《計算機科學(xué)導(dǎo)論》配套教學(xué)課件

計算機科學(xué)導(dǎo)論

課程介紹性質(zhì)：必修課課時：64學(xué)時，48學(xué)時講課，16學(xué)時上機教學(xué)內(nèi)容：本課程是計算機科學(xué)體系框架的入門課程，系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)表示與運算、計算機硬件、計算機軟件、數(shù)據(jù)組織與抽象、高級論題等計算機各學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)知識。重點講解計算機科學(xué)知識的基礎(chǔ)，鋪設(shè)進(jìn)一步深入專業(yè)理論學(xué)習(xí)的橋梁，強調(diào)基礎(chǔ)概念，并不涉及數(shù)學(xué)模型和技術(shù)細(xì)節(jié)課程考核期末閉卷考試成績70%，平時成績占30%-2-課程教學(xué)內(nèi)容第1章緒論第2章數(shù)字系統(tǒng)第3章數(shù)據(jù)存儲第4章數(shù)據(jù)運算第5章計算機組成第6章計算機網(wǎng)絡(luò)第7章操作系統(tǒng)第8章算法第9章程序設(shè)計語言-3-課程教學(xué)內(nèi)容第10章軟件工程第11章數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第12章抽象數(shù)據(jù)類型第13章文件結(jié)構(gòu)第14章數(shù)據(jù)庫第15章數(shù)據(jù)壓縮第16章安全-4-第01章緒論

本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-6-圖靈模型AlanTuring（阿蘭.圖靈）在1937年首次提出一種通用計算設(shè)備的設(shè)想所有的計算都可能在一種特殊的機器上執(zhí)行（圖靈機）進(jìn)行了數(shù)學(xué)上的描述，主要目標(biāo)并不是建造一臺真實的機器-7-1、數(shù)據(jù)處理器在討論圖靈模型之前，將計算機定義為數(shù)據(jù)處理器計算機是一個接收輸入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)的黑盒該模型過于寬泛，按照該模型定義，計算器也可以算做一種計算機-8-2、可編程數(shù)據(jù)處理器圖靈模型是一種適用于通用計算機的模型該模型增加了額外的元素：程序程序是用來告訴計算機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的指令集合輸出數(shù)據(jù)依賴于兩方面因素，即輸入數(shù)據(jù)和程序-9-相同程序、不同數(shù)據(jù)-10-相同數(shù)據(jù)、不同程序-11--12-3、通用圖靈機通用圖靈機是對現(xiàn)代計算機的首次描述該機器只要提供了合適的程序就能做任何運算可以證明：通用圖靈機和一臺功能強大的計算機能夠進(jìn)行同樣的運算通用圖靈機能做任何可計算的運算。-13-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-14-馮.諾伊曼模型馮.諾伊曼模型是現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)模型構(gòu)成計算機的4大子系統(tǒng)存儲程序指令的順序執(zhí)行-15-1、4大子系統(tǒng)馮.諾依曼模型定義了四個子系統(tǒng)存儲器算術(shù)邏輯單元控制單元輸入輸出單元-16-4大子系統(tǒng)-17-存儲器存儲器在計算機處理過程中用來存儲數(shù)據(jù)和程序-18-算術(shù)邏輯單元和控制單元ALU(算術(shù)邏輯單元)用來進(jìn)行計算和邏輯操作的地方。控制單元用來控制存儲器、算術(shù)邏輯單元和輸入輸出等子系統(tǒng)，使其協(xié)調(diào)工作。CPU(中央處理器)現(xiàn)代計算機通常將ALU和控制單元被集成在CPU中，被稱為計算機的心臟-19-輸入/輸出輸入子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從計算機外部接收輸入數(shù)據(jù)和程序。輸出子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將計算機的處理結(jié)果輸出到計算機外部。-20-2、存儲程序的概念馮.諾依曼模型要求程序必須存儲在存儲器中，早期的計算機只將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，執(zhí)行程序通過操作開關(guān)或改變配線完成?，F(xiàn)代計算機的存儲器主要用來存儲程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制(0和1的序列)模式存儲在存儲器中。-21-3、指令的順序執(zhí)行馮.諾依曼模型中的一段程序是由一組數(shù)量有限的指令組成控制單元從內(nèi)存中提取指令、解釋指令、執(zhí)行指令；指令按照順序執(zhí)行一條指令可能會請求跳轉(zhuǎn)到前面或后面的某個地方去執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)后仍然會順序執(zhí)行。-22-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-23-計算機組成計算機系統(tǒng)由3大部分構(gòu)成計算機硬件數(shù)據(jù)計算機軟件-24-計算機硬件和數(shù)據(jù)計算機硬件基于馮.諾伊曼模型，包含4大子系統(tǒng)在第5章詳細(xì)討論數(shù)據(jù)馮.諾依曼模型將計算機定義為數(shù)據(jù)處理機，接收輸入數(shù)據(jù)，處理并輸出結(jié)果-25-數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)馮.諾伊曼模型沒有定義數(shù)據(jù)如何存儲在計算機中對于電子計算機，最好的存儲方式應(yīng)該是電子信號（出現(xiàn)與消失），計算機可以以兩種狀態(tài)之一的形式來存儲數(shù)據(jù)(0或1）文本、圖像、聲音等數(shù)據(jù)不能直接存儲到計算機內(nèi)部，必須將它們轉(zhuǎn)換成合適的形式(0、1序列)才能存儲到計算機中數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)并不是無序組織的，數(shù)據(jù)被組織成許多小的單元，再由這些小的單元組織成更大的單元。-26-計算機軟件馮.諾依曼模型的主要特征在于存儲程序。早期的計算機沒有使用這一模型，但也使用了程序的概念，編程體現(xiàn)在對系統(tǒng)開關(guān)的開閉和配線的改變。馮.諾依曼模型改變了編程的概念?；镜膬蓚€方面是存儲程序和程序由指令序列構(gòu)成。-27-40年代的編程編程體現(xiàn)為對系列開關(guān)的開閉和配線的改變-28-1、必須存儲程序程序和數(shù)據(jù)都必須存儲在存儲器中。-29-2、指令序列程序必須是有序的指令集。每條指令操作一個或多個數(shù)據(jù)項。指令集是有限的。圖靈和馮.諾依曼模型通過詳細(xì)定義計算機可以使用的不同指令集，使得編程變得簡單、可重用。程序員通過組合不同的指令可以創(chuàng)建任意數(shù)量的程序。每個程序可以是不同指令的不同組合。-30-一個程序的示例-31-3、算法編程了解每條指令能完成的任務(wù)；掌握將這些指令結(jié)合起來完成特定任務(wù)。引入算法程序員應(yīng)該以循序漸進(jìn)的方式理解問題、分解問題、尋找解決問題的方法。算法研究的是逐步解決問題的方法，是計算機科學(xué)的重要基礎(chǔ)(第8章討論)。-32-4、語言早期的“編程”直接寫指令的二進(jìn)制模式。難以編寫大規(guī)模程序，編程非常困難。計算機語言的誕生計算機科學(xué)家們提出用符號代表二進(jìn)制模式。這樣計算機語言的概念誕生了。(第9章討論)-33-5、軟件工程馮.諾依曼模型并沒有定義軟件工程的概念。軟件工程是指結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計和編寫?，F(xiàn)在，軟件工程不僅用來描述完成某一任務(wù)的應(yīng)用程序，還包括程序設(shè)計中所要嚴(yán)格遵循的原理和規(guī)則。(第10章討論)

-34-6、操作系統(tǒng)在程序設(shè)計過程中，有一些指令序列對所有程序都是公用的、通用的。早期的操作系統(tǒng)是為程序訪問計算機部件提供方便的一種通用管理程序。現(xiàn)代操作系統(tǒng)已經(jīng)成為管理計算機軟硬件及資源的系統(tǒng)軟件。(第7章討論)-35-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-36-歷史計算和計算機發(fā)展歷史，三個階段機械計算機器（1930年之前）電子計算機的誕生（1930~1950）計算機的誕生（1950年至今）-37-機械計算機器（1930之前）主要成果BlaisePascal發(fā)明了Pascaline。GottfriedLeibnitz發(fā)明了一臺能作加減乘除運算的計算機器，Leibnitz’sWheel-38-機械計算機器（1930之前）主要成果第一臺利用存儲和編程概念的機器是Jacquardloom(提花織機)。1834,Charlesbabbage發(fā)明一種機器叫分析引擎analyticalEngine。1890,HermanHollerith設(shè)計并制造出具有編程能力的機器，該機器可以自動閱讀、計數(shù)和排列存儲在穿孔卡上的數(shù)據(jù)-39-電子計算機誕生（1930～1950）主要成果1939年，第一臺用來完成特定任務(wù)的計算機是ABC(AtanasoffBerryComputer)。同一時期，KonradZuse設(shè)計出通用計算機，命名為Z11930,在HowardAliken的領(lǐng)導(dǎo)下建造了一臺巨型機算計，命名為MarkI。AlanTuring發(fā)明了一臺名為Colossus(巨人)的計算機用于破譯德國的Enigma密碼-40-電子計算機誕生（1930～1950）主要成果1946，ENIAC(TheElectronicNumericalIntegratorandComputer)，第一臺通用的、完全電子化的計算機-41-計算機誕生（1950至今）主要成果第一臺基于馮氏思想的計算機于1950年在賓夕法尼亞大學(xué)誕生，名為EDVAC。完成新任務(wù)，只需重新編程，無須改變布線-42-計算機的發(fā)展1950年以后的計算機基本上都基于馮.諾伊曼模型，計算機向著速度更快、體積更小、價格更便宜的方向發(fā)展，硬件和軟件不斷變更，但基本模型未改變第一代（1950~1959年）商用計算機為主要特征，限于計算機專家使用。計算機體積龐大，使用真空管作為電子開關(guān)，費用昂貴。第二代（1959~1965年）晶體管代替真空管，減小體積與功耗，費用減低，開始應(yīng)用到中小企業(yè)。Fortran和Cobol高級語言出現(xiàn)，使得編程更加容易，編程任務(wù)和計算機運算任務(wù)分離。-43-計算機的發(fā)展計算機時代劃分第三代（1965~1975年）集成電路的應(yīng)用，進(jìn)一步減小計算機體積和成本。小型計算機出現(xiàn)，軟件業(yè)誕生。第四代（1975~1985年）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路應(yīng)用，微型計算機、單板機的出現(xiàn)。計算機網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)。第五代（1985年至今）掌上電腦、臺式電腦的誕生，第二代存儲媒體（CD-ROM、DVD）的改進(jìn)，多媒體應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實等-44-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-45-社會問題依賴計算機科學(xué)注定要改變我們的社會，超過一半的美國家庭使用計算機上網(wǎng)一些人認(rèn)為：每個人不可避免要使用計算機，離開它難以生活；另一些人認(rèn)為：人類對計算機已經(jīng)形成依賴，這種依賴使得人們的生活更加困難-46-社會問題社會公正在家中使用計算機不是所有人都支付得起的奢侈行為，計算機、外圍設(shè)備、上網(wǎng)費對低收入家庭是額外的負(fù)擔(dān)計算機僅為中高收入人群服務(wù)。數(shù)字化分裂依賴和社會公正等問題，將社會分裂成兩大組群與社會其它部分以電子形式聯(lián)系在一起的人沒有以電子形式聯(lián)系在一起的人這種分裂在工業(yè)化國家正在逐漸消失，但將在發(fā)展中國家持續(xù)很長時間-47-道德問題隱私為確保通過計算機通信的私密性，需要做很多工作，社會正在為此支付高昂的費用版權(quán)在計算機化的社會中，“誰將擁有數(shù)據(jù)？”和電子版權(quán)，成為日漸突出的職業(yè)道德問題計算機犯罪計算機和信息技術(shù)帶來了新的犯罪，黑客能夠訪問很多計算機并盜取金錢，病毒泛濫并摧毀信息。社會正為此支付高昂的費用。-48-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計算機組成歷史社會問題和道德問題計算機科學(xué)-49-計算機科學(xué)隨著計算機的發(fā)展，誕生了全新的“計算機科學(xué)”系統(tǒng)領(lǐng)域涵蓋與硬件和軟件構(gòu)成直接相關(guān)的領(lǐng)域計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、安全問題、操作系統(tǒng)、算法、程序設(shè)計語言、軟件工程應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了與計算機使用有關(guān)的領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫、人工智能-50-第二章數(shù)的表示掌握不同進(jìn)制之間的關(guān)系以及相互轉(zhuǎn)換方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1計算機中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換計算機中常用的數(shù)制2.1主要特點：①有十個不同的計數(shù)符號：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；②按“逢十進(jìn)一”的規(guī)則進(jìn)行計數(shù)。例：666.66=6×102＋6×101＋6×100＋6×10-1＋6×10-2底數(shù)、位權(quán)的引入在進(jìn)位記數(shù)制中，用于表示數(shù)值的基本符號的個數(shù)，稱基（或底數(shù)）。在進(jìn)位記數(shù)制中，相應(yīng)位置上的數(shù)值的單位值，稱位權(quán)。位權(quán)是底數(shù)的冪2.1.1十進(jìn)制系統(tǒng)十進(jìn)制系統(tǒng)主要特點：①僅有兩個不同的計數(shù)符號：0和1；底數(shù)為2例：(101101)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20==32+0+8+4+0+1(45)10②按“逢二進(jìn)一”的規(guī)則計數(shù)。2.1.2二進(jìn)制系統(tǒng)二進(jìn)制系統(tǒng)主要特點：①有八個不同的計數(shù)符號：0、1、2、3、4、5、

6、7；底數(shù)為8例：(642)8=6×82+4×81+2×80=(418)10②按“逢八進(jìn)一”的規(guī)則計數(shù)。2.1.3八進(jìn)制系統(tǒng)主要特點：①有16個不同的計數(shù)符號：0、1、2、3、4、5、

6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、

E(14)、F(15)；底數(shù)為16。例:(9B4)16=②按“逢十六進(jìn)一”的規(guī)則計數(shù)。9×162+11×161+4×160=(2484)102.1.4十六進(jìn)制系統(tǒng)2.1計算機中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2將每個二進(jìn)制位乘以它的位權(quán)，將所有結(jié)果相加得到對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。2.2.1二進(jìn)制～十進(jìn)制Example將10011轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。Solution二進(jìn)制1 0 0 1 1

權(quán)值 168421

---------------------------------------

16+0+0+2+1

十進(jìn)制19

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)——“除2取余”2.2.2十進(jìn)制～二進(jìn)制Example將35轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。Solution

012481735Dec.Binary

1

0

0

011

1363102222余數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)低位二進(jìn)制數(shù)高位例：(13)10=()2方法：除2取余直到商為01101例：(13)10=()21363102222余數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)低位二進(jìn)制數(shù)高位位模式

------------000001010011八進(jìn)制

------------0123位模式

------------100101110111八進(jìn)制------------45673位位模式可用來表示一個八進(jìn)制數(shù)字，反之亦然。注意:2.2.3二進(jìn)制～八進(jìn)制從右向左，按三位分組，將每組三位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位八進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法八進(jìn)制數(shù)表示方法：(17634)8、176348、017634、o17634Example將101110010轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。Solution分組：101110010計算：562結(jié)果：0562或5628Example將1100010轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。Solution分組：001100010計算：142結(jié)果：0142或14282.2.4八進(jìn)制～二進(jìn)制將每個八進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的3位位模式。Example將248轉(zhuǎn)換為位模式。Solution八進(jìn)制：24轉(zhuǎn)換：010100結(jié)果：0101002.2.5二進(jìn)制～十六進(jìn)制位模式

------------00000001001000110100010101100111十六進(jìn)制數(shù)字

------------01234567位模式

------------10001001101010111100110111101111十六進(jìn)制數(shù)字

------------89ABCDEF4位位模式可用來表示一個十六進(jìn)制數(shù)字，反之亦然。從右到左，按四位分組，將每組四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位十六進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法十六進(jìn)制數(shù)表示方法：(FCE4)16、FCE416、xFCE4Example將110011100010轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。Solution分組：110011100010計算：CE2結(jié)果：xCE2或CE216Example將0011100010轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。Solution分組：000011100010計算：0E2結(jié)果：x0E2或0E2162.2.6十六進(jìn)制～二進(jìn)制將每個十六進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的4位位模式。Example將x24C轉(zhuǎn)換為位模式。Solution十六進(jìn)制：24C轉(zhuǎn)換：001001001100結(jié)果：0010010011002.1計算機中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.32.3.1小數(shù)的進(jìn)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制小數(shù)～二進(jìn)制小數(shù)，“乘2取整”Example將小數(shù)0.875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。Solution0.8751.7501.51.00.0

0.111結(jié)果：0.1112Example將0.4轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，保留6位有效數(shù)字。Solution0.40.81.61.20.40.81.6

0.011001結(jié)果：0.0110012(0.6875)10=()20.68752×

37501.2×7502×0.501.2×01.整數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)高位二進(jìn)制數(shù)低位例：方法：乘2取整直到積為0例：(0.6875)10=()20.68752×

37501.2×7502×0.501.2×01.整數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)高位二進(jìn)制數(shù)低位0.1011二進(jìn)制小數(shù)～十進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制位模式按位權(quán)展開。例：(101101.11)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2==32+0+8+4+0+1+0.5+0.25(45.75)10小數(shù)轉(zhuǎn)換——二進(jìn)制～八進(jìn)制按三位分組：整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右；不足三位補0；將每組三位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位八進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點不變。將每為八進(jìn)制數(shù)分解為3位二進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點不變。3257.461011010101111.100110001小數(shù)轉(zhuǎn)換——八進(jìn)制～二進(jìn)制按四位分組：整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右；不足四位補0；將每組四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位十六進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點不變。00011101.01011000＝(1D.58)16小數(shù)轉(zhuǎn)換——二進(jìn)制～十六進(jìn)制將每位十六進(jìn)制數(shù)分解為4位二進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點不變。

3A.C900111010.11001001小數(shù)轉(zhuǎn)換——十六進(jìn)制～二進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換——十六進(jìn)制～十進(jìn)制(9B4.4)16=9×162+11×161+4×160+4×16-1=(2484.25)10第03章數(shù)據(jù)存儲

本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-95-數(shù)據(jù)類型工程程序：數(shù)字。文字處理程序：文本。圖像處理程序：圖像。計算機播放音樂：音頻。計算機播放電影，創(chuàng)建特效：視頻。-96-計算機業(yè)使用術(shù)語“多媒體”來定義包含數(shù)字、文本、圖像、音頻和視頻的信息。計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)計算機外部不同類型的數(shù)據(jù)，都需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示法轉(zhuǎn)換后存入計算機，當(dāng)數(shù)據(jù)從計算機輸出時再還原回來。這種通用的格式稱為位模式（bitpattern）。-97-位位：bit(binarydigit)是存儲在計算機中的最小數(shù)據(jù)單位，它是0或1。位代表設(shè)備的某一種狀態(tài)，這些設(shè)備只能處于兩種狀態(tài)之一。如開關(guān)要么斷開（用0表示），要么合上（用1表示）。計算機中使用“電子開關(guān)”表示位，一個開關(guān)存儲一個位的信息，計算機使用眾多的兩態(tài)設(shè)備來存儲數(shù)據(jù)。-98-位模式單個的位并不能解決數(shù)據(jù)表示問題。為了表示數(shù)據(jù)的不同類型,應(yīng)該使用位模式(bitpattern),

它是一個由若干個位構(gòu)成的序列,有時也被稱為位流。通常將長度為8的位模式稱為字節(jié)（byte）。-99-位模式屬于不同類型的數(shù)據(jù)可以以同樣的位模式存儲。存儲器僅關(guān)心如何將數(shù)據(jù)按位模式存儲；將位模式解釋為何種數(shù)據(jù)類型，則由程序負(fù)責(zé)完成。-100-相關(guān)話題數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)存儲到計算機之前通常被壓縮，以節(jié)省空間，數(shù)據(jù)壓縮在第15章討論。錯誤檢測和糾正在傳輸和存儲數(shù)據(jù)時的錯誤檢測和糾正。-101-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-102-存儲數(shù)字的基本問題數(shù)字要存入計算機，首先必須要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制系統(tǒng)，此外還需要解決如何存儲數(shù)字的符號？如何現(xiàn)實小數(shù)點？-103-2.1、存儲整數(shù)整數(shù)通常使用定點表示法存儲在內(nèi)存中小數(shù)點是假定的，但不存儲-104-整數(shù)的常見存儲方法-105-整數(shù)表示有符號整數(shù)無符號整數(shù)符號加絕對值格式二進(jìn)制補碼格式1、無符號整數(shù)無符號整數(shù)是沒有符號的整數(shù)，介于0～無窮大之間。計算機不可能表示所有整數(shù)。通常，計算機都定義了一個最大無符號整數(shù)常量。無符號整數(shù)范圍介于0到該常量之間。最大無符號整數(shù)（2n-1）取決于計算機中分配用于保存無符號整數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)n存儲無符號整數(shù)將整數(shù)變成二進(jìn)制數(shù);將二進(jìn)制對齊到指定的位數(shù)：如果二進(jìn)制位數(shù)不足n位，則在二進(jìn)制數(shù)左邊補0，使它的總位數(shù)為n位；若超過n位，表示無法存儲，導(dǎo)致溢出。-106-無符號整數(shù)存儲示例問題將7按照無符號整數(shù)格式存儲在8位存儲單元中解答-107-7→111→00000111.無符號整數(shù)存儲示例問題將258按照無符號整數(shù)格式存儲在16位存儲單元中解答-108-258→100000010→

0000000100000010譯碼無符號整數(shù)將指定的位串，按照二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，結(jié)果即為對應(yīng)的無符號整數(shù)。-109-無符號整數(shù)譯碼示例問題譯解內(nèi)存中“00101011”對應(yīng)的無符號整數(shù)解答-110-遵循進(jìn)制轉(zhuǎn)換規(guī)則，00101011→43溢出限定存儲單元位數(shù)后，可以表達(dá)的無符號整數(shù)是有限的對于n位存儲單元中，可表示數(shù)范圍為0~2n-1若n為4，則最大可以存儲15將超過15的輸入存儲后，會出現(xiàn)溢出的情況。-111-溢出的結(jié)果-112-11＋9→20，表示為(10100)2溢出時丟棄存儲不了的高位→4無符號整數(shù)的應(yīng)用無符號整數(shù)用來存儲非負(fù)數(shù)，不用存儲符號，效率較高。計數(shù)尋址：引用一個存儲單元的地址做為其它數(shù)據(jù)類型的基礎(chǔ)：如文本、圖像、音頻和視頻的基本存儲單元，可看成無符號數(shù)-113-2、符號加絕對值符號加絕對值格式對n位位模式，2n個編碼（0~2n-1）劃分為2個區(qū)域，分別用來表示正整數(shù)和負(fù)整數(shù)-114-在符號＋絕對值表示法（原碼）中，最左邊的位用于定義數(shù)的符號。如果是0，則表示正數(shù)，如果為1，則表示負(fù)數(shù)。符號加絕對值的數(shù)據(jù)存儲過程將整數(shù)的絕對值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。若二進(jìn)制位數(shù)不足n-1,左邊補0，使總位數(shù)為n-1。若位數(shù)超過n-1，則發(fā)生溢出，無法存儲。如果是正數(shù)，則在最左邊加0(使它變成n位)；如果是負(fù)數(shù)，則在最左邊加1(使它變成n位)-115-符號加絕對值存儲示例問題將+28按照符號加絕對值格式存儲在8位位模式中解答-116-28→11100→0011100

→00011100符號加絕對值存儲示例問題將-28按照符號加絕對值格式存儲在8位位模式中解答-117-28→11100→0011100

→10011100符號加絕對值整數(shù)譯碼示例問題譯解內(nèi)存中按照符號加絕對值格式存儲的“01001101”對應(yīng)的數(shù)值解答-118-最高位為0→正數(shù)提取后7位→1001101→77符號加絕對值整數(shù)譯碼示例問題譯解內(nèi)存中按照符號加絕對值格式存儲的“10100001”對應(yīng)的數(shù)值解答-119-最高位為1→負(fù)數(shù)提取后7位→0100001→33→-33符號加絕對值表示的溢出-120-在符號加絕對值表示法（原碼）中0有兩種表示方法：正數(shù)零和負(fù)數(shù)零以8位存儲單元為例:+000000000

-010000000符號加絕對值整數(shù)的應(yīng)用現(xiàn)代計算機不使用原碼存儲整數(shù)。進(jìn)行加、減運算不方便；0的表示不唯一。特殊應(yīng)用：進(jìn)制轉(zhuǎn)換簡單；應(yīng)用于不涉及數(shù)字運算的場合，如采樣模擬信號。-121-3、二進(jìn)制補碼二進(jìn)制補碼格式幾乎所有的計算機都使用二進(jìn)制補碼存儲有符號整數(shù)；對n位位模式，2n個編碼（0~2n-1）劃分為2個區(qū)域，分別用來表示非負(fù)正整數(shù)和負(fù)整數(shù)-122-在二進(jìn)制補碼格式表示法中，表示正數(shù)，使用無符號整數(shù)；表示負(fù)數(shù)，使用整數(shù)的補碼格式。兩種運算反碼運算翻轉(zhuǎn)操作數(shù)（整數(shù)）的各個位補碼運算將被操作數(shù)的二進(jìn)制位中右側(cè)連續(xù)的0及首次出現(xiàn)的1保持不變，其余位取反。-123-兩種運算-124-對二進(jìn)制整數(shù)執(zhí)行2次反碼運算，將得到原數(shù)。兩種運算-125-對二進(jìn)制整數(shù)執(zhí)行2次補碼運算，將得到原數(shù)。補碼運算可以通過反碼運算后再加1得到。二進(jìn)制補碼的數(shù)據(jù)存儲過程將整數(shù)的絕對值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制；將二進(jìn)制對齊到n位，不足n位的左側(cè)補0，超過n位的表示存儲不了，會產(chǎn)生溢出；如果是正數(shù)或零，原樣存儲；若果是負(fù)數(shù)，取其補碼存儲（通過補碼運算得到）。-126-二進(jìn)制補碼存儲示例問題將+28按照二進(jìn)制補碼格式存儲在8位位模式中解答-127-28→11100→00011100

二進(jìn)制補碼存儲示例問題將-28按照二進(jìn)制補碼格式存儲在8位位模式中解答-128-28→11100→00011100

→11100100譯碼二進(jìn)制補碼過程如果最左位為1，取其補碼；最左位為0，保持不變。將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)；如果最左位為1，為其添加負(fù)號；最左位為0，保持不變-129-二進(jìn)制補碼整數(shù)譯碼示例問題譯解內(nèi)存中按照二進(jìn)制補碼格式存儲的“00001101”對應(yīng)的數(shù)值解答-130-二進(jìn)制補碼整數(shù)譯碼示例問題譯解內(nèi)存中按照二進(jìn)制補碼格式存儲的“11100110”對應(yīng)的數(shù)值解答-131-二進(jìn)制補碼表示的溢出-132-補碼中0只有一種表示方法。以8位位模式為例:+000000000-000000000二進(jìn)制補碼的應(yīng)用二進(jìn)制補碼是當(dāng)今計算機存儲帶符號整數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)表示方法。補碼使得二進(jìn)制運算更簡單，具體內(nèi)容在第四章介紹。-133-4、3種系統(tǒng)的比較-134-2.2、存儲實數(shù)實數(shù)帶有整數(shù)部分和小數(shù)部分帶有很大整數(shù)部分或很小小數(shù)部分的實數(shù)不應(yīng)該使用定點表示法實數(shù)通常使用浮點表示法表示，允許小數(shù)點浮動。-135-若用16位定點小數(shù)存儲實數(shù)，小數(shù)點右側(cè)2個數(shù)碼，小數(shù)點左側(cè)14個數(shù)碼；存儲1.00234時，會損失精度實際存儲為1.001、浮點表示法浮點表示法浮點數(shù)由符號、位移量、定點數(shù)構(gòu)成采用科學(xué)計數(shù)法表示浮點數(shù)-136-十進(jìn)制數(shù)的科學(xué)記數(shù)法用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-137-7,452,000,000,000,000,000,000.00十進(jìn)制數(shù)的科學(xué)記數(shù)法用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-138-?0.0000000000000232使用科學(xué)記數(shù)法，可以表示絕對值很大或很小的數(shù)二進(jìn)制數(shù)的浮點格式表示用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-139-(101001000000000000000000000000000.00)2二進(jìn)制數(shù)的浮點格式表示用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-140-(0.00000000000000000000000101)22、規(guī)范化為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示，需要對實數(shù)的表示進(jìn)行規(guī)范化科學(xué)記數(shù)法（十進(jìn)制）和浮點表示法（二進(jìn)制），通過移動小數(shù)點（調(diào)整位移量），在小數(shù)點左邊保留唯一的非零數(shù)碼十進(jìn)制：1~9二進(jìn)制：1-141-3、符號、指數(shù)和尾數(shù)二進(jìn)制浮點數(shù)規(guī)范化后，只存儲3個部分符號：1個二進(jìn)制位（0或1）指數(shù)：定義小數(shù)點移動的位數(shù)，采用余碼表示法，定義了數(shù)的量級尾數(shù)：小數(shù)點右邊的二進(jìn)制數(shù)，定義了數(shù)的精度-142-小數(shù)點和定點部分小數(shù)點左側(cè)的1沒有存儲，是隱含的尾數(shù)加符號位，可看成符號加絕對值的整數(shù)表示4、余碼系統(tǒng)二進(jìn)制浮點數(shù)系統(tǒng)中，采用余碼系統(tǒng)存儲指數(shù)部分尾數(shù)作為無符號數(shù)存儲，指數(shù)有正有負(fù)；余碼系統(tǒng)中，為了采用無符號數(shù)存儲指數(shù)部分，將一個正整數(shù)（偏移量）加到每個指數(shù)上，統(tǒng)一到非負(fù)偏移量通常為：2m-1-1（m為指數(shù)位數(shù)）-143-5、IEEE標(biāo)準(zhǔn)兩種浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)單精度浮點數(shù)：32位存儲浮點數(shù)，指數(shù)占8位，采用余127碼（偏移量為127）雙精度浮點數(shù)：64位存儲浮點數(shù)，指數(shù)占11位，采用余1023碼（偏移量為1023）-144-6、IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)存儲過程在S中存儲符號位將絕對值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制規(guī)范化二進(jìn)制數(shù)找到E（指數(shù)）和M（尾數(shù)），尾數(shù)不足的右側(cè)補零連接S、E、M-145-標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)存儲按余碼127（單精度浮點數(shù)）存儲5.75解答-146-為正數(shù)→S=0十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制：5.75→(101.11)2規(guī)范化：→（101.11)2×22E=2+127=129→（10000001）2M=1011標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)存儲按余碼127（單精度浮點數(shù)）存儲-161.875解答-147-為負(fù)數(shù)→S=1十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制：→(10100001.111)2規(guī)范化：→（1.0100001111)2×27E=7+127=134→（10000110）2M=1000011117、譯碼標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)過程找出S（符號）、E（指數(shù)）、M（尾數(shù)）如果S為0，表示正數(shù)，否則表示負(fù)數(shù)計算位移量（E-偏移量）對尾數(shù)取規(guī)范化計算十進(jìn)制數(shù)值添加符號-148-譯碼標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)示例按余碼127（單精度浮點數(shù)）譯碼內(nèi)存中的(11001010000000000111000100001111)2解答-149-S為1，為負(fù)數(shù)位移量：→E-127=148-127=21→(1.00000000111000100001111)2×221去規(guī)范化→(1000000001110001000011.11)2→2,104,378.75→-2,104,378.758、浮點數(shù)的溢出浮點數(shù)表示法不能存儲絕對值很大或很小的數(shù)下溢：試圖存儲絕對值很小的數(shù)導(dǎo)致下溢上溢：試圖存儲絕對值很大的數(shù)導(dǎo)致上溢-150-9、存儲零理論上講，標(biāo)準(zhǔn)浮點數(shù)無法存儲實數(shù)0.0特殊處理，為了解決這個特例，約定在這種情況下，S、E、M的值均為0-151-10、截斷誤差使用浮點數(shù)存儲實數(shù)時，可能會存在誤差如使用余碼127存儲(111111111111111.1111111111111)2規(guī)范化后得到(1.111111111111111111111111111)2意味著尾數(shù)有27個1，需要被截斷為23個1，從而造成了存儲誤差（稱為截斷誤差）在高精度應(yīng)用領(lǐng)域，需要更多位數(shù)存儲要求更高的浮點數(shù)-152-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-153-存儲文本任何語言中，文本都是由一系列符號構(gòu)成。如英文由26個字母(大寫和小寫)、數(shù)字符號、標(biāo)點符號等構(gòu)成。表示文本時，需要使用位模式表示構(gòu)成文本的每一個符號。-154-存儲文本的位模式長度這取決于該語言集中到底有多少個不同的符號。某種語言中的符號越多，則需要更長的位模式。-155-在一種語言中，到底需要多少位的位模式來表示一個符號?符號數(shù)量與位模式長度關(guān)系-156-代碼不同的位模式構(gòu)成的集合被設(shè)計用于表示文本符號。每個集合被稱為代碼(code)，表示符號的過程被稱為編碼(coding)。常用的代碼有ASCII碼Unicode其它編碼-157-ASCII碼美國信息交換碼，使用7位位模式表示英文中的符號，可以表示128種不同符號。編碼范圍從0000000到1111111。31種控制字符(不可打印的字符)。數(shù)字字符(0to9)編碼在字母字符之前。大寫字母(A…Z)編碼在小寫字母(a…z)之前，相同的大小寫字母位模式差異在于右起第六位(值差32)-158-ASCII碼字符集-159-Unicode使用32位表示符號，最多可表示232個符號。代碼的不同部分被分配，用于表示來自世界上不同語言的符號-160-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-161-音頻音頻是一種隨時間連續(xù)變化的模擬數(shù)據(jù)一段時間內(nèi)，擁有無限數(shù)量的觀測值，不可能完全存儲在計算機中；采用離散采樣的策略，觀測離散時間點上的音頻信號強度。-162-1、采樣采樣及采樣率在模擬信號上選擇數(shù)量有限的點來度量它們的值并記錄下來，通過記錄的值來表現(xiàn)模擬信號。采樣率：每秒鐘采樣的次數(shù)；采樣率越高，則占用更多的存儲空間，效果約好；對于音頻信號，每秒采樣400000次的效果已經(jīng)足夠好。-163-2、量化量化處理每個樣本測量得到的是真實的數(shù)字，需要使用一定的數(shù)據(jù)類型記錄樣本值；使用無符號整數(shù)是一種簡單的處理方式；量化就是將樣本值截取到最接近的整數(shù)值的過程。-164-3、編碼編碼及存儲量化后的數(shù)值需要編碼成位模式。有的系統(tǒng)使用無符號整數(shù)表示樣本量化后的值，有的系統(tǒng)采用符號加絕對值形式表示量化后的值。位深度存儲每個樣本值分配的二進(jìn)制位數(shù)位率單位時間內(nèi)產(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)位數(shù)位深度為B，采樣率為S，則位率為S×R（存儲每秒音頻需要的位數(shù)）-165-4、聲音編碼標(biāo)準(zhǔn)主流標(biāo)準(zhǔn)：MP3（MPEGLayer3）用于視頻壓縮方法的MPEG標(biāo)準(zhǔn)的一個修改版采樣率：44100位深度：16采樣后，通過去除人耳無法識別的信息的壓縮方法進(jìn)行壓縮存儲，壓縮方法參見第15章。-166-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-167-圖像種類-168-1、位圖（光柵圖）模擬的照片不可能完全存儲照片是模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是隨空間連續(xù)變化的顏色值；通過采樣的方法，測量離散點處的顏色值。照片的采樣（掃描）圖像被分解成小的像素,每個像素是一個小點。把圖像分解為像素之后，每個像素假定為單獨的顏色值解析度（分辨率）：圖像掃描過程中，定義圖像需要記錄像素數(shù)的度量，通過需要掃描的行、列數(shù)表示。色彩深度：記錄每個像素顏色所使用的位模式長度。-169-真彩色圖像真彩色的特點使用24位來編碼表示一個像素的顏色基于三原色原理（RGB），使用8位表示每種顏色分量，每種顏色的強度介于0~255之間總共可以表示224（約16萬）種顏色-170-索引色調(diào)色板技術(shù)（索引色）真彩色可表示16萬種顏色，許多應(yīng)用中并不需要，且占用較大的空間從大的顏色集中選擇一些顏色（通常256種）并對其建立索引（取值0~255）掃描圖像時，對每個像素，使用索引值表示其顏色。-171-索引色使用索引色方案減少了圖像的存儲空間通常建立256個索引，以8位位模式存儲每個像素顏色真彩色圖像，每個像素需要24位位模式存儲以300萬像素的數(shù)碼相機拍攝的數(shù)碼照片為例-172-圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG（聯(lián)合圖像專家組）使用真彩色模式，但通過壓縮技術(shù)來減少存儲位數(shù)，具體參見第15章GIF（圖形交換格式）使用索引色模式-173-2、矢量圖光柵圖的缺點文件尺寸太大；放大圖像會出現(xiàn)失真（馬賽克）。矢量圖矢量圖編碼方案并不存儲每個像素的顏色值；圖形被分解成幾何圖形的組合，如線段、矩形、圓等每個幾何圖形由數(shù)學(xué)公式表達(dá)，如線段由端點坐標(biāo)描述矢量圖由定義如何繪制這些形狀的一系列指令構(gòu)成。-174-矢量圖的輸出過程現(xiàn)實或打印矢量圖形時，將圖像尺寸作為參數(shù)輸入給系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)公式重新計算并生成圖像（光柵圖）每次繪制圖像，都要重新計算一次，矢量圖也被稱為幾何模型或面向?qū)ο髨D形。圖像縮放不會影響質(zhì)量，但需要更多的處理時間。示例，繪制圓形需要的參數(shù)圓的半徑r圓心的位置繪制的線型和顏色填充的類型和顏色-175-矢量圖應(yīng)用矢量圖不適合存儲非常精細(xì)的照片級圖像，應(yīng)該采用JPEG或GIF等柵格圖像格式存儲矢量圖適合通過幾何元素來創(chuàng)建圖像的應(yīng)用，如Flash應(yīng)用、創(chuàng)建TrueType字體和PostScrirpt字體計算機輔助設(shè)計（CAD）也使用矢量圖進(jìn)行工程繪圖-176-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類型存儲數(shù)字存儲文本存儲音頻存儲圖像存儲視頻-177-矢量圖應(yīng)用視頻視頻是圖像（幀）在時間上的表示。視頻是一系列幀連續(xù)播放而形成的運動圖像。視頻是隨空間和時間變化的色彩信息表示。視頻的存儲存儲視頻的本質(zhì)，就是逐幀存儲每一個幀的圖像。視頻通常壓縮存儲，參見第15章。-178-第04章數(shù)據(jù)運算

本章內(nèi)容安排邏輯運算移位運算算術(shù)運算-180-邏輯運算邏輯運算的分類位層次上的邏輯運算：對1位二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯運算模式層次上的位運算：對n位位模式逐位執(zhí)行邏輯運算-181-1、位層次上的邏輯運算位和邏輯運算一個位可能是0或1，假設(shè)0代表“假”，1代表“真”可以運用布爾代數(shù)中定義的運算去操縱二進(jìn)制位，從而處理邏輯運算?；具\算非（NOT）：一元運算，只有1個輸入。與（AND）：二元運算。或（OR）：二元運算。異或（XOR）：二元運算。-182-真值表-183-非（NOT）只有1個輸入，輸出為輸入的反轉(zhuǎn)輸入0，輸出為1輸入1，輸出為0-184-與（AND）2個輸入，真值表有4行只有當(dāng)兩個輸入都為1時，輸出為1其它情況，輸出為0-185-Forx=0or1xAND0→00ANDx→0或（OR）2個輸入，真值表有4行只有當(dāng)兩個輸入都為0時，輸出為0其它情況，輸出為1-186-Forx=0or1xOR1→11ORx→1異或（XOR）2個輸入，真值表有4行兩個輸入不同（相異）時，輸出為1兩個輸入相同時，輸出為0-187-Forx=0or1

1XORx→NOTxxXOR1→NOTx2、模式層次上的邏輯運算相同的運算符（NOT、ADN、OR、XOR）可以運用到n位位模式上對n位位模式逐位執(zhí)行相同的邏輯運算-188-邏輯運算示例問題對位模式10011000執(zhí)行NOT運算解答-189-邏輯運算示例問題對位模式10011000和00101010執(zhí)行AND運算解答-190-Forx=0or1xOR1→11ORx→1邏輯運算示例問題對位模式10011001和00101110執(zhí)行OR運算解答-191-邏輯運算示例問題對位模式10011001和00101110執(zhí)行XOR運算解答-192-3、應(yīng)用求反通過NOT運算可以對整個模式求反對指定位復(fù)位（置0）通過構(gòu)造第二個輸入（掩碼），執(zhí)行AND運算，可以對一個位模式的指定位復(fù)位掩碼中設(shè)置為0的位，AND運算后第一個輸入中對應(yīng)位被復(fù)位；掩碼中為1的位，運算后第一個輸入對應(yīng)位保持不變。-193-復(fù)位示例問題設(shè)置掩碼，復(fù)位8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗證解答-194-掩碼為：00000111應(yīng)用對指定位置位（置1）構(gòu)造掩碼，執(zhí)行OR運算，可以對位模式指定位置位。掩碼中設(shè)置為1的位，運算后第一個輸入對應(yīng)位被置位；掩碼中設(shè)置為0的位，運算后第一個輸入對應(yīng)位保持不變。對指定位反轉(zhuǎn)構(gòu)造掩碼，執(zhí)行XOR運算，可以對位模式指定位反轉(zhuǎn)。掩碼中設(shè)置為1的位，運算后第一個輸入對應(yīng)位被反轉(zhuǎn)；掩碼中設(shè)置為0的位，運算后第一個輸入對應(yīng)位保持不變。-195-置位示例問題設(shè)置掩碼，置位8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗證解答-196-掩碼為：11111000反轉(zhuǎn)示例問題設(shè)置掩碼，反轉(zhuǎn)8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗證解答-197-掩碼為：11111000本章內(nèi)容安排邏輯運算移位運算算術(shù)運算-198-移位運算基本概念移位運算移動位模式中的位，改變其位置邏輯移位運算：不考慮符號位的移位運算算術(shù)移位運算：考慮符號位的移位運算-199-1、邏輯移位運算邏輯移位運算應(yīng)用于無符號整數(shù)邏輯移位邏輯右移：每位向右移動，左側(cè)補0邏輯左移：每位向左移動，右側(cè)補0-200-邏輯移位運算邏輯移位運算應(yīng)用于無符號整數(shù)循環(huán)移位邏輯右移：每位向右移動，移出的位補充到左側(cè)邏輯左移：每位向左移動，移出的位補充到右側(cè)-201-邏輯移位示例問題對位模式10011000執(zhí)行邏輯左移運算解答-202-DiscardedAdded循環(huán)移位示例問題對位模式10011000執(zhí)行循環(huán)左移運算解答-203-2、算術(shù)移位運算算術(shù)移位運算應(yīng)用于二進(jìn)制補碼格式的帶符號整數(shù)算術(shù)右移：移動過程中保留符號位，產(chǎn)生除2的效果算術(shù)左移：移動過程中丟棄符號位，如果新的符號位與原來的符號相同，運算成功，否則產(chǎn)生溢出；算術(shù)左移產(chǎn)生乘2的效果。-204-算術(shù)移位示例問題對位模式10011001執(zhí)行算術(shù)右移運算解答-205-原始數(shù)據(jù)為-103，計算結(jié)果為-52算術(shù)移位示例問題對位模式11011001執(zhí)行算術(shù)左移運算解答-206-原始數(shù)據(jù)為-39，計算結(jié)果為-78算術(shù)移位示例問題對位模式01111111執(zhí)行算術(shù)左移運算解答-207-原始數(shù)據(jù)為127，計算結(jié)果為-2，因為預(yù)期結(jié)果254無法用8位存儲操縱位的示例問題判斷8位位模式的右起第3位是0還是1解答-208-本章內(nèi)容安排邏輯運算移位運算算術(shù)運算-209-1、整數(shù)的算術(shù)運算整數(shù)支持的算術(shù)運算整數(shù)支持加、減、乘、除等運算乘法和除法可以通過重復(fù)的加法（減法）來實現(xiàn)。兩種編碼格式的運算二進(jìn)制補碼的加減法原碼加絕對值的加減法-210-二進(jìn)制補碼加減法減法運算遇到減法時，對第二個數(shù)（減數(shù)）做補碼運算后，將減法轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃ā?211-A?B?A+(B+1)用（B+1）表示B的補碼加法運算基本方法按最右側(cè)的位對齊從右開始，逐列相加并加上一列的進(jìn)位，“逢二進(jìn)一”最高位進(jìn)位丟棄加法表-212-二進(jìn)制補碼加減法流程-213-二進(jìn)制補碼加法示例問題A和B以二進(jìn)制補碼形式存儲，計算A+BA=(00010001)2B=(00010110)2解答-214-十進(jìn)制檢查：A→17，B→22，A+B→39二進(jìn)制補碼加法示例問題A和B以二進(jìn)制補碼形式存儲，計算A+BA=(00011000)2B=(11101111)2

解答-215-十進(jìn)制檢查：A→24，B→-17，A+B→7二進(jìn)制補碼減法示例問題A和B以二進(jìn)制補碼形式存儲，計算A-BA=(00011000)2B=(11101111)2

解答-216-十進(jìn)制檢查：A→24，B→-17，A-B→41二進(jìn)制補碼減法示例問題A和B以二進(jìn)制補碼形式存儲，計算A-BA=(11011101)2B=(00010100)2

解答-217-十進(jìn)制檢查：A→-35，B→20，A-B→-55二進(jìn)制補碼加法的溢出問題A和B以二進(jìn)制補碼形式存儲，計算A+BA=(01111111)2B=(00000011)2

解答-218-十進(jìn)制檢查：A→127，B→3，A+B→-126預(yù)期的結(jié)果130無法存儲，產(chǎn)生溢出在計算機上進(jìn)行算術(shù)運算時，確保參與運算的數(shù)以及運算結(jié)果在指定位分配可表示的區(qū)間之內(nèi)符號加絕對值整數(shù)的加減法符號加絕對值整數(shù)的加減法非常復(fù)雜檢查運算，如果是減法，變更第二個數(shù)的符號位；對兩個數(shù)的符號位執(zhí)行XOR運算，結(jié)果為0表示同號，結(jié)果為1表示異號；如果符號相同，絕對值相加，結(jié)果符號不變；如果符號不同，計算A-B，減法時，取第二個數(shù)的補碼后相加，結(jié)果的符號取絕對值大者。若AM≥BM，結(jié)果為正數(shù)，最后結(jié)果取A的符號；若AM＜BM，結(jié)果為負(fù)數(shù)，對結(jié)果求補碼，最后結(jié)果取B的符號-219-符號加絕對值整數(shù)的加減法流程-220-符號加絕對值加法示例問題A和B以符號加絕對值形式存儲，計算A+B

A=(00010001)2B=(10010110)2解答-221-十進(jìn)制檢查：A→17，B→-22，A+B→-5異號相加，RM=AM+(BM+1)符號加絕對值減法示例問題A和B以符號加絕對值形式存儲，計算A-B

A=(11010001)2B=(10010110)2解答-222-十進(jìn)制檢查：A→-81，B→-22，A+B→-59減法，對B求補2、實數(shù)的算術(shù)運算實數(shù)支持的算術(shù)運算實數(shù)支持加、減、乘、除等運算實數(shù)的乘法涉及符號加絕對值表示的整數(shù)的乘法；實數(shù)除法涉及符號加絕對值表示的整數(shù)的除法。實數(shù)的加減法以浮點數(shù)格式存儲的實數(shù)加法和減法，可以簡化為小數(shù)點對齊后以符號加絕對值格式（符號加尾數(shù)）存儲的兩個整數(shù)的加法和減法。-223-實數(shù)加法示例問題展示計算機內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計算過程解答-225-浮點數(shù)表示實數(shù)加法示例問題展示計算機內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計算過程解答-226-去規(guī)范化實數(shù)加法示例問題展示計算機內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計算過程解答-227-對齊尾數(shù)1000011110000111101000011110000000000000000001011100000000000000實數(shù)加法示例問題展示計算機內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計算過程解答-228-執(zhí)行符號加絕對值加法實數(shù)加法示例問題展示計算機內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計算過程解答-229-重新規(guī)范化E=(10000110)2=134M=0100111101結(jié)果：(1.0100111101)2×2134?127=167.625第05章計算機組成

本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡單計算機-231-三大子系統(tǒng)-232-中央處理單元CPU中央處理單元用于數(shù)據(jù)運算，包括算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。-233-1、算術(shù)邏輯單元ALU算術(shù)邏輯單元ALU對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、移位和算術(shù)運算。邏輯運算：與、或、非、異或移位運算：邏輯移位和算術(shù)移位算術(shù)運算：整數(shù)和實數(shù)的算術(shù)運算-234-2、寄存器寄存器是用來臨時存放數(shù)據(jù)的高速獨立的存儲單元。數(shù)據(jù)寄存器：保存運算的中間結(jié)果，可以提高運算速度。指令寄存器：CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，暫存在指令寄存器中并解釋執(zhí)行。程序計數(shù)器：程序計數(shù)器保存當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址，當(dāng)前指令執(zhí)行完成后，自動增1，指向下一條指令的地址。-235-3、控制單元控制單元控制各個子系統(tǒng)的操作?？刂茊卧ㄟ^向各子系統(tǒng)發(fā)送信號來實現(xiàn)控制。-236-CPU的重要指標(biāo)－時鐘頻率時鐘頻率CPU的工作過程是一個取指令、執(zhí)行指令的周期性過程，它的“節(jié)拍”由時鐘發(fā)生器發(fā)出的脈沖決定；時鐘發(fā)生器在單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖次數(shù)就是計算機的“時鐘頻率”，它決定了CPU的工作速度，也稱為主頻，單位通常為兆赫茲(MHz)或千兆赫茲(GHz)。-237-本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡單計算機-238-主存儲器基本概念主存儲器是存儲單元的集合。每個存儲單元用唯一的標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)識，稱為地址；數(shù)據(jù)以字為單位在存儲器中傳入和傳出。不同的機器，字可以取8位、16位、32位或64位。如果字是8位，稱為字節(jié)(Byte)。-239-1、地址空間基本概念存取存儲器中的每個字，需要有相應(yīng)的標(biāo)識，程序員通常通過名稱來標(biāo)識（變量名字），在硬件層次上，都是通過地址來標(biāo)識。在存儲器中可標(biāo)識的所有獨立地址單元的總數(shù)稱為地址空間。例如，64K字節(jié)存儲器、字長為1字節(jié)的系統(tǒng)具有范圍為0~65535的地址空間。-240-存儲單位-241-Unit

------------千字節(jié)兆字節(jié)千兆字節(jié)兆兆字節(jié)千兆兆字節(jié)兆兆兆字節(jié)字節(jié)數(shù)

------------------------210Bytes220Bytes230Bytes240Bytes250Bytes260Bytes近似值

------------103Bytes106Bytes109Bytes1012Bytes1015Bytes1018Bytes1KB=1024B1MB=1024KB=1024*1024B1GB=1024MB=1024*1024*1024B1TB=1024GB=1024*1024*1024*1024B地址的位模式表示計算機中使用位模式存儲地址位模式長度取決于地址空間的大小地址空間為64K（216），字長為1個字節(jié)，需要使用16位位模式存儲地址地址使用無符號整數(shù)定義，地址空間為64K，則地址范圍為0000000000000000～1111111111111111-242-計算地址的位模式長度示例問題臺計算機有32MB主存，需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個字節(jié)？解答-243-32MB=25×220=225B需要25位地址標(biāo)識每一個字節(jié)。計算地址的位模式長度示例問題一臺計算機有128MB內(nèi)存，計算機的字長為8個字節(jié)，需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個單字？解答-244-128MB=227B=224×8B需要24位地址標(biāo)識內(nèi)存中的每一個字2、存儲器類型-245-RAMROMSRAMDRAMPROMEPROMEEPROMRAM：隨機存儲器RAM是主存的主要組成部分。RAM具有可隨機讀寫、易失性特點。SRAM：靜態(tài)RAM，使用觸發(fā)器門電路保存數(shù)據(jù)，速度快但價格昂貴。DRAM：動態(tài)RAM，使用電容存儲數(shù)據(jù)，充電為1，放電狀態(tài)為0。需要周期性刷新，速度慢但價格便宜。-246-ROM：只讀存儲器ROM是只讀存儲器，內(nèi)容由制造商寫入，具有只讀、非易失性特點。PROM：可編程只讀存儲器，出廠時空白，借助特殊設(shè)備可一次寫入內(nèi)容。EPROM：可擦除的可編程只讀存儲器，借助紫外線裝置可擦除內(nèi)容，然后可重新寫入。EEPROM：電可擦除的可編程只讀存儲器，使用電子脈沖即可擦除和編程寫入-247-3、存儲器的層次結(jié)構(gòu)存取速度快的存儲器價格昂貴，通常采用層次配置對速度要求苛刻的場合，配置少量高速存儲器，如CPU中的寄存器；用適量中速的存儲器存儲需要經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)；用大量低速存儲器存儲大量不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。-248-4、高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器速度比主存快，但比CPU內(nèi)部的寄存器要慢，介于CPU和內(nèi)存之間作為內(nèi)存和CPU之間緩沖，可提高系統(tǒng)性能；高速緩存的配置較少，會保存主存一部分內(nèi)容的副本。-249-高速緩沖存儲器基本原理CPU要存取主存中的一個字時，首先檢查高速緩存；如果存在，直接存?。蝗绻淮嬖?，從主存中拷貝包含欲存取字的數(shù)據(jù)塊至高速緩存，CPU從高速緩存中存取數(shù)據(jù)。提高整體訪問性能計算機處理數(shù)據(jù)具有連續(xù)性；根據(jù)合理的預(yù)測技術(shù)，使得從高速緩存訪問數(shù)據(jù)的命中率很高。-250-本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡單計算機-251-非存儲設(shè)備非存儲設(shè)備提供CPU與外界的通信，但不能存儲信息鍵盤：提供輸入功能監(jiān)視器：顯示輸出打印機：產(chǎn)生永久記錄的輸出設(shè)備其它：鼠標(biāo)、操縱桿、掃描儀等-252-存儲設(shè)備存儲設(shè)備可存儲大量信息以備后用，速度比主存慢但價格便宜。存儲的信息不易丟失，稱為輔助存儲設(shè)備。磁介質(zhì)存儲設(shè)備：使用磁性來存儲數(shù)據(jù)，通過磁性介質(zhì)的磁化表示1，消磁表示0磁盤磁帶光存儲設(shè)備-253-1、磁盤－物理布局磁盤由多張盤片疊加而成，每個盤片上的讀/寫磁頭控制數(shù)據(jù)的讀寫。-254-磁盤－物理布局磁盤表面結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)被存儲在磁盤表面磁道：每個盤面被劃分為磁道，磁道之間有內(nèi)部間隔。扇區(qū)：每個磁道被劃分為若干扇區(qū)，扇區(qū)之間也有內(nèi)部間隔-255-磁盤－數(shù)據(jù)存取磁盤是一種隨機存儲設(shè)備數(shù)據(jù)項可以被隨機存??；某個時間可以讀取的最小存儲區(qū)域只能是一個扇區(qū)。-256-磁盤－性能角速度：定義磁盤的旋轉(zhuǎn)速度，決定特定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀/寫磁頭下方的時間。尋道時間：讀/寫磁頭尋找數(shù)據(jù)所在磁道的時間。傳送時間：將數(shù)據(jù)從磁盤移動到CPU/內(nèi)存所需要的時間。-257-2、磁帶-258-磁帶－表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)劃分為9個磁道，每道上每個點存儲1個位垂直的切面9個點存儲一個字節(jié)，1位用于錯誤檢測-259-磁帶－數(shù)據(jù)存取和性能數(shù)據(jù)存取磁帶是順序存取設(shè)備，雖然磁帶表面可能會分成若干塊，但缺乏尋址機制；要想讀取指定的塊，必須順序通過其前面的所有塊。性能磁帶速度比磁盤慢，但非常便宜，常用于大量數(shù)據(jù)的備份。-260-3、光存儲設(shè)備光存儲設(shè)備采用光（激光）技術(shù)來存儲和讀取數(shù)據(jù)。使用CD主要用來保存音頻信息現(xiàn)在，同樣的技術(shù)用于存儲計算機信息CD-ROM：只讀光盤CD-R：可刻錄光盤CD-RW：可重寫光盤DVD：數(shù)字多功能光盤-261-CD-ROM：制作與讀-262-制造主盤，有坑表示1，沒有表示0制作模盤：模具批量制作光盤通過反射強度的差異，讀出數(shù)據(jù)CD-ROM：格式CD-ROM光盤只有一條螺旋磁道(光道)，從中心旋轉(zhuǎn)向外；光盤的磁道劃分為扇區(qū)，每扇區(qū)通常存儲2352位-263-CD-ROM：速度衡量CD-ROM驅(qū)動器讀取數(shù)據(jù)速度以153600B/s為基準(zhǔn)(稱為單倍速)，當(dāng)前光驅(qū)速度均是此速度的整數(shù)倍數(shù)-264-速度------------1x2x4x6x8x12x16x24x32x40x數(shù)據(jù)傳輸率

------------------------153,600

B/s307,200

B/s614,400

B/s921,600

B/s1,228,800

B/s1,843,200

B/s2,457,600B/s3,688,400

B/s4,915,200B/s6,144,000B/s近似值

------------150KB/s300KB/s600KB/s900KB/s1.2MB/s1.8MB/s2.4MB/s3.6MB/s4.8MB/s6MB/sCD-RCD-ROM適合生產(chǎn)商大批量生產(chǎn)，CD-R可進(jìn)行一次性刻錄，稱為WORM(寫一次，讀多次)，用于少量的數(shù)據(jù)備份。反射層使用金。增加染料層保存數(shù)據(jù)，通過燒制顏色的深淺模擬凹坑和紋間表面-265-CD-R：讀寫-266-CD-RWCD-RW是可重寫光盤。制作光盤的原理與CD-R類似，通過合金層存儲數(shù)據(jù)，利用合金的兩種狀態(tài)模擬坑和紋間表面。擦除：通過激光改變合金狀態(tài)，使其變成紋間表面狀態(tài)-267-DVDCD-ROM存儲容量（650M）已經(jīng)不能滿足視頻信息的存儲需求，DVD是新一代光存儲設(shè)備?？痈?；磁道間更為緊密；使用紅激光代替紅外激光；使用1~2個存儲層，可以是單面或雙面。用于大容量數(shù)據(jù)存儲。-268-DVD－容量-269-特征

-----------------------單面、單層D5單面、雙層D9雙面、單層D10雙面、雙層D18容量

------------4.7GB8.5GB9.4GB17GBDVD使用MPEG技術(shù)進(jìn)行壓縮（參見第15章），單面、單層DVD可以存儲133分鐘高品質(zhì)視頻。本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連