计算机课件11p

第一章1.1计算机是什么1、计算机和计算是密切相关的，计算式数学的基础，也是计算机的基础。2、计算机的含义：计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并提供结果，其结果（输出）取决于所接受的信息（输入）及相应的处理算法。3、计算机科学研究现象和揭示其规律，而计算机基础则侧重研制计算机和使用计算机进行信息处理的方法和手段。1.2数据处理机模型（最典型：黑盒模型和具有程序处理能力的处理机模型）1、计算机被看做信息处理机。信息和数据是计算机的两个重要概念，一般认为信息是对数据进行处理后得到的，因此不可以认为数据是“原材料”，而信息是“制成品”，很多情况下，信息和数据不加区分1.2.1黑盒模型也叫数据处理机模型，指数据输入到计算机中后，经过计算机的处理，输出结果。该模型指出，计算机在数据处理过程中，如果输入的数据相同，（经过相同的处理/程序（算法）），那么输出结果将能够重现。1.2.2具有程序能力的数据处理剂机1、程序是处理数据的算法的具体实现。2、在这个模型中，计算机的输出结果取决于程序。在同一个程序的控制下，相同的数据能够得到的输出结果也是相同的，这就是所谓的“一致性”。反之，如果程序不同，那么相同的输入数据得到的输出结果也可能不同。3、计算机之所以如此领过，是因为它能够按照“程序”进行工作，而程序是事先编制好并存放在计算机内部的。1.3现代计算机模型（冯诺依曼模型）处理器：运算器+控制器（cpu）(核心)1.3.1计算机的五个组成部分1、现代计算机模型中的五个部分：输入、运算器、存储器、控制器、输出2、现代计算机也被认为由三个子系统组成：处理器子系统（运算器+控制器），存储器子系统，输入/输出子系统3、英国数学家巴贝奇被称为计算机之父（IPOS原理） 1.3.2程序存储原理1、含义：现代计算机模型要求程序在执行前存放到存储器中，还要求和数据采用同样的格式。（冯诺依曼最早提出）1.4计算机系统1、简单来说，计算机是由计算机硬件和软件组成的。深入就会发现，计算机只是计算机系统中的一部分而已，计算机系统还包括所处理的数据以及使用计算机的用户。（改！！）1.4.1硬件系统1、计算机硬件史1946—1958第一代计算机，电子管（1946ENIAC第一代现代计算机）1959—1963第二代计算机，晶体管1963—1975第三代计算机，集成电路1975—至今第四代计算机/微型计算机/个人计算机/pc机，大规模集成电路2、计算机的类型3、硬件的三个子系统①根据现代计算机模型的定义，计算机都是由处理器、存储器、和输入/输出三个子系统构成的。②计算机系统的主机系统可能是由多个处理器组成，xx核，核不一定是多个处理器芯片，多是指一个cpu芯片上集成了多个处理器。③存储器系统的任务：存储数据、程序和参与运行程序分类：a.内存/主存，基于电子学原理的半导体存储器，直接与处理器互联，承担运行程序的任务。b.外存：磁盘（磁性材料），光盘（光学原理），软盘等研究计算机硬件相关的互联以使计算机更有效、更高速、更可靠的学科成为计算机体系结构1.4.2计算机图软件（硬件“看得见”；软件“看不见”）1.软件系统（是计算机所有软件的总称，由系统软件和应用软件组成）①系统软件：服务与计算机本身，包括管理计算机资源和为使用计算机提供帮助的操作系统、计算机语言系统、对计算机硬件进行检测、管理的一些工具软件②应用软件：解决特定问题的软件。如办公系统等 2.软件的进化第一代计算机：二进制代码语言编写的程序，没有软件，只有编程“系统程序员”第二代计算机：计算机高级语言：FORTRAN语言，COBOL语言“应用程序员”第三代计算机：出现了操作系统，大量的程序设计高级语言和专门求解某一问题的软件，例如统计图案件SPSS“计算机用户”第四代计算机：软件的产业特征开始显露。20c70s末后，面向过程的结构化编程方法被提出，推进了程序设计技术的发展。80s面向对象程序设计技术发展起来，编程语言发展迅速。Pc机快速普及，非专业人员成为计算机的主要用户群。90s以来，以图形界面为特征的windows取代之前的字符界面的dos操作系统，成为pc机的主流操作系统，出现以图形用户接口基础为特征的新的面向对象的编程技术，使得程序设计不再从代码开始。1.4.3计算机是如何运行的计算机通电后，cpu执行启动程序（BIOS，基本输入/输出系统），BIOS的基本任务是把存放在磁盘中的操作系统调入内存执行，此后将在操作系统的管理下直接操控计算机的硬件。BIOS完成引导任务后，计算机就由操作系统管理和控制。1.5信息系统信息系统的基本功能是为需要者提供特定的信息，支持用户迅速、有效的输入、存储、处理和获取信息。信息系统的6个要素：①硬件②软件③数据/信息④人，用户⑤过程/处理⑥通信：不但反映在硬件和软件之间、用户和机器之间、也反映在不同的计算机之间1.6因特网和万维网（通俗的，两台以上的计算机互连就可以认为是一个网络）1.6.1因特网（最大的网络）构建因特网的目的：资源共享含义：“网络的网络”，是计算机应用领域的一个组成部分管理上：因特网没有“中央”，没有一个管理的核心，人人“平等”，“不受控制”有开放性，“虚拟社会”1.6.2万维网web含义：是基于超文本技术的分布式、用于浏览和检索信息的系统。Web网站就是承载很多web页面的、构成多种web资源的、为因特网用户提供访问服务的计算机，这类主机通常被叫做网络服务器。本质上，浏览器是用于解释超文本格式文档的软件，它按照格式标记的要求将web文档及窗口的形式呈现在用户的显示器上。1.7计算机文化和计算思维1、计算机文化是指能够理解计算机是什么，以及它如何被作为资源使用。2、计算思维是指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含钙计算机科学之广度的一系列思维活动。3、计算及思维的本质是抽象和自动化，“状态和过程”，抽象的最终结果是能够机械式的一步步自动执行。计算思维的本质是对问题进行抽象表示以及通过形式化表达，是的问题的求解达到精确、可行的目的。 第二章数据表示及逻辑基础2.2数制含义：又称为“计数体制”，它是指多位数中每一位的构成方式以及实现从地位到高位的进位规则，也叫做进制。2.2.1常用数制1、十进制2、二进制二进制中，位（bit，比特）是计算机处理的最小单位。二进制的0和1两个数码，被组合成各种序列以适应计算机的运算和处理的数据类型“逢二进一”3、八进制有八个数码，是0——7，1位八进制数对应于3位二进制数4、十六进制使用16个数码表示，分别是0——9，A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）、G（16）。4位二进制数和1位十六进制数直接对应2.2.2二进制数的基本运算1、加法：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=102、乘法0x0=0，0x1=0，1x0=0，1x1=12.3数制转换（看书！！！p22）1、二进制数转换为十进制数：将被转换的二进制数按幂次展开，然后相加。2、（1）十进制数转换为二进制整数任何十进制数除以2，如果能整除，那么余数为0，否则为1，按此方法连续整除，直至最后的商为0（最低位——最高位）（2）小数的转换将十进制小数连续乘2得到进位，按先后顺序排列进位就得到转换后的小数。（最高位—最低位）2.3.2数制之间的转换（看书！p23）2.4计算机中的数二进制数也有正负之分，在数的前面增加1位符号位，0表示正数，1表示负数。用0或1表示正负号的数叫做计算机的“机器数”，而它的绝对值叫做“真值”或“尾数”2.4.1原码、反码和补码（计算机使用补码进行加减法运算！）1、原码原码即机器数，简单、直观。用原码可以比较方便的进行乘法运算：尾数相乘，符号位简单相加。2、反码：也叫“对1求补”，和原码相比，符号位不动，其余相反。 3、补码：正数的补码是原码，负数的原码等于它的反码加1（最低位加1，进位不改变符号位）补码的补码是原码，补码也叫“对2求补”在加减法运算中，如果运算数为负，则使用补码：减去一个数，等于加上这个数的补码，如此带着符号位进行减法运算后，如果符号位为1，则和数为补码，需要将其还原为原码才能得到最终结果。如果计算结果的符号位为0，则结果不需要转换。2.4.2定点数和浮点数定点数用固定二进制数长度如16位或32位，并将小数点固定在某一个位置。一般分为定点纯小数和定点纯整数，但是表示范围收到限制。1、定点纯小数格式：把小数点固定在数值部分最高位的左边。（即符号位+小数点+数制部分）这种格式的数据其绝对值小于1，对大于1的数，可以使用一个“比例因子”，将原始数据按比例因子缩小，然后进行运算，对运算结果再按比例因子扩大。2、定点纯整数格式：把小数点固定在数值部分最低位的右边。即(符号位+数值部分+小数点)同理，对于数的小数部分也采取比例因子进行相应处理。3、浮点数：小数点的位置是浮动的，思想来源于科学技术法（指数）一个浮点数分阶码和尾数两部分：阶码表示小数点在该数中的位置，它是一个带符号的整数，类似于数学中数的指数部分；尾数表示数的有效数值，一般可以采用纯整数或纯整数形式。（符号位+阶码+尾数）为了提高浮点数表示的精度，规定其尾数的最高位必须是非零的有效位，成为浮点数的规格化形式。浮点数的表示范围取决于阶码，精度取决于尾数。2.5编码和文本编码的目的是为了便于标记特定的对象，为了便于记忆和查找，在设计编码时需要按照一定的规则，这些规则就叫做“码制”。2.5.1位模式1、把计算机使用0和1组成的二进制位序列及其组合规则称为“位模式”。2、位模式仅仅是一种数据表示方法，即编码。3、位模式要求计算机用户、程序设计者按某种规则形成、存储和处理数据。4、位模式的二进制位序列长度取决于被编码对象的数量。我国国家标准规定了汉字编码使用16位二进制位。世界标准ISO编码最长为32位，理论上它可以对40多亿个字符编码。2.5.2文本与文档1、文本通常用一种编码来表示。最基础的文本编码就是ASCII，它是基于英文的。而Unicode则是能表示世界上各种语言文字、符号的编码。2、文本编码是计算机进行数据交换的基础。3、在计算机中，文档是文本格式的扩展。文本使用标准编码表示各种字符，而文档中还有许多特征码，例如字体的变化、字符的大小、段落格式编排等信息。2.5.3ASCII码1、7位二进制ASCII码是标准的单字节字符编码方案，定义了基本的文本数据。8位码是扩展ASCII码，允许将第八位二进制位用于确定附加的128个特殊字符、外来语字母和图形符号。2、7位ASCII码可以组合表示128（2^7）种状态。2.5.4Unicode编码 1、是最初由Apple公司发起制定的通用多文种字符集，后来成为能表示几乎世界上所有书写语言的字符编码标准，被称为“统一码”、“单一码”“万国码”。2、目前Unicode编码最多可以支持超过百万个字符的编码，也就是说，它有100万个以上表示字符的二进制位组合。3、ISO采用Unicode32位模式，这是一个用于世界范围各种语言文字的文本形式的字符集，也收录了汉字。2.5.5汉字编码汉字编码的目的是为了计算机能够处理、显示、打印、交换汉字字符。汉字编码有两大困难：选字难和排序难2.6.多媒体数据多媒体是指包含文本在内的多种数据表现形式，并使之在逻辑上建立联系，能够以整体的形式展示。2.6.1图形和图像表示图形、图像有两种技术：位图（eg，点阵，画笔）和矢量图（eg.FlashMX）1、位图技术①位图是由微软公司提出的一种图形数据存储格式，又称光栅图，它使用像素列阵，每一个像素是一个点，点数据的大小取决于分辨率，其位模式有1、4、8、6、24、32位等②灰度图像使用1位二进制位就不够了，它的每一个像素数据需要更多地二进制位，高灰度意味着高质量。③使用色彩组合的图形、图像，需要使用多为二进制位表示一个像素。2、矢量图技术①任何图像、图形都可以分解为曲线和直线的组合，而每一段直线和曲线都可以使用数学公式表示，对应这些直线、曲线的组合被作为图形数据存储起来，当需要显示或者打印图形、图像数据时，这些画图的公式被重新执行，并根据给定的大小画出（重现）图形、图像。②与位图相比，矢量图看上去更加平滑，不会产生文波误差。2.6.2音频①音频包括了声音和音乐，计算机音频就是研究在计算机中如何表示和处理声音与音乐数据。②目前没有数字音频标准，也就是说，没有一个统一的声音数据格式。③音频是模拟信号，是连续的，而数字信息是离散的。因此音频模拟信号需要经过一系列的操作步骤转换为数字化数据。2.6.3视频①视频是图像的动态过程，在图像数据的基础上，将一幅幅（帧）图像数据连续播放，就成为了动态图像，因此，视频数据也是一种位模式数据，它是建立在图形、图像数据基础上的。②现在使用的视频数据都是经过压缩处理后存储的，播放时需要先解压恢复原数据模式然后播放，里投入MPEG制定的一系列饰品解码和压缩标准，包括以音频/视频的MPEG-1到MPEG-4标准，MPEG是ISO制定的标准研究组织，它的最新工作是MPEG-21。2.7逻辑运算和门电路①英国数学家布尔建立了布尔代数，即逻辑代数，布尔代数被认为是计算机重要的学科基础。②逻辑关系可以被解释为因果关系。“因”是条件，条件之间用基本逻辑关系进行组合，根据不同的条件运算得到“结果”。③在逻辑代数中，将与（AND）、或（OR）、非（NOT）这三种逻辑关系称为基本逻辑运算。 ④在布尔代数中，逻辑运算的结果是真（T）可用二进制数1表示，如果为假（F），则用二进制数0表示。1、逻辑与含义：只有决定结果的条件全部满足，结果才成立，这种逻辑关系叫做逻辑与。（有点像“或”）2、逻辑或含义：决定结果的条件中只要任何一个满足，结果就成立，这种逻辑关系叫做逻辑或。3、逻辑非描述：结果对条件的否定。4、逻辑异或（XOR）含义：两个不可兼得时，称之为异或关系。是一种复合逻辑。2.7.2逻辑代数逻辑代数用数学中的乘号“·”（也可以省略）代替AND，用数学加好“+”代替OR，用变量加上横线代替NOT.逻辑函数的一般表达形式为：F=f（A,B,C…）F是逻辑函数，f是基本逻辑关系的组合，必须注意，不管组成函数的逻辑变量有多少个，它们的取值只能是0或1，F的值也是0或1，所以我们把逻辑函数叫做二值函数或布尔函数。逻辑代数的定理体系：1．基本定律   ①0-1律                                         ②互补律            ③重叠律              ④还原律    2.交换律                   3.结合律         4.分配律                     证：   5.吸收律                                                         证：              证：            6.包含律                  证明:                                     7.反演律(摩根定律)                                                                              表8-7反演律的证明   注意：本节所列出的公式反映的是逻辑关系而非数量关系，在运算中不能简单套用初等代数的运算法则，如初等代数中的移项规则就不能用。   【例8-1】证明 。   证：         【例8-2】证明 。   证：                               2.7.3门电路实现基本逻辑关系的电路是逻辑电路中的单元电路，叫做门电路。基本的门电路有与门、或门、非门以及异或门等。1、门电路的基本特点逻辑电路规定了一个固定的电压或电流作为“阀值”，通过“高”或“低”来判断电路的状态，例如用晶体管构成的逻辑电路规定：电压值大于2.0V为高电平，低于0.8V为低电平。2、基本门电路或门F=A+B非门F=与门F=AB 3、与非门（与门和非门的组合，运算顺序是，先与再非）与非门F=4、或非门（或门和非门的组合）F=5、异或门=A·非B+B·非A2.8逻辑设计基础2.8.1加法器1、含义：用逻辑电路实现加法运算的电路叫做加法器，加法器是运算器的重要功能部件。2、设A、B分别为1位二进制数，S为A与B之和，C为A加B产生的进位和数表达式：S=非A·B+A·非B=（异或门）进位表达式：C=AB（与关系）加法真值表2.8.2半加器有一些加法器只考虑了加数和被加数之间的加法运算，并产生了向高位的进位。因为没有考虑可能来自低位的进位，所以它并没有完成1位二进制数加法的全部运算，我们把这个电路叫做半加器，意思是它只完成了一半的加法运算。2.8.3全加器1、含义：不但考虑本位产生的进位，也要考虑来自低位的进位。2、全加器和数表达式：Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1全加器进位表达式：Ci=AiBi+BiCi-1+AiCi-12.8.4存储单元电路 1、加法器是运算器的部件，由门电路组合而成。计算机的存储器是由存储单元电路组成的，而存储单元电路也是由门电路构成的。2、锁存器和触发器是构成存储器的单元电路，也是计算机控制器电路的单元电路。3、计算机电路的设计是层次结构，每一个上层的电路都是由下一层的电路组合而成的，而底层的电路就是门电路。2.8.5集成电路1、集成电路(IC)有用于模拟信号处理的，也有用于数字系统的，数字集成电路主要包括门电路及其构成的各种处理器、存储器和计算机的接口电路等。2、集成电路按电路内门电路的数目来划分其规模。小规模集成电路大约有10个门电路。如果超过100个门电路，就叫做中规模集成电路。而大规模集成电路集成的门电路要超过1000个以上。现在计算机中使用的许多集成电路芯片都是大/超大规模集成电路，超大规模集成电路的集成度已经超过了千万个门电路。Ps：逻辑电路是计算机电路的基础第三章、计算机硬件 3.1概述