教学ppt课件：《大学计算机基础》

第1章引论目录1.1计算机发展历史1.2计算模型1.3计算机系统1.4计算机文化和计算思维1.5计算机的应用及其发展前景1.1计算机发展历史起源人类追求的计算工具算筹算筹计数法算盘机械加法器Pascaline巴贝奇差分机MARK-1自动数字计算机1.1计算机发展历史起源1946年，世界上第一台电子数字积分计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)在美国诞生了。5000次加法/秒体重30吨占地170m218000多只电子管1500个继电器1.1计算机发展历史历史第五代：具有人工智能的计算机研制中第一代（1946-1955）电子管5千-4万（次/秒）第二代（1956-1963）晶体管几万几十万（次/秒）第三代（1964-1971）集成电路几十万-百万（次/秒）第四代（1971-至今）超大规模集成电路几百万-百亿（次/秒）1.1计算机发展历史新技术云计算（CloudComputing）是一种通过Internet以服务的方式提供动态的、可伸缩的、虚拟化资源的计算模式。移动互联网（MobileInternet）是指互联网的技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。物联网（TheInternetofthings）顾名思义就是物物相连的互联网。1.2计算模型图灵与图灵机模型“计算机界诺贝尔奖”图灵奖阿兰图灵（AlanTuring）“计算机科学的奠基人”、“人工智能之父”英国著名数学家、逻辑学家、密码学家提出了“图灵机”和“图灵测试”1.2计算模型图灵与图灵机模型图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，图灵机模型为计算机设计指明了方向。图灵机由三部分组成：一条两端都可无限延长的被分为一个个小方格的纸带、一个有限状态控制器和一个在带子上可以左右移动的读写头。a1a2aian控制器状态q11.2计算模型图灵与图灵机模型图灵机的形式化定义一台图灵机是一个七元组（Q，q0，B，F），其中：Q是有限状态集 是有限输入字符集 是有限输入带字符集是状态转移函数q0是初始状态B是空格符F是有限终结状态集 1.2计算模型冯诺依曼计算机冯诺依曼：美籍匈牙利数学家，提出了著名的“存储程序”设计思想。存储程序工作原理存储程序到内存自动按地址执行程序1949 EDSACJohn Von Nouma1.2计算模型冯诺依曼计算机指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。是对计算机进行程序控制的最小单位。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。指令系统是一台计算机的所有指令的集合。机器指令格式操作码 操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）1.2计算模型冯诺依曼计算机12输入设备输入信息存储器运算器控制器输出设备表示数据信息流向表示控制信息流向冯诺依曼计算机模型1.2计算模型哈佛结构哈佛结构（Harvardarchitecture）是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，它是一种并行体系结构，它可减轻程序运行时的访存瓶颈，从而提高执行速度和数据的吞吐量，提高数字信号的处理能力。程序计数器（PC）程序存储器数据存储器地址数据地址数据CPU1.2计算模型量子计算机（QuantumComputer）是一种遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。生物计算机（Bio-computer）是将生物工程技术产生的蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，利用有机化合物存储数据的计算机。1.3计算机系统系统构成硬件系统计算机系统软件系统主机外部设备总线输入设备输出设备中央处理器（CPU）内存储器系统软件应用软件RAMROM运算器控制器1.3计算机系统硬件系统运算器：对数据进行算术运算和逻辑运算的部件。控制器：电子计算机的指挥部，负责协调指挥各部件的工作。存储器：计算机记忆或暂存数据的部件。输入设备：输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程，所使用的设备称为输入设备。输出设备：用来输出处理结果的设备。总线：用于连接计算机中的五大组成部件构成一个完整的硬件系统。1.3计算机系统软件系统系统软件软件应用软件操作系统程序设计语言语言处理程序诊断程序数据库管理系统办公软件浏览器图形图像处理软件其他应用软件1.3计算机系统计算机工作过程例：计算机计算2+3的执行步骤。第一步：输入指令（将数据和程序输入到存储器中）第二步：取数指令（从存储器取数2）第三步：取数指令（从存储器取数3）第四步：加法指令（执行2+3的运算）第五步：存数指令（将计算结果5送到存储器保存）第六步：输出指令（输出计算结果）1.3计算机系统计算机工作过程指令执行过程简图执行指令解释指令从存储器取出指令1.3计算机系统典型计算机系统台式机的性能更强，可扩展性好。笔记本携带方便，输入和定位功能好。掌上计算机和智能手机小巧轻便，可扩展性差。台式机笔记本智能手机掌上计算机1.4计算机文化和计算思维计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无比有力的知识工具”。计算机文化是人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性变化而产生的一种崭新文化形态。真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。1.4计算机文化和计算思维科学 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论”。科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。思维 思维是高级的心理活动，是认识的高级形式。思维是人脑对现实事物概括、加工、揭露本质特征。人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。1.4计算机文化和计算思维人类文明进步和科学发现的三大科学是理论科学、实验科学和计算科学。三种科学与三种思维的对应：理论科学 理论思维：理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验科学 实验思维：实验思维又叫实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算科学 计算思维：计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.4计算机文化和计算思维计算思维（computationalthinking）：2006年由美国CarnegieMellon大学周以真（JeannetteWing）教授提出，她认为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的一系列思维活动。这些基础概念包括嵌套、递归、约简、转化、仿真、并行、抽象、分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习、调度等。计算思维是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。1.4计算机文化和计算思维计算思维表述体系框架中8类概念关系图计算思维的培养不是一门课程就可以解决的，而是需要一系列课程的学习逐渐形成的一种解决问题的思维能力。计算抽象自动化设计通信记忆协作评估1.4计算机文化和计算思维计算思维的例子1E8 Lie Group1.4计算机文化和计算思维计算思维的例子2对大型客机进行的模拟风洞实验1.5计算机的应用及其发展前景计算机的应用科学计算过程控制计算机辅助系统数据处理人工智能网络应用全球卫星定位系统（GPS）地理信息系统（GIS）虚拟现实（虚拟现实（VRVR）智能家电智能家电智能手机智能手机其他应用1.5计算机的应用及其发展前景计算机的发展前景巨型化微型化网络化智能化ENIAC多媒体化大学计算机基础第3版姓名：时间：第二章计算机硬件基础目录2.1 理解0和12.2 计算机中的数制及其运算2.3 数据的存储与表示2.4 数据压缩123452.5 计算机硬件组成2.1.1易经中的0和12.1.2电路中的0和12.1理解0和12.1.3计算机中的0和12.1理解0和12.1.1易经中的0和12.1.1易经中的0和1易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。0 01 1阴阴阳阳语义符号化表达u语义符号化：是指将现实世界的语义用符号表达，进而进行基于符号的计算的一种思维，将符号赋予不同语义，则能计算不同的现实世界问题。u易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。语义符号化表达表达成了符号，也就能够进行计算易经通过阴/阳的演变(即0/1的运算)体现了变化中的规律(即蕴含的语义关系及转换关系)u例如：二十四节气的演变规律u例如：生命规律的演变规律冬至一阳生夏至一阴生2.1理解0和12.1.2电路中的0和12.1.2电路中的0和1串联电路中的逻辑“与”关系逻辑“与”运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）0（熄灭）0（断开）1（闭合）0（熄灭）1（闭合）0（断开）0（熄灭）1（闭合）1（闭合）1（发亮）2.1.2电路中的0和1并联电路中的逻辑“或”关系逻辑或运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）0（熄灭）0（断开）1（闭合）1（发亮）1（闭合）0（断开）1（发亮）1（闭合）1（闭合）1（发亮）2.1.2电路中的0和1实现非功能的简单电路2.1理解0和12.1.3计算机中的0和12.1.3计算机中的0和1计算机为什么采用二进制？l可编码任意信息l算术运算规则简单l适合逻辑运算l实现技术(电子元器件)简单2.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术逻辑运算2.2 数制及其运算2.2.1数制的概念2.2.1数制的概念（1）基数是一个计数制系统允许使用的基本数字符号（数符）的个数。例如十进制的数符分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，所以十进制的基数为10。依次类推，二进制、八进制、十六进制的基数分别是2、8、16。（2）权是以基数为底的幂，表示处于该位的数字所代表的值的大小。在一个数字当中，处在不同位置上的相同数字所表示的值也是不同的。一个数字在某个位置上的值等于该数字与这个位置上的因子的乘积，而该因子的值是由所在位置相对于小数点的距离来确定，这个因子就是位权。（3）进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值型信息的表示方法。2.2 数制及其运算2.2.2常用数制2.2.2常用数制u二进制：1)二进制只有两个数码：0和1;2)二进制数位i的权值：2i;3)二进制表示数值：逢二进1，借1当二；高数位的1相当于低数位的2。4)二称为计数制的基值，即“二进制”7 6 5 4 3 2 1 0.-1-21 1 1 1 0 1 0 1.0 1（）22.2.2常用数制二进制不方便之处：与十进制相比，一个数值的数码位数长，识认比较困难。例如：245的二进制表示：11110101另外，二进制与十进制转换也不是很方便，因此引出八进制、十六进制等2.2.2常用数制任意进制-r进制lr进制的一位数表示有r个数码：0,1,r-1lr进制数位i的权值：rilr进制表示数值：逢r进1，借1当r；高数位的1相当于低数位的r。lr称为计数制的基值，即“r进制”2.2.2常用数制方法一：后缀脚标数字表计数制(dn-1dn-2d2d1d0.d-1d-2d-m)r其中，r为计数制的数字或汉字形式例如(365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)8,(596.12)16方法二：利用后缀表示各种进位计数制后缀B(binary):二进制数；后缀O(octal):八进制数；后缀H(hex):十六进制数,后缀D(decimal):十进制数。例如365.2D,11011.01B,3460.32O,596.12H各种进位计数制的表示方法2.2 数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.3各种数制的转换r进制数值的大小及其与十进制的转换(F5.4)16=F161+5160+416-1=(245.25)102.2.3各种数制的转换(753.37)8=753.37O=782+581+380+38-1+78-2=(491.484375)10