計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)課件第1章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與計(jì)算思維VIP

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院1主要內(nèi)容1.1 概論1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3 計(jì)算機(jī)數(shù)制與數(shù)據(jù)表示1.4 計(jì)算思維簡(jiǎn)介1.5 本章小結(jié)21.1 概論1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 1.1.2我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1.1.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

1.1.4

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

1.1.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 1.1.6計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

31.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史4

結(jié)繩計(jì)數(shù)數(shù)字文字發(fā)明前算籌商周時(shí)代算盤(pán)中國(guó)唐代第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器計(jì)算尺1622年，英國(guó)WilliamOughtred

手動(dòng)式、減、乘、除、指數(shù)和三角函數(shù)運(yùn)算加法器1642年，法國(guó)BlaisePascal

機(jī)械式，只能做加法計(jì)算器1673年，德國(guó)GottfriedLeibniz

機(jī)械式，加、減、乘、除和開(kāi)方差分機(jī)1812年，英國(guó)CharlesBabbage

分析機(jī)1834年，英國(guó)CharlesBabbage

將毛筆、硯、印章等結(jié)合在一起，形成一套珠算記錄工具。古印加人的結(jié)繩

我國(guó)漢代的琉璃算籌5

查爾斯.巴貝奇

1812年差分機(jī)1834年分析機(jī)

差分機(jī)和分析機(jī)三部分組成：(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)；(2)運(yùn)算裝置；(3)能對(duì)操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。6

HowardAiken博士發(fā)現(xiàn)了查爾斯.巴貝奇的論文,在IBM的支持下，用機(jī)電方式制造了MARKIMARKII和MARKIII是電子計(jì)算機(jī)MARKI計(jì)算機(jī)（1944年）51尺長(zhǎng)重5噸750,000部份合并而成有72個(gè)累加器，每一個(gè)有自己的算術(shù)部件，及23位數(shù)的寄存器。

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阿蘭·圖靈和馮·諾依曼計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人英國(guó)科學(xué)家阿蘭.圖靈主要貢獻(xiàn)：建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論的基礎(chǔ)提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念

電子計(jì)算機(jī)之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)1966年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)主要貢獻(xiàn)：與同事研制人類(lèi)第二臺(tái)計(jì)算機(jī)EDVAC“存儲(chǔ)程序”概念馮·諾依曼計(jì)算機(jī)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世

1946年，歷史上真正注冊(cè)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生了，它的名字叫ENIAC。由于它是第一臺(tái)注冊(cè)專(zhuān)利的計(jì)算機(jī)，所以后人就將它公認(rèn)為第一臺(tái)計(jì)算機(jī)。81946年2月由賓州大學(xué)研制的ENIAC電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)

ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)重達(dá)30噸占地250m2啟動(dòng)功耗150000瓦18000個(gè)電子管每秒5千次加減運(yùn)算沒(méi)有存儲(chǔ)器采用十進(jìn)制計(jì)算機(jī)發(fā)展的四個(gè)階段9時(shí)代年份器件軟件運(yùn)算速度應(yīng)用一

1946-1957電子管機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言數(shù)千～數(shù)萬(wàn)次運(yùn)算／秒科學(xué)計(jì)算二1958-1964晶體管高級(jí)語(yǔ)言數(shù)十萬(wàn)～數(shù)百萬(wàn)次運(yùn)算／秒數(shù)據(jù)處理工業(yè)控制三1965-1970集成電路操作系統(tǒng)、結(jié)化構(gòu)程序設(shè)計(jì)數(shù)百萬(wàn)～數(shù)千萬(wàn)次運(yùn)算／秒文字處理圖形處理四1971年迄今大規(guī)模集成電路數(shù)據(jù)庫(kù)、分時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等

數(shù)億～數(shù)十億次運(yùn)算／秒社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路1.1.2我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展1958年組裝調(diào)試成功第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（103機(jī)）1959年研制成大型通用電子管計(jì)算機(jī)（104機(jī)），1960年研制成第一臺(tái)我國(guó)自己設(shè)計(jì)的通用電子管計(jì)算機(jī)（107機(jī)）1964年我國(guó)開(kāi)始推出第一批晶體管計(jì)算機(jī)，如108、109機(jī)以及320機(jī)等1971年研制成第三代集成電路計(jì)算機(jī)，如150機(jī)。1974年后DJS-130晶體管計(jì)算機(jī)形成了小批量生產(chǎn)。1982年采用大、中規(guī)模集成電路研制成16位的DJS-150機(jī)1983年國(guó)防科技大學(xué)推出向量運(yùn)算速度達(dá)1億次的銀河I型巨型計(jì)算機(jī)。101.1.2我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展1997年銀河III投入運(yùn)行，速度每秒130億次，內(nèi)存容量為9.15GB。20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)微型計(jì)算機(jī)形成大批量、高性能的生產(chǎn)局面，并且發(fā)展迅速，而且還產(chǎn)生了許多我國(guó)自己的知名微型計(jì)算機(jī)品牌，如聯(lián)想等。2009年10月中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制成功的中國(guó)運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”。2013年5月，我國(guó)研制成功世界上首臺(tái)5億億次(50PFlops)超級(jí)計(jì)算機(jī)——“天河二號(hào)”。2018年11月，新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單在美國(guó)達(dá)拉斯發(fā)布，中國(guó)超算“神威·太湖之光”位列第三名。在此之前，“神威·太湖之光”已連續(xù)四次蟬聯(lián)最快計(jì)算機(jī)寶座。1112“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)13“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)1.1.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（1）具有快速運(yùn)算的能力（2）具有邏輯判斷和記憶功能（3）高度的自動(dòng)化（4）通用性強(qiáng)（5）計(jì)算精度高141.1.4計(jì)算機(jī)的分類(lèi)15按綜合性能指標(biāo)分類(lèi)高性能計(jì)算機(jī)（巨型機(jī)或大型機(jī)）：

速度最快(數(shù)萬(wàn)億次/秒)、處理能力最強(qiáng)。如：NECEarthSimulator，每秒35萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，峰值40萬(wàn)億次。工作站：介于PC與小型機(jī)之間高檔微機(jī)系統(tǒng)

高分辨率、大容量?jī)?nèi)外存，圖形功能較強(qiáng)微型計(jì)算機(jī)：體積小、功耗低、成本低、靈活性大。又分為臺(tái)式機(jī)、筆記本及掌上電腦(PDA)等。小型機(jī)：小型機(jī)規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（與上述機(jī)型相比較），價(jià)格便宜，而且通用性強(qiáng)，維修使用方便。計(jì)算機(jī)的分類(lèi)16按處理數(shù)據(jù)類(lèi)型分類(lèi)數(shù)字計(jì)算機(jī):所處理的數(shù)據(jù)是數(shù)字量，處理后的結(jié)果仍以數(shù)字的形式輸出。

混合計(jì)算機(jī):可以接受模擬量或數(shù)字量的運(yùn)算，最后以連續(xù)的模擬量或離散的數(shù)字量為輸出結(jié)果模擬計(jì)算機(jī):所處理的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，稱為模擬量機(jī)。

計(jì)算機(jī)的分類(lèi)17按用途分類(lèi)通用機(jī):面向多種應(yīng)用領(lǐng)域和算法的計(jì)算機(jī)。

專(zhuān)用機(jī):針對(duì)某一特定應(yīng)用領(lǐng)域或面向某種算法而研制的計(jì)算機(jī)，如：工業(yè)控制機(jī)等。

1.1.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域（1）科學(xué)計(jì)算（2）信息處理（3）過(guò)程控制（4）計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（5）通信與網(wǎng)絡(luò)（6）人工智能181.1.6計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)（1）巨型化（2）微型（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）多媒體化（5）智能化（6）新型化191.2 計(jì)算機(jī)的組成1.2.1 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1.1.2 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

1.1.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

1.1.4 計(jì)算機(jī)的維護(hù)

201.2.1計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理21系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為：硬件+軟件硬件軟件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成22計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主機(jī)中央處理器運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器主板外部設(shè)備輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、掃描儀等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)等）外存儲(chǔ)器（U盤(pán)、光盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等）軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件（Windows、Unix、Ubantu等）應(yīng)用軟件（Office、PS、游戲軟件、教學(xué)輔助軟件等）計(jì)算機(jī)的五大部件23馮·諾依曼結(jié)構(gòu)圖：

五大基本模塊二進(jìn)制運(yùn)算器為中心計(jì)算機(jī)的五大部件24現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖：

五大基本模塊二進(jìn)制存儲(chǔ)器為中心計(jì)算機(jī)的五大部件25存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)。控制器用來(lái)控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果。輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識(shí)別的信息形式。輸出設(shè)備可以將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式。1.2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)26主機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中央處理器主板存儲(chǔ)器…總體來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)硬件包括主機(jī)和外設(shè)外設(shè)1.中央處理器（CPU）27處理器控制器運(yùn)算器控制整個(gè)計(jì)算機(jī)所有部件的工作執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算主要性能指標(biāo)：字長(zhǎng)和主頻。2.主板2829精英P55主板3.存儲(chǔ)器30圖存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，每個(gè)記憶單元由8位二進(jìn)制位組成，可讀寫(xiě)其中的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器通常分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器內(nèi)存：RAM（RandomAccessMemory，即讀寫(xiě)存儲(chǔ)器）和ROM（ReadOnlyMemory，即只讀存儲(chǔ)器）

外存：軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)和閃存（FlashMemory）

存放大量信息的外存儲(chǔ)器信息交流中心內(nèi)存儲(chǔ)器3.存儲(chǔ)器31每個(gè)記憶單元由8位二進(jìn)制位組成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字節(jié)BYTE76543210位Bit4.輸入輸出設(shè)備32常用輸入設(shè)備：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀、音頻輸入設(shè)備、視頻輸入設(shè)備等。常用輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、等。1.2.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)33

計(jì)算機(jī)軟件分類(lèi)系統(tǒng)軟件：是指專(zhuān)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身配置的用于管理、操縱和維護(hù)計(jì)算機(jī)使其正常高效運(yùn)行的各種軟件。是計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行不可缺少的軟件。應(yīng)用軟件：為解決某個(gè)應(yīng)用問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的軟件。開(kāi)發(fā)軟件：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，由計(jì)算機(jī)語(yǔ)言及其翻譯系統(tǒng)組成。系統(tǒng)軟件34（1）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行的必要軟件，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源的分配、調(diào)度、輸入/輸出控制和數(shù)據(jù)管理等基本工作，使計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)高效地運(yùn)行。沒(méi)有OS的支持，任何軟件都不能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置系統(tǒng)軟件35（2）實(shí)用程序?qū)嵱贸绦颍║tilityPrograms）又稱為服務(wù)程序（ServicePrograms）是指支持和維護(hù)計(jì)算機(jī)正常處理工作的每一種軟件。這些程序在計(jì)算機(jī)軟硬件管理工作中執(zhí)行某個(gè)專(zhuān)門(mén)功能。如：診斷程序負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的故障以及對(duì)某個(gè)程序中的錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)、辨認(rèn)和定位以便操作者排除和糾正，除此之外，還有追蹤程序、輸入輸出程序、監(jiān)督和管理程序、調(diào)試程序等。開(kāi)發(fā)軟件36計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是指計(jì)算機(jī)能夠理解并據(jù)此執(zhí)行的符號(hào)指令體系。根據(jù)人機(jī)對(duì)語(yǔ)言的可讀程度分為1.機(jī)器語(yǔ)言（MachineLanguage）2.匯編語(yǔ)言（AssemblyLanguage）3.高級(jí)語(yǔ)言（High-LevelLanguage）（1）機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言就是以二進(jìn)制代碼形式表示的機(jī)器指令的集合。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都配有自己的指令集合（即指令系統(tǒng)）。指令是指示計(jì)算機(jī)進(jìn)行某種操作的命令。如應(yīng)在什么地方提取數(shù)據(jù)、進(jìn)行什么運(yùn)算、結(jié)果存放在什么地方等等。因此，一條指令通常包括操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼表示這條指令執(zhí)行何種操作，而操作數(shù)是指示操作的對(duì)象或參數(shù)。機(jī)器語(yǔ)言也被稱為計(jì)算機(jī)低級(jí)語(yǔ)言，因?yàn)樗臋C(jī)器指令全都是由0和1這些二進(jìn)制碼組合而成的，因此用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序（也稱為機(jī)器語(yǔ)言程序）能被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別和執(zhí)行，所以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言運(yùn)行速度最快。37操作碼

操作數(shù)

機(jī)器語(yǔ)言38例如，計(jì)算A=15+10的機(jī)器語(yǔ)言程序如下：1011000000001111 ：把15放入累加器A中0010110000001010 ：10與累加器A的值相加，結(jié) 果仍放入A中11110100 ：結(jié)束，停機(jī)編程工作量大，難學(xué)、難記、難修改，只適合專(zhuān)業(yè)人員使用；由于不同的計(jì)算機(jī)，其指令系統(tǒng)不同，機(jī)器語(yǔ)言隨機(jī)而異，通用性差，是面向機(jī)器的語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)：程序代碼不需要翻譯，所占空間少，執(zhí)行速度快?，F(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有人用機(jī)器語(yǔ)言直接編程了。

（2）匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言是在機(jī)器語(yǔ)言的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，它使用符號(hào)代替二進(jìn)制代碼來(lái)表示指令。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)也就在于較機(jī)器語(yǔ)言更容易記憶和學(xué)習(xí)。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序稱為源程序，源程序經(jīng)過(guò)匯編程序的加工和翻譯后成為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的目標(biāo)程序。39（2）匯編語(yǔ)言例如:用ADD表示加、SUB表示減、JMP表示程序跳轉(zhuǎn)等等，這種指令助記符的語(yǔ)言就是匯編語(yǔ)言。例:計(jì)算A=15+10的匯編語(yǔ)言程序：MOV A，15 ：把15放入累加器A中ADD A，10 ：10與累加器A相加，結(jié)果存入A中HLT ：結(jié)束，停機(jī)匯編語(yǔ)言克服了機(jī)器語(yǔ)言難讀等缺點(diǎn)，保持了其編程質(zhì)量高，占存儲(chǔ)空間少，執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。常用于過(guò)程控制等編程。匯編語(yǔ)言面向機(jī)器，使用者需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)。匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行。40（3）高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言是一種在語(yǔ)句和命令上比較接近人們學(xué)習(xí)習(xí)慣和自然語(yǔ)言（英文）的編程語(yǔ)言。另外它的運(yùn)算符和算式也與數(shù)學(xué)中的用法很接近。這些都使人們易學(xué)、易用和易記，并且高級(jí)語(yǔ)言不再依賴于某臺(tái)計(jì)算機(jī)。例如，計(jì)算A=15+10的BASIC語(yǔ)言程序如下：A=15+10 ‘15與10相加的結(jié)果放入A中PRINTA ‘輸出AEND ‘程序結(jié)束41（3）高級(jí)語(yǔ)言常用的高級(jí)語(yǔ)言有：BASIC（最簡(jiǎn)單，適合初學(xué)者使用）FORTRAN（適合于科學(xué)計(jì)算）C（應(yīng)用于系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)等）COBOL（適合于商業(yè)、經(jīng)濟(jì)管理）PASCAL（結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）DBASEIII、FOXBASE、FOXPRO（數(shù)據(jù)庫(kù)管理）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在又出現(xiàn)了許多基于面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言。如DELPHI、C++、PB、PHP、Java、C#、ObjectiveC、python等等。42應(yīng)用軟件43應(yīng)用軟件（ApplicationSoftware）是指為了讓計(jì)算機(jī)應(yīng)用到社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域之中（即將人類(lèi)社會(huì)生活中的某些事務(wù)交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理）所設(shè)計(jì)編制出的一些程序或軟件產(chǎn)品。所有應(yīng)用軟件都是針對(duì)社會(huì)生活中某一類(lèi)特定問(wèn)題使用計(jì)算機(jī)來(lái)解決而設(shè)計(jì)的一組程序。如：﹡讓計(jì)算機(jī)從事文字工作的字處理應(yīng)用軟件，

﹡從事印刷排版工作的排版軟件，

﹡從事輔助教學(xué)（ComputerAssistedInstruction，CAI）工作的CAI軟件，﹡

輔助工程設(shè)計(jì)（Computer-AidedDesign，CAD）和制造（Computer-AidedManufacturing，CAM）的CAD和CAM軟件

﹡從事各種信息管理（ManagementInformationSystem，MIS）工作的MIS軟件等。1.2.4計(jì)算機(jī)維護(hù)電腦的外部連接：（1）主機(jī)與顯示器的連接；（2）鍵盤(pán)、鼠標(biāo)與主機(jī)的連接；（3）音箱等設(shè)備與主機(jī)的連接；（4）機(jī)箱、顯示器、音箱等電源線的連接。（5）各類(lèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接。原則：1.首先插頭和插座形狀匹配

2.形狀匹配的情況下進(jìn)行顏色匹配。4445電源鼠標(biāo)鍵盤(pán)CRT顯示器打印機(jī)網(wǎng)線音箱麥克風(fēng)串口：接調(diào)制解調(diào)器等視頻采集Usb:接U盤(pán)等LCD顯示器Linein:接音響設(shè)備的Lineout46461.2.4計(jì)算機(jī)的維護(hù)1．日常保養(yǎng)2．硬件維護(hù)3．人工診斷：直接觀察法插拔法試探法交換法4．自動(dòng)診斷（程序診斷）5．軟件維護(hù)6．工具軟件471.3 計(jì)算機(jī)的數(shù)制481.3.1 數(shù)制概述

1.3.2 數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

1.3.3 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

1.3.4數(shù)據(jù)與信息的表示1.3.1

數(shù)制概述49

生活中我們常用的十進(jìn)制數(shù)，實(shí)際上是一種各位帶權(quán)的編碼678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-2N=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-mr進(jìn)制數(shù)N可表示為：推廣之，一個(gè)R進(jìn)制數(shù)可用

r個(gè)基本符號(hào)（例如0，1，2，…，r-1）表示數(shù)值?；鶖?shù)權(quán)數(shù)碼50

計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理的信號(hào)都是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制是逢二進(jìn)一的數(shù)字表示方法，原因有四點(diǎn)：1．電路簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)是由邏輯電路組成的，邏輯電路通常只有兩個(gè)狀態(tài)。如：開(kāi)關(guān)的“通”和“斷”，電壓的“高”和“低”。這兩種狀態(tài)正好用二進(jìn)制的0和1來(lái)表示。2．工作可靠?jī)煞N狀態(tài)電路表示兩個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)字傳輸和處理不容易出錯(cuò)，因而電路更加可靠。3．簡(jiǎn)化運(yùn)算

二進(jìn)制運(yùn)算法則簡(jiǎn)單，便于用邏輯電路實(shí)現(xiàn)。如一位二進(jìn)制加法運(yùn)算法則只有4條：

0+0=00+1=11+0=11+1=0(進(jìn)位)

而一位十進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算法則有100條。4．邏輯性強(qiáng)計(jì)算機(jī)工作原理是建立在邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)上的，邏輯代數(shù)是邏輯運(yùn)算的理論依據(jù)。二進(jìn)制只有兩個(gè)數(shù)碼，正好代表邏輯代數(shù)的“true（真）”和“false（假）”。

1.3.2數(shù)制間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010511．十進(jìn)制與二進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)：以2為基數(shù)按權(quán)展開(kāi)并相加。二進(jìn)制數(shù)用(N)2表示。如：(0)2，(1)2，(10)2，(101)2等。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)常用公式：

Mn×2n-1+Mn-1×2n-2....M2×21+M1×20

其中：M為每位二進(jìn)制數(shù)(0或1)，N為二進(jìn)制位數(shù)。例：求(1101.101)2的等值十進(jìn)制數(shù)。(1101.101)2

=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=8+4+0+1+0.5+0+0.125=(13.625)10

521．十進(jìn)制與二進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換（2）十進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)：整數(shù)部分和小數(shù)部分分別用不同的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用的是:除以2取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)從右到左排列。

小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用的是:乘以2取整數(shù)，整數(shù)從左到右排列。53例：把(13.625)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。54提示：在小數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，有些十進(jìn)制小數(shù)不能轉(zhuǎn)換為有限位的二進(jìn)制小數(shù)，則只有用近似值表示。例：(0.57)10不能用有限位二進(jìn)制表示，如果求6位小數(shù)近似值，則得(0.57)10≈(0.100100)22．十進(jìn)制與八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換八進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)：以8為基數(shù)按權(quán)展開(kāi)并相加。(125.5)8=1x82+2x81+5x80+5x8-1

=64+16+5+0.625=85.625552．十進(jìn)制與八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)→八進(jìn)制數(shù)：整數(shù)部分，除8取余；小數(shù)部分，乘8取整。(212.54)10：

(212.52)10≈324.41256212826…..483…..2…..308整數(shù)部分0.524.16…..4…..1…..2小數(shù)部分x8x81.28x82.243．十進(jìn)制與十六進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制數(shù)→十進(jìn)制數(shù)：以16為基數(shù)按權(quán)展開(kāi)并相加。十進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)：整數(shù)部分，除16取余；小數(shù)部分，乘16取整。574．二進(jìn)制與八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制數(shù)→八進(jìn)制數(shù)：二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)所采用的轉(zhuǎn)換原則是：“三位并一組”，即以小數(shù)點(diǎn)為界，整數(shù)部分從右向左每3位為一組，若最后一組不足3位，則在最高位前面添0補(bǔ)足3位，然后將每組中的二進(jìn)制數(shù)按權(quán)相加得到對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制數(shù)；小數(shù)部分從左向右每3位分為一組，最后一組不足3位時(shí)，尾部用0補(bǔ)足3位，然后按照順序?qū)懗雒拷M二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制數(shù)即可。例：把(1101001.1011)2轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。

(1101001.1011)2=(001)(101)(001).(101)(100)=(151.54)8584．二進(jìn)制與八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換（2）八進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)：八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換原則是：“一位拆三位”，即把一位八進(jìn)制數(shù)寫(xiě)成對(duì)應(yīng)的3位二進(jìn)制數(shù)，然后按順序連接即可。例：把(166.47)8轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)(166.47)8=(1)(6)(6).(4)(7)=(001)(110)(110).(100)(111)2(166.47)8=(1110110.100111)2595．二進(jìn)制與十六進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)→十六進(jìn)制數(shù)：轉(zhuǎn)換原則是——“四位并一體”。十六進(jìn)制數(shù)→二進(jìn)制數(shù)：十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換原則是：“一位拆四位”，即把一位十六進(jìn)制數(shù)寫(xiě)成對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)，然后按順序連接即可。例：把(5D.7A4)16轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

(5D.7A4)16=(0101)(1101).(0111)(1010)(0100)=(1011101.0111101001)260快速數(shù)制轉(zhuǎn)換開(kāi)始——所有程序——附件——計(jì)算器——查看——程序員缺點(diǎn)：暫不能轉(zhuǎn)換小數(shù)位611.3.3

二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算——算術(shù)運(yùn)算

621.二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算:逢二進(jìn)一

2.二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算:借一當(dāng)二

加法運(yùn)算法則0+0=00+1=1+0=11+1=0

1101+111011011減法運(yùn)算法則0-0=1-1=01-0=10-1=111011-11101101633.二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算乘法運(yùn)算法則0×0=00×1=1×0=01×1=1減法運(yùn)算法則0÷0=00÷1=01÷1=11101×1010000011010000+11011000001010110111110111011111110111004.二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算1.3.3二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

——邏輯運(yùn)算641.邏輯非運(yùn)算

邏輯非的真值表 AF=A01102.邏輯與運(yùn)算

邏輯與的真值表 ABF=A×B000010100111ABA⊕B000011101110653.邏輯或運(yùn)算

邏輯或的真值表ABF=A+B0000111011114．邏輯異或運(yùn)算

邏輯異或的真值表1.3.4 數(shù)據(jù)與信息的表示661.數(shù)據(jù)單位2.帶符號(hào)數(shù)的表示3.帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)的表示4.信息表示1.數(shù)據(jù)的單位67

計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算時(shí)，通常要涉及的單位和術(shù)語(yǔ)有：1．位：

計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制來(lái)表示的，一個(gè)二進(jìn)制代碼稱為一位，記為bit。位是計(jì)算機(jī)中最小的信息單位。2．字節(jié)：

將八位二進(jìn)制代碼為一個(gè)單元存放在一起，稱為一個(gè)字節(jié)，記為Byte。字節(jié)是計(jì)算機(jī)中最基本的存儲(chǔ)單位。3．字：

一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)信息稱為一個(gè)字。字是計(jì)算機(jī)信息交換、處理、存儲(chǔ)的基本單元。4．字長(zhǎng)：CPU中每個(gè)字所包含的二進(jìn)制代碼的位數(shù)，稱為字長(zhǎng)。字長(zhǎng)是衡量計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)所包含的位數(shù)越多，精度越高。5．指令指揮計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種基本操作的命令稱為指令。一條指令規(guī)定一種操作，由一系列有序指令組成的集合稱為程序。6．容量容量是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)能力常用的一個(gè)名詞，主要指存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)信息的字節(jié)數(shù)。常用的容量單位是B、KB、MB、GB、TB，它們之間的換算關(guān)系是：1KB=1024B，1MB=1024KB，

1GB=1024MB，1TB=1024GB。682.帶符號(hào)數(shù)的表示在計(jì)算機(jī)中有符號(hào)的數(shù)字有三種表示方法：原碼、反碼和補(bǔ)碼。（1）原碼表示法用機(jī)器數(shù)的最高位代表符號(hào)位，其余各位是數(shù)的絕對(duì)值。符號(hào)位若為0，則表示正數(shù)，若為1，則表示負(fù)數(shù)。例如：X=+1001010Y=-1001010

則[X]原=01001010[Y]原=11001010（2）反碼表示法正數(shù)的反碼和原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是對(duì)原碼除符號(hào)位外各位取反。例如：[X]反=01001010[Y]反=10110101（3）補(bǔ)碼表示法正數(shù)的補(bǔ)碼和原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是該數(shù)的反碼加1。例如：[X]補(bǔ)=01001010[Y]補(bǔ)=10110110693.帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)的表示（1）定點(diǎn)數(shù)將小數(shù)點(diǎn)的位置固定的數(shù)稱為定點(diǎn)數(shù)。它又區(qū)分為定點(diǎn)純整數(shù)和定點(diǎn)純小數(shù)。

定點(diǎn)純整數(shù)就是將小數(shù)點(diǎn)固定在機(jī)器數(shù)的最低位之后，n位定點(diǎn)純整數(shù)表示的數(shù)值范圍是：

—（2n-1－1）~(2n-1－1)；

70S小數(shù)點(diǎn)定點(diǎn)純小數(shù)是指把小數(shù)點(diǎn)固定在符號(hào)位之后，n位定點(diǎn)純整數(shù)表示的數(shù)值范圍是：—（1－2－(n-1)）~(1－2－(n-1))71S小數(shù)點(diǎn)72110.011(B)=1.10011×2+10=11001.1×2-10=0.110011×2+11階碼數(shù)符階符尾數(shù)1100110011N=數(shù)符

尾數(shù)

2階符

階碼尾數(shù)的位數(shù)決定數(shù)的精度階碼的位數(shù)決定數(shù)的范圍規(guī)格化的形式：尾數(shù)的絕對(duì)值大于等于0.1并且小于1，從而唯一地規(guī)定了小數(shù)點(diǎn)的位置。

定點(diǎn)整數(shù)定點(diǎn)小數(shù)（2）浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置可以變動(dòng)的數(shù)。這種表示方法類(lèi)似于十進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法，它增加了數(shù)值的表示范圍，有效的防止了溢出的發(fā)生。4.信息編碼十進(jìn)制BCD碼00000100012001030011401005010160110701118100091001731）．BCD（Binary-CodedDecimal）碼將十進(jìn)制的0～9這十個(gè)數(shù)字分別用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的編碼就稱為BCD碼。2）.ASCII碼(7位

)0000010100111001011101110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010SRXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYIy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N^n~1111SIUS/?O_oDEL74b7b6b5

b4b3b2b1

3）．漢字編碼75(1)漢字輸入碼

音碼類(lèi)全拼、雙拼、微軟拼音、自然碼和智能ABC等 形碼類(lèi)五筆字型法、鄭碼輸入法等。(2)區(qū)位碼將漢字分成若干個(gè)區(qū)，每區(qū)中有94個(gè)漢字。由區(qū)號(hào)和位號(hào)（區(qū)中的位置）構(gòu)成區(qū)位碼。例：“中”位于第54區(qū)48位，區(qū)位碼為5448。

“華”位于第27區(qū)10位，區(qū)位碼為2710。從16-55區(qū)為一級(jí)漢字，3755個(gè)，按漢語(yǔ)拼音排列(常用字)

從56-87區(qū)為二級(jí)漢字，3008個(gè)，按偏旁部首排列。區(qū)號(hào)區(qū)中位置區(qū)位碼表(僅漢字)區(qū)位碼表(全部)(3)國(guó)標(biāo)碼(GB2312－80)

區(qū)號(hào)和位號(hào)各加32構(gòu)成國(guó)標(biāo)碼。

中:54488680華：

27105942(4)機(jī)內(nèi)碼

每個(gè)漢字占兩個(gè)字節(jié)。將國(guó)標(biāo)碼的每個(gè)字節(jié)的最高位的0變?yōu)?，形成的碼叫機(jī)內(nèi)碼。漢字在設(shè)備或信息處理系統(tǒng)內(nèi)部最基本的表達(dá)形式。漢字國(guó)標(biāo)碼漢字內(nèi)碼

中

8680D6D0(0101011001010000)B (1101011011010000)B

華

5942BBAA5942(0011101100101010)B (1011101110101010)B

76漢字字形編碼77(5)漢字字形碼點(diǎn)陣：漢字字形點(diǎn)陣的代碼

有16×16、24×24、32×32、48×48等編碼、存儲(chǔ)方式簡(jiǎn)單、無(wú)需轉(zhuǎn)換直接輸出放大后產(chǎn)生的效果差矢量：存儲(chǔ)的是描述漢字字形的輪廓特征

矢量方式特點(diǎn)正好與點(diǎn)陣相反（6）漢字地址碼每個(gè)漢字字形碼在漢字字庫(kù)中的相對(duì)位移地址地址碼和機(jī)內(nèi)碼要有簡(jiǎn)明的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系7879組平面行

字位最高位為0基本多文種平面（BMP）：0組0平面，包含字母、音節(jié)及表意文字等。例如：‘A’ 41H(ASCII) 00000041H(UCS) ‘大’ 3473H(GB2312) 00005927H(UCS(6)其他漢字編碼UCS碼、Unicode碼、GBK碼、BIG5碼等

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：通用多八位編碼字符集UCS(UniversalCodeSet)世界各種文字的統(tǒng)一的編碼方案，一個(gè)字符占4個(gè)字節(jié)。分為：其他漢字編碼80Unicode碼

另一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：采用雙字節(jié)編碼統(tǒng)一地表示世界上的主要文字。其字符集內(nèi)容與UCS的BMP相同。

GBK碼

GBK等同于UCS的新的中文編碼擴(kuò)展國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2字節(jié)表示一個(gè)漢字第一字節(jié)從81H~FEH，最高位為1；第二字節(jié)從40H~FEH，第二字節(jié)的最高位不一定是1。

BIG5編碼臺(tái)灣、香港地區(qū)普遍使用的一種繁體漢字的編碼標(biāo)準(zhǔn)，包括440個(gè)符號(hào)，一級(jí)漢字5401個(gè)、二級(jí)漢字7652個(gè)，共計(jì)13060個(gè)漢字。1.4 計(jì)算機(jī)思維簡(jiǎn)介811.4.1科學(xué)思維與計(jì)算思維1.4.2 計(jì)算機(jī)學(xué)科中蘊(yùn)涵的計(jì)算思維

1.4.3 計(jì)算思維與其他學(xué)科的關(guān)系

1.4.1科學(xué)思維與計(jì)算思維

科學(xué)思維理論思維（TheoreticalThinking）理論思維又稱邏輯思維，是以推理和演繹為特征的推理思維，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表；實(shí)驗(yàn)思維（ExperimentalThinking）實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，是以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征的，以物理學(xué)科為代表；計(jì)算思維（ComputationalThinking）計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。821.4.1科學(xué)思維與計(jì)算思維科學(xué)思維的含義和重要性在于它反映的是事物的本質(zhì)和規(guī)律。科學(xué)思維三個(gè)基本原則：在邏輯上要求嚴(yán)密的邏輯性，達(dá)到歸納和演繹的統(tǒng)一；在方法上要求辯證地分析和綜合兩種思維方法；在體系上，實(shí)現(xiàn)邏輯與歷史的一致，達(dá)到理論與實(shí)踐的具體的歷史的統(tǒng)一。2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的周以真（JeannetteM.Wing）教授首次對(duì)“計(jì)算思維”做了界定。周以真認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為的，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)。831.4.1科學(xué)思維與計(jì)算思維國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）于2011年給計(jì)算思維做了一個(gè)可操作性的定義，即計(jì)算思維是一個(gè)問(wèn)題解決的過(guò)程，該過(guò)程包括以下特點(diǎn)：制定問(wèn)題，并能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具來(lái)幫助解決該問(wèn)題。要符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)。通過(guò)抽象，如模型、仿真等，再現(xiàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)算法思想（一系列有序的步驟），支持自動(dòng)化的解決方案。分析可能的解決方案，找到最有效的方案，并且有效結(jié)合這些步驟和資源。將該問(wèn)題的求解過(guò)程進(jìn)行推廣并移植到更廣泛的問(wèn)題中。841.4.2計(jì)算機(jī)學(xué)科中蘊(yùn)涵的計(jì)算思維851.圖靈機(jī)與可計(jì)算性——模式化、抽象化思維2.馮·諾依曼結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)化、分治化思維3.算法與編程——流程化、自動(dòng)化思維4.計(jì)算機(jī)類(lèi)工程師的計(jì)算思維861．圖靈機(jī)與可計(jì)算性——模式化、抽象化思維圖靈機(jī)由以下幾個(gè)部分組成：（1）一條無(wú)限長(zhǎng)的紙帶TAPE。（2）一個(gè)讀寫(xiě)頭HEAD。（3）一套控制規(guī)則TABLE。（4）一個(gè)狀態(tài)寄存器。圖靈機(jī)是關(guān)于計(jì)算機(jī)的抽象模型。首先提煉可計(jì)算性的一般規(guī)律，然后通過(guò)抽象，剝?nèi)ナ聞?wù)不重要的方面而關(guān)注實(shí)質(zhì)內(nèi)容，從而把復(fù)雜事務(wù)變得非常清晰。我們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)逐步養(yǎng)成科學(xué)地抽象問(wèn)題的習(xí)慣，關(guān)注事務(wù)發(fā)展變化規(guī)律