大学计算机-基于计算思维PPT完整全套教学课件

第一章计算机思维与计算机大学计算机 基于计算思维【ch01】计算机思维与计算机.pptx【ch02】计算机中的信息表示.pptx【ch03】微型计算机的系统组成.pptx【ch04】计算机中的问题求解.pptx【ch05】计算机中的数据结构.pptx【ch06】计算机中的数据管理.pptx【ch07】计算机网络初步.pptx【ch08】信息安全.pptx【ch09】计算机的应用领域.pptx全套可编辑PPT课件1.1计算机思维概论1.1.1科学研究的三大方法——理论，实验和计算科学的概念很难定义，在不同时期有着不同的解释。以下是对“科学”这一概念的解释：韦氏字典定义：科学是从确定研究对象的性质和规律这一目的出发，通过观察、调查和实验而得到的系统知识。广义的科学概念：从广义上讲，科学是指人们对客观世界的规律性认识，并利用客观规律造福人类，完善自我。科学研究科学研究是整理、修正、创造知识以及开拓知识新用途的探索性工作。人们在科学研究过程中采取的各种手段和途径称为科学方法。从方法学的视角看，科学研究有三大基本方法理论、实验和计算。与三大科学方法相对的是三大科学思维：以数学为基础的理论思维，以物理等学科为基础的实验思维，以计算机科学为基础的计算思维。“科学”的定义实验方法是人们根据一定的科学研究目的，运用科学仪器、设备等物质手段，在人为控制或模拟研究对象的条件下，使自然过程以纯粹、典型的形式表现出来，以便进行观察、研究，从而获取科学事实的方法。理论是客观世界在人类意识中的反映和用于改造现实的知识系统，用于描述和解释物质世界发现的基本规律。理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。对于理论研究方法来说，其优点是问题的解是精确的，其缺点是实际问题是复杂的，精确解很难得到。1.1.1科学研究的三大方法——理论，实验和计算例如著名的伽利略在比萨斜塔的七层阳台上把轻重不同的两个金属球同时抛下，而两个球同时落地，证明了自由落体的速度和时间与物体的质量无关。理论实验方法在比萨斜塔上抛球是很好的实验方法的例子，但是实验方法也是有缺点的，有些实验需要花费高昂的成本例如，为鉴定核爆炸装置的威力及其性能，研究核武器的杀伤破坏因素的变化规律，研究核爆炸的和平利用而进行的核爆炸试验，它是一项规模很大，需要多学科、多部门协同配合和耗费大量人力、物力的科学试验；有些实验需要过长的时间，例如，星系的形成和演化，星系核活动和黑洞吸积的物理机制等；而有些实验具有一定的危险性，例如，美国科学家富兰克林冒着生命危险去捕捉雷电。1.1.1科学研究的三大方法——理论，实验和计算随着计算的发展，科学研究有了更多可能的方法——高速计算机使我们可以模拟那些不容易观察到的现象，可以求解用理论和实验手段无法解决的重大科学技术问题。计算方法突破了实验和理论科学方法的局限，并进一步提高了人们对自然和社会的洞察力，为科学研究与技术创新提供了新的重要手段和理论基础。计算已和理论、实验一起，被公认为科学的三大支柱。计算1.1.2什么是计算机思维美国卡内基·梅隆大学的周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年在美国计算机权威期刊CommunicationsoftheACM杂志上给出了计算思维（ComputationalThinking）的定义：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。计算思维的概念为了使计算思维更加容易理解，周教授又对它作了进一步的解释：1.1.2什么是计算机思维①计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的方法；以日常使用微波炉为例，使用者不需要深入了解微波的加热原理、电路的控制、计时器的使用等，这些复杂难懂的理论以及操作系统由专家和技术人员进行处理，他们将电器元件封装起来，将复杂的理论约简成说明书上通俗易懂的操作步骤。所有可能用到的程序都被提前存储起来，使用者的指令通过按钮转化为信号从而调用程序进行执行，自动地控制电路的通断、微波的发射，最后将信号转化为热量。通过抽象，复杂的问题被转化为可解决的问题。用户在整个过程中只需进行简单的按钮操作。②计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。例如，《命运交响曲》《蓝色多瑙河》等音乐令人陶醉。但许多人因为不会演奏乐器，无法谱出自己的乐曲。而现在随着计算思维的发展，不识音律者也可以圆谱曲之梦。计算机事先将音乐转化为符号，并将其运行程序储存起来，用户输入音符时，会在提示下输入符合声乐规律的符号，用户将符号进行组合，然后计算机将它转化为声音插放出来。声音被抽象为符号，避免了不会操作乐器的尴尬，而正常情况下，每个人都可以操作按键，在用户输入后，计算机自动提示并执行。这一过程中，声乐（数据）被转化为符号，符号又被转化为声乐（数据），这一技术把演奏乐器与识别音律这一难题转化为用户可以解决的问题，计算思维让每个人都可以成为音乐家。计算思维可以改变世界，或者说，它正在改变世界。为了使计算思维更加容易理解，周教授又对它作了进一步的解释：1.1.2什么是计算机思维③计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞大复杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法。④计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。⑤计算思维是按照预防、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。⑦计算思维是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。⑥计算思维是利用启发式推理寻求解答，也就是在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。1.1.2什么是计算机思维计算思维的本质（Essence）是抽象（Abstraetion）和自动化（Automation）。它反映了计算思维的根本问题，即什么能被有效地自动执行。任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可转换为（也就是抽象）符号变换，使它可以用计算机进行处理。当动态演化系统抽象为用符号表示后，可对其建立模型、设计算法、开发软件并实施使之自动执行，这就是计算思维中的自动化。计算思维建立在计算过程的能力和限制之上。计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。计算思维的本质1.1.2什么是计算机思维1计算思维是概念化的，而不是程序化的。26534计算思维面向所有的人、所有的地方。计算思维是思想，不是产品。计算思维是数学和工程思维的互补与融合。计算思维不是计算机的思维方式，而是人类解决问题的一种思维方式。计算思维是每个人需掌握的基本技能，而不是刻板的重复性工作。计算思维的特性1.1.3计算机思维对各学科的影响计算思维正在改变统计学，通过机器学习、贝叶斯方法的自动化以及图形化模型的使用，可以从大量的数据中，如多样化的天文学图谱、信用卡购买以及食品超市的发票等，进行模式识别和异常检测。就数据尺度和维数而言，统计学习用于各类问题的规模仅在几年前还是不可想象的。11计算机思维的影响计算机科学对于生物学的贡献，不仅在于从海量时序数据中搜寻模式规律的本领，更重要的是利用计算机专业中的数据结构和算法来表示蛋白质的结构以阐释其功能。计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。2计算博弈理论正改变着经济学家的思考方式，纳米计算改变着化学家的思考方式。量子计算改变着物理学家的思考方式。计算思维跨越了自然和人文的学科分界，影响了几乎所有学科的学术研究。31.1.3计算机思维对各学科的影响计算机系统仿真是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。很多实验在现实中不具备进行实验的条件，或很难多次重复实验，例如，天气预报的模型，卫星运行轨迹等，都依赖于计算机仿真。例如，波音777飞机没有经过实际的风洞测试，而完全是采用计算机模拟测试的。41计算机思维的影响1.1.3计算机思维对各学科的影响5许多科学和工程学原理是基于大量自然界中关于物理过程的计算模拟和数学模型产生的。地球科学试图模拟出一个地球，从它的内核到表层到太阳系。在人文艺术领域，通过数据挖掘和数据联邦等计算方法生成的电子图书馆、文物收藏等，为探究和理解人类行为的新趋势、新模式和新关联创造了机会。在未来，更深层次的计算思维一通过对更智慧更复杂的抽象方式的选择，也许可以让科学家和工程师模拟和分析比他们现在可以处理的系统大出无数个数量级的系统。而通过类似分层分解的抽象层次的使用，我们希望可以达到以下目标：模拟出基于多重时间维度和三维空间分辨率的系统；模拟多种复杂系统之间的相互影响，来识别在临界点和突发行为时的状况；在一段时间内，对这些模型进行超前式和后退式的试验；并且将这些模型与标准统计模型进行验证。6计算思维也开始影响到超越科学和工程学的学科和专业。例如，医药算法、计算考古学、计算经济学、计算金融、计算与新闻学、计算法、计算社会科学以及数字人文科学。1计算机思维的影响1.1.3计算机思维对各学科的影响计算机对人类的影响力之大己经无人质疑，己经成为一种生活形态，也是一种计算机文化形态，大部分读者应该已经了解计算机中信息是以二进制形式表示的。所有可以由计算机进行处理的内容都必须被表示成为二进制，这是计算机所有功能的基础。二进制目前已经不仅仅局限于计算机，它也改变了通信、电视等传统的处理方法，二进制集中体现了计算思维的抽象本质，本书的第2章将介绍字符、文字、图像、声音等如何用二进制表示，同时也领略计算思维抽象的神奇和无比强大。2本教材中的计算思维计算思维中信息如何抽象：1.1.3计算机思维对各学科的影响计算机广泛地应用于科学、工程技术和社会科学等方面的计算，这是计算机应用的一个基本方面，也是读者比较熟悉的。例如，人造卫星轨迹计算，导弹发射的各项参数的计算，房屋抗震强度的计算等，在这些计算中，通常包含几百个线性方程组，几十阶微分方程组及函数的积分等大量复杂运算，如果利用人工来进行这些计算，通常需要几年甚至几百年，而结果也不一定能满足及时性、精确性等要求。计算机的迅速发展使这种庞大复杂的计算成为可能，利用计算机行计算带来了巨大的经济效益，在电子、土木、机械等工程领域，计算高阶项可以提高精度，进而提高质量、减少浪费并节省制造成本。计算思维中问题如何求解：2本教材中的计算思维1.1.3计算机思维对各学科的影响用计算机对大量数据及时地加以记录、整理和计算，加工成人们所要求的形式，称为数据处理。数据处理与数值计算相比较，它的主要特点是原始数据多，处理量大，时间性强。计算思维中数据如何处理：2本教材中的计算思维1.2计算机概述1.2.1计算机的特点1.运算速度快当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒几亿次以上。大量的科学计算过去人工需要几年、几十年，而现在利用计算机只需要几天或几小时甚至几分钟就可以完成。2.运算精度高在计算机中，其字长越长则表示数的范围就越大，同时运算精度也就越高。随着计算机硬件技术的不断发展，计算机的字长也在不停地增加，使得它能够满足高精度数值计算的需要。例如，对圆周率的计算，数学家们经过长期艰苦的努力只算到了小数点后500位，而使用计算机很快就能够算到小数点后200万位。科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何其他计算工具所望尘莫及的。1.2.1计算机的特点3.可靠性高计算机基于数字电路的工作原理，而在数字电路中表示“0”"1”这样的二进制数非常方便，其运行状态稳定，再加上计算机内部电路所采用的各种校验手段，使得计算机具有非常高的可靠性。4.具有逻辑判断功能，逻辑性强计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，可以对各种信息（如语言、文字、图形、图像、音乐等）进行比较和判断，以及推理和证明。1.2.1计算机的特点5.储存容量大计算机内部的存储器具有记忆特性，随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，以供用户随时调用。6.自动化程度高由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，因此人们可以将预先编好的程序组存入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。1.2.2计算机的发展现代计算机是从古老的计算工具一步步发展而来的。算盘是我国人民独特的创造，是一种采用十进制的计算工具。1642年在欧洲，法国物理学家帕斯卡（BlaisePascal，1623--1662）于1642年发明了第一台能进行加、减法运算的齿轮式加减法器。1637年在帕斯卡研究的基础上，1673年德国数学家莱布尼兹（G.N.WonLeibniz，1646=1716）改进了帕斯卡的设计，增加了乘除法器，制成了可以进行四则运算的机械式计算器。1计算机的起源1.2.2计算机的发展直到19世纪机械式计算机才开始成为商品进行使用。19世纪20年代英国数学家查尔斯·巴比奇（CharlesBabbage，1791-1871）最先提出了通用数字计算机的基本设计思想，并于1822年和1834年先后设计了差分机和分析机，试图以蒸汽机为动力来实现，但是受到当时技术和工艺的限制而失败了。1936年美国科学家霍华德·艾肯（HowardAiken，1900-1973）采用机电方法来实现巴比奇分析机的想法，并于1944年研制成功了MarkI计算机，使巴比奇的梦想变成现实，所以国际计算机界称巴比奇为“计算机之父”。1计算机的起源1.2.2计算机的发展1926年冯·诺依曼于1946年首先提出了在计算机中存储程序的思想，并确定了存储程序计算机的基本组成和基本工作方法。冯·诺依曼的这一设计思想被誉为计算机发展史上的里程碑，标志着计算机时代的真正开始。1946年2月14日世界上第一台电子计算机ENIAC在美国于1946年2月14日诞生。ENIAC的问世具有划时代的意义，它标志着人类计算工具的历史性变革，它的成功，开辟了提高计算速度的极为广阔的前景，从此，计算机登上了人类社会发展的历史舞台。1计算机的起源1.2.2计算机的发展1952年ENIAC研制的同时，冯·诺依曼也于1952年和他的同事们研制了第二台电子计算机EDVAC。这台机器的硬件系统由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5部分组成，它采用了二进制编码，把程序和数据存储在存储器中。EDVAC的发明为现代计算机在体系结构和工作原理上奠定了基础，对后来的计算机设计产生了重大影响。事实上，真正实现内存储程序式的世界第一台电子计算机是由英国剑桥大学的威尔克斯（M.V.Wilkes）等根据冯·诺依曼的设计思想设计的EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticCaculator，电子延迟存储自动计算器）。1949年5月EDSAC于1949年5月制成并投入运行，采用了二进制编码和存储器，即事先把指令存入计算机的存储器，省去了在机外编排程序的麻烦，保证了计算机能按事先存入的程序自动地进行运算，其硬件系统由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5部分组成。计算机孕育于英国，诞生于美国，遍布于全世界。1计算机的起源1.2.2计算机的发展自1946年电子计算机问世以来，计算机在制作工艺与元件、软件、应用领域等方面都取得了突飞猛进的发展。根据计算机所采用的逻辑元器件的不同，一般将计算机的发展分成4个阶段，习惯上称为4代，4代计算机的主要特点比较见表1-1。2计算机的发展1.2.2计算机的发展电子管计算机时代（1946-1957）。逻辑元件采用电子管，软件方面用机器语言或汇编语言编写程序，主要用于军事和科学计算。特点是体积大、耗能高、速度慢（一般每秒数千次至数万次）、存储容量小、价格昂贵。其代表机型有EDVAC、IBM704等。第一代计算机晶体管计算机时代（1958-1964）。逻辑元件采用晶体管，软件方面出现了一系列高级程序设计语言，并提出了操作系统的概念。计算机设计出现了系列化的思想。应用范围也从军事与科学计算方面延伸到工程设计、数据处理、事务管理及其他科学研究领域。其代表机型有IBM7090、ATLAS等。第二代计算机1.2.2计算机的发展中、小规模集成电路计算机时代（1965-1970）。逻辑元件采用中、小规模集成电路（IC），软件方面出现了操作系统及结构化、模块化程序设计方法，高级语言在这一时期有了很大的发展。软、硬件都向标准化、多样化、通用化、机种系列化的方向发展。计算机开始广泛应用在各个领域。其代表机型有IBM360等。第三代计算机大规模和超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）。逻辑元件采用大规模集成电路（LSI，LargeSealeIntegration）和超大规模集成电路（VLSI，VeryLargeScaleIntegration）。伴随性能的不断提高，计算机体积、重量、功耗、价格不断下降，而速度和可靠性不断提高，应用范围进一步扩大。操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。这些年来，多媒体、网络也在不断地发展着，今天计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。第四代计算机1.2.2计算机的发展分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其他分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。2计算技术的发展趋势（1）分子计算机1.2.2计算机的发展量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称之为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机0与1完全吻合。如果把一群原子聚在一起，它们不会像电子计算机那样进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算，例如，量子计算机处理数据时不是分步进行而是同时完成的。1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。它的存储量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。（2）量子计算机（3）光子计算机1.2.2计算机的发展纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件的尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，一个纳米等于10°米，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高效的第6代计算机——生物计算机。用蛋白质制造的计算机芯片，存储量可以达到普通计算机的10亿倍。生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。其特点是可以实现分布式联想记忆，并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。（4）纳米计算机（5）生物计算机1.2.3计算机的分类科学与工程计算计算机1按计算机的用途分类数据处理计算机工业控制计算机专门用于科学与工程领域的计算问题。主要用于数据处理，如办公事务处理、报表统计等。主要用于生产过程监测和控制。1.2.3计算机的分类专用计算机2按计算机的使用范围分类通用计算机专用计算机是指为解决某种特定问题而设计的计算机，这种计算机具有运算速度快、精度高、运行效率好、针对性强和结构简单等特点。专用计算机一般用于银行存取款、飞机的自动控制、数控机床等方面。通用计算机是指为解决各种一般问题而设计的计算机，这种计算机具有很强的综合处理能力，能够解决各种类型的问题，通用性是其主要特点。通用计算机既可用于数据处理、科学计算，又可用于工程设计和工业控制等，它是一种用途广泛、结构复杂的计算机。1.2.3计算机的分类3按计算机的规模和处理能力分类超级计算机（Supereomputer），早期叫巨型机，现在常简称为“超算”。与大型机相比，超级计算机通常由成千上万个计算结点和服务结点组成，具有强大的计算和处理数据的能力。主要特点表现为超高的计算速度和超大的存储容量，并配有多种外部和外围设备及功能丰富的软件系统。超级计算机1.2.3计算机的分类大型机（Mainframe）或称大型计算机。一般作为大型的高性能商业服务器，因其具有较大的体积（通常占地面积几十平方米）而得名。大型机通常使用专用的处理器指令集、专用的操作系统和专用的应用软件，通常具有较高的运算速度，一般为每秒数千万亿次级别，还具有较大的存储容量，具备较好的通用性，功能也比较完备，能支持大量用户同时使用计算机数据和程序，具有强大的数据处理能力，但大型机的价格相对昂贵。大型机3按计算机的规模和处理能力分类1.2.3计算机的分类小型机（Minicomputer或Minis）是相对于大型机而言的，小型机的软件、硬件系统规模比较小，但价格低、便于维护和使用。小型机的应用范围很广，既可作为医疗设备、测量仪器、工业控制中的数据采集、分析计算设备，也可作为巨型机、大型机的辅助设备，主要用于企业管理、大学和研究所的科学计算和事务管理等。小型机采用的是主机/终端模式，并且各厂商均有各自的体系结构，如处理器架构、I/O通道和操作系统软件等都是特别设计的，一般彼此之间互不兼容。与普通服务器相比，小型机还具有高RAS（Reliability、Availability、Serviceability）特性：①高可靠性，计算机可以7×24持续工作永不停机；②高可用性，重要资源都有备份，能检测到潜在异常，能转移任务到其他资源以减少停机时闾保持持续运行，且具备实时在线维护和延迟性维护等功能；③高服务性，能够实时在线诊断，精确定位发生的故障，并能做到准确无误的快速修复。小型机3按计算机的规模和处理能力分类1.2.3计算机的分类平常说的微机指的就是个人计算机（PC，PersonalComputer）。这种计算机以其设计先进（总是率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有广大的用户。自1971年Intel公司推出世界上第一台4位微型计算机MCS-4后，微型计算机开始以“摩尔第一定律”的速度发展，即平均每18个月芯片的集成度提高1倍、性能提高1倍、价格下降一半。这就是说，微机将向着运算速度更快、功能更强、更易用、价格更便宜、体积更小、重量更轻、携带更方便的方向发展。微型机3按计算机的规模和处理能力分类1.3计算机的工作原理1.3计算机的工作原理著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在总结前人研究的基础上，于1946年提出了“存储程序式计算机”方案，从而使计算机实现了自动化。存储程序的工作原理是：在计算机中设置存储器，将程序和数据存放到存储器中，计算机按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储器中的内容进行处理，直到得出结果。计算机的工作原理1.3计算机的工作原理所谓指令（Instruction）是指计算机完成某一种操作的命令。一条指令就是计算机机器语言的一个语句，它一般包括操作码和地址码两部分，如图1.1所示。计算机的工作原理操作码地址码图1.1指令的组成格式操作码（OP，OperationCode）用来表示一条指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码（AC，AddressCode）规定操作数的值或地址、操作结果的地址及下一条指令的地址等。地址码部分的地址可能不止一个，也可能没有。地址是每个存储单元对应的一个固定编号，只要给出确定的地址，就能访问相应的存储单元，对该单元进行读/写操作，从中读出指令，并将执行结果写回到存储器。1.3计算机的工作原理一条指令的执行过程一般可分为取指令（Fetch）、分析指令（Decode）、执行指令（Execute）3个阶段。一系列指令的执行过程实际上就是在不断重复上述3个阶段的过程，如图1.2所示。计算机的工作原理1.3计算机的工作原理一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合称为这台计算机的指令系统。指令系统与计算机的硬件系统密切相关，它是根据计算机使用要求设计的，一旦确定了指令系统，硬件上就必须保证指令系统的实现，因此，指令系统是设计一台计算机的基础，它决定了计算机硬件的主要性能和基本功能。指令系统中的指令条数因计算机类型的不同而不同，少则几十条，多则数百条。一台计算机的指令系统按其功能可以分成以下5类。①数据传送类指令：主要用于向寄存器、存储器传送数据。②数据处理类指令：主要完成算术运算和逻辑运算等。③程序控制类指令：主要用于控制程序的执行方向。④输入与输出类指令：主要用于实现主机与外部设备之间的信息交换。⑤CPU控制和调试指令：主要用于实现系统的控制。计算机的工作原理1.3计算机的工作原理依照存储程序的工作原理，计算机的工作方式应该有两个基本能力：一是能够存储程序和数据，二是能够自动地执行程序。于是，计算机中必须有一个存储器，用以存储程序与数据；有一个计算器，用以执行指定的操作；有一个控制部件，以便实现自动操作；还要有输入部件和输出部件，以便输入原始数据、程序和输出计算结果。计算机的工作原理1.3计算机的工作原理由此可见，计算机的硬件系统一般由5个基本功能部件组合而成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1.3所示。计算机的工作原理1.3计算机的工作原理计算机的工作原理①运算器（ArithmeticUnit）也称为算术逻辑部件（ALU，ArithmeticLogicUnit），是计算机中执行各种算术运算和逻辑运算的部件。算术运算是指加、减、乘、除及它们的复合运算。而逻辑运算是指“与”“或”“非”等逻辑比较和逻辑判断等操作。在计算机中，任何复杂运算都转化为基本的算术与逻辑运算，在运算器中完成。②控制器（ControlUnit）是计算机的神经中枢和指挥中心，是指挥整个计算机各功能部件协调一致动作的部件。它的基本功能是从内存取指令和执行指令。控制器通过地址访问存储器、逐条取出指定单元指令，分析指令，并根据指令产生的控制信号作用于其他各部件来完成指令要求的工作。上述工作周而复始，保证了计算机能自动连续地工作。通常将运算器和控制器合起来称为中央处理器（CPU，CentralProcessingUnit）。CPU是计算机硬件的核心部件，控制了计算机的运算、处理、输入和输出等工作。计算机的性能主要取决于CPU。1.3计算机的工作原理计算机的工作原理③存储器（Memory）是计算机中具有记忆功能的部件，用于存储程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。根据存储器与CPU联系的密切程度可分为主存储器和辅助存储器。④输入设备（InputDevice）是用于将程序和数据输入到计算机中的设备，其功能是将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转化为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部，如键盘、鼠标等。⑤输出设备（OutputDevice）是用来将计算机处理的结果进行表示的设备，其功能是将计算机内部的二进制形式的数据信息转换成人们所需要的或其他设备能接收和识别的信息形式，如显示器、打印机等。1.3计算机的工作原理一台计算机的指令系统按其功能可以分成以下5类。计算机中的五大部件每一个部件都有相对独立的功能，分别完成各自不同的工作。五大部件是在控制器的控制下协调统一地进行如下工作。第一步：把表示计算步骤的程序和计算中需要的原始数据，在控制器输入命令的控制下，通过输

入设备送入计算机的存储器存储。第二步：当计算开始时，在取指令作用下把程序指令逐条送入控制器，控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求向存储器和运算器发出存储、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把结果存放在存储器内。第三步：在控制器的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结计算机的工作原理1.4计算机应用技术展望1.4.1普适计算普适计算（UbiquitousComputing或PervasiveComputing），又称为普存计算、普及计算，是一个强调和环境融为一体的计算概念，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。普适计算的核心思想是小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。在普适计算的环境中，无线传感器网络将广泛普及。例如，在环保和交通等领域无线传感器将无处不在，人体传感器网络也将大大促进健康监控及人机交互等的发展。各种新型交互技术（如触觉显示、OLED等）将使交互更容易、更方便。普适计算1.4.2人工智能人工智能人工智能是运用知识来解决问题，模仿、延伸和扩展人的智能，从而实现机器智能，使计算机也具有人类听、说、读、写、思考、学习、适应环境变化、解决各种实际问题的能力，是研究用计算机模拟人的某些思维过程和智能行为的学科。人工智能的核心问题包括构建能够与人类相似甚至超卓的推理、知识、规划、学习、交流、感知、使用工具和操控机械的能力等。当前有大量的工具应用了人工智能，其中包括搜索和数学优化、逻辑推演。而基于仿生学、认知心理学，以及基于概率论和经济学的算法等也在逐步探索当中。人工智能学科研究的主要内容包括：机器翻译、智能控制、专家系统、机器人学、语言和图像理解、遗传编程、自动程序设计、航天应用、庞大的信息处理、存储与管理，以及执行生命体无法执行的或复杂或规模庞大的任务等。值得一提的是，机器翻译是人工智能的重要分支和最先应用领域。1.4.2人工智能人工智能人工智能在计算机上实现时有两种不同的方式。一种是采用传统的编程技术，使系统呈现智能的效果，而不考虑所用方法是否与人或动物机体所用的方法相同。这种方法称为工程学方法（EngineeringApproach），它已在一些领域内做出了成果，如文字识别、计算机下棋等。另一种是模拟法（ModelingApproach），它不仅要看效果，还要求实现方法也和人类或生物机体所用的方法相同或类似。1.4.3云计算云计算云计算（CloudComputing）是分布式计算的一种，是指通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。总之，云计算不是一种全新的网络技术，而是一种全新的网络应用概念，云计算的核心概念就是以互联网为中心，在网站上提供快速且安全的云计算服务与数据存储，让每一个使用互联网的人都可以使用网络上的庞大计算资源与数据中心。1.4.3云计算（1）支持异构基础资源云计算可以构建在不同的基础平台之上，即可以有效兼容各种不同种类的硬件和软件基础资源。硬件基础资源主要包括网络环境下的三大类设备，即计算（服务器）、存储（存储设备）和网络（交换机、路由器等设备）；软件基础资源则包括单机操作系统、中间件、数据库等。（2）支持资源动态扩展支持资源动态伸缩，实现基础资源的网络冗余，意味着添加、删除、修改云计算环境的任一资源结点，抑或任一资源结点异常宕机，都不会导致云环境中的各类业务的中断，也不会导致用户数据的丢失。这里的资源结点可以是计算结点、存储结点和网络结点。而资源动态流转，则意味着在云计算平台下实现资源调度机制，资源可以流转到需要的地方。云计算的可贵之处在于高灵活性、可扩展性和高性比等，与传统的网络应用模式相比，其具有如下优势与特点。1.4.3云计算（3）支持异构多业务体系在云计算平台上，可以同时运行多个不同类型的业务。异构，表示该业务不是同一的，不是已有或事先定义好的，而应该是用户可以自己创建并定义的服务。（4）支持海量信息处理云计算，在底层，需要面对各类众多的基础软/硬件资源；在上层，需要能够同时支持各类众多的异构的业务；而具体到某一业务，往往也需要面对大量的用户。由此，云计算必然需要面对海量信息交互，需要有高效、稳定的海量数据通信/存储系统作支撑。（5）按需分配，按量计费按需分配，是云计算平台支持资源动态流转的外部特征表现。云计算平台通过虚拟分拆技术，可以实现计算资源的同构化和可度量化，可以提供小到一台计算机，多到千台计算机的计算能力。按量计费起源于效用计算，在云计算平台实现按需分配后，按量计费也成为云计算平台向外提供服务时的有效收费形式。云计算的可贵之处在于高灵活性、可扩展性和高性比等，与传统的网络应用模式相比，其具有如下优势与特点。1.4.3云计算云计算云计算机的服务类型分为三类，即基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。aaS（Infrastructure-as-a-Service）：基础设施即服务。消费者通过网络可以从完善的计算机基础设施获得服务，例如硬件服务器租用。PaaS（Platform-as-a-Service）：平台即服务。PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。但是，PaaS的出现可以加快SaaS的发展，尤其是加快SaaS应用的开发速度，如软件的个性化定制开发。SaaS（Software-as-a-Service）：软件即服务。它是一种通过网络提供软件的模式，用户无须购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动。1.4.4物联网物联网物联网（IOT，IntemetofThings）是指通过信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。首先，它是各种感知技术的广泛应用。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。再次，物联网不仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。根据其实质用途可以归结为三种基本应用模式：1.4.4物联网①对象的智能标签。通过二维码、RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如在生活中使用的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外，通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。②环境监控和对象跟踪。利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，可以实现对某个对象的实时状态的获取和特定对象行为的监控。例如，使用分布在市区的各个噪声探头监测噪声污染，通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度；通过GPS标签跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流程等。③对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络，利用获取的数据进行决策，对对象的行为进行控制和反馈。例如，根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。1.4.5大数据1.大数据的定义大数据（BigData）是一个较为抽象的概念，正如信息学领域大多数新兴概念一样，至今尚无确切、统一的定义，不同的机构和个人给出了不同的定义。国际数据公司（IDC，InternationalDataCompany）对大数据的定义为：大数据一般涉及两种或两种以上的数据形式。大数据研究机构，全球领先的信息技术研究和咨询公司高纳德（Gartner）给出了这样的定义：大数据是海量、高增长率和多样化的信息资产，大数据需经过成本效益高的、创新的信息处理模式处理，才能具有更强的决策能力、洞察力和流程优化能力。维基百科全书的大数据定义：大数据是指无法在可容忍的时间范围内使用常用的软件工具获取、管理和处理的数据集合。亚马逊公司的大数据科学家JohnRauser

给出了一个简单的定义：大数据是任何超过了一台计算机处理能力的数据量。这同样是一个非常宽泛的定义。1.4.5大数据2.大数据的特征虽然不同的企业或个人对大数据都有着自己不同的解读，但人们都普遍认为大数据具有海量的数据规模、高速的数据流转、多样的数据类型、数据的真实性及低的价值密度五大特征，简称为大数据的5个V特征，即Volume、Velocity、Variety、Veracity和Value.Volume（海量）：数据体量巨大。这是指以秒为单位生成的数据量。Variety（多样）：数据形态多样、类别丰富。大数据的数据类型丰富，包括结构化数据、半结构化和非结构化数据，其中结构化数据占10%左右，主要是指存储在关系数据库中的数据；半结构化、非结构化数据占90%左右。Velocity（高速）：数据产生和处理的速度快。通常，数据处理和分析的速度要达到秒级响应。这是指数据生成、存储、分析和移动的速度。Veracity（真实）：数据应具有真实性。研究大数据就是从庞大的数据网络中提取出能够解释和预测现实事件的过程。Value（价值）：价值密度低，商业价值高。数据价值密度低是大数据关注的非结构化数据的重要属性。1.4.5大数据3.大数据相关技术及应用大数据需要特殊的技术，适用于大数据的技术有大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网以及可扩展的存储系统等。大数据的分析不能采用随机分析法（抽样检测）之类的捷径，须采用对全部数据进行分析的方法，其特色在于对海量数据的挖掘，所以大数据必然无法用人脑来推算、估测，也是无法用单台计算机进行处理的，而必须采用分布式的计算架构，需依托于云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化等技术。从技术层面上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分，大数据的处理、分析和挖掘必须要使用云计算技术。研究大数据要善于从已有的数据中洞悉可能发生的事物以及事物间存在的隐蔽联系。在各行各业中均存在大数据，人们需要将收集到的庞大数据进行整理、分析、归纳和总结后，方可揭示隐含在其中的规律，挖掘出其潜在的价值，从而实现信息资产的有效利用。谢谢观看第二章计算机中的信息表示大学计算机 基于计算思维2.1信息与信息技术2.1.1信息与数据在计算机领域中，数据是信息在计算机内部的表现形式。数据可以在物理介质上记录或传输，并通过外围设备被计算机接收，经过处理得到结果。有时信息本身是已经被数据化了的，所以数据本身也就具有了信息的含义。因此，在计算机领域信息处理（InformationProcessing）也称为数据处理，信息检索（InformationRetrieval）也称为数据检索。在计算机领域中，数据是信息在计算机内部的表现形式。数据可以在物理介质上记录或传输，并通过外围设备被计算机接收，经过处理得到结果。有时信息本身是已经被数据化了的，所以数据本身也就具有了信息的含义。因此，在计算机领域信息处理（InformationProcessing）也称为数据处理，信息检索（InformationRetrieval）也称为数据检索。信息一般具有以下主要特性：2.1.1信息与数据①不灭性。信息与物质、能量一样，具有不灭性，但信息的不灭性与它们有本质的区别。一条信息产生后，其载体（如书、磁盘等）可以变换，甚至可以被毁掉，但信息本身并没有被消灭。信息的不灭性是信息的一大特点。②可传递性和共享性。一条信息复制为成千上万条信息所用的费用十分低廉。尽管信息的创造可能需要很大的投入，但复制只需要载体的成本，所以可以大量地复制，广泛地传播，并可以共享。③知识性。信息能给观察者以启示，并从信息中获得知识。2.1.1信息与数据④时效性。某些信息在此时可能价值非常高，但在彼时则可能一点价值也没有。比如金融信息，在某一时刻，会非常有价值，但过了这一时刻，可能就会毫无价值。所以说，某些信息的价值是随着时空的变化而快速变化的。⑥可处理性。信息可以被分析、计算、存储，也可以转换形态。信息经过分析、计算处理后，实现信息的增值，可以更有效地服务于不同的领域。⑤依附性。信息不能独立存在，必须借助于某种符号才能表现出来，而这些符号又必须记载于某种物体之上。2.1.2信息资源信息资源是信息与资源两个概念整合衍生出的新概念。信息是事物的一种普遍属性，资源是指自然界及人类社会中一切对人类有用的事物。信息资源与其他资源相比，具有可再生性和可共享性的特点。按对信息的开发使用程度，可以把信息资源分为潜在的信息资源和现实的信息资源两大类。潜在的信息资源是指人类在利用感觉器官或各种仪器感知和接收信息后，经过一系列思维活动，存储在大脑中的知识。潜在的信息资源能够为个人所利用，进行知识信息的再生产，但无法为他人直接利用。一旦经过表述输出，形成现实的信息资源，就可以被人们广泛地利用，成为可无限再生的信息资源。信息一般现实的信息资源按照表述方式又可以分为口语信息资源、体语信息资源、实物信息资源、文献信息资源、数字信息资源等：2.1.2信息资源①口语信息资源是指人类用口头语言表达出来而未被记录下来的信息资源，主要通过谈话、授课、讨论、演讲、集会等方式进行传播使之得到利用。②体语信息资源是指人类用表情、姿态、动作等方式表达出来的未被记录下来的信息资源，它们通常依附于一定的文化背景，如舞蹈。体语信息资源同样通过面对面的人际传播方式得到传播和利用。③实物信息资源是指人类通过创造性的劳动以实物形式表达出来的信息资源，如产品样本、标本、模型、雕塑等。可以通过参观博览会、博物馆、展览馆、样品室、标本室，实地调查等方式获取相关信息。2.1.2信息资源⑤数字信息资源是指经过数字化处理的，可以通过计算机系统或通信网络等识别、传递、浏览的一种信息资源。④文献信息资源是指人类用文字、数据、图像、音频、视频等方式记录在一定载体上的信息资源。只要这些载体不损坏或消失，文献信息资源就可以跨越时空无限循环地为人类服务，如图书、期刊、会议文献、专利文献、科技报告、标准文献、学位论文、档案文献和政府出版物等。2.1.2信息资源

数字信息资源主要有数据库和网络信息资源两种形式：数据库是按一定结构存储在计算机中的相关信息的集合。按照数据库中所含信息的内容可以分为：文献书目数据库、数值型数据库、事实型数据库、全文本数据库、图像数据库、图形数据库、多媒体数据库等。网络信息资源是指以数字化形式记录的、以多种媒体形式表达的、分布式存储在Internet不同主机上的，并能够通过计算机网络进行传递的信息资源的集合。通过Internet查找和利用这些信息资源，是当今获取信息的最主要途径。2.1.3信息技术信息技术（IT，InformationTechnology）是指与信息的产生、获取、处理、传输、控制和利用等相关的技术。这些技术包括计算机技术、通信技术、微电子技术、传感技术、网络技术、新型元器件技术、光电子技术、人工智能技术、多媒体技术等。其中，计算机技术、通信技术、微电子技术是它的核心技术。随着计算机的普及，信息技术在社会各行业中得到广泛的渗透，显示出它强大的生命力，它正在从根本上不断地改变着人类社会的生产方式和生活方式。2.1.4信息化社会1993年美国首先提出了“国家信息基础设施”的计划，也称“信息高速公路”。从此拉开了全球信息化的序幕。信息化（Informatization）是指信息技术和信息产业在国民经济和社会各个领域的发展中发挥着主导的作用，并且作用日益增强，使经济运行效率、劳动生产率、企业核心竞争力和人民生活水平达到全面提高的过程。它以信息产业在国民经济中的比重、信息技术在传统产业中的应用程度和国家信息基础建设水平为主要标志。信息化已成为推进国民经济和社会发展的助力器，信息化水平则成为一个城市或地区现代化水平和综合实力的重要标志。因此，世界各国都把加快信息化建设作为国家的发展战略。信息化给人类带来了前所未有的机遇和挑战。2.1.4信息化社会信息成为重要的战略资源信息产业上升最重要的产业计算机网络成为社会的基础施信息化社会具有以下征：2.2信息在计算机中的表示2.2.1数制按照进位的原则进行计数的数制称为进位计数制，简称进制。日常生活中，除了采用十进制数，还有二十四进制（24小时为一天）、六十进制（60分钟为1小时，60秒为1分钟）、二进制（鞋、袜子等两只为一双）等。表示数值大小的数码与它在数中的位置无关的数制称为非进位计数制，如罗马数字就是典型的非进位计数制。1.数制的概念数制（NumberingSystem）即表示数值的方法，有进位计数制和非进位计数制两种。2.2.1数制①使用固定个数的数码表示数值的大小。数码的个数R称为该数制的基数（Radix），最小数码是0，最大数码是R-1。数码在一个数中所处的位置称为数位。例如，十进制数（Decimal）的基数是10，使用0~9十个数码；二进制数（Binary）的基数是2，使用0、1两个数码；八进制数（Octal）的基数是8，使用0~7八个数码；十六进制数（Hexdecimal）的基数是16，使用0~9、a~f（或A~F）十六个数码。进位计数制的基本特点如下：1.数制的概念②逢R进一。在各种进制中，有一套统一的规则。R进制的规则是逢R进1，例如，十进制数逢10进1，八进制数逢8进1，二进制数逢2进1，十六进制数逢16进1.2.2.1数制③采用位权表示法。表示数值大小的数码与它在数中的位置有关，即与它所在位置的“权”值有关。位权值的大小是以基数R为底，以数码所在位置的序号为指数的整数次幂。比如，十进制整数部分的位权值从个位开始向左依次为10°，10'，10²，…，十进制小数部分的位权值从小数点后第一位开始向右依次为10³，10²，…。例如，十进制数135.69按权展开可表示为：135.69=1×10²+3×10³+5×10°+6×10³+9×10²对于一个R进制的数A，A，…A，AA，.AηAA…它的按位权展开式的一般形式为A，×R"+A，xR°³++A，xR²+A；×R+A，×R°+AxR³+A，×R²+…+A_xR"数位、基数和位权是进位计数制中的3个要素。无论是什么进制的数，都按照基数来进位、借位，用位权值来计数。进位计数制的基本特点如下：1.数制的概念2.2.1数制2.数制的转换R进制数转换为十进制数非常简单，只要写出该进制数的按位权展开式，进行乘法和加法运算即可。例如：二进制数11010011=1x2³+1×2°+0×2³+1x2°+0×2³+0×2²+1x2³+1x2°=（211）πo十六进制数a12£.28=a×16³+1×16³+2×16'+f×16°+2×16³+8×16²=（41263.15625）ω除了用下标区别不同进制的数据，还可以在数据后加一个特定的字母来表示它所采用的进制。字母D表示数据为十进制数（也可以省略），字母B表示数据为二进制数，字母O表示数据为八进制数，字母H表示数据为十六进制数。例如，1237.17D（十进制数1237.17）、211.211（十进制数211.211，省略了字母D）、1110.0011B（二进制数1110.0011）、456O（八进制数456）、234a.b5H（十六进制数234a.b5）。（1）R进制数转换2.2.1数制2.数制的转换将十进制数转换为R进制数需对整数部分和小数部分分别进行转换。整数部分的转换采用“除基数取余法”，即用基数R多次整除被转换的十进制数的整数部分，直到商为0，每次整除后所得的余数，按倒序排列便是对应R进制数的整数部分，也就是说第一次整除基数所得的余数是该进制数的最低位，最后一次整除基数所得的余数是最高位。小数部分的转换采用“乘基数取整法”，即用基数多次乘以被转换的十进制数的小数部分，每次相乘后，所得乘积的整数部分按正序排列便是对应R进制数的小数部分，也就是说第一次乘基数所得的整数部分是该进制数的最高位（小数点后第一位），最后一次是最低位。将一个十进制数的整数部分和小数部分分别转换后再组合，一个完整的转换过程就完成了。（2）十进制数转换为R进制数2.2.1数制2.数制的转换因为8=2³、16=2°，也就是说，1个八进制数位等于3个二进制数位，1个十六进制数位等于4个二进制数位。因此，可以很容易地实现二进制数与八进制数、二进制数与十六进制数之间的转换。二进制数转换成八进制数，以小数点为分界点，左右每3位一节，不足3位以零补足。（3）二进制数与八进制数和十六进制数之间的相互转换2.2.2计算机中的信息表示计算机是以二进制方式组织、存放信息的。这是因为二进制数只有0和1两个数码，对应两种状态，用电子器件表示两种状态是很容易的（十进制数有10个数码对应10种状态，用电子技术实现起来很困难），如电灯的亮和灭、晶体管的导通和截止、电压的高和低等。如果用电子器件的这两种状态分别表示0和1，按照数位进制的规则，采用一组同类物质可以很容易地表示出一个数据。另外，二进制数的运算规则很简单，即0+0=0，0+1=1，1+1=10。这样的运算很容易实现，在电子电路中，只要用一些简单的逻辑运算元件就可以完成。再加上由于二进制数只有两个状态，所以数字的传输和处理不容易出错，使计算机工作的可靠性得以提高。因此，在计算机内部，一切信息（包括数值、字符、图形、指令等）的存放、处理和传送均采用二进制的形式。2.2.2计算机中的信息表示1.信息的存储单位信息的存储单位有位、字节和字等。在计算机内，一个二进制的位也称比特，记为bit或b。这是最小的信息单位，用O或1表示。由于1比特太小，无法用来表示出信息的含义，所以又引入了字节。字节也称拜特，记为Byte或B（注意：这里B作为信息量大小的单位，不要与数的表示中表示为二进制数的B混淆），它是信息存储中最常用的基本单位。在计算机中规定，1字节为8个二进制位（1B=8bit）。除字节外，还有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB），拍字节（PB）。它们之间的换算关系是：1KB=1024B=2³B1MB=1024KB=2³KB=2³B1GB=1024MB=2"MB=2³KB=2³B1TB=1024GB=2"GB=2²MB=2³KB=2*B1PB=1024TB=2³TB=2³GB=2³MB=2*KB=2³B2.2.2计算机中的信息表示1.信息的存储单位对于不同类型的数据其编码方式是不同的，编码的方法也很多，一般都制定了相应的国家标准或国际标准。如数值型数据的原码、反码、补码编码方案；西文字符的ASCII码；汉字编码的国标码、机内码、字型码等方案。因此，进入计算机中的各种数据，都必须先把它转换成计算机能识别的二进制编码。同样，从计算机输出的数据要进行逆向的转换。信息转换过程如图2.1所示。2.3数值信息的编码2.3.1带符号整数的编码1.原码原码最简单，它就是机器数。其符号用0表示正号，用1表示负号，通常用［X表示x的原码。注意，数字0的表示有两种原码形式：［+0］x=［+000000000000000］ε=0000000000000000［-0］ε=［-000000000000000］ε=1000000000000000原码表示的数据范围因字长而定，采用16位二进制原码表示时，其真值的表示范围为：［（2³-1），+（2³-1）］，即二进制的取值范围为：［1111111111111111，0111111111111111］。例如（假设计算机用16位二进制码表示数据）：［+1］x=［+000000000000001］==0000000000000001［-1］x［-000000000000001］ε=1000000000000001［+32767］ε=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］ε=［-111111111111111］ε=11111111111111112.3.1带符号整数的编码2.反码反码可以由原码得到。反码表示法规定：正数的反码与原码相同，负数的反码是对原码除符号位以外的所有数位取反（0变1，1变0），通常用［X］表示x的反码。例如（假设计算机用16位二进制码表示数据）：［+1］a=［+000000000000001］a=0000000000000001［-1］a=［-000000000000001］α=1111111111111110［+32767］x=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］=［-111111111111111］x=1000000000000000注意，数字0的表示有两种反码形式：［+0］&=［+000000000000000］ε=0000000000000000［-0］x=［-000000000000000］ε=1111111111111111反码表示的数据范围因字长而定。采用16位二进制原码表示时，其真值的表示范围为：［-（2³-1），+（2"-1）］，即二进制的取值范围为：［1000000000000000，0111111111111111］.同样，用反码运算也不方便。2.3.1带符号整数的编码3.补码补码也可以由原码得到。补码表示法规定：正数的补码与原码相同，负数的补码由在其反码的末位上加1得到，通常用［X表示x的补码。例如（假设计算机用16位二进制码表示数据）：［+1］ε=［+000000000000001］ε=0000000000000001［-1］s=［-000000000000001］ε=1111111111111111［+32767］w=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］n=［-111111111111111］ε=1000000000000001而对于数字0的补码表示只有一种形式：［+0］x=［-0］，=0000000000000000补码表示的数据范围因字长而定，采用16位二进制补码表示时，其真值的表示范围为：［-2"，+2³-1］，即二进制整数取补的取值范围为：［1000000000000000，0111111111111111］.2.3.2带符号实数的编码数的定点表示法是指机器数中小数点的位置固定不变。定点表示法有定点整数和定点小数两种约定。定点整数约定小数点位置在机器数的最后一位之后。定点整数是用来表示纯整数的，前面介绍原码、反码和补码时，实际上约定的是纯整数。定点小数约定小数点位置在符号位之后，定点小数是用来表示纯小数的，即所有数均小于1。例如，字长为8位时，数据+2²-1和-2²的定点表示如图2.2所示。1.定点表示法2.3.2带符号实数的编码2.浮点表示法数的浮点表示法是指机器数中小数点的位置是浮动的，浮点表示法类似科学计数法，任一数均可通过改变指数部分，使小数点位置发生变动。浮点数由两部分组成：尾数部分和阶码部分。二进制数浮点表示法的一般形式是：N=2²xM由此可见，浮点数是定点整数和定点小数的混合。假设机器字长为32位，其阶码占8位，尾数占24位，二进制数据0.00000011101011的M值为0.11101011，阶码E为-110，其浮点数表示如图2.3所示。2.4文本信息的编码2.4.1西文字符的编码西文字符包括各种运算符号、关系符号、控制符号、字母和数字等。在计算机中广泛应用的西文字符编码是ASCII码（AmerieanNationalStandardCodeforInformationInterchange，美国国家信息交换标准码）。ASCII码采用1字节进行编码，因此可以表示256种不同的字符。其中，二进制最高位为0的编码称为标准ASCII码，是国际通用的，其范围为0~127（00000000B~01111111B），共可以表示128个字符，包括52个英文大小写字母、10个数字、34种控制字符、32个字符和运算符。2.4.2汉字的编码1.定点表示法1.区位码与汉字国标码为了解决汉字的编码问题，1981年我国国家标准局公布了国标GB231280汉字编码字符集，在此标准中共收录了7445个汉字及符号。其中，汉字6763个，汉字符号682个。在该标准的汉字编码表中，汉字和汉字符号被分成了94个区和94个位，区、位的序号均为01~94。一个汉字的编码由它所在的区号和位号组成，称为区位码。区位码中规定，1~15区（其中有些区没有被使用）为汉字符号区，包括西文字母、日文假名和片假名、俄文字母、数字、制表符及一些特殊的图形符号。16~94区为汉字区。在汉字区中，按照汉字的使用频度分为两级：一级汉字3755个，依汉语拼音声母顺序排列（同音字再按笔画顺序排列），占用了16~55区；二级汉字3008个，按部首排列，占用了56~87区。2.4.2汉字的编码1.区位码与汉字国标码这样在区位码表中，每一个字符可用4位十进制数唯一表示，而没有重码。但为了与标准ASCII码兼容，将区码和位码分别加上十六进制数20H就构成了汉字国标码，如“啊”字的区位码的十六进制数表示为1001H，而“啊”字的汉字国标码则为3021H。汉字国标码和区位码的换算关系是：汉字国标码汉字区位码+2020H由于区位码与汉字属性之间没有直接的对应关系，用户难以记忆，所以区位码一般用于输入一些特殊符号。2.4.2汉字的编码2.汉字机内码1.定点表示法汉字机内码是计算机内部处理汉字信息时所用的汉字编码，也称汉字的内码。以GB231280国家标准为依据制定的汉字机内码也称为GB2312码，它和区位码及汉字国标码的换算关系是：汉字机内码=汉字区位码+AOAOH=汉字国标码+8080H与西文字符一样，汉字在排序时也是根据它的编码大小来确定的，即分在不同区里的汉字由机内码的第1字节的大小决定，在同一区中的汉字则由第2字节的大小来决定。由于汉字的内码都大于128，所以汉字无论是高位内码还是低位内码都大于ASCII码（仅对GB2312码而言）。机内码是汉字最基本的编码，汉字机内码应该是统一的，而实际上目前世界各地的汉字系统都还不相同。2.4.2汉字的编码3.汉字输入码1.定点表示法输入汉字使用的编码称为汉字输入码，也称为汉字外部码，简称外码。它的作用是用键盘上的字母和数字来描述汉字。汉字输入码不是汉字在计算机内部的表示形式，只是一种快速有效的输入汉字的手段。不管采用什么汉字输入方法，输入的外码到机器内部都要转换成机内码，才能被存储和进行各种处理。2.4.2汉字的编码计算机对汉字的输入、保存和输出过程为：在输入汉字时，操作者在键盘上输入输入码，通过输入码找到汉字国标码，再计算出汉字的机内码后保存。而当显示或打印汉字时，则首先从计算机内取出汉字的内码，然后根据内码计算出汉字的地址码，通过地址码从汉字库中取出汉字的字形码，再通过一定的软件转换，将字形输出到屏幕或打印机上，其转换过程如图2.4所示。4.汉字字形码与汉字地址码2.5女声音和图形图像信息的编码2.5女声音和图形图像信息的编码为了能对多媒体信息进行综合处理，首先就要获取各种媒体。而现实生活中媒体的物理形式是多种多样的，比如，声音的物理形式是声波，图像的物理形式是由二维或三维空间中连续变化的光和色彩组成的，它们都属于模拟信号，在幅度和时间上是连续变化的。而在计算机内部只能存储和处理数字信号，是离散的。因此，多媒体信息必须转化成数字信息。多媒体信息的数字化过程一般包括3个阶段：采样、量化和编码，如图2.5所示。2.5声音和图形图像信息的编码采样：就是按照一定的规律每隔一定时间间隔抽取模拟信号的值。量化：理论上采样得到的样本值可以是-∞~+∞之间的任意值，量化就是对样本值进行离散化处理，即事先规定一组数据，每个数据按一定规则近似地表示一组相关采样值。编码：经过量化后得到的数字信息，还必须按一定格式转换成计算机可以识别的二进制形式，才能在计算机中保存。用二进制形式表示量化值的过程称为编码。2.5.1声音媒体的数字化声音信号是典型的连续信号，不仅在时间上连续，而且在幅度上也是连续的。在时间上“连续”是指在一个指定的时间范围里声音信号的幅值有无穷多个，在幅度上“连续”是指幅度的数值有无穷多个。我们把在时间和幅度上都连续的信号称为模拟信号。声音通常用模拟波的形式来表示，有两个基本参数：振幅和频率。振幅反映了声音的音量，频率反映了声音的音调。频率在20Hz~20kHz的波称为音频波，频率小于20Hz的波称为次音波，频率大于20kHz的波称为超音波。常见声音的频率范围如下。电话音频：200~3400Hz。调频广播音频：20Hz~15kHz。调幅广播音频：50Hz~7kHz.音频信号是一种模拟信号，计算机不能直接处理，音频信号必须先数字化，才能在计算机中进行处理。2.5.1声音媒体的数字化采样的对象是通过话筒等装置转换后得到的模拟电信号。采样是每隔一定时间间隔（称为采样周期）在模拟波形上取一个电压值（称为样本值）。采样是对连续时间的离散化。采样频率越高，用采样数据表示的声音就越接近于原始波形，数字化音频的质量也就越高。常见的采样频率标准有44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz等。（1）采样：1.音频信号的数字化过程2.5.1声音媒体的数字化用来量化的数字的二进制位数n称为量化位数（上例的量化位数为3）