计算机础基概述(理工).pptx

大学计算机基础,第 1 章 绪论,内容提要,1.1 计算机概述1.2 计算机系统组成1.3 计算机数制与编码系统1.4 计算思维与大学计算机基础教育,学习要求,基本要求了解计算机的发展历程、分类、特点及应用；掌握计算机系统的基本组成；掌握计算机中的数制及编码系统；了解计算思维的含义及重要性。重点与难点掌握计算机系统的基本组成；掌握计算机中的数制及编码系统。,学习学时,理论讲授：3学时,1.1计算机概述,计算机的发展计算机的分类计算机的特点计算机的应用计算机应用模式的变迁计算机的发展趋势,机械式计算机,1642年，法国物理学帕斯卡-加法器(世界上第一台)1673年，德国数学家莱布尼兹-乘除法器(四则运算)英国数学家查尔斯巴贝奇计算机之父1822年，设计差分机1834年，设计分析机三部分结构：存储、运算与控制装置齿轮为元件蒸气机为动力有输入、处理、存储、输出及控制五种基本装置,莱布尼兹的计算装置,差分机,分析机,机械计算机,机电式计算机,1941年，德国工程师朱斯设计Z-3计算机世界上第一台通用程序控制计算机采用继电器采用浮点记数法、二进制运算、带存储地址的指令 美国哈佛大学应用数学教授霍华德艾肯1944年，设计Mark-I计算机，部分采用继电器，借助电流进行运算1947年，研制计算机Mark-，全部采用继电器,电子计算机,1942年，爱荷华州立学院数学系教授文森特阿特纳索夫和他的学生贝利设计称为ABC(Atanasoff-Berry Computer)的电子计算机。第一台用电子管为元件、有再生存储功能、能做加法和减法运算的数字计算机。只设计出样机,1946年2月14日，第一台电子计算机在美国通过验收名为ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)的电子数值积分计算机功率为150千瓦，18000多只电子管、10000多只电容器、70000只电阻、1500多个继电器，占地160多平方米，重达30吨5种功能（每秒5000次加法运算、每秒50次乘法运算、能进行平方和立方计算、sin和cos函数数值运算、其他更复杂的计算）应用于弹道计算、天气预报、原子核能、热能点火、风洞试验设计等1955年10月，ENIAC正式退休,最早的计算机1,二个重要人物图灵(Alan Mathison Turing，1912-1954)建立图灵机理论模型定义机器智能的图灵测试奠定了“人工智能”的理论基础 冯诺依曼(Johon Von Neumann，1903-1957)存储程序使用单一处理部件,图灵,冯诺依曼,依据物理元件不同，分四代,计算机的分类,巨型机(supercomputer)也称为超级计算机 小巨型机(minisupercomputer)是小型超级计算机或称桌面型超级计算机 大型主机(mainframe)或称大型计算机(覆盖国内常说的大、中型机)小型机(minicomputer或Minis)工作站(workstation)个人计算机(personal computer)就是平常说的微机,计算机的特点,运算速度快运算精度高记忆能力强具有逻辑判断能力存储程序,计算机的应用,科学计算数据处理过程控制计算机辅助系统(计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)/计算机集成制造系统(CIMS)人工智能计算机网络电子商务物联网云计算,计算机应用模式的变迁,单主机计算模式（终端+主机）客户机/服务器计算模式(Client/Server)浏览器/服务器计算模式（Browser/Server）,计算机的发展趋势,五种发展趋势巨型化微型化多媒体化网络化智能化,发展非冯诺依曼结构模式（两个方面）创建新的程序设计语言，即所谓的“非冯诺依曼语言”。采用新的材料和元器件光子计算机 生物计算机（分子计算机）量子计算机,1.2 计算机系统组成,计算机系统组成计算机硬件系统结构计算机的工作过程计算机的软件组成,计算机系统的组成,计算机系统两大组成部分硬件系统软件系统,计算机硬件系统结构,冯.诺依曼原理的基本思想(3个)计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。采用存储程序的方式：程序和数据一样都以二进制的形式存放在存储器中。由指令计数器指明要执行的指令所在的地址，然后执行相应的指令，计算机在程序的控制之下自动工作。,计算机硬件的基本结构 运算器 控制器 内存储器 输入设备 输出设备,硬件基本结构图,计算机工作过程,指令和程序概念指令：计算机所能执行的基本操作命令，由操作码和地址码两部分组成。操作码:用于说明指令的操作类型。地址码:（又叫操作数）用于指明操作数（或操作数的位置）指令系统：一台计算机所能执行的指令的集合。程序：为完成某种工作所编排的指令序列（又叫程序代码）。,计算机执行指令的过程取指令：将要执行的指令从内存中取出并送到CPU分析指令：CPU对取得的指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作执行指令：根据分析的结果，由控制器向各部件发出该操作的控制信号，完成该指令的功能上述步骤完成后，指令计数器加1，准备做下一条指令的取指操作。,计算机软件,软件是各种程序及相关文件的总称软件分类系统软件和应用软件两大类,1.3计算机数制与编码系统,计算机数制转换与运算计算机信息编码,进位计数制,基数在进位计数制中，用一组数字符号来表示数值，这一组数字符号的个数就称为基数。基数是多少，即称为多少进制。例如：十进制数基数是10，共有10个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 进位规则和位权 进位规则：逢N进一（N为基数）位权：处在某一位上的“1”所表示的数值的大小,十进制基数:10。10个数字符号为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 进位规则：逢十进一各位的权：103102101100.10-110-210-3 例如：213.28,二进制基数：2。两个数字符号为 0、1进位规则：逢二进一各位的权：23 22 21 20.2-12-22-3 例：1101.101 相当于十进制的 13.625,十六进制基数：16。16个数字符号为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F进位规则：逢十六进一各位的权：163 162 161 160.16-1 16-2 16-3.例：3AD.C2,十进制、二进制和十六进制数对比表,十进制 二进制 十六进制00000000000001000000010102000000100203000000110304000001000405000001010506000001100607000001110708000010000809000010010910000010100A11000010110B12000011000C13000011010D14000011100E15000011110F160001000010,几种进制数的表示方法二进制数：(1001)2 或 1001B十进制数：(1001）10 或1001D（D可以省略）十六进制数：(1001）16 或1001H示例01011101B、(11011110)2、(101)2 都表示二进制数928、345D、101都表示十进制数9A8H、345H、101H都表示十六进制数,数据的单位基本单位：位(bit)：1位二进制数(最小数据存储单位）字节(Byte)：8 bit(数据存取基本单位）字节(Byte 简写为 B)字长(Word）：X*Byte(数据处理的长度单位）扩充单位及单位之间的换算：1K=1024=210 如：1KB=1024B1M=1024K如：1MB=1024KB1G=1024M如：1GB=1024MB 1T=1024G如：1TB=1024GB,二进制数转换成十进制数方法：按权展开求和示例：(1011.101)2=123+022+121+120+12-1+02-2+12-3=8+0+2+1+0.5+0+0.125=11.625,不同进位制之间的转换,十进制数转换成二进制数方法：整数转换：除 2 取余,商为0为止小数转换：乘 2 取整,小数部分为0或达到所需位数 示例（34.375）10=(?)2,整数部分,34,17,8,4,2,1,0,取余数0,取余数1,取余数0,取余数0,取余数0,取余数1,(34)10=(100010)2,小数部分,.750,取整数0,取整数1,取整数1,1.50,1.00,（34.375）10=(100010.011)2,二进制数转换成十六进制数方法：以小数点为界,向左、向右,每4位为一节，转换为相应的十六进制数。示例 1100 1011.0010 101 B 1100 1011.0010 1010 B C B.2 A 11001011.0010101B=CB.2A H说明:十六进制转二进制则反过来进行,二进制数的算术运算,1+1-10,10+1-11,11+1-100,100-1-11,基本规则加法：逢二进一(0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10)减法：借一当二,二进制数的逻辑运算,逻辑数据的表示：逻辑量的取值只有两个：真与假、对与错、是与非、有与无。二进制数的一个位也只有两个取值：0与1。如果假设“0”代表逻辑“假”、“1”代表逻辑“真”，那么存储在计算机中的位就能代表逻辑值真或假。逻辑运算：逻辑运算可以对1个或2个位进行操作生成1个位。逻辑运算作用在1个位上，就叫做一元运算；逻辑运算作用在2个位上，就叫做二元运算。,一元运算逻辑非（NOT）：对位进行取反操作，即0转换为1，1转换为0。二元运算逻辑与（AND）：当且仅当参与运算的2位都是1时，结果为1，否则结果为0。逻辑或（OR）：当且仅当参与运算的2位都是0时，结果为0，否则结果为1。逻辑异或（XOR）：当且仅当参与运算的2位相同（都是0或都是1）时，结果为0，否则结果为1。,计算机信息编码,数值型数据在计算机中的表示非数值型数据在计算机中的表示西文字符在计算机中的表示中文字符在计算机中的表示,数值型数据在计算机中的表示,带符号数在计算机内的表示实数在计算机内的表示数值型编码,机器数与真值,机器数数值在计算机中的二进制表示形式称为机器数，在计算机内用最高位来表示数的符号，0表示正、1表示负，其他位表示数值。若一个数占8位，则X和Y的带符号数表示形式为：X=+（0010010）2（00010010）2 Y=-（0010010）2（10010010）2,真值由于符号位占据一位，所以机器数的形式值不等于真正的数值。如（10010010）2，由于最高位为1，所以其真正数值不是146，而是-18。因此带符号位的机器数对应的数值称为机器数的真值。无符号数当计算机字长中所有二进制位都用来表示数值时，称其为无符号数。无符号数一般用于全部都是正数运算且不会出现负数的情况下。,原码、反码和补码,为了简化计算机对机器数的算术运算，提高运算速度。就出现了各种编码方法。最常用的有原码、反码和补码。,原码表示方法整数X的原码定义：最高位0表示正、1表示负，数值部分为X的绝对值的二进制表示。通常用X原表示X的原码。例如：+1 原=00000001+127 原=01111111-1 原=10000001-127 原=11111111在原码表示中，0有两种表示形式：+0 原=00000000-0 原=10000000,反码表示方法整数X的反码定义：正数的反码与原码相同；对于负数，符号位为1，数值位为X的绝对值按位取反。通常用X反表示X的反码。例如：+1 反=00000001+127 反=01111111-1 反=11111110-127 反=10000000在反码表示中，0 有两种表示形式：+0 反=00000000-0 反=11111111,补码表示方法整数X的补码定义：正数的补码与原码相同；对于负数，符号位为1，数值位为X的反码加1。通常用X补表示X的补码。例如：+1 补=00000001+127 补=01111111-1 补=11111111-127 补=10000001在补码表示中，0有唯一的编码形式：+0 补=-0 补=00000000,定点数表示,定点整数（也称纯整数）:指小数点位置约定在机器数的最低位之后。定点小数（也称纯小数）：指小数点位置约定在机器数的符号位之后、有效值部分最高位之前。,浮点数表示,浮点数由两部分组成，即尾数和阶码。由于在浮点数表示法中，小数点位置是浮动的，阶码可取不同的值，所以一个实数有多种表示形式。任意二进制规格化浮点数的表示形式为：N=d2p它在计算机中的存储形式为：,单精度格式的阶码占8位，尾数占23位，符号位1位；双精度则有11位阶码，52位尾数和1位符号位。,数值型编码,二进制编码的十进制数-BCD码计算机内部都是用二进制数来表示数据的，除了用上述方法将十进制数转换二进制数之外，还可以用二进制数对十进制数的10个数码进行编码（称为二进制编码的十进制数，也称BCD码）。编码的方法有多种，常用的是8421BCD码。如：(78)10=(1001110)2=（0111 1000）BCD,西文字符在计算机中的表示,广泛使用的西文字符编码方式是ASCII、ANSI、EBCDIC和Unicode。ASCII（美国国家信息交换标准码）是使用最广泛的字符编码方案。标准的ASCII编码使用7个二进制位来表示27个符号（128个符号），包括英文大小写字母、特殊控制字符、数字和标点符号。每个字符占1个字节，最高位为0,中文字符在计算机中的表示,汉字编码标准常见的汉字编码标准有GB2312-80、BIG5和Unicode等，用来将汉字用二进制编码GB231280国标码是1981年我国制定的国家标准汉字交换码规定一个汉字用2个宇节表示。字符集中收录一级汉字3755个，二级汉字3008个，图形符号682个，三项总计7445个。编码与ASCII一致，编码范围2121H7E7EH。所有的汉字及符号分配在一个94行、94列的表格中，表格的每一行称为一个“区”，编号为01区到94区；每一列称为一个“位”，编号为01位到94位。,国标(区位码)：94区94位的方阵,GB231280标准,区位码和国标码关系：国标码=区位码H+2020H,汉字处理过程,输入码用户输入的不是汉字本身，而是汉字代码，统称输入码（或外码）。输入码就是与某种汉字编码方案相应的汉字代码。常用的汉字输入码有拼音、五笔、自然码等。这些输入码，都是用户利用键盘进行汉字输入的一种代码。输入码进入机器后必须转换为机内码进行存贮和处理。,机内码是指在计算机中表示一个汉字的编码。主要用于解决汉字在计算机内的存储、处理和传输问题。计算机使用的汉字内码是在国标码的基础是将每个字节的最高位置为“1”，以区别于机内的ASCII码。国标码和机内码的关系是：机内码=国标码+8080H如汉字久：国标码为 00011110 00100011B（1E23H）机内码为 10011110 10100011B（9EA3H）区位码和机内码的关系是：机内码=区位码+A0A0H,汉字字形码计算机内的汉字需要在屏幕上显示或在打印机上输出时，还需要根据汉字内码检索出相应汉字的字形信息，送到输出设备后得到汉字图形。有点阵式汉字（如图）和矢量汉字两种表示方法。常见点阵有1616、32 32、24 24、128128 汉字点阵越大，分辨率越高，字形越美观。同一个汉字在不同的点阵中占存储空间不同。如：16点阵=16/816=216=32个字节,1.4计算思维与大学计算机基础教育,关于计算思维计算思维与大学计算机基础教育,计算思维,科学与科学思维科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论思维是指人脑对客观事物本质属性和内部规律的间接或概括的反应过程。思维具有概括性、间接性和能动性。思维是高级的心理活动形式。科学思维是人类思维中运用于科学认识活动的部分，即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以反映事物的本质和规律。,科技创新三大思维科学研究有三大基本方法理论、实验和计算科技创新三大思维理论思维、实验思维和计算思维理论思维：理论源于数学，如集合论、混沌理论、图论、数论和概率论等著名的数学理论。理论思维注重推理和演绎，强调结论的严密性。实验思维：通过观察和总结自然规律，强调逻辑自洽，结果可被重视，甚至可预见新的现象。计算思维,计算思维的关键内容计算思维的定义计算思维最具代表的定义是美国卡内基梅隆大学周以真（Jeannette M.Wing）教授2006年3月在美国计算机权威期刊Communications of the ACM杂志上提出的，“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”,计算思维的特征计算思维是概念化的抽象思维，不是程序化思维。计算思维是基本的，不是机械的技能。计算思维是人的思维，不是计算机的思维。计算思维是数学和工程思维的互补与融合。计算思维是思想，不是人造品。计算思维是面向所有的人，所有领域。,计算思维的详细描述 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码的多维分析推广类型检查方法；计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是一种基于关注点分离的方法(Separation of Concerns,简称SoC 方法)；,计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。,计算思维的研究现状在美国，卡内基梅隆大学的专题讨论，美国计算机协会（ACM）、美国国家计算机科学技术教师协会（CSTA）、美国数学研究所（AIM）等组织在内的众多团体的参与。美国人甚至提出，在2050年之后，要让地球上每个公民都具有“计算思维”能力，不具备计算思维能力的人是“计算机盲”。在英国的爱丁堡大学，研讨与探索计算思维。英国计算机学会（BCS）组织了欧洲的专家学者对计算思维进行研讨，提出了欧洲的行动纲领。在中国，陈国良院士、李国杰院士、董荣胜、王飞跃等教授、专家学者在这方面都做了一些有益的探索。,计算思维与大学计算机基础教育,2010年5月，在合肥会议上讨论了培养高素质的研究型人才，“计算机基础”这门课应该包括的内容，如何将计算思维融入到这门课程中。2010年7月，C9（包括北京大学、清华大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、南京大学、中国科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学）高校联盟在西安交通大学举办的首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”，会议发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明，确定了以“计算思维”为核心任务的计算机基础课程教学改革。,2011年6月，在北京“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，有关高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程体系中体现计算思维能力的培养”进行了讨论。2012年8月，在云南会议上研究了计算机教育教学改革的指导思想、培养方案和行动计划，为当前计算机基础课程向计算思维方向改革指明了方向。很多专家、教授发表论文，探讨了计算思维与计算机基础课程相关内容。,