第01章-计算机与程序设计基础

第一章计算机与程序设计基础,白雪飞中国科学技术大学信息科学技术学院,2,提纲,计算机系统的基本组成与工作原理微型计算机的系统结构信息的表示及存储形式计算机程序与算法,计算机系统的基本组成与工作原理,4,ABCAtanasoffBerryComputer第一台电子计算机，1942年用于求解线性方程组ENIACElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数值积分计算机第一台通用电子计算机，1946年EDSACElectronicDelayStorageAutomaticComputer电子延迟存储自动计算机第一台冯诺依曼结构计算机，1949年,电子计算机的诞生,5,计算机系统的组成,计算机系统的组成,6,设计思想用二进制编码表示数据和程序存储程序控制原理五大基本部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备存储程序控制原理将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步地进行处理，直到得出结果使用计算机的主要方式：编写程序、运行程序,冯诺依曼结构计算机,冯诺依曼JohnvonNeumann(1903-1957),7,运算器(ALU)负责完成所有算术、逻辑运算控制器(ControlUnit)指挥各部件按照指令功能操作存储器(Memory)存储二进制形式的数据和程序输入设备(InputDevice)接受输入的原始数据和程序输出设备(OutputDevice)将运算结果输出到相应介质上,计算机的硬件系统,计算机的基本结构,8,系统软件(SystemSoftware)管理计算机全部软硬件资源的软件操作系统是最核心的软件应用软件(ApplicationSoftware)专门为某一应用目的而编制的通用或专用程序应用软件必须在系统软件的支持下才能工作,计算机的软件系统,用户和软件、硬件之间的关系,9,指令(Instruction)计算机完成一个基本操作的命令由一串二进制代码组成，包括操作码和操作数不同类型计算机的指令代码也不同指令系统(InstructionSet)一台计算机所能识别的所有基本指令的集合程序(Program)为完成预定任务用计算机语言编写的一组指令序列程序的执行过程：取指令、分析指令、执行指令程序设计语言(ProgrammingLanguage)机器语言、汇编语言、高级语言,计算机的基本工作原理,微型计算机的系统结构,11,微型机系统的组成,微型计算机系统的组成,12,字长CPU一次能直接处理的二进制数的位数字长越长，计算机的处理能力越强速度运算速度：每秒钟能执行多少条指令主频：CPU主时钟的工作频率内存容量存取周期内存进行连续两次独立读/写操作所需的最短时间外设和软件配置,微型机的主要性能指标,13,主板(MainBoard)固定在计算机主机箱体上的一块电路板主板是计算机各部件相互连接的纽带和桥梁中央处理器(CPU)计算机的核心，包括运算器和控制器等存储器(Memory)内部存储器、主存储器容量较小、读写速度快、由CPU直接随机存取RAM中的信息在断电后会丢失外部存储器、辅助存储器容量很大、读写速度慢、不能直接与CPU交换信息信息可长期保存，在断电后不会丢失,微型机的硬件组成,14,输入输出(Input/Output,I/O)I/O设备：用于输入或输出信息的设备输入设备：键盘、鼠标等输出设备：显示器、打印机等I/O接口：微处理器与I/O设备之间交换信息的连接电路系统总线(SystemBus)总线(Bus)：计算机部件之间进行信息传输的一组公共信号线及相关的控制逻辑电路总线类型：地址总线(AB)、控制总线(CB)、数据总线(DB)总线扩展槽：PCI、AGP,微型机的硬件组成,15,操作系统(OperatingSystem,OS)对计算机的软硬件资源进行管理DOS、Windows、Unix、Linux等语言处理程序把用户用编程语言编写的源程序翻译成计算机能够识别的由机器语言构成的目标程序编译方式(Compile)：C解释方式(Interpret)：BASIC数据库管理程序常用服务性程序,微型机的系统软件,16,语言处理程序,编译过程,解释过程,17,文件(File)操作系统用来存储和管理外存上信息的基本单位文件名格式：主文件名.扩展名扩展名一般用来表明文件的类型通配符可以在操作和命令的文件名中代替其他字符?代表一位任意字符*代表任意个数的字符串文件夹/目录(Folder/Directory)操作系统采用目录和树形结构来管理磁盘文件目录是文件的集合体，可包含多个文件和子目录最上层目录为根目录,文件管理,18,逻辑盘为了便于管理，Windows系统通常把硬盘驱动器划分为多个逻辑盘，从C开始进行编号，称为盘符当前目录：当前的用户操作所在的目录当前目录可用“.”表示，当前目录的父目录可用“.”表示当前盘：当前目录所在磁盘路径(Path)绝对路径：从根目录开始的路径相对路径：从当前目录开始的路径,文件管理,信息的表示及存储形式,20,计算机采用二进制编码所有信息（数据、指令）都是采用二进制编码进行存储和处理计算机与用户交流采用人们熟悉和便于阅读的形式计算机系统的硬件和软件负责实现上述转换二进制的优点易于物理实现运算简单机器可靠性高通用性强,二进制编码,21,位(Bit,b)一位二进制数字，是度量数据的最小单位字节(Byte,B)八位二进制数字，1byte=8bits信息组织和存储的基本单位数量级前缀千(K,Kilo-)1K=210=1024兆(M,Mega-)1M=220=1024K吉(G,Giga-)1G=230=1024M太(T,Tera-)1T=240=1024G,信息单位,22,基R数制只采用R个基本符号的数制R称为数制的“基数”数制中每一位固定位置对应的单位称为“权”进位计数制逢R进一各位的权是以R为底的幂,位置计数法和进位制,23,常用进制,24,R进制转换为十进制根据进位计数制的定义，按权展开求和十进制转换为R进制整数部分：除基取余法小数部分：乘基取整法二进制与八、十六进制之间的转换三位二进制数可以表示一位八进制数四位二进制数可以表示一位十六进制数二进制数以小数点为中心向两边划分，每3或4位为一组，转换为一位8或16进制数两边不够时，应补0凑足分组位数(3或4),数制转换,25,R进制转换为十进制,26,例3,十进制转换为R进制除基取余法,27,例4,十进制转换为R进制乘基取整法,28,例5例6例7,二进制与八、十六进制之间的转换,29,整数无符号数(Unsigned)：所有位都作为数据使用只能表示非负数有符号数(Signed)：最高位作为数据的符号位使用可以表示正数、负数和零表示形式有原码、反码、补码实数定点数(Fixed-point)：小数点隐含在某一个固定位置上浮点数(Floating-point)：小数点位置可以浮动,数值数据的表示,30,原码和反码,31,补码,32,表示形式二进制规范化指数形式符号位：正数为0，负数为1阶码：移码形式，在实际指数上加上偏移量尾数：原码表示，最高位为1，是隐藏位，不存储特殊的数零：阶码、尾数各位全为0无穷大：阶码各位全为1，尾数各位全为0NaN(Not-a-Number)：阶码各位全为1，尾数各位不全为0,浮点表示法,33,字符西文字符编码汉字编码Unicode多媒体数据文本、图形、图像、音频、视频等经过数字化处理后，以二进制编码形式表示,非数值数据的表示,34,ASCII码AmericanStandardCodeforInformationInterchange目前国际上最为流行的字符信息编码方案标准ASCII码7位二进制数编码，表示27=128个字符，取值范围0127占用一个字节，最高位为0扩展ASCII码8位二进制数编码，表示28=256个字符，取值范围0255占用一个字节，增加了最高位为1的128个字符,西文字符编码,35,GB2312标准双字节编码，共收录6763个汉字，682个西文字符和图符GB18030标准完全兼容GB2312标准多字节编码，共收录70244个汉字包含繁体汉字、日韩汉字、少数民族文字Big5码（大五码）港澳台等繁体中文通行区最常用汉字编码标准双字节编码，共收录13060个汉字,汉字编码,36,Unicode,Unicode统一码、万国码、单一码、标准万国码信息编码的一个国际标准对世界上大部分的文字系统进行了整理、编码已收录了超过十万个字符官方网站：乱码当邮件或网页所采用的编码与软件使用的编码不一致时，软件可能无法正确显示字符从软件菜单中选择合适的编码,计算机程序与算法,38,NiklausEmilWirthAlgorithms+DataStructures=Programs算法+数据结构=程序数据结构(DataStructure)数据对象及其相互关系和构造方法描述了程序中数据间的组织形式和结构关系,程序,NiklausE.Wirth(1934-),39,算法(Algorithm)问题的求解方法，由一系列求解步骤组成有穷规则的集合，其中的规则规定了解决问题的运算序列算法的特性有穷性、确定性、可行性、输入、输出算法的要求正确、可读、健壮、高效和低存储量,算法的概念,40