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计算机科学技术的基础知识 数制码制逻辑代数逻辑电路与逻辑设计计算机组成与工作原理程序设计语言操作系统 数制 十进制是使用数字1 2 9 0等表示数值 采用 逢十进一 的进位 位权表示法数制的特点 数字的总个数等于基数 十进制使用10个数字 0 9 最大的数字比基数小1 如十进制中最大的数字为9 每个数字都要乘以基数的幂次 该幂次由每个数字所在的位置决定 任何一个N进制数A AnAn 1 A1A0 A 1A 2 A m m Ai Nii n 二进制 二进制使用数字0和1等符号来表示数值 且采用 逢二进一 的进位计数制 二进制数制的特点 仅使用0和1两个数字 最大的数字为1 最小的数字为0 每个数字都要乘以基数2的幂次 该幂次由每个数字所在的位置决定 二进制加法和乘法运算规则 0 0 00 1 11 0 11 1 100 0 00 1 01 0 01 1 1 八进制与十六进制 八进制使用数字0 1 2 3 4 5 6 7表示数值 采用 逢八进一 的进位计数制 十六进制使用数字0 1 9和A B C D E F表示数值 其中101112131415十六进制的计数方法为 逢十六进一 常用数制及转换 各种常用数制 1 二进制 0 1逢二进一 2 十进制 0 1 9逢十进一 3 八进制 0 1 7逢八进一 4 十六进制 逢十六进一0 1 9 A B F a b f 常用数制及转换 D 十进制B 二进制O 八进制X 十六进制 常用数制及转换 1 二进制 十进制 求幂相加法 1011 2 23 21 20 8 2 1 11 1011 11 2 11 2 1 2 2 11 0 5 0 25 11 75 常用数制及转换 2 十进制 二进制整数部分 除2取余 269 10 100001101 2 常用数制及转换 小数部分 乘2取整 0 6875 10 0 1011 2 数整0 6875 21 37501高 20 7500 21 501 2低1 01 常用数制及转换 3 八进制 二进制1位八进制对应3位二进制736 25111011110 0101011100 0101001100 01010014 24 常用数制及转换 4 十六进制 二进制1位十六进制对应4位二进制A3F 2B101000111111 00101011 常用数制及转换 5 十六进制 八进制十六进制 二进制 八进制 常用数制及转换 6 十进制 八进制整数部分 除8取余 小数部分 乘8取整或十进制 二进制 八进制 7 十进制 十六进制整数部分 除16取余 小数部分 乘16取整或十进制 二进制 十六进制 常用数制及转换 8 八进制 十进制 求幂相加法 1011 8 83 81 80 512 8 1 521 9 十六进制 十进制 求幂相加法 1011 16 163 161 160 4096 16 1 4113 常用数制及转换 小结二进制 八进制 十六进制 十进制 求幂相加法十进制 二进制 八进制 十六进制 整数部分 除2 8 16 取余 小数部分 乘2 8 16 取整八进制 二进制 1位八进制对应3位二进制十六进制 二进制 1位十六进制对应4位二进制十六进制 二进制 八进制 负数在计算机内表示 原码表示法用符号位和数值表示带符号数 正数的符号位用 0 表示 负数的符号位用 1 表示 数值部分用二进制形式表示 符号位数值 661或 661 0 1000001010010101 负数在计算机内表示 反码表示法正数的反码与原码相同 负数的反码为对该数的原码除符号位外各位取反 0000001010010101 661 661取反1111110101101010 负数在计算机内表示 补码表示法正数的补码与原码相同 负数的补码为对该数的原码除负号位外各位取反 然后在最后一位加1 0000001010010101 661 661取补先取反1111110101101010 11111110101101011 负数在计算机内表示 求反码和补码与二进制数的位数有关0000001010010101 661 661取反1111110101101010计算机中一般采用16位或32位 负数在计算机内表示 数的原码表示适合于进行乘除运算 补码用于进行加减运算 以4位二进数为例 1010 2 0011 3 1010101011110 6 1010 2 0011 3 1需要先检查符号位2再比较两数绝对值3决定谁减谁4确定结果符号与数值 符号位不应该参加运算 负数在计算机内表示 数的原码表示适合于进行乘除运算 补码用于进行加减运算 以4位二进数为例 2 0010的补码 1101 1 11103 0011 2 3 1110 001110001 1 1需要先检查符号位2再比较两数绝对值3决定谁减谁4确定结果符号与数值 直接运算 有进位表示结果为正 负数在计算机内表示 运算溢出0110 6 61010 0101 5 510111011负数10101正数 溢出 超出4位二进制数所能表示的范围 小数在计算机内表示 浮点表示法123 4567 0 1234567 1030 001234567 0 1234567 10 2 32位 字符在计算机内表示 计算机内部只有二进制数据 其它非数值内容需要以编码表示编码即使用数值对非数值内容进行编号n位二进制可对2n个不同对象进行编码ASCII AmericanStandardsCommitteeofInformation 码 是由美国信息交换标准委员会制定的 国际上使用最广泛的字符编码方案 ASCII可表示计算机所处理的所有的数字 字母 符号 字符在计算机内表示 字符在计算机内表示 共128个符号 可用7位二进制编码表示27 128 汉字编码 在汉字系统中 每个汉字对应两个英文字符宽度 在汉字的存储 输入和输出中 处理的并不是汉字本身 而是汉字的编码 不同的环境下有不同的汉字编码 如汉字交换码 国标码 汉字机内码和各种汉字的输入码 汉字编码 0011110001001110 1011110011001110 汉字编码 汉字的存储与字库为了输出汉字 必须存储汉字的字型 1 矢量化 它由一组指令来描述字符的外形 轮廓 这种字体也称为轮廓字体 TrueType字体 2 点阵图形 将汉字分解为若干个 点 组成的点阵字型方式 存储每个汉字的字型信息需要16 16个二进制位 共2 16 32字节 汉字编码 汉字字库 汉字字型信息的集合两级字库 国标 第一级为常用汉字 共3755个第二级为次常用汉字 共3008个对6763个汉字进行编码 至少需要13位二进制才能表示 因为212 4096 6763 213 8192 2个字节表示一个汉字信息 汉字输入方法 汉字的输入方法 1 编码输入 键盘输入 2 手写输入 3 声音输入 4 扫描识别输入 逻辑代数 命题命题是一个有具体意义且能够判断真假的陈述句 命题所具有的值 真 true 简记为T 或 假 false 简记为F 称为其真值 命题标识符 表示命题的符号 该标识符称为命题常量 原子命题 不能分解为更为简单的陈述句的命题 复合命题 是将原子命题用连接词和标点符号复合而成的命题 逻辑代数 逻辑 与 命题A和命题B的 与 A B当且仅当A和B同时为真时A B为真 在其他的情况下A B的真值均为假 A B的真值表 逻辑代数 逻辑 或 和逻辑 异或 命题A和命题B的 或 A B当且仅当A和B同时为假时A B为假命题A和命题B的 异或 A B当且仅当A和B不相同时为真真值表 逻辑代数 逻辑 非 命题A的 非 A若A为真 则 A为假 若A为假 则 A为真 A的真值表 逻辑代数 条件 和 双条件 命题A和命题B的 条件 与 双条件 真值表 逻辑代数 命题公式命题公式 由命题变元 连接词和括号组成的合式的式子 命题公式等价 如果两个不同的命题公式P和Q 无论其命题变元取什么值它们的真值都相同 记为P Q 例 证明 A B 与A B是等价的 逻辑代数 命题公式的等价律其中A B C等为命题变元 T表示 真 F表示 假 零律 A F AA F F幺律 A T TA T A幂等律 A A AA A A求补律 A A TA A F交换律 A B B AA B B A 逻辑代数 命题公式的等价律结合律 A B C A B CA B C A B C分配律 A B C A B A CA B C A B A C 吸收律 A B A B A A B A B A双重否定律 A A 逻辑代数 狄 摩根定律 A B A B A B A B证明 逻辑代数 逻辑代数等价律用1表示T 0表示F 表示 表示 零律 A 0 AA0 0幺律 A 1 1A1 A幂等律 A A AAA A求补律 A A 1AA 0交换律 A B B AAB BA 逻辑代数 逻辑函数的化简借助于逻辑代数的等价律对逻辑函数进行化简 得到更简单的逻辑电路 F A AB A A A B 分配律 1 A B 求补律 A B 幺律 F AB AB AB AB A B B A B B 分配律 A A 求补律 1 求补律 逻辑电路 计算机的的理论基础之一是逻辑代数计算机的实现需要靠电子线路可以用逻辑电路描述逻辑代数 A 逻辑或 逻辑与 逻辑非 逻辑电路 与非 和 或非 功能常常用到 也制作相应的逻辑电路模块 这些逻辑电路模块早在60年代就被制作成小规模的集成电路 逻辑电路 异或 门的逻辑符号和逻辑符号F AB AB 逻辑电路分析与综合 逻辑电路分析用逻辑表达式描述已经设计好的逻辑电路 然后用逻辑代数进行简化 使元件数量最少 逻辑电路综合决定逻辑功能电路的使用与实现 逻辑电路分析与综合 逻辑设计的步骤 逻辑构成 描述逻辑电路应具备的逻辑功能 构造真值表根据真值表构造相应的逻辑表达式并进行化简 画出逻辑电路图 逻辑电路分析与综合 半加器 将两个二进制数相加 产生和以及向高位的进位 但没有考虑从低电位的进位 半加器的设计过程 逻辑构成 输入Ai和Bi为一位二进制数 输出和Si以及进位Ci 构造真值表 构造逻辑表达式 Ci AiBiSi AiBi AiBi AiAi AiBi AiBi BiBi Ai Bi Ai Bi Ai Bi AiBi 逻辑电路分析与综合 半加器 半加器电路 逻辑电路分析与综合 全加器 全加器考虑有低位进位的加法器称为全加器多个全加器串起来组成了计算机的运算器 计算机硬件的基本结构 双线箭头 信息流单线箭头 控制流 中央处理器 计算机硬件的基本结构 运算器 算术 逻辑运算单元加减乘除运算用加法器实现控制器 指挥协调计算机整个工作过程中央处理器 CPU 运算器 控制器计算机的心脏 负责完成各种运算和控制 对微机来说是1块大规模集成电路 计算机硬件的基本结构 存储器 用来存储程序和数据的记忆装置 是计算机中各种信息的存储和交流中心 1 基本概念存储单元 字节 8位二进制位 存储单元地址存储容量 存储设备上可以存储数据的最大数量 通常用字节 Byte 千字节 KB 兆字节 MB 和千兆字节 GB 来衡量 计算机硬件的基本结构 采用字节 byte 作为计算机存储信息的基本计量单位 1个字节由8个二进制位 bit 来组成 可以表示1个英文字母 数字或符号存贮一个汉字需要两个字节1Byte 8bit1KB 1024Byte1MB 1024KB1GB 1024MB 计算机硬件的基本结构 1MB 1024KB 1024 1024字节 1048576字节 约100万字节 相当于50万汉字 300页的书 计算机硬件的基本结构 输入设备计算机通过输入设备从外部获取信息 常用的输入设备键盘 101键 104键鼠标 机械 光电式扫描仪 图象输入触摸屏 红外或电磁感应 计算机硬件的基本结构 输出设备计算机通过输出设备向用户传递处理结果 常用的输出设备显示器 单色 彩色打印机 针式 喷墨 激光绘图仪 图形输出 笔式 喷墨 激光 计算机硬件的基本结构 计算机的指令系统指令 能被计算机识别并执行的二进制代码 它规定了计算机能完成的某一种操作 指令系统 是一台计算机所能执行的所有指令 功能 的集合 指令系统是在设计微处理器结构时 与硬件电路一起设计的 每一条指令都需要有相应的电路来执行 指令系统包含 数据传送型指令 数据处理型指令 输入输出型指令 硬件控制指令 计算机硬件的基本结构 指令的执行过程取指令 即按照指令计数器中的地址 从内存储器中取出指令 并送往指令寄存器中 分析指令 即对指令寄存器中存放的指令进行分析 由操作码确定执行什么操作 由地址码确定操作数的地址 执行指令 即根据分析的结果 由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息 去完成该指令所要求的操作 重复上述步骤 执行下一条指令 程序设计语言 机器语言 由计算机的指令系统组成 使用机器语言编写的程序计算机能够直接理解并执行 但编程和理解都十分的困难 汇编语言 使用 助忆符 来表示指令的操作码 并使用存储单元或寄存器的名字表示地址码 以便于记忆和书写 高级程序设计语言 它是一种与机器的指令系统无关 表达形式更接近于被描述的问题的程序设计语言 便于程序的编写 高级语言的程序必须经过翻译系统的处理后才能执行 程序设计语言 程序程序通常是指一组计算机能识别的指令 这组指令用来定义计算机所要执行的一个任务程序设计程序设计是一个使用计算机语言 如机器语言 汇编语言和高级程序设计语言 产生一系列的指令以告诉计算机该做什么的过程要点 简单功能的组合构成复杂的功能程序设计的基本任务是如何组合简单功能程序设计语言则提供了表达这种组合的手段 计算机一系列指令的组合就构成了程序例如 下面是一段由6个指令组成的虚拟的程序 输入3个数 将它们相加 最后打印出结果 1 输入第一个数据到存储单元A中 2 输入第二个数据到存储单元B中 3 输入第三个数据到存储单元C中 4 将A B相加并将结果存在D中 5 将C D相加并将结果存在D中 6 输出D的内容 程序设计语言 使用程序设计语言的解题步骤 程序设计语言 算法算法 是解体步骤的一种精确描述算法的描述工具 自然语言 流程图 决策表 算法描述语言 算法的性质 确定性 即描述操作过程的规则必须是确定的 无二义性的 通用性 即算法是给出一类问题的求解方法 而不是表示解决某一个特殊的具体问题 有限性 即算法在执行了有限步之后必须要终止 程序设计语言 例 若给定两个正整数m和n 试写出求它们的最大公因子的算法 用文字表述 第1步 读入两个正整数m和n 设m n 第2步 求m和n的余数r mod m n 第3步 用n的值取代m 用r的值取代n 第4步 判别r的值是否为零 如果r 0 则m为最大公因子 否则返回 第5步 输出m的值 即为最大公因子 程序设计语言 流程图表示C程序main intm n r scanf d d 程序设计语言 评价算法优劣的方法算法的时间特性 指算法编制的程序运行时所耗费的时间的大小 称为算法的时间复杂度 记为T n 其中n为问题的规模 算法的空间特性 指依据算法编制成程序后在计算机中运行时所占用的空间的大小 记为S n 其中n为问题的规模 算法的易理解性 算法应具有良好的结构 易理解 易修改 易维护的程度 程序设计语言 数据结构数据 数据是指描述客观事物的数 字符以及所有能输入到计算机并被计算机程序处理的对象 如数值 字符 图形 图像 声音等 数据结构 是数据元素之间关系的集合 从学科的角度来看 数据结构是计算机科学技术的一个分支 它主要研究数据的逻辑结构和物理结构以及它们之间的关系 并对这种结构定义相应的运算 设计出实现这些运算的算法 程序设计语言 数据结构线性结构树形结构 层次关系 图形结构 操作系统 什么是操作系统操作系统是用来管理计算机系统的软硬件资源 提高计算机系统资源的使用效率 方便用户使用的程序集合 它是对计算机系统进行自动管理的控制中心 操作系统 操作系统的地位与作用 操作系统 操作系统是与裸机直接接触的最底层软件 其它软件都在操作系统的支持下工作 操作系统是用户与计算机交流的中间环节 人通过操作系统来与计算机打交道 计算机又通过操作系统将信息反馈给用户 操作系统 操作系统的两大基本职能面向计算机 管理 调度计算机系统的全部资源 提高系统效率 面向用户 提供方便的操作环境以及有效的服务 用户 计算机 OS 操作系统 操作系统的分类多道批处理操作系统 在主存储器中存放多道用户的作业 使其按照一定的策略插空在CPU上运行 共享CPU和输入输出设备等系统资源 分时操作系统 多个用户终端共享使用一台计算机 即把计算机系统的CPU时间分割成一个个小的时间段 称其为一个时间片 从而将CPU的工作时间分别提供给各个用户 实时操作系统网络操作系统 操作系统 操作系统的分类多道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统 在过程控制系统中 通常要求计算机能够对外部事件做出及时的响应并对其进行处理 这样的系统称为实时系统 网络操作系统 网络操作系统实际上是使网络上的计算机能够方便而有效地共享网络资源 为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合 操作系统 操作系统的功能管理系统资源 控制输入输出处理和实现用户和计算机系统间通信处理机管理存储器管理输入输出设备管理文件管理 操作系统 处理机管理处理机 CPU 是整个计算机硬件的核心 在硬件系统中 它是最宝贵的资源 当有多个用户程序请求服务时 如何充分发挥处理机的作用 提高其效率 协调各程序之间的运行 合理地为所有用户服务 是处理机管理的任务 操作系统 存储器管理内存储器的单元数在计算机系统中是有限的 它是各个用户程序竞争最激烈的资源之一 如何把有限的主存储器进行合理地分配 满足多个用户程序运行的需要 是存储器管理的任务 输入输出设备管理在用户程序中 通常要进行输入 输出操作 这就需要用到外部设备 操作系统应能支持各种各样的设备 有效地管理各种外部设备 使其充分发挥效率 并且还要为用户提供简单而易于使用的接口 操作系统 文件系统管理主存储器的容量有限 因此大部分用户程序和数据 实用程序 甚至操作系统本身的一大部分 都要放在外存储器 如磁盘 中 如何唯一地标识文件的信息 以便能进行合理的访问和控制 如何有条不紊地组织这些信息 使用户能方便且安全地使用它们 是文件管理要解决的任务 操作系统 常用操作系统MS DOSMicrosoftWindowsMicrosoftWindowsNT 2000 XPUNIXLinux 操作系统 文件系统 文件定义文件是存储在存储介质 如硬盘 软盘或光盘 中的程序指令或数据的有名集合 如果你使用计算机写一篇文章 那么文章中的词就会存储在磁盘上的一个文件中 该文件通过名字与磁盘上的其它文件加以区分 操作系统 文件系统 文件的类型可执行文件 应用程序 包含了控制计算机执行任务的指令 要使用可执行文件 就必须执行它 可执行文件中的指令由计算机直接执行 用二进制格式存储 用户无法直接查看其内容 数据文件 操作系统 文件系统 数据文件含有可以观看 编辑 发送和打印的词语 数字和图片等内容 通过应用程序可以创建数据文件数据文件可以购买或自己创建 它们和应用程序一起使用 应用程序帮助你处理文件中的数据 如查看 修改和打印其中的信息 你购买数据文件时 通常会提供详尽的用户手册 说明使用什么应用软件来操作这些数据 操作系统 文件系统 可执行文件和数据文件的区别数据文件是被动的 数据不能控制计算机做任何事情 可执行文件是主动的 文件中的指令可以让计算机完成某个动作 操作系统 文件系统 源文件包含了指令 但是指令并不使用计算机可以直接执行的格式 用户可以阅读和修改 这些指令在得到执行前必须经过翻译 例如 批处理文件Autoexec bat就是源文件 操作系统 文件系统 以文档为中心的文件模式只要你给出数据文件 计算机就会自动运行相应的软件 例如 当你双击report doc 计算机就会启动Word程序进行处理 传统模式首先运行应用软件 然后要它打开相应的数据文件 操作系统 文件系统 文件名文件的命名约定文件名是一个单一的字母 数字和字符集合 用于标识一个文件 通常描述了文件的内容 扩展名 可执行文件由程序员命名 它们的扩展名通常是 com 命令文件 和 exe 可执行文件 操作系统 文件系统 文件名对于自己创建的数据文件 由用户起名 命名要合法 遵循命名约定文件名最大长度 255个字符 含扩展名 允许空格和数字不区分大小写不允许的字符有 操作系统 文件系统 文件名 扩展名 文件的扩展名 反