计算机基础知识 (2)ppt课件.ppt

计算机导论 主编 2 第一章计算机基础知识 1 1计算机系统的定义1 2计算机的数制和编码1 3计算机的应用1 4计算机科学的知识体系和分支学科1 5计算机类专业的状况和成才之路 3 1 1计算机系统的定义 计算机是一种能够按照指令快速而高效地完成信息处理的数字化电子设备 它能按照人们编写的程序对原始输入数据自动加工处理 存储或传送 以便获得所期望的输出信息 从而利用这些信息来提高社会生产率并改善人民的生活质量 计算机科学是对描述和变换信息的算法过程的系统研究 是研究计算机及其应用的学科 数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机 专用与通用计算机在其效率 速度 配置 结构复杂程度 造价和适应性等方面是有区别的 专用计算机针对某类问题能显示出最有效 最快速和最经济的特性 但它的适应性较差 不适于其它方面的应用 通用计算机按其规模 速度和功能等又可分为巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小 结构复杂程度 功率消耗 性能指标 数据存储容量 指令系统和设备 软件配置等的不同 4 计算机系统的组成 计算机是一个由多个部分组成的复杂系统 应从系统的观点去理解 相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体称为系统 系统又是它所属的更大系统的组成部分 由系统的定义反映出系统具有整体性 相关性 层次性和适应性四个性质 一个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成 5 计算机系统的组成 续1 硬件是指计算机物理装置本身 如处理器 内存及各种设备等 而软件是相对硬件而言 它是与数据处理系统的操作有关的计算机程序 过程 规则以及相关的文档资料的总称 如WindowsXP Windows2000 Windows7 UNIX以及VisualBasic Delphi等 简单地说 若把计算机比作人体 软件是计算机执行的程序 是计算机的 大脑 而硬件是计算机的 躯体 软件和硬件在逻辑上是等价的 软件的功能在原理上可以用硬件实现 软件和硬件的分界面不是固定不变的 软件可以固化到硬件中 某些硬件 如解压卡 也可以用软件的方法实现 6 计算机系统的组成 续3 硬件是计算机的最底层 包括各种硬件资源 它的对外界面由机器指令系统组成 是操作系统工作的基础 其它外层软件通过执行程序指令访问和控制各种硬件资源 软件又可划分为操作系统层 实用软件层 或称为支撑软件层 和应用软件层 每一层都表示一组功能和一个界面 表现为一种单向服务的关系 即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或者硬件提供的服务 7 计算机系统的组成 续4 8 电子计算机的特点 运算速度快 运算数度是衡量计算机先进性的指标之一 以每秒能完成多少次二进制加法运算来衡量 精确度高 精度以运算时能提供的有效数字来衡量 计算机能提供几十位以上的有效数字 信息容量大 计算机容量大小说明计算机储存和处理信息能力的大小 具有 记忆 和逻辑判断能力 指计算机有存储结果和根据结果决定执行流程的能力 使用方便 适应性强 9 1 2计算机的数制和编码 计算就是符号串的变换 从一个已知的符号串开始 按照一定的规则 一步一步地改变符号串 经过有限步骤 最后得到一个满足预先规定的符号串 这种变换过程就是计算 要进行计算 必须要借助符号及其规则 这就需要数制和编码 数制也称计数制 是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法 按进位的原则进行计数的方法 称为进位计数制 目前计算机内所有的信息都用 0 和 1 两个数字符号组合的二进制数来表示 数值 图形 文字等各种形式的信息 需要计算机加工处理时 首先必须按一定的法则转换成二进制数 10 二进制的优势 电子器件的实现很容易 电路通常有两种稳态 开关的合上与断开 电灯的亮与灭 二极管的导通与截止 高电平与低电平等 二进制运算简单 二进制的运算法则简单 这样 使得计算机的运算器结构大大简化 控制简单 便于进行逻辑运算 二进制的0 1两种状态 可以代表逻辑运算中的 假 和 真 两种值 可靠性高 二进制的0 1两种状态 在传输和处理时不容易出错 信息还常用十进制 八进制和十六进制编码 但它们最终要转换成二进制才能被计算机内部存储和加工 11 1 2 1数制 常用的数制有二进制 八进制 十进制和十六进制 我们用括号后加数字下标2 8 10 16来分别表示二进制 八进制 十进制和十六进制数字 如 5 10 表示10进制5 101 2 表示2进制101 实际应用中也常用字母下标B O D H分别表示二进制 八进制 十进制和十六进制数字 1 十进制数 DecimalNumber 在十进制中 每一位有0 9共十个数码 所以计数的基数为10 超过9就必须用多位数来表示 十进制数的运算遵循加法时 逢十进一 减法时 借一当十 12 十进制 十进制数中 数码的位置不同 所表示的值就不相同 如 式中 每个对应的数码有一个系数103 102 101 100与之相对应 这个系数就叫做权或位权 对于十进制整数可表示为 对于十进制小数可表示为 13 十进制 续 对于既包括n位整数又包括m位小数的十进制数N10 用通式表示为 式中 ai为0 9中的一位数码 10为进制的基数 10的i次方为第i位的权 m n为正整数 n为整数部分的位数 m为小数部分的位数 14 二进制 BinaryNumber 与十进制相似 二进制数也遵循两个规则 仅有两个不同的数码 即0 1 进 借位规则为 逢二进一 借一当二 对于任意一个二进制数可表示为 例如 15 二进制 续 如 00111010加00011011得01010101 算式为 16 八进制 OctalNumber 数码 0 1 2 3 4 5 6 7各数位的位权 是以8为底的幂次方进位方法 逢八进一 借一当八 对于任意一个八进制数可表示为 例如 17 十六进制 HexadecimalNumber 1 有0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F等共十六个数码 分别对应于十进制数的0 15 2 十六进制数的加减法的进 借位规则为 逢十六进一 借一当十六 对于任意一个十六进制数可表示为 例如 18 1 2 2数制的转换 1 数值的对比 在计算机中 每一位0或1 称作一个元或比特 bit 是度量信息的最小单位 19 1 2 2数制的转换 续1 2 二进制数转换成十进制数二进制转换成十进制的例子 十六进制转换成十进制如法炮制即可 20 十进制与二进制 八进制 十六进制数值表示的对比 21 3 十进制数转换成二进制数 整数部分采用 逐次除2取余法 即整数部分逐次除以2 取余数 按从下往上顺序排列余数就是结果 例如 189 10 10111101 2 22 3 十进制数转换成二进制数 续 小数部分 逐次乘二取整法 即逐次将小数部分乘以2 将结果取整 或理解为在整数个位的进位 将整数按从上往下的顺序排列就是结果 例如 0 3125 10 0 0101 2 23 3 十进制数转换成二进制数 续 24 4 二进制与八进制 十六进制的相互转换 二进制与八进制的相互转换采用 三位一并法 即二进制数从小数点往两边 每3位二进制数对应1位八进制数 例如 110101100011 2 6543 8 10110110 2 182 8反之亦然 如 315 8 11001101 2 256 8 10101110 2二进制与十六进制的相互转换类似于二进制与八进制的转换 但采用 四位一并法 二进制数每4位对应1位十六进制数 例如 8E6 16 1 2 1111 2 4D6F 16 25 1 2 3数的表示 计算机中 为了表示正 负数 把一个数的最高位作为符号位 0表示正数 1表示负数 例如 用八位二进制表示 29和 29分别为 00011101和其中第一位为符号位 在计算机中使用的连同符号一起数字化了的数称为机器数 机器数所表示的真实数值称为真值 如 真值 0010010的机器数为 真值 0010010的机器数为 26 1 2 3数的表示 续1 计算机中 为了表示正 负数 把一个数的最高位作为符号位 0表示正数 1表示负数 例如 用八位二进制表示 29和 29分别为 00011101和其中第一位为符号位 在计算机中使用的连同符号一起数字化了的数称为机器数 机器数所表示的真实数值称为真值 如 真值 0010010的机器数为 真值 0010010的机器数为 27 1 2 3数的表示 续2 对于有符号数 有三种表示法 原码 反码 补码 其中最常用的是原码和补码两种 使用原码是为了表示方法直观 使用补码是为了使运算比较简单 二进制的减法可用补码的加法很容易地实现 若定点整数原码形式为x0 x1x2 xn 则原码表示可定义为 式中x表示真值 x 原为其原码 当x为正时 x 原与省略了正号的真值在形式上完全一致 当x为负时 x 原与真值在表示形式上的区别仅仅是符号为1 真值0在原码表示中可以有两种形式 即00 0与10 0 28 1 2 3数的表示 续3 若定点整数补码形式为x0 x1x2 xn 则补码表示可定义为 式中x表示真值 x 补为其补码 在补码表示中 最高位x0表示了该数的正负 若x0 0 则真值 0 若x0 1 则真值 0 这一点与原码一致 正数的补码表示 其尾数在形式上与原码相同 而负数的补码表示 尾数形式上与原码不同 是将原码的尾数 即数值位 取反后加1得到 在补码中 0 只有一种表示形式 即00 0 因此补码比原码 和反码 表示范围多一种表示 29 1 2 3数的表示 续4 若定点整数反码形式为x0 x1x2 xn 则反码表示可定义为 在形式上反码最高位x0表明数的正负 这点与原码和补码相同 而尾数则为原码各位的反 反码中 0 也有两种表示形式 即00 0与11 1 30 31 32 1 2 4编码 编码就是规定用怎样的二进制编码来表示数字 文字和符号 常见的编码主要有BCD码 二 十进制码 ASCII码 汉字编码 Unicode码 统一码 把十进制数的每一位分别写成二进制数形式的编码 称为二 十进制编码或BCD编码 西文字符包括字母 数字 符号及特殊控制字符 西文字符编码方式很多 目前国际上广泛使用的是ASCII码 美国标准信息交换码 ASCII码虽然是美国国家标准 但它已被国际标准化组织 ISO 认定为国际标准 ASCII码已为世界公认 并在世界范围内通用 33 1 2 4编码 续 汉字的外码即它的输入码 目前常见的编码法有按拼音输入的单拼和双拼输入法 按笔形的五笔输入法 还有些输入方法按照拼音和笔形相结合的方式输入 我国国家标准局于1981年颁布了 国家标准信息交换用汉字编码基本字符集 国标码 共收集了6763个汉字 682个非汉字符号 外文 字母 数字 各种图形等 每个汉字对应一个国标码 每个国标码用两个字节表示 6763个汉字分为2级 一级汉字 常用 3755个 一般都知道读音 故以汉字拉丁拼音的字母为序 二级汉字3008个 按部首笔画次序排列 国家标准规定将汉字国标码每个字节的最高位统一规定为 作为识别汉字代码的标志 首位是 即为字符 首位是 即为汉字 这样就形成了机内码 国标码本身也是一种汉字输入码 通常称为区位输入法 要想显示汉字还必须有显示字模点阵码 以及用于在汉字字库中查找汉字字模的地址码等 34 1 2 4编码 续2 通过计算机上因特网时常常碰到乱码的问题 比如说在繁体系统下浏览一个简体或日文的网站 显示的是一堆看不懂的文字 为什么会这样呢 这是因为现在的中日韩内码都是使用2个字节 bytes 来表示一个字符 由于各有各的编码方式 所以就会出现冲突 例如 0 xBBAF 十六进制数BBAF 在Big5码下表示 赵 字 但在GB码下却表示 化 字 所以一旦没选好编码 就会出现一堆看不懂的天书 国际标准化组织于1984年4月成立ISO IECJTC1 SC2 WG2工作组 针对各国文字 符号进行统一性编码 1991年美国跨国公司成立UnicodeConsortium 并于1991年10月与WG2达成协议 采用统一编码字集Unicode UniversalMultipleOctetCodedCharacterSet 又称统一码或万国码 Unicode以2bytes为一单位 为全世界各种文字给定一个唯一的编码 这样就可以避免各种编码方案间产生冲突 从而杜绝乱码的产生 35 1 3计算机的应用 计算机科学在现代社会中有着极为重要的地位 它是信息社会的主要支柱 现代社会的生产 生活都离不开计算机 计算机在人们的生产生活实践中产生和发展 又为人们的生产生活服务 计算机的应用领域有 科学与工程计算信息处理自动控制计算机通信与网络人工智能计算机辅助系统多媒体技术 36 1 4计算机科学的知识体系和分支学科 计算机科学在现代社会中有着极为重要的地位 它是信息社会的主要支柱 现代社会的生产 生活都离不开计算机 计算机在人们的生产生活实践中产生和发展 又为人们的生产生活服务 计算机的应用领域有 科学与工程计算信息处理自动控制计算机通信与网络人工智能计算机辅助系统多媒体技术 37 1 4 1计算机科学的知识体系 38 1 4 2计算机科学的分支学科 计算机系统结构计算机网络及应用计算机控制和机器人学程序设计科学与方法论软件工程和方法学理论计算科学数据库理论和信息系统人工智能与知识工程人机工程计算机辅助系统计算机图形图像与游戏计算机病毒与信息安全计算机科学史的研究 39 1 5计算机类专业的状况和成才之路 计算机科学缔造了信息社会 而 网络经济 CIO 电子商务 短信 网上冲浪 Email 等新名词都是由其引发的 计算机专业是高校招生的第一大专业 也是高考填报志愿的热门专业 今天的计算机作为一门科学 仍然在日新月异的发展 是科学大家庭中最活跃 最有作为的成员 然而 从就业和科研方面考察 计算机类专业却已进入比较艰难的境地 分析形势 才能找准方向 更好地把握未来 计算机类专业包括计算机科学与技术 计算机应用 计算机网络技术 软件工程 信息安全等专业 这里提出几个需要认识到的主要问题 40 1 5 1计算机具有科学与工具 二象性 计算机是高科技的产品 是人类智慧的结晶 一方面 计算机的制造和应用是一门科学 有着深奥的理论和超高的技术 这就是计算机的科学性 另一方面 计算机称为各个领域进行数据计算 信息传递 日常工作等各项事务的必需的工具 这就是计算机的工具性 因此 计算机具有 二象性 计算机价格的降低 操作技术的普及 程序设计的便捷 各类学校各专业计算机课程的开设 使得熟练掌握计算机操作技术和运用计算机解决实际问题的人群不断扩大 特别地 高等学校各专业计算机文化基础 数据库技术和应用基础课的开设 使得大专院校学生普遍达到计算机的应用技术层面 解决各专业的实际问题 非计算机专业的学者们 自己再钻研一下计算机技术 可以达到计算机 高手 的境地 熟练地运用计算机这个工具 41 1 5 1计算机具有科学与工具 二象性 非计算机专业的大部分学生 由于没有受过计算机专业的系统训练 即使编制出实用性很好的程序 也会有很多结构和机制方面的问题 但毕竟软件是可以使用的 各行各业自主培养各种层次的计算机应用人才 各学科专业增开计算机课程 计算机专业毕业生在一些行业内的竞争优势逐渐减弱 作为计算机类专业的学生 如果理论知识学得不扎实 技术掌握得一般 就会缺乏实际工作的能力 而沦为仅仅学会了计算机工具应用的操作员 就像掌握外语这门工具一样 丧失了自己的专业 外语的工具性比计算机更强 作为一门科学 计算机在中国的研究远落后于欧美 目前普通微机的硬件系统的设计基本都是从国外引进 软件系统中系统软件多数都是美国的 应用软件是结合具体业务的 我国的软件研究基本上都在这个层面上 要培养高精尖的计算机系统结构和理论的研究型人才 任务落在国内实验设备完善和理论基底扎实的一流大学身上 并非普通大学的学生们力所能及的 一般的高校培养的人才都是以应用型人才为主的 作为工具 计算机几乎无所不在 无处不用 结合硬件 纯粹软件和软硬结合的应用系统都是计算机专业学生的用武之地 计算机虽然作为工具 但是使用这个工具的学问仍然很深 归入计算机科学与技术的范畴 42 1 5 2计算机类专业是中游专业 在科学领域 很多专业具有较强的关联性 计算机是电子和数学结合的产物 可以说电子和数学是计算机的父母 计算机是中游专业 而计算机专业在开设课程时 要综合开设数学类和电子类课程以及计算机专业自身的一些课程 但是 数学和电子类课程深度和广度必然不如单纯的数学专业和电子专业 一些上游专业 电子 通信 物理 数学 具有深厚的基础理论功底 转行到计算机类专业 大受欢迎 比如他们考计算机专业研究生优势比计算机专业大 容易胜出 计算机专业的学生却不易转行到上游专业去 也不容易去考上游专业的研究生 因为在硬件原理和数学理论上处于劣势 43 1 5 2计算机类专业是中游专业 续 计算机专业的学生毕业后从事本专业的研究或报考研究生深造是一种选择 计算机专业学子从事下游专业的工作或者考下游专业的研究生也是一种好的选择 计算机的下游专业就是依靠计算机支撑或计算机应用程度较高的专业 有数量经济学 电子商务 管理信息系统 地理信息系统 会计电算化 市场营销 物流 教育技术学等 实际上 很多下游专业都是计算机与其他专业结合产生的边缘学科 从事这些下游专业 计算机专业学子的计算机知识绰绰有余 只要自学一些相关专业的课程即可 然而 计算机与一些上游专业结合产生的边缘学科 计算机专业学子很难切入 如生物信息学 数学地质 计算数学 控制理论与控制工程 机械制造及自动化 信号与信息处理 这些较为偏上游的专业不属于计算机的下游专业 44 1 5 3计算机类专业的就业形势 目前 我国有600余所本科院校 还有大量的大专或职业技术学院 绝大多数高校开设有计算机专业 在校生人数超过80万 专业的设点数和在校生人数都位居全国各专业之首 近年来计算机专业初次就业率走低 进入计算机专业的学生 有必要弄清本专业的就业形势及前景 应当注意以下问题 1 普通人才过剩 拔尖人材缺乏2 低薪普通岗位较多 待遇优厚的较少3 就业期望过高 不能合理估量自己4 留学归国人员和国内研究生增多 就业单位的层次降低5 供需结构性失衡 形成人才过剩假象6 社会信息化在推进 计算机人才需求量有增无减7 信息化的普及 计算机专业就业面广 45 1 5 4计算机类专业的成才之路 本课程作为计算机类专业的入门向导 总结近年来学生们的经验教训 对进入本专业的学子今后的成才之路提出几点参考意见 1 夯实基础 拓宽知识面2 学会自学 更新知识3 参与科研 锻炼实力4 勤奋学习 拼搏进取5 及早规划 统筹兼顾 46 夯实基础 拓宽知识面 计算机专业是一门知识更新快 交叉学科多 应用领域广的新学科 要求计算机专业人才拓宽和加深理论基础 提高以创新能力 实践能力为主的全面素质 具有广泛和多层次的适应性 当然 对于打算今后继续深造和直接工作的学生来说 侧重点会有不同 如果大专要升本科或本科要考研究生 那么要特别在基础理论和专业理论上多花精力 如果毕业直接走向社会谋求好的工作 就要理论与实践紧密结合 重视实践层面上的技能 成为计算机应用领域的高手 如果对计算机的某个分支学科或某个下游专业感兴趣 往那个方向发展也是一种策略 47 学会自学 更新知识 计算机是现代科技发展最快的领域之一 计算机的硬件每一年半性能提高一倍 或者说计算机的价格降低一半 这就是著名的 摩尔定律 计算机新软件的推出和原有软件的更新换代非常之快 有的软件甚至每天都更新或升级 计算机软件的开发工具的使用越来越方便 功能日益增强 只有计算机的系统结构理论相对发展较慢 在学校设置的课程中 基础理论课和专业基础课 基本上都是经典的 成熟的知识 专业课虽然有部分比较新颖 但滞后于计算机应用开发的社会实践 即使是新技术的课程 教材上的知识由于写作和出版周期等原因 也比行业应用实际落后至少1 2年 多则3 5年 而且学校开设的前沿技术类课程很少 多数属于基础和原理知识 所以 仅凭学校书本知识去找工作 去面试 去实际应用 将不具任何优势 得不到预想的结果 大学二年级开始 有了一定的计算机专业基础后 就应当到网上了解计算机最新进展 特别是软件开发的技术和业界主流的开发工具 课后自己买书 图书馆借书或从网上找资料来学习这些技术 48 参与科研 锻炼实力 计算机高手的能力是磨练出来的 在大学有一些参与科研的方式 如参加本专业老师的科研 帮助做一些工作 通过自行组织的科技协会或科技小组承揽学校和社会上的课题 参与社会活动 通过亲友或社交活动争取到科研项目 通过调查和自己的兴趣 虚构自己的项目进行开发 直接到社会上的计算机相关企业有偿或无偿