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文檔簡介
第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識與計(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)算思維簡介1.5 本章小結(jié)21.1 概論1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史 1.1.2我國計(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
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
31.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史4
結(jié)繩計(jì)數(shù)數(shù)字文字發(fā)明前算籌商周時(shí)代算盤中國唐代第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器計(jì)算尺1622年,英國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BlaisePascal
機(jī)械式,只能做加法計(jì)算器1673年,德國GottfriedLeibniz
機(jī)械式,加、減、乘、除和開方差分機(jī)1812年,英國CharlesBabbage
分析機(jī)1834年,英國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;(2)運(yùn)算裝置;(3)能對操作順序進(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。
7
阿蘭·圖靈和馮·諾依曼計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人英國科學(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):與同事研制人類第二臺計(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)的問世
1946年,歷史上真正注冊的第一臺計(jì)算機(jī)誕生了,它的名字叫ENIAC。由于它是第一臺注冊專利的計(jì)算機(jī),所以后人就將它公認(rèn)為第一臺計(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
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)器語言匯編語言數(shù)千~數(shù)萬次運(yùn)算/秒科學(xué)計(jì)算二1958-1964晶體管高級語言數(shù)十萬~數(shù)百萬次運(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~數(shù)千萬次運(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、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我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展1958年組裝調(diào)試成功第一臺電子管計(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年研制成第一臺我國自己設(shè)計(jì)的通用電子管計(jì)算機(jī)(107機(jī))1964年我國開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,我國微型計(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月中國國防科技大學(xué)研制成功的中國運(yùn)算速度最快的超級計(jì)算機(jī)“天河一號”。2013年5月,我國研制成功世界上首臺5億億次(50PFlops)超級計(jì)算機(jī)——“天河二號”。2018年11月,新一期全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單在美國達(dá)拉斯發(fā)布,中國超算“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”超級計(jì)算機(jī)13“神威·太湖之光”超級計(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15按綜合性能指標(biāo)分類高性能計(jì)算機(jī)(巨型機(jī)或大型機(jī)):
速度最快(數(shù)萬億次/秒)、處理能力最強(qiáng)。如:NECEarthSimulator,每秒35萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算,峰值40萬億次。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、大容量內(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16按處理數(shù)據(jù)類型分類數(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17按用途分類通用機(jī):面向多種應(yīng)用領(lǐng)域和算法的計(jì)算機(jī)。
專用機(jī):針對某一特定應(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(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、掃描儀等)輸出設(shè)備(顯示器、打印機(jī)等)外存儲(chǔ)器(U盤、光盤、移動(dòng)硬盤等)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)器用來存放數(shù)據(jù)和程序。運(yùn)算器用來完成算術(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)??刂破饔脕砜刂啤⒅笓]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)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識別的信息形式。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…總體來說,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,即讀寫存儲(chǔ)器)和ROM(ReadOnlyMemory,即只讀存儲(chǔ)器)
外存:軟盤、硬盤、光盤和閃存(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、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)軟件分類系統(tǒng)軟件:是指專為計(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)用問題而開發(fā)的軟件。開發(fā)軟件:程序設(shè)計(jì)語言,由計(jì)算機(jī)語言及其翻譯系統(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)專門功能。如:診斷程序負(fù)責(zé)對計(jì)算機(jī)設(shè)備的故障以及對某個(gè)程序中的錯(cuò)誤進(jìn)行檢測、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。開發(fā)軟件36計(jì)算機(jī)語言是指計(jì)算機(jī)能夠理解并據(jù)此執(zhí)行的符號指令體系。根據(jù)人機(jī)對語言的可讀程度分為1.機(jī)器語言(MachineLanguage)2.匯編語言(AssemblyLanguage)3.高級語言(High-LevelLanguage)(1)機(jī)器語言機(jī)器語言就是以二進(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)是指示操作的對象或參數(shù)。機(jī)器語言也被稱為計(jì)算機(jī)低級語言,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)器語言編寫的程序(也稱為機(jī)器語言程序)能被計(jì)算機(jī)直接識別和執(zhí)行,所以計(jì)算機(jī)語言運(yùn)行速度最快。37操作碼
操作數(shù)
機(jī)器語言38例如,計(jì)算A=15+10的機(jī)器語言程序如下: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)器語言隨機(jī)而異,通用性差,是面向機(jī)器的語言。機(jī)器語言優(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)沒有人用機(jī)器語言直接編程了。
(2)匯編語言匯編語言是在機(jī)器語言的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的,它使用符號代替二進(jìn)制代碼來表示指令。匯編語言的優(yōu)點(diǎn)也就在于較機(jī)器語言更容易記憶和學(xué)習(xí)。用匯編語言編寫的程序稱為源程序,源程序經(jīng)過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言就是匯編語言。例:計(jì)算A=15+10的匯編語言程序: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)匯編語言克服了機(jī)器語言難讀等缺點(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)。常用于過程控制等編程。匯編語言面向機(jī)器,使用者需要專業(yè)知識。匯編語言編寫的程序,必須翻譯成機(jī)器語言,才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行。40(3)高級語言高級語言是一種在語句和命令上比較接近人們學(xué)習(xí)習(xí)慣和自然語言(英文)的編程語言。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,并且高級語言不再依賴于某臺計(jì)算機(jī)。例如,計(jì)算A=15+10的BASIC語言程序如下: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)高級語言常用的高級語言有:BASIC(最簡單,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)語言)DBASEIII、FOXBASE、FOXPRO(數(shù)據(jù)庫管理)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蟮母呒壵Z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)用軟件都是針對社會(huì)生活中某一類特定問題使用計(jì)算機(jī)來解決而設(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、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(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)能夠識別和處理的信號都是二進(jìn)制數(shù)字信號。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來表示。2.工作可靠兩種狀態(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.簡化運(yùn)算
二進(jìn)制運(yùn)算法則簡單,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)寫成對應(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)寫成對應(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)語有:1.位:
計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制來表示的,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:CPU中每個(gè)字所包含的二進(jìn)制代碼的位數(shù),稱為字長。字長是衡量計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。字長越長,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.帶符號數(shù)的表示在計(jì)算機(jī)中有符號的數(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)的最高位代表符號位,其余各位是數(shù)的絕對值。符號位若為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)的反碼是對原碼除符號位外各位取反。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
音碼類全拼、雙拼、微軟拼音、自然碼和智能ABC等 形碼類五筆字型法、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)號和位號(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)為一級漢字,3755個(gè),按漢語拼音排列(常用字)
從56-87區(qū)為二級漢字,3008個(gè),按偏旁部首排列。區(qū)號區(qū)中位置區(qū)位碼表(僅漢字)區(qū)位碼表(全部)(3)國標(biāo)碼(GB2312-80)
區(qū)號和位號各加32構(gòu)成國標(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)方式簡單、無需轉(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中的相對位移地址地址碼和機(jī)內(nèi)碼要有簡明的對應(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,一級漢字5401個(gè)、二級漢字7652個(gè),共計(jì)13060個(gè)漢字。1.4 計(jì)算機(jī)思維簡介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,美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)的周以真(JeannetteM.Wing)教授首次對“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)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的,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)問題解決的過程,該過程包括以下特點(diǎn):制定問題,并能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具來幫助解決該問題。要符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)。通過抽象,如模型、仿真等,再現(xiàn)數(shù)據(jù)。通過算法思想(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。將該問題的求解過程進(jìn)行推廣并移植到更廣泛的問題中。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)一條無限長的紙帶TAPE。(2)一個(gè)讀寫頭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。我們在學(xué)習(xí)過程中,應(yīng)逐步養(yǎng)成科學(xué)地抽象問題的習(xí)慣,關(guān)注事務(wù)發(fā)展變化規(guī)律
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