讲稿 计算机基础知识

1、讲稿 计算机基础知识第1页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三本章学习目标 本章主要讲解计算机的发展史、基本组成和工作原理以及数制和编码等最基础的知识。通过本章的学习，读者应该掌握以下内容：l 将计算机发展划分为四个阶段的标志l 计算机的主要特点及其理解l 冯诺依曼原理和冯诺依曼结构图l 计算机的主要技术指标l 进制及其相互转换方法l 计算机中数的表示方法l ASCII码和汉字编码l 计算机的应用领域和计算机应用能力培养方向第2页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.1 概述1.1.1 计算机的发展简史1.1.2 计算机的特点1.1.3 计算机系统组成

2、第3页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.1.1 计算机的发展简史 从1946年美国宾夕法尼大学研制出世界上第一台电子数字计算机ENIAC（电子数字积分计算机的英文缩写）至今，短短五十多年的时间内，计算机系统和计算机应用得到了飞速发展。元件制作工艺水平的不断提高是计算机发展的物质基础，因此以计算机元器件的变革作为标志，将计算机的发展划分为四个阶段，这四个阶段通常称为计算机发展的四个时代 。第4页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1第一代计算机（19461958年）其主要特征是采用电子管作为主要元器件。2第二代计算机（19581964年）其主要特征是

3、由电子管改为晶体管。 3第三代计算计算机导论机（19641974年）其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元件的晶体管。 4第四代计算机（1974年至今）其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机的主要功能部件。 第5页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.1.2 计算机的特点1运算速度快、精度高 计算机的运算速度，慢则每秒数万次，快则每秒上亿次。现在世界上最快的计算机每秒可以运算几十亿次以上。如果与每秒一百万次的计算机相比，它连续工作一小时所完成的工作量，一个人一生也做不完。 计算机的字长越长，其精度越高。目前的个人计算机的精度已经达到了十位、十六有效数字。对

4、于气象预报等复杂、时间性强的工作，没有计算机进行数据处理，单靠手工已无法实现。第6页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三2具有逻辑判断和记忆能力 计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力。可以把庞大的国民经济信息或一个大图书馆的全部文献资料目录和索引存储在计算机系统中，随时提供情报检索服务。 计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合，使之可以模仿人的某些智能活动。因此，计算机已经远远不只是计算的工具，而是人类脑力延伸的重要助手。有时把计算机称作“计算机”，就是这个原因。第7页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三3高度的自动化和灵活性 计算机采

5、取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算机，机器便可依次逐条执行。这就使计算机实现了高度的自动化和灵活性。 每台计算机提供的基本功能是有限的，这是在设计和制造时就决定了的。然而，计算机区别于其他机器之处，就在于这些有限的功能，可以在人的精心编排设计下，快速自动地完成多种多样基本功能序列。从而实现计算机的通用性，达到计算机应用的各种目的。 第8页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.1.3 计算机系统组成 计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。 1.计算机硬件系统 由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，是计算机系统的物质基础。 2.计算机软件系统由

6、操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到我们预定的目标。 第9页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三计算机系统的基本组成 控制器 只读存储器（ROM） 随机读写存储器（RAM） 硬件系统计算机系统主机部分外围部分软件系统系统软件（DOS 、Windows、UNIX等） 应用软件（Office、Photoshop等）中央处理器内存储器运算器外存储器（硬盘、软盘、光盘）输入设备（键盘、鼠标、扫描仪）输出设备（显示器、打印机）第10页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 1

7、.计算机硬件系统（1）冯诺依曼原理（Von Neumann）（2）计算机的硬件结构（3）计算机系统主要技术指标第11页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（1）冯诺依曼原理（Von Neumann） 计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。 该原理最初是由匈牙利数学家冯诺依曼于1945年提出来的，故称为冯诺依曼原理。 按照冯诺依曼原理构造的计算机又称冯诺依曼计算机，其体系结构称为冯诺依曼结构。目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术 。第

8、12页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 冯诺依曼计算机的基本特点如下： 采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，两者没有区别，指令同数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。 指令由操作码和地址码组成。 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。 数据以二进制表示。第13页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（2）计算机的硬件结构 计算机硬件通常由五部分组成：输入设备、输出设备、存储器

9、、运算器和控制器。这五部分之间的联结结构如下图，称为冯诺依曼结构图，其以运算器为中心。第14页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 输入设备。如：键盘、鼠标、光笔、扫描仪等 。 输出设备。如：屏幕显示器、打印机、绘图仪、音箱等。 存储器。存储器是计算机的记忆装置，为了对存储的信息进行管理，把存储器划分成单元，每个单元的编号称为该单元的地址。存储器内的信息是按地址存取的。向存储器内存入信息也称为“写入”。写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以重复取出，多次利用。 计算机的存储器可分为主存储器和辅助存

10、储器两种，通常分别简称为主存和辅存。 第15页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 运算器。 运算器是对信息进行加工处理的部件。它在控制器的控制下与内存交换信息，负责进行各类基本的算术运算和与、或、非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。此外，在运算器中还含有能暂时存放数据或结果的寄存器。 控制器。 控制器是整个计算机的指挥中心。它负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确保系统自动运行。 控制器和运算器一起组成了计算机的核心，称为中央处理器，即CPU（Central Processing Unit）。通常把控制器、运算器和主存储器一起称为主机，而其

11、余的输入、输出设备和辅助存储器称为外部设备。第16页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（3）计算机系统主要技术指标 字长。字长的长短直接影响计算机的功能强弱、精度高低和速度的快慢。目前，Intel Pentium系列的微型计算机均为64位机，随着芯片制造技术的不断进步，各类计算机的字长都有加长的趋势。 时钟周期和主频。计算机的中央处理机对每条指令的执行是通过若干个微操作来完成的。这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”的。时钟周期的微秒数反映出计算机的运算速度。有时也用时钟周期的倒数，时钟频率（兆频），即我们习惯所说的主频来表示。 第17页，共127页，2022年，5月20

12、日，7点32分，星期三 运算速度。 计算机的运算速度是衡量计算机水平的一项主要指标，它取决于指令执行时间。运算速度的计算方法多种多样，目前常用单位时间内执行多少条指令来表示。而计算机执行各种指令所需时间不同，因此常根据在一些典型题目计算中，各种指令执行的频度以及每种指令执行时间来折算出计算机的等效速度。 内存容量。 存储器的容量反映计算机记忆信息的能力。它常以字节为单位表示。一个字节为八个二进制位，即1byte = 8bit。 210=1024=1Kbytes 220=1Mbytes 230=1Gbytes 第18页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 数据输入输出最高速率

13、。 主机与外部设备之间交换数据的速率也是影响计算机系统工作速度的重要因素。由于各种外部设备本身工作的速度不同，常用主机所能支持的数据输入输出最大速率来表示。第19页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三2.计算机软件系统 定义：软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料。 软件系统的主要任务：提高机器的使用效率、发挥和扩大机器的功能和用途，为用户使用计算机系统提供方便。 分类：系统软件和应用软件。 系统软件又分为：操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、软件工具等。 应用软件又包括：应用软件包和用户程序。 （1）系统软件 （2）应用软

14、件第20页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （1）系统软件 一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件。 系统软件的功能：主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益。 两个主要特点：一是通用性。即无论哪个应用领域的计算机用户都要用到它们；二是基础性，即应用软件要在系统软件支持下编写和运行。第21页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 操作系统 系统软件的核心是操作系统。操作系统（Operating System，简称OS）是由指挥与管理计算机系统运行的程序模块和数据结构组成的一种大型软件系统，其功能是管理计算机的全

15、部硬件资源和软件资源，为用户提供高效、周到的服务界面。例如，IBMPC及其兼容机的运行要有PCDOS或Windows的支持。没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机。裸机向外部世界提供的界面只是机器指令，为了驯服令人费解且难以使用的裸机，用户及其他程序都利用了系统软件，即通过操作系统来使用计算机。 第22页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 语言处理系统 程序设计语言按其发展的过程和应用级别分为机器语言、汇编语言、高级语言。汇编语言也是一种面向机器的语言。 数据库管理系统 数据库管理系统就是在具体计算机上实现数据库技术的系统软件，用户用它来建立、管理、维护、使用数据库等。 软

16、件工具 软件工具是软件开发、实施和维护过程中使用的程序。如输入阶段的编辑程序、运行阶段的连接程序、测试阶段的排错程序、测试数据产生程序等。第23页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （2）应用软件 应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件。应用软件一般包括用户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用。应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运转，但它必须在系统软件的支持下才能工作。例如，WPS、Word、Excel等。第24页，共127页，2022年，5

17、月20日，7点32分，星期三1.2 数制与编码1.2.1 进制及其相互转换 1.2.2 计算机中数的表示 1.2.3 计算机中的编码 第25页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.2.1 进制及其相互转换 1.进位计数制2.十进制数与二进制数之间的转换3.十进制数与八、十六进制数之间的转换4.二进制数与八、十六进制数的转换第26页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.进位计数制 根据不同的进位原则，可以得到不同的进位制。在日常生活中，人们广泛使用的是十进制数，有时也会遇到其他进制的数，例如，钟表上，六十秒钟为一分钟，六十分钟为一小时，即为六十进制。

18、在计算机中，最常使用的是： (1)十进制 (2)二进制 (3)八进制 (4)十六进制 第27页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （1）十进制 十进制记数法有两个特点： 它有十个不同的记数符号：0、1、2、9。每一位数只能用这十个记数符号之一来表示，称这些记数符号为数码。 它采用逢十进一的原则计数。小数点前面自右向左，分别为个位、十位、百位、千位等，相应地，小数点后面自左向右，分别为十分位、百分位、千分位等。各个数码所在的位置称为数位。第28页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例如：十进制数666.66 个位的6表示其本身的数值；而十位的6，表示其

19、本身数值的十倍，即610，百位的6，则代表其本身数值的一百倍，即6100；而小数点右边第一位小数位的6表示的值为60.1；第二位小数位的6表示的值为60.01。 因此这个十进制数可以用多项式展开写成： 666.66 610 2610 1610 061016102第29页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 如果用a i表示某一位的不同数码，对任意一个十进制数A，可用多项式表示为： Aa n110 n1a 110 1a 010 0a1101am10m 在上式中，m、n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数，即m、n为相应的数位值。各个数码由于所在数位不同而乘以1

20、0的若干次幂称为相应数位的“权”。“权”的底数称为进位制的基数。在这里，因为是十进制数，所以基数是10。 以上是十进制数的计数机理，在正常书写时，各数码的“权”隐含在数位之中，即： A a n1 a n2 a 1 a 0 .a 1 am 第30页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （2）二进制 二进制记数法也有两个特点： 它有两不同的记数符号，即数码：0和1。 它采用逢二进一的原则计数。也就是说，进位基数是2。数码在不同的数位所代表的值也是不相同的，各数位的“权”是以2为底的幂。 第31页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例如： （10110.1）

21、2 12 4 02 3 12 1 02 0 121 （22.5）10 任意一个二进制数B，可以展开成多项式之和,即 B = b n12 n1 +b n22 n2 +b 12 1+b 02 0+ b121 +bm2m 第32页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 其中，b I 的取值为0或1，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数。 二进制记数法各数位的“权”，整数部分从小数点开始向左分别为1，2，4，8，16，32，；小数部分的“权”，从小数点向右分别为0.5, 0.25, 0.125，。 二进制的基数是2，数位的“权”是以2 为底数的幂。一般书写时，各数码的“权”隐含

22、在数位之中，即： B b n1 b n2 b 1 b 0 .b 1 bm 第33页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （3）八进制数 八进制记数法的两个特点是： 采用八个不同的记数符号，即数码：07。 采用逢八进一的进位原则。在不同的数位，数码所表示的值等于数码的值乘上相应数位的“权”。例如： （456.45）8 48 258 168 0481582 （302.578125）10第34页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 一般地，任意一个八进制数可以表示为： C c n18 n1 +c n28 n2 +c 18 1 + c 08 0+c181 +cm

23、8m 在上式中，C i 只能取07之一的值；八进制的基数是8。 第35页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （4）十六进制 十六进制记数法也有两个特点： 它采用十六个不同的记数符号，即数码：09及A、B、C、D、E、F。其中A表示十进制数10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15。 它采用逢十六进一的进位原则，各位数的“权”是以16为底数的幂。 第36页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三例如：（2AF）16 216 2A16 1F16 0 216 21016 151 （687）10第37页，共127页，2022年，5月20日，7

24、点32分，星期三 一个任意的十六进制数可以表示为： D d n116 n1 +d n216 n2 + +d 116 1+d 016 0 +d 1161 +dm16m 在上式中，d i可以取0F之一的值；十六进制的基数是16。 第38页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三2.十进制数与二进制数之间的转换（1）二进制数转换成十进制数（2）十进制整数转换成二进制整数（3）十进制小数转换成二进制小数（4）任意十进制数转换成二进制数第39页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（1）二进制数转换成十进制数 根据公式： B = b n12 n1 +b n22 n2 +

25、b 12 1+ b 02 0+b121 +bm2m 将待转换的二进制数按各数位的权展开成一个多项式，求出该多项式的和就可以了。 例如： （1101.01）2 12 312 202 112 0021122 （13.25）10第40页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（2）十进制整数转换成二进制整数逐次除2取余法： 用2逐次去除待转换的十进制整数，直至商为0时停止。每次所得的余数即为二进制数码，先得到的余数在低位，后得到的余数排在高位。第41页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三例如，将83转换成二进制数，逐次除2取余： 2 83 1 2 41 1 2 2

26、0 0 2 10 0 2 5 1 2 2 0 2 1 1 得到的余数从先至后依次为： 1、1、0、0、1、0、1 可得到：（83）10（1010011）2第42页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（3）十进制小数转换成二进制小数乘2取整法： 逐次用2去乘待转换的十进制小数，将每次得到的整数部分（0或1）依次记为二进制小数b1，b2，bm。第43页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例如，将0.8125转换为二进制小数，逐次乘2取整： 0. 8125 2 1 . 625 2 1 . 25 2 0 . 5 2 1 . 0 可得： （0.8125）10 （

27、0.1101）2 第44页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三值得注意的是: 并非每一个十进制小数都能转换为有限位的二进制小数，此时可以采用0舍1入的方法进行处理（类似于十进制中的四舍五入的方法）。 第45页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例如，将0.335转换为二进制小数，精确到0.001。 0. 335 2 0 . 67 2 1 . 34 2 0 . 68 2 1 . 36可得：（0.335）10 （0.0101）2 （0.011）2第46页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（4）任意十进制数转换成二进制数 对于任意一个既

28、有整数部分，又有小数部分的十进制数，在转换为二进制数时: 只要将它的整数部分和小数部分分别按除2取余和乘2取整的法则转换，最后把所得的结果用小数点连接起来即可。第47页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三必须注意: 逐次除2取余的余数是按从低位到高位的排列顺序与二进制整数数位相对应的；逐次乘2取整的整数是按从高位向低位的排列顺序与二进制小数数位相对应的。其共同特点是以小数点为中心，逐次向左、右两边排列。第48页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（1）八进制、十六进制数转换成十进制数 同二进制数到十进制数的转换，分别套用相应公式 。第49页，共127页，

29、2022年，5月20日，7点32分，星期三（2）十进制数转换成八进制、十六进制数 分别采用除8取余法（对小数部分为乘8取整法）、除16取余法（对小数部分为乘16取整法）。注意： 在进行十进制数转换成十六进制数的过程中，对于采用除16取余法得到的余数和采用乘16取整法得到的整数，若为1015之间的数值，最后要分别用字符A、B、C、D、E、F代替。 第50页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三4.二进制数与八、十六进制数的转换（1）二进制数转换成八进制数（2）八进制数转换成二进制数（3）二进制数转换成十六进制数（4）十六进制数转换成二进制数第51页，共127页，2022年，5月

30、20日，7点32分，星期三 （1）二进制数转换成八进制数 因为2 38，所以三位二进制数位相当于一个八进制数位，它们之间存在简单直接的关系。 三位一并法： 从待转换的二进制数的小数点开始，分别向左、右两个方向进行，将每三位合并为一组，不足三位的以0补齐（注意：整数部分在前面补0，小数部分在末尾补0）。然后每三位二进制数用相应的八进制码（07）表示，即完成二八转换工作。 第52页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例1 将（101010001.001）2转换成八进制数。 首先以小数点为中心，分别向左右两个方向每三位划分成一组（以逗号作为分界符）： 101，010，001.0

31、01， 然后，每三位用一个相应八进制数码代替，即得： （101010001.001）2 （521.1）8第53页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例2 将（10010001.0011）2转换成八进制数。 首先分组（以逗号作为分界符）： 10，010，001.001，1 小数点的左边，有一组“10”不足三位，应该补一位0，即应补为“010”；小数点的右边，有一组“1”不足三位，应该补两位0，即应补为“100”。则补0后的分组情况为： 010，010，001.001，100，即得： （10010001.0011）2 （221.14）8第54页，共127页，2022年，5月2

32、0日，7点32分，星期三（2）八进制数转换为二进制数 此为上述转换的逆过程。将每一位八进制数码用三位二进制数码代替，即“一分为三”。第55页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例3 将（576.35）8转换成二进制数。 将八进制数的每位数码依次用三位二进制数代替，即得： （576.35）8 （101111110.011101）2第56页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（3）二进制数转换为十六进制数 因为2 416，因此四位二进制数与一位十六进制数是完全对应的。四位一并法： 从待转换的二进制数的小数点开始，分别向左、右两个方向进行，将每四位合并为一组

33、，不足四位的以0补齐。然后每四位二进制数用一个相应的十六进制码（0F）表示，即完成二十六转换工作。第57页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 例4 将（10110001.0011）2转换成十六进制数。 首先以小数点为中心，分别向左右两个方向每四位划分成一组（以逗号作为分界符）： 1011，0001.0011， 然后，每四位用一个相应十六进制数码代替，即得： （10110001.0011）2 （B1.3）16第58页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 （4）十六进制数转换为二进制数 与八二转换类似，采用“一分为四”的方法，把每个十六进制数码用四位二进制

34、数代替就完成了十六二转换工作。 第59页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三例6 将（576.35）16转换成二进制数。 将八进制数的每位数码依次用三位二进制数代替，即得：（576.35）16 （）2 第60页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.2.2 计算机中数的表示1正数与负数3原码、补码、反码 4定点数和浮点数2机器数和真值数第61页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 1正数与负数 在计算机中数的符号也是用数码来表示的，一般用“0”表示正数的符号，“1”表示负数的符号，并放在数的最高位。例如： （01011）2 （11）1

35、0 （11011）2 （11）10第62页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 2机器数与真值数 通常,把在机器内存放的正负号数码化的数称为机器数。例如： 01011,11011把机器外部由正、负表示的数称为真值数例如： +1011,-1011第63页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三问题：机器数中，由“0”表示正数，“1”表示负数。机器数在计算时，若将符号位同时和数值参加运算，则会产生错误的结果；否则，要考虑计算机结果的符号问题，将增加计算机实现的难度，如-5+4的结果应为-1。但在计算机中若按照上面讲的符号同时和数值参加运算，则运算如下 -5的机器

36、数 10000101 4的机器数 + 00000100 =10001001运算结果是-9，显然是错误的。第64页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三解决办法：在机器数中，负数有三种表示法，即原码、反码和补码。第65页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 2原码、补码、反码 在计算机中一个数可以采用原码、补码或反码表示，上面讲到的正数与负数表示法即为原码表示法。 一个正数的原码、补码、反码是相同的，而负数就不同了。 第66页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三原码：数符位以0表示正1表示负，数值部分就是绝对值的二进制表示，不便于加减运算

37、反码：对于正数与原码相同；对于负数，数符位为1，其数值部分为绝对值取反补码：对于正数与原码相同；对于负数，数符位为1，其数值部分为绝对值取反最右加1，即为反码加1可方便地实现正负数的加法运算，符号位如同数值一样参加运算，也允许产生最高位的进位第67页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三原码： +1原=00000001 -1原=10000001反码： +1反=00000001 -1反=11111110补码： +1补=00000001 -1补=11111111第68页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 -5的补码 11111011 4的补码 + 00000

38、100 =11111111运算结果为11111111 ，是-1的补码形式又如，（-9）+（-5）的运算如下 -9的补码 11110111 -5的补码 +11111011 = 11110010丢失高位1，运算结果机器数为11110010，是-14的补码形式。第69页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三3定点数和浮点数 （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，一般采用定点小数表示法，即小数点固定在符号位与最高位之间。有时也采用定点整数表示法，此时将小数点固定在数的最低位的后面。定点数的运算规则比较简单，但不适宜对数值范围变化比较大的数据进行运算。第70页，共

39、127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三（2）浮点数表示法 浮点数由两部分组成，一部分用以表示数据的有效位，称为尾数；一部分用于表示该数的小数点位置，称为阶码。例如：0.235104 中， 0.235为尾数，4是阶码。在浮点表示方法中，小数点的位置是浮动的，阶码可取不同的数值，如十进制实数-5134.6078可表示为- 5.134607810+3 、 - 5134.6078100 、51346.07810-1 等多种形式。 为了便于计算机中小数点的表示,规定将浮点数写成规格化的形式,即尾数的绝对值不小于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。第71页，共127页，2022年

40、，5月20日，7点32分，星期三1.2.3 计算机中的编码 计算机只能识别1和0，因此在计算机内表示的数字、字母、符号等都要以二进制数码的组合来代表，这就是二进制编码。1西文字符编码3其他信息的编码2汉字编码 第72页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 1西文字符编码 对西文字符编码最常用的是ASCII字符编码（American Standard Code For Information Interchange）即美国标准信息交换码，在计算机界，尤其是在微型计算机中得到了广泛使用。这一编码最初是由美国制订的，后来由国际标准组织（ISO）确定为国际标准字符编码。第73页，共

41、127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 ASCII码采用七位二进制位编码，共可表示2 7128个字符。 计算机中常以8位二进制，即一个字节为单位表示信息，因此将ASCII码的最高位取0。 第74页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三2 汉字编码用户用输入码输入汉字，输入码比较容易学习和记忆；系统由输入码找到相应的内码，内码是计算机内部对汉字的表示；要在显示器上显示或在打印机上打印出用户所输入的汉字，需要汉字的字形码，系统由内码找到相应的字形码第75页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三 输入码：汉字的输入编码为了直接使用西文标准键盘把汉字输

42、入到计算机,就必须为汉字设计相应的输入编码方法。当前采用的方法主要有以下3类： (1) 数字编码 (2) 拼音码 (3) 字形编码第76页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三(1) 数字编码：常用的是国标区位码,用数字串代表一个汉字输入。 区位码是将国家标准局公布的6763个两极汉字分成94个区，每个区分为94位,实际上把汉字表示成二维数组,每个汉字在数组中的下标就是区位码。区码和位码个两位十进制数字,因此输入一个汉字需按键4次。例如“中”字位于第54区48位，区位码为5448。第77页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三数字编码输入的优点是无重码，且输

43、入码与内码的转换比较方便，缺点是代码难以记忆。(2) 拼音码：拼音码是以汉语拼音为基础的输入方法。凡掌握汉语拼音的人，不需训练和记忆，即可使用。但汉字同音字太多，输入重码率很高，因此按拼音输入后还必须进行同音字选择，影响了输入速度。 第78页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三(3) 字形编码：字形编码是用汉字的形状来进行的编码。汉字总数虽多，但是由笔画组成，全部汉字的组成和笔画是有限的。因此，把汉字的笔画用字母或数字进行编码，按笔画的顺序依次输入，就能表示一个汉字。例如五笔字型编码是最有影响的一种字形编码方法。第79页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期

44、三汉字机内码(1)国标码：把区位码中的区号和位号各加32就构成了国标码。这是为了与ASCII码兼容，每个字节值大于32（032为非图形字符码值）。第80页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三汉字机内码(2)一个国标码占两个字节，每个字节最高位仍为“0”；英文字符的机内码是7位ASCII码，最高位也是“0”。因为西文字符和汉字都是字符，为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，将国标码的每个字节的最高位由“0”变为“1”，变换后的国标码称为汉字机内码。第81页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三汉字字形码点阵方式矢量方式 第82页，共127页，2

45、022年，5月20日，7点32分，星期三第83页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三第84页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三注意：汉字地输入编码、汉字内码、字形码是计算机中用于输入、内部处理、输出3种不同用途的编码，不要混为一谈。第85页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三图形和图象数据编码 （1）基本概念图形一般是指通过绘图软件绘制的由直线、圆、圆弧、任意曲线等组成的画面，即图形是由计算机产生的，且以矢量形式存储；图像是由扫描仪、数字照相机、摄像机等输入的画面，即图像是由真实的场景或现实存在的图片输入计算机产生的，图像以位图形式

46、存储。3 其他信息的编码第86页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三图形和图象数据编码 （2）基本概念动画每一副画面通过一些工具软件对图像素材进行编辑制作而成；动画是用人工合成的方法对真实世界的一种模拟视频对视频信号源（如电视机、摄像机等）经过采样和数字化后保存；而视频影像则是对真实世界的记录第87页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三图形和图象数据编码 （3）一副图像可认为是由若干行和若干列的像素（Pixels）点组成的阵列，每个像素点用若干个二进制进行编码，表示图像的颜色，这就是图像的数字化。图像分辨率颜色深度即每一个像素点表示颜色的二进制位数第88

47、页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三例如：单色图像的颜色深度为1，则用一个二进制位表示纯白、纯黑两种情况；通过调整黑、白两色的程度(称颜色灰度)来有效地显示单色图像，一般灰度级别为256级(值为0255)，因此每个像素的颜色深度为8，占一个字节。彩色图像显示时，由红、绿、蓝三色通过不同的强度混合而成，当强度分为256级(值为0255)，占24位，就构成了224=16777216种颜色的“真彩色” 图像。第89页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三当要表示一个分辨率640480的“真彩色”图像，需要6404803=900KB容量。而要在计算机上连续显示分

48、辨率为12801024的“真彩色”图像高质量的电视图像，按每秒30祯计算，显示1分钟，则需要1280(列)1024(行) 3(字节) 30(禎/秒) 60秒6.6GB第90页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三音频数据的表示采样频率采样频率即每秒钟的采样次数。采样点精度即存放每一个采样点振幅值的二进制位数声道数第91页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三数据压缩在保留原数据表达的信息不变或者在稍有变动但不致于影响使用的同时尽量减少表达这些信息的数据量就是数据压缩数据压缩有利于节省存储空间，而且可有效提高数据传输效率无损压缩（熵编码）有损压缩第92页，共1

49、27页，2022年，5月20日，7点32分，星期三无损压缩（1）行程编码法(Run-length Encoding,RLE)0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 7 7 77 7 1 1 11 1 1 （8个0） （6个1） （30个7） （50个1） 0 0 00 0 8 8 8 8 （30个0） （4个8）可以编码为：8A0A6A1A30A7A50A1A30A0A4A8 第93页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三无损压缩（2）霍夫曼编码（1）根据符号出现的概率大小按由小到大的次序排序；（2）把概率最小的两个符号组成一个节点P1；（3）重复步骤（2），

50、依次得到节点P2，P3，P4，构成了如图1.17所示的一棵倒立的“树”；其中，P4为树根，称为根节点；P1、P2、P3为树枝，称为枝节点；A、B、C、D和E为树叶；（4）从根节点P4开始到对应于每个符号的树叶，左分支标上“0”，右分支标上“1”；（5）从根节点P4开始顺着树枝到每个叶子分别写出每个符号的代码第94页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三无损压缩（3）霍夫曼编码第95页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三无损压缩（4）LZW算法LZW算法是一种词典编码法，其根据是待编码的数据中总包含有重复代码即词LZW算法先编制一个基本词典，该词典由待压缩数

51、据当中出现过的每个字符构成，然后，在不断编码的待压缩数据的过程中不断扩充，词典中的每个词都有一个编号即码数据经过LZW算法压缩的结果是一系列的码第96页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三无损压缩（4）LZW算法假设待压缩数据为：ABBABABAC第97页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三有损压缩（1）对声音、图像等多媒体信息来说，忽略一些微小的细节信息不会严重影响视听质量。因此，可以通过有意丢弃一些对视听效果相对不太重要的细节数据来压缩数据，这类压缩方法就称为有损压缩。经有损压缩的数据，进行数据重构，重构后的数据与原始数据有所不同，但不影响人对原始数

52、据表达的信息的理解JPEG：Joint Photographic Experts GroupMPEG：Moving Picture Experts Group第98页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三有损压缩（2）JPEG：由国际标准化组织（ISO）和国际电工技术委员会（International Electrotechnical Commission）联合组成的一个专家组，负责制订静态的数字图像数据压缩标准以离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）为基础的有损压缩算法，采用以预测技术为基础的无损压缩算法以离散小波变换（Discrete

53、Wavelet Transform，DWT）为基础的有损压缩算法（JPEG2000）第99页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三有损压缩（3）MPEG：1988年由ISO和IEC成立的联合专家组，负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准标准包括：MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统三个部分的多个标准方法：先利用动态预测及差分编码方式去除相邻两张图像的相关性，然后用一般量化或向量量化的方式舍去一些画质而提高压缩比，最后再经过一个可变长度的不失真型压缩算法如霍夫曼编码而得到最少位数的结果可以得到50:1到100:1的压缩比第100页，共127页，2022

54、年，5月20日，7点32分，星期三误码与对策两种策略：检测传输错误，发现误码则重新传输或者发出错误警告，如奇偶校验检测并纠正误码，如海明（纠错）码第101页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三奇偶校验以单字节编码为例，可以在8位编码的最左端增加1位，校验位（Parity Bit）奇校验（Ood Parity）校验位总保持使整个9位序列里有奇数个1偶校验（Even Parity）校验位总使得编码序列含有偶数个1第102页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三纠错码(Error-correcting Codes)(1)海明(纠错)码 (Hamming code

55、,1950)假如一个4位的编码是（a b c d），若增加3位校验位（e f g），使其成为7位码（a b c d e f），使得：a + b + c + e = 0 （1）a + b + d + f = 0 （2）a + c + d + g = 0 （3）第103页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三纠错码(Error-correcting Codes)(2)海明(纠错)码显然，对这7位码，任意1位出错（单错），那么方程组必然有一个或几个不满足，并且各位出单错时，不满足的方程各不相同第104页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三1.3 计算机的应用1.

56、3.1 科学计算1.3.2 信息处理1.3.4 计算机辅助系统1.3.3 自动控制1.3.5 其他 第105页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三科学计算理论研究和工程技术中数学问题的计算是庞大的数值计算。化学、物理、天文等领域的定理推导和问题求解；在地球物理勘探、气象预报中大量图形图像数据的分析；卫星、宇宙飞船运行轨道的计算。1.3.1 科学计算第106页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三科学计算上述如果采用手工，耗费的时间已经比人类寿命高出几个数量级。如圆周率的计算，19世纪一位外国数学家把圆周率的值计算到小数点后面707位，共花了15年的时间19

57、84年一位日本人用计算机将 计算到1000万位，只用了24个小时第107页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三信息处理信息处理指信息的收集、识别、提取、加工、变换、存储、传递、检索、检测和分析。信息可以是数值的，也可以是文字的，还可以是图片或声音的。1.3.2 信息处理第108页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三自动控制自动控制也称为实时控制或过程控制，指通过自动检测装置采集工艺过程和设备状态的数据，经计算机分析处理，迅速对控制对象进行控制。1.3.3 自动控制第109页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三计算机辅助系统是指能够部分或全部代替人完成各项工作(如设计、制造及教学等)的计算机应用系统。计算机辅助设计CAD计算机辅助制造CAM计算机辅助教学CAI计算机辅助测试CAT等1.3.4 计算机辅助系统第110页，共127页，2022年，5月20日，7点32分，星期三计算机通信与网络计算机通信是将一台计算机产生的数字信息通过通信信道传送给其他计算机。计算机网络是指将分布