中南大学c语言陈老师市公开课金奖市赛课一等奖课件

计算机与程序设计语言基础任课教师：陈晓方课时：40课时试验课时：16课时考试形式：闭卷考评成绩：平时30％，期末考试70％

第1页参考教材： 唐朔飞编著，《计算机组成原理(第二版)》高等教育出版社，,1； 李丽娟等编著，《C语言程序设计(第二版)》中国铁道出版社，.8； 李丽娟等编著，《C语言程序设计试验教程(第二版)》中国铁道出版社，.8； 谭浩强著，《C程序设计（第二版）》，清华大学出版社，.3； 谭浩强著，《C语言设计题解与上机指导》，清华大学出版社，.3；第2页第一章计算机组成原理及其数值与编码电子计算机人类社会最重大科学创造之一推进社会迈向当代化最活跃原因计算机科学与技术成为二战以来发展最快、影响最为深远新兴学科之一已经在世界范围内发展成为一个极富生命力产业当前，计算机已经被广泛地应用于国防、科教、卫生、工农业生产、生活各个领域，使人类迈入了信息化时代。——什么是计算机？计算机是电子数字计算机简称，是一个自动地、高速地进行数值运算和信息处理电子设备，是一个按程序自动进行信息处理通信工具。第3页1.1计算机软硬件组成1.2计算机工作原理1.3计算机中数制及其转换1.4计算机中数字字符等编码第一章计算机组成原理及其数制与编码第4页1.1.1计算机发展简史

在当代计算机问世之前，计算机发展经历了三个阶段。机械计算机机电计算机萌芽期电子计算机1.1计算机软硬件组成第5页1．机械计算机

从17世纪到19世纪中期长达200多年时间里，一批出色科学家相继进行了机械计算机研制，其中代表人物有帕斯卡（BlaisePascal）、莱布尼茨（GottfriedLeibniz）和巴贝奇（CharlesBabbage）。计算机发展简史第6页

1642年，法国数学家帕斯卡采取与钟表类似齿轮传动装置，制成了最早十进制加法机。

德国著名数学家莱布尼兹于1673年创造了乘法机，这是第一台能够运行完整四则运算计算机。计算机发展简史1642BlaisePascal加法器莱布尼兹和他乘法机第7页

英国数学家巴贝奇在1822年创造差分机，专门用于航海和天文计算。这是最早采取存放器（齿轮式装置）来存放数据计算机，表达了早期程序设计思想萌芽。1833年，巴贝奇设计了一个程序控制通用分析机。计算机发展简史1822差分机1833分析机CharlesBabbage第8页

2．从机电计算机到萌芽期电子计算机计算机发展简史MARKI1938年，德国科学家祖思（KonradZuse）制造出一台纯机械结构Z-1计算机，这是第一台采取二进制计算机。

1944年，美国科学家艾肯（HowardAiken）在IBM企业（InternationalBusinessMachine）支持下，研制成功机电计算机MARK-Ⅰ。第9页

3．电子计算机诞生

为了处理弹道曲线计算问题，1943年在美国陆军部主持下，美国宾夕法尼亚大学莫尔电工系JohnMauchly和PresperEckert博士开始研制人类历史上第一台通用数字电子计算机。1946年2月15日，在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院举行了开幕仪式。这台机器名为“电子数字积分计算机”（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，ENIAC）计算机发展简史电子计算机时代第10页第一台电子计算机（ENIAC）5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KWENIAC是世界上第一台真正意义上通用电子数字计算机。它问世，标志着人类计算工具发生了历史性变革，人类从此进入了电子计算机新时代。第11页

4．计算机体系结构形成

1834年巴贝奇设计分析机就有了今天计算机雏形。冯·诺伊曼提出了存放程序通用电子计算机方案——电子离散变量自动计算机(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，EDVAC)方案。——计算机系列产品很多，其外形、性能指标及功效强弱差异也很大，但基本工作原理都遵照科学家冯·诺依曼早年提出“存放程序、次序执行指令”原理，即所谓冯·诺依曼原理。计算机结构基本组成是依据该原理设计，所以计算机也称为冯.诺依曼型计算机。

计算机发展简史第12页1.1.2冯·诺依曼体系结构存放程序工作原理计算机两个基本能力：一是能够存放程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存放器”（内存）来存放所要执行程序，而称之为CPU部件能够依次从存放器中取出程序中每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。JohnvonNeumann当代计算机之父冯诺依曼1949EDSAC(剑桥大学M.Wilkes教授)

第13页冯诺依曼体系结构：把需要程序和数据送至计算机中。必须含有长久记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理能力。能够依据需要控制程序走向，并能依据指令控制机器各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。

冯·诺依曼计算机输入设备运算器存放器控制器输出设备输入数据和程序记忆程序和数据完成数据加工处理控制程序执行输出处理结果第14页（外）存放器（内）存放器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地址控制流运算器1.1.3计算机硬件基本组成第15页1.输入设备和输出设备

什么是输入输出？计算机中输入输出是以计算机主机为主体而言。从外部设备将信息（包含原始数据、程序等）传送到计算机内存放器称为输入，从计算机内部向外部设备传送信息称为输出。

输入设备接收用户提交给计算机程序、数据及其它各种信息，并把它们转换成计算机能够识别二进制代码，送给内存放器。2.存放器

存放器是用于存放原始数据、程序以及计算机运算结果部件。存放器是由大量基本存放元件组成，每一个基本存放元件存放一位二进制数据“0”或“1”。1.1.3计算机硬件基本组成第16页

内存放器用来存放当前需要处理原始数据及需要运行程序，CPU可直接访问。微型计算机内存普遍采取了大容量半导体存放器，依据使用功效不一样，半导体存放器可分为随机存取存放器(RandomAccessMemory，RAM)和只读存放器(ReadOnlyMemory，ROM)两种。RAM特点是：用户既能够从中读出信息，又能够将信息写入其中；断电后RAM中所存放信息将全部丢失。ROM特点是：用户只能从中读出信息，不能将信息写入其中；断电以后，ROM中所存放信息不会丢失。

外存放器用来存放当前暂不需要处理原始数据及不需要运行程序，不能被CPU直接访问，外存放器数据只有先调入内存才能被CPU访问。常见外存主要有软盘、硬盘和光盘(CompactDiskReadOnlyMemory，CD-ROM)，它们都必须经过各自驱动器才能进行读写操作。第17页3.控制器

控制器是整个计算机控制中心，它按照从内存储器中取出指令，向其他部件发出控制信号，使计算机各部件协调一致地工作，其次它又不停地接收由各部件传来反馈信息，并分析这些信息，决定下一步操作，如此反复，直到程序运行结束。4.运算器

运算器又称算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit，ALU)。它接收由内存送到二进制数据并对其进行算术运算和逻辑运算。第18页1.1.4计算机系统组成计算机软件

普通来说，软件是计算机程序以及与程序相关各种文档总称。按软件功效来分，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件又可分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。

1.系统软件

系统软件是在硬件基础上对硬件功效扩充与完善，其功效主要是控制和管理计算机硬件资源、软件资源和数据资源，提升计算机使用效率，发挥和扩大计算机功效，为用户使用计算机系统提供方便。第19页①操作系统

操作系统(OperatingSystem，OS)是为了控制和管理计算机各种资源，以充分发挥计算机系统工作效率和方便用户使用计算机而配置一个系统软件。操作系统是直接运行在计算机上最基本系统软件，是系统软件关键，任何计算机都必须配置操作系统。

操作系统是管理和控制计算机系统软件、硬件和系统资源大型程序，是用户和计算机之间接口。操作系统主要作用是提升系统资源利用率，为用户提供方便友好用户界面和软件开发与运行环境。第20页②语言处理程序

程序设计语言是人们为了描述解题步骤(即编程序)而设计一个含有语法语义描述记号。按其发展分为机器语言、汇编语言和高级语言。

③数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS)

数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，DBMS）是指提供各种数据管理服务计算机软件系统，这种服务包含数据对象定义、数据存放与备份、数据访问与更新、数据统计与分析、数据安全保护、数据库运行管理以及数据库建立和维护等。④支撑软件

支撑软件是用于支持软件开发、调试和维护软件，可帮助程序员快速、准确、有效地进行软件研发、管理和评测第21页2.应用软件

应用软件是为满足用户不一样领域、不一样问题应用要求而开发软件。应用软件能够拓宽计算机系统应用领域，扩大硬件功效，又能够依据应用不一样领域和不一样功效划分为若干子类，比如，财务软件、办公软件、计算机辅助设计(CAD)软件等。1.1.4计算机系统组成第22页单用户操作系统多用户操作系统网络户操作系统……操作系统汇编程序解释程序编译程序语言处理程序数据库管理系统诊疗与维护程序调试程序……服务程序系统软件软件包用户程序应用软件软件第23页3计算机系统

计算机是一个系统，包含硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件是看得见、摸得着物体，是组成计算机系统各部件总称。一台计算机之所以能够处理各种问题，含有很大通用性，能够代替人们进行一定脑力劳动，是因为人们把要处理这些问题方法，分解成为计算机能够识别和执行步骤，并以计算机能够识别形式存放到了计算机中。也就是说，在计算机中存放了处理这些问题程序。计算机软件就是计算机程序及其相关文档。1.1.4计算机系统组成第24页计算机系统组成第25页1.2计算机基本工作原理

1.指令和程序

——指令是对计算机进行程序控制最小单位。

通常一条指令对应着一个基本操作。一个计算机能执行什么样指令，有多少条指令，这是由设计人员在设计计算机时决定。——全部指令集合称为计算机指令系统(InstructionSet)

。

——程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写一组指令序列。机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（详细数、存放位置）PC+1第26页1.2计算机基本工作原理2.计算机工作原理

按照冯·诺依曼存放程序思想，利用计算机解题首先要把指挥计算机怎样进行操作指令序列(即程序)和原始数据经过输入设备输送到计算机内存放器中，计算机运行时，依次从内存中取出一条条指令，控制器对指令进行分析判断，按照指令要求，发出不一样控制信号，在控制器指挥下完成要求操作，直到完成全部操作为止。所以，计算机工作原理能够概括为存放程序和程序控制。第27页1.3计算机中数制在计算机内部，数据存放和处理都是采取二进制数，主要原因是：

（1）二进制数在物理上最轻易实现。

（2）二进制数运算规则简单。

（3）二进制数两个数字符号“1”和“0”恰好与逻辑命题两个值“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中逻辑判断提供了便利条件。

但二进制数书写冗长、易错、难记，所认为书写方便，普通用十六进制数或八进制数作为二进制数简化表示。第28页1.3计算机中数制1．进位计数制

按进位标准进行计数方法称为进位计数制。在采取进位计数数字系统中，假如用r个基本符号（比如0，1，2，…，r-1）表示数值，则称其为基r数制（Radix-rNumberSystem），r成为该数制基数（Radix），而数制中每一数字位置上对应固定值称为权值（WeightValue）。对于不一样数制，它们共同特点是：

（1）每一个数制都有固定符号集。

（2）每一个数字符号在不一样位置上含有不一样值第29页任意r进制数N可表示为：

di为该数制采取基本数符，r为基数，ri是数位权值，m为整数部分位数，k为小数部分位数。例：(523.64)8=5*82+2*81+3*80+6*8-1+4*8-2(321.9)10=3*102+2*101+1*100+9*10-1第30页“位”和“基数”是进位计数值中两个要素。十进制：逢十进一二进制：逢二进一r进制：逢r进一计算机中惯用进位计数制：二进制（Binarysystem）、十进制（Decimalsystem）、八进制（Octalsystem）和十六进制（Hexadecimalsystem）。表示方法为：(95.8)10或(95.8)D,(1011.01)2或(1011.01)B第31页2．任意r进制数转换为十进制数

将r进制数按权展开后，再求和，所得结果即为这个r进制数所对应十进制数。例：(11011.11)2＝1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=(27.75)10(317.2)8＝3×82+1×81+7×80+2×8－1＝(207.25)10

(3C5.4)16＝3×162+12×161+5×160+4×16-1

＝(965.25)10第32页3．十进制数转换为任意r进制数

将十进制数转换成r进制数时，要将数整数部分和小数部分分别进行转换，分别按除r取余数和乘r取整数两种不一样方法来完成。

以十进制数转换成二进制数为例，对整数部分，用2去除，取其余数为转换后二进制整数数字，直到商为0结束，且注意先得到余数为所求结果低位；对小数部分，用2去乘，取乘积整数部分为转换后二进制小数数字，注意先得到整数为二进制小数高位。第33页例：十进制57.875转换为二进制？余数2│57……………1（低位）2│28……………02│14……………02│7……………12│3……………12│1……………1（高位）0所以(57)10＝(111001)2

第34页乘积整数部分0．875

×2[1].750…………1（高位）

×2[1].500…………1

×2[1].000…………1（低位）所以(0.875)10＝(0.111)2

所以：(57.875)10=(111001.111)2第35页练习：十进制转换成8进制(1000)10=(?)8

8│125……………58│15……………78│1……………1答案：(1750)8低位高位8│1000……………0第36页4．二进制数与八进制数、十六进制数转换

一位八进制数可用3位二进制数表示，一位十六进制数可用4位二进制数表示，所以八进制、十六进制只是二进制一个简化表示形式。第37页（1）二进制转换为八进制或十六进制

在把二进制数转换成八进制或十六进制表示形式时，应从小数点分别向左和向右按每3位或每4位进行划分，若小数点左侧(即整数部分)位数不足3或4位，则在高位补0，对小数点右侧(即小数部分)，则应在低位补0来补足3位或4位。划分后，3位或4位二进制数用1位八进制数或十六进制数来表示。例：(1100111.10101101)2=(001100111.101011010)2=(147.532)8(11001.101)2=(00011001.1010)2=(19.A)16第38页（2）八进制或十六进制转换为二进制

与上述相反，将八进制数或十六进制数转换成二进制表示形式时，则每位分别用3位或4位二进制来表示。例：(31.5)8=(011001.101)2=(11001.101)2(5DE.B8)16=(010111011110.10111000)2=(10111011110.10111)2第39页计算机中数表示

1．机器数和真值

在计算机中只能用数字化信息来表示数正、负，人们要求用0表示正号，用1表示负号。

在计算机内部，数字和符号都用二进制码表示，二者合在一起组成数机内表示形式，称为机器数，而它真正表示数值称为这个机器数真值。0101101011011001用8为二进制表示-89机器中用8位二进制数表示+90符号位，0表示正符号位，1表示负1.4计算机中数字字符等编码第40页2．定点数和浮点数

在计算机中，普通用若干个二进制位表示一个数或一条指令，把它们作为一个整体来处理、存放和传送。这种作为一个整体来处理二进制位串，称为计算机字。表示数据字称为数据字，表示指令字称为指令字。

计算机中运算数，有整数，也有小数，怎样确定小数点位置呢？通常有两种约定：一个是要求小数点位置固定不变，这时机器数称为定点数。另一个是小数点位置能够浮动，这时机器数称为浮点数。微型计算机多项选择取定点数。1.4计算机中数字字符等编码第41页（1）定点数

数定点是指数据字中小数点位置是固定不变。小数点位置能够固定在符号位之后，这时，数据字就表示一个纯小数。假如把小数点位置固定在数据字最终，这时，数据字就表示一个整数。

定点表示法所能表示数值范围很有限，为了扩大定点数表示范围，能够经过编程技术，采取多个字节来表示一个定点数，比如，采取4个字节或8个字节等。00000000000000111111111111111110符号位符号位数值部分.(小数点)数值部分.(小数点)=-2-15=+32767第42页（2）浮点数

浮点表示法就是小数点在数中位置是浮动。在以数值计算为主要任务计算机中，因为定点表示法所能表示数范围太窄，不能满足计算问题需要，所以就要采取浮点表示法。在一样字长情况下，浮点表示法能表示数范围扩大了。

计算机中浮点表示法包含两个部分：一部分是阶码，表示指数，记作E；另一部分是尾数，表示有效数字，记作M。采取浮点表示法，二进制数N能够表示为：N=M×2E，其中2为基数，E为阶码，M为尾数。第43页

由尾数部分隐含小数点位置可知，尾数总是小于1数字，它给出该浮点数有效数字。尾数部分符号位确定该浮点数正负。阶码给出总是整数，它确定小数点浮动位数，若阶符为正，则向右移动；若阶符为负，则向左移动。

在浮点数表示和运算中，当一个数阶码大于机器所能表示最大码时，产生“上溢”。上溢时机器普通不再继续运算而转入“溢出”处理。当一个数阶码小于机器所能代表最小阶码时产生“下溢”，下溢时普通看成“机器零”来处理。（2）浮点数第44页3．原码、反码和补码表示法

为运算方便，机器数有三种表示法，即原码、反码和补码。

（1）原码

原码是用机器数最高(最左)一位表示符号，其余各位给出数值绝对值，即正数最高位为0，负数最高位为1，其余各位表示数值大小。

例1：1111111111111110符号位数值部分=+32767第45页例2：X1=+52,X2=-52则[X1]原=00110100最高位0为符号位[X2]原=10110100最高位1为符号位真值数原码机器数采取原码表示时，数真值和其原码之间对应关系简单，易转换。对于真值零，有正零和负零：[+0]原=00000[-0]原=10000第46页（2）反码

反码用机器数最高一位表示符号，数值位是对负数各位取反表示方法。即正数反码为其原码形式；负数反码最高位为1，数值位为原码逐位求反而得到。例：X1=+52,X2=-52则[X1]反=00110100，与其原码形式相同[X2]反=11001011[+0]反=00000[-0]反=11111第47页（3）补码

因原码与反码对于真值零都有两种不一样编码，引出了补码表示法，当前大多数计算机中数据运算都采取补码形式。

正数补码最高符号位为0，数值位为其数值大小，即正数补码仍为其原码。所以正数原码、反码、补码是同一个编码。

负数补码最高符号位为1，数值位各位取反，最低位加上1，即[X]补=[X]反+1。

另从补码求其原码时，也可采取将其补码各位取反后，再最低位加1方法得到其原码。

在补码表示中，真值零表示是惟一，均为00000000。第48页数据二进制编码

1．十进制数二进制编码

用二进制编码来表示十进制数编码就称为二—十进制码，简称BCD(BinaryCodedDecimal)码。这种编码特点是保留了十进制权，而数字则用0和1组合来表示。

常见BCD码有8421码、余3码，格雷(Gray)码等，它是用4位二进制数表示1位十进制数字，既含有二进制形式，又含有十进制特点。而4位二进制数，有16种不一样组合状态，从中选出10种来表示十进制数0~9，有各种选择方法，在此只介绍惯用几个。1.4计算机中数字字符等编码第49页（1）十进制有权码

有权码是指表示十进制数4位二进制数中每一位都有一个确定权值。用得最普遍是8421码，4位二进制数中每一位从左到右权分别为8，4，2，1。依据这种权定义，数字0~98421码为0000、0001、0010、…、1001。一个十进制数转换成8421码非常方便，就是把每一位十进制数用对应8421码表示，如十进制数259所对应8421码为001001011001。

②BCD码与二进制数之间转换不是直接，要先转换为十进制数，然后再转换成二进制数，反之亦然。例：(1111001.01000101)BCD=(79.45)10=(1001111.0111)2第50页（2）十进制无权码

无权码指是表示一个十进制数4位二进制数每一位没有确定权值。惯用无权码有余3码和格雷码。

余3码是在8421码基础上每4位加0011而得到。自然二进制码能够直接由数/模转换器转换成模拟信号，但一些情况，比如从十进制3转换成4时二进制码每一位都要变，使数字电路产生很大尖峰电流脉冲。而格雷码在任意两个相邻数之间转换时，只有一个数位发生改变，大大地降低了由一个状态到下一个状态时逻辑混同。格雷码编码规则是使相邻两代码之间只有一位是不一样，代码变换是连续，用于计数器译码，在产生各种控制信号时尤其有用。另外因为最大数与最小数之间也仅一个数不一样，故通常又叫格雷反射码或循环码。第51页二进制码->格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位值，最左边一位不变。格雷码-〉二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后值异或，作为该位解码后值（最左边一位依然不变）。进制数自然二进制数格雷码000000000100010001200100011300110010401000110501010111601100101701110100810001100910011101101010111111101111101211001010131101101114111010011511111000第52页2．字符二进制编码

字符是计算机中另一个主要数据形式，它们也必须按特定规则用二进制编码表示。编码能够有各种方式，当前在微机中最普遍采取是ASCII码，即美国家标准准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。

ASCII码是7位二进制码，可表示27=128种字符，其中包含0~9十个数字、52个大小写英文字母、32个控制字符，其它为专用字符。如“A”ASCII码为1000001B(41H)，十进制数是65。ASCII码字符表第53页因为在计算机中一个字节为8个二进制位，它是信息存取最基本单位，所以惯用一个字节来表示一个ASCII码，它最高位通常为0。

ASCII码值从小到大编码次序是控制字符、数字、大写字母、小写字母；94个图形字符ASCII码为21H~7EH；小写字母比对应大写字母ASCII码值大32。

ASCII码是7位二进制码，可表示27=128种字符，其中包含0~9十个数字、52个大小写英文字母、32个控制字符，其它为专用字符。如“A”ASCII码为1000001B(41H)，十进制数是65。第54页3.汉字二进制编码

(1)国家标准码与区位码

为了适应汉字信息处理需要，1981年我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集－基本集》，简称GB2312－80。它要求了信息处理交换用6763个汉字和682个图形字符编码。其中汉字分为两级，第一级3755个，按汉语拼音字母次序排列，同音字以笔划次序为序。第二级3008个，按部首次序排列。第55页

(2)汉字内码

汉字内码是指汉字在计算机内部进行存放和加工处理时所使用代码。

当前汉字内码大多采取基于国际码两字节法，且把国际码每个字节最高位都置1。

汉字国家标准码、区位码及内码转换关系是：

国家标准码高字节＝区号(用十六进制)＋20H

国家标准码低字节＝位号(用十六进制)＋20H

内码高字节＝国家标准码高字节＋80H

内码低字节＝国家标准码低字节＋80H

汉字输入方式有很多，但汉字内码是统一。第56页（3）汉字输入

汉字输入方法很多，众多输入方法可归纳成三大类：键盘输入法、字形识别法和语音识别法。

汉字输入编码很多，可归纳为四类：数字编码、字音编码、字形编码和音形编码。如：拼音输入法、五笔字型输入法第57页（4）汉字输出

在计算机内部，只对汉字内码进行处理，不包括汉字本身字形。若要输出汉字处理结果，则必须把汉字内码还原成汉字字形。一个字符集全部字符形状描述信息集合在一起称为该字符集字形信息库，简称字库。不一样字体（如宋、仿、楷、黑等）有不一样字库。每输出一个汉字，都必须依据内码到字库中找出该汉字字形描述信息，再送去显示或打印。

描述字符（包含汉字）字形方法主要有两种：点阵字形和轮廓字形。第58页

（5）汉字编码标准集扩充

1993年国际标准化组织公布了通用多八位编码字符集（UniversalCodedCharacterSet，UCS）国际标准ISO/IEC10646-1。

我国等同采取此标准制订了新汉字编码扩展国家标准GB13000.1-1993，并提出了汉字内码扩展规范GBK-1995。汉字Windows95/98采取是GBK大字符集，该字符集中收录