計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 第1章 計(jì)算機(jī)和數(shù)字基礎(chǔ)

第1章計(jì)算機(jī)和數(shù)字基礎(chǔ)主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)的分類和使用計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理計(jì)算思維計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)的概念：廣義：可編程自動(dòng)化計(jì)算設(shè)備（機(jī)械計(jì)算機(jī)、電子計(jì)算機(jī)與計(jì)算器等）狹義：電子計(jì)算機(jī)手搖機(jī)械計(jì)算機(jī)繼電器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的概念機(jī)械計(jì)算機(jī)——最早的機(jī)械計(jì)算機(jī)由帕斯卡發(fā)明，利用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)原理制成。通過手搖方式操作運(yùn)算。繼電器計(jì)算機(jī)介于機(jī)械計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)之間，全自動(dòng)繼電器計(jì)算機(jī)Z-3已經(jīng)具備了浮點(diǎn)計(jì)數(shù)/二進(jìn)制運(yùn)算/數(shù)字存儲(chǔ)地址的指令形式等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特征。計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)的特征：接收輸入（鍵盤、鼠標(biāo)）處理數(shù)據(jù)（CPU）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（內(nèi)存、存儲(chǔ)器）產(chǎn)生輸出（顯示屏、打印機(jī)）接收輸入輸入、提交或傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)的一切數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等，可以將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與操作處理數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理是在CPU上進(jìn)行的，CPU是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心大部分現(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用的CPU是微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)使用方式的不同將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的地方正在等待處理的數(shù)據(jù)被放在內(nèi)存中，而長期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)則被放在存儲(chǔ)器中。輸出計(jì)算機(jī)的輸出指的是計(jì)算機(jī)處理信息后產(chǎn)生的結(jié)果計(jì)算機(jī)的輸出形式有文檔、圖表、圖片、視頻、音頻等計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備可以顯示、打印、傳送輸出的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)程序與軟件程序的定義：控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行處理任務(wù)的指令集程序構(gòu)成了軟件軟件的分類系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件開發(fā)工具軟件的分類系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件可分為操作系統(tǒng)和支撐軟件，為計(jì)算機(jī)提供最基本的功能。操作系統(tǒng)是最基本的軟件，支撐軟件包括CPU監(jiān)視器、設(shè)備驅(qū)動(dòng)器等。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。軟件的分類應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是為了某種特定的用途而開發(fā)的軟件。應(yīng)用軟件可以是特定的程序，如視頻播放器等；可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程序的集合，如微軟的office套件；也可以是由眾多獨(dú)立程序組成的龐大軟件系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。開發(fā)工具

開發(fā)工具是用來編制系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的軟件、語言與工具。開發(fā)工具包括C++等編程語言、HTML等腳本語言與調(diào)試工具等。計(jì)算機(jī)的分類多種多樣的計(jì)算機(jī)分類方法按計(jì)算性能：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)。按使用場(chǎng)景：個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、大型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、手持設(shè)備、量子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的分類個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)是在大小、性能以及價(jià)位等多個(gè)方面適合于個(gè)人使用，并由最終用戶直接操控的計(jì)算機(jī)的統(tǒng)稱。包括臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、上網(wǎng)本、平板電腦、超極本、工作站等。數(shù)字音頻工作站計(jì)算機(jī)的分類服務(wù)器服務(wù)器通常是指那些具有較高計(jì)算能力，能夠提供給多個(gè)用戶使用的計(jì)算機(jī)。服務(wù)器的高性能主要體現(xiàn)在高速度的運(yùn)算能力、長時(shí)間的可靠運(yùn)行、強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力等方面。服務(wù)器計(jì)算機(jī)的分類大型計(jì)算機(jī)大型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱“大型機(jī)”）體積龐大，價(jià)格昂貴，能夠同時(shí)為眾多用戶處理數(shù)據(jù)。大型機(jī)主要用于大量數(shù)據(jù)和關(guān)鍵項(xiàng)目的計(jì)算，例如銀行金融交易及數(shù)據(jù)處理、人口普查、企業(yè)資源規(guī)劃等等。大型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的一類計(jì)算機(jī)，是一種超大型電子計(jì)算機(jī)。超級(jí)計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富的、高功能的軟件系統(tǒng)?！疤旌佣?hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)是嵌入到商品中的微型計(jì)算機(jī)，用來執(zhí)行與商品相關(guān)的特定功能或任務(wù)。洗衣機(jī)、彩色電視機(jī)、DVD機(jī)，甚至電子鐘中都包含著嵌入式計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代汽車中的微處理器都屬于嵌入式計(jì)算機(jī)，這些芯片被用來控制汽車完成多種任務(wù)，如ABS、點(diǎn)火、車載多媒體設(shè)備等。計(jì)算機(jī)的分類手持設(shè)備易于手持并使用的設(shè)備：智能手機(jī)、Kindle電子書等。手持設(shè)備可以分為允許用戶安裝應(yīng)用和不允許用戶安裝應(yīng)用兩大類。允許用戶安裝應(yīng)用的手持設(shè)備可以歸類為手持計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的分類量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別在于它們利用電子、原子核等粒子的工作作為量子位。理論上量子計(jì)算機(jī)的速度相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以指數(shù)方式增長——n個(gè)量子位能代表2的n次方，而n個(gè)常規(guī)位只能代表n。隨著量子位數(shù)的增加，量子計(jì)算機(jī)的性能將達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以企及的程度。計(jì)算機(jī)的兼容性如果兩臺(tái)計(jì)算機(jī)使用的是同一操作系統(tǒng)，那么它們就是兼容的，即它們可以使用相同的軟件和配件，且數(shù)據(jù)可以在其間便捷地轉(zhuǎn)移。按照兼容性，計(jì)算機(jī)可以被分為三類：蘋果的macOS和IOS微軟的Windows和WindowsPhone谷歌的ChormeOS和Android使用計(jì)算機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)計(jì)算速度更加快速準(zhǔn)確用很少的空間存儲(chǔ)大量的信息從不疲憊開拓視野計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方便人們之間的溝通缺點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)沉迷電磁輻射碎片化時(shí)間低頭族計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：離散狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)：連續(xù)值常用的進(jìn)制系統(tǒng)二進(jìn)制：0-1十進(jìn)制：0-9十六進(jìn)制：0-9、A-F通用規(guī)則：逢基數(shù)進(jìn)一十進(jìn)制系統(tǒng)與二進(jìn)制系統(tǒng)十進(jìn)制（基數(shù)10）二進(jìn)制（基數(shù)2）00112103114100510161107111810009100110101011101110011111101001十六進(jìn)制系統(tǒng)十六進(jìn)制（基數(shù)16）十進(jìn)制（基數(shù)10）二進(jìn)制（基數(shù)2）0001112210331144100551016611077111881000991001A101010B111011C121100D131101E141110F151111101610000進(jìn)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為其他進(jìn)制：余數(shù)法十進(jìn)制的數(shù)被2（轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制）或者16（轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制）除，得到商和余數(shù)。將余數(shù)記錄下來，商繼續(xù)重復(fù)上述過程，直到商為0。所有余數(shù)倒序排列即是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。對(duì)于十進(jìn)制小數(shù)：將其小數(shù)位乘2（轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制），提取整數(shù)部分，再對(duì)小數(shù)位重復(fù)如上操作，直到小數(shù)部分為0。將過程中得到的整數(shù)部分順序排列即是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。進(jìn)制轉(zhuǎn)換例：將十進(jìn)制79轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制（1）用2除該數(shù)，得到商和余數(shù)（2）對(duì)商重復(fù)上述過程直到商為0（3）將所得余數(shù)倒序排列獲取對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值1001111被除數(shù)商余數(shù)79391391911991941420210101進(jìn)制轉(zhuǎn)換例：將十進(jìn)制小數(shù)0.8125轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)（1）用2乘該數(shù)，取整（2）將所得數(shù)的小數(shù)部分乘2，取整（3）重復(fù)上一步，直到小數(shù)部分為0（4）將所得整數(shù)順序排列，得到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制小數(shù)0.1101小數(shù)乘2所得數(shù)取整0.81251.62510.6251.2510.250.500.511進(jìn)制轉(zhuǎn)換非十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制：位權(quán)法把各非十進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開，然后求和例：將二進(jìn)制1111101001.1轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制(1111101001.1)2=1×29+1×28+1×27+1×26+1×25+0×24+1×23+0×22+0×21+1×20+1×2-1=(1001.5)10進(jìn)制轉(zhuǎn)換二進(jìn)制與十六進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換：十六進(jìn)制一位對(duì)應(yīng)二進(jìn)制四位例：(F6A9)16=(1111011010101001)2字符編碼ASCII碼使用指定的7位或8位二進(jìn)制數(shù)組合來表示128或256種可能的字符EBCDIC碼Unicode碼又可分為UTF-8、UT8-16、UTF-32等漢字編碼GB2312、GBK、GB18030-2005等圖像編碼將圖像離散成像素點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)的色彩都可以由一個(gè)或一組特定的二進(jìn)制數(shù)來表示圖像的像素點(diǎn)聲音編碼用離散化的點(diǎn)代替連續(xù)的波形聲波采樣點(diǎn)位與字節(jié)位（bit，簡(jiǎn)寫b）一位代表著一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字0或1字節(jié)（byte，簡(jiǎn)寫B(tài)）一個(gè)字節(jié)由8個(gè)位組成常用簡(jiǎn)寫及換算1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB，1EB=1024PB1MB=8Mb網(wǎng)絡(luò)帶寬的單位通常是Mb/s，文件大小則通常以字節(jié)為單位芯片芯片也稱微電路、集成電路、微芯片，是指由半導(dǎo)體材料組成的極薄的薄片。常見的芯片封裝類型DIP雙列直插式PGA插針網(wǎng)絡(luò)式BGA球珊陣列式CSP芯片尺寸式MCM多芯片模式計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理程序通常是由高級(jí)編程語言編寫的，如C、C++、C#、Java、COBOL等。高級(jí)編程語言使用關(guān)鍵字的有限集（如if、for、while、printf等）來形成程序語句，這些語句可用來指揮CPU進(jìn)行相應(yīng)的操作。未編譯的按照程序設(shè)計(jì)語言規(guī)范書寫的文本為源代碼。源代碼不能直接被計(jì)算機(jī)識(shí)別，必須經(jīng)過解釋器或編譯器轉(zhuǎn)換才能被執(zhí)行。解釋器解釋器的執(zhí)行方式類似于日常生活中的“同聲翻譯”，應(yīng)用程序源代碼一邊由相應(yīng)語言的解釋器“翻譯”成目標(biāo)代碼，一邊執(zhí)行。解釋器在程序運(yùn)行時(shí)，一次只會(huì)轉(zhuǎn)換并執(zhí)行一條語句。在一條語句被執(zhí)行后，解釋器才會(huì)轉(zhuǎn)換到下一條語句，如此循環(huán)直到程序結(jié)束。這種方式效率較低，應(yīng)用程序不能離開其解釋器，但比較靈活，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整、修改應(yīng)用程序。編譯器編譯器在程序執(zhí)行之前，就將程序源代碼“翻譯”成目標(biāo)代碼。編譯器能一次性轉(zhuǎn)換一個(gè)程序中的所有語句，并將生成的目標(biāo)代碼放在新文件中。使用編譯器生成的目標(biāo)程序可以脫離其語言環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行，使用比較方便、效率較高。但如果需要修改應(yīng)用程序，則需要先修改其源代碼，再重新編譯。處理器邏輯微處理器中包含許多個(gè)微型元件，這些元件可分為不同種類的單元。算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicUnit,ALU）是微處理器的執(zhí)行單元，是所有微處理器的核心組成部分。ALU可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。ALU使用寄存器來存放需要處理的數(shù)據(jù)，使用累加器來存放處理結(jié)果?？刂茊卧钦麄€(gè)微處理器的指揮控制中心，負(fù)責(zé)程序的流程管理。它根據(jù)用戶編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令加載到ALU的寄存器并命令A(yù)LU處理。處理器邏輯

處理器邏輯程序啟動(dòng)時(shí)，控制單元的指令指針會(huì)只想第一條指令的內(nèi)存地址，控制單元會(huì)將該地址中的數(shù)據(jù)復(fù)制到它自己的指令寄存器中以獲得相應(yīng)指令；獲取指令后，控制單元會(huì)解釋指令，獲取指定的數(shù)據(jù)或是讓ALU處理；ALU接到控制單元的“開始”信號(hào)時(shí)就處理寄存器中的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果暫時(shí)存放于累加器中；然后，這些數(shù)據(jù)可由累加器發(fā)送到內(nèi)存中或用于另一步處理；ALU執(zhí)行完操作后，控制單元的指令指針會(huì)遞增指向下一條指令的內(nèi)存地址，如此，便完成了一個(gè)指令周期。計(jì)算思維計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。在解決實(shí)際問題時(shí),要利用計(jì)算機(jī)高速的計(jì)算能力,需要考慮以下3個(gè)問題哪些問題能夠被計(jì)算如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算如何高效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算計(jì)算思維的主要思想符號(hào)化思想程序化思想遞歸思想抽象和分解思想計(jì)算思維的主要思想計(jì)算機(jī)之所以能解決復(fù)雜的問題，根本上是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)0和1能將各種運(yùn)算轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)；問題的表示方式是無窮無盡的，用統(tǒng)一的符號(hào)化語言進(jìn)行表示是解決問題的基礎(chǔ)。不管一個(gè)問題多么復(fù)雜，只要它是可計(jì)算的,那么只要將問題的解決過程設(shè)計(jì)成一系列基礎(chǔ)的步驟,之后只需按順序一步步執(zhí)行這些基礎(chǔ)步驟，就能使問題在整體上得到解決，這種解決問題的思想體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中就是程序化思想。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，只要能夠完成每個(gè)基礎(chǔ)步驟，以及實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制基礎(chǔ)步驟組合和執(zhí)行次序的功能，就能解決非常復(fù)雜的問題。

計(jì)算思維的主要