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大学计算机基础 ENIAC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 3 问题的提出计算机需要一种 语言 十进制数 0 9 问题的解决二进制数01两种状态低电平高电平 计算机的信息单位 0和1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 诺依曼的启示 二进制电子元件双稳的工作特点将简化机器的逻辑线路 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 9瓦8瓦7瓦6瓦5瓦4瓦3瓦2瓦1瓦关 开 关 1 0 十进制 二进制 运算规则简单 十进制数九九乘法表二进制数0 00 1和1 01 1逻辑运算 逻辑与 逻辑或 逻辑非 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 9 11101010 2 计算机的信息单位 二进制数 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 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 11110101 01 2 0 1 2 76543 1 2 1 27 1 26 1 25 1 24 0 23 1 22 0 21 1 20 0 2 1 1 2 2 245 25 10 二进制数 算术运算 例1 10111 2 10011 2 10111 10011 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 二进制的算术运算算术运算按位计算并考虑进位和借位 乘除法运算可转为多次加减法运算来进行 有很多快速进行加减乘除运算的算法 二进制的缺点 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 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 基数 一种数制由R个基本字符组成 则基数为R 数制概念 A 10 B 11 F 15 14 计数制的不同表示10101B为二进制数10101 也记为 10101 2101O为八进制数101 也记为 101 8234D为十进制数234 也记为 234 10101AH为十六进制数101A 也记为 101A 16 数制及其转换 思考 十进制和二进制足够为什么还要八进制和十六进制 2 1理解0和1 二进制 十进制 例1 10110 01 2 1 24 0 23 1 22 1 21 0 20 0 2 1 1 2 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 6 82 4 81 2 80 418 10 9B4 4 16按照位权展开 9B4 4 16 9 162 11 161 4 160 4 16 1 2484 25 10 R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1 17 转换规则 整数部分 除2取余法 第2 十进制 R进制 18 例2 13 10 2 13 2 余数 6 1 2 3 0 2 1 1 2 0 1 高位 低位 1101 2 13 10 19 十进制向八进制转换 348 10 8348 8 43 443 8 5 35 8 0 5所以 348 10 534 8 十进制向十六进制转换 348 10 16348 16 21 C21 16 1 51 16 0 1所以 348 10 15C 16 十进制向十六进制 八进制的转换呢 20 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 1 二进制数 八进制数 原则 三位一组法 不足3位补零 小数部分 从左向右分组 整数部分 从右向左分组 数制间的转换 例3 10110 11 2 8 10110 11 010110 6 2 110 6 10110 11 2 26 6 8 思考 那么数字 2 与 16 的又有什么关系 23 2 二进制数 十六进制数 原则 四位一组法 不足4位补零 整数部分 从右向左分组 小数部分 从左向右分组 数制间的转换 二 八 十六进制数之间的转换 24 二进制转换十六进制 例3 11101 011 2 16 11101 011 00011101 1 D 0110 6 11101 011 2 1D 6 16 25 八进制转换十六进制 略讲 例4 172 6 8 16 172 6 8 010 111 001 110 2 A 7 C 172 6 8 7A C 16 0 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 计算机中的所有信息都可以用二进制编码表示编码 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0和1 编码的三个主要特征唯一性 每一种组合都有确定的唯一性的含义公共性 所有相关者都认同 遵守 使用这种编码易于记忆 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 bit1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 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 ASCII码 英文字母符号的编码 ASCII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 B7B6B5B4B3B2B1B00 xxxxxxx 2 1理解0和1 4 0和1与编码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 128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 ASCII码 每8位为一个字符 最高位为041H 5AH A Z 61H 7AH a z 0AH 换行符号LF0DH 回车符号CR30H 39H 0 9 01000001A41H 01000010B42H 01000110F46H 2 1理解0和1 ASCII编码的规律 4 0和1与编码 完整的ASCII码表0 1型编码以十进制表示 ASCII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 十个数字符号的编码 BCD码 BCD码 BinaryCodedDecimal 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01234BCD码00000001001000110100十进制56789BCD码01010110011110001001 2 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 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 整数X的原码指 其数符位0表示正 1表示负 其数值部分就是X绝对值的二进制表示 通常用 X 原表示X的原码 例如 1 原 00000001 127 原 01111111 1 原 10000001 127 原 11111111注意 在原码表示中 零有两种表示形式 即 0 原 00000000 0 原 10000000 1原码 原码的特点 原码表示法简单易懂 与其真值的转换方便 缺点 1 不便于加减运算 2 零的表示不具有唯一性 0 与 0 不一致 整数X的反码指 对于正数与原码相同 对于负数 数符位为1 其数值位X的绝对值取反 通常用 X 反表示X的反码 例如 1 反 00000001 127 反 01111111 1 反 11111110 127 反 10000000由此看出 在反码表示中零也有两种表示形式 即 0 反 00000000 0 反 11111111反码运算也不方便 2反码 3补码 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 77 符号位 真值 原码 补码 补码 反码 1 上次课复习 0和1的出现计算机采用二进制的原因二进制与其它进制的转换信息的编码 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 dddd 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 汉字内码 汉字在计算机内部采用汉字内码存储 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 汉字信息编码 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 oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooo111111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o11ooooooooooo1oo 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 汉字字形点阵的代码有16 16 24 24 32 32 48 48 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 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 GIF 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 音频编码 计算机中的声音 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 音频轨 文字轨 视频轨 ASCII示例 信息表示与处理的基本思想 0和1的思维 0和1的出现计算机采用二进制的原因二进制与其它进制的转换信息的编码 0 1码0和1的基本硬件实现 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 0和1的基本硬件实现 二极管 三极管主要功能为开关和放大作用以较小的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和1的基本硬件实现 三极管 用二极管 三极管可实现基本的集成电路 与门 或门和非门与门 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A B端均为高电平 1 时 则F端为高电平 1 否则F端为低电平 0 用二极管实现的或门 当A B端均为低电平 0 时 则F端为低电平 0 否则F端为高电平 1 用三极管实现的非门 当A端为低电平 0 时 则F端为高电平 1 当A端为高电平 1 时 F端为低电平 0 0和1的基本硬件实现 集成电路 1 表示异或运算 表示与运算 半加器的电路实现 AiBi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 利用与门 或门和非门可实现更为复杂的控制电路示例 一位半加器 0和1的复杂部件的硬件实现 全加器可按此方法由两个半加器实现 由此就可用简单的逻辑电路构造复杂的逻辑电路 0和1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 图灵机冯 诺依曼计算机计算机硬件系统计算机软件系统计算机语言 图灵及图灵奖 阿兰 麦席森 图灵 图灵奖 姚期智 图灵机 1936年 TuringMachine用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程 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 诺依曼计算机 基本思想存储程序 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 五大部件构成 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备指令和数据用二进制表示 冯 诺依曼 现代计算机通常是以存储器为中心的冯 诺依曼计算机 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 存储器 输出设备 运算器 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 诺依曼计算机 硬件组成 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 输入设备 输出设备 输入 出设备 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 指令格式 软件 硬件 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 系统软件 控制台 电源 外存储器 CPU ROM RAM BIOS程序 操作系统 数据 应用程序 操作系统 数据 计算机系统的工作过程 计算机语言 算法 语言与计算机程序 计算机语言 人和计算机都能理解的语言 计算机语言的发展 1 计算机能够理解与执行什么呢 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 所有程序都需转换成机器语言程序计算机才能执行 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 10000110000001111000101100001010100101110000011111110100 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 汇编语言 是用助记符号编写程序的语言 汇编语言源程序 是用汇编语言编出的程序 汇编程序 是将汇编语言源程序翻译成机器