計算機導(dǎo)論 課件 第1、2章 計算機概述、數(shù)據(jù)表示與編碼

計算機導(dǎo)論教師：第1章計算機概述01目錄CONTENTS1計算機的誕生與發(fā)展2計算機的分類3計算機的特征4計算機的應(yīng)用5計算機的發(fā)展趨勢6計算機思維本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解計算機的發(fā)展歷史 掌握計算機的分類、特點及應(yīng)用 理解計算思維的定義、基本特征及應(yīng)用 了解計算機學(xué)科體系結(jié)構(gòu)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)計算機的誕生與發(fā)展計算思維計算機發(fā)展趨勢計算機的應(yīng)用與發(fā)展計算機的分類與特點

計算機概述計算機的誕生20世紀(jì)上半葉，隨著艾倫·圖靈提出圖靈機模型，第一臺通用電子計算機問世，以及馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的提出，為現(xiàn)代電子計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圖靈機ENIAC馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

計算機的誕生圖靈機

計算機的誕生基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的過程，圖靈機雖然簡單，但極其強大，它能模擬計算機的所有計算行為，現(xiàn)代電子計算機都是基于圖靈機思想設(shè)計的，圖靈機的出現(xiàn)為計算機的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。艾倫·麥席森·圖靈ENIAC

計算機的誕生世界上第一臺通用計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，電子數(shù)字積分計算機）于1946年2月在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，發(fā)明者是美國人莫克利和艾克特。當(dāng)時正處于第二次世界大戰(zhàn)期間，美國國防部用它來進(jìn)行彈道計算，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

計算機的誕生

馮·諾依曼型計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。馮·諾依曼第一代電子管計算機第二代晶體管計算機

計算機的發(fā)展第三代集成電路計算機第四代大規(guī)模集成電路計算機第五代新一代計算機

計算機的發(fā)展巨型機1234大型機小型機

微型機巨型機、大型機、小型機、微型機和嵌入式計算機計算機的分類根據(jù)計算機的規(guī)模、性能、用途等因素分類

嵌入式計算機5中國超級計算機神威太湖之光

（每秒12.5億億次浮點運算)2019年排名第3的超級計算機IBM大型計算機Dell微型機

運算速度快計算精確度高具有記憶和邏輯判斷能力自動化程度高計算機的特點隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計算機主要具有以下特點。。5可靠性高電子商務(wù)多媒體應(yīng)用過程控制科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理計算機輔助應(yīng)用計算機的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用人工智能單主機計算模式瀏覽器/服務(wù)器計算模式客戶/服務(wù)器計算模式云計算模式計算模式的發(fā)展計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化專用化多媒體化未來新型計算機超導(dǎo)計算機量子計算機DNA（脫氧核糖核酸）計算機光計算機納米計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機計算思維是由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年首次提出的。她認(rèn)為，計算思維是指運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為，它涵蓋了計算機科學(xué)的一系列思維活動。計算思維是一種建立在計算機科學(xué)概念基礎(chǔ)上的思維方式，它不局限于計算機。說到底計算機只是一種工具，這種工具的偉大之處在于它促使人們借此發(fā)展了思考問題的方式。計算思維的定義計算思維的基本特征

計算思維是概念化的，而不是程序化的

計算思維是根本技能，不是刻板技能。

計算思維是人的思維方式，不是計算機的思維方式。計算思維是數(shù)學(xué)思維和工程思維的互補與融合。計算思維是一種思維方式，而不僅僅是人造物。擴(kuò)展閱讀世界上第一位女程序員大家知道，世界上第一位女程序員是誰嗎？她就是19世紀(jì)英國一位成就卓著的數(shù)學(xué)家，浪漫派詩人拜倫勛爵的女兒——艾達(dá)·洛夫萊斯（AdaLovelace）查爾斯的分析機艾達(dá)的算法圖表手稿謝謝聆聽THANKS計算機導(dǎo)論教師：第2章數(shù)據(jù)表示與編碼02目錄CONTENTS1數(shù)制2數(shù)據(jù)的存儲3數(shù)值在計算機中的表示4信息編碼本章學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握各種進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換方法掌握數(shù)值型數(shù)據(jù)在計算機中的表示方法了解非數(shù)值型數(shù)據(jù)在計算機中的表示方法本章學(xué)習(xí)目標(biāo)數(shù)制所謂數(shù)制，也稱計數(shù)制，是指用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。常用的數(shù)制是十進(jìn)制，即用0～9這10個數(shù)字表示數(shù)值。此外，七進(jìn)制（7天為1個星期）、十二進(jìn)制（12個月為1年，12個為一打）、二十四進(jìn)制（24小時為1天，1年有二十四節(jié)氣）、六十進(jìn)制（60分鐘為1小時，60秒為1分鐘）等進(jìn)制也經(jīng)常被使用。任何數(shù)制都包含數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)3個要素

。

數(shù)制

數(shù)制要素數(shù)碼在數(shù)制中，表示基本數(shù)值大小的不同數(shù)字符號稱為數(shù)碼。例如，二進(jìn)制有2個數(shù)碼：0、1；十進(jìn)制有10個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。基數(shù)在一種數(shù)制中，每個數(shù)位上可用數(shù)碼的個數(shù)稱為該數(shù)制的基數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是10，每個數(shù)位可使用的數(shù)字是0～9，即逢十進(jìn)一；二進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是2，使用0和1兩個數(shù)字，即逢二進(jìn)一。位權(quán)每個數(shù)碼所代表的真正數(shù)值等于該數(shù)碼乘以一個與數(shù)碼所在位置相關(guān)的常數(shù)，這個常數(shù)就叫作位權(quán)。位權(quán)的大小是以基數(shù)為底、數(shù)碼所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪二進(jìn)制在計算機內(nèi)部，所有信息都是用二進(jìn)制數(shù)來表示的，即采用0和1組成的序列，二進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為2，進(jìn)位規(guī)則是逢二進(jìn)一，借位規(guī)則是借一當(dāng)二。因此，對于一個二進(jìn)制數(shù)來說，各位的位權(quán)是以2為底的整數(shù)次冪。十六進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為16，包括0,1,2,…,9,A,B,C,D,E,F共16個數(shù)碼，進(jìn)位規(guī)則是逢十六進(jìn)一，借位規(guī)則是借一當(dāng)十六。十進(jìn)制點擊輸入文字內(nèi)容，根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用語言簡潔概括，提煉主要關(guān)鍵詞做到合乎邏輯，層次分明，語言簡練。八進(jìn)制八進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為8，包括0,1,2,…，7共8個數(shù)碼，進(jìn)位規(guī)則是逢八進(jìn)一，借位規(guī)則是借一當(dāng)八。常用數(shù)制常用數(shù)制進(jìn)制數(shù)基數(shù)數(shù)碼符號規(guī)則位權(quán)進(jìn)制標(biāo)識舉例二進(jìn)制數(shù)20，1進(jìn)位：逢二進(jìn)一借位：借一當(dāng)二2iB(101)2或101B八進(jìn)制數(shù)80～7進(jìn)位：逢八進(jìn)一借位：借一當(dāng)八8iO或Q(217)8或217O十進(jìn)制數(shù)100～9進(jìn)位：逢十進(jìn)一借位：借一當(dāng)十10iD(123)10或123D十六進(jìn)制數(shù)160～9，A～F進(jìn)位：逢十六進(jìn)一借位：借一當(dāng)十六16iH(1AD)16或1ADH把以上進(jìn)制擴(kuò)展到一般形式R進(jìn)制，得到其進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為R，包含0，1，…，R-1共R個數(shù)碼。進(jìn)位規(guī)則是逢R進(jìn)1，借位規(guī)則是借一當(dāng)R，各位的位權(quán)是以R為底的整數(shù)次冪。因此，任何一種進(jìn)制數(shù)都可以寫出按其位權(quán)展開的多項式之和，任意一個R進(jìn)制數(shù)D按位權(quán)展開可表示為如下式子：

式中，D有m位整數(shù)，n位小數(shù)；Ki為D中對應(yīng)位上的數(shù)碼。進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換常用進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系表十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)0000810001081111910011192102210101012A3113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117716

111117F進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換1．R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)將R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)比較簡單，只需要將該進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開并逐項相加即可。例2-1將二進(jìn)制數(shù)1101.101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。(1101.101)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3例2-2將八進(jìn)制數(shù)245.73轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。(245.73)8=2×82+4×81+5×80+7×8-1+3×8-2例2-3將十六進(jìn)制數(shù)D27.5F轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。(D27.5F)16=13×162+2×161+7×160+5×16-1+15×16-2進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)，需要對整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（1）整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換規(guī)則是“除R取余法”，即用基數(shù)R多次整除該十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分取余數(shù)，直到商為0為止，每次整除所得到的余數(shù)按倒序排列即

轉(zhuǎn)換后R進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分，也就是最后得到的余數(shù)為最高位，最先得到的余數(shù)為最低位。（2）小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換規(guī)則是“乘R取整法”，即用基數(shù)R多次乘以該十進(jìn)制數(shù)的小數(shù)部分取整數(shù)，直到小數(shù)為0或達(dá)到有效精度為止，每次相乘所得乘積的整數(shù)部分按正序排列即為轉(zhuǎn)換后R進(jìn)制數(shù)的小數(shù)部分，也就是最先得到的整數(shù)為最高位，最后得到的整數(shù)為最低位。（3）將轉(zhuǎn)換得到的整數(shù)部分和小數(shù)部分組合在一起，就得到最后的進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果。進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)例2-4將十進(jìn)制數(shù)(35.125)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換過程如圖2.1所示，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果：(35.125)10=(100011.001)2進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)例2-5將十進(jìn)制數(shù)(58.425)10轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)，精確到小數(shù)點后兩位。轉(zhuǎn)換過程如圖2.2所示，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果：(58.425)10=(72.33)8進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)例2-6將十進(jìn)制數(shù)(4780.65)10轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，精確到小數(shù)點后兩位。轉(zhuǎn)換過程如圖2.3所示，得到轉(zhuǎn)換結(jié)果：(4780.65)10=(12AC.A6)16進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換3．二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1）二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)的基本法則是取三合一法，即整數(shù)部分以小數(shù)點為界從右往左，每三位一組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，小數(shù)部分從小數(shù)點開始從左往右，每三位一組進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整數(shù)部分不足三位一組者，左邊補0，小數(shù)部分不足三位一組者，右邊補0。若將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，則只需要把八進(jìn)制數(shù)的每一位數(shù)碼用相應(yīng)的三位二進(jìn)制數(shù)碼表示出來即可。例2-7將二進(jìn)制數(shù)(110100101.0101)2轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。110

100

101.010

100645.24則(110100101.0101)2=(645.24)8進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換3．二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1）二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換例2-8將八進(jìn)制數(shù)(347.25)8轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。347.25011

100

111.010

101則(347.25)8=(011100111.010101)2進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換3．二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換2）二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的法則是取四合一法，和二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換法則類似，區(qū)別是每四位一組進(jìn)行轉(zhuǎn)換。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，則是把十六進(jìn)制數(shù)的每一位數(shù)碼用四位二進(jìn)制數(shù)碼表示出來。例2-9將二進(jìn)制數(shù)(110100101.011)2轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。0001

1010

0101.01101

A5.6則(110100101.011)2=(1A5.6)16例2-10將十六進(jìn)制數(shù)(E57.6B)16轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。E

57

.6

B1110

0101

0111.0110

1011則(E57.6B)16=(111001010111.01101011)2數(shù)據(jù)的存儲計算機中的信息是以二進(jìn)制形式組織和存儲的，信息存儲的基本單位

有位、字節(jié)和字。位（bit）表示一個二進(jìn)制位，簡寫為b，是計算機中信息存儲的最小單位，用0或1表示。由于位單位較小，用它表示比較大的數(shù)不太方便，因此引入了字節(jié)這個單位，字節(jié)（Byte），簡寫為B，是信息存儲的基本單位，1字節(jié)等于8個二進(jìn)制位，即1Byte=8bit。此外，計算機中常用的存儲單位還有千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）、拍字節(jié)（PB）、艾字節(jié)（EB）、澤它字節(jié)（ZB）、堯它字節(jié)（YB）等，換算關(guān)系如下。1KB=1024B=210B1MB=1024KB=210KB1GB=1024MB=210MB1TB=1024GB=210GB1PB=1024TB=210TB1EB=1024PB=210PB1ZB=1024EB=210EB1YB=1024ZB=210ZB對于不同類型的數(shù)據(jù)需要采用不同的編碼形式，也因此制定了相應(yīng)的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。例如，數(shù)值型數(shù)據(jù)有大小、正負(fù)之分，因此在計算機中引入原碼、反碼和補碼的概念。為解決數(shù)據(jù)表示的范圍問題，對于數(shù)值型數(shù)據(jù)引入定點表示和浮點表示。下面來了解數(shù)值型數(shù)據(jù)的相關(guān)概念。1．真值數(shù)與機器數(shù)（1）真值數(shù)即帶有正負(fù)號的數(shù)值，如120、-15等。（2）機器數(shù)是指將符號“數(shù)字化”，是數(shù)據(jù)在計算機中的二進(jìn)制表示形式。機器數(shù)有兩個特點：一個是符號數(shù)字化，另一個是其數(shù)的大小受機器字長的限制。機器數(shù)分為無符號數(shù)和帶符號數(shù)，無符號數(shù)是指整個機器字長的全部二進(jìn)制位均表示數(shù)值位，相當(dāng)于數(shù)的絕對值。帶符號數(shù)的最高位表示符號位，而不再表示數(shù)值位，最高位分別用0、1來表示正負(fù)號。例如，真值數(shù)+9和-9用8位帶符號數(shù)表示，分別為00001001和10001001。數(shù)值在計算機中的表示定點表示法浮點表示法數(shù)據(jù)的定點表示和浮點表示數(shù)據(jù)的定點表示和浮點表示。原碼在表示數(shù)的時候，其最高位是符號位，符號位0表示正，1表示負(fù)，其余位表示數(shù)值的大小。反碼有兩種情況：正數(shù)的反碼與原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是將原碼除符號位之外的其他各位按位取反。原碼、反碼和補碼原碼、反碼和補碼。補碼有兩種情況：正數(shù)的補碼和原碼相同；負(fù)數(shù)的補碼是反碼加1。取反。算術(shù)運算邏輯運算二進(jìn)制數(shù)的基本運算二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算與十進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算一樣，包括加法、減法、乘法、除法四則運算，

而且運算更簡單，進(jìn)位規(guī)則是逢二進(jìn)一，借位規(guī)則是借一當(dāng)二。二進(jìn)制算術(shù)運算規(guī)則如表2.4所示。

這句話改成“與十進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算一樣，二進(jìn)制也可以進(jìn)行加、減、乘、除四則運算，

”加法減法乘法除法0+0=00+1=11+0=11+1=0（向高位進(jìn)一）0-0=01-1=01-0=10-1=1（向高位借一當(dāng)二）0×0=00×1=01×0=01×1=10÷1=01÷1=10÷0、1÷0（無意義）

邏輯運算二進(jìn)制數(shù)的基本運算（1）邏輯與運算也稱邏輯乘運算，通常用“∧”、“×”、“·”或“and”符號表示兩個邏輯變量間的與關(guān)系，當(dāng)A、B兩個條件同時滿足時，結(jié)果才為真，只要有一個條件為假，結(jié)果即為假。（2）邏輯或運算也稱邏輯加運算，通常用“∨”、“+”或“or”符號表示兩個邏輯變量間的或關(guān)系，當(dāng)A、B兩個條件中只要有一個條件滿足時，結(jié)果就為真，只有兩個條件都為假時，結(jié)果才為假。（3）邏輯非運算通常用“ˉ”、“?”或“not”符號表示同原條件相反，如

A。（4）異或運算通常用“⊕”“xor”

表示兩個邏輯變量間的異或關(guān)系，當(dāng)A、B兩個邏輯值不相同時，異或結(jié)果為真；當(dāng)A、B兩個邏輯值相同時，異或結(jié)果為假。

這句缺少1個頓號，這句改成“⊕”、“xor”

ABA∧BA∨B

AA⊕B000010010111100101111100西文字符編碼漢字編碼Unicode編碼字符編碼西文字符編碼字符編碼西文字符包括字母、數(shù)字、標(biāo)點符號、

控制符號等字符。計算機中對字符的編碼，通常采用ASCII碼（AmericanNational

StandardCodeforInformaticaInterchange，美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼），此編碼被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）定為國際標(biāo)準(zhǔn)，為世界所通用。ASCII碼有7位ASCII碼版本和8位ASCII碼版本。國際上通用的是7位ASCII碼版本，即用7位二進(jìn)制數(shù)表示字符，其中最高位是0，可表示128（27）個字符，包括26個大寫英文字母、26個小寫英文字母、0～9共10個數(shù)字字符、33個控制字符，其余為專用字符。其中大寫字母A的ASCII碼為65；小寫字母a的ASCII碼為97，數(shù)字0的ASCII碼為48，由此可推出其余大、小寫字母及數(shù)字的ASCII碼。ASCII碼為8、9、10和13分別對應(yīng)退格、制表、換行和回車字符。ASCII碼表如表2.6所示。ASCII碼d3d2d1d0位

（低四位）0d6d5d4位（高四位）0000010100111001011101110000NULDELSP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB’7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC＋﹕K[k{1100F