大学计算机操作基础实用教程-赵平-课件PPT
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主要知识点信息和信息科学的知识计算机中信息的表示方法，包括常用数制、数制间转换、数值的表示方法、字符的表示方法和多媒体信息的表示方法等。程序设计基础知识，包括程序的概念、结构化程序设计的方法、面向对象程序设计的基础知识等。目录16.1计算机与信息处理16.2计算机中信息的表示方法16.3计算机程序设计基础第十六单元 信息处理和程序设计从1946年第一台电子数字积分计算机ENIAC诞生起，人类对信息处理的方式就从以人为核心的手工方式转变成为以计算机为核心的自动化方式。借助计算机的自动化快速处理、高精度计算、支持多种数据类型等数据处理的特点，记在小本儿上的帐目变成了数据文件，形成了数据库；纯手工的重复计算，演变成为程序的自动执行，难怪有人认为计算机应当被称为信息处理机。16.1计算机与信息处理计算机最初的发明是为了进行军事方面的数值计算，随着人类进入信息社会，计算机的功能已经远远超出了“计算的机器”这个狭义的概念。计算机的应用已深入到社会实践的各个领域，诸如生物工程、船舶工程、地质勘探、海洋工程、气象气候、地震预报、城市建设、核爆模拟、石油物探、航空航天、材料工程、环境科学等。从信息论的观点出发，所有这些应用都可以归为信息处理。 16.1.1信息与信息科学信息是现代生活中的一个非常流行的词汇，但至今对信息这个概念没有一个严格的定义。最早对于信息的科学解释源于通信技术的发展需要，为了解决诸如如何从噪声干扰中接收正确的信息等信息理论问题，促使科学家们对信息问题进行认真的研究。1928年，哈特莱（Ralph V.L. Hartley）发表在贝尔系统技术杂志上的信息传输一书中，首先提出“信息”这一概念，他把信息理解为选择通信符号的方式，并用选择的自由度来计量这种信息量的大小。辞源中将信息定义为“信息就是收信者事先所不知道的报道”。简明社会科学词典中对信息的定义为“作为日常用语，指音信、消息”。虽然对信息的定义众说纷纭，但人们已经认识到信息是一种宝贵的资源，信息、材料、能源是组成社会物质文明的三大要素。在一般用语中，信息、数据、信号并不被严格区别，但从信息科学的角度看，它们是不能等同的。在应用现代科学技术采集、处理信息时，必须要将现实生活中的各类信息转换成机器能识别的符号，再加工处理成新的信息。数据可以是文字、数字、声音或图像，是信息的具体表示形式，是信息的载体。而信号则是数据的电磁或光脉冲编码，是各种实际通信系统中，适合信道传输的物理量。信号可分为模拟信号（随时间而连续变化的信号）和数字信号（在时间上的一种离散信号）。16.1.2信息技术与信息产业信息技术的发展历史源远流长，两千多年前中国历史上著名的周幽王烽火戏诸侯的故事，讲的就是当时的烽火通信。至今人类历史上已经发生了四次信息技术革命。第一次信息革命是文字的使用。文字既帮助了人们的记忆，又促进了人类智慧的交流，成为人类意识交流和信息传播的第二载体。文字的出现还使人类信息的保存与传播超越了时间和地域的局限。 第二次信息革命是印刷术的发明。大约在11世纪（北宋时期），中国人毕升最早发明了活字印刷技术，这是中国人引以为豪的四大发明之一。印刷术的使用导致了信息和知识的大量生产、复制和更广泛的传播。这些信息和知识经过择优流传和系统化，经过历史的取舍、形成了一门门科学知识，并且代代相传。在这期间报刊和书籍成为重要的信息存储和传播媒介，极大地推动了人类文明进步。第三次信息革命是电话、广播和电视的使用。电报、电话、无线电通信等一系列技术发明的广泛应用使人类进入了利用电磁波传播信息的时代。这时信息的交流和传播更为快捷，地域更加广大。传播的信息从文字扩展到声音、图像，先进的科学技术更快地成为了人类共有的财富。 从20世纪中叶开始，第四次信息革命已经到来。这就是当代的电子计算机与通信相结合的信息技术。现代信息技术将信息的传递、处理和存储融为一体，人们可以通过计算机和计算机网络与其他地方的计算机用户交换信息或者调用其他机器上的信息资源。16.2计算机中信息的表示方法计算机的工作原理是基于二进制的，二进制是一种数的进制方法。我们通常所用的是十进制。十进制是由09共10个数字组成，逢十进位。而二进制是逢二进位，因此二进制由0和1两个数字组成。计算机中的信息是用二进制形式存储的。在计算机中，内存由成千上万个小的电子线路单元组成，每个单元有两种工作状态，例如电平的高或低，分别由1和0来代表。这是计算机最小的存储单位，也就是1个bit（位）。 16.2.1数制的概念在计算机中各种形式的数据，无论是数值、文字，还是图像、声音，都是以二进制的形式存储的。数制是用一组固定的符号和统一的法则来表示数值的方法。在日常生活中，我们最常使用的是十进制数。 16.2.2数制间的转换一.十进制整数转换成其他进制的整数转换规则是“除基数取余，直至商为0，余数逆序排列”。下列是将十进制的数值25转换成二进制、八进制和十六进制的计算示意图。二.十进制小数转换成其他进制的小数十进制小数转换成其他进制的方法是“乘以基数取整，直到纯小数为0，整数顺序排列”。下图是使用乘法规则将十进制纯小数0.125转换成其他进制的数的过程。三.其他进制的数转换成十进制的数其他进制的数转换成十进制数时，不区分整数或小数，统一使用的方法是“用数位乘以位权，将乘积相加”。其中位权是数制基数的权数次幂。位权以10进制为例，以小数点为界，整数部分从右向左依次是个位、十位、百位、千位，对应着10的0次幂、1次幂、2次幂、3次幂等。小数部分从左向右依次是十分位、百分位、千分位，对应着10的-1次幂、-2次幂、-3次幂等。应用示例我们将十六进制数A.23转换成十进制数 四.二进制和八、十六进制之间的转换二进制的基数是2，八进制的基数是8，是2的3次幂；十六进制的基数是16，是2的4次幂。由于这三种进制间有这样的一种关系，因此，相互之间的转换就有很简单的方法。1.二进制转换成八进制和十六进制以小数点为界，分别在整数部分和小数部分，每3位作为一个数据段，不足三位时，整数最高位和小数最低位添加0凑够3位。然后将每个数据段对应的十进制值写出来，得到图中第二行的数值，再将这些数值写成八进制的字符，得到第三行的结果，最后将这些八进制字符按现有的位置拼在一起，就得到了最终的转换结果1570.66。 将这个二进制数转换成十六进制的数值时，则是以四位来划分数据段，然后将每个数据段对应的十进制值写出来。需要注意的是，十六进制超过10的数值，要用英文字母来表示。2.八进制或十六进制转换成二进制八进制数转换成二进制时，与上述方法刚好相反，是将对应的每个八进制数字拆成三个二进制值，而十六进制则是拆成四个二进制值，最后拼凑起来。16.2.3数值的表示方法计算机性能指标中有一个“字长”的概念，是指计算机能够同时处理的二进制数据宽度。由于计算机中一个字节由八位二进制数组成，所以字长通常是8的整数倍。计算机的字长越大，它的计算速度就越快，性能就越好。在计算机中存储的数值，不仅要考虑正负数符号的问题，小数点的问题，还要考虑数值存储和数值运算两方面的问题。一.定点数和浮点数1.定点数定点数就是小数点固定的数，因此，定点数分为定点整数和定点小数，如图所示。2.浮点数浮点数是小数点可以变动的数，由于计算机字长有限，所表示的数值的范围也有限，为增大数值表示范围、防止溢出，通常采用浮点数表示法。浮点数的表示类似十进制的科学记数法。如一个十进制数2340，它的科学计数法表示为0.234104，其中0.234称为尾数，4是阶码，再加上尾数和阶码的正负符号，就构成了浮点数的表示方式，如图所示的是十进制数-5.3125在计算机中浮点数的存储格式。16.2.4字符的表示字符是计算机中使用最多的非数值型数据，是人与计算机进行通信、交互的重要媒介，包括西文字符和中文字符，它们在计算机中也都是用二进制数来表示的。一.西文字符计算机对西文字符的编码通常使用ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码，即美国标准信息交换码。ASCII码已被国际标准化组织定为国际标准，是目前最普遍使用的字符编码。国际通用的是7位ASCII码，由高3位和低4位组成。由于一个字节是8位，因此，常将最高位用作校验位。二.中文字符汉字和英文字符相比，从输入到输出过程都比较复杂，图示是汉字信息处理的流程。1.汉字输入码（外码）汉字输入码是为了通过键盘字符把汉字输入计算机而设计的一种编码。英文输入时，想输入什么字符便按什么键，输入码和机内码是一致的。汉字输入时，可能要按几个键才能输入一个汉字。汉字输入方案有成百上千个，如“中国”全拼拼音的输入码是zhongguo，用五笔字型的输入码是khlg。2.汉字国标码汉字国标码（全称GB2312-80，信息交换用汉字编码字符集基本集，也称汉字交换码，简称GB码）主要用于汉字信息交换。GB码中共有7445个字符符号：汉字符号6763个，包括一级汉字3755（按汉字拼音字母顺序排列）和二级汉字3008个（按笔画顺序排列），非汉字符号682个。GB码规定，所有的国标码汉字及符号组成一个9494的方阵，在此方阵中，每一行称为一个区，每一列称为一个位。这样一个汉字所在的行号和列号的组合就构成了该汉字的区位码。任何一个汉字或符号都对应着一个惟一的区位码，没有重码。由区号和位号分别加上32就构成了国标码，这是为了跳过ASCII码的前32个控制字符和空格字符，如图所示。3.汉字机内码（内码） 汉字机内码是在计算机内部存储、处理的代码。汉字机内码的作用是统一了各种不同的汉字输入码在计算机内部的表示，即将输入时使用的多种汉字输入码统一转换成汉字机内码进行存储方便机内的汉字处理。计算机既要处理汉字，又要处理英文，因此计算机必须能区别汉字字符和英文字符。英文字符的机内码是最高位为0的8位ASCII码。为了不与7位的ASCII码发生冲突，把国标码每个字节的最高位由0改为1，转变后的国标码就称为汉字机内码。4.汉字字形码汉字字形码（也称汉字字模），用于汉字的显示和打印，是汉字字形的数字化信息。汉字的内码是用数字代码来表示汉字，但是为了在输出时让人们看到汉字，就必须输出汉字的字型。在汉字系统中，一般采用点阵来表示字形，如1616点阵，每个汉字要占用32个字节；2424点阵，每个汉字要占用72个字节。一般来说，表示汉字时所使用的点阵越大，汉字字形的质量越好，但每个汉字点阵所需要的存储量也越大。如图所示，是汉字“次”1616点阵的字模。5.汉字地址码汉字地址码是指每个汉字字形码在汉字字库中的相对位移地址。在汉字字库中，字形信息都是按一定的（大多数按标准汉字交换码中汉字的排列）连续存放在存储介质上，所以汉字地址码也大多是连续有序的，而且与汉字内码间有着简单的对应关系，以简化汉字内码到汉字地址码的转换。16.2.5多媒体信息的表示多媒体信息（Multimedia）是多种媒体的复合，多媒体信息是指以文字、声音、图形、图像为载体的信息。在一般的声像设备中，声音信息和图像信息都是用模拟量表示的。而计算机不能识别模拟量，只能处理数字量，因此，要将这些模拟量数字化。一.音频信息的数字化计算机中处理的都是一些二进制信息，为了使计算机能处理声音信号，必须先将这种模拟信号转换成二进制的数字信号，即对声波进行采样，这个过程称为模/数（A/D）转换，反之将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换。每秒钟的采样数叫做采样频率，目前通过的标准采样频率有3个：44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz。将采样的声音信号幅值转换为二进制表示，则声音就被数字化了。采样的频率越高，声音的保真度越高，质量越好。二.视频信息的数字化动态图像也称视频信息，人们所看到的视频信息实际上是由许多幅静止的画面所构成的。每一幅画面称为一帧，帧是构成视频信息的最小、最基本的单位。视频信息的采样和数字化视频信号的原理与音频信息数字化相似，也用两个指标来衡量：采样频率和采样深度。采样频率是指在一定时间内以一定的速度对单帧视频信号的捕获量，即以每秒搜捕获得的画面帧数来衡量。例如，要捕获一段连续画面时，可以用每秒2530帧的采样速度对该视频信号加以采样。采样深度是指经采样后每帧所包含的颜色位（色彩值），例如：采样深度为8位，由每帧可达到256级单色灰度。16.3计算机程序设计基础自从20世纪40年代第一台计算机诞生以来，计算机就以独特的方式影响着人们的生活和工作，人们不仅被它尽乎完美的工作效率所吸引，而且为它的发展投入大量的精力和劳动，创造出了一个又一个人间神话。计算机系统是由硬件系统和软件系统构成，软件系统主要是由程序组成。离开软件，计算机几乎什么也不能做。软件的开发又离不开程序设计语言。如果将计算机比做人的话，那么硬件是人的躯体，而软件是人的灵魂。16.3.1程序与程序设计语言在计算机尚未诞生之前，人们就有了“程序”的概念，根据现代汉语词典的解释，所谓“程序”就是事情进行的先后次序，如平常说的“工作程序”、“会议程序”等。什么是计算机程序？根据英国剑桥高级英语词典的解释，“计算机程序”是指为了让计算机完成一项任务而在计算机中存放的一系列计算机可以识别的指令。程序可以简单，也可以复杂，简单的程序只有几条指令，而复杂的程序有成千上万条指令。程序的规模越大，内容越复杂，所需要的程序指令就越多，程序的结构也就越复杂。人们把完成某种任务而编写的一系列指令交由计算机去执行，这个过程叫做程序设计。程序设计要求编写程序的人（程序员）首先对需要完成的任务有一个比较清晰的认识，然后按照计算机可以识别的方式来组织这些指令以形成程序，最后将描述这个任务的程序交由计算机去执行，从而完成该任务。由于任务的复杂性和多样性，使得程序设计不可能一次就达到要求，需要在程序的设计过程中不断地修改和完善，最终满足程序的需求，这个过程叫做程序的调试和测试。要让计算机能正确地执行人们所编写的程序，程序必须以计算机能理解的方式来表达，这就是程序设计语言，它是人们和计算机之间进行交流和通信的工具。计算机能够直接识别的语言只有一种，这就是机器语言。机器语言是由1和0组成的指令序列。由于人们对二进制数据书写和理解都存在一定的困难，所以产生了多种高级语言，这些高级语言比较接近人们日常使用的自然语言，给人们书写和阅读程序带来了极大的方便。但高级语言不能被计算机直接识别，需要将其翻译成机器语言，这就是编译程序的工作。16.3.2程序设计的过程程序设计过程实际上是问题解决方案的计算机描述过程，所以程序设计过程也必须遵循人们解决问题的一般过程，即分析问题、寻找方法、描述方法、实施方法的过程。具体来说，包括以下五个步骤：问题提出与分析；问题的数据描述；问题的功能描述；数据和功能的计算机实现；编码、调试、编译、连接和运行。下面，以一个“自动应答器”程序的设计来分析上述过程与步骤。 一.问题描述“自动应答器”的基本功能描述如下：当客户走到应答器旁边时，应答器会向客户提示：“请报上您的姓名：”，当客户回答完后，应答器会立刻回答“XXX客户，您好！”。对于非语言的自动应答器，其工作过程中，计算机不能接受语音输入，也不能进行语音输出，所以，需要三个步骤：当一个客户走到应答器旁边时，应答器会向客户显示信息“请报上您的姓名：”；当客户看到这个信息后，他（她）会输入本人的姓名，如mike；应答器接收到用户的输入后，会立刻显示“Mike,你好！”。二.问题分析为了实现自动应答器的基本功能，根据问题描述的内容，它要实现：向屏幕输出提示信息，即向用户屏幕输出“请报上您的姓名：”；等待用户的响应，也就是等用户输入自己的姓名；接收用户的输入，并能将用户输入数据连同“您好！”一起显示在用户屏幕上。至此一个工作周期完成。为了便于实现，做一些简化假设：假设应答器只为一个人服务，即工作一个周期即告结束。以上的分析过程，也就是这个问题的解决方案和步骤。三.计算机实现为了让计算机能代替人工完成以上的工作流程或者说解决方案，需要将以上每一个步骤转换成计算机可以识别的指令序列（即程序）。以下是对这个应答器工作流程的一个计算机描述。1.通过计算机指令向用户屏幕输出“请报上您的姓名：”2.通过计算机指令等待并接收用户的键盘输入，并且暂存起来以备后用。3.通过计算机指令向用户屏幕输出新的数据信息：用户输入的信息加上“您好！”。接下来将以上对这个应答器解决过程的计算机描述“翻译”成计算机语言，再通过相应的软件将这些计算机语言转换成计算机可以识别的指令，就可让其“工作”了。计算机语言的选择，主要取决于项目的需求，当然用户也可以根据自己对语言的熟悉情况来进行选择。以C语言为例，其翻译过程如下：1.向用户屏幕输出信息可以通过函数printf来实现，所使用的语句为：printf(“请报上您的姓名：”);2.为了存储用户输入的姓名数据，需要事先定义一个可以存放8个字符的数组，所使用的语句为：char username8;3.接受用户键盘上的输入并存储数据，使用的语句为：scanf(“%s”,username);4.向用户屏幕输出问候语，使用的语句为：printf(“%s:%s”,username,”您好！”);最后将这些翻译后的语句组合在一起形成一个C语言的程序，以sayhello.c为名保存起来，这个C语言源程序内容如下：main( )char username8;printf(“请报上您的姓名：”);scanf(“s”,username);printf(“%s:%s”,username,”您好！”);四.程序运行与调试在完成问题的求解过程以后，就需要进行上机操作，将设计的程序输入计算机，并经过翻译后，让计算机自动执行，这个过程一般分为4个步骤，具体过程如图所示。16.3.3结构化程序设计结构化程序设计是建立在面向过程程序设计基础之上的，所谓面向过程，是指将解题过程看作是数据被加工的过程，采用这种方法的程序设计语言，叫做面向过程的程序设计语言。用户所设计的程序可以被看作是解决问题步骤的计算机实现，而每一个步骤都可以看作是要完成一个功能，因此面向过程设计的思想就是设计一系列彼此独立的功能，每一个功能的实现都是通过对数据进行不同的加工以形成新的数据，而这些功能共同构成一个实现问题的解决方案。结构化程序设计方法是程序设计的先进方法和工具，采用结构化程序设计方法编写的程序，可使程序结构良好、易读、易理解、易维护。结构化程序有顺序、选择、循环等三种结构。1.顺序结构顺序结构是一种简单的程序设计，它是最基本、最常用的结构，如图所示。顺序结构是顺序执行结构，是按程序语句的自然顺序一条一条执行的。sayhello.c程序就是一个顺序结构的程序。2.选择结构选择结构又称为分支结构，它包括简单选择和多选择两种结构，这种结构可以根据设计的条件，判断应该选择哪一条分支来执行相应的语句序列。在右图所
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