《计算机基础》教学全套课件

第1章计算机概述《计算机基础》本章内容1.1计算机基础发展史、特点及类型、应用领域、发展趋势1.2计算机组成、实现及工作过程[本章重点]

计算机组成、硬件系统、软件系统、工作过程1.3计算机相关新技术1.4计算思维

定义、本质、性质、应用1.1.1计算机发展史 1.1.2计算机的特点及类型 1.1.3计算机应用领域 1.1.4计算机的发展趋势

1.1计算机基础 1.1.1计算机发展史 手动式机械式机电式电子计算机1.1.1计算机发展史 1946.2ENIAC：170m230吨150KW18000个5000次$480,0001.1.1现代计算机银河-1向量机天河1号超级计算机天河2号超级计算机天河2号超级计算机中国神威“太湖之光”1.1.1计算机发展史 电子管电子管时代：1946--1957磁芯存储、无外存每秒几千次机器语言or汇编语言体积巨大、高耗能1.1.1计算机发展史 晶体管电子管晶体管时代：1958--1964内存、外存体积减小、耗电降低速度提高开始发展计算机语言(Fortran,Cobol,Algol…)1.1.1计算机发展史 晶体管电子管集成电路标准集成电路时代：1965--1970体积更小速度更高计算机语言标准化，OS开始商业产品1.1.1计算机发展史 大规模集成电路晶体管电子管集成电路大规模集成电路：1971-~体积桌面化、掌上化、微型化半导体存储器千万亿次应用普及化网络化、多媒体化运算速度快计算精度高具有超强的记忆能力具有逻辑判断功能1.1.2计算机的特点及类型 1.1.2计算机的类型专用计算机通用计算机按功能划分为某种特定目的而设计的计算机。优点:针对性强、效率高、经济等缺点:功能单一，使用范围窄。如用于数控机床、轧钢控制、银行存款等具体应用的计算机。用于解决各类问题而设计的计算机。功能齐全，适用范围广，但牺牲了效率和经济性。又可分为巨型机、大/中型机、小型机、微型机1.1.2计算机的特点及类型 巨型计算机速度最快、处理能力最强大/中型计算机稳定、安全小型计算机封闭专用(Unix服务器)开放架构X86服务器微型计算机台式机、笔记本电脑、平板电脑按性能划分：SystemZSystemPSystemX科学计算信息处理过程控制计算机辅助系统人工智能计算机网络1.1.3计算机应用领域 科学计算：也称数值计算,对科学研究和工程技术中提出的数学模型进行求解计算。数学模型：几十阶微分方程组、几百个线性联立方程组、大型矩阵等1.1.3计算机应用领域 数据处理：利用计算机技术解决企业内部、企业之间的业务管理与协同问题。企业资源规划ERP、供应链管理SCM、物流管理Logistics、人力资源管理HRM、项目管理PM、客户关系管理CRM...数据库系统和软件工程是数据处理的重要基础。1.1.3计算机应用领域 过程控制：利用计算机进行生产过程中的自动控制或实时控制。1.1.3计算机应用领域 水泥熟料烧成窑头车间计算机辅助系统：以计算机为工具，通过配备专用软件辅助人们完成特定的工作，以提高工作质量和工作效率CAD、CAM、CIMS、CAI...1.1.3计算机应用领域 人工智能：使计算机具有类似人的智能信息检索机器学习数据挖掘与知识发现自然语言理解和语音识别定理机器证明计算机视觉遗传算法及演化计算机器人......1.1.3计算机应用领域 1997.5卡斯帕罗夫与“深蓝”对弈

网络通信：集文本、数据、声音、视频与图像等多媒体信息于一体的全球性的信息资源系统，可在全世界范围内提供信息、软硬件资源的共享。基于Internet的电子商务、电子政务、网络电话、微博微信等...1.1.3计算机应用领域 巨型化：可进行大规模、复杂计算微型化：可嵌入、可携带智能化：理解自然语言，自主完成复杂功能网络化：机-机、物-物、物-人、人-人1.1.4计算机的发展趋势本章内容1.1计算机基础发展史、特点及类型、应用领域、发展趋势1.2计算机组成、实现及工作过程[本章重点]

计算机组成、硬件系统、软件系统、工作过程1.3计算机相关新技术1.4计算思维

定义、本质、性质、应用1.2.1计算机组成 1.2.2计算机系统 1.2.3微机工作过程 1.2计算机组成、实现及工作过程1.2.1计算机系统组成

冯.诺依曼结构特点：

①(程序和数据)使用二进制表示，简化电路

②

存储程序方式

③五大功能部件

电子计算机之父冯.诺依曼（JohnvonNeumann，1903~1957）主要贡献：设计第二台计算机EDVAC提出“存储程序”概念，奠定了现代计算机体系结构和工作原理1.2.1计算机组成 输入设备输出设备控制器运算器存储器数据流控制流以存储器为中心的计算机组成结构CPU(CentralProcessingUnit)1.2.1计算机组成 运算器：进行算术运算和逻辑运算的部件寄存器ALU寄存器ArithmeticandLogicUnit算术运算：

+-×÷逻辑运算：

AND，OR，NOT1.2.1计算机组成 存储器：存储程序和数据10110110存储内容20H存储地址地址寄存器地址总线数据总线地址译码器读写控制电路读写命令内存：存储正在运行的程序和数据以及中间结果、最终结果1.2.1计算机系统组成：内存储器28每个存储单元由8位二进制位组成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字节BYTE76543210位bit思考：8G优盘7.45G?1.2.1计算机组成 控制器：指挥中心，指挥各部件协调的工作。控制器程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID操作控制器存放将要被执行的指令地址，有自动加1的功能。存放当前要执行的指令代码，等待处理。识别和翻译指令，产生相应的操作控制信号。根据译码器的译码结果，产生出实现该指令的全部动作的控制信号。识别和翻译指令，产生相应的操作控制信号。识别和翻译指令，产生相应的操作控制信号。存放将要被执行的指令地址，有自动加1的功能。存放当前要执行的指令代码，等待处理。识别和翻译指令，产生相应的操作控制信号。根据译码器的译码结果，产生出实现该指令的全部动作的控制信号。存放将要被执行的指令地址，有自动加1的功能。存放当前要执行的指令代码，等待处理。识别和翻译指令，产生相应的操作控制信号。1.2.1计算机组成 输入设备输出设备

计算机硬件系统

cpu内存硬盘光驱、软驱键盘、鼠标显示器、显卡主板电源机箱

计算机硬件系统

CPU：计算机的“大脑”，最核心部件，负责控制计算机的所有动作。1速度（主频）:CPU的主频越高，CPU的运算速度就越快2字长：cpu每次可处理的二进制数的位数。3总线宽度：包括数据总线和地址总线，数据总线和

字长的概念相同；地址总线的宽度决定了cpu的寻址范围。

计算机硬件系统

CPU的制作：沙子变金子45nm：2亿个晶体管晶圆毛坯

计算机硬件系统

内存性能指标：容量，存取速度。内存：cpu可直接访问的存储器；用来存储正在运行的程序或数据，或存储计算最终结果或中间结果；采用大规模集成电路技术制成的半导体存储器，快、小、轻。内存储器随机存储器RAM动态RAM静态RAM只读存储器ROMRandomAccessMemory1可读可写2易失性ReadOnlyMemory1只读2非易失性外存储器硬盘：容量大，成本低；机械转动读取，速度慢(传统)；

计算机硬件系统性能指标：容量转速外存储器固态硬盘：用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘

计算机硬件系统外存储器

计算机硬件系统

计算机硬件系统输入设备输出设备

计算机硬件系统主板注：集成了声卡、网卡、IEEE1394卡

没有集成显卡

1.2.2硬件：组装计算机系统的组成输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、音响等外存：软盘、硬盘、光盘、U盘等

计算机系统软件外部设备系统软件硬件运算器控制器主机内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)操作系统：DOS、Windows、Unix、Linux编译程序：C、Pascal、VB等数据库管理系统：SQLServer、Oracle服务程序：诊断程序、排错程序等应用软件办公软件包、数据库管理系统1.2.2计算机系统实现：软件软件概念及分类软件相关概念计算机语言

计算机软件系统软件：程序＋文档＋数据系统软件：

用来管理、维护计算机并协调计算机各部件有效工作的软件。应用软件：

实现具体应用的软件。软件操作系统硬件应用软件用户

计算机软件系统15→A指令：计算机能够识别并执行的“操作命令”

指令＝操作码＋操作数例：1011000000001111

计算机软件系统例如：8086微处理器指令系统：92条奔3的指令系统：70条指令系统：计算机能够识别的所有指令的集合。

※不同类型的计算机所识别的指令和指令系统是不一样的。面向机器，通用性差。

程序：为解决某一问题而设计的一系列指令或语句#include<stdio.h>voidmain(){inta=3,b=4,c;c=a+b;printf("%d\n",c);}

计算机软件系统机器语言：计算机能唯一识别并可直接执行的语言，由二进制数（0或1）排列组合而成。汇编语言：用一些助记符表示指令功能的计算机语言，和机器语言基本上是一一对应的，更便于记忆。高级语言：同自然语言和数学语言比较接近的计算机程序设计语言，其表达方式更接近人们对求解过程或问题的描述方式，而且与具体的计算机指令系统无关。

计算机软件系统-计算机语言10110000000011110010110000001010MOVA,15ADDA,10A=15A=A+10

计算机软件系统MOVA,15ADDA,10汇编语言：A＝15A＝A＋10高级语言：10110000000011110010110000001010机器语言：执行效率高低可读性，通用性低高

计算机软件系统计算机语言：高级语言的执行汇编语言源程序目标程序.OBJ可执行程序.EXE高级语言源程序编译程序连接程序汇编程序汇编连接编译

程序的执行过程内存储器外存储器输入设备输出设备控制器运算器＊计算机的工作过程就是执行程序的过程

指令的执行过程开始指令指令指令指令结束指令程序的执行取出指令分析指令执行指令从内存某地址取出要执行的指令把取出的指令送指令译码器，译出对应操作。向相关部件发送控制命令，完成操作译码器操作控制器地址寄存器AR累加器暂存器通用寄存器程序计数器PC指令寄存器IR数据寄存器DRCPUALU存储器地址指令或数据内容20213031CLAADD30000006①③④地址总线数据总线②⑤000020000020000021CLACLA000000译码器操作控制器地址寄存器AR累加器暂存器通用寄存器程序计数器PC指令寄存器IR数据寄存器DRCPUALU存储器地址指令或数据内容20213031CLAADD30000006①③④地址总线数据总线②000021000022000021000000ADD30ADD30译码器操作控制器地址寄存器AR累加器暂存器通用寄存器程序计数器PC指令寄存器IR数据寄存器DRCPUALU存储器地址指令或数据内容20213031CLAADD30000006地址总线数据总线000021000022ADD30ADD30000000①③④②000030000006000006＋000006000006本章内容1.1计算机基础发展史、特点及类型、应用领域、发展趋势1.2计算机组成、实现及工作过程[本章重点]

计算机组成、硬件系统、软件系统、工作过程1.3计算机相关新技术1.4计算思维

定义、本质、性质、应用冯·诺依曼结构的局限性冯•诺依曼瓶颈：单纯地依靠提高CPU速度和扩大存储器容量无法改变CPU与存储器之间通路太窄的阻碍。指令串行执行，影响系统执行的速度How?

——非冯•诺依曼化新的体系结构多处理部件流水处理、阵列机结构，使得单指令流多于数据流并行计算技术由多个冯•诺依曼计算机组成多机系统，形成多指令流多数据流，支持并行算法结构。数据流计算机否定冯•诺依曼计算机的控制流驱动方式，设计数据流驱动工作方式的数据流计算机。新型计算机彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等新型计算机光子计算机由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。并行传输、超高运行速度、超大规模存储容量、功耗小生物计算机利用蛋白质分子的开关特性，以生物工程技术产生的蛋白质分子作为基本元件构成生物芯片而制成的计算机。利用有机化合物存储数据，存储容量大；并行处理速度快；自我修复；能耗小量子计算机以相对论量子物理作为信息处理的理论基础用光线代替电线的光子计算机生物计算机网格计算传感器网络物联网云计算移动互联网...网络新技术网格计算即分布式计算，研究如何通过网络把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分解成许多小的部分，然后把这些小部分分配给互联网中的计算机进行处理，最后把这些计算结果通过互联网综合起来得到最终结果。——利用互联网上计算机CPU的闲置处理能力来解决大型计算问题1.3.2网络新技术传感器网络由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的，并能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。

应用：战场监测；环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制1.3.2网络新技术物联网——TheInternetofthings

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。1.3.2网络新技术智能交通智能家居智能消防工业监测环境监测照明管控云计算起源：20世纪60年代，麦卡锡提出了把计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户的理念；按使用量付费的模式，来使用计算资源（包括网络、服务器、存储、应用软件、服务等）；例：在云计算环境下，要用WORD编辑文本，用户只要有显示器和键盘，就可以使用云端提供的WORD服务。1.3.2网络新技术1.3.2网络新技术1.3.2网络新技术移动互联网移动通信技术与互联网的技术、平台、商业模式和应用相结合的产物。智能手机平板电脑智能穿戴...本章内容1.1计算机基础发展史、特点及类型、应用领域、发展趋势1.2计算机组成、实现及工作过程[本章重点]

计算机组成、硬件系统、软件系统、工作过程1.3计算机相关新技术1.4计算思维

定义、本质、性质、应用何为“思维”？科学研究/发现的三种方法科学研究方法理论方法逻辑思维实验方法实证思维计算方法计算思维何为“计算思维”？科学界一般认为，科学方法分为理论、实验和计算三大类，与三大科学方法相对的是三大科学思维。逻辑思维：以推理和演绎为特征，以数学学科为代表实证思维：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计算思维——计算机、软件及计算相关学科中的科学家和工程技术人员的思维模式S=1+2+3+…+100示例计算f(x)在[a,b]上积分数学方法：牛顿-莱布尼茨公式

计算思维：黎曼积分对[a,b]进行n等分计算小矩形面积累加计算思维的定义ComputationalThinking2006年，卡内基-梅隆大学周以真教授提出；

“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。”

以计算手段来研究社会/自然现象及规律计算思维的本质计算思维的本质——抽象和自动化抽象：有选择地忽略某些细节，控制系统的复杂性；完全超越物理的时空观，符号化；抽象是在不同的层次上完成的。在哥尼斯堡城的普莱格尔河上有7座桥，问是否可能从这四块陆地中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点?计算思维的本质计算思维的本质——抽象和自动化自动化：机械地一步一步地自动执行，选择合适的计算机解释执行问题。其基础和前提是抽象。案例：计算机破案张三在家中遇害，侦查中发现A、B、C、D四人到过现场。A说：“我没有杀人”B说：“C是凶手”C说：“杀人者是D”D说：“C在冤枉好人”侦查员经过判断四人中有三人说的是真话，四人中有且只有一人是凶手。凶手到底是谁？计算思维的本质抽象：用0表示不是凶手，1表示凶手，

则对四人说话，侦查员判断如下表：四人说的话关系表达式表示A我没有杀人A=0BC是凶手C=1C杀人者是DD=1DC在冤枉好人D=0侦查员逻辑表达式表示四人中三人说的是真话（A=0)+(C=1)+(D=1)+(D=0)=3四人中有且只有一人是凶手

A+B+C+D=1自动化：采用穷举法（枚举法）在每个人的取值范围[0,1]的所有可能中进行搜索，不能遗漏也不要重复，若表示的组合条件同时满足，即为凶手。相应的伪代码：ForA=0To1ForB=0To1ForC=0To1ForD=0To1If((A=0)+(C=1)+(D=1)+(D=0)=3And(A+B+C+D=1))PrintA,B,C,D//为1的即为凶手计算思维的本质计算思维的特征计算思维是人的思想和方法，是人类求解问题的一条途径。计算思维建立在计算机的能力和限制之上，因而用计算机解决问题时既要充分考虑利用计算机的计算和存储能力，又不能超出计算机的能力范围，必须考虑机器的指令系统、资源约束和操作环境。计算思维融合了数学和工程等其他领域的思维方式。计算思维的方法通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题重新阐释成一个人们知道怎样解决的问题。计算思维是一种递归思维，是一种并行处理。采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行复杂系统设计。选择一个合适的方式去陈述问题（程序设计语言），或对一个问题的相关方面建模、使其易于处理。通过冗余、容错和纠错，从最坏情况进行系统恢复。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。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。生活中的计算思维菜谱——算法；勾芡——模块；同时做多道菜——并行根据书籍的目录快速找到所需要的章节——索引技术沿原路边往回走边寻找丢失的东西——回溯只把当天使用的书本放入书包内——预置和缓存选择去排哪个队——多服务器系统的性能模型停电时电话仍然可以用——失败的无关性和设计的冗余性本章内容1.1计算机基础发展史、特点及类型、应用领域、发展趋势1.2计算机组成、实现及工作过程[本章重点]

计算机组成、硬件系统、软件系统、工作过程1.3计算机相关新技术1.4计算思维

定义、本质、性质、应用第2章信息编码与数据表示《计算机基础》信息的编码计算机只能存储和处理二进制数表示的数据现实世界中不同类型的数据：数值、字符、汉字、图像、音频、视频…将一般形式的数据信息转换为二进制代码形式的过程称为信息的编码，反之称为解码不同类型的数据信息的编码方法不同必须进行数字化!图示

83/47……编码处理解码处理原始数据形式不同类型数据主要内容常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示西文字符编码中文信息编码数制的意义按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称“数制”数制的三要素及意义进位基数：逢N进一数码：使用那些字符表示数位权：一个数字在某个固定位置时的值基数位权数码678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-2常用数制计算机技术中常用的数制十进制数（Decimal）二进制数（Binary）八进制数（Octal）十六进制数（Hexadecimal）常用数制的基本要素和表示方法数制基数进位规则位权数码表示十进制10逢十进一10i0，1，2，3，4，5，6，7，8，9D二进制2逢二进一2i0，1B八进制8逢八进一8i0，1，2，3，4，5，6，7O十六进制16逢十六进一16i0，1，2，…，8，9，A，B，C，D，E，FH数的展开式数的按权展开：Nn-1Nn-2…N1N0.N-1…N-m—K进制数Ni表示第i位上的数码；Ki表示该数码的位权；K是基数数的按权展开式基数位权数码678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-2小数点左边：从右向左，每一位对应权值分别为100、101、102小数点右边：从左向右，每一位对应的权值分别为10-1、10-210101.01=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2小数点左边：从右向左，每一位对应的权值分别为20、21、22、23、24小数点右边：从左向右，每一位对应的权值分别为2-1、2-2十进制数的特点（D）数码：0-9进位基数：逢十进一的进位原则，进位基数是10位权：各数位的“权”是以10为底的幂123456.123＝1*105+2*104+3*103+4*102+5*101+6*100

+1*10－1+2*10－2+3*10－3二进制数的特点（B）数码：0和1进位基数：逢2进1，进位基数是2位权：各数位的“权”是以2为底的幂例如：(10110.1)2可表示为10110.1B

＝1×24＋0×23＋1×22+1×21＋0×20

＋1×2-1

=22.5二进制的位权值第N位N位的数权值第N位N位的数权值017128128256249512381010241K416201M532301G664401T例：n位二进制数表示范围是多大？十六进制数的特点（H）采用十六个不同的记数符号，即数码：0～9及A--FA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

采用逢十六进一的进位原则，进位基数是16各位数的“权”是以16为底数的幂例如：可表示为2AF.B2H

（2AF.B2）16＝2×162＋A×161＋F×160

+B×16-1＋2×16-2八进制数的特点（O）

采用八个不同的记数符号，即数码：0～7采用逢八进一的进位原则。进位基数是8各位数的“权”是以8为底数的幂例如：

（456.45）8＝4×82＋5×81＋6×80＋4×8-1＋5×8－2可表示为456.45O?4567.8O不同进制数值对照表最少几位二进制数可以表示1位十六进制数码?八进制数码呢？数制之间的转换计算机采用二进制日常生活中习惯使用十进制常用八、十六进制用来书写数据、指令→转换是必然的转换的过程完全由计算机自行完成二、八、十六十【按权展开】十二二、八、十六相互转换例：将（83）10转换成二进制数由于是整数，用除2取余法，即用整数部分不断去除2，并记下每次的余数，直到商为0为止。余数从下至上即为转换结果。（83）10=（1010011）2283124112200

2100

25122021

1

0

余数例：将十进制数0.625转换为二进制数

纯小数：乘2取整法

用小数部分连续与2相乘，并记下乘积的整数部分，直到结果小数部分为0，或精度达到要求为止。所得整数部分从上至下即为转换结果。(0.8125)10=(0.1101)2

0.8125整数

×2

1.62501×2

1.2501×2

0.500×2

1.01例:将0.335转换为二进制小数（精确到0.001）

0.335×2

0.670×2

1.34×2

0.68×2

1.36

(0.335)10=(0.0101…)2≈(0.011)22、16、8相互转换的例11011.01101B16进制:0001

1011.0110

10001B.68H8进制:011

011.011

01033.32O2、16、8相互转换的例7AF.14H011110101111.00010100B

3657.05O

11110101111.000101B

数值转换十进制数二进制数八进制数十六进制数整数：除2逆向取余小数：乘2取整按权展开相加三位幷一位一位拆三位四位幷一位一位拆四位按权展开相加按权展开相加主要内容常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示西文字符编码中文信息编码

二进制数的运算规则算术运算加0+0=01+0=0+1=11+1=10（有进位）减0-0=01-0=11-1=00-1=-11（有借位）乘0*0=0*1=1*0=01*1=1除0/1=01/1=1逻辑运算与0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1或0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1非非0为1非1为0无进位无借位二进制数算术运算举例例1：101.01

+110.011011.10例2：101.111

+11.011

1001.010

要点：小数点对齐逢二进一要考虑进位问题例3：

1101

-1011

0010

二进制数算术运算举例1011例：计算10010001÷1011

10010001101111101101111011011100110000例：计算1101×10011101×1001110100001101+1110101二进制数逻辑运算举例例如：a=1100，b=0110

进行运算：a∨b、a∧b、a110011001100

∨0110

∧0110

逻辑非为：

111001000011—要点：逻辑运算按位进行，不同位之间不存在任何联系，不象算术运算中位之间可能有进位或借位。主要内容常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示西文字符编码中文信息编码数值数据在计算机中的表示现实世界中的数值型数据：128，3.14，-67…在计算机中表示和处理数值涉及两个问题:正数与负数小数点数值在计算机中的表示形式原码、反码、补码定点数、浮点数表示法机器数与真值在计算机中，数值的正号和负号也是用二进制数码来表示的通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负，称为数符。其余位表示数值

(00001011)2＝(＋11)10在机器内存放的正、负号数码化的数称为机器数把机器外部由“+”、“-”号表示的数称为真值(10001011)2＝(－11)10机器数真值机器数的问题讨论直接使用机器数进行运算时，会遇到问题同号数值相减异号数值相加例:(+36)+(-45)00100100+)10101101

11010001结果是(-81)-----这个结果显然是错误的！机器数有三种编码方法：原码、反码和补码，以解决计算中出现的符号问题原码、反码与补码正数：原码、反码、补码相同。符号位为0，数值位为对应的二进制数。例如：＋109[＋109]原

=[＋109]反

=[＋109]补=01101101负数：原码：符号位为1，数值位为绝对值的二进制数（即机器数）例：[-109]原=11101101反码：将原码除符号位外，逐位取反。例：[-109]反=10010010补码：将反码末位加1。例：[-109]补=10010011原码、反码与补码原码、反码和补码之间的转换图示

[X]反

数值位

X真值[X]原

数值位

[X]补

数值位不变+,–←→0,1符号位不变符号位不变不变（符号位为0）取反加1（符号位为1）不变（符号位为0）取反（符号位为1）原码反码补码举例（以8位字长为例）N位2进制数的表示范围：原码？反码？补码？补码运算在微型计算机中，一般使用补码表示带符号数使用补码:能将减法一律转换为加法符号位和数值位一样参与运算运算结果也是补码的形式；然后再将补码形式的结果转换为原码，即为所求一个数补码的补码是它的原码，即[[X]补]补=[X]原简化了运算，也简化了机器的结构补码运算规则：

[X+Y]补

=[X]补+[Y]补

[X-Y]补

=[X]补+[-Y]补使用补码，使减法变加法

例：用补码运算5-3的值。5–3=5+(-3)[5]补=0101[-3]补=1101

符号位的进位自动丢掉即：

[5-3]补=0010

谁的补码是0010？117

0101＋110110010+2补码运算举例73–127=73+(-127)

=（01001001）补+（10000001）补=（11001010）补=（10110110）原=

-(25+24+22+21)10

=-54例：补码转换为原码补码的特性：补码的补码是原码，[[X]补]补=[X]原再次求补→原码正数负数例：（11001010）补

=（10110110）原

=

-(25+24+22+21)10=-54数的定点表示与浮点表示对小数点来说，重要的不是小数点本身，而是它的位置。小数点在计算机中通常有两种表示方法：约定所有数值数据的小数点隐含在某一个固定的位置上，称为定点表示法，简称定点数；小数点位置可以浮动，称为浮点表示法，简称浮点数。在计算机中存储整数一般采用定点数表示法；实数一般有定点数和浮点数这两种表示方式。由于定点数表示的实数范围太窄，因此实数通常采用浮点数表示。定点数包括定点整数和定点小数两类。定点整数小数点隐含固定在数值的最右端定点整数存储格式例：机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，十进制数+32767的定点数表示如下：只能存储纯整数数符Sf尾数S（隐含小数点）

.

定点数定点小数小数点隐含固定在数值位之前、符号位之后定点小数存储格式只能存储纯小数例如0110B---+0.11B定点小数表示法的表示范围小，主要用在早期的计算机中数符Sf.（隐含小数点）尾数S数的定点表示与浮点表示浮点表示：表示带小数点的实型数任何实数可以表示为：N=±S×2P

其中，S是N的有效数字部分，称为N的尾数，尾数为纯小数（原码）；P是指数，称为N的阶码，阶码为整数（补码）。

数的小数点的实际位置由P确定，所以称为浮点表示法，表示的数称为浮点数例如，数1101.101B可表示为

N=1101.101B=+0.1101101B×2+4浮点表示法浮点数在计算机中的存储格式为在计算机中一般用4B存储一个单精度实型数，其中1B存储阶码，3B存储尾数例：浮点数N=1101.101=+0.1101101×2+4的存储格式31302928272625242322000000100011011010……0阶码部分（补码定点整数）数符尾数部分（原码定点小数）阶码P数符Sf尾数S数的表示范围及溢出无论是有符号数还是无符号数，当其运算结果超出了计算机所能表示的范围，就会产生不正确的结果，称之为溢出

n位二进制位表示数的范围可以通过扩大数的表示范围防止溢出有符号数（补码）无符号数n=8-128~+1270~255n=16-32768~+327670~65535n-2n-1~+2n-1-10~2n-1浮点数的表示范围单精度浮点数（4字节）表示数的范围是：-2128×(2-2-23)≤N≤2128×(2-2-23)大约是-3.4×1038~3.4×1038双精度浮点数（8字节）表示数的范围是：-1.7×10308~1.7×10308同样的字长，浮点表示法比定点表示法表示的数的范围大、精度高。浮点运算时可以不考虑溢出，但运算复杂。主要内容常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示西文字符编码中文信息编码信息编码的概念所谓信息编码，就是采用少量基本符号（数码）和一定的组合规则来区别和表示信息例：用0~9的组合表示数值用0~9的组合表示身份证号、学号用26个英文字母的不同组合表示英文单词。。。信息编码的概念例：某大学学生学号规定用7位十进制数进行编码，其格式为：前两位表示入学年份，接着的两位表示专业号，后三位表示学生在某专业中的序号。如某学生学号为：1001099，则表示该学生2010年入学，专业编号为01，在本专业中的序号为99该学校最多可以设置多少个专业？每个专业最多可以招多少个学生？学号编码1001099是一个代码，用来唯一地表示一个学生，没有值的概念学号编码规则应该成为学校的一个标准，供校内共同遵守信息编码的概念编码的主要特征：

唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义

公共性：所有相关者都认同、遵守、使用这种编码

易于记忆/便于识认性：有一定规律计算机中数值数据的各种编码带符号数的编码方法：原码、反码和补码整数和实数的编码方法：定点和浮点表示法都具有值的含义，可以在计算机中进行运算非数值数据的编码西文字符编码和中文字符编码(西文)字符编码常用西文字符：英文字母、数字字符、标点符号、控制字符等，共128个字符在计算机中，要为每个字符指定一个二进制代码，作为识别与使用这些字符的依据由于编码是一个涉及世界范围内有关信息表示、交换、处理、存储的基本问题，因此都以国家标准或国际标准的形式颁布施行字符编码有多种，应用最广泛的是ASCII码ASCIIAmericanStandardCodeForInformationInterchange——ASCII，美国标准信息交换码这一编码最初是由美国制订的，后来由国际标准化组织（ISO）确定为国际标准字符编码为了和国际标准兼容，我国根据它制定了相应的国家标准，即GB1988ASCII码的编码规则用1个字节(8位二进制数)表示1个字符的编码0余下的7位可给出128个二进制编码即00000000-01111111可以表示128个字符最高位取“0”ASCII码的编码规则在计算机内，每个字符的ASCII码用1个字节(8位)来存放，字节的最高位(d7)补0来填充，后7位(d6d5d4d3d2d1d0)为编码值→27=128个7位编码的ASCII码字符集包括了128个字符，称为标准的ASCII码字符集ASCII码表编码字符第0到31控制字符（32个）第48到570~9的10个数字符号第65到9026个英语大写字母第97到12226个英语小写字母其余标点符号、运算符号等第127控制字符（1个）高四位低四位A为（01000001）2=65ASCII码高四位低四位Computer：0100001101101111011011010111000001110101011101000110010101110010‘A’:0100000141H65‘a’:0110000161H97‘˽’:0010000020H32‘0’:0011000030H48例已知字符“X”的ASCII码为01011000求字符”s”的ASCII码01011000的10进制数为88（64+16+8）88+32-5=115转换为2进制数为01110011主要内容常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示西文字符编码中文信息编码2.3.3汉字信息的编码计算机中汉字的表示也是用二进制编码，同样是人为编码的。汉字进入计算机的问题：

（1）数量庞大

（2）字形复杂

（3）大量一音多字和一字多音因此根据应用目的不同，汉字在不同的处理阶段会有不同的编码，如在输入时有输入码、进入计算机内表示处理时有国标码、机内码，输出时有字形码。140汉字编码包括：信息交换码（国标码）区位码内码输入码和输出码输入码国标码内码字形码汉字输入汉字输出各种代码之间的关系汉字的二进制编码常用汉字约有5000个，用ASCII码不能完整表示汉字汉字及汉字字符的编码由国家定义，以GB强制性发布执行汉字的二进制编码规则用两个字节表示一个汉字字符，可定义255*255个汉字或汉字字符考虑到与ASCII码的兼容和统一、留出控制字符等因素每个字节的最高位取0预留出0到32号和127号的控制字符（共34个）确定字节的有效取值为33—126（对应的十六进制数为21H—7EH）可“独立”表示94*94=8836个汉字字符00216=65536,214=16384图示94行94列国标GB-2312-80称为信息交换码；又称为国标码共收录7445个汉字及图形符号：一般符号：202个；序列号：60个数字：22个；英文字母52个、日文假名169个希腊字母48个、俄文字母66个汉字6763个：一级汉字字符3755（以汉语拼音索引） 二级汉字字符3008（以偏旁部首索引）高八位低八位与ASCII码兼容的控制字符区信息交换码/国标码3021H区位码汉字国标码实际上是一个128128的二维字符集，编码规则是用两个字节即16个二进制位进行编码的，其中一个字节表示行号，一个字节表示列号，将行号和列号组合起来就构成了汉字国标码区位码：以有效编码范围9494的二维表为基础，用两位十进制数对行号进行编码，用另两位十进制数对列号进行编码，将行号和列号组合起来就构成了用4位十进制数编码的汉字区位码。区号就是行号，位号就是列号如：汉字“啊”在编码表中第16行、第1列，区位码就是1601。区号和位号的范围都是从1～94。区位码可以作为一种输入码

国标码：3021H区位码：1601思考：一个汉字的国标码和区位码如何转换？国标码=区位码-2020H区位码=国标码+2020H汉字内码为汉字及汉字字符编码的目的之一是在计算机中存储存储中产生混乱：“鞍”的信息交换码为0011000000110000

对应的16进制数为3030H

字符‘0’的ASCII码为30H----易造成‘鞍’与‘00’的混乱！汉字字符在计算机内部存储的二进制形式代码成为“机内码”，也称“内码”将信息交换码两个字节的最高位取“1”汉字各编码方式间的关系内码与信息交换码的关系为： 信息交换码=内码-8080H

内码=信息交换码+8080H

将信息交换码的两字节分别减去20H或32，得到区位码信息交换码和内码用16进制数表示、区位码用10进制数表示汉字编码的例汉字“啊”：信息交换码：0011000000100001；3021H区位码：1601(30H-20H=48-32=16)(21H-20H=33-32=01)内码：1011000010100001；B0A1H(3021H+8080H=B0A1H)汉字输入码汉字由于数量大，字形复杂，字音多变，无法直接使用西文标准键盘进行输入必须为汉字设计基于西文键盘的输入编码当用户从键盘上输入汉字的输入码后，再由相应的输入法应用程序完成从输入码到内码的转换过程典型的输入码有：全拼、五笔字形、微软拼音、智能ABC、搜狗拼音输入法、区位码等例：汉字“舞”的五笔字型编码为rlgh，拼音编码为wu，区位码为4672字形码（输出码）文字信息经过计算机处理后，还要输出显示或打印，以恢复文字的本来面目，这就需要对字形进行编码汉字字形码通常用点阵、矢量函数表示用点阵表示字形时，汉字字形码就是这个汉字字形点阵的代码字形码的编码方法以1616点阵字为例：把一个汉字划分为16行*16列的网格；对每一个小方格，用1位二进制来编码，若无笔画用0表示，有笔画用1表示这个字形就可以用1组二进制数表示出来，即0000001100000000……，用这组二进制数就可以在屏幕上显示或在打印机上打印该字形了，这组二进制数就称为该字的字形码，也称为字模。字形码图示字形码的编码方法保存这样一个“字”，需要16*16个“二进制位”共需要(16*16*1/8)=32字节的内存空间点阵越大，点数越多，分辨率越高，显示的文字就越清晰美观常见的点阵有：16*16、24*24、48*48、128*128等全部汉字的字形码构成汉字字库当输出显示时就会检索字库，输出字模点阵得到字形汉字编码：输入输出过程全拼：guo；五笔：lgy；区位码：2590“国”输出码机内码输入码隶书：行书：楷体：B9FA机内码唯一！汉字的输入/输出过程例：“啊大学生！”◆

键盘输入码:

adaxuesheng！◆

机器内部存储码，十六进制表示B0A120B4F3D1A7C9FA21◆

机器内部存储码，二进制表示10110000101000010010000010110100111100111101000110100111110010011111101000100001◆

输出显示（字形码）：0-1点阵格式汉字输入码，内码，字形码的信息变换过程总结常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在计算机中的表示（了解补码）西文字符编码中文信息编码第1次作业上机时间完成！第3章操作系统基础知识《计算机基础》程序的存储、运行及操作系统的基本概念一个程序的执行过程：一个程序为了长期保存，应先将其保存在外存(硬盘)中；在执行时，操作系统将程序从外存装载到内存；依据程序中内容，逐条执行指令，每条指令的执行又分为三步：取指令、分析指令、执行指令；运行结束，释放占用的CPU、内存等资源。问题？（1）将程序保存在外存的什么位置？如何区分不同的文件？（2）将程序从外存装载到内存的什么位置？如何分配内存？（3）如何获得CPU的资源？如果有多个程序要运行，CPU如何处理？（4）如何获得外设的资源？（5）如何释放资源？（6）......→操作系统要解决和处理的问题，即操作系统的基本功能主要内容什么是操作系统？操作系统的功能有哪些？程序、数据如何在计算机中存储？ ——文件管理程序、数据如何在计算机中运行处理？ ——分配内存，分配cpu，分配设备操作系统的基本概念操作系统的定义：操作系统是计算机系统中的最基本的系统软件有效地管理和分配计算机的软、硬件资源合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，使整个计算机系统能高效地运行使用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能够方便、灵活地使用计算机本质：一组规模庞大、功能复杂的程序的集合，每个程序完成特定的功能操作系统的基本概念2.操作系统在计算机系统中的地位操作系统是其他软件和硬件之间的接口，以及其他软件的共同环境按需管理和调度硬件资源，保证程序正常运行提供统一硬件访问接口，即系统调用，如：API函数安装了操作系统的计算机是一种用户及其应用系统的工作“平台”操作系统的基本概念基于OS构建各类应用环境操作系统的基本概念操作系统的三种使用方式

——命令方式、图形用户界面、系统调用操作系统的两种工作界面操作系统是用户与计算机之间的接口和界面操作系统提供的用户工作界面一般有两种：命令行界面与命令操作方式，如DOS图形界面与可视化操作方式，如Windows命令行工作界面CLI

（CommandLineInterpreter）用户在命令行中输入一系列操作命令来操作使用计算机必须学习、掌握该计算机的操作命令不同的操作系统提供的操作命令是不同的如DOS图形工作界面GUI

——GraphicalUserInterfaces通过图形界面进行交互和操作，只需点击鼠标即可实现和完成操作Windows操作系统的类型（自学，P47）单用户单任务操作系统单用户多任务操作系统多用户多任务操作系统分时操作系统实时操作系统个人计算机/网络操作系统分布式操作系统主要内容什么是操作系统？操作系统的功能有哪些？程序、数据如何在计算机中存储？ ——文件管理程序、数据如何在计算机中运行处理？ ——分配内存，分配cpu，分配设备操作系统的基本功能计算机系统资源管理

硬件资源：各种硬件设备，处理器、存储器、输入输出设备等处理器管理、存储管理、I/O设备管理（设备管理）

软件资源：存放于计算机系统中的各种数据、文档、程序

文件管理（数据、程序、文档都是通过不同扩展名的文件存放在外存储器）操作系统的基本功能程序控制用户程序的执行自始至终是在操作系统控制下进行的，也需考虑运行效率及异常处理等程序运行方式的发展：单一程序运行多道程序运行分时多任务分时多用户多任务…作业管理操作系统的基本功能人机交互接口操作系统的重要作用是为了方便用户使用计算机，其中关键在于：人机交互功能、人机交互接口功能丰富、接口方式多样：交互界面：命令行、图形界面人机接口方式：标准外设、智能化人机接口基于语音、手写体、姿势、视线跟踪、表情等输入手段的多通道交互目的：使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操作操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五大功能模块处理机管理(CPU管理)目的：合理、有效地调度处理器资源，满足用户的需要，提高计算机的使用效率，利用有限资源完成更多任务→把CPU的使用权按时间段分给多个程序，实现CPU资源共享和程序并发执行程序顺序执行图示一个程序的执行过程可分为三段：输入：I计算与处理：C输出：P多个程序执行过程：I1I2C1C2P1P2程序并发执行图示I1I2I3C1C3C2P1P2P3T2T3T4T5T1在T2、T3、T4时，都是并发的，资源共享多道处理图示（了解）CPUI/O设备程序A程序B程序B等待分时处理图示（了解）程序并发执行多程序并发执行时，CPU的资源为多个程序共享由于系统资源的限制，每个被运行起来的程序在某个时刻的行为和状态都是不确定的；程序的执行过程也是断续的；各个程序间相互竞争共享资源，相互制约。系统在给程序分配资源时，不仅仅要了解程序本身，还要了解程序在不同执行时刻的“状态”进程概念的引入程序是一个“静态”的概念在多个程序并发执行的情况下，“程序”不能解释、描述和管理程序的并发过程操作系统无法用“程序”的概念，表述和管理对处理机资源的分配调度引入了“进程”的概念进程的定义进程是现代操作系统的基本概念，是并发程序出现后必然出现的一个重要概念进程是程序在一个数据集合上被运行的过程，即执行起来的程序(“活起来”的程序；“活着”的程序)在多程序执行的环境下，进程是处理机进行资源分配、调度和程序运行的基本单位处理机管理可归结为进程管理火车vs列车程序vs进程信息包时刻、类型、起始、停靠、特殊属性等作为一个独立单位申请道路并接受调度管理；还跑着许多的车；都是走走停停、直到结束火车停在车站进程的概念进程和程序的区别程序是一个文件，是指令的集合，静止的概念；

进程是程序的执行过程，进程是动态的程序可以脱离机器长期保存，是永久的；

进程是执行着的程序，执行完毕，进程也就不存在了，即进程的生命是暂时的，有自己的生命周期程序只需要固定的存储空间；

进程需要分派到系统资源后才能创建和执行进程具有并发性，多进程分时使用资源；

多个程序可同时存放，但决不会并发程序是进程的一个组成部分；进程存在必然需要程序的存在；被执行中的程序一定属于一个或多个进程；不同的进程可以包含同一个所需的程序进程的描述方法对所分配的资源状况、管理信息、执行状态等记录——进程控制块PCB进程标识运行信息状态信息管理信息进程控制块PCB是OS进行进程控制的基础创建、执行、撤销、阻塞、唤醒进程的三种基本状态就绪状态

已经获得其他资源，一旦分到CPU即可执行运行状态

获得全部资源并正在运行等待状态

资源不足，运行受限，处于暂停状态三种状态交替出现，直到进程运行结束；三种状态的转换由操作系统的进程管理功能管理和实现进程状态转换某事件被解除后进入就绪状态进程因某事件(如I/O事件)受阻塞，转为等待状态操作系统将处理机分配给进程使用，开始运行分配的“时间片”已用完，需重新申请就绪状态运行状态等待状态进程控制与策略进程的管理与控制：按一定的策略有效管理各个进程整个生命周期的所有活动，包括创建、撤销、挂起、结束、改变运行优先级等常用策略 先来先服务 优先级服务 时间片轮换服务 分级调度服务(优先级服务结合先来先服务)操作系统的基本功能资源管理程序控制人机交互CPU管理存储管理设备管理文件管理作业管理操作系统五大功能模块存储管理存储管理是操作系统的主要功能之一，负责管理主存储器主存一般划分为两大区域：系统区，存放操作系统和其他系统程序和数据用户区，存放用户程序和数据存储管理存储管理包括四个方面的功能：内存分配与回收地址转换存储保护存储扩充存储分配按一定的策略或算法为各个并发的进程及相关数据分配内存空间，最终目标是提高内存利用率，并保证正常运行策略和算法直接分配静态分配动态分配直接分配（了解）程序员在设计编写程序时，就将运行时使用的内存物理地址写在源程序代码中早期的程序一般使用此方法对程序员要求高；使用不方便；但操作系统管理简单静态分配（了解）在程序装入内存之前，就将所需内存的全部物理地址一次性申请并一次性确定存储空间确定后，在程序的整个运行过程中保持不变整个程序一次性装入；如此时的内存空间不足，则此程序不能运行管理方法简单；但利用效率低动态分配（了解）程序不是一次性装入；只在需要时才装入需要的部分已经装入的程序的存储位置也可以变化存储空间分配实际上是：动态申请、动态确定、动态调整管理复杂；但存储器的使用效率高在现代多程序运行系统中，普遍采用此方式地址转换(重定位)地址转换的定义：将程序在外存空间中的逻辑地址转换为内存空间中的物理地址地址转换(重定位)（了解）

——物理地址vs逻辑地址内存由若干的存储单元组成；每个存储单元都有一个编号该编号称为内存地址（物理地址）物理地址从0