计算思维与人工智能基础

计算思维与人工智能基础第1章计算机技术与计算思维基础1.11.2计算机技术计算思维基础了解计算机的发展、分类及应用掌握计算机的特点了解计算思维基本概念学习目标

计算机(电脑)是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。第1章计算机技术与计算思维基础1.1

计算机技术计算机的诞生(1)ENIAC（埃尼阿克）

世界上第一台电子计算机诞生于1946年，美国宾夕法尼亚大学；

(2)规模

18000多个电子管，170平方米，30吨,功率140千瓦；

(3)速度

5000次/秒。1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展第1章计算机技术与计算思维基础70多年来发展速度之快大大超出人们的预料：性能、体积、价格、···应用领域软件技术和软件产品1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展问题：70多年来没变的是什么？基本工作原理第1章计算机技术与计算思维基础按照采用的物理元器件,分为四代:（1）第1代（1946年-1958年）

CPU:电子管

机器语言和汇编语言程序速度几千次到几万次/秒应用范围：科学计算1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（2）第2代（1959年-1964年）CPU:晶体管

高级语言（Fortran）

体积小速度几十万次/秒应用范围扩大：科学计算、数据处理1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（3）第3代（1965年-1970年）

CPU:SSI、MSI（小、中规模集成电路）体积更小速度几十万次/秒~几百万次/秒出现了操作系统和数据库管理系统应用范围扩大：科学计算、数据处理、

辅助设计、工业控制等1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础（4）第4代（1971年至今）CPU：LSI、VLSI（大规模、超大规模集成电路）体积更小速度上千万次/秒~数亿亿次/秒软件丰富应用范围扩大：各个领域1.1

计算机技术1.1.1计算机的发展计算机的分代第1章计算机技术与计算思维基础1.处理速度快2.存储能力强3.自动处理例如：写程序求1~100的和4.具有逻辑判断能力例如：2<3orFalse5.计算精度高能进行天文数据的计算等6.通用性强（数值型数据和非数值型数据）1.1计算机技术1.1.2计算机的特点第1章计算机技术与计算思维基础1.巨型机即超级计算机，采用并行处理的体系结构，数以万计的CPU组成，处理速度达到每秒亿亿次以上。按照计算机的性能、作用和价格分为：1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类如：

“神威·太湖之光”达9.3亿亿次第1章计算机技术与计算思维基础

2.大型计算机其特点：通用性强、运算速度快、存储容量大、可靠性和安全性好、软件丰富等。应用于：科学计算、银行业务、大型企业管理等。1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类第1章计算机技术与计算思维基础3.个人计算机(微机）

台式机和便携式（笔记本、平板、智能手机）

其特点：体积小、价格便宜、使用方便、软件丰富等。1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类第1章计算机技术与计算思维基础4.服务器

具有较强计算能力、高速的网络通信和良好的多任务处理功能。如：文件服务器、邮件服务器等5.嵌入式计算机是为特定应用而量身打造的专用计算机。

是将系统和功能软件集成于计算机硬件系统中，即把软件固化在芯片上，其内部的程序一般不能被改动。

如：家用电器、汽车的一键启动等智能化功能都是由嵌入式计算机完成的。1.1

计算机技术1.1.3计算机的分类第1章计算机技术与计算思维基础1.科学计算2.数据处理3.生产过程控制4.人工智能

利用计算机模拟人类的智能活动，

机器人就是人工智能研究的综合产物。5.计算机辅助系统CAD、CAM、CAI、CMI6.通信与网络无机不在网，无网机难存7.电子商务8.多媒体技术1.1

计算机技术1.1.4计算机的应用第1章计算机技术与计算思维基础科学思维是人类思维中运用于科学认识活动的部分，是对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系；是对各种科学的思维方法的有机整合，是人类实践活动的产物。1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础第1章计算机技术与计算思维基础1.科学思维

1.科学思维

从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，科学思维分为：

理论思维以推理和演绎为特征，以数学学科为代表；

实验思维以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表；

计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础第1章计算机技术与计算思维基础强调推理强调归纳希望自动求解计算思维的研究目的是：提供适当的方法，使人们借助现代和将来的计算机，逐步实现人工智能的较高目标。2.计算思维

周以真教授2006年提出的计算思维概念，得到国际广泛认可和使用。

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。计算思维目的：求解问题、设计系统、理解人类行为；第1章计算机技术与计算思维基础1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础使用的方法：计算机科学的方法。3.简单实例【例1-1】求阶乘（n!）。

计算机中求n!的方法：递归和迭代。【例】求f(x)在[a,b]区间上的积分。

高等数学中，用牛顿-莱布尼兹公式，

计算机中，使用黎曼积分，计算小区间的面积。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.1计算思维的定义1.2

计算思维基础计算思维是概念化思维，不是程序化思维计算思维是根本的技能，不是刻板的技能计算思维属于人的思维方式，不是计算机的思维方式计算思维是思想，不是人造物计算思维是数学思维和工程思维的互补与融合计算思维面向所有的人、所有的领域第1章计算机技术与计算思维基础1.2.2

计算思维的特征（需要在后续的学习过程中慢慢体会和运用）1.2

计算思维基础抽象—建模（忽略细节），用符号表示自动化—模拟（机械地一步一步自动执行抽象出来的模型）【例1-2】哥尼斯堡七桥问题。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.3计算思维的本质1.2

计算思维基础

ABDC

计算思维的核心是计算思维方法。计算思维方法很多，周以真教授具体阐述了以下七大类方法。（1）约简、嵌入、转化和仿真等方法，用来把一个看似困难的问题重新阐释成一个人们知道问题怎样解决的思维方法。（2）递归方法、并行方法、把代码译成数据又能把数据译成代码的方法、多维分析推广的类型检查方法。（3）抽象和分解的方法，用来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统的设计；基于关注分离的方法（SoC方法）。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.4

计算思维的基本方法

（也需要在后续的学习过程中慢慢体会和运用）1.2

计算思维基础（4）选择合适的方式去陈述一个问题的方法、对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。（5）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的一种思维方法。（6）利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。（7）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中的思维方法。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.4

计算思维的基本方法1.2

计算思维基础计算机的出现，使得许多原本只是理论上可以实现的过程变成了实际可以实现的过程，因为计算机对信息和符号具有快速处理的能力。第1章计算机技术与计算思维基础1.2.5

计算思维与计算机的关系1.2

计算思维基础第1章计算机技术与计算思维基础1.2.6

计算思维的应用1.2

计算思维基础计算思维不仅应用于：计算生物学、纳米计算、量子计算等；

计算思维也已经渗透到脑科学、化学、地质学、数学、教育等各个学科；

计算思维正影响和推动各领域的发展，成为一种发展趋势。

例如：生物领域中，科学家利用计算机模拟细胞间蛋白质的交换，基因研究者利用计算机技术发现了控制西红柿大小的基因与人体癌症的控制基因拥有相似性。生态学家利用计算机技术构建模型以研究全球气候变暖问题……

计算思维可以改变世界，或者说，它正在改变世界。

计算思维是一种基于数学与工程、以抽象和自动化为核心的、用于解决问题、设计程序、理解人类行为的概念。

计算思维是一种思维，它以程序为载体，但不仅仅是编程。

计算思维着重于解决人类与机器各自计算的优势。人类的解决思维是用有限的步骤去解决问题，讲究优化与简洁；而计算机可以从事大量的、重复的、精确的运算。第1章计算机技术与计算思维基础计算思维总结：1.2

计算思维基础

计算思维的优势最典型的体现莫过于“四色问题”的解决：

四色问题是公认的数学难题，经历几个世纪，经历数百位数学家的努力，仍巍然不动。后来有数学家提出进行分类讨论，但分类的状况有限，仍然数字巨大，非人力所能及。后来科学家利用计算机程序对这有限而众多的情况进行了计算分析，凭借计算机“不畏重复不惧枯燥”、快速高效的优势证明了四色定理。第1章计算机技术与计算思维基础计算思维案例：1.2

计算思维基础对于各个想要在自己领域有一定成就的人来说，计算思维必不可少。一支笔、一张纸的时代已经结束，现在的研究不再仅仅是通过现象或需求而进行研究其本质。通过抽象，建立模型，通过自动化，模拟随机性。科学研究已经不再是简单的对规律进行概括，在限定范围内进行推演。第1章计算机技术与计算思维基础1.2

计算思维基础计算思维总结：我们可以创造，“无中生有”。我们可以凭借计算机的可大量重复的高效优势预测所有结果。例如，可以将基因编码，对其进行组合，从而创造新的基因，对其进行挑战以达到人类的要求。第1章计算机技术与计算思维基础1.2

计算思维基础计算思维总结：在计算思维的概念中，可以通过约简、嵌入、转换与模拟对问题进行处理，化难为易。将复杂的问题分解成简单的问题，把复杂而枯燥需要精确计算的任务交给计算机，人去解决那些被化为可以解决的问题。同时，我们可以将简单的程序、系统进行组合，得到复杂的系统发挥更大的作用。而为了达到这一目的，需要与计算机交流，需要将现象转化为符号，以便于计算机理解，同时将其抽象赋予不同的含义，之后通过编程赋予计算机以“思维”，让它自动地进行运行，得到新的东西。

因此，将计算机技术用于自己从事的领域，这就是计算思维。第1章计算机技术与计算思维基础1.2

计算思维基础计算思维总结：（1）计算机的发展（2）计算机的特点（3）计算机的分类（4）计算机的应用（5）计算思维的定义（6）计算思维的本质（7）计算思维的应用本章小结：第1章计算机技术与计算思维基础要求：（1）选择题答案写在课本上；（2）简答题在题号旁写上答案的页码，并在相应页码上做标记；（3）了解自己的专业，看看计算思维在本专业的应用情况。课后作业：P10思考题第1章计算机技术与计算思维基础计算思维与人工智能基础Part章节02计算机中信息表示目录/Contents2.12.22.32.4常用数制及进制数转换二进制数的运算数值型数据的表示及处理文字的表示和处理2.5音频信息的表示和处理2.6图形图像的表示和处理1.掌握常用数制；2.掌握常用进制之间的转换方法；3.掌握二进制数的运算法则；4.掌握数值型数据在计算机内的表示方法；5.掌握西文字符的表示及处理；6.了解汉字的表示及输入输出；7.了解音频和图形图像的表示和处理。学习目标计算机领域的常用数制:二进制数的表示、基数、位权、值与标识符号B十进制数的表示、基数、位权、值与标识符号D八进制数的表示与标识符号O十六进制数的表示与标识符号H2.1常用数制及进制数转换第2章计算机中信息的表示数制、进位记数制的概念数制是指用一组固定的符号和统一的规则来记数的方法。进位记数制：记数是数的记写与命名，各种不同的记写与命名方法构成记数制。按进位的方法记数的数制，称为进位记数制。第2章计算机中信息的表示1.十进制

特点：数值用0～9表示，逢十进一。十进制通式为：s10=

an×10n-1+...+a1×100

+

a-1×10-1+...+a-m×10-m其中：“10”为十进制数的基数

整数部分，n为整数部分位数小数部分，m为小数部分位数2.1.1常用数制第2章计算机中信息的表示2.R进制R进制数用

R个基本符号（例如0、1、2、…、R-1）表示数值，逢R进一。R进制数的通式为：sR=an×Rn-1+...+a1×R0

+

a-1×R-1+...+a-m×R-m位权展开多项式第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制(1)2＋(1)2＝(10)2(11)2＋(1)2＝(100)2例如,R进制数的求和：(7)8＋(1)8＝(10)8(6)8＋(5)8＝(13)8(9)16＋(A)16＝(F)16＋(1)16＝(10)16(13)16第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

可行性－易于物理实现，只有0和1两个符号，使用有两个稳定状态的电子器件就可以分别表示它们。3.计算机内采用二进制的原因

可靠性高－二进制的数字信号可以提高信息的抗干扰能力。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

简易性－运算规则简单，

易于进行高速运算

逻辑性－数理逻辑中的“真”和“假”可以分别用“1”和“0”来表示，这样就把非数值信息的逻辑运算与数值信息的算术运算联系了起来。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制

使用八进制和十六进制的原因：二进制数太长，书写、阅读、记忆均不便；八进制和十六进制与二进制之间的转换直观、方便。第2章计算机中信息的表示2.1.1常用数制1.R进制转换成十进制例将二进制小数(11010.101)2转换成十进制数（11010.101)2=1×24+

1×23+1×21

+1×2-1

+

1×2-3=16＋8＋2＋0.5+0.125=(26.625)10

第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换例

将(16A.B)16转换为十进制数。(16A.B)16

＝(1×162＋6×161＋10×160＋11×16-1)10

＝(362.69)10第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换故：(19)10＝(10011)22.十进制转换成R进制例

将(19)10转换为二进制数。余11920余1余1余0余092422212(a)纯整数部分的转换：除2倒取余直到商为0

第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换低位高位例

将(0.625)10转换为二进制数。故：(0.625)10＝(0.101)21.2500×20.5000×21.00000.625×2(b)纯小数部分的转换：乘2顺取整直到小数部分为0第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换低位高位解：因为：(19)10＝(10011)2例

将(19.625)10转换为二进制数。(0.625)10＝(0.101)2注意：十进制数转换成R进制数时，常将整数和纯小数部分分开转换为相应的R进制，然后再将R进制数的整数和小数部分连接起来。故：(19.625)10＝(10011.101)2第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换并非所有的十进制小数都能用有限位的二进制小数来表示。故取近似值

(0.1)10＝(0.00011)2小数部分乘2会无限循环下去注意：例：将(0.1)10转换为二进制。第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换3.八进制、十六进制与二进制转换二十十六八二十十六八0000000100088100001111100199110010222101010A120011333101111B130100444110012C140101555110113D150110666111014E160111777111115F17第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换(011

110

111.100

010

101)2

.

二进制转换为八进制的方法：

先用两端补“0”的方法，将二进制数的整数与小数部分分别补足为3的倍数位，再将三位二进制数用一位等值的八进制数表示。367425小数部分从高位向低位整数部分从低位向高位＝(367.425)8第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换(16.327)8八进制转换为二进制的方法：一位八进制用三位二进制数表示例

将(16.327)8转换为二进制数。=(001

110.011

010

111)2第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换

(4C.2E)16二进制与十六进制的转换方法：一位十六进制数用四位二进制数表示例

将(4C.2E)16转换为二进制数。

＝(0100

1100.0010

1110)2

第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换

R进制→十进制

按位权展开

十进制→R进制

除R倒取余和乘R顺取整十进制与R进制的转换第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换练习：二进制数10110110.1010转换为十进制、八进制、十六进制十进制数137.625转换为二进制、八进制、十六进制第2章计算机中信息的表示2.1.2进制数转换引入信息的基本单位—

比特(bit)比特（bit）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或“位”1比特只有2

种取值：0或者1第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算比特是组成数字信息的最小单位数值、文字、符号、图像、声音、命令等都可以使用比特来表示第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算用比特表示图像第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算

对二进制数可以进行两种不同类型的基本运算：

算术运算

逻辑运算第2章计算机中信息的表示2.2二进制数的运算两个一位数的加法基本运算规则是：01110向高位进1第2章计算机中信息的表示2.2.1算术运算0+00+11+01+1（1）逻辑数据的表示

“真”“假”、“是”“非”、

“对”“错”、“有”“无”（2）逻辑运算逻辑非逻辑与逻辑或第2章计算机中信息的表示2.2.2逻辑运算

逻辑非

0=

逻辑与（逻辑乘）AND、×、∧运算规则：

0×1=01×0=00×0=01×1=1011=第2章计算机中信息的表示2.2.2逻辑运算

逻辑或（逻辑加）OR、+、∨运算规则：

0+1=11+0=11+1=10+0=0第2章计算机中信息的表示2.2.2逻辑运算在计算机内能表示和使用的数据包括：

第2章计算机中信息的表示2.3数值型数据的表示与处理数值型数据非数值型数据整数实数无符号整数有符号整数定点数的概念：约定小数点在某个固定的位置；整数是约定小数点在个位数的右面；小数是约定小数点在数值的最左边。第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示整数的分类：不带符号的整数(8位,16位,32位)

带符号的整数(正整数，负整数)

符号位：使用最高位(最左面的一位)作为符号位

0--

＋(正数)

1--

－

(负数)

其余各位表示数的绝对值例如：00101011=＋43,10101011=－43第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示有符号的整数可以有三种表示方法：原码反码补码第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示最高位作为符号位

若符号位为0，则表示正数。

若符号位为1，则表示负数。

其余各位代表数值本身的绝对值

（以二进制表示）（1）原码表示

第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求＋7和－7的原码。解:根据原码的定义：

(＋7)原＝00000111(－7)原＝10000111结论：绝对值相同的正数和负数，它们除了

符号位不同外，其他各位都相同。第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，

求0的原码解:根据原码的定义：+0的原码=00000000-0的原码=10000000结论：

0的原码不唯一分析：当由数轴的左端趋向0时，我们记为-0

当由数轴的右端趋向0时，我们记为+0+0-0第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数用原码表示的最小值为：-127，其原码为：11111111

用原码表示的最大值为：+127，其原码为：01111111原码的表示范围:所以，原码的表示范围为：-127~+127第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示（2）反码表示

表示方法：

1.一个数如果值为正,则它的反码与原码相同;2.一个数如果值为负,则将其符号位置为1,其余各位为对原码的相应数据位取反。取反就是取与当前状态相反的状态。

二进制中有0和1两种状态：

1取反=00取反=1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求＋7和－7的反码。解:根据反码的定义：(＋7)反＝00000111(－7)反＝(10000111)反＝11111000第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示

例：假设用一个字节来表示一个数，求0的反码解:根据反码的定义：+0的反码=00000000-0的反码=11111111结论：0的反码不唯一第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数。用反码表示的最小值为：-127，其反码为:10000000用反码表示的最大值为：+127，其反码为:01111111所以，反码的表示范围为：–127~+127反码的表示范围：第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示（3）补码表示*计算机中使用补码的原因：

在加减法运算中，对参与运算的数符号正负的判断问题*补码的原理:（即为什么用补码可以实现减法按加法处理？）

*时钟原理*补数的概念第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示补码表示方法规定:

正数的补码：与反码、原码相同.

负数的补码：则将其最高位置为1，其余各位为对原码的相应数据位取反，然后再对整个数加1.

X为负数时[x]补=

[x]反+1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求＋7和－7的补码。解:根据补码的定义：[+7]补＝00000111[-7]反＝11111000

[-7]补＝11111000

+1

11111001第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示例：假设用一个字节来表示一个数，求0的补码。解:根据补码的定义：进位舍去[+0]补＝00000000[-0]反＝11111111[-0]补＝11111111

+1

100000000[-0]补＝00000000结论：

0的补码是唯一的。第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示用补码进行运算例：假设用一个字节来表示一个数，求7-6的值解:[+7]补＝00000111[-6]补＝11111010[+7]补+[-6]补＝00000111

+11111010

100000001进位舍去＝00000001说明：补码的减法可以按加法来处理第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示假设用一个字节表示一个数。用补码表示的最大值：+127，01111111。用补码表示的最小值：-128，10000000。所以，用补码表示的数的范围是：

-128—+127补码的表示范围:注意：用补码表示的数的范围比原码和反码多一个数。为什么？第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示补码如何向原码转换？思考：第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示几种整数表示法的比较8位二进制代码无符号整数原码补码0000000000000000001111……………………01111111127127127100000001280－12810000001129－1－127……………………11111111255－127－1第2章计算机中信息的表示2.3.1定点数表示引入浮点数的目的：

在一定字长下，整数数值的表示范围有限；实际的数据往往有整数部分又有小数部分；实际数据有的特别大，有的特别小。第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示

很多高级程序语言，数值型数据都可以写成如下形式：

4.32E-2表示4.32×10-2=0.0432

0.432E-1表示0.432×10-1=0.0432第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示基数（R）：通常隐含为2尾数（M）：必须是二进制定点纯小数,

尾数的位数决定数的精度。阶码（E）：必须是二进制定点整数,

阶码的位数决定数的范围。浮点数可表示成：阶码基数尾数N＝M·RE

第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示例如假设某机器字长为16位，规定前6位表示阶码(包括阶码符号)，后10位表示尾数(包括尾数符号)，(阶码和尾数用原码表示)

则0001011110101000

表示的浮点数是：第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示

=

-(26.5)10

0001011110101000阶码尾数-(0.110101)2×2+

(101)2符号位=(-11010.1)2

阶码和尾数用补码表示呢？第2章计算机中信息的表示2.3.2浮点数表示2.4.1西文字符编码第2章计算机中信息的表示2.4文字的表示和处理2.4.2汉字编码

ASCII码，即美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)，使用7个二进位对字符进行编码。第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码

基本的ASCII字符集共有128个字符

95个可打印字符（常用字母、数字、标点符号）

33个控制字符（不可直接显示或打印）特殊字符的ASCII码空格(32)、A(65)、a(97)、0(48)

下面为ASCII代码表：第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码94见课本P20

对ASCII码的说明：每个字符用标准规定的7位二进制数表示，在机内占一个字节（最高位为0）。

如：字符“A”的ASCII码为：

(01000001)2

或(65)10、(101)8、(41)16

字符“0”的ASCII码为：

(00110000)2

或(48)10、(60)8、(30)16第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码对ASCII码的要求：

1.学会比较ASCII字符的大小（按其ASCII码值）

空格＜0～9＜A～Z＜a～z

2.会推算同组字符ASCII码值如A的ASCII值（十进制）为65，则B、C…的ASCII值分别为66、67…第2章计算机中信息的表示2.4.1西文字符编码1980年,国家颁布的《信息交换用汉字编码字符集-基本集》(GB2312-80)(国标码)。组成：（1）第一部分：字母、数字和各种符号，包括拉丁字母、俄文、日文平假名与片假名、希腊字母、汉语拼音等共682个（统称为GB2312图形符号）第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码1.GB2312-80汉字编码（2）第二部分：一级常用汉字，共3755个， 按汉语拼音排列（3）第三部分：二级常用汉字，共3008个， 按偏旁部首排列

汉字共6763个字符共7445个第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码

区位码：GB2312-80是一个二维代码表，有94行、94列,汉字在代码表中的位置用它所处的行号、列号表示。行号区号列号位号第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码一级汉字（3755个）二级汉字（3008个）（扩充使用）位号：

………19423字母、数字和各种符号……区号：191655568794GB2312-80字符集88第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码例如：“大”字的区号20，位号83，区位码是2083用2个字节表示为：000101000101001183列20行大第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码

国标交换码问题：信息通信中，汉字的区位码与通信使用的控制码（00H～1FH）发生冲突。解决方案：为了避免汉字区位码与通信控制码的冲突，每个汉字的区号和位号必须分别加上32。得到的代码称为汉字的“国标交换码”。第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码例如:“大”字的区号20，位号83

区位码：2083 二进制表示为：0001010001010011

国标交换码：52115（+32）二进制表示为：0011010001110011第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码

机内码问题：文本中的汉字与西文字符经常是混合在一起使用的，汉字信息如不予以特别的标识，它与单字节的标准ASCII码就会混淆不清。解决方法：使表示GB2312汉字的两个字节的最高位(b7)都置为“1”。这种汉字编码,称为GB2312汉字的“机内码”。第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码例如：“大”字

区位码：2083 二进制表示为：0001010001010011

国标交换码：52115（+32）二进制表示为：0011010001110011

机内码：180243 （+128）二进制表示为：1011010011110011

（B4F3）区位码+32=国标码国标码+128=机内码第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码例如：计、算、机三个字的机内码分别是：

计

BCC6H1011110011000110B

算

CBE3H1100101111100011B

机

BBFAH1011101111111010B机内码第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码1995年发布GBK，全称为《汉字内码扩展规范》GBK字符集中一共有21003个汉字和883个图形符号，它与GB2312国标汉字字符集及其内码保持兼容。第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码2.GBK汉字内码扩展规范第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码3.UCS/Unicode汉字编码

目的：统一的多文本处理环境,实现所有字符在同一字符集中统一编码。优点：编码空间极大（4个字节），能容纳足够多的各种字符集（13亿字符）缺点：4字节的字符编码使存储空间浪费严重。第2章计算机中信息的表示2.4.2汉字编码4.汉字其他编码GB18030编码BIG5编码第2章计算机中信息的表示2.4.3输入和输出（自学）1.汉字输入

人工输入：通过键盘、手写笔或语音输入方式输入字符

自动输入：将纸介质上的文本通过识别技术自动转换为文字的编码第2章计算机中信息的表示2.4.3输入和输出（自学）2.汉字输出输出机器内部的汉字编码,需要根据汉字编码对应的汉字字型码进行解释，生成映像，最后再传送到显示器或打印机输出。

机内汉字编码

字型码打印输出(显示器/打印机)第2章计算机中信息的表示2.4.3输入和输出（自学）2.汉字输出汉字字型码:用于汉字在显示器或者打印机上输出。汉字字型码表示形式分类：

点阵表示

矢量表示第2章计算机中信息的表示2.4.3输入和输出（自学）2.汉字输出汉字字型码用点阵表示16*16（占32个字节）、24*24、48*48等。

第2章计算机中信息的表示2.4.3输入和输出（自学）2.汉字输出汉字矢量表示存储描述汉字轮廓特征的信息。如：Windows中TrueType技术即为该表示形式。2.5.1音频的数字化2.5.2声音合成技术2.5.3常用的音频文件格式2.5.4声音处理软件第2章计算机中信息的表示2.5音频信息的表示和处理（自学）第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化

多媒体信息在计算机中进行处理，其核心问题是数字化，即转化为二进制数字进行处理，处理后再输出。在其过程中要经过“模数”转换或“数模”转换。音频信号转为数字信号的过程如下：选择采样频率，进行采样；选择分辨率，进行量化；进行编码，形成数字化声音。第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化

实现音频的数字化就是将模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列。音频数字化涉及音频的采样、量化和编码。模拟声音信号采样量化编码数字声音011010011101……第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化1.声音采样计算机并不直接使用连续平滑的波形来表示声音。它是以固定的时间间隔对波形的幅值进行采样，用得到的一系列数字量来表示声音。第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化

奈奎斯特采样定理：采样频率只要高于被采样信号最高频率的2倍，就能获得满意的声音还原效果。

采样频率：单位时间内的采样次数。常用的采样频率：11.025kHz(语言效果)、22.05kHz(音乐效果)和44.1kHz(高保真效果)第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化2.量化

采样得到的数据只是一些离散的值，将这些离散的值用计算机中的若干二进制位来表示，这一过程称作量化。显然，量化的过程中要损失一些精度。

量化精度：若采样位数为R，则有2R个量化级；量化级分得越细，对声音信号的反应越灵敏，即量化精度越高，存储的数据量也就越大。第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化3.编码

对声音进行数据压缩，减少数据量，并组织数据，便于存储和处理。第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化波形声音的主要参数包括：（1）采样频率：单位时间内的采样次数。（2）量化位数：编码时表示采样点的二进制位数（3）声道数：指声音通道的个数第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化

声道：声音是有方向的，当声音到达双耳的方向和相对时差不同时，人感觉到的声音的强度不同，就产生立体声的效果。

单声道只记录和产生一个波形，双声道记录和产生两个波形，即立体声，存储空间是单声道的两倍。第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化(4)码率:每秒钟的数据量。数字声音未压缩前，码率的计算机公式为：码率(b/s)=采样频率×量化位数×声道数第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化例如：双声道立体声，采样频率为11.025kHz，8位量化，其码率为:

11.025*8*2=176.4(kb/s)=22.05(kB/s)存储一分钟这样的声音数据，容量需要:22.05(kB/s)×60(s)≈

1323KB第2章计算机中信息的表示2.5.1音频的数字化

（1）乐器数字接口MIDI

MIDI是多媒体计算机所支持的一种声音产生方法，与波形音频产生和记录声音的方法不同，它不支持记录声音的波形信息，而是说明音乐信息的一系列指令，如音符序列、节拍速度等，即它通过描述声音产生数字化的乐谱。第2章计算机中信息的表示2.5.2声音合成技术

MIDI声音特点：占用数据量小编辑修改方便灵活。因为MIDI文件存储的是命令，而不是声音波形；容易编辑。处理语音能力较差，并且受合成器中乐器组合限制，不能保证一个MIDI文件在不同声音卡上播放时效果一样。第2章计算机中信息的表示2.5.2声音合成技术（2）语音合成

语音合成：使计算机模仿人的发声，自动生成语音的过程。合成的语音必须是可理解的，听上去要尽量自然，可理解是一个基本的前提。例如：在股票交易、航班等动态查询，电话中相关信息的查询等就要用到该技术。第2章计算机中信息的表示2.5.2声音合成技术1.波形信息文件格式：WAV、MP3

WAV记录了真实的声音采样数据，文件的数据量较大；

MP3是采用MPEG-1第3层的压缩编码的音频文件。2.合成音乐文件格式：MID、RMI、MOD

RMI和MOD都是MIDI文件格式，MOD格式的通用性强一些。第2章计算机中信息的表示2.5.3常用音频文件格式2.6.1图像的数字化2.6.2矢量图形表示2.6.3常用的图形图像文件格式2.6.4图形、图像处理软件第2章计算机中信息的表示2.6图形图像的表示和处理（自学）

图形:即矢量图形或几何图形，是用一组命令来描述,这些命令用来描述构成画面的直线、矩形、圆、圆弧、曲线等的形状、位置、颜色等各种属性和参数。图像：通过描述画面中每一个像素的亮度或颜色来表示画面的，也称为点阵图像或位图图像(Bitmap)方法。第2章计算机中信息的表示2.6图形图像的表示和处理（自学）1.图像的获取计算机获取图像的过程称为图像的获取，其步骤为：采样量化第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化采样：对图像进行离散化处理。经采样得到N*M的离散样本阵列，整个样本阵列构成位图，每个采样点称为一个像素。量化：对每个采样点的灰度或颜色进行数字化处理，即用二进制进行编码，表示图像的颜色。第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化描述图像的重要属性是：

图像分辨率彩色空间图像颜色深度和最大颜色数图像的数据量2.图像的表示第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化

图像的分辨率：指图像的尺寸，即水平方向上与垂直方向上所包含的像素个数。

彩色空间：即颜色模型，指图像所使用的彩色描述方法，如：RGB颜色模型、CMYK颜色模型等。第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化

图像颜色深度和最大颜色(灰度)数：

图像颜色深度---组成该图像的所有颜色分量的位数之和，如8位或24位，即表达彩色的所有二进制位数。

最大颜色(灰度)数---指图像中可能出现的不同颜色(灰度)的最大数目。

图像颜色深度决定最大颜色数。第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化

注意：

1位所表示的颜色数为2（黑白）；

8位所表示的颜色数为256（灰色）；

RGB使用24位来表示彩色。第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化

图像数据量。

一幅图像的数据量计算公式(以字节为单位)：

图像数据量＝图像宽度×图像高度×图像深度/8几种常用图像的数据量见P31图像分辨率第2章计算机中信息的表示2.6.1图像的数字化1.矢量图形的组织

图元：指一些形状简单的物体，如点、直线、曲线、圆、多边形、球体、立方体、矢量字体等。用一组命令和数学公式描述这些图元，包括它们的形状、位置、颜色等信息。

用简单的图元可以构成复杂的图形。第2章计算机中信息的表示2.6.2矢量图形表示2.矢量图形的特点尺寸可以任意变化而不损失图像的质量；快速打印和屏幕显示；文件较小；高度的可编辑性；缺乏真实感。第2章计算机中信息的表示2.6.2矢量图形表示1.位图类图像文件

BMP、GIF、JPEG、TIFF等2.矢量图形文件

WMF、SVG、EPS、CDR等第2章计算机中信息的表示2.6.3常用的图形图像文件格式（1）常用数制（十、二、八、十六）（2）常用数制转换（3）二进制的算术运算和逻辑运算（4）整数和浮点数的表示（5）西文字符的ASCII码（6）中文汉字的机内码本章小结：第2章计算机中信息的表示1.复习第2章的内容，完成思考题2.写作业：（1）P24填空题

第4题写计算过程（2）P24简答题写计算过程

第2题的第110101.0011和0.10011

第3题的50.625和20.08

第4题的35、-76和-128第2章计算机中信息的表示课后作业计算思维与人工智能基础Part章节03计算机系统的基本组成和基本工作原理目录/Contents3.13.23.33.4计算机系统的基本组成微型计算机系统的组成微型计算机的主机系统微型计算机的外部设备3.5计算机软件3.6计算机的基本工作原理1.掌握计算机系统的基本组成、逻辑结构、主要组成部分及其功能；2.掌握微机的CPU、主板及其主要部件、内存等；3.掌握总线的概念、分类；4.掌握计算机软件的概念和分类；5.掌握操作系统的概念和作用，功能；6.掌握计算机的基本工作原理。学习目标3.1.1计算机系统的组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1计算机系统的基本组成硬件系统软件系统+计算机系统=硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称，是计算机工作的物理基础。软件是指在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档。硬件和软件的关系（1）硬件是软件工作的基础（2）软件是硬件功能的扩充和完善（3）软件和硬件结合才成为一个完整的计算机系统（4）实际上，软件和硬件的功能没有明确分界：软件硬化或固化硬件软化3.1.1计算机系统的组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成计算机的外形发生巨大变化，但硬件的基本逻辑结构都建立在同一模型基础上的。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成冯·诺伊曼美籍匈牙利数学家。提出了“程序内存式”计算机的设计思想,被誉为“计算机之父”。

第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成冯·诺伊曼计算机：（1）计算机的五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。（2）二进制（计算机数字化存储）

计算机编码采用二进制数字化表示，也就是计算机内部的所有信息仅由0、1来表示。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成（3）存储程序

把程序（解决问题的详细步骤）存储在计算机内，使计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地读取、执行指令，并得到预期的结果。冯·诺伊曼计算机：第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理按照冯·诺依曼的设计理论，计算机的五大基本组成部件：输入设备

存储器输出设备控制器运算器数据流：控制流：程序数据结果3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理①运算器：用来执行当前指令所规定的算术运算和逻辑运算。主要包括算术逻辑部件、累加器、寄存器组等。

算术逻辑部件（ALU）主要完成对二进制数据的定点算术运算、逻辑运算以及移位运算。

累加器是一个具有特殊功能的寄存器，用来临时存储ALU运算的中间结果和其他数据。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理②控制器：是计算机的指挥中心，它按人们预先编好的程序进行工作，根据程序中指令的要求，有序地向各个部件发出控制信息，控制信息存储、各种运算、信息输入和输出。

计算机的各部件都要在控制器的统一指挥下有条不紊地工作。

控制器和运算器合称为中央处理器（CPU）。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理存储器内存储器外存储器③存储器(Memory)：存放程序和数据的记忆单元。按功能可以分为：3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理内存储器（内存）外存储器（外存）可以和CPU直接交换数据，用来存放当前运行的数据和程序，如内存条。

内存的存取速度直接影响计算机的运行速度。在主机的外部，属于外部设备，主要用来长期存放暂时不用的信息。如：硬盘、U盘等。

执行程序时，外存中的程序及数据必须先传送到内存，才能被CPU使用。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理外存存取速度比内存慢、容量大、价格低，可以长久地

存储信息，“永久性存储设备”内存的读写速度外存的读写速度内存存取速度快、容量小、价格高，

内存的读写时间：十亿分之一秒（纳秒级）3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理1001101011001100001010110101000110010110位字节位(bit)：每一个二进制数0或1所占的数位,

是信息存储的最小单位，

简称b。字节(Byte)：是计量存储容量的基本单位（简称B），8个二进制位是1个字节。存储器的相关概念3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理1011011001011000某存储器片断：地址：存储单元的编号内容：存储单元中存放的信息38F04H地址......14F04H存储内容地址：存储单元的编号3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理例如：4GB内存的存储容量为：4GB=4*1024MB=4*1024*1024KB=4*1024*1024*1024B存储容量：存储器所包含的存储单元总数。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成1B=8bit1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理④输入设备(InputDevice)是把信息送到计算机系统的设备。根据输入信息的类型不同，输入设备分很多种，如：键盘、

鼠标、麦克风、扫描仪。I/O设备是人和计算机交互的桥梁。⑤输出设备(OutputDevice)是从计算机系统输送出信息的设备。输出的信息可以是：文字、语音、图像、动画等。常见的输出设备有：显示器、打印机、音响等。3.1.2计算机的逻辑组成3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.1.3

图灵机简介3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理

阿兰·麦席森·图灵，英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。曾协助英国军方破解德国的著名密码系统“谜”(Enigma)，帮助盟军取得了二战的胜利。

人们为纪念其在计算机领域的卓越贡献而设立“图灵奖”。图灵机是一种抽象的计算模型，不是具体的机器。其目的是制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象到的可计算函数。3.1.3

图灵机简介3.1计算机的基本组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理图灵机的基本思想是用机器来模拟人们用纸和笔进行数学运算的过程。主机+外设主机：CPU、内存外设：外存储器、输入设备和输出设备3.2.1

微型计算机系统的硬件基本组成3.2微型计算机系统的组成第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理（1）CPU指标（CPU字长、CPU时钟频率）（2）内存容量（3）运算速度（MIPS、MFLOPS）（4）外部设备的配置及扩展能力（5）软件配置3.2.2

微型计算机系统的主要性能指标第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.2微型计算机系统的组成IntelCPU3.3.1中央处理器

1.微处理器产品简介第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统AMDCPU龙芯①字长：指CPU运算器位数或寄存器位数，表示CPU在同一时刻能处理的二进制数据位数。如：64位。

字长决定了计算的精度，通常是2的整数次幂。3.3.1中央处理器

2.CPU的主要技术参数第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统②主频：CPU运算时的工作频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，它决定着CPU内部的数据传输和指令执行的速度，单位Hz。

睿频：是CPU通过分析当前的任务情况智能提升主频。如：Inteli7-11700KCPU主频为：3.6～5.0GHz主频越高，一个时钟周期内完成的指令数也就越多，

因此CPU的运算速度就越快。3.3.1中央处理器第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统③外频：主板为CPU提供的基准时钟频率；是系统总线的工作频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线工作频率。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统3.3.1中央处理器④高速缓冲存储器（Cache）容量Cache是位于CPU与内存之间的高速存储器。Inteli7-11700K

三级缓存：16MB。

第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统3.3.1中央处理器⑤

内核数

为提高CPU的性能，CPU可包含多个内核，每个内核就是一个独立的CPU。Inteli7-11700K

是8个。

其他参数：Cache的结构和速率、CPU的生产工艺技术、CPU指令系统、CPU逻辑结构等。

以上因素都会影响到程序的执行速度，也就是系统的整体性能。第3章计算机系统的基本组成和基本工作原理3.3微型计算机的主机系统3.3.1中央处理器主板上都有什么？第3章