大学计算机基础（第7版）（微课版）课件全套 第1-12章 计算机与计算思维- AI应用

第1章e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C计算机与计算思维大学计算机基础——计算思维+人工智能Fundamentalsofuniversitycomputerscience课前导读2

本章从计算机的发展和应用领域开始，由浅入深地介绍计算机系统的组成、功能及常用的外部设备，然后详细讲述不同进制之间的数值转换以及二进制数的运算、讲述不同信息类型在计算机中的表示方法，最后还介绍了计算思维的概念。通过学习本章内容，读者可以从整体上了解计算机的基本功能和基本工作原理。e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.1.1计算机的发展和应用领域概述

计算机，是一种以高速进行运算，具有内部存储能力，由程序控制操作过程的自动电子装置。是20世纪最重大的发明之一。1.1.1计算机的发展和应用领域概述时间发明者成果唐朝末期中国算盘1621年冈特（英）计算尺1642年帕斯卡（法）机械加法器1673年莱布尼兹（德）机械乘法器1834年查尔斯·巴贝奇(英)分析机1936年霍华德·艾肯(美)机电方法代替纯机械方法1936年阿伦·图灵(英)提出了计算机的抽象理论模型，发展了可计算性理论1946年JohnMauchly和J．P．Eckert(美国宾夕法尼亚大学

)ENIAC计算机1946年冯·诺依曼

(美籍匈牙利数学家)冯·诺依曼型计算机计算工具发展史计算机发展著名的人物诺依曼（JohnvonNeumann，1903—1957），美籍匈牙利科学。主持研制出第二台电子计算机EDVAC。采用了二进制数，并创立了“存储程序”的设计思想，EDVAC也被认为是现代计算机的原型。“现代计算机之父”、“博弈论之父”。艾伦•图灵（AlanTuring，1912—1954），英国数学家，他为计算机的诞生奠定了理论基础，1936年提出了计算机的抽象理论模型，发展了可计算性理论。以他名字命名的图灵奖也是当前计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。计算机科学之父。1.1.1计算机的发展和应用领域概述计算机发展著名的人物查尔斯•巴贝奇（1791—1871）英国数学家。①1822年设计了“差分机”；②1834年设计了“分析机”；③在他的分析机中已经具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构思。计算机第一人。霍华德•艾肯（1900—1973），美国人，1936年他提出用机电方法实现巴贝奇分析机的想法，1944年他成功地制造了Mark2计算机，使巴贝奇的梦想变成了现实。成功研制出世界上第一台大型自动数字计算机MarkⅠ。1.1.1计算机的发展和应用领域概述1.1.1计算机的发展和应用领域概述世界上第一台计算机名叫埃尼阿克（ENIAC），1946年2月诞生于美国的宾夕法尼亚大学。18000多个电子管，占地面积约170m2

，30t,150kw,5000次/秒

1.电子计算机的产生

1.1.1计算机的发展和应用领域概述2.电子计算机的发展未来计算机

指具有人工智能的新一代计算机，运算速度极快，具有推理、联想、判断、决策、学习和人机交互能力等功能，软件系统能够处理知识和信息。神经网络计算机生物计算机分子计算机光子计算机纳米计算机量子计算机1.1.1计算机的发展和应用领域概述量子计算机量子通信和计算仍处于萌芽阶段，但它们属于中国希望在2030年前实现突破的技术“巨型项目”之一。中国科技大学潘建伟教授“量子之父”2018年6月，该中心的一个团队宣布，他们创造了一项将18个量子连接在一起的纠缠量子位元的世界纪录。潘建伟1.1.1计算机的发展和应用领域概述1.1.1计算机的发展和应用领域概述3.微型计算机的发展

微型计算机指的是个人计算机（PersonalComputer，PC），简称微机。其主要特点是采用微处理器（MicroProcessingUnit，MPU）作为计算机的核心部件，并由大规模、超大规模集成电路构成。随着MMX（MultiMediaeXtension）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。目前已向双核和多核处理器发展。年份字长代表产品时钟频率集成度1971—1973年4位或8位Intel4004和Intel8008108kHz23001974—1977年8位Intel8080/8085Z80、M6800500kHz35001978—1984年16位8086/80286、8088、Z8000、M680005MHz2.9万1985—1992年32位80386、8048616MHz27.5万1993—2005年32位奔腾（pentium）系列微处理器时代3.4GHz1.25亿2005年—今64位酷睿（core）系列微处理器时代，Core2Duo，Corei3/i5/i7/i92.66GHz5.82亿1.1.1计算机的发展和应用领域概述Intel4004Intel8080Intel8086Intel

80386IntelpentiumCore系列1.1.1计算机的发展和应用领域概述1.1.1计算机的发展和应用领域概述4.

计算机的发展趋势巨型化：发展高速、大存储容量和强功能的超大型计算机微型化：大规模、超大规模集成电路的出现，使计算机微型化发展迅速。多媒体化：“以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通信等融为一体的信息环境”的总称。网络化：

在一定的地理区域内，将分布在不同地点、不同机型的计算机和专门的外部设备由通信线路互联组成一个规模大、功能强的网络系统，在网络软件的协调下，共享信息、共享软硬件和数据资源。智能化：在现代科学技术基础上，用计算机来模拟人的感觉、行为及思维过程的机理，使计算机具备“视觉”、“听觉”、“语言”、“思维”、“逻辑推理”等能力。

形形色色的计算机1.1.1计算机的发展和应用领域概述1.1.2计算机的应用领域科学计算信息处理实时控制(过程控制)计算机辅助系统（CAD\CAM\CBE\CAT）数据通信办公自动化(OA)数据通信智能应用e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.2.1冯·诺依曼计算机简介（1）冯·诺依曼计算机的基本特征①采用二进制数表示程序和数据；

②能存储程序和数据，并能由程序控制计算机的执行；③具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分。

（2）冯·诺依曼计算机的工作过程

计算机工作时，操作人员首先通过输入设备将程序和数据送入到存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果要送到输出设备输出。1.2.2现代计算机系统的构成

一个完整的现代计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分：

硬件系统包括了计算机的基本部件和各种具有实体的计算机相关设备；

软件系统则包括了用各种计算机语言编写的计算机程序、数据和应用说明文档等。1.2.2现代计算机系统的构成计算机系统构成图：计算机系统硬件系统软件系统主机外部设备中央处理器

CPU控制器内（主）存储器随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）外（辅）存储器

硬盘、光盘、软盘输入设备

键盘、鼠标、扫描仪输出设备显示器、打印机、绘图仪系统软件应用软件操作系统语言处理程序服务程序（诊断、排错、编辑等）数据库管理程序专用应用软件通用应用软件运算器（ALU）高速缓冲存储器（Cache）1.2.2现代计算机系统的构成将连接各部件的信息通道称为系统总线（BUS，简称总线）。依据所传送信号的性质，总线由：

地址总线AB（AddressBUS）数据总线DB（DataBUS）控制总线CB（ControlBUS）依据部件作用，总线一般由总线控制器、总线信号发送／接收器和导线等所构成。

ABMPUCBDB显示器接口键盘接口内存储器串行接口USB接口磁盘接口显示器磁盘驱动器键盘并行接口鼠标器打印机扫描仪微型计算机的硬件系统结构示意图在微机系统中，主板由微处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口、总线电路和基板组成，主板上安装了基本硬件系统，形成了主机部分。其中的微处理器即采用超大规模集成电路工艺将运算器和控制器制作于同一芯片之中的CPU，其他的外部设备均通过相应的接口电路和主机总线相连，即不同的设备只要配接合适的接口电路（一般称为适配卡或接口卡）就能以相同的方式挂接在总线上。一般在微机的主板上设有数个标准的插座槽，将一块接口板插入到任一个插槽里，再用信号线将其和外部设备连接起来就完成了一台设备的扩充。1.2.2现代计算机系统的构成1.2.2现代计算机系统的构成e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.3.1计算机的部件

CPU是一个体积不大而集成度非常高、功能强大的芯片，也称为微处理器。微处理器是微型计算机的心脏，它决定计算机的性能和档次。微型计算机常用的微处理器芯片从最初的Intel4004，到现在的英特尔的酷睿系列处理器和AMD的锐龙系列处理器。1.3.2存储器的组织结构和分类存储器的组织结构

存储器是存放程序和数据的装置。存储器的容量越大越好，工作速度越快越好，但二者和价格是互相矛盾的。为了协调这种矛盾，目前的微机系统均采用了分层次的存储器结构，一般可将存储器分为三层：主存储器（Memory）、外存储器（Storage）和高速缓冲存储器（Cache）。现在一些微机系统又将高速缓冲存储器设计为CPU芯片内部的高速缓冲存储器和CPU芯片外部的高速缓冲存储器两级，以满足速度和容量的需要。1.3.2存储器的组织结构和分类2.主存储器主存储器分类：①只读存储器(ROM)ROM是一种只能读出不能写入的存储器，其信息通常是厂家制造时在脱机情况或者非正常情况下写入的。掉电后，ROM中的信息不会消失。

PROM：可编程的只读存储器，无法修改。

EPROM：光可擦除可编程的只读存储器。

EEPROM：电可擦除可编程的只读存储器。②随机存储器(RAM)RAM可随时进行读出和写入，是对信息进行操作和存储的场所，也就是计算机的工作区域。RAM空间越大，计算机所能执行的任务越复杂，相应的计算机的功能越强。关机、掉电或重新启动后，RAM中的内容自动消失，且不可恢复。③高速缓冲存储器(Cache)

高速缓冲存储器Cache是为了提高DRAM与CPU之间的传输速率，在CPU和主存储器之间增加了一层静态存储器SRAM。SRAM的存取速度要比DRAM快，但制造成本较高。增加Cache，目的是提高CPU的读写速度，而不是增加内存的容量。1.3.2存储器的组织结构和分类3.辅助存储器辅助存储器属于外部设备，也称为外存，常用的有磁盘、光盘、磁带等。磁盘分为软磁盘和硬磁盘两种（简称软盘和硬盘）。软盘容量较小，一般为1.2～1.44MB，目前已被淘汰。常见的硬盘分为机械硬盘（HardDiskDrive，HDD）和固态硬盘（SolidStateDrive，SSD）。常用的机械硬盘的容量为500GB～4TB甚至更大。为了在磁盘上快速地存取信息，在使用磁盘前要先进行初级格式化操作（目前基本由生产厂家完成），即在磁盘上用磁信号划分出若干个有编号的磁道和扇区，以便计算机通过磁道号和扇区号直接寻找到要写数据的位置或要读取的数据。为了提高磁盘存取操作的效率，计算机每次要读完或写完一个扇区的内容。磁带光盘传统的机械式硬盘固态硬盘（SSD）3’软盘5’软盘1.3.2存储器的组织结构和分类磁鼓各种各样的U盘1.3.2存储器的组织结构和分类存储容量1Byte=8bit1KB=1024B可存放512个汉字1MB=1024KB可存放约50万个汉字，一本300多页的书，5M左右存放一首歌/一张较清照片，300M左右半小时视频1GB=1024MB1000本书，200首歌/照片，大约3个视频1TB=1024GB100万本书（大型图书馆）1PB=1024TB1EB=1024PB5EB相当于至今全世界人类所讲过的话语。1ZB=1024EB如同全世界海滩上的沙子数量总和。1YB=1024ZB。bit、Byte、Mega、Giga、Tera、Peta、Exa、Zetta、Yotta。1956年的一个5MB容量的硬盘……必须用飞机来运……1.3.2存储器的组织结构和分类1.3.3常用总线标准要考察一台主机板的性能，除了要看CPU的性能和存储器的容量及速度外，采用的总线标准和高速缓存的配置情况也是一个重要的因素。总线的分类有：数据总线DB(DataBUS)用于在各部件之间传递数据(包括指令、数据等)。数据的传送是双向的，因而数据总线为双向总线。其位数反映了CPU一次可以接收数据的能力。地址总线AB(AddressBUS)用于传输地址信号的总线。地址即存储器单元号或输入／输出端口的编号。其包含的位数愈多，则其寻址范围愈大，即可直接访问的地址或端口就愈多，反之亦然。如16根地址线，其直接寻址范围是64KB；20根地址线，其寻址范围是1MB。控制总线CB(ControlBUS)用于在各部件之间传递各种控制信息。有的是微处理器到存储器或外设接口的控制信号，如复位、存储器请求、输入／输出请求、读信号、写信号等，有的是外设到微处理器的信号，如等待信号、中断请求信号等。控制总线分类如下：1.3.3常用总线标准（1）ISA总线。工业标准结构（IndustrialStandardArchitecture，ISA）总线最早安排了8位数据总线，共62个引脚，主要满足8088CPU的要求。后来又增加了36个引脚，数据总线扩充到16位，总线传输率达到8MB/s，适应了80286CPU的需求，成为AT系列微机的标准总线。（2）EISA总线。EISA（ExtendISA）总线的数据线和地址线均为32位，总线数据传输速率达到33MB/s，满足了80386和80486CPU的要求，且采用双层插座和相应的电路技术保持了和ISA总线的兼容。（3）VESA总线。视频电子标准协会（VideoElectronicsStandardsAssociation，VESA，也称VL-BUS）总线的数据线为32位，且留有扩充到64位的物理空间。VESA总线采用局部总线技术使总线数据传输速率达到132MB/s，支持高速视频控制器和其他高速设备接口，满足了80386和80486CPU的要求，且采用双层插座和相应的电路技术，保持了和ISA总线的兼容。（4）PCI总线。外部设备互连（PeripheralControllerInterface，PCI）总线采用局部总线技术，在33MHz下工作时数据传输率为132MB/s，不受制于处理器且保持了和ISA、EISA总线的兼容。同时PCI还留有向64位扩充的余地，最高数据传输率为264MB/s，支持Intel80486、Pentium以及更新的微CPU产品。1.3.3常用总线标准1.3.4常用的输入输出设备1.键盘

依据键盘的结构形式，键盘分为有触点和无触点两类。有触点键盘采用机械触点按键，价廉但易损坏。无触点键盘采用霍尔磁敏电子开关或电容感应开关，操作无噪声，手感好，寿命长，但价格较贵。1.3.4常用的输入输出设备2.显示器

显示器由监视器（Monitor）和装在主机内的显示控制适配器（Adapter）两部分组成。监视器所能显示的光点的最小直径（也称为点距）决定了它的物理显示分辨率，常见的有0.33mm、0.28mm和0.20mm等。显示控制适配器是监视器和主机的接口电路，也称显示卡。监视器在显示卡和显示卡驱动软件的支持下可实现多种显示模式，如分辨率为1024

768像素、1280

720像素、1920

1080像素等，乘积越大分辨率越高，但不会超过监视器的最高物理分辨率。1.3.4常用的输入输出设备3.鼠标

鼠标通过串行接口或USB接口和计算机相连。其上有2个或3个按键，称为两键鼠标或三键鼠标。鼠标上的按键分别称为左键、右键和中键。鼠标的基本操作包括移动、单击、双击和拖动等。1.3.4常用的输入输出设备1.左键单击和双击单击：按下后立即松开，用于选取对象（图标、文件、菜单等）。双击：快速按两下左键再松开，用于打开文档或运行某个程序。2.右键单击

鼠标右键的作用是弹出所选对象的“快捷菜单”。从“快捷菜单”中我们可以选择相应功能，这样可使我们的操作更方便、更快捷。3.鼠标的“拖动”

用鼠标指针点中对象（图标、窗口、文件等），按住左键或右键不松手直接向某处移动。“拖动”的目的有两种，一是移动程序窗口或图标（用左键）；二是移动或拷贝文件（夹）（用右键）。鼠标的使用1.3.4常用的输入输出设备4.打印机打印机经历了数次更新，虽然目前已进入了激光打印机（LaserPrinter）的时代，但点阵打印机（DotMatrixPrinter）的应用仍然很广泛。点阵打印机工作噪声较大，速度较慢；激光打印机工作噪声小，普及型的输出速度也在6页/min，分辨率高达600dpi以上。此外还有一种常见的打印机是喷墨打印机，它的各项指标处于前两种打印机之间。1.3.4常用的输入输出设备5．标准并行和串行接口为了方便外接设备，微机系统提供了用于连接打印机的8位并行接口和标准的RS232串行接口。并行接口也可用来直接连接外置硬盘、软件加密狗和数据采集A/D转换器等并行设备。串行接口可用来连接鼠标、绘图仪、调制解调器（Modem）等低速（小于115kB/s）串行设备。1.3.4常用的输入输出设备6．通用串行接口目前微机系统还有通用串行接口（UniversalSerialBUS，USB），通过它可连接多达256个外部设备，传输速率可达2GB/s。USB自推出以来，已成功替代串行接口和并行接口，成为计算机和智能设备的标准扩展接口及必备接口之一。目前，带USB接口的设备有扫描仪、键盘、鼠标、声卡、调制解调器、摄像头及各种智能手机、平板电脑等。e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.4.1进位计数制

按进位的方法进行计数，称为进位计数制。为了电路设计的方便，计算机内部使用的是二进制计数制，即“逢二进一”的计数制，简称二进制（Binary）。

人们最熟悉的是十进制，所以计算机的输入/输出也要使用十进制数据。此外，为了编制程序的方便，还常常使用到八进制和十六进制。1.4.1进位计数制1.十进制采用0~9共10个阿拉伯数字符号；逢十进一，借一当十。2.二进制采用0~1共2个阿拉伯数字符号；逢二进一，借一当二。3.八进制采用0~7共8个阿拉伯数字符号；逢八进一，借一当八。4.十六进制采用0~9，A~F共16个符号；逢十六进一，借一当十六。5.任意的K进制K进制用的数码共有K个，其基数是K，相邻两位之间为“逢K进一”和“借一当K”的关系，

1.4.1进位计数制

基数某种进位计数制所使用的数码的个数称为“基数”。位权计算每个“数码”在所在位上代表的数值时所乘的常数称为“位权”。它是一个指数，以“基数”为“底”，其幂是数位的“序号”减1。例：(783.67)10

（1001.11)2

(732.5)8

(A8F.4D)16=7×102+8×101+3×100+6×10-1+7×10-2=1×23+1×20+1×2-1+1×2-2=7×82+3×81+2×80+5×8-1=10×162+8×161+15×160+4×16-1+13×16-21.4.2不同进制数之间的相互转换DecimalBinaryOctalHexadecimal1.二、八、十六进制转换成十进制:按位权展开1.4.2不同进制数之间的相互转换2.十进制转化为二（任意k）进制整数部分：连除基数，逆序取余；

小数部分：连乘基数，顺序取整。

对于乘不尽的，要“四舍五入”（0舍1入，3舍4入，7舍8入）。例:

四舍五入的举例：(11011.110001)2，保留4位小数：11011.1100(11011.110010)2，保留4位小数：11011.1101(11011.113337)8，保留4位小数：11011.1133(11011.113347)8，保留4位小数：11011.1134(11011.116677)16，保留4位小数：11011.1166(11011.116688)16，保留4位小数：11011.1167(11011.011110)2，保留4位小数：11011.****？1.4.2不同进制数之间的相互转换1.4.2不同进制数之间的相互转换3.二进制转化成八进制和十六进制整数部分：从右向左进行分组。小数部分：从左向右进行分组。转化成八进制时三位一组。转化成十六进制时四位一组，不足补零。(11

0110

1110.1101

01)B=(36E.D4)H36ED4(1

101

101

110.110

101)B=(1556.65)O155665后边补两个零，变成01001.4.2不同进制数之间的相互转换4.八进制和十六进制转化为二进制每一个八进制数对应二进制的三位。每一个十六进制数对应二进制的四位。(2C1D)H=(0010

1100

0001

1101)B(64)H=(0110

0100)B2C1D64(7123)O=(111

001

010

011)B(144)O=(001

100

100)B

71231441.4.3二进制数的算术运算加法运算规则：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=0（进位）减法运算规则：0-0=0；1-1=0；1-0=1；0-1=1（借位）乘法运算规则：0×0=0；0×1=0；1×0=0；1×1=1

除法运算

二进制的除法是乘法的逆运算，与十进制除法类似。e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.5.1数值信息的表示1．数的定点和

浮点表示1.5.1数值信息的表示01000001+65

符号位真值

机器数

这种数值位部分不变，仅用0和1表示其符号得到的数的编码，称为原码。并将原来的数称为真值，将其编码形式称为机器数。数的符号编码：0表示正，1表示负11000001-65

原码数值2.数的编码表示1.5.1数值信息的表示101111101100000110111111-65

原码反码补码1.正数的反码、补码和原码同形；2.负数的反码：为其原码符号位不变，

其它按位求反；3.负数的补码：先对原码求其反码，

再在末位加1。11000000

原码—

反码—

补码反码补码1.5.1数值信息的表示例1：18–13=500010010[18]补+11110011[-13]补

100000101

例2：25-36=-11

00011001[25]补码+

11011100[-36]补码

11110101[25-36]补码

10001010

[25-36]反码

10001011[25-36]原码结果符号位为1，是负数。由于负数的补码与原码不一致，所以再将其求补得到原码，结果为10001011（即-11）补码运算规则：[X]补+[Y]补=[X+Y]补结果符号位为0，为正数，其原码与补码相同3.补码运算举例1.5.1数值信息的表示4.计算机中数的浮点表示例1：256.8125=(100000000.1101)B=0.1000000001101×2

1001

00001001010000000011010000000000例2：-0.21875=(-0.00111)B=-0.111×2-1011111111000100000000000000000000-10原码：10000010

反码：11111101

补码：11111110-0.111

原码：11110000

反码：10001111

补码：100100001.5.2非数值数据的编码1．十进制数字的编码

为了精确地存储和运算十进制数，可用若干位二进制数码来表示一位十进制数，称为二进制编码的十进制数，简称二—十进制代码（BinaryCodeDecimal，BCD）。8421码是常用的一种，它利用了二进制数的展开表达式形式，即各位的位权由高位到低位分别是8、4、2、1，方便了编码和解码的运算操作。1.5.2非数值数据的编码2．字母和常用符号的编码

ASCII代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国标准信息交换码）是使用最广泛的字符编码方案。常用字符有128个，编码从0到127。

每个字符占一个字节，用低7位，最高位为校验位。例：大写字母“C”的7位编码是“100，0011”

若采用奇校验，则校验位为“0”

若采用偶校验，则校验位为“1”

b7b6b5b4b3b2b1

000

001

010

011

100

101

110

111

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DEL1.5.2非数值数据的编码1.5.2非数值数据的编码3．汉字编码(1)汉字输入码数字码区位码、电报码拼音码全拼/双拼、微软拼音码智能ABC

字形码五笔字形音形混合码自然码(2)显示字形码

点阵字形法、矢量法1.5.2非数值数据的编码机内码：汉字在计算机内部存储、处理和传输用的信息编码。国标码：统一的国家信息交换编码(GB2312—80)。一级汉字：3755个；二级汉字：3008个；图形符号：682个。汉字分区：每个区94个汉字。

机内码为对应的国标码的每个字节的最高位为1。汉字沪国标码27

06（0001101100000110B)汉字内码（1001101110000110B）(3)汉字机内码各种编码之间的关系：区位码先转换成十六进制数表示（区位码的十六进制表示）＋2020H＝国标码；国标码＋8080H＝机内码举例：以汉字“啊”为例，“啊”字的区位码为16011、区号为16，位号为012、将区位号1601转换为十六进制表示为1001H（区号16和位号分别转换）3、1001H＋2020H＝3021H，得到国标码为3021H4、3021H＋8080H＝B0A1H，得到机内码为B0A1H1.5.2非数值数据的编码e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第1章1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同进制之间数值的转换1.5计算机信息处理1.1计算机的发展和应用领域概述1.6计算思维概述1.6计算思维概述思维是人类具有的高级认识活动。按照信息论的观点，思维是对新输入信息与脑内储存的知识、经验进行一系列复杂的心智操作的过程。计算工具的发展、计算环境的演变、计算科学的形成、计算文明的迭代中处处蕴含思维的火花。图灵奖得主艾兹格·迪杰斯特拉（EdsgerDijkstra）说过：“我们所使用的工具影响我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响我们的思维能力。1.6.1计算思维的定义2006年，美国卡内基梅隆大学的周以真（JeannetteM.Wing）教授提出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动（智力工具、技能、手段）。计算思维就是通过嵌入、转化和仿真等方法，把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。计算思维是一种科学的思维方法，所有人都应该学习和培养计算思维。计算思维不是悬空的、不可捉摸的抽象概念，而是体现在各个学科中的一种思维活动。正如学习数学的过程就是培养理论思维的过程，学习物理的过程就是培养实证思维的过程，学习程序设计，其中的算法思维就是计算思维。在今后的学习中，大家应更关注计算思维能力的训练与提升周以真教授1.6.

2计算思维的特征计算思维的特征如下：（1）计算思维是人类解决问题的思维活动，是人的思维方式，不是计算机的思维方式（2）计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行（3）计算思维是思想，不是人造物（4）计算思维是概念化的，不是程序化的。计算思维的概念化特征强调的是从问题的具①对问题本质的抽象②构建概念模型周以真教授1.6.

3计算思维的主要组成部分1．分解问题可以使复杂的问题变得更容易理解和处理，每个模块可以由不同的团队或人员来开发，提高开发效率。2．模式识别计算思维强调发现问题中的模式。以数据分析为例，在分析销售数据时，我们可能会发现某些商品在特定季节或节假日的销售模式。3．抽象抽象（Abstraction）是忽略问题中的非关键细节，聚焦于关键特征的过程。4．算法设计算法是解决问题的一系列步骤。1.6.

4计算思维在不同领域的应用1.科学研究领域（1）数据分析与模拟（2）生物信息学（3）化学研究（4）脑科学（5）经济学模型（6）医学影像分析2.工程领域（1）优化设计方案（2）提升工程效率（3）解决复杂问题（4）促进跨学科融合

3.教育领域（1）优化教学方法（2）个性化学习支持（3）提升课程设计1.6.

.5培养计算思维的重要性1.适应数字时代的发展随着科技的不断进步，我们生活在一个数据爆炸的时代。培养计算思维能够帮助人们更好地理解和利用各种数字技术。2.提升问题解决能力计算思维提供了一种系统的、逻辑的问题解决方法。无论是在日常生活还是工作中，遇到问题时可以像计算机处理问题一样，将其分解，寻找模式，进行抽象和设计解决方案。3.为未来职业发展打下基础越来越多的职业需要具备计算思维能力。在人工智能、大数据、软件开发等领域十分突出，即使在传统行业如金融、医疗等，计算思维也发挥着重要作用。THANKSe7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5CFundamentalsofuniversitycomputerscience大学计算机基础第1章计算机与计算思维人民邮电出版社第2章e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C操作系统基础大学计算机基础——计算思维+人工智能Fundamentalsofuniversitycomputersciencee7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075CFF312C4A0BE75FDF5C内容导航第2章2.2微机操作系统的演化过程2.3Windows10使用基础2.4Windows10的基本资源与操作2.1操作系统概述2.5控制面板2.6Windows10的网络功能2.7国产操作系统简介课前导读76本章首先从操作系统的定义、功能、分类和微机操作系统的演化进程等方面进行讲解，然后以Windows10为例，详细讲述Windows操作系统的基本功能和常用的操作，最后对国产的操作系统进行简单的介绍。2.1.1操作系统的含义1．操作系统在计算机系统中的地位

操作系统处于用户、应用软件和计算机硬件系统之间。操作系统直接运行在裸机上，是对计算机硬件系统的第1次扩充。在操作系统的支持下，计算机才能运行其他软件。

操作系统地位示意图2.1.1操作系统的含义2．操作系统的作用从用户的角度看，操作系统加上计算机硬件系统形成了一台虚拟机（就是通常广义上的计算机），为用户提供了一个方便、有效、友好的使用环境。因此可以说，操作系统不仅是计算机硬件同其他软件的接口，而且也是用户同计算机的接口。

2.1.1操作系统的含义3．操作系统的定义

操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行、改善人机界面、合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。比尔·盖茨2.1.2操作系统的基本功能第一：从用户角度来看，操作系统将裸机改造成了一台功能更强、服务质量更高、用户使用起来更加灵活方便、更加安全可靠的虚拟机，使用户无须了解更多有关硬件和软件的细节就能使用计算机，从而提高了工作效率；第二：是为了合理地使用系统包含的各种软硬件资源，提高整个系统的使用效率。2.1.2操作系统的基本功能

具体地说，操作系统具有处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理等功能。设备管理文件管理处理器管理存储管理作业管理功能2.1.2操作系统的基本功能1．处理器管理处理器管理也称进程管理。

进程是一个动态的过程，是正在运行的程序，是系统进行资源调度和分配的独立单位。现代操作系统支持多任务处理，也就是说，能够对多个进程进行管理。

什么进程能在什么时候占用CPU。2.1.2操作系统的基本功能相关的几个概念：1.程序是用编程语言书写的解决某个问题的指令序列。2.进程进程是－个动态的过程，是执行起来的程序。3.两者的区别（1）程序是“静止”的，进程是“活动”的。（2）程序可以脱离机器长期保存，而进程则不行。它是运行着的程序。（3）程序不具有并发特征，进程具有并发性，（4）进程与程序不是－－对应的。2.1.2操作系统的基本功能1．处理器管理进程在其生存周期内，由于受资源制约，其执行过程是间断的，因此进程状态也是不断变化的。一般来说，进程有3种基本状态（运行态、等待态、就绪态），如右图所示。2.1.2操作系统的基本功能1．处理器管理死锁：某个进程占有另一个进程需要的资源而同时请求对方的资源，并且在得到所需资源前不释放其已占有的资源，那么就会导致死锁的情况发生。发生死锁会导致系统处于无效的等待状态，因此必须终止其中的一个。2.1.2操作系统的基本功能2．存储管理内存管理除了为各个作业及进程分配互不发生冲突的内存空间、保护放在内存中的程序和数据不被破坏外，还要组织最大限度的共享内存空间，甚至将内存和外存结合起来，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储空间。2.1.2操作系统的基本功能2．存储管理内存管理存储管理的基本功能有以下五个：（1）内存的分配与回收存储管理根据用户程序的需要分配存储区资源，并适时进行回收。（2）存储共享存储管理可以让内存中的多个用户的多个程序实现存储资源的共享。（3）内存保护保证进入内存的各道程序都在各自的存储空间内运行，互不干扰。（4）地址转换将程序的逻辑地址转换为内存的物理地址。（5）扩充内存2.1.2操作系统的基本功能2．存储管理-内存管理

虽然交换技术使得执行的程序大小不再受内存的限制，但驻留在磁盘中的程序和数据需要经过交换，再装载到内存，从而极大影响了程序的运行效率。为了解决这个问题，采用了虚拟内存（virtualmemory）技术，即在硬盘上开辟一个比内存要大的空间，按照内存的结构进行组织，把被执行的程序装载到这个区域中，当需要调入内存时，直接进行映射操作，从而减少数据交换过程，提高了程序执行效率。真正提高运行效率的方式只能是扩展内存。2.1.2操作系统的基本功能3．设备管理设备管理负责对接入本计算机系统的所有外部设备进行管理，主要功能有设备分配、设备驱动、缓冲管理、数据传输控制、中断控制、故障处理等。一般情况下，经常采用缓冲、中断、通道和虚拟设备等技术尽可能地使外部设备和主机并行工作，以解决CPU的快速和外部设备的慢速之间的矛盾，使用户不必去涉及具体设备的物理特性和具体控制命令就能方便、灵活地使用这些设备。2.1.2操作系统的基本功能3．设备管理相关的服务：①设备调度：减少I/O完成所需要的平均等待时间。②缓冲区服务：协调速度、传输数据大小不一致的设备。③假脱机（spooling）：是用来保存设备输出的缓冲，最常见的就是打印设备。先“假脱机”输出到一个独立的磁盘文件上，假脱机系统将相应的待送打印机的假脱机文件进行排队打印。假脱机示意图SPOOLING系统的组成2.1.2操作系统的基本功能3．设备管理设备分配的总原则是：

一方面要充分发挥设备的使用效率，同时又要避免不合理的分配方式造成死锁、系统工作紊乱等现象，使用户在逻辑层面上能够合理方便地使用设备。

另一方面，要考虑设备的固有属性和分配时的安全性。通常只采用先来先服务、优先级高者优先两种分配算法。2.1.2操作系统的基本功能4．文件管理对文件的组织管理和操作都是由被称为文件系统的软件来完成的。文件系统由文件、管理文件的软件和相应的数据结构组成。文件管理支持文件的建立、存储、检索、调用和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护等问题，并提供方便用户使用的界面，使用户能实现对文件的按名存取，而不必关心文件在磁盘上的存放细节。文件系统是基于操作系统来实现的。2.1.2操作系统的基本功能（1）文件的概念

文件是存储在外部存储器上的一组有序数据的集合，通过一个名字来标记。

文件名由主名和扩展名两部分组成，其命名规则也随着操作系统的不同而不同。在Windows10中，主名和扩展名最多可达255个字符。

不允许使用的文件名有：AUX,COM1,COM2,COM3,COM4,LPT1,LPT2,LPT3,LPT4,PRN,NUL,CON。因为这些名字在微软系统中已有特定的含义。如：AUX表示音频输入接口；COM表示串行通讯端口，LPT表示打印机或其他设备；CON表示键盘或屏幕。2.1.2操作系统的基本功能（2）文件的操作权限

常见的文件操作权限有：只读、只写、执行、添加、删除。

还可以对文件进行其它操作，如：解压。（3）文件的存取①

顺序存取

文件顺序存取是指只能按照一个接一个信息单位进行存取。②随机存取

需要先确定数据的地址信息，然后直接到文件的相应地址存取数据。本节前面讲的按文件名存取文件的方式就是随机方式。2.1.2操作系统的基本功能（4）文件系统的安全

无论什么原因导致文件系统损坏，要恢复全部信息不但困难而且费时，最要命的是在大多数情况下是不可能的

有许多有关文件系统安全的建议和方法，实际上，这些操作没有多大意义。首先，作为保存文件的介质，无论是硬盘或CD，它们的可靠性是需要考虑的。其次，文件系统本身也存在不安全因素，号称最好的操作系统UNIX也发生过安全问题。

为了更好地保护文件系统，采用的技术多是使用密码、设置存取权限以及建立更复杂的保护模型等。但出于更高安全的考虑，备份（特别是异机备份）是最佳方法，也是目前最经常用的方法。2.1.2操作系统的基本功能5．作业管理将一次算题过程中或一个事务处理过程中要求计算机系统所完成的工作的集合，包括要执行的全部程序模块和需要处理的全部数据，称为一个作业（job）。作业管理是为处理器管理做准备的，包括对作业的组织、调度和运行控制。作业由程序、数据和作业说明书3个部分组成。2.1.2操作系统的基本功能5．作业管理①提交状态。②后备状态。③执行状态。④完成状态。作业状态转换2.1.2操作系统的基本功能作业调度算法的选择原则有以下3个。（1）作业吞吐量。这是指让系统运行尽可能多的作业。（2）充分利用资源。这是为了让CPU、I/O设备都忙起来，不出现闲置。（3）对各作业公平、合理，使用户满意。为了做到这一点，要均衡考虑作业的执行时间和等待时间等因素。2.1.3操作系统的分类2.1.3操作系统的分类1．按同用户交互的界面分类（1）命令行界面操作系统在命令行界面操作系统中，用户只能在命令提示符后（如C:\>）输入命令才能操作计算机。其界面不友好，用户需要记忆各种命令，否则无法使用计算机，如MSDOS、NovellNetware等系统。（2）图形界面操作系统图形界面操作系统交互性好，用户不需要记忆命令，可根据界面的提示进行操作，简单易学，如Windows操作系统。2.1.3操作系统的分类2．按能够支持的用户数目分类（1）单用户操作系统单用户操作系统只允许一个用户使用操作系统，该用户独占计算机系统的全部软硬件资源。目前，在微型计算机上使用的MSDOS、Windows3.x和OS/2等属于单用户操作系统。（2）多用户操作系统多用户操作系统是在一台主机上连接有若干台终端，能够支持多个用户同时通过这些终端机使用该主机进行工作。典型的多用户操作系统有UNIX、Linux和VAX/VMS等。2.1.3操作系统的分类3．按是否能够运行多个任务分类（1）单任务操作系统单任务操作系统的主要特点是系统每次只能执行一个程序。例如，打印机在打印时，微机就不能再做其他工作了，如DOS操作系统。（2）多任务操作系统多任务操作系统允许同时运行两个以上的程序。例如，在打印时，可以同时执行另一个程序。这类操作系统有WindowsNT、WindowsXP/2000、WindowsVista/7、Windows8/10、UNIX、Linux、MacOS等。2.1.3操作系统的分类4．按使用环境分类（1）批处理操作系统将若干作业按一定的顺序统一交给计算机系统，由计算机自动地顺序完成这些作业，这样的操作系统称为批处理操作系统。批处理操作系统的主要特点是用户可以脱机使用计算机和成批处理，从而大大提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量，如MVX、DOS/VSE、AOS/V等操作系统。

2.1.3操作系统的分类4．按使用环境分类（2）分时操作系统分时操作系统是一台主机带有若干台终端，CPU按照预先分配给各个终端的时间片，轮流为各个终端服务，即各个用户分时共享计算机系统的资源。如UNIX、XENIX、VAX/VMS等操作系统。（3）实时操作系统实时操作系统是对来自外界的信息在规定的时间内即时响应并进行处理的系统。它的两大特点是响应的即时性和系统的高可靠性，如IRMX、VRTX等操作系统。2.1.3操作系统的分类5．按硬件结构分类（1）网络操作系统连接在网络上的计算机被称为网络工作站，简称工作站。工作站和终端的区别是前者具有自己的操作系统和数据处理能力，后者要通过主机实现运算操作。如：NetWare。（2）分布式操作系统当操作人员向系统发出命令后能迅速得到处理结果，但运算处理是在系统中的哪台计算机上完成的操作人员并不知道，如Amoeba（阿米巴）操作系统。2.1.3操作系统的分类5．按硬件结构分类（3）多媒体操作系统多媒体操作系统是指“除具有一般操作系统的功能外，还具有多媒体底层扩充模块，支持高层多媒体信息的采集、编辑、播放和传输等处理功能的系统”。

Windows

95以后的都属于多媒体操作系统。/plus/2.1.3操作系统的分类6.按设备可移动性分类非移动设备操作系系统如Windows，大家都非常熟悉了。下面主要讲可移动的操作系统。（1）Android

Android（安卓）是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统。这是谷歌（Google）公司收购了原开发商Android后，联合多家制造商推出的面向平板电脑、移动设备、智能手机的操作系统。它是基于Linux开放的源代码开发的，并且仍然是免费使用的系统。2.1.3操作系统的分类6.按设备可移动性分类（2）iOS

iOS是Apple公司为其生产的智能手机iPhone开发的操作系统。Apple公司最早在2007年1月9日的Macworld大会上公布了这个操作系统。原本这个操作系统名为iPhoneOS，因为iPad、iPhone、iPodtouch都使用iPhoneOS，所以2010WWDC大会上宣布改名为iOS。

2.1.3操作系统的分类（3）华为鸿蒙系统（英文：huaweiHarmonyOS）

在2019年8月9日，华为在东莞举行华为开发者大会，正式发布操作系统鸿蒙OS。鸿蒙OS是一款“面向未来”的操作系统，一款基于微内核的面向全场景的分布式操作系统，现已适配智慧屏，未来它将适配手机、平板、电脑、智能汽车、可穿戴设备等多终端设备。截至2025年6月底，搭载开源鸿蒙操作系统的产品种类超1200款，总量超11.9亿台，开发者超720万，上架应用与元服务数量超2.5万个，生态伙伴超450家。2.1.3操作系统的分类除了按以上六类分类之外，还可以按其他方式分类：

如根据指令的长度分，操作系统还可以分为8bit（位）、16bit、32bit、64bit的操作系统；如目前的Windows10可分为32位和64的两种。e7d195523061f1c01da5a1f0837ac25283df40ff0a16bfd61AE6AB84AD7EB485CA8019BF267F2027DE2BF09650313B56A435BB3664F8B916CA3777391AC088C283181605E184D6D6879568EB73EB808A103F0784C8DFC3E9CDD14B61FDDA6A8A6237D2DFE3BBAEC8979D824A43E015648F6CB3D1F8D3E352A4BDC9925C075