大學(xué)計(jì)算機(jī)-卓越-第1章

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)面向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力培養(yǎng)第1章 信息社會(huì)與計(jì)算思維卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃提綱項(xiàng)目描述2思維方法3知識(shí)和技能第1章 信息社會(huì)與計(jì)算思維1項(xiàng)目1： 信息的表示4拓展與創(chuàng)新項(xiàng)目描述: 使用WinHex軟件查看機(jī)器指令、整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、文本、圖像等多種信息的二進(jìn)制編碼，了解常用信息媒介的表示方法，掌握整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)及文本的編碼方法。項(xiàng)目1 信息的表示認(rèn)識(shí)機(jī)器指令和程序中數(shù)據(jù)的編碼形式掌握整數(shù)和單精度浮點(diǎn)數(shù)的編碼方法認(rèn)識(shí)字符編碼，熟練掌握英文字母、數(shù)字以及常用控制字符的ASCII碼了解多媒體信息的表示方法和信息處理過(guò)程思維方法:借助計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)工具特性解決實(shí)際問(wèn)題；按照“計(jì)算機(jī)的思維方式”進(jìn)行問(wèn)題分析

2、和求解。項(xiàng)目1 信息的表示符號(hào)化：用計(jì)算機(jī)能夠理解的符號(hào)描述現(xiàn)實(shí)世界。 信息數(shù)據(jù)規(guī)則化：用特定的符號(hào)清晰準(zhǔn)確地描述事物的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。 規(guī)則程序自動(dòng)化：由程序指令控制計(jì)算機(jī)的操作。取指令執(zhí)行指令我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻影響著我們的思維能力。 -艾茲格迪科斯徹 計(jì)算是“數(shù)據(jù)”在“運(yùn)算符”的操作下按照“規(guī)則”進(jìn)行演算變換的過(guò)程。如算術(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、微積分、公式推導(dǎo)、定理證明 要解決的具體問(wèn)題數(shù)據(jù) 解決問(wèn)題的方法和步驟計(jì)算規(guī)則計(jì)算機(jī)程序 自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算思維計(jì)算思維（Computational Thinking）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及

3、人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。 -周以真抽象（Abstraction）自動(dòng)化（Automation）信息技術(shù)與信息素養(yǎng)信息社會(huì)（ Information Society ）信息的生產(chǎn)和消費(fèi)，信息技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)和利用、信息產(chǎn)品不斷創(chuàng)造和發(fā)展信息（Information） 是對(duì)社會(huì)、自然界的客觀事物特征、現(xiàn)象、本質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述，其內(nèi)容能通過(guò)某種載體（如符號(hào)、聲音、文字、圖形、圖像等）來(lái)表征和傳播。 微電子通信計(jì)算機(jī)信息技術(shù)（Information Technology）能夠延伸和拓展人的信息功能的技術(shù)（信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、檢索等） 信息素養(yǎng)(Information

4、 Literacy) 是指人們能夠適時(shí)獲取信息，對(duì)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷，并有效利用信息的能力計(jì)算工具演變的思維手指、石子算籌、算盤(pán)計(jì)算尺、圓算尺機(jī)械計(jì)算機(jī)電控計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算機(jī) 現(xiàn)實(shí) 符號(hào)化 規(guī)則化 抽象 自動(dòng)化石子、數(shù)珠、數(shù)字、齒輪、穿孔卡片、電信號(hào)、光磁狀態(tài) 信息的表示信息化：最基礎(chǔ)的工作就是實(shí)現(xiàn)信息與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化首先需要了解人類感知的各種信息在計(jì)算機(jī)中如何表示。 文本、聲音、圖像、動(dòng)畫(huà)、視頻等各種形式的信息編碼方法。數(shù)制 數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、. 基數(shù)：R位權(quán)：Ri 二進(jìn)制 數(shù)碼：0、1 基數(shù)： 2 位權(quán)：2i 例如：1011.01(B)=23+2

5、1+20+2-2 =11.25(D) 十六進(jìn)制數(shù)碼：0、1、9、A、B、C、D、E、F 基數(shù)： 16 位權(quán)：16i 例如：5B.2F (H)=5161+11160+216-1+1516-2 91.18359 (D)數(shù)制二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算減法轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算除法轉(zhuǎn)化為移位運(yùn)算和加法運(yùn)算 左移1位相當(dāng)于乘2，右移1位相當(dāng)于除以2 邏輯運(yùn)算0“假” ，1“真” 電子元件邏輯電路計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制 兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元件計(jì)算機(jī)是由邏輯電路構(gòu)成的 加法運(yùn)算 乘法運(yùn)算 0+0=0 00=01+0=0+1=1 10=01=01+1=10 11=1“與”運(yùn)算 “或”運(yùn)算 “非”運(yùn)算0 0 = 0 0 0 = 0

6、 0 = 10 1 = 0 0 1 = 1 1 = 01 0 = 0 1 0 = 1 1 1 = 1 1 1 = 1數(shù)制轉(zhuǎn)換其他進(jìn)制十進(jìn)制：各位數(shù)值乘以位權(quán)之和十進(jìn)制二進(jìn)制： 整數(shù)部分除2取余數(shù)，小數(shù)部分乘2取整數(shù)；逐位減權(quán)；75.453 - 64=11.453 111.453 32 011.453 16 011.453 8 =3.453 13.453 - 4 03.453 - 2 =1.453 11.453 - 1 =0.453 10.453 -0.5 00.453 -0.25=0.203 175.453（D）1001011.0111001（B）75.453(D)1001011.011100

7、111（B） =113.347（O） =4B.73（H）數(shù)值數(shù)據(jù)的表示機(jī)器數(shù)：二進(jìn)制數(shù)的最高位（左端）為符號(hào)位：0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)；其他位為數(shù)值部分，保存該數(shù)的二進(jìn)制數(shù)值。數(shù)值數(shù)據(jù)：（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼） 原碼的數(shù)值部分保持與其實(shí)際二進(jìn)制值相同,正數(shù)的反碼、補(bǔ)碼都與原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼數(shù)值部分是將其原碼數(shù)值部分按位取反（0變1，1變0）,負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是將其對(duì)應(yīng)的反碼加1。 -168（D）=-10101000（B）10000000 10101000（原碼）11111111 01010111（反碼）11111111 01011000（補(bǔ)碼）00000000 10101000（移碼）補(bǔ)碼特點(diǎn)補(bǔ)

8、碼的零是唯一的（各位全部是0） 補(bǔ)碼的減法可以轉(zhuǎn)化為加法實(shí)現(xiàn) X+Y補(bǔ)X補(bǔ)+Y補(bǔ)X-Y補(bǔ)X補(bǔ)+-Y補(bǔ) 計(jì)算機(jī)中的整數(shù)通常采用補(bǔ)碼編碼加法由加法器實(shí)現(xiàn)，減法是轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼的加法來(lái)運(yùn)算。乘法有乘法器實(shí)現(xiàn)，除法由移位來(lái)實(shí)現(xiàn)。加法器、乘法器都可以由相應(yīng)的邏輯電路實(shí)現(xiàn) 浮點(diǎn)數(shù)的表示IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)中的兩種浮點(diǎn)數(shù)格式：?jiǎn)尉龋?2位）和雙精度（64位）。尾數(shù)用原碼表示，階碼用非標(biāo)準(zhǔn)移碼表示。移碼就是補(bǔ)碼的符號(hào)位取反（0變1，1變0）其余各位不變 S E M31 30 23 22 0S E M63 62 52 51 0單精度浮點(diǎn)數(shù)（4字節(jié)）：符號(hào)S占1位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1階碼E占8位，127為正，102

9、3為正，1023為負(fù)尾數(shù)M占52位，精度達(dá)到252浮點(diǎn)數(shù)符號(hào)位（S）階（E）尾數(shù)（M）十六進(jìn)制編碼123.456正數(shù)E=127+6=133取小數(shù)點(diǎn)右邊的23位010000101111011 0111010010111100142 F6 E9 790.35671負(fù)數(shù)E=1272=125取小數(shù)點(diǎn)右邊的23位10111110101101101010001010110001BE B6 A2 B1字符數(shù)據(jù)的表示字符：字母、數(shù)字符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、運(yùn)算符、圖形符號(hào)、控制符、漢字字符編碼：ASCII碼、擴(kuò)展ASCII碼、UTF-8碼等ASCII碼：占一個(gè)字節(jié)的低7位（27=128） ，最高位平時(shí)不用（一般為0）

10、，僅在數(shù)據(jù)通信時(shí)用作奇偶校驗(yàn)位漢字國(guó)標(biāo)碼、機(jī)內(nèi)碼 ：GB 2312是一個(gè)簡(jiǎn)體中文字符集，由6763個(gè)常用漢字和682個(gè)全角的非漢字字符（字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、圖形）組成大五碼Big5：臺(tái)灣、香港、澳門及其他海外華人地區(qū)，使用的是繁體中文字符集Unicode編碼與UTF-8編碼 ：Unicode統(tǒng)一了各種語(yǔ)言和符號(hào)的編碼方式，但是它的效率不高；UTF-8可以根據(jù)不同的符號(hào)自動(dòng)選擇編碼的長(zhǎng)短，可用1到6個(gè)字節(jié)編碼Unicode字符 多媒體數(shù)據(jù)的表示聲音數(shù)據(jù) 通過(guò)時(shí)間上的離散化（采樣）和振幅上的離散化（量化），就可以將連續(xù)的聲音用二進(jìn)制的位序編碼表示出來(lái) 圖形數(shù)據(jù) 由點(diǎn)、線、多邊形、圓和弧線等元素構(gòu)

11、成的矢量圖(Vector)可通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)描述彩色照片一般使用位圖（Bitmap）來(lái)表示，按行列順序?qū)⒏飨袼氐念伾礡GB用二進(jìn)制編碼即可 時(shí)間上離散的數(shù)值序列tvtv聲音（模擬信號(hào)）采樣量化 01101100000110001101000110110011010011000001110000101101數(shù)字聲音信息編碼計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的所有的數(shù)據(jù)都是以長(zhǎng)長(zhǎng)的0和1的位序列形式構(gòu)成 大多數(shù)的計(jì)算機(jī)文件都帶有一個(gè)文件頭，其中包含一些代碼信息，說(shuō)明文件中數(shù)據(jù)的表示方法。英文：China 01000011 01101000 01101001 01101110 01100001漢字：中國(guó) 11010110

12、 11010000 10111001 11111010 數(shù)值：-378 11111111 11111111 11111110 10000110音樂(lè)：11000001 01001010 01101011 01001010 圖像：10010101 11001010 01001001 01101010 01101000視頻：01000101 00101011 11101001 01001110 01001100編碼有格式的數(shù)據(jù)才能表示出信息 計(jì)算機(jī)信息處理過(guò)程信息獲?。?利用各種輸入設(shè)備、傳感設(shè)備將自然界中的信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。信息識(shí)別、信息轉(zhuǎn)換信息加工： 對(duì)計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字化信息進(jìn)行判

13、別、篩選、分類、排序、比較、分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和研究等一系列操作。專用程序自動(dòng)加工、大眾信息技術(shù)工具加工、智能化信息加工 信息傳輸： 利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息有目的的流動(dòng) 信息存儲(chǔ)： 信息存儲(chǔ)格式、信息存儲(chǔ)介質(zhì)、數(shù)據(jù)保護(hù) 信息檢索： 信息檢索（Information Retrieval）是指信息按一定的方式組織起來(lái)，并根據(jù)信息用戶的需要找出有關(guān)的信息的過(guò)程和技術(shù) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式：主機(jī)型計(jì)算、個(gè)人機(jī)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 高性能計(jì)算（HPC）理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)、高性能計(jì)算科學(xué)，國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心：每年進(jìn)行兩次的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排名 并行計(jì)算 多處理機(jī)并行工作協(xié)同完成同一個(gè)大型任務(wù) 并行計(jì)算需要有

14、高度集成的巨型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和可并行執(zhí)行的應(yīng)用軟件 分布式計(jì)算把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成許多小的部分，然后將它們分配給許多地理上分布的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)得到最終的結(jié)果 計(jì)算技術(shù)的發(fā)展新一代信息技術(shù)云計(jì)算 是由并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算發(fā)展來(lái)的，是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型云計(jì)算的最終目標(biāo)是將計(jì)算、服務(wù)和應(yīng)用作為一種公共設(shè)施提供給公眾，使人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣使用計(jì)算機(jī)資源 軟件即服務(wù)(Software as a Service,SaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service, PaaS)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS) 普適計(jì)算 通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和因特網(wǎng)技術(shù)將這些智能化可計(jì)算設(shè)備連接起來(lái)，形成一個(gè)“以人為中心”的計(jì)算和信息訪問(wèn)服務(wù)環(huán)境，使得人們?cè)谌魏螘r(shí)候、任何地點(diǎn)都能獲得個(gè)性化的服務(wù) 新一代信息技術(shù)大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)（Big data）是一種規(guī)模大到在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類