chap1计算机与程序设计概述.ppt

计算机与程序设计概述,宁波大学信息科学与工程学院 计算机系,计算机与程序设计概述,计算机的硬件组成 计算机的运算基础 计算机软件 计算机程序设计,计算机的硬件组成,运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备,存储器,存储单元：存储器中的单个存储位置。 存储单元地址：存储单元在计算机主存中的相对位置。 存储单元内容：存放在存储单元中的信息，可以是程序指令或信息。,存储器,字节：存储单个字符所需的存储器容量。 位：二进制数字，0或1。 二进制数：由0和1数字序列构成的数，以2为基数。 数据存储：对存储单元的每一位赋值0或1，同时覆盖该单元原有内容。 数据读取：复制存储单元内容到另一个存储区域，原存储单元内容保持不变。,存储器,存储器可以分成主存储器和辅助存储设备（即内存和外存）。 主存用来暂时存放正在参与运算的程序、数据和结果，可直接与运算器、控制器交换信息，存储速度快，但制造成本较高，因此容量一般都不太大。而且在计算机断电以后，主存中的数据一般都会丢失。 辅助存储设备，可长期存储数据且成本低。但辅助存储器不能直接和运算器、控制器交换数据。 辅助存储器在断电后仍能保存数据的设备，比如硬盘或U盘。,处理器,中央处理器是由运算器和控制器两部分组成。 运算器是进行运算的部件，它在控制器的控制下执行程序中的指令，完成各种运算，有算术运算、逻辑运算、比较运算、移位运算以及字符运算等。 控制器是按指令的要求协调各部件有序工作的设备。冯诺依曼结构的计算机都采用“存储程序”的思想，将要求计算机执行的指令序列（程序）先存入存储器，再由控制器依次读取并执行。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序控制电路以及微操作控制电路等组成。 CPU协调所有的计算机操作，并实现计算机各类运算。 存储程序：计算机在主存中存储程序指令以便运行的能力。,输入输出设备,输入设备用于收集输入数据，并把它们转化为计算机可以处理的形式。输入设备不管收集的是字母、数字、声音还是图像，最终都转化为二进制代码。 输出设备用于输出计算机的处理结果，以用户预期的形式展示出来，是输入设备的逆过程，它将一串串二进制代码转换为文字、图表、声音、图像等。,计算机工作过程,指令是计算机能执行的一种具体操作。 指令的具体执行过程是： 1、取指令：控制器到内存中读取指令，送往指令寄存器。 2、译指令：指令译码器分析指令，明确做何操作，操作数是哪个，结果放到哪里。 3、执行指令：由操作控制线路控制，到内存中读取操作数，通过运算器的算术、逻辑运算部件进行相应的运算，把中间结果放到运算器的寄存器中，或将最终结果放到内存的指定位置或送到输出设备。,计算机工作过程,计算机工作过程,计算机工作过程,计算机的运算基础,命题是一个有具体意义且能够判断真假的陈述句。 比如有两个原子命题，分别用A和B两个符号来表示： A：李平擅长唱歌 B：李平擅长跳舞 将A和B通过连接词“”复合后，如果A和B的值是真的（即AB为真），此时的推理结论是：李平是个能歌善舞的人。如果A和B有一个是假的（即AB为假），推理的结论是：李平不是一个能歌善舞的人。 命题之间的这种关系，就像普通代数一样，命题A、B相当于代数中的变量，两者之间的连接词“”相当于代数中的运算符。命题代数的运算过程，就是一个从前提到结论的推理过程。 英国数学家乔治布尔在数理逻辑的基础上，创立了逻辑代数，又称布尔代数。 因为逻辑变量的取值只有“真”或“假”，通常表示成“0”和“1”，刚好可以用电子器件的高电平和低电平或是“通路”和“断路”这两种状态信息来表示。1938年，香农将逻辑代数直接应用于开关电路，为计算机的逻辑电路的设计奠定了数学基础。,计算机的运算基础, 十进制 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9， “逢10进1” 。基数为10。 二进制 0、1，“逢2进1”。基数为2。 二进制加法的运算规则为： 0+0=1 0+1=1 1+0=1 1+1=10 二进制乘法的运算规则为： 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1,计算机的运算基础, 八进制 0、1、2、3、4、5、6、7，“逢8进1” 。基数为8。 十六进制 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和符号A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制中的10、11、12、13、14、15。 “逢16进1” ，基数为16。,计算机的运算基础,计算机的运算基础,（1）十进制整数转换成非十进制整数 “除基取余”法，即将十进制整数逐次除以需转换成的那种数制的基数，直到商为0为止。然后将所得到的余数自下而上排列即可。,计算机的运算基础,（2）十进制小数转换成非十进制小数 “乘基取整”法，即将十进制小数依次乘以需转换成的那种数制的基数，直到乘积的小数部分为0，然后将所得到的整数自上而下排列即可,计算机的运算基础,（3）非十进制数转换为十进制数 【例1-7】将二进制数11001011.1001转换为十进制数。 解： (101011.1001)2=125+024+123+022+121+120+12-1+02-2+02-3+12-4 =32+0+8+0+2+1+0.5+0+0+0.0625 =(43.5625)10,计算机的运算基础,【例1-9】将十六进制数1E2转换为十进制数。 解： (1E2)8=1162+14161+2160 =256+224+2=(482)10,计算机的运算基础,（4）二进制数与八进制数、十六进制数之间的转换 【例1-10】将二进制数10101100011.101110001转换为八进制数。 解：(10101100011.101110001)2 = (010 101 100 011.101 110 001)2= (2543.561)8 【例1-11】将二进制数1101011001.11001转换为十六进制数。 解：(1101011001.11001)2= (0011 0101 1001.1100 1000)2=(359.C8)16,计算机软件,软件：与计算机相关的程序集合。,计算机软件,操作系统：控制用户和计算机交互，并管理计算机资源分配的软件。,计算机软件,1、机器语言 用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合，是由计算机的硬件结构决定的操作功能。机器语言没有标准化，不同类型的CPU具有不同的机器语言。 2、汇编语言 汇编语言仍是面向机器的低级语言，对硬件可进行直接操作且运行速度高。但它在某种程度上比机器语言具有更强的可读性。 3、高级语言 高级语言是以人类的日常语言为基础的一种编程语言，它独立于计算机的类型，遵循人类的思维习惯，将代数表达式和专用英文符号组合在一起，采用更易于理解的表达方式，大大提高了程序的可读性。,计算机软件,计算机软件,算法描述和程序设计基础,算法是数学及其应用的重要组成部分，是计算机科学的重要基础。 程序设计以算法为依托，充分利用计算机强大的计算能力，将以算法为指导的人工运算转化为机器运算，极大地拓展了人脑的计算能力。,一个程序应包括两方面内容 对数据的描述 在程序中要指定数据的类型和数据的组织形式，即数据结构。 对操作的描述 即对数据的操作处理步骤，也就是算法。,程序=数据结构+算法 程序是用计算机语言表示的数据结构和算法。程序设计是通过分析问题、确定算法、编程求解等步骤来解决问题的过程。,算法描述和程序设计基础,算法定义,算法是解题的步骤，可定义为求解一确定问题的任意一种特殊方法。 特点 有穷性：一个算法必须在执行有穷个计算步骤后终止。 确定性：一个算法给出的每个计算步骤必须是精确定义，无二义性。 可行性：算法中描述的操作都可以通过已实现的基本运算执行有限次 来完成。 输 入：一个算法有零个或多个输入，这些输入信息是算法所需的初 始数据。 输 出：一个算法有一个或多个输出，这些信息是对输入信息计算的 结果。,算法设计要求,正确性： 程序不含有语法错误； 程序对于几组输入数据能够得出满足规格说明要求的结果； 程序对于精心选择的典型、苛刻而带有刁难性的几组输入数据能够得出满足规格说明要求的结果； 程序对于一切合法的输入数据都能产生满足规格说明要求的结果。 可读性：便于人阅读。 健壮性：对于非法输入算法有一定的适应性。 高效率与低存储量需求： 效率指算法执行时间，对于解决同一问题的多个算法，执行时间短的算法效率高； 存储量需求指算法执行过程中所需要的最大存储空间。,计算机程序设计,顺序结构：是最简单明了的基本结构。 选择结构：又称分支结构。,计算机程序设计,循环结构：也称重复结构，指算法中含有重复的步骤。,算法描述,自然语言用人类语言对算法步骤进行概括 容易理解，但不够精确，容易产生二义性 图形描述程序流程图、N-S盒图、PAD图等 算法语言伪代码或程序设计语言等,程序流程图,程序流程图又称程序框图，或简称流程图，是由美国国家标准化协会制定的一种算法描述方法，是一种用规定的图形、指向线及文字说明来准确、直观地表示算法的图形。,该算法的功能？ 计算1+3+99,结束,i = 1,s = 0,i 100?,是,s = s + i,i = i + 2,否,输出s,开始,累加器 初始化为0,“=”代表赋值 而不是“等于”,程序流程图,该算法的功能？ 计算100！,累乘器 初始化为1,程序流程图,【例1-12】求1+2+3+100的和。,程序流程图,N-S流程图：N-S流程图去掉了流程线，将整个算法写在一个矩形框内，框内再嵌套从属于它的框，以此类推。,N-S盒图,该算法的功能？ 几个学生？ 求10个学生某门课的最高成绩。,N-S盒图,N-S盒图,伪代码描述,程序流程图和N-S盒图的表示方法虽然直观，但画起来比较麻烦，不太适合改动较多的场合。,伪代码表示是介于自然语言和程序设计语言之间的一种算法表示，易于修改，也方便转化为具体的程序语言来实现。,max赋值为-1，i赋值为1 做下面的循环操作直到i大于10； 循环操作开始： 1. x接受当前成绩输入； 2. 如果x大于max，则 把当前x的值赋值给max 否则 不做任何操作 3. i自增1 循环操作结束。 输出max中的最高成绩,求最高成绩的伪代码,伪代码描述,信息,信息表示与处理（补充）,表示一定意义的符号的集合，即信号。它可以是数字、文字、图形、图像、动画、声音等，是人们用以对客观世界直接进行描述。,无处不在 可传递性和共享性 信息必须依附于载体 信息的可处理性,特点：,在计算机内，数据的存储、计算和处理都采用由“0”和“1”组成的二进制代码。,输入到计算机中的所 有信息，没有量的含 义，如数字符号0 9、大写字母A Z 或小写字母a z、 汉字、图形、声音 及其一切可印刷的 符号 +、-、！、#、 %、 等。,数据是信息的一种具体表现形式。可分为：,数值型数据指数学 中的代数值，具有 量的含义，又有正 负之分，整数和小 数之分。如：1.23, -0.45等。,信息表示与处理（补充）,信息复制的精确性 运算规则简单 电子线路制造计算机成为可能,为什么采用二进制？ 这是由计算机电路所采用的器件决定的。在计算机中采用了具有两个稳态的二值电路,二进制概念,二进制概念,计算机的语言二进制,十进制 R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二进制 R=2 ，可使用0,1 八进制 R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6,7 十六进制 R=16 ，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,“逢R进一，借一当R”,R进制的概念,数制,数制的定义和表示 数制进位计数制，是人们利用符号来计数的方法 数制的种类：二进制、十进制、八进制、十六进制等。 数制中的一些名词术语： 数码：用数字表示一种数制的数值 基：数制所使用的数码个数 权：某数制每一位所具有的值,数制的表示,十进制（Decimal System）基为10，数码0、1、2、9，权为以10为底的幂。 二进制（Binary System）基为2，数码，权为以2为底的幂。 八进制（Octal System）基为8，数码、7，权为以8为底的幂。 十六进制（Hexadecimal System）基为16，数码、9、A、B、C、D、E、F，权为以16为底的幂。,5,书写时，在各种进制数的后面加上（2）、（8）、（10）、（16）或B、O、D、H 如： 11011011(2)、375.23(8)、1289.95(10)、13AF.FF(16) 或： (11011011)2、(375.23)8、(1289.95)10、(13AF.FF)16 或： 11011011B、 375.23O、 1289.95D、 13AF.FFH,数制的表示,数制,常用计数制的基数和数码,16 09,A,B,C,D,E,F,8 07,2 0,1,10 09,基 数 数码,十六进制,八进制,二进制,十进制,数制间的转换,十进制数,非十进制数,二、八、十六进制之间的转换,非十进制数,十进制数,1.非十进制数 十进制数,位权法：把各非十进制数按权展开求和 转换公式： (F)x =an-1xn-1 + an-2xn-2 + . + a1x1 + a0x0 + a-1x-1 + . 示例： (1011.1)2 =123+022+121 +120 +12-1 = 8+0+2+1+0.5=(11.5)10,十进制整数 非十进制整数,除基数余数法：除基数取余数、由下而上排列。 示例1：(反过来如何验证?),结果为：113,示例2：,结果为:1001011,十进制整数 非十进制整数,十进制小数 非十进制小数,进位法：用十进制小数乘基数，当积为0或达到 所要求的精度时，将整数部分由上而下排列。 示例： 0.625 2 1.250 整数为1 2 0.50 整数为0 2 1.0 整数为1 小数值为0,结果为：.101,二进制、八进制、十六进制之间的转换,以小数点为基准 整数部分从右向左 小数部分从左向右,二进制 十六进制,二进制 八进制,0001 1011 0111.0100 ( 1 B 7 . 4 )16,示例：,100 110 110 111 . 010 100 ( 4 6 6 7 . 2 4 )8,二进制、八进制、十六进制之间的转换,数值在计算机中的表示,整数表示 最高位作为数值的符号位，并规定二进制数“0”表示正数，二进制数“1”表示负数，每个数据占用一个或多个字节,数值在计算机中的表示,小数表示 带小数点的数在计算机中用隐含规定小数点的位置来表示。根据小数点的位置是否固定，分为定点数和浮点数两种类型，相应的有定点表示和浮点表示两种方式,数值在计算机中的表示,定点整数 指小数点隐含固定在整个数值的最右，符号位右边所有的位数表示的是一个整数 定点小数 指小数点隐含固定在最高数据位的左边，最大数为0,数值在计算机中的表示,浮点数 指小数点位置不固定的数，它既有整数部分又有小数部分，先进行规格化，即平时所说的科学记数法 如 0.0027=0.27E-2 即0.2710-2 在计算机中通常把浮点数分成阶码和尾数两部分来表示，-2为阶码，0.27为尾数,数值在计算机中的表示,某计算机用4个字节表示浮点数，阶码部分为8位定点整数，尾数部分为24位定点小数,西文字符编码,字符: 西文字符（大小写字母、数字、各种符号） 中文字符 编码是指对输入到计算机中的各种非数值型数据用二进制数进行编码的方式。 由于计算机是以二进制的形式存储和处理的，因此字符