是,由于“程序控制”技術(shù)的出現(xiàn),“計(jì)算”已經(jīng)成為次要的或從屬的任務(wù)了!計(jì)算機(jī)通過(guò)程序能夠完成的功能五花八門(mén),可以說(shuō)是“無(wú)所不能”!5第5頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)定義定義:Computersareelectronicdevicesthatcanfollowinstructionstoacceptinput,processtheinputandthenproduceinformation.定義:計(jì)算機(jī)是能夠依照指令來(lái)接受輸入、處理輸入和產(chǎn)生信息的電子設(shè)備。6第6頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?數(shù)字計(jì)算機(jī)(digitalcomputer)——對(duì)離散的數(shù)字量進(jìn)行處理,輸出的結(jié)果仍然是離散的數(shù)字量。模擬計(jì)算機(jī)(analogcomputer)——對(duì)連續(xù)的物理量(電流、電壓等)進(jìn)行處理,獲得的輸出仍然是連續(xù)的物理量。電子計(jì)算機(jī)的分類(lèi)由于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,模擬計(jì)算機(jī)已基本消亡。7第7頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?通用數(shù)字計(jì)算機(jī)(general)——計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造并不針對(duì)某一具體應(yīng)用,而是通過(guò)所執(zhí)行的程序完成具體的功能。專(zhuān)用數(shù)字計(jì)算機(jī)(special)——專(zhuān)門(mén)針對(duì)某一具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的、靠硬件(有時(shí)有少量軟件)完成其功能。專(zhuān)用機(jī)的趨勢(shì):用通用芯片,搭建專(zhuān)用系統(tǒng)(嵌入式系統(tǒng))。數(shù)字計(jì)算機(jī)的分類(lèi)8第8頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)是什么?

通用計(jì)算機(jī)的分類(lèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)(Supercomputers)主機(jī)(Mainframecomputers)工作站(Workstations)微機(jī)(Microcomputers),PC微處理器(Microcontroller)9第9頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯問(wèn)題:聯(lián)合國(guó)安理會(huì)五個(gè)常任理事國(guó)對(duì)重要問(wèn)題有否決權(quán)。假定他們不能棄權(quán),為他們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)表決器。開(kāi)關(guān)閉合表示反對(duì)燈亮表示否決10第10頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理“一票否決”似乎有點(diǎn)霸道。這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)很“民主”的漂亮的說(shuō)法:重要問(wèn)題必須五個(gè)常任理事國(guó)一致同意才能通過(guò)。開(kāi)關(guān)閉合表示同意燈亮表示通過(guò)11第11頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理問(wèn)題的上述兩個(gè)說(shuō)法是完全等價(jià)的。為了解決這類(lèi)問(wèn)題,布爾創(chuàng)立了布爾代數(shù)。布爾代數(shù)中,可以證明這兩個(gè)命題等價(jià)(摩爾定理)。12第12頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四邏輯運(yùn)算設(shè)兩個(gè)開(kāi)關(guān)K1和K2與一盞燈L串聯(lián),考慮它們的關(guān)系:K1K2LK1K2LK1K2L:K1K2LK1andK2都為真時(shí),L為真。我們稱(chēng)這種運(yùn)算為“與”運(yùn)算(即and運(yùn)算)記作:L=K1andK213第13頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四邏輯運(yùn)算設(shè)兩個(gè)開(kāi)關(guān)K1和K2與一盞燈L并聯(lián),考慮它們的關(guān)系:K1orK2為真時(shí),L為真。我們稱(chēng)這種運(yùn)算為“或”運(yùn)算(即or運(yùn)算)記作:L=K1orK2K1K2LK1K2LK1K2LK1K2L14第14頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四邏輯運(yùn)算設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)K與繼電器R串聯(lián),而R的常閉觸點(diǎn)與一盞燈L串聯(lián),考慮它們的關(guān)系:KLRKLRK為真時(shí),L為假;K為假時(shí),L為真。我們稱(chēng)這種運(yùn)算為“非”運(yùn)算(即not運(yùn)算)記作:L=K15第15頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理布爾代數(shù)中,任何變量或表達(dá)式只有0或1兩個(gè)值,也就是:真和假。很有意思,布爾代數(shù)中表達(dá)的所有邏輯關(guān)系,用對(duì)應(yīng)的邏輯電路就可以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上布爾代數(shù)的表達(dá)式本身就已經(jīng)設(shè)計(jì)好了邏輯電路!用布爾代數(shù)對(duì)邏輯表達(dá)式化簡(jiǎn),等價(jià)于化簡(jiǎn)邏輯電路!這其實(shí)也不奇怪,很多事物都有其對(duì)立的兩方面!16第16頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理一個(gè)布爾表達(dá)式可以用一個(gè)邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。表達(dá)式中的所有變量是邏輯電路的輸入,而邏輯電路的輸出代表了表達(dá)式在這種輸入狀態(tài)下的輸出。這種輸出只與輸入有關(guān)的邏輯稱(chēng)為組合邏輯。有些邏輯電路的輸出不僅與當(dāng)前輸入有關(guān),還與上一次的狀態(tài)有關(guān)。這種電路叫做時(shí)序電路。時(shí)序電路的邏輯可以用時(shí)序表或狀態(tài)圖+布爾表達(dá)式來(lái)描述。17第17頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理邏輯電路可以用繼電器、電子管、晶體管和集成電路實(shí)現(xiàn)。過(guò)去就有全部用繼電器制造的自動(dòng)電話交換機(jī),它用非常復(fù)雜的邏輯電路實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)部電話的自動(dòng)交換功能。令人驚奇的是:有一種繼電器控制的自動(dòng)電話交換機(jī)(縱橫制交換機(jī)),其原理居然與現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)控制的程控交換機(jī)幾乎完全一樣!18第18頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理邏輯電路可以實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能,能不能用邏輯電路制造一臺(tái)能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的機(jī)器呢?當(dāng)然能!但是數(shù)學(xué)計(jì)算的邏輯關(guān)系過(guò)于復(fù)雜,導(dǎo)致了這樣的機(jī)器成本過(guò)高,難于設(shè)計(jì)和制造。能否將數(shù)學(xué)計(jì)算分解成若干簡(jiǎn)單的步驟,只設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)這些簡(jiǎn)單步驟的機(jī)器,一步一步地完成整個(gè)計(jì)算?只要這些計(jì)算能夠自動(dòng)進(jìn)行,只要計(jì)算足夠快…...19第19頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理例如:如何設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)織地毯機(jī)?如果我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)能夠根據(jù)卡片上的穿孔控制色線的抬或落的機(jī)器,然后將花樣信息穿孔在一大疊卡片上,每讀一張卡片織一行,所有的卡片讀完,一塊美麗的地毯就織好了!如果要想換一種花樣,只要再穿孔一疊卡片就行了!一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)幾乎就要誕生了!20第20頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理為了實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)計(jì)算,這樣的計(jì)算機(jī)還要有一些存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。美國(guó)科學(xué)家馮?紐曼(VonNeumann)在1946年提出了一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu):把程序象數(shù)據(jù)一樣存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中,用一個(gè)指令計(jì)數(shù)器指向所要執(zhí)行的指令,這個(gè)指令將會(huì)被取出來(lái)執(zhí)行。執(zhí)行完畢之后指令計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加,指向下一條指令。必要時(shí),指令會(huì)修改指令計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。至此,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)誕生了!21第21頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的基本原理既然程序象數(shù)據(jù)一樣存儲(chǔ)在普通的存儲(chǔ)器中,它們當(dāng)然能被程序修改?!罢趫?zhí)行的指令修改內(nèi)存中的指令”這一技術(shù)最早可以用來(lái)產(chǎn)生循環(huán),現(xiàn)在則能用來(lái)將高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行程序。這一技術(shù)也被計(jì)算機(jī)病毒利用,將有害程序到處傳播。直到現(xiàn)在,馮?紐曼的體系結(jié)構(gòu)還沒(méi)有根本改變。22第22頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史人類(lèi)最早的計(jì)算工具大概是手指。Digit的本意就是手指。中文也說(shuō)“屈指可數(shù)”,可見(jiàn)遠(yuǎn)古時(shí)期世界各地的人都用過(guò)手指計(jì)算。人類(lèi)所用的十進(jìn)制數(shù)也起源于十指。最早制造的計(jì)算工具有石子、算籌等。中國(guó)人創(chuàng)造了算盤(pán)(abacus),直到現(xiàn)在還在使用。工業(yè)時(shí)代出現(xiàn)了手搖計(jì)算機(jī)和對(duì)數(shù)計(jì)算尺?,F(xiàn)在已經(jīng)見(jiàn)不到工程師腋下夾著一米或者半米長(zhǎng)的計(jì)算尺在工地上匆匆走路的情景了。23第23頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史1832年英國(guó)科學(xué)家巴貝奇(Babbage)設(shè)計(jì)了一臺(tái)真正的機(jī)械計(jì)算機(jī),據(jù)說(shuō)它的原理與現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)非常相似。但是巴貝奇至死也沒(méi)有完成他的創(chuàng)造。直到最近,英國(guó)人利用巴貝奇的資料和遺物,終于完成了這臺(tái)具有歷史意義的計(jì)算機(jī)。喬治?布爾的布爾代數(shù)以數(shù)學(xué)方法研究邏輯問(wèn)題,奠定了計(jì)算機(jī)理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。美國(guó)在1900年將穿孔卡片機(jī)用到人口統(tǒng)計(jì)中。穿孔卡片對(duì)以后的計(jì)算機(jī)發(fā)展起了很大的作用。24第24頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史工業(yè)時(shí)代的到來(lái)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)計(jì)算精度提出了更高的需求。當(dāng)時(shí)發(fā)達(dá)國(guó)家都設(shè)有“計(jì)算局”這樣的機(jī)構(gòu),雇傭了大量的人員,計(jì)算諸如“對(duì)數(shù)表”或“三角函數(shù)表”等大量數(shù)據(jù)。二戰(zhàn)時(shí)期,工業(yè)技術(shù)發(fā)展到了頂峰,可以說(shuō)是“想到的,就能造出來(lái)”!為了戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,德國(guó)發(fā)明了“密碼機(jī)”。每發(fā)一個(gè)字符,齒輪都要轉(zhuǎn)動(dòng),因此每一個(gè)字符加密都是不同的,而且與上一個(gè)字符有關(guān)。如果沒(méi)有事先給定的密碼,有了密碼機(jī)也解不了密…...1642年,法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Pascal發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)器1642年,法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Pascal發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)器25第25頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史為了對(duì)付德國(guó),波蘭人研究了解密裝置。但是,僅憑機(jī)械裝置,如果不知道密碼,還是無(wú)法解密。因此,急需高速的電子裝置代替機(jī)械的解密裝置。1946年,美國(guó)制成了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī),電子計(jì)算機(jī)時(shí)代開(kāi)始了!據(jù)有關(guān)資料,實(shí)際上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)是英國(guó)在1944年首先造出來(lái)的,但是為了戰(zhàn)爭(zhēng)期間的保密,很多年以后才透漏出來(lái)。美國(guó)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)叫做ENIAC,ElectronicNumericalIntegratorandComputer,電子數(shù)字積分器和計(jì)算機(jī)。26第26頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史-算盤(pán)27第27頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史-對(duì)數(shù)計(jì)算尺17世紀(jì)西方發(fā)明了對(duì)數(shù)計(jì)算尺28第28頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1642年,法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Pascal發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)器29第29頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1801年,美國(guó)發(fā)明了提花織機(jī)30第30頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1832年英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇(Babbage)的

DifferenceEngine31第31頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1833年巴貝奇(Babbage)的AnalyticalEngine32第32頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史-古代到近代公元前五世紀(jì),中國(guó)的算盤(pán)1612年,JohnNapier的對(duì)數(shù)1622年,WillianOughtred的計(jì)算尺1642年,BlaisePascal的自動(dòng)進(jìn)位加法機(jī)器1822年,CharlesBabbage的差分機(jī)1833年,CharlesBabbage的解析機(jī),具有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本部件。因而巴貝奇被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)之父。33第33頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史20世紀(jì)初出現(xiàn)了許多電子機(jī)械結(jié)合的計(jì)算機(jī)器。34第34頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算理論的奠基人AlanTuring(1912~1954)1936年上研究生時(shí)發(fā)表了一篇論文,提出了圖靈機(jī)(TuringMachine),奠定了計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。Turing與Church合作給出了數(shù)學(xué)證明,斷言未來(lái)的計(jì)算機(jī)能夠象人那樣具有思維能力(因而漢語(yǔ)中有了“電腦”)。全世界計(jì)算機(jī)學(xué)科的最高榮譽(yù),是圖靈獎(jiǎng)(美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì))。第二次世界大戰(zhàn)中,Turing領(lǐng)導(dǎo)的小組制造出了破譯德軍Enigma密碼的計(jì)算機(jī),并成功地完成了任務(wù)。35第35頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四“Ithinkthereisaworldmarketformaybefivecomputers.”ThomasWatsonSenior,ChairmanofIBM,194336第36頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)-ENIAC1946年,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制37第37頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四VonNeumann計(jì)算機(jī)1946年,提出了存儲(chǔ)程序的概念,他碰到的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)是霍華德文肯的HarvardMarkI。作為Eckert和Mauchly研發(fā)ENIAC時(shí)的顧問(wèn),他為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)沿用至今的概念。存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)后來(lái)被稱(chēng)為“馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)”,在一個(gè)“草案報(bào)告”中描述了這種帶有中央處理器,I/O,以及內(nèi)存的存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)(指令和指令所操作的數(shù)據(jù)都一起放在內(nèi)存中的計(jì)算機(jī)),同時(shí),存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)也為現(xiàn)代計(jì)算鋪平了道路。38第38頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四第一代計(jì)算機(jī)39第39頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)走向商業(yè)化40第40頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四41第41頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史第一代計(jì)算機(jī)——電子管(vacuumtube)計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī)——晶體管(transistor)計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī)——集成電路(integratedcircuit,IC)計(jì)算機(jī)第四代計(jì)算機(jī)——大規(guī)模(large-scaleintegrated,LSI)和超大規(guī)模(verylarge-scaleintegrated,VLSI)集成電路計(jì)算機(jī)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)經(jīng)歷過(guò)四代42第42頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史第一代(1944——1958)電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)需要數(shù)千到數(shù)萬(wàn)個(gè)電子管,重量達(dá)幾十噸,耗電幾十千瓦,占地動(dòng)輒一座樓!運(yùn)行費(fèi)用極高,運(yùn)行極不穩(wěn)定。維修的時(shí)間遠(yuǎn)大于運(yùn)行的時(shí)間。當(dāng)時(shí)最大型的計(jì)算機(jī)的處理能力比不過(guò)現(xiàn)在一個(gè)芯片!但是它能完成人作不了的工作!43第43頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史第二代(1959——1963)晶體管計(jì)算機(jī)1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室造出了世界上第一個(gè)晶體管。晶體管取代電子管大量應(yīng)用在計(jì)算機(jī)上,使得計(jì)算機(jī)體積和功耗減少了幾十倍!成本的減少使得人們能夠制造更復(fù)雜、性能更高的計(jì)算機(jī)。這一時(shí)期普遍采用磁芯存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器。高級(jí)語(yǔ)言得到了廣泛應(yīng)用。44第44頁(yè),共48頁(yè),2023年,2月20日,星期四計(jì)算機(jī)的歷史第三代(1964——1970)集成電路計(jì)算機(jī)平面晶體管技術(shù)的出現(xiàn),使得人們可以在一個(gè)硅片上同時(shí)制造大量的晶體管,再把它們切割、封裝,再組裝成電路。那么,為什么不把它們?cè)诠杵现苯舆B

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