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大学计算机基础ENIACENIAC的问题的问题1945年，冯诺依曼根据ENIAC存在的问题(1)没有存储器(2)用布线接板进行控制存储程序通用电子计算机方案冯.诺依曼EDVAC二进制二进制3p 问题的提出问题的提出 计算机需要一种“语言”十进制数 “09”p 问题的问题的解决解决 二进制数 0 1 两种状态 低电平 高电平 计算机的信息单位计算机的信息单位0 0和和1 1由来由来 1与0，一切数字的神奇渊源。这是造物的秘密美妙的典范，因为，一切无非都来自上帝。18世纪 德国 莱布尼茨乾卦111坤卦000冯冯诺依曼的启示诺依曼的启示v二进制电子元件双稳的工作特点将简化机器的逻辑线路v日常生活中的进制数十进制数七进制数24进制数12进制数为什么冯.诺依曼选择二进制？电子元器件双稳态电子元器件双稳态9瓦 8瓦 7瓦 6瓦 5瓦 4瓦 3瓦 2瓦 1瓦 关开关10十进制二进制运算规则简单运算规则简单v十进制数九九乘法表v二进制数 0+0 0+1 和 1+0 1+1v逻辑运算0100111101000101逻辑与逻辑与逻辑或逻辑或0110逻辑非逻辑非采用二进制的好处采用二进制的好处可编码任意信息算术运算规则简单适合逻辑运算实现技术(电子元器件)简单911111000(11101010)2计算机的信息单位计算机的信息单位二进制数二进制数v进位制用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值型信息的表示方法。v二进制 只有两个数码：0和1;数位i的权值：2i;运算规则：逢二进1，借1当二；2称为计数制的基数。(1 1 1 1 0 1 0 1.0 1)20127 6 5 4 3-1-2=127+126+125+124+023+122+021+120+02-1+12-2=245.25()10二进制数二进制数-算术运算算术运算例1:(10111)2+(10011)2=?10111+)10011010101 例2:(10111)2(10011)2=?10111-)1001100100二进制的算术运算u算术运算按位计算并考虑进位和借位；u乘除法运算可转为多次加减法运算来进行；u有很多快速进行加减乘除运算的算法。二进制的缺点二进制的缺点v与十进制相比，二进制的一个数值的数码位数长，识认比较困难。v二进制与十进制进行转换比较麻烦。我认识他已经1110年了！我认识他已经14年了！计算机显示数据时常用到其它进制数八进制、十六进制数制及其转换数制及其转换基数：一种数制由R个基本字符组成，则基数为R数制概念进制进制 基数基数基本符号基本符号二进制二进制R=2R=20,10,1八进制八进制R=8R=80,1,2,3,4,5,6,70,1,2,3,4,5,6,7十进制十进制R=10R=100,1,2,3,4,5,6,7,8,90,1,2,3,4,5,6,7,8,9 十六进制十六进制R=16R=160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,FA,B,C,D,E,FA:10,B:11,F:1514计数制的不同表示1010110101B B为为二进制数二进制数1010110101，也记为，也记为（1010110101）2 2101101OO为为八进制数八进制数101101，也记为，也记为（101101）8 8234234DD为为十进制数十进制数234234，也记为，也记为（234234）1010101A101AHH为为十六进制十六进制数数101A101A，也记为，也记为（101A101A）1616 数制及其转换数制及其转换思考思考：十进制和二进制足够为什么还要八进制：十进制和二进制足够为什么还要八进制和十六进制？和十六进制？2.1 理解0和1二进制转换十进制【例例1 1】（10110.0110110.01）2 2=124+023+122 +121+020+02-1+12-2=（22.25）10思考：八进制、十六进制转换为十进制呢？（642）8=（？）10（9B4.4）16=（？）10(642)8按照位权展开(642)8=682+481+280=（418）10(9B4.4)16按照位权展开(9B4.4)16=9162+11161+4160+416-1 =（2484.25）10R进制转换为十进制都是以位权形式展开求和2.1 理解0和117十进制 转换 二进制转换规则：转换规则：整数部分除2取余法第2：十进制转换R进制18【例例2 2】(13)13)1010 =（？）2 21 32余数6 123 021 120 1高位低位 (1101)2(13)10=19 十进制十进制向向八进制转换八进制转换：(348 348)1010 (？)8 8 348 8=434348 8=434 43 8=5.3 43 8=5.3 5 5 8=08=0.5 5 所以所以(348 348)10 (534)(534)8 8十进制十进制向向十六进制转换：十六进制转换：(348 348)10 (？)16 34816=21.C 34816=21.C 2116=1.5 2116=1.5 116=0 116=01 1所以所以(348 348)10 (15C)(15C)16十进制向十进制向十六十六进制、八进制的转换呢？进制、八进制的转换呢？20 进制之间的转换关系进制之间的转换关系进制之间的转换关系进制之间的转换关系 第3：二、八、十六进制数之间的转换21 二、八、十六进制数之间的转换二、八、十六进制数之间的转换（1 1）二进制数）二进制数 八进制数八进制数原则：三位一组法，不足原则：三位一组法，不足3 3位补零位补零小数部分：从左向右分组小数部分：从左向右分组整数部分：从右向左分组整数部分：从右向左分组数数制制间间的的转转换换【例例3 3】（10110.1110110.11）2=2=（？）？）8 81 0 1 1 0 .1 11 0 1 1 0 .1 10 0 1 0 1 1 0 .1 0 1 1 0 .62 1 11 1 0 06（10110.11）2=（26.6）8思考：那么数字2与16的又有什么关系？23（2 2）二进制数）二进制数 十六进制数十六进制数原则：四位一组法，不足原则：四位一组法，不足4 4位补零位补零整数部分：从右向左分组整数部分：从右向左分组整数部分：从右向左分组整数部分：从右向左分组小数部分：从左向右分组小数部分：从左向右分组小数部分：从左向右分组小数部分：从左向右分组数数制制间间的的转转换换二、八二、八、十六进制数之间的转换、十六进制数之间的转换24二进制二进制 转换转换 十六进制十六进制【例3】（11101.01111101.011）2 2 =（？）（？）16161 1 1 0 1.0 1 11 1 1 0 1.0 1 10 0 0 1 1 1 0 1.0 0 0 1 1 1 0 1.1 1DD0 1 1 00 1 1 06 6.（11101.011）2 =（1D.6）1625八进制 转换 十六进制（略讲）八进制 转换 二进制 转换 十六进制【例4】（172.6）8=（？）16（1 7 2 .6）80 1 01 1 1（0 0 1.1 1 0 ）2A .7C（172.6）8=（7A.C）160v信息数值信息非数值信息英文字符、标点符号汉字图形声音视频.信息如何以二进制的形式在计算机中表示呢？编 码u计算机中的所有信息都可以用二进制编码表示u编码：编码是以若干位数码或符号的不同组合来表示非数值性信息的方法，它是人为地将若干位数码或符号的每一种组合指定一种唯一的含义。例如：0-男，1-女再如：000-星期一 001-星期二 010-星期三 011-星期四 100-星期五 101-星期六 110-星期日再如：000-一院 001-二院 010-三院 011-四院 100-五院 101-六院 110-七院 111-其他 2.1 理解0和1(4)0和1与编码2.1 理解理解0和和1u 编码的三个主要特征u 唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义u 公共性：所有相关者都认同、遵守、使用这种编码u 易于记忆/便于识认性：有一定规律。为计算机使用的编码：规律性易于编程序处理之；为人所使用的编码：便于记忆和便于识认。(4)0和1与编码 bit 1位二进制位/信息表示的最小单位 Byte 字节,8位二进制位/信息容量的基本单位 1KB =210字节(1024字节)1MB =210KB (约1,000,000字节)1GB =210MB (约1,000,000,000字节)1TB =210GB 注意：2的幂次方为计算单位 Word 字计算机内部数据处理、信息传输的基本单位。u信息的基本度量单位 2.1 理解0和1(4)0和1与编码 每一个字包含的二进制位数称为字长uASCII码-英文字母符号的编码uASCII码是计算机领域普遍应用的英文字母与符号的0,1型编码方法，是用7位0和的不同组合来表示10个数字、26个英文大写字母、26个英文小写字母及其一些特殊符号的编码方法，是信息交换的标准编码。B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 x x x x x x x2.1 理解0和1(4)0和1与编码American Standard Code for Information Interchange128个字符，可以用多少位进行编码呢？在计算机内ASCII码以8位来表示的，其最高位取0。ASCIIASCII码码 B7B6B5B4B3B2B1B0 0 x x x x x x x每8位为一个字符，最高位为041H 5AH:A Z61H 7AH:a z0AH:换行符号LF0DH:回车符号CR30H 39H:0 901000001 A 41 H01000010 B 42 H01000110 F 46 H2.1 理解0和1u ASCII编码的规律(4)0和1与编码u完整的ASCII码表u0,1型编码以十进制表示。uASCII码的出现使得信息交换标准统一，形成统一的基于ASCII码的处理方法，使得计算机得以推广和普及。2.1 理解0和1(4)0和1与编码ASCII码的出现统一了信息交换标准使得计算机得以推广和普及u十个数字符号的编码-BCD码BCD码：Binary Coded Decimal(二-十进制编码)是用位和的不同组合，按照与进位制保持一致的关系，来表示10个十进制数字的方法。10个数字，只需4位0/1数码即可十进制0 1 2 3 4 BCD码 0000 0001 0010 0011 0100十进制5 6 7 8 9 BCD码 01010110 0111 1000 10012.1 理解0和1(4)0和1与编码2.1 理解0和1(4)0和1与编码（记住常用的ASCII码值！）字符ASCII码值A A65(41H)Z Z90(5AH)a a97(61H)z z122(7AH)字符ASCII码值0 048(30H)9 957(39H)000空格空格32 机器数：一个数在机器中的表现形式。真值：数的本身。在计算机机中表示正负号：一般用0表示正号，用1表示负号，符号位放在数的最高位。目前常用的机器数有原码、反码、补码等编码方法。计算机中正负数的表示pp整数整数X X的原码指：的原码指：其数符位其数符位0 0表示正，表示正，1 1表示负；其数表示负；其数值部分就是值部分就是X X绝对值的二进制表示绝对值的二进制表示。pp通常通常用用XX原原表示表示X X的原码。的原码。例如：例如：+1+1原原=0 0 000 0001 +127000 0001 +127原原=0 0 111 1111 111 1111 -1 1 原原=1 1 000 0001 000 0001 -127-127原原 =1 1 111 1111111 1111 注意注意：在原码表示中，零有两种表示形式，即：在原码表示中，零有两种表示形式，即 +0+0原原=0 0 000 0000 -0000 0000 -0原原 =1 1 000 0000000 0000 1 原码原码的特点原码的特点v原码表示法简单易懂，与其真值的转换方便。原码表示法简单易懂，与其真值的转换方便。v缺点：缺点：1.1.不便于加减运算。不便于加减运算。2 2.零的表示不具有唯一性。零的表示不具有唯一性。+0+0与与-0-0不一致不一致。v整数整数X X的反码指：的反码指：对于正数与原码相同；对于负数，对于正数与原码相同；对于负数，数符位为数符位为1 1，其数值位，其数值位X X的绝对值取反的绝对值取反。v通常通常用用XX反反表示表示X X的反码。的反码。例如：例如：+1+1反反=0 0 000 0001 000 0001 +127127反反=0 0 111 1111111 1111 -1-1 反反=1 1 111 1110 111 1110 -127127 反反 =1 1 000 0000000 0000v由此由此看出，在反码表示中零也有两种表示形式，即：看出，在反码表示中零也有两种表示形式，即：+00反反=0 0 000 0000 000 0000 -0-0反反=1 1 111 111 11111111v反码运算也不方便。反码运算也不方便。2 2 反码反码3 3 补码补码数值型数据的编码数值型数据的编码 一个二进制数在计算机中是以这个二进制数的补码形式表示的。原码：原码：正数正数的符号位用的符号位用0 0表示，表示，负数负数的符号位的符号位用用1 1表示，数值部分用表示，数值部分用二进制表示。二进制表示。补码：补码：正数的补码和正数的补码和原码相同，原码相同，负数的补负数的补码是数码是数1 1值部分每位值部分每位取反加取反加1 1。1 1 0 0 1 1 0 1-77 符号位真值1 1 0 0 1 1 0 11 0 1 1 0 0 1 1原码补码补码补码1 0 1 1 0 0 1 0反码+1上次课复习上次课复习v0和1的出现v计算机采用二进制的原因v二进制与其它进制的转换v信息的编码-0，1码数值在计算机中的表示：定点数、浮点数数值在计算机中的编码：原码、反码、补码非数值信息编码：ASCII码非数值信息1、字符（如汉字等）2、图像、音频、视频输入码：拼音码、字型码、区位码 拼音码：da五笔字型码：ddddu汉字输入码：汉字依据输入码通过键盘输入汉字。汉字信息编码汉字信息编码计算机内部由外到内由内到外大大大大u汉字内码：汉字在计算机内部采用汉字内码存储。计算机内部由外到内由内到外b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 用0和1编码汉字,每个汉字在计算机内部由 2个字节表示0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 国标码国标码1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 (机)内码汉字信息编码汉字信息编码大大用0和1编码无亮点和有亮点形成字形信息,便于显示 汉字字形码是一种字模点阵码。也有不同的处理汉字点阵信息的编码，如向量编码等oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooo111111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo计算机内部由外到内由内到外大大u汉字字形码：汉字依据字形码通过显示器或打印机输出汉字。汉字信息编码汉字信息编码汉字字形点阵的代码有1616、2424、3232、4848、72 72等编码点阵数越大，分辨率越高，字形越美观，但占用的存储空间越多u像素：描述图像的最小单位，显示器上的一个可发光的点，每个像素可显示不同颜色u位图图像：由静态的像素点组成，直接按像素点位置画出，例如BMP,JPG,GIFu矢量图像：由若干特定点的位置和相关数学公式计算动态画出，例如wmf,dwg计算机中的图像计算机中的图像单色图像单色图像黑白黑白(1(1位位)彩色图像彩色图像 1616色色(4(4位位)256256色色(8(8位位)2424位真彩色位真彩色3232位真彩色位真彩色音频编码计算机中的声音计算机中的声音u视频编码：视频是时间序列的动态图像(如25帧/秒)，也是连续的模拟信号，需要经过采样、量化和编码形成数字视频，保存和处理。计算机中的视频计算机中的视频音频轨文字轨视频轨ASCII示例示例信息表示与处理的基本思想信息表示与处理的基本思想0 0和和1 1的思维的思维v0和1的出现v计算机采用二进制的原因v二进制与其它进制的转换v信息的编码-0，1码v0和1的基本硬件实现u二极管特性相当于开关：加正向电压导通，加反向电压截止；通过外加电压的调整，控制开与关(实现1和0的变换)FKVFLRI(b)KLRVR(b)0 0和和1 1的基本硬件实现的基本硬件实现-二极管二极管u三极管主要功能为开关和放大作用l以较小的b极电流信号可控制较大的c极流过的电流-放大。典型的三极管电路0 0和和1 1的基本硬件实现的基本硬件实现-三极管三极管u用二极管、三极管可实现基本的集成电路:与门、或门和非门u与门、或门和非门等门电路便成为计算机基本的元器件。用二极管实现的与门：当用二极管实现的与门：当A,B端均为高电平端均为高电平(1)时，时，则则F端为高电平端为高电平(1)，否则，否则F端为低电平端为低电平(0)。用二极管实现的或门：当用二极管实现的或门：当A,B端均为低电平端均为低电平(0)时，时，则则F端为低电平端为低电平(0)，否则，否则F端为高电平端为高电平(1)。用三极管实现的非门：当用三极管实现的非门：当A端端为低电平为低电平(0)时，则时，则F端为高电端为高电平平(1)；当；当A端为高电平端为高电平(1)时，时，F端为低电平端为低电平(0)。0 0和和1 1的基本硬件实现的基本硬件实现-集成电路集成电路=1表示异或运算。&表示与运算。半加器的电路实现：Ai Bi分别为第i位加数和被加数，Si为第i位运算的和，Ci+1为产生的进位。u利用与门、或门和非门可实现更为复杂的控制电路u 示例：一位半加器。=1&AiBiSiCi+1 Ai+BiCi+1 Si0 0和和1 1的复杂部件的硬件实现的复杂部件的硬件实现u全加器可按此方法由两个半加器实现。u由此就可用简单的逻辑电路构造复杂的逻辑电路。=1&AiBiSiCi+1=1&AiBiSiCi+10 0和和1 1的复杂部件的硬件实现的复杂部件的硬件实现微处理器芯片CPU：复杂组合逻辑集成在一块板上并封装而成的电路计算机中复杂的集成电路是如何进行协调工作的呢？计算机系统计算机系统v图灵机v冯诺依曼计算机v计算机硬件系统v计算机软件系统v计算机语言图灵及图灵奖图灵及图灵奖阿兰麦席森图灵图灵奖姚期智图灵机图灵机v1936年，Turing Machinev用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程。v图灵机的组成：一条无限长的纸带 TAPE；一个读写头 HEAD；一套控制规则 TABLE；一个状态寄存器。冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机基本思想l存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器,可按地址寻访,连续自动执行。l五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备l指令和数据用二进制表示冯诺依曼u 现代计算机通常是以存储器为中心的冯.诺依曼计算机。u输入输出数据或程序不通过运算器，运算器只负责进行运算，可实现二者的并行工作，提高速度。输入设备输入设备输入设备输入设备存储器存储器存储器存储器输出设备输出设备输出设备输出设备运算器运算器运算器运算器控制器控制器控制器控制器运算器控制器 内存储器外存储器输入设备输出设备 控制台电源命令回答命令回答取出的数据存储的数据取出的命令命令/地址外部设备主机中央处理器(CPU)冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机-硬件组成硬件组成批量交换数据一个一个交换数据内存容量小，外存容量大内存存取速度快，外存存取速度慢内存只能临时保存，外存可永久保存内存和外存内存和外存输入设备输出设备输入/出设备 外部设备键盘鼠标扫描仪光驱光盘显示器打印机U盘/硬盘所有外部设备都受主机控制，通过总线把各种设备连接在一起！仅有硬件的计算机可否运行？没有软件的硬件是不能做任何事情的!软件=程序+文档程序=指令序列指令是用户对计算机发出的工作命令操作操作码地址地址码指令格式软件软件硬件硬件计算机系统计算机系统看得见、摸得着的物理载体程序及其配套的数据、文档等应用软件应用软件系统软件系统软件控制台电源外存储器CPUROMRAMBIOS程序操作系统数据应用程序操作系统数据BIOS程序计算机系统的工作过程计算机系统的工作过程计算机语言计算机语言v算法、语言与计算机程序算法算法解决问题解决问题的步骤的步骤程序程序计算机能够理解与计算机能够理解与执行的解决问题的步骤执行的解决问题的步骤计算机语言人和计算机都能理解的语言人和计算机都能理解的语言计算机语言的发展计算机语言的发展(1)(1)计算机能够理解与执行什么呢？u机器语言：用二进制和编码方式提供的指令系统 所编写程序的语言被称为机器语言u所有程序都需转换成机器语言程序计算机才能执行u指令系统：CPU用二进制和编码提供的可以解释并执 行的命令的集合。用指令系统中的指令编写的程序，CPU能够执行100 00110000 00111100 01011000 01010100 10111000 00111111 10100完成7+10并存储的机器代码用机器语言编写程序存在什么问题呢？u汇编语言：是用助记符号编写程序的语言。u汇编语言源程序：是用汇编语言编出的程序。u汇编程序:是将汇编语言源程序翻译成机器语言程序的程序。u 将二进制和编码方式的指令对应成便于记忆和书写的符号，用符号编写程序，编完程序后再翻译成机器语言程序。计算机语言的发展计算机语言的发展(2)(2)MOV A,7 ADD A,10 MOV (7),A HLT完成7+10并存储的汇编语言源程序MOV A,7ADD A,10MOV (7),AHLT汇编汇编程序程序源程序助记符号机器语言程序二进制和编码10000110000001111000101100001010100101110000011111110100汇编语言程序处理过程自动转换u用汇编语言编写程序存在什么问题呢？例如：完成7+10并存储的一段程序Result=7+10;Returnu人们又提供了这样一套规范/书写标准，以语句为单位编写程序,并开发了一个翻译程序，实现了将语句程序自动翻译成机器语言程序的功能。u高级语言：是用类似自然语言的语句编写程序的语言。u高级语言源程序：是用高级语言编出的程序。计算机语言发展计算机语言发展(3)(3)10000110000001111000101100001010100101110000011111110100Result=7+10Return翻译程序源程序语句机器语言程序二进制和编码MOV A,7ADD A,10MOV (7),AHLT高级语言程序处理过程u用所提供的积木块(一组程序)构造更大一些的积木块，再用这些积木块构造更大的程序，。u面向对象的程序设计语言与可视化构造语言u能不能像堆积木一样构造程序呢？例如：可视化构造语言示例可视化构造语言的积木块,每一个积木块都对应一组已编写好并可执行的程序。计算机/CPU能识别与执行的机器语言程序汇编程序编译程序编译程序编程效率高执行效率高汇编语言源程序自动转换高级语言源程序自动转换语言积木块自动转换更大的语言积木块自动转换编译程序u计算机语言发展的基本思维以助记符编写程序以语句编写程序以积木块/对象编写程序 以模型编写程序。模型驱动技术，包含代码生成技术、现实需求的理解模型、模型转换技术是未来计算机语言的发展趋势。计算机语言发展趋势计算机语言发展趋势总总 结结冯诺依曼计算机主机、外部设备系统软件、应用软件进制数的转换01编码计算机系统硬件系统二进制五大部件软件系统计算机语言