大學計算機基礎（第6版）（微課版） 課件全套 甘勇 第1-11章 計算機與計算思維-計算機新技術與應用

大學計算機基礎

第1章計算機與計算思維大學計算機基礎課程組2022年4月主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維32主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維33為什么要學習計算機計算機學什么為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在科學研究中的應用4人造衛(wèi)星軌跡房屋抗震強度天氣預報為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在農(nóng)業(yè)中的應用5農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測智慧農(nóng)業(yè)為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在工業(yè)中的應用6工業(yè)設計無人生產(chǎn)線為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在商業(yè)金融中的應用7全球電子商務網(wǎng)上銀行為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在教育中的應用8在線課堂為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在軍事中的應用9為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在醫(yī)學中的應用10為什么要學習計算機計算與計算機無處不在計算機在日常生活中的應用11為什么要學習計算機計算機是解決復雜工程問題和突破重大科技創(chuàng)新的重要工具聚變能源地球模擬生物醫(yī)藥石油勘探腦科學人工智能FAST宇宙科學……12計算機學什么13人類對計算的探索歷程手動計算手指/繩子/石子算籌/算盤/計算尺/加法器差分機/分析機上古結(jié)繩而治計算機學什么14人類對計算的探索歷程自動計算Mark-I（馬克1號）ENIAC（埃尼阿克）EDVAC（埃德瓦克）首臺電子計算機1946年2月，美國賓夕法尼亞大學為奧伯丁武器實驗場計算導彈軌道而設計

ENIACElectronicNumericIntegratorAndCalculator(電子數(shù)字積分計算機）第一臺計算機

占地--170平方米電子管--18800個繼電器--1500個重量--30噸耗電–150千瓦運算速度--5000次/秒存儲方式--十進制運行需20名工程師第一臺計算機馮.諾依曼的貢獻

美籍匈牙利人馮.諾依曼（VonNemann）研究了ENIAC的缺陷，于1946年提出了以二進制和存儲程序為工作原理的現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)。馮.諾依曼的理論，奠定了現(xiàn)代計算機的基礎?，F(xiàn)在的計算機仍采用馮.諾依曼的體系結(jié)構(gòu)計算機科學奠基人英國科學家阿蘭.圖靈建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的基礎提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念

美國計算機學會(ACM)1966年設立圖靈獎主要貢獻：計算機之父--查爾斯·巴貝奇(CharlesBabbage)和他研制的差分機和分析機

電子計算機之父：美籍匈牙利數(shù)學家馮.諾依曼主要貢獻：與同事研制人類第二臺計算機EDVAC“存儲程序”概念馮·諾依曼計算機奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理最早的計算機

它什么樣?計算機學什么26學習計算機就是學習計算思維計算機只是一種工具，它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。計算思維是數(shù)字化時代，實施自動計算的產(chǎn)物學習計算機就是學習計算思維，即學習如何運用計算解決社會發(fā)展、人類生存的諸多問題。計算機學什么27學習計算機就是學習計算思維數(shù)字時代，計算已經(jīng)成了各行各業(yè)的組成部分?！队嬎憧茖W：確保美國競爭力》中曾預測：21世紀科學上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術和計算科學而得到解決。主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維328計算機的概念計算機的歷史計算機的特點計算機的分類計算機的應用計算機的未來我國的計算機計算機的概念計算機的定義計算機是電子數(shù)字計算機的簡稱，俗稱電腦。它是一種能夠依據(jù)預先存儲在其內(nèi)部的程序控制，自動地對輸入設備接收的各種信息進行高速、準確的處理，并把處理結(jié)果通過輸出設備輸出或通過存儲器存儲起來的現(xiàn)代化電子設備。計算機本質(zhì)上就是一種具有高速運算、自動控制和數(shù)據(jù)存儲的能力的計算工具。29

計算機的概念計算機的功能30

自動控制數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)輸入/輸出功能計算機的歷史31大/超大規(guī)模集成電路晶體管計算機中/小規(guī)模集成電路電子管計算機NO.2NO.1NO.3NO.4劃分依據(jù)：邏輯器件（元件）計算機的歷史第一代：電子管計算機（1946年-1957年)邏輯元件:電子管（又稱為真空管）；存儲器：光屏管或汞延時電路；輸入/輸出:穿孔卡片或紙帶；軟件:機器語言和匯編語言；特點:體積大、功耗高、可靠性差、速度慢；應用：軍事和科學計算；代表機型：ENIAC、IBM650(小型機）、IBM709(大型機）等。32

ENIACIBM650IBM709計算機的歷史第二代：晶體管計算機（1957年-1964年)邏輯器件：晶體管；存儲器：磁芯作為主存，外存多用磁盤；軟件：Fortran等計算機高級語言；特點：速度提高，質(zhì)量/體積/功耗/成倍減少；應用：科學計算、數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制等方面；代表機型：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。33

IBM7090TRADIC計算機的歷史第三代：中小規(guī)模集成電路計算機（1964年-1970年)邏輯元件：中小規(guī)模集成電路；存儲器：半導體存儲器(內(nèi))，磁帶或磁盤(外)；軟件：高級語言；特點：體積小、耗電少、速度快、容量大、可靠性強；應用:科學計算、信息管理、自動控制等；代表機型:IBMSystem/360。34

IBMSystem/360計算機的歷史第四代：大/超大規(guī)模集成電路計算機（1970年至今）邏輯元件：大/超規(guī)模集成電路；存儲器：半導體存儲器(內(nèi))，磁盤(外)；軟件：操作系統(tǒng)、應用軟件；特點：更加強大、靈活、高效；應用:以網(wǎng)絡、多媒體為特征；代表機型:微型機、巨型機等35

世界上第一臺MCS-4計算機的歷史微型計算機的發(fā)展36年代微處理器型號第一代（1971-1973年）4位和低檔8位第二代（1973-1978年）中高檔8位第三代（1978-1980年）16位第四代（1983-1993年）32位第五代（1993-2005年）64位第六代（2005年至今）多核心、64位劃分依據(jù)：微處理器型號，尤其以Intel的產(chǎn)品為代表。計算機的特點運算速度快運算速度是重要性能指標之一（單位：MIPS）每秒可完成幾億次~百億億次運算極大地提高了工作效率，解放了體力和腦力勞動2021年，四川大學華西醫(yī)院、華為、賽樂基因科技聯(lián)合發(fā)布多組學數(shù)據(jù)加速分析平臺，將人類全基因組測序時間從24小時縮短至7分鐘。這是全球首次將人類全基因組分析推進至分鐘級，具有跨時代的意義。37計算精度高十幾位、幾十位有效數(shù)字計算精度在理論上不受限制尖端技術的發(fā)展離不開高精度計算計算機的特點英國數(shù)學家威康?尚克斯曾經(jīng)花了15年，才將圓周率算到第707位，而使用計算機能計算到小數(shù)點后200萬位。38存儲容量大計算機具有超強“記憶”功能目前，一般微機的容量已達TB級，超算的容量也已超過PB級1TB=210GB1PB=210TB計算機的存儲容量從理論上來說幾乎沒有限制。計算機的特點39具有邏輯判斷能力計算機具有邏輯運算功能，是計算機模擬人類智能的前提和基礎是延伸人類腦力的有力助手計算機的特點40自動化程度高按照預先編好的程序，連續(xù)、自動地工作是由馮?諾依曼提出的，被稱為“存儲程序和程序控制”的思想計算機的特點41通用性強各行、各業(yè)、各個領域都能用到幾乎能求解科學中的一切問題計算機是解決人類社會中的一切疑難問題有力工具計算機的特點42計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理數(shù)字信號，即用“0”和“1”來表示信息；基本運算部件是數(shù)字邏輯電路；精度高、存儲量大、通用性強；是計算機中的主流。43計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理的是模擬信號，即用電壓來表示信息；基本運算部件以電子線路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)復雜；精度不高、不易存儲、通用性差，抗干擾能力極差；一般只用在科學研究或特定的領域中。44計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理數(shù)字和模擬兩種信號綜合數(shù)字計算機運算精度高和模擬計算機運算速度快適用于一些嚴格要求實時性的復雜系統(tǒng)的仿真，例如在導彈系統(tǒng)仿真中。45計算機的分類按用途不同通用計算機專用計算機面向多種應用領域，為能解決各種問題而設計的計算機。其特點是功能齊全，適應性強，應用范圍廣。一般的計算機多屬此類。46計算機的分類按用途不同通用計算機專用計算機針對某一特定應用領域或面向某種算法，為解決某一特定問題而專門設計的計算機。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，體積較小，使用簡便，但速度更快、可靠性更高。此類計算機大多用于過程控制。如煉鋼廠里軋鋼控制計算機，銀行的ATM提款機等。47計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機又稱高性能計算機或超級計算機(Supercomputer，簡稱超算)。性能最高、功能最強、速度極快、存儲量巨大、結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴的一類計算機。超算一般用在國家高科技領域和國防尖端技術中。超算是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志。48計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機國外習慣上將其稱為主機系統(tǒng)(Mainframe)，是計算機中性能僅次于巨型機的一類計算機。一般用在大型企業(yè)、金融系統(tǒng)、高校、科研院所等。在大中型機的制造企業(yè)中，IBM處于霸主地位。49計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機兩類:一類是采用多處理機結(jié)構(gòu)和多級存儲系統(tǒng)，另一類是采用精簡指令系統(tǒng)。既提高了運算速度，又降低了成本。性能較好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用和維護方便，備受中小企業(yè)歡迎，應用領域非常廣泛。在中國，小型機習慣上用來指UNIX服務器。50計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機微型機的核心是微處理器。以其設計先進、軟件豐富、功能齊全、體積小、價格便宜、靈活性好等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。是應用領域最廣泛、發(fā)展最快、人們最感興趣的一類計算機。微型機中最有代表性的當屬個人計算機，又稱PC（PersonalComputer，即個人計算機）機。51計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務器嵌入式計算機一種高端的通用微型計算機，提供比個人計算機更強大的性能。用于圖像處理、計算機輔助設計等領域。52計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務器嵌入式計算機在網(wǎng)絡環(huán)境下為網(wǎng)上多個用戶提供資源共享、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N服務的一種配置相對較高的計算機。人們往往會根據(jù)網(wǎng)絡上被服務的用戶多少，選擇不同性能的服務器。53計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務器嵌入式計算機即嵌入式系統(tǒng)，是指嵌入對象體系中，實現(xiàn)對象體系智能化控制的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序4個部分組成。在智能化的今天，嵌入式計算機無處不在。54計算機的應用科學計算/數(shù)值計算飛行器控制氣象預報石油勘探潮汐規(guī)律高能物理地震預測……大型粒子對撞機55計算機的應用數(shù)據(jù)處理/信息處理/非數(shù)值計算科技情報人口普查銀行儲蓄企業(yè)管理辦公學習購物娛樂56計算機的應用過程控制/實時控制/自動控制導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器的控制工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動控制鐵路交通上的行車調(diào)度提高了自動化水平和實時控制的準確性57計算機的應用計算機輔助計算機輔助設計（CAD)計算機輔助制造（CAM）計算機輔助教學（CAI）計算機輔助測試（CAT）58計算機的應用人工智能/智能模擬人機博弈專家系統(tǒng)機器人……59計算機的應用計算機網(wǎng)絡網(wǎng)上購物線上會議在線學習遠程醫(yī)療……60計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢61由Intel創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出來的。內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，價格則減一半。這一定律揭示了信息技術進步的速度。摩爾定律是關于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學定律！50歲的摩爾定律真的要過時了嗎？計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡化多媒體………不是指計算機的體積日趨巨大，而是其運算速度更快、存儲量更大和功能更強。常用于國家重大工程中的龐大而復雜的計算問題，是衡量一個國家的科技實力和綜合國力的重要標志。超級計算機的研制是世界各國在高科技領域競爭的熱點，國際上每年2次發(fā)布全球超級計算機500強排名。62計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡化多媒體………超大規(guī)模集成電路發(fā)展的必然。芯片集成度越來越高，微型化的進程越來越快。體積進一步縮小，價格進一步降低，性能更強、可靠性更高、適用范圍更廣。63計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡化多媒體………讓計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。具有思考問題、邏輯推理、自然語言的生成和理解、自我學習的功能。64計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡化多媒體………萬物互聯(lián)的時代。衡量國家現(xiàn)代化程度的重要指標。65計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡化多媒體………多媒體技術被認為是20世紀90年代信息領城的一次革命。高效性、交互性、集成性和實時性等特點。隨著5G技術和智能化技術的普及，多媒體化也是計算機發(fā)展的必然趨勢之一。66計算機的未來未來的新一代計算機是以量子的狀態(tài)作為計算形式。特點：速度快、超強處置信息能力強、精確度高、應用范圍廣等。我國在量子計算機的研究走在世界的前列。未來，量子計算可能顛覆世界，是下一輪科技發(fā)展的“制高點”。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡計算機生物計算機光子計算機納米計算機……我國研發(fā)62比特超導量子計算機67計算機的未來未來的新一代計算機量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡計算機生物計算機光子計算機納米計算機……利用與人腦非常相似的神經(jīng)網(wǎng)絡進行信息處理。特點：極強的自學能力；“智能”好像是自發(fā)產(chǎn)生的，不是嚴格設計出來的；資料貯存在神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡中。在21世紀，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究將會有新的突破，將滲透到人類生活的各個領域。68計算機的未來未來的新一代計算機又稱為DNA計算機、仿生計算機或分子計算機，生物芯片來替代半導體硅片。特點：運算速度快；存儲容量大；能耗小；自我修復。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡計算機生物計算機光子計算機納米計算機……69計算機的未來未來的新一代計算機以光子代替電子，用光子作為信息載體，光互連代替導線互連、光硬件代替計算機中的電子硬件、光運算代替電運算。特點：并行處理能力很強，具有超高運算速度；光子計算機還具有與人腦相似的容錯性；光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡計算機生物計算機光子計算機納米計算機……光子芯片70計算機的未來未來的新一代計算機用納米技術研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件體積小，質(zhì)地堅固，有著極強的導電性；幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能強大量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡計算機生物計算機光子計算機納米計算機……斯坦福大學團隊研制碳納米管計算機71我國的計算機第一代：電子管計算機研制（1958年-1964年)1956年，中國科學院計算技術研究所籌備委員會成立，揭開了我國電子計算機研制的序幕。1957年，哈爾濱工業(yè)大學研制中國第一臺模擬式電子計算機1958年，我國第一臺電子計算機——103型計算機1959年，第一臺大型通用電子計算機（即104機）1960年，一臺小型通用電子計算機，即107機1964年，我國第一臺大型通用數(shù)字電子管計算機（119型）72

103型計算機我國的計算機第二代：晶體管計算機研制（1965年-1972年)1964年，哈軍工成功研制了中國第一臺晶體管通用電子計算機441-B機；1965年，中科院研制了晶體管大型通用數(shù)字計算機109乙，該機在國民經(jīng)濟和國防部門得到廣泛應用；1967年，推出109丙機，該機運行了15年，有效計算時間在10萬小時以上，在我國兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用，被用戶譽為“功勛機”。在晶體管計算機研制時期，中國計算機研制進入高速追趕國際先進水平的階段。73

我國的計算機第三代：中/小規(guī)模集成電路的計算機研制(1973年-80年代初)1968年7月至1971年5月，中科院計算所研制成功中國第一臺小規(guī)模集成電路通用數(shù)字電子計算機111機；1973年-1976年，先后研制成功DJS-130、DJS-140小型機，、013機、655機和151機。1983年，完成我國第一臺大型向量機757機和“銀河-I”巨型計算機?！般y河-I”巨型機填補了國內(nèi)巨型計算機的空白，中國成為繼美國、日本之后，第三個能獨立設計和制造巨型計算機的國家?！般y河-I”的問世標志著中國進入了世界研制巨型計算機的行列，是我國高速計算機研制的一個重要里程碑。74

“銀河-I”巨型計算機我國的計算機中國計算機研制水平達到國際前沿水平突破發(fā)達國家對中國的技術封鎖，直至達到國際前沿水平。目前，中國研制出眾多的高性能超級計算機，為國防和科研事業(yè)做出了重要貢獻，并且推動了計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。截至2020年11月，中國廠商聯(lián)想、曙光、浪潮是全球前三的超算供應商。與此同時，中國也成為了世界上最大的微機生產(chǎn)基地和主要市場。75

科技是第一生產(chǎn)力主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維376計算機思維的起源計算機思維的基本概述計算機思維的知識體系計算機思維的應用計算思維的起源2006年，美國周以真教授提出了計算思維的概念；2008年，周教授探討了計算思維的本質(zhì)；2010年，周教授給出了計算思維的正式定義；2007年，在美國的教育領域開始實施“計算思維”教學計劃；2015年，美國總統(tǒng)在白宮簽署了ESSA，將以計算思維培養(yǎng)為核心的計算機科學提高到與數(shù)學、英語等同的重要地位，并投入巨資在美國國內(nèi)廣泛推行。計算思維的提出，引起了不少國家教育界的重視。國外發(fā)展77計算思維的起源2010年7月，在九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎課程研討上，陳國良院士做了“計算思維能力培養(yǎng)研究”的報告，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”列為計算機基礎教育的核心任務；2012年，教育部高教司設立了“以計算思維為切入點的大學計算機課程改革項目”；2013年，教育部高等學校大學計算機課程教委“計算思維教學改革宣言”。計算思維的概念及重要性在國內(nèi)科技界和教育界快速傳播。國內(nèi)發(fā)展78計算思維的概述計算思維的概念它運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法，是一類解析思維。它結(jié)合了數(shù)學思維(求解問題的方法)和工程思維(設計、評價大型復雜系統(tǒng))，涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維是每個人的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。79

計算思維的概述計算思維的特征概念化，不是程序化。根本的，不是刻板的技能。是人的，不是計算機的思維方式。數(shù)學和工程思維的互補和融合。是思想，不是人造物。面向所有的人，所有地方。80

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）81分解問題模式識別抽象問題算法設計將一個復雜的問題拆分成多個簡單問題。泡茶喝=燒水+沖茶+喝茶。99×9=（100-1）×9=900-9=891。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）82分解問題模式識別抽象問題算法設計觀察數(shù)據(jù)，從中找出相同的模式、趨勢和規(guī)律，識別出它是哪一類問題，找出各個部分之間的異同，幫助我們理解問題，思考解決方案，這個過程就是模式識別。思考：把1到200之間的整數(shù)相加的過程。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）83分解問題模式識別抽象問題算法設計在模式識別的基礎上找出模式形成背后的反映事物的本質(zhì)的規(guī)律，建立成模型。思考：從把m到n（n>m）之間的整數(shù)相加。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）84分解問題模式識別抽象問題算法設計算法是為解決某一類問題撰寫一系列詳細步驟，針對這些相似的問題提供逐步解決的方案。把算法設計過程理解為給某件事情找一個最簡單的步驟，并把它整理成一份手冊，這樣所有人都可以用這份手冊來最快地完成目標任務。計算思維的概述計算思維的本質(zhì)85

抽象思維最重要的用途是產(chǎn)生各種各樣的系統(tǒng)模型，以此作為解決問題的基礎。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，可以完全用符號來表示。自動化抽象計算思維的概述計算思維的本質(zhì)86

自動化就是可以按預先設計好的程序或系統(tǒng)自動運行；這需要一組預定義的指令及預定義的執(zhí)行順序，一旦執(zhí)行，這組指令就可根據(jù)安排自動完成某個特定任務；自動化技術正在改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活和學習方式，也正改變著人們的思維方式。自動化抽象計算思維的知識體系計算之樹87

計算思維的知識體系基礎性計算思維（計算之樹的樹根）“0和1”的思維?，F(xiàn)實世界的各種信息(數(shù)值性和非數(shù)值性)都可被轉(zhuǎn)換成0和1來表示、處理和變換?！俺绦颉钡乃季S。計算機或計算系統(tǒng)就是能夠執(zhí)行各種程序的機器或系統(tǒng)，實現(xiàn)一個系統(tǒng)僅需實現(xiàn)這些基本動作以及實現(xiàn)一個控制基本動作組合的控制指令，指令的各種有序組合就是程序?！斑f歸”的思維。在計算理論領域，已證明了一般的遞歸函數(shù)與圖靈機是等價的，即說明計算系統(tǒng)是一種可遞歸計算的系統(tǒng)，由此可以看出，遞歸對計算技術與計算系統(tǒng)具有奠基性思維的作用。88

計算思維的知識體系計算環(huán)境的發(fā)展（計算之樹的樹干）馮?諾依曼機。體現(xiàn)了存儲程序與程序自動執(zhí)行的基本思維。個人計算環(huán)境。體現(xiàn)的是存儲體系環(huán)境下，程序如何在操作系統(tǒng)協(xié)助下被硬件執(zhí)行的基本思維。并行與分布計算環(huán)境。體現(xiàn)了在復雜環(huán)境下（多核、多存儲器)，程序如何在操作系統(tǒng)協(xié)助下被硬件并行、分布執(zhí)行的基本思維。云計算環(huán)境。體現(xiàn)的是“按需索取、按需提供、按需使用”的一種計算資源虛擬化服務的基本思維。89

計算思維的知識體系計算手段（計算之樹的枝杈）

計算手段就是算法和系統(tǒng)，研究的是如何利用兩者對社會、自然問題求解，兩者交替促進，共同進化。算法。算法被譽為計算系統(tǒng)的靈魂，是一個有窮規(guī)則的集合，它用規(guī)則規(guī)定了解決某一特定類型問題的運算序列，或者規(guī)定了任務執(zhí)行或問題求解的一系列步驟。系統(tǒng)。系統(tǒng)是計算與社會、自然環(huán)境融合的統(tǒng)一體，它對社會、自然問題提供了泛在的、透明的、優(yōu)化的綜合解決方案，是由相互聯(lián)系、相互作用的若干元素構(gòu)成且具有特定結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一整體。90

計算思維的知識體系計算學科的分支（計算之樹的樹枝）計算學科的分支是指計算在各學科、各領域分支的研究方向，體現(xiàn)了計算學科與其他學科相互融合產(chǎn)生的新的研究方向。社會、自然的計算化。著重強調(diào)利用計算手段來推演、發(fā)現(xiàn)社會、自然規(guī)律。計算、求解的自然化。著重強調(diào)用社會、自然所接受的形式來展現(xiàn)計算及求解的過程與結(jié)果。91

計算思維的知識體系計算學科的分支（計算之樹的樹枝）社會、自然的計算化和計算、求解的自然化，本質(zhì)上體現(xiàn)了不同抽象層面的計算系統(tǒng)的基本思維，其根本是“抽象”與“自動化”，可劃分為如下三個層面。機器層面：協(xié)議(抽象)與編碼器、解碼器、轉(zhuǎn)換器等(自動化)，解決機器與機器之間的交互問題。人機層面：語言(抽象)與編譯器、執(zhí)行器(自動化)，解決人與機器之間的交互問題。業(yè)務層面：模型(抽象)與執(zhí)行引擎、執(zhí)行系統(tǒng)(自動化)，解決業(yè)務系統(tǒng)與計算系統(tǒng)之間的交互問題。92

計算思維的應用化學中的計算思維——計算化學數(shù)值計算化學模擬模式識別數(shù)據(jù)庫檢索化學專家系統(tǒng)93

計算思維的應用物理學中的計算思維——計算物理學計算物理學是利用電子計算機進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)值計算和數(shù)字仿真來發(fā)現(xiàn)和研究物理現(xiàn)象與物理規(guī)律的一門現(xiàn)代交叉學科。計算物理學與理論物理學和實驗物理學計算物理學成為物理學的三大分支。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國研究和制造原子核武器的過程中，就采用過計算物理學的方法。作為物理學的新型研究手段，計算物理學是理論物理方法和實驗物理方法的補充和更新。94

計算思維的應用統(tǒng)計學中的計算思維——數(shù)據(jù)科學數(shù)據(jù)科學是利用計算機的運算能力對數(shù)據(jù)進行處理，從數(shù)據(jù)中提取信息，進而形成“知識”，已經(jīng)在金融、醫(yī)學、自動駕駛等領域得到廣泛使用。95

計算思維的應用生物學中的計算思維——計算生物學/生物信息學生物信息學是研究生物信息的采集，處理，存儲，傳播，分析和解釋等各方面的一門學科，它通過綜合利用生物學，計算機科學和信息技術而揭示大量而復雜的生物數(shù)據(jù)所賦有的生物學奧秘。由此可以看出生物信息學是以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學。是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，同時也將是21世紀自然科學的核心領域之一。96

生物信息學序列對比計算思維的應用生物學中的計算思維——生物信息學/計算生物學計算生物學是指將數(shù)據(jù)分析及理論的方法、數(shù)學建模、計算機仿真技術等，用于生物學、行為學和社會群體系統(tǒng)研究的一門學科，它是融合了計算機科學、數(shù)學等學科與生命科學；主要包括以下幾方面:生物序列的片段拼接；序列對比；基因識別；種族樹的建構(gòu)；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測。97

基因識別提前20年預警癌細胞計算思維的應用生物學中的計算思維——生物信息學/計算生物學相對于生物信息學，計算生物學的層次更高。生物信息學側(cè)重于生物數(shù)據(jù)的提取、挖掘，而計算生物學側(cè)重對生物數(shù)據(jù)的處理、運用。計算生物學的最終目的不只局限于生物序列的片段拼接、基因識別和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測等，而是運用計算機的思維解決生物問題，用計算機的語言和數(shù)學的邏輯構(gòu)建和描述并模擬出生物世界。98

生物學家是如何創(chuàng)造生命的？計算思維的應用地理學中的計算思維——GIS技術計算機用于處理海量地理數(shù)據(jù)產(chǎn)生了地理信息系統(tǒng)（簡稱GIS），它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。因而，GIS是一種基于計算機的工具，是使用計算思維解決地理學中的計算問題?！皵?shù)字地球”、“數(shù)字城市”在人們的生產(chǎn)和生活中起著越來越重要的作用。它可以對空間信息進行分析和處理，簡而言之，是對地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進行成圖和分析。99

計算思維的應用其他學科中的計算思維納米計算量子計算計算博弈論計量經(jīng)濟學計算社會學計算廣告學……100

總結(jié)計算機相關基礎知識：計算機的定義、誕生、發(fā)展、特點、分類和應用；我國計算機的發(fā)展等；計算機思維；計算機思維的起源計算機思維的基本概述計算機思維的知識體系計算機思維的應用101

謝謝大家102THEEND大學計算機基礎

第2章計算機中的信息表示大學計算機基礎課程組2022年4月本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼5104本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼51052.1信息與數(shù)據(jù)概述1、信息信息是指現(xiàn)實世界事物的存在方式或運動狀態(tài)的反映，或者說是對客觀事物的反映，從本質(zhì)上看信息是對社會、自然界的事物特征、現(xiàn)象、本質(zhì)及規(guī)律的描述。22.1信息與數(shù)據(jù)概述2、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是描述現(xiàn)實世界事物的符號記錄，是指用物理符號記錄下來的可以鑒別的信息。物理符號包括數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音及其他特殊符號。22.1信息與數(shù)據(jù)概述3、信息與數(shù)據(jù)的關系數(shù)據(jù)是信息的符號表示，或稱載體；信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是數(shù)據(jù)的語義解釋。4、編碼（coding）數(shù)據(jù)是信息的符號表示，或稱載體；信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是數(shù)據(jù)的語義解釋。2本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼51092.2計算機中的數(shù)制2.2.1

計算機中常用的數(shù)制2.2.2

計算機采用二進制的原因2.2.3

計算機中的數(shù)據(jù)單位2.2.4

不同進制之間的轉(zhuǎn)換22.2.1計算機中常用的數(shù)制數(shù)制也叫“進位計數(shù)制”，一般指用一組固定的數(shù)字符號線性排列，按照由低位向高位進位計數(shù)的規(guī)則來表示數(shù)目的方法。例如：二進制、十進制、八進制、十六進制等。在計算機數(shù)制中，有3個基本概念:數(shù)碼、基數(shù)、位權22.2.2計算機采用二進制的原因1.硬件技術上容易實現(xiàn)，可靠性強2．運算規(guī)則簡單3．實現(xiàn)邏輯運算容易4．與其他數(shù)制轉(zhuǎn)換方便5.抗干擾能力強，可靠性高22.2.3計算機中的數(shù)據(jù)單位計算機存儲單位一般用bit、Byte、KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、BB、NB、DB、CB來表示。位bit

(比特)(BinaryDigits)：是最小的存儲單位，一個bit存放一位二進制數(shù),即0或1。Byte：字節(jié)，8個二進制位為一個字節(jié)(B),是最常用的單位。22.2.3計算機中的數(shù)據(jù)單位1KB(KiloByte)=210B=1024B,1MB(MegaByte)=210

KB=1024KB1GB(GigaByte)=210

MB=1024MB1TB(TrillionByte)=210GB=1024GB1PB(PetaByte)=210TB=1024TB1EB(ExaByte)=210PB=1024PB1ZB(ZettaByte)=210EB=1024EB1YB(JottaByte)=210ZB=1024ZB1BB(BrontoByte)=210YB=1024YB.1NB(NonaByte)=210BB=1024BB1DB(DoggaByte)=210NB=1024NB1CB(CorydonByte)=210DB=1024DB22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換計算機中涉及到的數(shù)值主要有：2、8、10、16四種進制，這四種進制之間可以相互轉(zhuǎn)換，按照轉(zhuǎn)換規(guī)則歸類，四種進制之間的轉(zhuǎn)換可以歸納為以下幾種：22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換（1）R進制（2，8，16）→10進制的轉(zhuǎn)換。（2）10進制→R進制（2，8，16）的轉(zhuǎn)換。（3）2進制→8，16進制的轉(zhuǎn)換。（4）8，16進制→2進制的轉(zhuǎn)換。（5）8進制<-->16進制之間的相互轉(zhuǎn)換。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換1、R（2，8，16）進制轉(zhuǎn)換成十進制轉(zhuǎn)換的方法：按權展開后累加即可【例1】將二進制數(shù)(1001.101)B轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。(1001.101)B =1×23+0×22+0×21+1×20+1×2–1+0×2–2+1×2–3=8+1+0.5+0.125=(9.625)D22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換【例2】將八進制數(shù)(25.46)O轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。(215.46)O=2×82+1×81+5×80+4×8–1+6×8–2=128+8+5+0.5+0.09375=(141.59375)D22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換【例3】將十六進制數(shù)(B2A.D)H轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。(B2A.D)H=11×162+2×161+10×160+13×16–1=2816+32+10+0.8125=(2858.8125)D22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換2、十進制轉(zhuǎn)換成R（2，8，16）進制在將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成R（2，8，16）進制數(shù)時，先將該十進制數(shù)分成兩部分，即整數(shù)部分和小數(shù)部分，然后分別對這兩部分使用不同算法進行轉(zhuǎn)換，最后將兩者連接起來即可。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換以十進制數(shù)43.8125為例介紹轉(zhuǎn)換過程（1）整數(shù)部分轉(zhuǎn)化：除R取余法，即用十進制數(shù)連續(xù)地除以R，其余數(shù)倒排序便組成R系統(tǒng)的各位數(shù)，簡稱為：除基數(shù)取余法，倒排列。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將十進制整數(shù)(43)D轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)。(43)D==(101011)222.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換（2）小數(shù)部分：乘R取整法。即將十進制小數(shù)連續(xù)地乘以R，直到小數(shù)部分為0或達到所要求的精度為止（小數(shù)部分可能永不為0）得到的整數(shù)部分從高到低（順排序）即組成R進制的小數(shù)部分，簡稱：乘基數(shù)取整法，順排列。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將十進制小數(shù)(0.8125)D轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)(0.8125)D=(0.1101)B22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換3、二進制轉(zhuǎn)換為8進制或者16進制轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)為中心，向兩方向開始分組，轉(zhuǎn)成8進制時3位為一組，轉(zhuǎn)成16進制時4位為一組，不能空缺，不夠補0，然后把二進制對應到8進制或者16進制數(shù)符，小數(shù)位置不變。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換（1）二進制轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)點為分界，整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右，每3位為一組（不足3位時，整數(shù)部分在最高位前添0補足3位，小數(shù)部分在尾部用0補足3位），然后按順序?qū)懗雒拷M二進制數(shù)所對應的八進制數(shù)即可。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將二進制數(shù)(1010011.1101)B轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)。(1010011.1101)B=(123.64)O22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換（2）二進制轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)點為分界，整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右，每4位為一組（不足4位時，整數(shù)部分在最高位前添0補足4位，小數(shù)部分在尾部用0補足4位），然后按順序?qū)懗雒拷M二進制數(shù)所對應的十六進制數(shù)即可。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將二進制數(shù)(1011011.1101)B轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)(1011011.1101)B=(5B.D)H22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換4、八進制或者十六進制轉(zhuǎn)換為二進制轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)為中心，向兩方向展開：對8進制數(shù)1位對3位2進制；對16進制數(shù)，1位對4位2進制數(shù)。（1）八進制轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法是“一位拆三位”，即將八進制數(shù)的每1位用3位二進制數(shù)來表示，就可以把八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成對應的二進制數(shù)。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換（2）十六進制轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法是“一位拆四位”，即將十六進制數(shù)的每1位用4位二進制數(shù)來表示，就可以把十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成對應的二進制數(shù)。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將八進制數(shù)(36.57)O轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)(36.57)O=(11110.101111)B22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換將十六進制數(shù)(3A.7C)H轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換5、八進制與十六進制相互轉(zhuǎn)換如果需要把八進制與十六進制相互轉(zhuǎn)換時，可以借助二進制來實現(xiàn)。先把八進制數(shù)（或十六進制數(shù)）轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，然后把所得的二進制數(shù)再轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)（或八進制數(shù)）即可。22.2.4不同進制之間的轉(zhuǎn)換例如：將十六進制數(shù)(2A.5C)H

轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)。2二進制、八進制、十進制、十六進制數(shù)的對應關系2二進制八進制十進制十六進制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F10000201610本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼51372.3計算機運行與二進制運算2.3.1計算機的運行2.3.2二進制數(shù)的算術運算2.3.3二進制數(shù)的邏輯運算22.3.1計算機的運行計算機的大腦為中央處理器（CPU），中央處理器主要工作就是計算，它是在控制器的控制下由它的運算器部件進行兩種高速運算，即算術運算與邏輯運算。計算機處理事務的過程為：用戶在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下運行某個應用軟件，軟件程序在編譯程序的作用下把它編譯轉(zhuǎn)換為機器語言（二進制），機器語言在中央處理器里進行運算，運算后的結(jié)果（二進制序列）再通過系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)換為人們感受到的應用軟件執(zhí)行的結(jié)果反饋給用戶。22.3.2二進制數(shù)的算術運算1、加法運算法則0＋0＝00＋1＝11＋0＝11＋1＝1022.3.2二進制數(shù)的算術運算1、加法運算法則例：求（10011.01）2

＋（100011.11）2=（110111）2210011.01100011.11````＋）0.01110112.3.2二進制數(shù)的算術運算1、加法運算法則練習：求（1011011）2

＋（1010.11）2

=（1100101.11）2210110111010.11`＋）1.1101001``12.3.2二進制數(shù)的算術運算2、減法運算法則0－0＝01－0＝11－1＝00－1＝1（10－1）22.3.2二進制數(shù)的算術運算2、減法運算法則例：求（10110.01）2

－（1100.10）2=（1001.11）2210110.011100.10```

－）1.110012.3.2二進制數(shù)的算術運算2、減法運算法則練習：求（1010110）2

－（1101.11）2=（1001000.01）221010110.001101.11

－）1.00001001````2.3.2二進制數(shù)的算術運算3、乘法運算法則0×0＝01×0＝00×1＝01×1＝122.3.2二進制數(shù)的算術運算3、乘法運算法則例：求（1101.01）2×（110.11）2=（1011001.0111）222.3.2二進制數(shù)的算術運算21101.01110.11×

）1101011101010000001101011101011011001.01112.3.2二進制數(shù)的算術運算4、除法運算法則0÷0＝01÷0=（無意義）0÷1＝01÷1＝122.3.2二進制數(shù)的算術運算4、除法運算法則2110110110110010.011101.12.3.3二進制數(shù)的邏輯運算二進制數(shù)的邏輯運算是指“條件”與“結(jié)論”之間的關系。它是指對因果關系進行分析的一種運算，運算結(jié)果并不表示數(shù)制的大小，而是表示邏輯概念成立還是不成立。22.3.3二進制數(shù)的邏輯運算邏輯代數(shù)：是實現(xiàn)邏輯運算的數(shù)學工具。（由英國人喬治?布爾創(chuàng)立，又稱布爾代數(shù)）邏輯變量：邏輯代數(shù)是通過邏輯變量表示命題的22.3.3二進制數(shù)的邏輯運算基本的邏輯關系邏輯與（And）邏輯或（Or）邏輯非（Negate）邏輯異或（Exclusive—Or）邏輯同或（Inclusive—Or）22.3.3二進制數(shù)的邏輯運算1、邏輯與運算又稱為邏輯乘，常用符號“×”或“·”或“∧”表示?！芭c”運算遵循如下運算規(guī)則：0×1＝0或0·1＝0或0∧1＝01×0＝0或1·0＝0或1∧0＝01×1＝1或1·1＝1或1∧1＝122.3.3二進制數(shù)的邏輯運算例：邏輯與運算10101111?10011101=1000110121010111110011101∧）101100012.3.3二進制數(shù)的邏輯運算2、邏輯或運算又稱為邏輯加，可用符號“＋”或“∨”來表示。邏輯“或”運算的規(guī)則如下：0＋0＝0或0∨0＝00＋1＝1或0∨1＝11＋0＝1或1∨0＝11＋1＝1或1∨1＝122.3.3二進制數(shù)的邏輯運算例：邏輯或運算10101010?01100110=

1110111021010101001100110∨）011101112.3.3二進制數(shù)的邏輯運算3、邏輯非運算又稱為邏輯否定，實際上就是將原邏輯變量的狀態(tài)求反，其運算規(guī)則如下：21=00=12.3.3二進制數(shù)的邏輯運算例：邏輯非運算201001011=101101002.3.3二進制數(shù)的邏輯運算4、邏輯異或運算“異或”運算，常用符號“⊕”來表示，其運算規(guī)則為：0⊕0＝00⊕1＝11⊕0＝11⊕1＝022.3.3二進制數(shù)的邏輯運算例：邏輯異或運算2101001011010101000001111=＋101010100000111110100101＋2.3.3二進制數(shù)的邏輯運算5、邏輯同或運算“同或”運算，常用符號“⊙”來表示，其運算規(guī)則為：0⊙0＝10⊙1＝01⊙0＝01⊙1＝12本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼51632.4二進制的硬件表示2.4.1幾種常見存儲介質(zhì)的二進制存儲方式2.4.2觸發(fā)器22.4.1幾種常見存儲介質(zhì)的二進制存儲方式1.磁介質(zhì)2.光盤3.U盤22.4.2觸發(fā)器觸發(fā)器是一種可以存儲電路狀態(tài)的電子元件，它是表達二進制0或者1的邏輯電路。計算機的CPU內(nèi)部主要部件寄存器就是由觸發(fā)器組成的，一個觸發(fā)器可以表示一位二進制0或者1。2本章內(nèi)容2.1信息與數(shù)據(jù)概述12.2計算機中的數(shù)制22.3計算機運行與二進制運算32.4二進制的硬件表示42.5信息編碼51672.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.1數(shù)值信息的二進制表示在計算機內(nèi)部，所有的數(shù)據(jù)都是以二進制進行表示的。二進制數(shù)據(jù)應該是最簡單的數(shù)字系統(tǒng)了，二進制中只有兩個數(shù)字符號即0和1?！癰it”這個詞被創(chuàng)造出來表示“binarydigit”(二進制數(shù)字)。簡單的二進制之所以能表示各種信息，是因為可以利用二進制對信息進行各種方式的編碼，只要比特的位數(shù)足夠多，就可以代表單詞、圖片、聲音、數(shù)字等多種信息形式。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示在計算機中，數(shù)值型的數(shù)據(jù)有兩種表示方法，一種叫做定點數(shù)，另一種叫做浮點數(shù)。無論是定點數(shù)還是浮點數(shù)，都有正負之分,在表示數(shù)據(jù)時，專門有1位或2位表示符號,符號位都處于數(shù)據(jù)的最高位,通常用“1”表示負號；用“0”表示正號22.5.1數(shù)值信息的二進制表示1.定點數(shù)的表示所謂定點數(shù)，就是在計算機中所有數(shù)的小數(shù)點位置固定不變。定點數(shù)有兩種：定點小數(shù)和定點整數(shù)。一個定點數(shù)，在計算機中可用不同的碼制來表示，常用的碼制有原碼、反碼和補碼三種。不論用什么碼制來表示，數(shù)據(jù)本身的值并不發(fā)生變化，數(shù)據(jù)本身所代表的值叫做真值。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示1.定點數(shù)的表示（1）原碼原碼的表示方法為：如果真值是正數(shù)，則最高位為0，其它位保持不變；如果真值是負數(shù)，則最高位為1，其它位保持不變?！纠繉懗?2和–12的原碼(取8位碼長)因為12=(1100)2，所以12的原碼是00001100，-12的原碼是10001100。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示1.定點數(shù)的表示（2）反碼反碼的表示方法為：如果真值是正數(shù)，則最高位為0，其它位保持不變；如果真值是負數(shù)，則最高位為1，其它位按位求反?！纠繉懗?2和–12的反碼(取8位碼長)因為12=(1100)2，所以12的反碼是00001100，-12的反碼是11110011。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示1.定點數(shù)的表示（3）補碼補碼的表示方法為：若真值是正數(shù)，則最高位為0，其它位保持不變；若真值是負數(shù)，則最高位為1，其它位按位求反后再加1?！纠繉懗?2和–12的補碼(取8位碼長)因為12=(1100)2，所以12的補碼是00001100，-12的補碼是11110100。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.浮點數(shù)的表示方法浮點數(shù)12.34表示為0.1234×102，其中0.1234叫做尾數(shù)

10叫做基數(shù)，可以在計算機內(nèi)固定下來

2叫做階碼，若階碼的大小發(fā)生變化，則意味著實際數(shù)據(jù)小數(shù)點的移動浮點數(shù)的一般表示形式為：N=2E×D，其中，D稱為尾數(shù)，E稱為階碼。22.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.浮點數(shù)的表示方法對于不同的機器，階碼和尾數(shù)各占多少位，分別用什么碼制進行表示都有具體規(guī)定。22.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示在計算機中，對非數(shù)值的文字和其他符號進行處理時，要對文字和符號進行數(shù)字化，即用二進制編碼來表示文字和符號。其中西文字符最常用到的編碼方案有ASCII編碼和EBCDIC編碼。22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示1.ASCII編碼ASCII碼由7位二進制數(shù)組成，由于27=128，所以能夠表示128個字符數(shù)據(jù)。22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2ASCII值控制字符ASCII值控制字符ASCII值控制字符ASCII值控制字符0NUT32(space)64@96、1SOH33！65A97a2STX34”66B98b3ETX35#67C99c4EOT36$68D100d5ENQ37%69E101e6ACK38&70F102f7BEL39,71G103g8BS40(72H104h9HT41)73I105i10LF42*74J106j11VT43+75K107k12FF44,76L108l13CR45-77M109m14SO46.78N110n15SI47/79O111o16DLE48080P112p17DCI49181Q113q18DC250282R114r19DC351383X115s20DC452484T116t21NAK53585U117u22SYN54686V118v23TB55787W119w24CAN56888X120x25EM57989Y121y26SUB58:90Z122z27ESC59;91[123{28FS60<92/124|29GS61=93]125}30RS62>94^126~31US63?95—127DEL2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.ANSI編碼和其他擴展的ASCII碼ANSI(美國國家標準協(xié)會)編碼是一種擴展的ASCII碼，使用8個比特來表示每個符號。8個比特能對256個字符進行編碼。ANSI碼開始的128個字符的編碼和ASCII碼定義的一樣，只是在最左邊加了一個0。例如：在ASCII編碼中，字符“a”用1100001表示，而在ANSI編碼中，則用01100001表示。22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示3.EBCDIC編碼EBCDIC碼(ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode，擴展的二-十進制交換碼)是IBM為它的更大型的操作系統(tǒng)而開發(fā)的22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示4.Unicode編碼Unicode（統(tǒng)一碼、萬國碼、單一碼）Unicode采用16位編碼，每一個字符需要2個字節(jié)Unicode的字符編碼范圍從0000h～FFFFh，可以表示65536個不同字符Unicode編碼開始的128個字符編碼0000h～007Fh就與ASCII碼字符一致，這樣就能夠兼顧已存在的編碼方案，并有足夠的擴展空間。22.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示5．漢字的二進制表示漢字編碼根據(jù)漢字輸入輸出以及計算機內(nèi)部編碼分為：漢字輸入碼（外碼）、漢字交換碼、漢字機內(nèi)碼以及漢字字形碼。22.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.3圖形圖像的二進制表示圖形圖像的數(shù)字化過程也就是把圖像變成二進制編碼，圖像數(shù)字化后是一個個像素點組成的，而且數(shù)字化是由光傳感器完成的。假設一個光傳感器的分辨率是800*600，一幅圖像數(shù)字化后就是由800*600個像素點組成的，每個像素點由三個字節(jié)表示顏色（紅，綠，藍），所以每個像素點就用24位二進制表示，整幅數(shù)字圖像的大小就是800*600*24bit，這就是圖形圖像的二進制表示。22.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.4音頻的二進制表示音頻的二進制表示（數(shù)字化）也需要經(jīng)過采樣、量化、編碼完成22.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.5視頻動畫的二進制表示視頻和動畫本質(zhì)上也是一些列靜止的圖像畫面在短時間內(nèi)連續(xù)播放，因為人的視覺暫留特點，人們看起來就是連續(xù)運動的視頻了，所以視頻動畫的數(shù)字化本質(zhì)上跟圖形圖像數(shù)字化是類似的，也是經(jīng)過傳感器把畫面數(shù)字化。視頻動畫數(shù)字化后形成各種格式的計算機文件，如AVI、MP4、GIF等格式的文件22.5信息編碼2.5.1數(shù)值信息的二進制表示2.5.2文本（字母符號漢字）的二進制表示2.5.3圖形圖像的二進制表示2.5.4音頻的二進制表示2.5.5視頻動畫的二進制表示2.5.6條形碼與二維碼22.5.6條形碼與二維碼1、條形碼目前條形碼主要是一維條碼，是用深色的條和淺色的空來表示二進制數(shù)的"1"和"0"。條碼是將線條與空白按照一定的編碼規(guī)則組合起來的符號，用以代表一定的字母、數(shù)字等資料。22.5.6條形碼與二維碼2、二維碼二維條碼使用黑白矩形圖案表示二進制數(shù)據(jù)，其中黑色小方塊代表的是1，白色小方塊代表的是0，黑白相間的圖案其實就是一串編碼，掃碼的過程就是翻譯這些編碼的過程。22.5.6條形碼與二維碼2、二維碼二維碼除了右下角外，在其他三個角都有一個正方形方框，這是用來定位的，其他黑白方塊是標識信息的。2大學計算機基礎

第3章計算機系統(tǒng)及工作原理大學計算機基礎課程組2022年5月主要內(nèi)容196圖靈機計算機硬件系統(tǒng)1圖靈機計算機軟件系統(tǒng)2圖靈機計算機工作原理3教學目標2掌握計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能體會計算機系統(tǒng)中蘊含的抽象、并行等計算思維方法。了解計算機工作原理掌握計算機軟件系統(tǒng)的功能、分類等基礎知識1234計算機硬件系統(tǒng)-圖靈機思想198這個過程也就是關于數(shù)據(jù)、指令、程序及其自動執(zhí)行的過程。圖靈從理論上證明了通用計算機存在的可能性，創(chuàng)立了通用計算機理論。圖靈機裝置和原理示意圖靈機基本思想是可以用機器來模擬人們用紙筆進行數(shù)學運算的過程。199用來模擬“計算”過程的圖靈機模型由以下幾個部分組成：（1）一條無限長的紙帶TAPE。（2）一個讀寫頭HEAD。（3）一套控制規(guī)則TABLE。（4）一個狀態(tài)寄存器。計算機硬件系統(tǒng)-圖靈機模型圖靈機模型圖靈機模型計算機硬件系統(tǒng)-馮?諾依曼計算機思想200馮?諾依曼計算機基本思想二進制存儲程序馮?諾依曼計算機基本結(jié)構(gòu)201各部分主要功能如下：運算器：進行各種算術運算和邏輯運算?？刂破鳎簠f(xié)調(diào)計算機各部件間正常有序工作。存儲器：存儲程序、數(shù)據(jù)。輸入設備：提供計算機運行需要輸入的程序、數(shù)據(jù)及各種信息。輸出設備：顯示或打印計算機輸出的信息。馮?諾依曼將計算機分為組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。計算機硬件系統(tǒng)-馮?諾依曼計算機結(jié)構(gòu)202存儲器運算器控制器輸出設備輸入設備（a）以運算器為中心的結(jié)構(gòu)（b）以存儲器為中心的結(jié)構(gòu)馮?諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)框圖結(jié)果程序控制器存儲器運算器輸出設備輸入設備數(shù)據(jù)計算203哈佛結(jié)構(gòu)是將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開存儲的結(jié)構(gòu)。指令和數(shù)據(jù)的儲存可以同時進行，指令和數(shù)據(jù)可以有不同的數(shù)據(jù)寬度。哈佛結(jié)構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)中有廣泛的應用。哈佛結(jié)構(gòu)本質(zhì)上并不是對馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的突破，可理解為不同應用環(huán)境下的結(jié)構(gòu)上的一些改進，實際上現(xiàn)代計算機系統(tǒng)這兩種結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成的有機的混合。計算機硬件系統(tǒng)-哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)微機系統(tǒng)204微機是以微處理器為基礎，配置內(nèi)存和輸入輸出設備及輔助電路總路線等組成的體積較小的電子計算機。微機系統(tǒng)與其它大多數(shù)計算機系統(tǒng)一樣，在硬件結(jié)構(gòu)上依然遵循馮?諾依曼計算機的基本結(jié)構(gòu)框架，微型計算機的硬件系統(tǒng)由主機和外設兩大部分組成。主機主要由中央處理器和內(nèi)存組成。微處理器205微處理器是由大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路集成運算器和控制器兩大功能的部件，簡稱中央處理器，即我們通常所說的CPU。微處理器由運算器與控制器組成，一般還集成有寄存器組和高速緩沖存儲器（Cache）。微處理器微處理器206微處理器按照其處理信息的字長可分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及現(xiàn)階段常用的64位微處理器。微機的發(fā)展與微處理器的發(fā)展是分不開的。運算器207

運算器由算術邏輯單元（Arithmeticandlogicunit，簡稱ALU）、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)寄存器組成，它是數(shù)據(jù)加工處理部件，完成計算機的各種算術和邏輯運算。執(zhí)行算術運算執(zhí)行邏輯運算（1）運算器運算器有兩個主要功能：

控制器208控制器是計算機指揮和控制中心?？刂破髦饕沙绦蛴嫈?shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器等組成。（2）控制器控制器209（2）控制器主要功能從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。對指令進行譯碼或測試，并產(chǎn)生相應的操作控制信號，以便啟動規(guī)定的動作。指揮并控制運算器、內(nèi)存和輸入/輸出設備之間數(shù)據(jù)流動的方向。控制器根據(jù)事先給定的命令發(fā)出控制信息，使整個電腦指令執(zhí)