大学计算机基础教案52

大学计算机基础教案52 哈尔滨学院数学与计算机学院教案周次章节名称授课方式教学目的第周，第次课授课时间200年月日/星期授课时数1.3计算机中数的表示与存储课堂讲授（）；实验课（）；多媒体教学（）；网络教学（）；双语（）二进制表示信息（掌握）；进位计数制（熟练掌握）；不同数制之间的转换（熟练掌握）；信息存储单位（熟练掌握）；计算机编码（掌握）；中文信息编码（了解）。 教学重点计算机中数的表示与存储教学难点教学方法计算机中数的表示与存储讲授教学环境2601教学用具多媒体教学设备备注教学过程及内容13计算机中数的表示与存储不论是指令还是数据，若想在计算机中进行存储、运算、处理、传输，都必须采用二进制编码形式，即便是图形、声音等这样的信息，也必须转换成二进制数的形式，才能存入计算机中。 有如下几个原因1易于物理实现2二进制数运算规则简单3机器可靠性高4适合逻辑运算1.3.1进位计数制数值信息在计算机内的表示方法都是用二进制数来表示。 1进位计数制凡是按进位的方式计数的数制叫做进位计数制，简称进位制。 人们日常生活中最熟悉的是十进制数，但在与计算机打交道时，会接触到二进制、八进制、十六进制。 数据无论采用哪种进位计数制表示，都涉及到两个基本问题基数与各数位的权。 基数是指该进位计数制中允许选用的基本数码的个数，例如十进制数，每个数位上允许选用 0、 1、 2、?、9共十个不同数码中的某一个，因此十进制的基数为10，每个数位计满10就向高位进1，即“逢十进一”，故称为十进位计数制，简称十进制。 教学过程及内容例1-1一个十进制数可表示为按权展开的多项式256.472102+5101+6l00+410-1+710-2上式中，各位的权依次为 102、 101、l 00、10- 1、10-2。 以百位为例，该位的权为102，该位的数值则为2102，即数码2与权102的乘积。 2常用进位制的基数与数码下表是需要熟悉的几种进位制的基数和数码表1-1常见进位计数制的基数和数码进位制二进制八进制十进制十六进制基数2810160，10，1，2，3，4，5，6，70，1，2，3，4，5，6，7，8，90，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F数码备注从表1-1可以看出，二进制的基数为2，“逢2进1”；八进制的基数为8，“逢8进1”；十六进制的基数为16，“逢16进”。 几种常见的进位制的对应关系见表1-2。 表1.2常见进位计数制的对应关系二进制0110111001011101111000十进制012345678八进制0123456710十六进制012345678二进制10011010101111001101111011111000010001十进制91011121314151617八进制111213141516172021十六进制9A BC DE F1011为了区分不同计数制的数，常采用括号外面加数字下标的表示方法，如 （1101）2表示二进制数1101， （6688）10表示十进制6688。 另外，还可在数字后面加写相应的英文字母作为标识，（Binary）表示二进制，如二进制数100可写成100B；O（Octonary）表示八进制数（因为O在表示时易与数字0混淆，所以有时也用Q来表示八进制），如八进制数56可写成56O或56Q；H（Hexadecimal）表示十六进制，如十六进制数FA5可写成FA5H；D（Decimal）表示十进制数，如十进制数100可写成100D。 一般约定无后缀的数字为十进制数。 1.3.2不同数制之间的转换下面讨论上述几种进位计数制之间的转换问题。 1其他进制数转换为十进制数对于一个任意进制数转换为十进制数，只需要将这一进制数的各位数字与它的位权相乘，然后按十进制运算规则相加即可。 教学过程及内容例1-2二进制数转换为十进制数（1011.01）2=14-1023-1122-1121-102-112-2=23+21+20+2-2=（11.25）10例1-3八进制数转换为十进制数（3506.2）8383十582十081十680十28-1（1862.25）10例1-4十六进制数转换为十进制数（0.2A）16=216-1十1016-2=（0.1640625）102十进制数转换为其他进制数以十进制数转换为二进制数为例。 转换时，若二进制数包含整数与小数两部分，则分别转换，然后再相加起来即可得出结果。 十进制整数转换成二进制的整数，采用的是“除2取余法”。 例1-5将十进制数149转换为二进制数原数和每一次相除的商每次相除的余数21491（最低位）274023712180291240220211（最高位）0即 （149）10= （10010101）2十进制小数转换成二进制数时，采用的是“乘2取整法”。 例1-6将十进制数0.3125转换成二进制数整数部分小数部分得到的整数位0312520625保留整数，小数02部分继续乘以21251205021.01即（0.3125）10=（0.0101）2要注意的是，十进制小数常常不能准确地换算成为等值的二进制小数，乘法过程会不断进行下去（小数值达不到0），因此只能精确到指定的位数。 .备注教学过程及内容若将十进制数149.3125转换成二进制数，可分别按例1-5与例1-6进行整数部分和小数部分的转换，然后再相加得到最后的结果（149.3125）10= （100101010101）2。 十进制数转换为其他进制数时，转换方法与十进制数转换二进制数相同，只需除以或乘以该进制数的基数。 例如，十进制数转换为八进制数可采用“除8取余法”和“乘8取整法”。 3 二、 八、十六进制数的相互转换 二、 八、十六进制数的相互转换在应用中占有重要的地位。 由于这三种数制的权之间有内在的联系，即238，2416，因而它们之间的转换比较容易，即每位八进制数相当于三位二进制数，每位十六进制数相当于四位二进制数。 （1）二进制数转换为八进制数转换前，首先要划分位组。 位组的划分是以小数点为起点，三位二进制数一组，整数部分向左划分，小数部分向右划分。 注意，小数部分不足三位的要以0补位。 位组划分好之后，以每个位组对应一个八进制数进行转化。 例1-7将二进制数1011010.1转换成八进制数0010110101001324（1011010.1）2=（132.4）8 （2）二进制数转换为十六进制数位组的划分是以小数点为起点，四位二进制数一组，整数部分向左划分，小数部分向右划分。 注意，小数部分不足四位的要以0补位。 位组划分好之后，以每个位组对应一个十六进制数进行转化。 例1-8将二进制数1011010.1转换成十六进制数0101101010005A8（1011010.1）2=（5A.8）16 （3）八进制数转换为二进制数一位八进制数相当于三位二进制的数，转换的时候，将一位八进制数转换成三位二进数，不足三位的以0补位，不能省略。 转换完成之后，将没有数学意义的零（整数部分的前导零和小数部分尾部的零）省略，这样完成了转换。 例1-9将八进制数127.14转换成二进制数12714001010111001100（127.14）8=（1010111.0011）2 （4）十六进制向二进制的转化一位十六进制的相当于四位二进制的数，转换的时候，将一位十六进制数转换成四位二进制数，不足四位的以0补位，不能省略。 转换完成之后，将没有数学意义的零（整数部分的前导零和小数部分尾部的零）省略，这样完成了转换。 例1-10将十六进制数F7.28转换成二进制数F7281111011100101000（F7.28）16=（11110111.00101）2备注教学过程及内容备注1.3.3信息存储单位在计算机内部，各种信息都是以二进制编码形式存储，在计算机的存储介质上，二进制信息是常采用字节为基本单位来进行存储的。 （1）位（bit，简称比特）计算机能够处理的数据的最小单位，表示一位二进制信息。 （2）字节（byte，缩写为B）一个字节由八位二进制数字组成（1byte8bit）。 字节是信息存储中最常用的基本单位。 字节与位及常见的单位关系如下KB1KB=1024B=210B MB1MB=1024KB=220B GB1GB=1024MB=230B TB1TB=1024GB=240B （3）字（word）字是位的组合，并作为一个独立的信息单位处理，通常两个字节作为一个字，也就是指计算机一次存取、加工、运算和传递的数据的长度。 字又称为计算机字，它的含义取决于机器的类型、字长以及使用者的要求。 常用的固定字长为16位。 （4）机器字长在讨论信息单位时，还有一个与机器硬件指标有关的单位，这就是机器字长。 机器字长一般是指参加运算的寄存器所含有的二进制数的位数，它代表了机器的精度。 机器的功能设计决定了机器的字长。 一般大型机用于数值计算，为保证足够的精度，需要较长的字长，如32位、64位、128位等，而小型机、微机一般字长为16位、32位、64位等。 1.3.4二进制数在计算机内的表示在计算机中采用的是二进制，只有“0”和“1”两种形式，所以对于带符号的数，机器中约定数的某一位表示符号，常用“0”表示正号，用“1”表示负号，这种在计算机中使用的连同符号一起数码化的数称为机器数，机器数表示方法有三种，原码、反码和补码，其中，补码运算方便，二进制的减法可用补码的加法实现，因此在计算机中一般使用补码来表示数。 1.3.5计算机编码计算机除了用于数值计算之外，还要进行大量的信息处理，也就是要对表达各种信息的符号进行加工。 由若干位组成的二进制数代表一个符号，符号集内所有的二进制数与一个符号惟一对应，这就是“计算机编码”。 1ASCII码ASCII码（American StandardCode forInformation Interchange）是“美国标准信息交换代码”的简称，是目前国际上最为流行的字符信息编码方案。 ASCII码包括09十个数字、大小写英文字母及专用符号等95种可打印字符，还有33种控制字符（如回车、换行等）。 一个字符的ASCII码由七位二进制数编码组成，所以ASCII码最多可表示128个不同的符号，一般一个ASCII字符占用一个字节。 教学过程及内容2中文信息编码英文单词由26个英文字符可以拼写完成，而汉语由一个一个汉字组成，常用汉字就有2000余个。 因此，计算机在处理汉字时，必须先对汉字进行编码。 （1）汉字机内码简称内码，是计算机在内部进行存储、传输和运算所使用的汉字编码。 汉字机内码采用双字节编码方案，即用两个字节（16位二进制数）表示一个汉字的内码。 汉字的输入码可多种多样，但对同一个汉字其内码只有一个，实际上内码是指汉字在字库中的物理位置。 （2）汉字交换码又称国标码。 当汉字信息在计算机之间传递和交换时，要求传送的汉字编码信息必须完全一致，才不会造成混乱。 为此，1981年我国根据有关国际标准规定了信息交换用汉字编码字集基本字集，即GB231280，简称国标码。 该字集共收了7445个字符和图形，其中有6763个汉字，共分为两级，一级是3755个，属于常用汉字，按汉语拼音字母顺序排序；二级汉字3008个，属非常用汉字，排部首顺序排序。 该字集还收集了各种图形符号（英文、日文、俄文、希腊文字母、序号、汉字制表符等），共计682个。 国标码将这些符号分成94个区，每个区又分成94位。 每个位置可存放一个字符，这样每个字符都有一个惟一对应的区码和位码。 区码和位码组成区位码。 区与位分别用一个七位二进制数的十进制表示。 如汉字“中”位于第54区第48位，其区位码就是5448。 区位码也是一种常用的汉字输入码（外码），大部分汉字系统中都配有区位码输入法。 （3）汉字输入码又称外部码，是按照某种输入法输入汉字时所采用的编码。 每个汉字对应一个编码，但一个编码可能对应若干个汉字。 汉字的输入码有很多种类型，而且各有特点。 用户可以根据自己的需要选择不同的输入法（外码）。 目前使用较普遍的汉字输入法有拼音码、自然码、五笔字型码，智能ABC等。 （4）汉字输出码又称字型码或汉字发生器编码，其作用是在输出设备上输出汉字的形状。 汉字的字型码又称为字模，是每个汉字的点阵信息，也称点阵字型代码。 所谓汉字的点阵形式，是将汉字作为二维图形处理，就是把汉字置于网状方格内用黑白点表示，凡有笔画通过的网点为黑点，否则为白点。 每个黑白点为字符图形的最小元素，称为位点。 由于每个位点都有黑白两种状态，正好对应于二进制的0和1。 所以对于每个汉字字型，经过点阵数字化后的一串二进制数称为汉字的输出码。 输出的字体、字型要求各不相同，有16 16、24 24、32 32、40 40、4848，?，9696等各种点阵。 对于1616点阵的汉字，共有256个点，即256个位。 因为在计算机中8个二进制位为一个字节，所以1616点阵的汉字需要216=32个字节表示一个汉字的点阵信息量。 同理3232点阵需要432=128个字节表示一个汉字的点阵信息。 由此可见，这种点阵式字模的缺点是占有存储较大，优点是结构简单，取字速度快，字型可以达到既美观又不失真的效果。 所以它是目前汉字系统采用的汉字库的主要方式。 备注1.4计算机系统1.4.1计算机硬件系统冯诺依曼提出的计算机“存储程序”工作原理决定了计算机由五大部分组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 1运算器运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic LogicUnit），其功能是进行算术运算和逻辑运算教学过程及内容内存存储器主机中央处理器硬件系统输入设备外部设备输出设备外存储器操作系统系统软件软件系统语言处理程序诊断程序服务性程序成品应用软件应用软件用户自编程序图1-3计算机系统示意图运算器控制器备注计算机系统3存储器存储器是计算机存储数据和程序的地方，包括内存储器和外存储器。 程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。 为了实现自动计算，各种信息必须预先存放在计算机内的存储器中。 内存储器简称内存或主存，它与CPU直接交换数据，所有的程序和待处理的数据也只有读入内存后才能被计算机的CPU执行。 外存储器（磁盘、硬盘、光盘等）以文件形式存储数据和程序，需要的时候调入内存被处理和执行。 外存容量比内存大得多，内存的存取速度要快得多。 内存的运算速度直接影响到读取指令的速度，因而也就影响主机执行指令的速度。 内存储器又为分只读存储器ROM（Read OnlyMemory）和随机存储器RAM（Ran-dom AessMemory）两种。 一般只能从ROM中读取信息，而不能写入信息。 而RAM，既可以从中读取信息，也能写入信息，通常所说的计算机的内存就是指RAM。 如果断电，RAM中的信息会自动消失。 存储器采取按地址存（写）取（读）的工作方式。 内存储器内包含许多存储单元，每个单元可以存放一个适当单位的信息。 全部存储单元按一定顺序编号，这种编号就称为存储器的地址。 4输入设备输入设备用于接受用户输入的数据和程序，并将它们转换成计算机能接受的形式（二进制数）存放到内存中。 常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 5输出设备输出设备用于将存放在内存中的计算机处理结果输出给用户。 常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。 教学过程及内容上述五大部分的关系可以用图1-4表示。 运算器备注输入设备存储器输出设备控制器数据流控制流图1-4计算机硬件结构图1.4.2计算机软件系统计算机软件（Computer Software）是相对于硬件而言的。 它包括计算机运行所需的各种程序、数据及其有关文档。 1计算机软件软件内容丰富、种类繁多，通常根据用途可将其分为系统软件和应用软件两类。 系统软件是保证计算机系统正常工作必须配备的基本软件，是用于管理、控制和维护计算机系统资源的程序集合，用户不得随机修改，如操作系统、编译程序、数据管理系统等。 应用软件是在系统软件支持下开发的，为解决特定问题而编制的应用程序或用户程序等，用户可以根据需要自行配置。 如文字软件、图像处理软件、多媒体应用软件、网络软件、工具软件等。 2计算机语言为使计算机能按要求进行工作，仅输入数据是不够的，还要告诉计算机怎么处理这些数据。 这些处理过程又分为若干步骤，每个步骤都是按一个确定的命令进行的，这种命令称为指令，由各个步骤的指令组成的有序集合称为程序。 编制程序，需要借助于计算机语言（程序设计语言）。 计算机语言可以分为三大类机器语言、汇编语言、高级语言。 教学过程及内容 （1）机器语言机器语言是一系列由0和1组成的二进制指令代码，这种指令代码称为机器指令，机器指令的集合称为机器语言。 机器语言是计算机系统所能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计