计算思维和信息编码

计算思维、信息技术基础,计算思维信息编码信息安全,何谓计算思维？,递归思维并行处理把代码译成数据又能把数据译成代码多维分析推广采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计选择合适的方式去陈述问题或建模按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式,并从最坏情况进行系统恢复利用启发式推理寻求解答利用海量数据来加快计算,在时间和空间之间,在处理能力和存储容量之间进行折衷,信息与数据,信息是客观世界通过人的感官感知和头脑加工而形成的对事物的认识。数据是信息的载体，计算机数据则可以是数字、文字、图形、图像、语言、声、光、色等有意义描述体的单一载体，也可以是他们的组合，而这种组合具体地表示了信息的内容。信息的表现形式是多种多样的，例如数字、英文字符、语言、各种文字、声音、图像等。,信息基础知识,计算机概述计算机系统的工作原理数制与编码数据在计算机中的表示机器指令与指令系统,计算机的发明,1图灵机的提出（1936年）2第一台计算机ENIAC的制造成功（1946年）地点：美国（宾夕法尼亚大学）背景：解决弹道计算问题基本数据：占地170m2，采用18000个电子管，运算速度5000次/秒3冯诺依曼计算机模式的提出二进制编码存储程序运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备,计算机的发展简史,1第一代电子管计算机时代（194658年）电子管为基本器件，运算速度每秒数千次至数万次没有随机存储介质体积庞大，功耗高，可靠性低2第二代晶体管计算机时代（19591964年）采用晶体管元件使用磁芯和磁鼓作存储器，体积缩小，功耗降低，运算速度每秒数十万次，最高可达300万次,3.第三代中、小规模集成电路计算机时代（196571年）主要元件为中小规模集成电路；采用了更好的半导体内存；每秒钟1000万次浮点运算4.第四代大规模和超大规模集成电路计算机时代（1972年现在）集成度高、体积缩小、性能提高，实现了并行处理，程序设计自动化出现了客户机/服务器结构模式运算速度达万亿次/秒,计算机的发展简史,计算机的分类,从规模和性能指标分类：巨型计算机：ES/900，银河3大型计算机中型计算机：370系列小型计算机：PDP系列微型计算机：PC机（PII、PIII、P4）,按字长分类:8位机16位机32位机64位机,计算机的分类,微机的发展简史,第一代微型计算机（19711973年）第一代微处理器是4位CPU和低档8位处理器第二代微型计算机（19731978年）第二代处理器是成熟的8位处理器。第三代微处理机和微型计算机（19781983年）第三代微处理机16位处理器第四代微型计算机（19831993年）第四代微处理器是32位CPU，即32位微处理机时代第五代微型计算机（1993年）第五代微处理器是准64位的CPU。,计算机的应用,科学计算(数值计算)数据处理(信息处理)自动控制和过程控制计算机辅助设计和辅助教学人工智能方面的研究和应用多媒体技术应用,计算机的特点,运算速度快计算精确度高具有记忆和逻辑判断能力有自动控制能力,数制与编码,计算机内部使用二进制代码“0”和“1”来存储和处理数据“0”和“1”可以用简单的“低电平”与“高电平”实现数制：指用一组基本符号和既定规则表示数的方法，也称为计数制或计数法。,进制,（1）十进制数数字10个（0-9），权值为10，逢10进1，借1当10123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2表示：(123.45)10或123.45d,（2）二进制数数字2个（0-1），权值为2，逢2进1，借1当2。1001.01=123+022+021+120+02-1+12-2表示：(1001.01)2或1001.01b,进制,（3）八进制数数字8个（0-7），权值为8，逢8进1，借1当8。72.052=781+280+08-1+58-2+28-3表示：(72.052)8或072.052或72.052o（4）十六进制数数字16个（0-F），权值为16，逢16进1，借1当169A2.D0B=9162+10161+2160+1316-1+016-2+1116-3表示：(9A2.D0B)16或0 x9A2.D0B或9A2.D0Bh,进制,二、八、十六进制数转换为十进制数,把二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数，采用按权展开相加的方法，即把二进制数（或八进制数、十六进制数）写成2（或8、16）的各次幂之和的形式，然后按十进制计算结果,【例】把二进制数(1011.101)2转换成十进制数。解：(1011.101)2=12302212112012-102-212-3=80210.500.125=(11.625)10,【例】把八进制数(123.45)8转换成十进制数。,(123.45)8158-2=64+16+3+0.5+0.078125=(83.578125)10,二、八、十六进制数转换为十进制数,【例】把十六进制数(3AF.4C)16转换成十进制数,解：(3AF.4C)16=31621016115160416-11216-2=(943.296875)10,二、八、十六进制数转换为十进制数,十进制数转换成二进制数,(1)十进制整数转换成二进制整数十进制整数转换成二进制整数采用“除2取余”法,【例】将十进制数69转换成二进制数。,(69)10=(1000101)2,十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整”法。【例】将十进制小数0.6875转换成二进制小数,(2)十进制小数转换成二进制小数,十进制数转换成二进制数,(0.6875)10=(0.1011)2,十进制数转换成八进制数,(1)十进制整数转换成八进制整数除8取余【例】将十进制数845转换成二进制数。,(845)10=(1515)8,乘8取整【例】将十进制小数0.3574转换成八进制小数,(2)十进制小数转换成八进制小数,十进制数转换成八进制数,(0.3574)10=(0.26677)8,十进制整数十六进制整数“除16取余”；十进制小数十六进制小数“乘16取整”。【例】十进制数58.75转换成十六进制数。,十进制数转换成十六进制数,注：十进制小数不一定能被准确地转换为二、八、十六进制小数,(58.75)10=(3A.C)16,二进制数转换为八进制数，可“三位并一位”；八进制转换为二进制，则按“一位拆三位”。例将(1010111011.0010111)2转换为八进制数001010111011.0010111001273.134(1010111011.0010111)2(1273.134)8,二进制数与八进制数之间的转换,【例】将八进制数(7421.046)8转换成二进制数解：(7421.046)8111100010001.000100110(7421.046)8(111100010001.00010011)2,二进制数与八进制数之间的转换,“四位并一位”和“一位拆四位”例将二进制数(101111111010101.10111)2转换为十六进制数。(0101111111010101.10111000)25FD5.B8(101111111010101.10111)2(5FD5.B8)16,二进制数与十六进制数之间的转换,【例】将十六进制数(1ABC.EF1)16转换为二进制数。解：(1ABC.EF1)160001101010111100.111011110001(1ABC.EF1)16(1101010111100.111011110001)2,二进制数与十六进制数之间的转换,二进制数的算术运算,加法运算减法运算乘法运算除法运算0+0=00-0=001=000无意义0+1=11-0=110=001=01+0=11-1=001=011=11+1=00-1=111=110无意义(向上位进1）（向上位借1）,二进制的算术运算法则,【例】计算1010101110100110的值。解：1010101110100110,1010100011010101100100110=101010001,数据处理的单位,比特：（Bit：BinaryDigit二进制数位）是指1位二进制的数码（即0或1）。字节：通常用8个二进制位称为字节(Byte=8bits),用B表示，它是数据处理和数据存储的基本单位。字节是存储器系统的最小存取单位。换算关系：1B=8bits1KB=1024B=210B1MB=1024KB=10241024B=1048576B=220B1GB=1024MB=10241024KB=102410241024B=1073741824B=230B字：是计算机进行数据存储和数据处理的运算单位。字长：一个字中的字符数量或二进制的位数。,二进制数的计算机内部表示方法,1定点数表示法在机器中，小数点位置固定的数称为定点数定点整数：规定小数点在最低数字后定点小数：规定小数点在最高数字左边2.浮点表示：小数点位置浮动N=M*2E,M为尾数,E为阶码存储格式:阶符+阶码+数符+尾数,整数的表示（定点整数）,符号位：1表示负数，0表示正数定点整数的机器表示分为原码、反码和补码三种形式在计算机中，一旦确定了定点数的位数(即长度)，它所能表示的数值范围就是固定的。例如，8位长度的定点数所能表示的数值范围为-1111111+1111111即-(27-1)+27-1,二进制数的计算机内部表示方法,小数的表示（定点小数）,符号位：1表示负数0表示正数定点小数绝对值均小于等于1,二进制数的计算机内部表示方法,浮点数的表示,记阶表示法：数由五部分组成：尾符、尾数、阶符、阶数、基数浮点数的格式,二进制数的计算机内部表示方法,例：25.75=11001.11(二进制真值）=0.11001112101(二进制)若阶和尾数均用补码表示，结果为：010101100111,浮点数可以扩大数的表示范围,原码、反码与补码,（1）机器数与真值【例】求十进制数“+38”和“-38”的真值和机器数（8位）解：(38)10=(100110)2(+38)10的真值为+100110，机器数为00100110(-38)10的真值为-100110，机器数为10100110【例】求十进制数“+158”和“-158”的机器数（16位）。解：(158)10=(10011110)2(+158)10的机器数为0000000010011110(-158)10的机器数为1000000010011110,(2)原码【例】求十进制数“+38”与“-38”的原码。解：(38)10=(100110)2(+38)原=00100110(-38)原=10100110,(3)反码【例】求十进制数“+38”与“-38”的反码。解：(+38)反=(+38)原=00100110(-38)原=10100110(-38)反=11011001,原码、反码与补码,(5)补码【例】求十进制数“+38”与“-38”的补码。解：(+38)补=(+38)原=00100110(-38)原=10100110(-38)反=11011001(-38)补=11011010+0的补码与-0的补码形式一致,原码、反码与补码,补码的运算,（1）补码的基本运算公式x+y补=x补+y补例：1001+0011解：1001+0011补=1001补+0011补=01100补1001+0011=+1100例：1001-1011解：1001-1011=1001补+-1011补=11110补1001-1011=-0010计算机中使用补码加法运算来实现二进制数的加减运算,（2）计算机实现加法和减法运算的过程把输入的数据转换为二进制数把二进制数转换为补码实现补码加法（符号位直接参加运算）把补码形式的运算结果转换为二进制数把二进制数转换为用户可识别的数据形式,补码的运算,字符的表示,ASCII:美国信息交换标准码1个字节(8位)存放1个ASCII码(7位),最高位通常为校验位,以提高信息传输的可靠性,ASCII码表,ASCII码表,字符hello的计算机内编码,字符的表示,数字字符的编码：09作为字符也有相应的编码例，0.6875有两种表示格式：（1）数字表示方法(0.6875)10=(0.1011)2（2）ASCII码表示方法0.6875001100000010111000110110001110000011011100110101前一种格式的文件称为二进制文件，后一种格式的文件称为ASCII码文件或文本文件。显然，数值的ASCII码文件要比相应的二进制文件大很多,字符的表示,ASCII码特点：用7位二进制编码，可表示128个字符是计算机存储、表示（不是显示）、识别字符的基本依据。比如字符1的ASCII码是00110001（二进制），即31。其八进制形式编码为061扩展ASCII码用8位编码，可表示256个字符,字符的表示,汉字的表示,GB2312:一级汉字(常用字)3755个,按拼音排列二级汉字(次常用字)3008个,按部首排列图形符号682个一个汉字或图形符号对应一个区位码(94区*94位)占2个字节,区码占1个字节,位码占1个字节图形符号占110区一级汉字占1655区二级汉字占5687区,汉字的表示,信息产业部和国家质量技术监督局在2000年3月17日联合发布的GB18030-2000信息技术信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充）。最新发布的标准为GB18030-2005编码标准，是在原来的GB2312-1980编码标准和GBK编码标准的基础上扩充CJK编码及少数民族文字编码，增加了四字节部分的编码。GB18030-2005包括70,000个汉字，执行的是ISO10646国际标准。,汉字的表示,汉字的输入与输出码,（1）汉字编码输入编码：音码（拼音，智能ABC）形码（五笔字型，太极码）音形码（自然码）国标码（汉字交换码）内码：计算机表示、存储、识别一个汉字的基本依据，占两个字节。汉字字库：汉字字型数据,（2）汉字的处理：,输入编码,国标码,汉字内码,存储或处理,汉字的输入与输出码,（3）汉字的显示：,内码,字形数据,汉字的输入与输出码,汉字的输入码,汉字的输入码：为方便用户使用对指定的汉字集合进行的编码分类：拼音码、笔形码、音形码,输入编码,国标码,汉字内码,存储或处理,拼音码,按汉字的拼音规则编码重码率较高6763个常用汉字（1）全拼码码元25个拼音由声母和韵母组成拼音符号只能组合出有限个拼音音节音节是拼音的独立使用元素例：xianglv,汉字的输入码,（2）双拼码把声母和韵母中的多个符号用一个键盘符号表示57个码元如：算sr,汉字的输入码,笔形码,可编码的汉字集大（6万多字）、无重码用户须记忆的较多（1）汉字的3个层次：笔画、字根、单字（2）5种笔画：横、竖、撇、捺、折（3）130个字根（4）3种字型：上下型、左右型、杂合型,汉字的输入码,汉字的输入码,汉字的输出码,汉字点阵：用若干行乘若干列的点的矩阵来表示一个汉字的输入字形，常用有1616，2424，3232，放大后失真矢量汉字：构造复杂，放大后不失真,内码,字形数据,图像的表示,位图图像点集，表示方法简单，但图像放大后失真黑白位图图像彩色位图图像（256色、24位真彩色）矢量图图元集合，表示方法复杂，但可任意放大不失真,机器指令与指令系统,机器指令：用编码表示的计算机可识别和处理的命令称为机器指令，或简称指令。指令通常包含两个部分：操作码和地址码。例如：ADDA，#87H操作码：指明计算机应执行什么操作。地址码：指参与操作的数据在存储器中的地址。,指令系统,数据传送类指令数据传送指令是指令系统中最基本的一类指令，主要用于实现寄存器和寄存器、寄存器和存储单元之间的数据交换，即数据取出或将运算结果存入。运算类指令运算类指令主要完成算术运算和逻辑运算，如：加、减、乘、除、与、或、非、异或等，带有浮点部件的计算机还可以具有浮点运算指令。程序控制类指令程序控制指令主要用于控制程序的执行方向，如：无条件转移指令、条件转移指令、调用与返回指令、循环控制指令。输入/输出类指令CPU控制和调试指令,两数相加的运算过程,信息安全,信息安全的概念保密性完整性可获性认证性可控性,计算机犯罪,未经授权存取罪制造、传播企图损害中断计算机系统运行的破坏性程序罪未经授权修改计算机或通信系统的程序数据罪截取、干扰或非法中断计算机或通信系统运行罪,防御策略与防火墙,积极安全防御：网络防火墙：利用网络防火墙阻挡外面的端口扫描攻击，利用应用安全防护技术，深层管理和控制由用户访问外部资源而引起的应用层攻击，解决针对应用的、具有破坏性的复杂攻击应用防火墙：通过积