高级语言程序设计基础（C&C++）：模块2 计算系统的基本思维

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1、模块模块2 2 计算系统的基本思维计算系统的基本思维高级语言高级语言程序设计程序设计基础（基础（C&C+C&C+）模块2 计算系统的基本思维1、 理解理解0和和12、 图灵机和冯.诺依曼计算机3、 现代计算机系统4、 不同抽象层级的计算机1、 理解0和1基本目标基本目标: : 理解理解0 0和和1 1的思维的思维基本思维：基本思维：语义符号化语义符号化符号计算化符号计算化计算自动化计算自动化分层分层构造化构造化构造集成化构造集成化；(0) 0和和1与易经与易经-语义符号化表达语义符号化表达(1) 0和和1与逻辑与逻辑-思维方式与逻辑运算思维方式与逻辑运算，语义符号化表，语义符号化表达与符号计算

2、达与符号计算 (2) 0和和1与数值与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算，符，符号计算号计算(3) 0和和1与字母与符号与字母与符号-编码编码(非数值性信息非数值性信息)，符号计，符号计算算(4) 0和和1与电子元件与电子元件-基本硬件实现基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路)，计算自动化计算自动化(5) 0和和1与电路与电路-复杂部件的硬件实现复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板)，分层构造与构造集成分层构造与构造集成1、 理解0和1(0) 0和1与易经-语义符号化表达1、 理解0和1u将现象抽象为符号将现象抽象为符号1、 理解0和1(0) 0和1与易经-语

3、义符号化表达(Cont.1) u符号化的六十四卦图符号化的六十四卦图1、 理解0和1(0) 0和1与易经-语义符号化表达(Cont.2) 冬至一阳生冬至一阳生夏至一阴生夏至一阴生u符号演算符号演算0和1与易经-语义符号化表达与计算(3) 易经怎样区分各种组合要素?待区分的命名阴阴(六六)阳阳(九九)三个阴阳构成的一个组合卦卦一个组合中的某一位置爻爻三画阴阳可能出现的八种组合乾、坤、坎、离、艮、兑、震、巽乾、坤、坎、离、艮、兑、震、巽一卦中的三个位置一爻、二爻、三爻一爻、二爻、三爻一个位置可能出现阴和阳阳阳(九九)爻，阴爻，阴(六六)爻爻一个位置可能出现阴和阳，结合卦中不同位置组合九一爻、六一爻

4、、九二爻、六二爻、九一爻、六一爻、九二爻、六二爻、九三爻、六三爻九三爻、六三爻 符号化的关键是区分与命名-术语体系1、 理解0和1(0) 0和1与易经-语义符号化表达(Cont.3) u将将符号再赋予语义符号再赋予语义 -“本本”与与“用用”：抽象抽象与与具体化具体化 现象 本体 用体天天(自然空间自然空间) 乾乾(抽象空间抽象空间) 父父(家庭空间家庭空间)， 首首 (身体空间身体空间)，马马 (动物空间动物空间)1 、理解0和1u逻辑：逻辑是指事物因果之间所遵循的规律，是现实中普适的思维方式。逻辑：逻辑是指事物因果之间所遵循的规律，是现实中普适的思维方式。u 逻辑的基本表现形式是逻辑的基本

5、表现形式是命题命题与与推理推理，推理即依据由简单命题，推理即依据由简单命题的判断推导得出复杂命题的判断结论的过程。命题由语句表述，的判断推导得出复杂命题的判断结论的过程。命题由语句表述，即内容为即内容为“真真”或为或为“假假”的一个判断语句！的一个判断语句！(1) 0和1与逻辑-思维方式与逻辑运算1 真0 假X 其中：X值0 Y 其中：Y值1 Z = X and Y 1、 理解0和1(1) 0和1与逻辑-思维方式与逻辑运算(Cont.1) “与”运算：两把钥匙都有才能开门“或”运算：只要有任何一把钥匙便能开门u基本逻辑运算基本逻辑运算n“与与”运算运算(AND): 当当X和和Y都为真时都为真时

6、, X AND Y也为真也为真; 其他情况其他情况, X AND Y均为假。均为假。 n“或或”运算运算(OR): 当X和Y都为假时, X OR Y也为假; 其他情况, X OR Y均为真。 n“非非”运算运算(NOT): 当X为真时, NOT X为假;当X为假时, NOT X为真。 n“异或异或”运算运算(XOR): 当X和Y都为真或都为假时, X XOR Y为假; 否则, X XOR Y为真。 1、 理解0和1(1) 0和1与逻辑-思维方式与逻辑运算(Cont.2) u 用用0和和1来表示逻辑运算来表示逻辑运算n“与”运算AND：有有0为为0 ，全，全1为为1n“或”运算OR：有有1为为1

7、，全，全0为为0n“非”运算NOT：非非0则则1，非，非1则则0n “异或”运算XOR：相同为相同为0，不同为，不同为1注: 1表示 真真，0表示 假假 0 AND 0 00 AND 1 01 AND 1 11 AND 0 0 0 OR 0 00 OR1 11 OR 1 11 OR 0 1 0 XOR 0 00 XOR 1 11 XOR 1 11 XOR 0 1 NOT 1 0 NOT0 11、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算u进位制：用进位制：用数码数码和和带有权值的数位带有权值的数位来表示有大小关系的来表示有大小关系的数数值型信息值

8、型信息的表示方法。的表示方法。u二进制：二进制：1、 理解0和1u 基于二进制的算术运算基于二进制的算术运算 u计算规则简单,与逻辑能够统一起来；u元器件容易实现。(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.1)人类第一只晶体管晶体管(真空二极管),1947u基于二进制的算术运算基于二进制的算术运算u机器可以采用移位、逻辑运算等进行加减乘除运算。 例1: 10111 + 10011=?10111+) 10011010101101010B 例2: 00111 00010 = ?0011101110 1、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(

9、数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.2)左移一位011101、 理解0和1u 二进制不足：认识困难01011101 11110101(3) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.3)5 B F 5u 十六进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A(10), B(11), C(12), D(13), E(14), F(15)方法一：利用脚标数字表示各种进位计数制 (dn-1dn-2d2d1d0.d-1d-2d-m)r 其中，r为计数制的数字或汉字形式 例如例如 (365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)八八,

10、(596.12)十六十六方法二：方法二：利用后缀表示各种进位计数制利用后缀表示各种进位计数制 后缀后缀B(binary): 二进制数；后缀二进制数；后缀O(octal): 八进制数；八进制数； 后缀后缀H(hex): 十六进制数；后缀十六进制数；后缀D(decimal): 十进制数。十进制数。 例如例如 365.2 D, 11011.01 B, 3460.32 O, 596.12 Hu r 进制进制1、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算1、 理解0和1u r进制数值的大小及其与十进制的转换进制数值的大小及其与十进制的转换如：如： (F5.

11、4)十六十六 = F161+5160+416-1 = (245.25)十十(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.5)(7 5 3 . 3 7)八八 = 7 5 3 . 3 7 O=782+581+380+38-1+78-2 = (491.484375)十十(7 5 3 . 3 7)十六十六 = 7 5 3 . 3 7 H = 0x 7 5 3 . 3 7=7162+5161+3160+316-1+716-2 = (1875.2148)十十(7 5 3 . 3 7)十二十二=7122+5121+3120+312-1+712-2 = (1071.

12、2986)十十1、 理解0和1u同一个数同一个数串，由于进位制不同其所表达的数值大小串，由于进位制不同其所表达的数值大小也是不同的也是不同的(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.6)245的十进制表示记为：245245的二进制表示记为：11110101245的八进制表示记为：365245的十六进制表示记为：F51、 理解0和1u同一个数值，用不同进位制表达，结果也是不同的同一个数值，用不同进位制表达，结果也是不同的(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.7)例如：例如：(245)十十24516

13、51516015(F)= (F5)十六十六1、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.8)“除基取余除基取余”u十进制到二进制的转换：整数部分十进制到二进制的转换：整数部分例如：例如：(0.525)十十= (0.8666)十六十六166 .4 166 .4 0.525168 .4 166 .4 1、 理解0和1“乘基取整乘基取整”(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.9)u十进制到二进制的转换：小数部分十进制到二进制的转换：小数部分1 、理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制

14、(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.10)u二进制到八二进制到八/十六进制的转换十六进制的转换u十六进制是计算机数值显示的常用进制, 二进制是计算机数值内部存储使用的进制u数值的正负符号处理：数值的正负符号处理：机器数的原码、反码和补码机器数的原码、反码和补码u 1、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.11)25 数的原码、反码和补码表示数的原码、反码和补码表示二进制二进制数的符号数的符号由最高位表示由最高位表示 “0 0”表示表示“+ +” “1 1”表示表示“”一、基本概念一、基本概念 1 1、机器数、真

15、值和模数、机器数、真值和模数模数模数：一个计量器的容量或者与零等价的数。：一个计量器的容量或者与零等价的数。机器数机器数：数（连同符号）在机器中的编码表示：数（连同符号）在机器中的编码表示真值真值：机器数所对应的十进制数值：机器数所对应的十进制数值带符号数如何表示？带符号数如何表示？0 0 0 0 0 1 0 11 0 0 0 0 1 0 1机器数机器数5 -5 5 -5 真值真值26 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）对模数的理解对模数的理解1.1.计数器计数器从从“0 0”开始开始计数。计数。2.2.计数器计数器所能计的数值的个数所能计的数值的个数即模数。即模数。

16、3.3.计数器的计数器的模数模数= =最大值最大值+1+1。4.4.计数器的模数计数器的模数（R Rn n）取决于取决于基数（基数（R R）和）和位数（位数（n n）27 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续） 基数基数 10； 位数位数 2； 模数模数 102 = 100 = 99+1。1.1.二二位位十十进制计数器的进制计数器的模数模数是多少？是多少？2.2. 八八位位二二进制计数器的进制计数器的模数模数是多少？是多少？ 基数基数 2； 位数位数 8； 模数模数 28 = 256 = 255+1。二二位位十十进制计数器最多可以计进制计数器最多可以计100100个数个数

17、八八位位二二进制计数器最多可以计进制计数器最多可以计256256个数个数28 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）2 2、带符号数和无符号数、带符号数和无符号数 带符号数带符号数1 0 0 0 0 1 0 1-5 -5 带符号数带符号数 无符号数无符号数133 133 无符号数（机器编码）无符号数（机器编码）29 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）二、机器数表示数值的几种方法二、机器数表示数值的几种方法l原码原码l反码反码l补码补码解决数值计算问题解决数值计算问题 减法问题减法问题 30 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（

18、续）带符号的二进制数，按数位的带符号的二进制数，按数位的宽度填满，最高位是符号位宽度填满，最高位是符号位1、数的原码表示带符号数带符号数 -12-12 1 0 0 0 1 1 0 0带符号数带符号数 +12+12 0 0 0 0 1 1 0 0例例a=-12 b=+12aa原原=10001100=10001100bb原原=00001100=00001100记为记为：31 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续） 原码的表示范围：原码的表示范围：(2n11)(2n11) 最小的负数最小的负数最大的正数最大的正数正正0 0和负和负0 0的的区别是什么？区别是什么？+0+0原原=

19、 =0 0 00000000000000-0-0原原= =1 1 00000000000000-127+1271 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1当当n=8n=8时，时，原码的表示范围是？原码的表示范围是？32 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）对原码除符号位之外按位求反对原码除符号位之外按位求反0 0变变1 1，1 1变变0 02、数的反码表示原码原码 -12 -12 1 0 0 0 1 1 0 0反码反码 1 1 1 1 0 0 1 1例例a=-12记为：记为：aa反反=11110011=1111001133 数的原码、反码和补码表示（续）

20、数的原码、反码和补码表示（续）计算机不会直接做减法！计算机不会直接做减法！ 6+7=13 6-7=？ 8-3=？为什么要用补码？为什么要用补码？3、数的补码表示解决方法：解决方法：将负数表示成正数！将负数表示成正数！ -7=+？ -3=+？34 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续） 将时针由将时针由8 8点校对到点校对到3 3点点 蓝：顺时针蓝：顺时针 +7 8+7=15=3 黄：逆时针黄：逆时针 5 8-5=3什么是补码？什么是补码？+7+7是是-5-5的补码的补码丢掉丢掉模数模数12基本概念35 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）有证明：a

21、-x(a-x(小于模小于模的数的数) )= =a+(a+(模模-x)-x)对于钟表而言：对于钟表而言：1 1、9-59-5（小小于于1212）=9+=9+（12-512-5）4=9+7=16=44=9+7=16=4（丢掉模丢掉模） -5-5的补码是的补码是+7+72 2、3-4=3+3-4=3+（12-412-4） -1=3+8=11-1=3+8=11 -4-4的补码是的补码是+8+8例例差差1 1点到模数点到模数（1111点）点）-x-x总可以用总可以用+(+(模模-x)-x)表示表示等等值值36 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）补码的补码的求法求法对于对于2 2

22、位十进制数求补码：位十进制数求补码：模模= 10= 102 2 =100-28补补 = 102-28=7275-28=47 = 75 +72=147 （模模100）对于对于4 4位二进制数位二进制数-1001求补码求补码：模模= 24 =16 -1001补补 = 24-1001=10000-1001=01111100-1001=0011 = 1100+0111=10011 （模模10000）-x补 = 2n-| x |例例37 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）计算机如何求补码计算机如何求补码对原码除符号位以外按位变反加对原码除符号位以外按位变反加1 1对二进制数对二

23、进制数-1001-1001求补码：求补码：不用模数不用模数 -1001补补 = -1001 反反+1= 1 0110+1=10111对于对于8 8位二进制数位二进制数-1001-1001-1001-1001求补码：求补码：-1001-1001 补补补补 = = -1001-1001 反反反反+1= +1= 1 11101101 1110110 +1=11110111+1=11110111例例38 数的原码、反码和补码表示（完）数的原码、反码和补码表示（完）补码的表示范围：补码的表示范围： 2n1 (2n11)当当n=8n=8时，补时，补码的表示范围是？码的表示范围是？+0补补 = -0补补 =

24、000补补的两种的两种表示是什么表示是什么？-128+127-0反反=11111111对补码再求补码就得到原码对补码再求补码就得到原码正数的原码、反码、补码相同，正数的原码、反码、补码相同，只有负数的原码、反码、补码不同！只有负数的原码、反码、补码不同！39 数的原码、反码和补码表示（续）数的原码、反码和补码表示（续）为什么负数补码的编码多一个？为什么负数补码的编码多一个？-128-128补补=2 28-18-1 补补= 2= 28 8| |2 27 7| | = 2 = 28 8 2 27 7 = 2 = 2 2 27 7 2 27 7 = 2 = 27 7 = = （1000 000010

25、00 0000）2 2当当n=8n=8时时， 2 28-18-1 (-128)的补码是？的补码是？讨论讨论讨论讨论这是这是这是这是-128-128-128-128的补码的补码的补码的补码 还是还是还是还是-0-0-0-0的补码？的补码？的补码？的补码？ 00补补= 2= 28 80 0 = ( = (1 1 0000 0000) 0000 0000)2 2 0 0 = (0000 0000)= (0000 0000)2 2= +0补码可以补码可以补码可以补码可以 唯一表示唯一表示唯一表示唯一表示0 0 0 0u数值的小数点的处理：数值的小数点的处理：定点数与浮点数定点数与浮点数u 1、 理解0

26、和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.13)41 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示 两种方法两种方法位置固定：位置固定：3.14159-定点位置变化位置变化: : 3.14159-浮点3.14159X1000.314159X1010.0314159X102的位置移动的位置移动, ,数的大小不变数的大小不变42 数的定点和浮点表示（续）数的定点和浮点表示（续）1. 1. 定点小数格式定点小数格式 N Ns s N N-1 -1 N N-2 -2 N N- -m. .符号位符号位数值部分数值部分小数点小数点( (隐含隐含) )小数点位置小

27、数点位置固定固定在某一位置。在某一位置。包括：包括：定点小数定点小数和和定点整数定点整数小数点固定在小数点固定在最高数据位的最高数据位的左边左边只能表示小数只能表示小数一、定点表示法一、定点表示法43 数的定点和浮点表示（续）数的定点和浮点表示（续）例例1 1：0.6875 0.6875 用用8 8位定点小数表示位定点小数表示0.68750.68750.10110.10110.10110000.10110000 10110000 101100058 H58 H小数点隐藏小数点隐藏0.68750.687558H58H0 0表示正数表示正数 44 数的定点和浮点表示（续）数的定点和浮点表示（续）例

28、例2 2：- 0.6875 - 0.6875 用用8 8位定点小数表示位定点小数表示-0.6875-0.6875-0.1011-0.1011-0.1011000-0.10110001101100011011000D8 HD8 H小数点隐藏小数点隐藏-0.6875-0.6875D8HD8H1 1表示负数表示负数45 数的定点和浮点表示（续）数的定点和浮点表示（续）用用3232位字长做定点小数时，表示的数的位字长做定点小数时，表示的数的范围是：范围是：（1 2-31） 1最小绝对值是：最小绝对值是：2 2-31-311 1 1 1 1 1 1 x30 29 3 2 1 0 46 数的定点和浮点表示

29、（续）数的定点和浮点表示（续） 2. 2. 定点定点整数整数格式：格式：Ns Nn-1 Nn-2 N0. .符号位符号位数值部分数值部分小数点小数点( (隐含隐含) )小数点固定在最小数点固定在最低位数字的右边低位数字的右边是不是除一个比例是不是除一个比例因子就能表示小数因子就能表示小数定点表示有什么特点定点表示有什么特点? ?直观、简单、节省硬件直观、简单、节省硬件数据范围小，不灵活数据范围小，不灵活47 数的定点和浮点表示（续）数的定点和浮点表示（续）例如例如-113-113，用定点整数表示为：，用定点整数表示为：1 1 1 1 0 0 0 11 1 1 1 0 0 0 1例如例如1131

30、13，用定点整数表示为：，用定点整数表示为：0 1 1 1 0 0 0 10 1 1 1 0 0 0 148小数点位置可任意小数点位置可任意移动移动 M RE尾数尾数 基数基数阶阶 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示( (续续) )3.14159X1000.314159X1010.0314159X1023.14159尾数：数的有效数字尾数：数的有效数字阶：小数在数中的实际位置阶：小数在数中的实际位置二、浮点表示法二、浮点表示法49 阶符 阶码 数符 尾数尾数尾数阶阶 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示( (续续) )尾数尾数常用定点常用定点小数表示，有小数表示，有一个符号位一个符号位阶阶常

31、用整数常用整数表示，有一表示，有一个符号位个符号位假定：假定：3232位字长，位字长，8 8位作阶，位作阶，2424位作尾数位作尾数能表示的最大的数？最小数？能表示的最大的数？最小数？50 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示( (续续) )当阶的符号位为当阶的符号位为 0 0，其余为，其余为 1 1当尾数符号位为当尾数符号位为 0 0，其余为，其余为 1 1时表示的数最大时表示的数最大：1038当阶的符号位为当阶的符号位为 0 0，其余为，其余为 1 1当尾数符号位为当尾数符号位为 1 1，其余为，其余为 1 1时表示的数最小时表示的数最小：-1038怎么得到的怎么得到的2 7-1 2 *（

32、1-2 -23）2127 10382 7-1 - 2 *（1-2 -23）-2127 -103851 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示( (续续) )32位字长，位字长，8位作阶，位作阶，24位作尾数时，位作尾数时，表示的数的范围是：表示的数的范围是：- 2-150 -10382-150 103852 数的定点和浮点表示数的定点和浮点表示( (续续) )当浮点数字长一定时，当浮点数字长一定时，阶数位数越阶数位数越长，则所表示的数据范围越大长，则所表示的数据范围越大。当浮点数字长一定时，当浮点数字长一定时，尾数位数越尾数位数越长，则所表示的数据精度越高长，则所表示的数据精度越高。 bit B

33、inary Digit/1位二进制位位二进制位/0和和1 Byte 字节字节, 8位二进制位位二进制位 1KB = 210字节字节 (市场约市场约1,000字节字节) 1MB = 210KB (市场约市场约1,000,000字节字节) 1GB = 210MB (市场约市场约1,000,000,000字节字节) 1TB = 210GB 1PB = 210TB 1EB = 210PB注意：2的幂次方为计算单位u信息的基本度量单位信息的基本度量单位 1、 理解0和1(2) 0和1与数值-二进制二进制(数值性信息数值性信息)与算术运算与算术运算(Cont.14)u非数值性信息可以用编码表示非数值性信息

34、可以用编码表示u编码：编码：编码是以若干位数码或符号的不同组合来表示非数值编码是以若干位数码或符号的不同组合来表示非数值性信息的方法，它是人为地将若干位数码或符号的每一种组合指性信息的方法，它是人为地将若干位数码或符号的每一种组合指定一种唯一的含义。定一种唯一的含义。例如：0-男，1-女再如：000-星期一 001-星期二 010-星期三 011-星期四 100-星期五 101-星期六 110-星期日再如：000-一院 001-二院 010-三院 011-四院 100-五院 101-六院 110-七院 111-其他 1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息

35、表示) 1、 理解0和1u 编码的编码的三个主要特征三个主要特征u 唯一性唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义u 公共性：公共性：所有相关者都认同、遵守、使用这种编码u 易于记忆易于记忆/便于识认性：便于识认性：有一定规律为计算机使用的编码：规律性易于编程序处理之；为人所使用的编码：便于记忆和便于识认。(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.1) uASCII码码-英文字母符号的编码英文字母符号的编码uASCII码码是计算机领域普遍应用的英文字母与符号的0,1型编码方法，是用7位0和的不同组合来表示10个数字、26个英文大写字母、26个英文小写字母及

36、其一些特殊符号的编码方法，是信息交换的标准编码。uASCII码:American Standard Code for Information Interchange B7B6B5B4B3B2B1B0 0 x x x x x x x1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.2) 每每8位为一个字符，最高位为位为一个字符，最高位为041H 5AH: “A” “Z”61H 7AH: “a” “z”0AH: 换行符号换行符号LF0DH: 回车符号回车符号CR30H 39H: “0” “9”01000001 A 41 H01000010 B 42 H

37、01000110 F 46 H1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.3) u ASCII编码的规律编码的规律信息存储解析规则We are students01010111 01100101 00100000 01100001 01110010 01100101 00100000 01110011 01110100 01110101 01100100 01100101 01101110 01110100 011100110/1串按8位分隔一个字符，查找ASCII码表映射成相应符号u完整的完整的ASCII码表码表1、 理解0和1(3) 0和

38、1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.4) u十个数字符号的编码十个数字符号的编码-BCD码码BCD码：码：Binary Coded Decimal(二二-十进制编码十进制编码)是用是用位和的不同组合，按照与进位制保持一致的关位和的不同组合，按照与进位制保持一致的关系，来表示系，来表示10个十进制数字的方法。个十进制数字的方法。1010个数字，只需个数字，只需4 4位位0/10/1数码即可数码即可十进制十进制0 1 2 3 4 BCD码码00000001001000110100十进制十进制5 6 7 8 9 BCD码码010101100111100010011、

39、理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.5) 245的十进制记为245 245的二进制记为 11110101 245的八进制记为365 245的十六进制记为F5 245的BCD码记为0010 0100 0101 245的ASCII码记为00110010 00110100 00110101u同一信息不同表示方法的对比同一信息不同表示方法的对比1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.6) “大”u汉字内码汉字内码：汉字在计算机内部采用汉字内码存储。汉字内码是一两字节且最高位均为1的0,1型编码

40、计算机内部由外到内由内到外b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 用0和1编码汉字,每个汉字在计算机内部由 2个字节表示0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 国标码1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 (机)内码1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.7) “型”输入码有若干：拼音码、字型码、区位码输入码有若干：拼音码、字型码、区位码 拼音码： xing双拼码： x；其中,x表声母x,而；表韵母ing五笔字型码： gajf其中,g表

41、字根“-”,a表开下的草字头,j表右侧立刀,f表下面土字计算机内部由外到内由内到外u汉字输入码汉字输入码：汉字依据输入码通过键盘输入汉字。汉字输入码是用键盘上的字母符号编码每一汉字的编码,它使人们通过键入字母符号代替键入汉字。1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.8) “大”用0和1编码无亮点和有亮点形成字形信息, 便于显示 汉字字形码是一种字模点阵码。也有不同的处理汉字点阵信息的编码，如向量编码等oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo111111

42、1111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo计算机内部由外到内由内到外大大u汉字字形码汉字字形码：汉字依据字形码通过显示器或打印机输出汉字。汉字字形码是用0和1编码无亮点和有亮点像素,形成字形的一种编码。1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示

43、非数值性信息表示)(Cont.9) “大”da1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11oo

44、ooooooooo1oo计算机内部由外到内由内到外u汉字处理过程汉字处理过程: 通过汉字外码输入,以汉字内码存储,以汉字字形码输出1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.10) u进一步学习进一步学习: u标准标准ASCII码：码：8位0,1型编码，最高位始终为0u扩展扩展ASCII码：码：8位0,1型编码，最高位为0时为标准ASCII码；最高位为1时为扩展ASCII码。uUNICODE：Unicode是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案。Unicode用数字0-0x10FFFF来映射所有的字符(最多可以容纳1114

45、112个字符，或者说有1114112个码位，码位就是可以分配给字符的数字)。具体实现时，再将前述唯一确定的码位按照不同的编码方案映射为相应的编码，有UTF-8、UTF-16、UTF-32等几种编码方案。详细内容可查询相关资料。1、 理解0和1(3) 0和1与字母及符号-编码(非数值性信息表示非数值性信息表示)(Cont.11) 1、 理解0和1u 数值性信息：数值性信息：二进制二进制 n整数整数(正负号正负号)：原码、反码和补码原码、反码和补码n小数小数(小数点、指数小数点、指数)：定点数、浮点数定点数、浮点数u非数值性信息非数值性信息：编码编码 n符号符号: ASCII码码n多媒体：多媒体：

46、编码与解码编码与解码u信息计算信息计算n逻辑计算：逻辑计算：逻辑逻辑“与与”、“或或”、“非非”、“异或异或”、“同或同或”n算术计算：算术计算：加、减、乘、除四则运算加、减、乘、除四则运算(3) 0和1与符号计算(4) 0和1与电子元器件-基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路) 1、 理解0和1u实现实现0和和1的基本元器件的基本元器件: 电信号和继电器开关电信号和继电器开关u用继电器开关实现基本逻辑运算用继电器开关实现基本逻辑运算 数字信号：高电平为1, 低电平为001“与与”运算电路运算电路“或或”运算电路运算电路“非非”运算电路运算电路1、 理解0和1u实现实现0和和1的基本元器件的

47、基本元器件: 二极管二极管u二极管的基本特性二极管的基本特性(4) 0和1与电子元器件-基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路) (Cont.1) u实现实现0和和1的基本元器件的基本元器件: 三极管三极管u 三极管的基本特性三极管的基本特性 ：l主要功能为开关和放大作用主要功能为开关和放大作用l以较小的以较小的b极电流信号可控制较大的极电流信号可控制较大的e极流过的电流极流过的电流-放大。放大。1、 理解0和1大水库大坝闸门控制水水(4) 0和1与电子元器件-基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路) (Cont.2) 第一个三极管试验装置u用用二极管、三极管可实现基本的集成电路二极管、三极管

48、可实现基本的集成电路: 与门、或门和非门与门、或门和非门u这些电路被封装成集成电路这些电路被封装成集成电路(芯片芯片)，即所谓的门电，即所谓的门电路路。1、 理解0和1(4) 0和1与电子元器件-基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路) (Cont.3) “与与”门电路门电路“或或”门电路门电路“非非”门电路门电路u基本门电路的符号表示及其特性基本门电路的符号表示及其特性u与门电路与门电路：是实现逻辑与运算的集成电路，即：只有当是实现逻辑与运算的集成电路，即：只有当两个输入端为高电平两个输入端为高电平(1)时，则输出端为高电平时，则输出端为高电平(1)；否则，；否则，输出端为低电平输出端为低电

49、平(0)。u或门电路：或门电路：是实现逻辑或运算的集成电路，即：只有当是实现逻辑或运算的集成电路，即：只有当两个输入端为低电平两个输入端为低电平(0)时，则输出端为低电平时，则输出端为低电平(0)；否则，；否则，输出端为高电平输出端为高电平(1)。u非门电路非门电路：是实现逻辑非运算的集成电路，即：当输入是实现逻辑非运算的集成电路，即：当输入端为高电平端为高电平(1)时，则输出端为低电平时，则输出端为低电平(0)；输入端为低电；输入端为低电平平(0)时，则输出端为高电平时，则输出端为高电平(1)。u异或门电路：异或门电路：是实现逻辑异或运算的集成电路，即：当是实现逻辑异或运算的集成电路，即：当

50、两个输入端同为高电平两个输入端同为高电平(1)或同为低电平或同为低电平(0)时，则输出端时，则输出端为低电平为低电平(0)；否则，输出端为高电平；否则，输出端为高电平(1)。1、 理解0和1(4) 0和1与电子元器件-基本硬件实现(开关和门电路开关和门电路) (Cont.4) 与门电路与门电路符号或门电路或门电路符号非门电路符号非门电路符号异或门电路符号异或门电路符号u基于门电路的复杂组合逻辑电路基于门电路的复杂组合逻辑电路u示例示例1：一位加法器的示例。：一位加法器的示例。1、 理解0和1(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板)u基于门电路的复杂组合逻辑电路基于门电路

51、的复杂组合逻辑电路1、 理解0和1101101001(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板) (Cont.1) Ai Bi+ CiCi+1 Siu基于门电路的复杂组合逻辑电路基于门电路的复杂组合逻辑电路u示例：多位加法器示例：多位加法器1、 理解0和1(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板) (Cont.2) 1、 理解0和1(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板) (Cont.3) u基于门电路的复杂组合逻辑电路基于门电路的复杂组合逻辑电路u另一个示例：另一个示例：2-4译码器及其电路实现。译码器及其电路实现。&1 1

52、A1A0Y00Y01Y10Y111、 理解0和1(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板) (Cont.4) u基于门电路的复杂组合逻辑电路基于门电路的复杂组合逻辑电路u可依据门电路的特性，输入可依据门电路的特性，输入2位二进制数位二进制数01, 检查是否是第检查是否是第2条条线线(Y01)为高电平为高电平,有效？有效？&1 1 A1A0Y00Y01Y10Y1110100100101u 微处理器微处理器芯片芯片即是复杂组合逻辑集成在一块板上并封装而成即是复杂组合逻辑集成在一块板上并封装而成的电路的电路: 从从Intel4004在在12平方毫米的芯片上集成了平方毫米的芯片上

53、集成了2250个晶体个晶体管管到到Pentium 4处理器内建了处理器内建了4200万颗晶体管，以及采用万颗晶体管，以及采用0.18微米的电路微米的电路再到再到英特尔的英特尔的45纳米纳米Core 2至尊至尊/至强至强四核四核处理处理器器上装载了上装载了8.2亿颗晶体管。亿颗晶体管。1、 理解0和1(5) 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板芯片、主板) (Cont.5) 1、 理解0和1(6) 小结基本思维：基本思维：语义符号化语义符号化符号计算化符号计算化计算自动化计算自动化分层分层构造化构造化构造集成化构造集成化相关课程：相关课程： 离散数学离散数学形式语言形式语言计算机语言计算

54、机语言数字逻辑数字逻辑计算机原理计算机原理；模块2 回顾 1 、理解、理解0和和1u 0和1与易经-语义符号化与语义绑定 u 0和1与逻辑-思维方式与逻辑运算规则 u 0和1与进位制-数值型信息表示与算术计算规则 u 0和1与编码-非数值型信息表示 u 0和1与电子器件-硬件实现(高/低电平开关二极管/三极管与门、或门等组合电路与时序电路CPU与存储器)u 从现实层从现实层( (语义层语义层) )到物理层到物理层( (硬件实现硬件实现) )都可以用都可以用0 0和和1 1表达与表达与处理；能用处理；能用0 0和和1 1表达，也就能用硬件处理，也就能被计算机处表达，也就能用硬件处理，也就能被计算

55、机处2、 图灵机和冯.诺依曼计算机3、 现代计算机系统4、 计算机语言与虚拟机器5、 信息表示与处理1、 理解0和12、 图灵机和冯图灵机和冯.诺依曼计算机诺依曼计算机3、 现代计算机系统4、 不同抽象层级的计算机模块2 计算系统的基本思维2、 图灵机与冯.诺依曼计算机本节的基本目标本节的基本目标: : 理解程序及其硬件实现思维理解程序及其硬件实现思维基本思维：基本思维：机器级算法与程序机器级算法与程序机器指令与机器指令与指令系统指令系统存储器存储器存储存储程序程序运算器与控制器运算器与控制器机器级程序的执行机器级程序的执行；算法程序化；算法程序化程序指令程序指令化化指令存储化指令存储化执行信

56、号化执行信号化相关课程：相关课程： 模拟电子与数字电子模拟电子与数字电子汇编语言汇编语言计算机原理计算机原理数字逻辑数字逻辑形式语言与自动机形式语言与自动机2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介(2) 冯.诺依曼计算机的思想与构成(3) 存储器的工作原理: 自动存取(4) 机器指令与机器级算法与程序的概念(5) 机器信号的节拍控制 (6) 冯.诺依曼计算机执行程序的基本过程(计算机程计算机程序的硬件执行过程序的硬件执行过程)(1) 图灵机的思想与模型简介 u图灵图灵(Alan Turing, 19121954)，出生于英国伦出生于英国伦敦，敦，19 岁入剑桥皇家学院，岁入

57、剑桥皇家学院，22 岁当选为皇家学岁当选为皇家学会会员。会会员。u1937 年，发表了论文论可计算数及其在判定年，发表了论文论可计算数及其在判定问题中的应用，提出了问题中的应用，提出了图灵机模型图灵机模型，后来，冯后来，冯诺依曼根据这个模型设计出历史上第一台电子诺依曼根据这个模型设计出历史上第一台电子计算机。计算机。u1950 年，发表了划时代的文章：机器能思考年，发表了划时代的文章：机器能思考吗吗?,成为了人工智能的开山之作。成为了人工智能的开山之作。u计算机界于计算机界于1966年年设立了最高荣誉奖：设立了最高荣誉奖：ACM 图图灵奖灵奖。 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u所谓所谓计算计算

58、就是计算者就是计算者(人或机器人或机器)对一条两端可无限延长的对一条两端可无限延长的纸带上的一串纸带上的一串0或或1，执行指令一步一步地改变纸带上的，执行指令一步一步地改变纸带上的0或或1，经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的，经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换变换过程过程。u 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介(Cont.1) 100011101100110101100010110101由“程序”控制输入“转换”为输出输入输出程序通用通用机器机器u图灵机的思想是数据、指令、程序及程序图灵机的思想是数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思

59、想。指令自动执行的基本思想。u 输入被制成一串输入被制成一串0和和1的纸带，送入机器中的纸带，送入机器中-数据数据。如。如00010000100011u 机器可对输入纸带执行的机器可对输入纸带执行的基本动作基本动作包括：包括：“翻转翻转0为为1”，或，或 “翻转翻转1为为0”, “前移一位前移一位”, “停止停止”。u 对基本动作的控制对基本动作的控制-指令指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以用指令也可以用0和和1来表示来表示：01表示表示“翻转翻转0为为1”(当输入为当输入为1时不变时不变)，10表示表示“翻转翻转1为为0”(当输入

60、当输入0时不变时不变), 11表示表示“前移一位前移一位”, 00表示表示“停止停止”。u 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序程序来完成来完成, 如如: 011110110111011100u 机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，读一条指令读一条指令执行执行一条指令。由此实现一条指令。由此实现自动计算自动计算。2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(Cont.2) u 基本的基本的图灵机模型图灵机模型为一个七元组为一个七元组,如右图示如右图示意意

61、u 几点结论几点结论:u(1) 图灵机是一种思想模型，它由一个控制图灵机是一种思想模型，它由一个控制器器(有限状态转换器有限状态转换器)，一条可无限延伸的带子，一条可无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头和一个在带子上左右移动的读写头构成。构成。u(2) 程序是五元组程序是五元组形式形式的指令集的指令集。其定义了机器在一个特定状态。其定义了机器在一个特定状态q下下从方格中读入一个特定字符从方格中读入一个特定字符X时所采取的动作时所采取的动作为在该方格中写入符号为在该方格中写入符号Y, 然后向右移一格然后向右移一格R (或向左移一格或向左移一格L或不移动或不移动N), 同时将机器状态同时将

62、机器状态设为设为p供下一条指令使用。供下一条指令使用。2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(Cont.3) u示例。示例。 (注注:圆圈内的是状态，箭线上的是圆圈内的是状态，箭线上的是，其含义见前页，其含义见前页)执行过程功能：将一串1的后面再加一位1。2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(Cont.4) u几点结论几点结论(续续):u(3)图图灵灵机机模模型型被被认认为为是是计计算算机机的的基基本本理理论论模模型型-计计算算机机是是使使用用相相应应的的程程序序来来完完成成任任何何设设定定好好的的任任务

63、务。 图图灵灵机机是是一一种种离离散散的的、有有穷穷的的、构构造造性性的的问问题题求求解解思思路路，一一个个问问题题的的求求解解可可以以通过构造其图灵机通过构造其图灵机(即程序即程序)来解决来解决。u(4)图图灵灵认认为为：凡凡是是能能用用算算法法方方法法解解决决的的问问题题也也一一定定能能用用图图灵灵机机解解决决; 凡凡是是图图灵灵机机解解决决不不了了的的问问题题任任何何算算法法也也解解决决不不了了-图灵可计算性问题。图灵可计算性问题。u(5)这这里里只只是是思思想想性性的的介介绍绍，更更为为深深入入内内容容需需要要在在形形式式语语言与自动机言与自动机课程中学习！课程中学习！2、 图灵机与冯

64、.诺依曼计算机(1) 图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(Cont.5) (2)冯冯.诺依曼计算机的思想与构成诺依曼计算机的思想与构成u19441945年间，冯年间，冯.诺伊曼提出诺伊曼提出 “存储程序存储程序”的计算机设计思的计算机设计思想想，并进行了实践，并进行了实践，现代计算机普遍来讲属于冯现代计算机普遍来讲属于冯.诺伊曼机体系。诺伊曼机体系。u 冯冯.诺伊曼机诺伊曼机的基本思想：的基本思想：l存储程序：存储程序：指令和数据指令和数据以同等地位以同等地位事先事先存于存储器存于存储器, 可按地可按地址寻访址寻访, 连续自动执行。连续自动执行。l五大部件构成：五大部件构成：运算器、

65、控制器、存储器、输入设备运算器、控制器、存储器、输入设备和和输出输出设备设备l指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成l以运算器为中心，控制器负责解释指令以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指，运算器负责执行指令令2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u以运算器为中心的冯以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图诺依曼计算机构成图(2)冯冯.诺依曼计算机的思想与构成诺依曼计算机的思想与构成(Cont.1)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u以存储器为中心的现代计算机构成图以存储器为中心的现代计算机构成图(2)冯冯.诺依曼计算机的思想与构成诺依

66、曼计算机的思想与构成(Cont.2)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机运算器存储器控制台控制器(1)(1)(3)(3)(10)(10)(5)(5)(2)(2)(4)(4)(6)(6)(1)启动控制器工作(2)发送第1条指令地址(3)取出指令并分析指令(4)执行指令：发送操作数x所在地址(5)执行指令：取出操作数x(10)执行指令：通知运算器计算a乘x(11)继续后续指令的取指、执行(6)发送下一条指令地址(7)取出指令并分析指令(8)执行指令：发送操作数a所在地址(9)执行指令：取出操作数a(7)(7)(8)(8)(9)(9)(2)冯冯.诺依曼计算机的思想与构成诺依曼计算机的思想与构成(Cont.

67、3)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u基本部件基本部件uCPU：中央处理单元中央处理单元(Central Process Unit)，将运算器和控，将运算器和控制器集成在一块芯片上，形成微处理器。制器集成在一块芯片上，形成微处理器。uCPU、主存储器、主存储器、I/O设备及总线成为现代计算机的四大核心设备及总线成为现代计算机的四大核心部件。部件。总线总线(2)冯冯.诺依曼计算机的思想与构成诺依曼计算机的思想与构成(Cont.4)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u 存储器的基本结构存储器的基本结构(3) 存储器的工作原理：自动存取存储器的工作原理：自动存取存存储储器器电电路路结结构构概概念念图图2、

68、 图灵机与冯.诺依曼计算机u 存储器内部的实现示例存储器内部的实现示例u当地址线和数据线间连当地址线和数据线间连接有二极管时，则由地址接有二极管时，则由地址线决定其是线决定其是1或或0，即：当，即：当地址线为高电平时，则为地址线为高电平时，则为1，而当地址线为低电平，而当地址线为低电平时，则为时，则为0。没有连接的，。没有连接的，则不受地址线影响，始终则不受地址线影响，始终连接到低电平。连接到低电平。 二极管二极管ROM结构示例结构示例(2位地址控制位地址控制4个信息单元个信息单元, 每个信息单元是每个信息单元是4位位0/1码码) (3)存储器的工作原理：自动存取存储器的工作原理：自动存取(C

69、ont.1) 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机二极管二极管ROM结构示例结构示例(2位地址控制位地址控制4个信息单元个信息单元, 每个信息单元是每个信息单元是4位位0/1码码) 11101011001011111100000101u 存储器内部的实现示例存储器内部的实现示例(3)存储器的工作原理：自动存取存储器的工作原理：自动存取(Cont.2) 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机2-4地址译码器地址译码器u 存储矩阵的逻辑控制关系示例存储矩阵的逻辑控制关系示例(3)存储器的工作原理：自动存取存储器的工作原理：自动存取(Cont.3) 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机110010000101同一条数据

70、线上同一条数据线上各连接点之间是各连接点之间是“或或”关系关系同一地址线上同一地址线上各连接点之间各连接点之间是是“与与”关系关系Dj是数据线是数据线Wi是地址线是地址线地址编码线与地址线有地址编码线与地址线有点连接，无点不连接点连接，无点不连接Ak是地址编码线是地址编码线地址线与数据线有点地址线与数据线有点连接，无点不连接连接，无点不连接高高/低电平信号，即低电平信号，即0,1，通过连接点相互传递通过连接点相互传递上半区通过上半区通过“与与”关关系产生地址线上的最系产生地址线上的最终信号传递到下半区终信号传递到下半区u存储器芯片的连接存储器芯片的连接u用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器。

71、用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器。 u利用已有芯片搭建更为复杂的电路：计算机的主板电路利用已有芯片搭建更为复杂的电路：计算机的主板电路、声声卡、网卡等卡、网卡等利用已有芯片建造的声卡利用已有芯片建造的声卡利用利用4个个256x8存储器芯片扩存储器芯片扩展出展出1024x8存储器的电路图存储器的电路图半导体存储器芯片示例半导体存储器芯片示例(3)存储器的工作原理：自动存取存储器的工作原理：自动存取(Cont.4) 2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(4)机器指令与机器级算法与程序的概念机器指令与机器级算法与程序的概念u算法的概念算法的概念-从从冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机的角度的角度u可在机

72、器上执行的求解问题的操作规则及步骤可在机器上执行的求解问题的操作规则及步骤, 被称被称为可执行的算法为可执行的算法2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(4)机器指令与机器级算法与程序的概念机器指令与机器级算法与程序的概念(Cont.1)u机器指令的概念机器指令的概念u机器指令是机器指令是CPU可以直接分析并可以直接分析并执行的指令，一般由执行的指令，一般由0和的编码和的编码表示。表示。u指令指令 操作码操作码 + 地址码地址码；u机器语言2、 图灵机与冯.诺依曼计算机000001 0000000100000001 0000001100000001 0000001000u机器指令程序的概念机器指令程序

73、的概念(4)机器指令与机器级算法与程序的概念机器指令与机器级算法与程序的概念(Cont.2)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u8 32+2 3+6;uax2+bx+c。u高级语言程序的示例高级语言程序的示例计算任一个ax2+bx+c的高级语言程序示例。其中a,x,b,c等均是变量。变量的地址是由编译程序在编译过程中自动分配的，也即是说编译器根据当时编译的情况，分配a,x,b,c为8号，9号，10号，11号存储单元，并产生上述的机器指令程序。(4)机器指令与机器级算法与程序的概念机器指令与机器级算法与程序的概念(Cont.3)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行

74、程序的基本过程执行程序的基本过程简单计算机的构成关系示意2、 图灵机与冯.诺依曼计算机u时钟周期、节拍与机器周期时钟周期、节拍与机器周期2.2 图灵机与冯.诺依曼计算机(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.0)(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.1)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机第1条指令在一个机器周期内完成。其中读取和执行分别在T0、T1和T2、T3节拍内完成。(示意)(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.2)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机第1条指

75、令在一个机器周期内完成。其中读取和执行分别在T0、T1和T2、T3节拍内完成。(示意)(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.3)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.4)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机(5) 冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机执行程序的基本过程执行程序的基本过程(Cont.5)2、 图灵机与冯.诺依曼计算机2、 图灵机与冯.诺依曼计算机本节的基本目标本节的基本目标: : 理解程序及其硬件实现思维理解程序及其硬件实现思维基本思维：基本思维：机器级算法与程序机器

76、级算法与程序机器指令与机器指令与指令系统指令系统存储器存储器存储程序存储程序运算器与控制器运算器与控制器机器级程序的执行机器级程序的执行；算法程序化；算法程序化程序指令化程序指令化指令指令存储化存储化执行信号化执行信号化相关课程：相关课程： 模拟电子与数字电子模拟电子与数字电子汇编语言汇编语言计算机原理计算机原理数字数字逻辑逻辑形式语言与自动机形式语言与自动机(6) 小结小结1、 理解理解0和和12、 图灵机和冯图灵机和冯.诺依曼计算机诺依曼计算机3、 现代计算机系统现代计算机系统4、 不同抽象层级的计算机不同抽象层级的计算机-软件系统软件系统模块2 计算系统的基本思维3、 现代计算机系统本节

77、的基本目标本节的基本目标: : 理解现代计算机系统的工作思维理解现代计算机系统的工作思维基本思维：基本思维：存储体系存储体系磁盘存取磁盘存取操作系统操作系统作业与作业与进程进程程序执行的管理与控制程序执行的管理与控制；资源组合利用体系化、管理分工合作；资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化。协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化。相关课程：相关课程： 操作系统操作系统计算机原理计算机原理接口技术接口技术高高级语言级语言编译系统编译系统；(1) 现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(2) 现代计算机的存储体系现代计算机的存储体系 (3) 核心软

78、件系统核心软件系统-操作系统操作系统(4) 计算机系统的工作过程计算机系统的工作过程3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成3、 现代计算机系统u现代计算机系统由现代计算机系统由硬件硬件、软件软件、数据数据和和网络网络构成。构成。u计算机硬件由计算机硬件由主机主机和和外部设备外部设备两大部分构成两大部分构成。(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.1)3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.2)l主电路板主电路板l接口电路板接口电路板3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.3

79、)l本质：冯本质：冯.诺依曼计算机诺依曼计算机3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.4)3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.5)u计算机软件由计算机软件由系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类构成两大类构成:l系统软件系统软件是用于对计算机进行管理、控制、维护，是用于对计算机进行管理、控制、维护，或者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。或者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。l应用软件应用软件则是用于解决各种实际问题、进行业务则是用于解决各种实际问题、进行业务工作的软件工作的软件3、 现代计算机系统(1)现代

80、计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.6)u系统软件系统软件中最重要的是操作系统；除此而外，还有计算机语言编译系统及其编程环境、数据库管理系统及用于管理和维护计算机系统的各种工具软件。3、 现代计算机系统(1)现代计算机系统的构成现代计算机系统的构成(Cont.7)u软件一览软件一览3、 现代计算机系统计算机软件系统操作系统系统软件应用软件语言处理系统数据库管理系统辅助性工具软件机器语言汇编语言高级语言C/C+/Visual C+PASCAL语言FORTRAN语言BASIC/VISUAL BASIC 语言应用软件包应用程序OracleSQL ServerAccessDB2 .Wind

81、owsUnix/LinuxiOSJava语言中间件系统(应用服务器等)WebSphereWebLogicTomcat其他，如OSGi .Cloud OSMobile OS元语言元语言基于云的数基于云的数据管理据管理HadoopGFSGAE(2)现代计算机的存储体系现代计算机的存储体系(Cont.1)3、 现代计算机系统回顾上节-冯.诺依曼计算机，解决了：程序装载在主存，程序装载在主存，并被并被CPU执行的问题执行的问题内存：内存：RAM/ROM地址：存储单元地址：存储单元1、2、4或或8个字节个字节外存：硬盘外存：硬盘/软盘软盘盘面盘面:磁道磁道:扇区扇区一个扇区存放一个扇区存放512个字节个

82、字节(2)现代计算机的存储体系现代计算机的存储体系(Cont.2)3 、现代计算机系统(2)现代计算机的存储体系：不同性能资源的组合优化现代计算机的存储体系：不同性能资源的组合优化ALUCU寄存器CPU按存储字字寻址访问按存储块块寻址访问内存内存RAM磁盘磁盘ROM3、 现代计算机系统(2)现代计算机的存储体系现代计算机的存储体系ALUCU寄存器CPU按存储字字寻址访问按存储块块寻址访问内存内存RAM磁盘磁盘ROM3、 现代计算机系统源程序机器语言程序编译存储体系环境下，程序如何被存储体系环境下，程序如何被CPU执执行呢？行呢？3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系

83、统操作系统操作系统计算机计算机硬件硬件用户用户u 操作系统操作系统是最基本、最重要的系统软件，是对硬件功能扩展的软件软件。？化整为零、化整为零、分工合作、分工合作、协同求解协同求解ALUCU寄存器CPU按存储字字寻址访问按存储块块寻址访问内存内存RAM磁盘磁盘ROM程序如何存储程序如何存储在外存上面在外存上面?程序如何装载到内存程序如何装载到内存上面上面?装载到哪里装载到哪里?程序如何被程序如何被CPU执行执行?CPU执行哪个程序执行哪个程序?源程序机器语言程序编译3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统存储体系环境下，程序如何被程序如何被CPU执行呢？执行呢？u操

84、作系统对磁盘的管理示意操作系统对磁盘的管理示意-硬件功能的扩展之例一硬件功能的扩展之例一: 化整化整为零为零(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.1)3、 现代计算机系统 用户用户信息信息/程序程序文件文件A A文件文件A文件文件B文件文件C外存外存(硬盘硬盘/软盘软盘/光盘光盘)3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.2)u文件内容及磁盘扇区存储示例磁盘扇区的存储内容：磁盘扇区的存储内容：以十六进制显示每一字以十六进制显示每一字节的节的0/1信息信息(专用软件进专用软件进行读取行读取)。文件内容：以文本文件文件内容：以文本文件阅读

85、器打开并显示的文阅读器打开并显示的文本文件的内容，每一字本文件的内容，每一字节按节按ASCII码解读码解读(“记事记事本本”打开打开)。文件目录文件目录(文件夹文件夹)及文件及文件名名(操作系统管理操作系统管理)(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.3)u文件内容及磁盘扇区存储示例文件内容及磁盘扇区存储示例NTFS系统的主文件系统的主文件表表MFT,即文件分配表即文件分配表磁盘的四个主要区域保留扇区保留扇区文件分配表区域文件分配表区域根目录区域根目录区域数据区域数据区域3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.4)u 计算机病毒攻击的

86、目标计算机病毒攻击的目标3、 现代计算机系统3、 现代计算机系统程序如何装载到内存程序如何装载到内存上面上面?装载到哪里装载到哪里?程序如何被程序如何被CPU执行执行?CPU执行哪个程序执行哪个程序?程序如何存储程序如何存储在外存上面在外存上面?源程序机器语言程序编译(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.5) 程序如何装载到内存程序如何装载到内存上面上面?装载到哪里装载到哪里?程序如何被程序如何被CPU执行执行?CPU执行哪个程序执行哪个程序?(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.6)u磁盘管理与文件管理磁盘管理与文件管理3、 现代计算机系统(3)核

87、核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.7)u内存管理内存管理Dm-1, , D0存储单元个数：存储单元个数：2n由由An-1,A1,A0等等n位位二进制数编码每一个二进制数编码每一个地址地址内存被分成不同的块内存被分成不同的块(或页或页)，一般而言，一般而言，内存的一页和磁盘的内存的一页和磁盘的一块相等或为其倍数。一块相等或为其倍数。3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.8)u内存管理内存管理3、 现代计算机系统内存储器内存储器分工：操作系统分工：操作系统对内存的管对内存的管理与控制理与控制-使用哪一段内存使用哪一段内存内存空间分配内存回

88、收内存与外存信息的自动交换内存空间管理进程进程1000001段内存段内存运算器控制器CPU状态与管控状态与管控(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.9)uCPU管理管理/进程管理进程管理3、 现代计算机系统分工：操作系统分工：操作系统对对CPU的管的管理与控制理与控制-执行哪一个进程执行哪一个进程就绪运行运行进程进程2状态控制状态控制就绪等待运行运行进程进程1状态控制状态控制等待等待等待进程进程2进程进程1000000段内存段内存内存储器内存储器000001段内存段内存运算器控制器CPU状态与管控状态与管控状态与管控状态与管控(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系

89、统(Cont.9)u操作系统的典型功能：任务操作系统的典型功能：任务-作业作业-进程管理进程管理, 协同问题求解协同问题求解3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.10)u操作系统的典型功能：内存管理与作业管理操作系统的典型功能：内存管理与作业管理3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.12)u操作系统的典型功能：内存管理、作业管理与操作系统的典型功能：内存管理、作业管理与CPU管理管理3、现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.12)u操作系统的典型功能：内存管理、作业管理与操作

90、系统的典型功能：内存管理、作业管理与CPU管理管理3、 现代计算机系统(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.13)u操作系统的典型功能：内存管理、作业管理与操作系统的典型功能：内存管理、作业管理与CPU管理管理3、 现代计算机系统3、 现代计算机系统操作系统CPU管理存储管理文件管理设备管理作业管理管理各种软件使用管理各种软件使用CPUCPU管理各种软件使用内存管理各种软件使用内存各种信息的物理存储与处理各种信息的物理存储与处理与计算机相连接的各设备的管理与计算机相连接的各设备的管理程序及程序执行顺序管理程序及程序执行顺序管理操作系统控制、管理、调度计算机系统的各种资源进

91、行工作: 硬件资源和软件资源u操作系统的五大基本功能操作系统的五大基本功能(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.17)u操作系统引导过程及命令执行过程操作系统引导过程及命令执行过程引导程序基本输入输出部分磁盘文件管理部分命令解释器ROM BIOS用户键入命令内部命令直接执行外部命令需要找到程序并装载入内存外部命令执行磁盘磁盘ROM(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.18)3、现代计算机系统(阅读资料)操作系统的使用 OS启动OS关闭初始化系统环境初始化系统环境加载设备驱动程序加载设备驱动程序加载服务程序等加载服务程序等加载系统程序加载系统程序, 如

92、程序如程序管理器管理器/命令解释器等命令解释器等 保存用户设置保存用户设置关闭服务程序关闭服务程序通知其他联机用户通知其他联机用户保存系统运行状态保存系统运行状态将内存内容写回外存中将内存内容写回外存中正确关闭相关设备正确关闭相关设备u操作系统的启动和关闭操作系统的启动和关闭(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.19)3、 现代计算机系统(阅读资料)u操作系统界面的两种类型：联机命令接口操作系统界面的两种类型：联机命令接口要熟悉操作系统提供的各种命令(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.20)3、 现代计算机系统(阅读资料)u操作系统界面的两种类型：

93、图形用户界面操作系统界面的两种类型：图形用户界面要熟悉用鼠标和键盘操作菜单/对话框的各种方法(3)核核心软件系统心软件系统-操作系统操作系统(Cont.21)3 现代计算机系统(阅读资料)控制台电源外存储器CPUROMRAMROM中程序中程序外存中程序外存中程序程序数据程序数据程序3、 现代计算机系统(4)计算机系统工作过程计算机系统工作过程控制台电源外存储器CPUROMRAMROMROM中程序中程序操作系统操作系统应用程序数据操作系统数据程序(4)计算机系统工作过程计算机系统工作过程(Cont.1)3、 现代计算机系统CPU等待用户输入CPU接受用户输入用户键入命令CPUCPUCPUCPUC

94、PU分析用户输入寻找该命令的程序CPU将该命令程序装入内存CPUCPU命令开始工作完成工作操作系统操作系统应用程序应用程序(4)计算机系统工作过程计算机系统工作过程(Cont.2)3、 现代计算机系统3、 现代计算机系统本节的基本目标本节的基本目标: : 理解现代计算机系统的工作思维理解现代计算机系统的工作思维基本思维：基本思维：存储体系存储体系磁盘存取磁盘存取操作系统操作系统作业与作业与进程进程程序执行的管理与程序执行的管理与控制控制相关课程：相关课程： 操作系统操作系统计算机原理计算机原理接口技术接口技术高级语言高级语言编译系编译系统统(5) 小结小结1、 理解理解0和和12、 图灵机和冯

95、图灵机和冯.诺依曼计算机诺依曼计算机3、 现代计算机系统现代计算机系统4、 不同抽象层级的计算机不同抽象层级的计算机: 软件系统软件系统模块2 计算系统的基本思维4、 不同抽象层级的计算机l语言与编译器语言与编译器l不同抽象层级计算机不同抽象层级计算机( (虚拟机器虚拟机器) )l操作系统层级计算机操作系统层级计算机l协议与编码器协议与编码器/ /解码器解码器？基本思维：基本思维：高级语言与汇编语言高级语言与汇编语言语言与编译器语言与编译器协议与编码器协议与编码器/解码器解码器不不同层面的计算机同层面的计算机相关课程：相关课程：高级语言程序设计高级语言程序设计汇编语言程序设计汇编语言程序设计编

96、译原理编译原理计计算机网络算机网络操作系统操作系统Internet执行零壹编程符号、汇编语执行零壹编程符号、汇编语言高级语言、不同层次虚拟言高级语言、不同层次虚拟机器、分层变换编译真谛、机器、分层变换编译真谛、各级协议编解码器、道理相各级协议编解码器、道理相通扩展容易通扩展容易算法算法解决问题解决问题的步骤的步骤程序程序计算机能够理解与计算机能够理解与执行的解决问题的步骤执行的解决问题的步骤计算机语言计算机语言步骤书写的规范、语法规则、标准的集合步骤书写的规范、语法规则、标准的集合是人和计算机都能理解的语言是人和计算机都能理解的语言(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器u 算法、语言与计算

97、机程序算法、语言与计算机程序4、 不同抽象层级的计算机u计算机能够理解与执行什么呢？计算机能够理解与执行什么呢？例如：完成例如：完成7+107+10并存储的并存储的一段程序一段程序u机器语言：机器语言：用二进制和编码方式提供的指令系统所编写程序的语言被称为机器语言100001 1000000111100010 1100001010100101 1100000111111101 00u所有程序都需转换成机器语言程序计算机所有程序都需转换成机器语言程序计算机才能执行才能执行u指令系统：指令系统：CPU用二进制和编码提供的可以解释并执行的命令的集合。100001 10 00000111100010

98、11 00001010操作码 地址码4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.1)u用机器语言编写程序存在什么问题呢？用机器语言编写程序存在什么问题呢？例如：完成例如：完成7+107+10并存储的并存储的一段程序一段程序u汇编语言：汇编语言：是用助记符号编写程序的语言。u汇编语言源程序：汇编语言源程序：是用汇编语言编出的程序。u汇编程序汇编程序: 是将汇编语言源程序翻译成机器语言程序的程序。u用符号编写程序用符号编写程序 = 翻译翻译 = 机器语言程序。MOV A, 7ADD A, 10MOV (7), AHLTu人们提供了这样一套规范/书写标准，即用助记

99、符助记符编写程序的规范，同时开发了一个翻译程序翻译程序，实现了将符号程序自自动动转换成机器语言程序的功能。100001 1000000111MOV A, 7操作码 地址码4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.2)MOV A, 7ADD A, 10MOV (7), AHLT汇编汇编程序程序源程序源程序助记符号助记符号机器语机器语言程序言程序二进制和编码二进制和编码10000110000001111000101100001010100101110000011111110100u汇编语言程序处理过程示意汇编语言程序处理过程示意自动转换4、 不同抽象层级的计算

100、机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.3)4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.4)MOV A, 7ADD A, 10MOV (6), AHLT汇编汇编程序程序汇编语言源程序助记符号机器语言程序二进制和编码10000110000001111000101100001010100101110000011011110100自动转换转换执执行行汇编汇编语言语言转换规则 助记符号，机器指令用助记符号书写程序的规范、语法规则、标准的集合是人和计算机都能理解的语言机器指令的集合是计算机能够理解，但人理解困难的语言机器机器语言语言编制执行人人依据的规

101、则产生完成7+10并存储的汇编语言程序完成7+10并存储的机器语言程序u复杂，不容易编写大程序，不利于复杂算法的实现 例如：完成例如：完成7+107+10并存储的并存储的一段程序一段程序u 能不能像写数学公式一样编写程序呢? 先按类似于自然语言方式书写程序自然语言方式书写程序，然后再自动翻自动翻译译成机器语言呢？Result = 7+10;Returnu人们又提供了这样一套规范/书写标准，以语句为单位编写程序, 并开发了一个翻译程翻译程序序，实现了将语句程序自动自动翻译成机器语言程序的功能。u高级语言：高级语言：是用类似自然语言的语句编写程序的语言。u高级语言源程序：高级语言源程序：是用高级语

102、言编出的程序。u编译程序：编译程序：是将高级语言源程序翻译成机器语言程序的程序。u用汇编语言编写程序存在什么问题呢？用汇编语言编写程序存在什么问题呢？u怎样解决呢？4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.5)编译编译程序程序源程序源程序语句语句机器语机器语言程序言程序二进制和编码二进制和编码Result = 7+10Return10000110000001111000101100001010100101110000011111110100MOV A, 7ADD A, 10MOV (7), AHLTu高级语言程序处理过程示意高级语言程序处理过程示意4、 不

103、同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.6)4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.7)4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.8)u用所提供的积木块(一组程序)构造更大一些的积木块，再用这些积木块构造更大的程序， 。u面向对象的程序设计语言面向对象的程序设计语言与可视化构造语言可视化构造语言u能不能像堆积木一样构造程序呢？能不能像堆积木一样构造程序呢？例如：可例如：可视化构造视化构造语言示例语言示例可视化构可视化构造语言的造语言的积木块积木块, ,每一个积每一个积木块都对木块都对应

104、一组已应一组已编写好并编写好并可执行的可执行的程序。程序。4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.9)计算机/CPU能识别与执行的机器语言程序机器语言程序汇编程序编译程序编译程序编程效率高执行效率高汇编语言源程序汇编语言源程序自动转换高级语言源程序高级语言源程序自动转换语言积木块语言积木块自动转换更大的语言积木块更大的语言积木块自动转换编译程序u计算机语言发展的基本思维计算机语言发展的基本思维4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.10)u不仅要用语言，还要发明新语言不仅要用语言，还要发明新语言4、 不同抽象层级的

105、计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.11)(可执行可执行)计算计算机语言源程机语言源程序序新语言源新语言源程序程序编译器编译器新语言新语言：书写规范及其语法结构编辑器编辑器类自然语言类自然语言图形化的模型图形化的模型积木块式编程语言积木块式编程语言智能化语言及模型智能化语言及模型(面向各专业的面向各专业的)专业化语言专业化语言u 计计算算机机技技术术是是伴伴随随着着计计算算机机语语言言的的不不断断发发展展而而发发展展起来的起来的u计计算算机机语语言言扩扩展展了了机机器器的的能力能力u计计算算机机语语言言的的不不断断演演变变与与发展发展u不断提出新的语言不断提出新的语言F

106、ORTRANCOBOLJAVAC+4、 不同抽象层级的计算机(1)计算机语言与编译器计算机语言与编译器(Cont.12)u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont.1)计算机计算机计算机的使用者-所有人应用别人编写的程序。(对计算机内部基本不了解)4、 不同抽象层级的计算机u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机计算机程序员-计算机相关专业人员用高级语言编写程序。(理解：操作系统提供的API或计算机语言提供的各类函数/过程)算法与程序构

107、造能力算法与程序构造能力(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont.2)4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机计算机硬件系统程序员硬件系统程序员-计算机相关专业人员计算机相关专业人员用汇编语言编写程序。用汇编语言编写程序。(理解：硬件的结构和指令系统；理解：硬件的结构和指令系统；理解操作系统提供的扩展功能指令理解操作系统提供的扩展功能指令)控制硬件的算法与程序的构造能力控制硬件的算法与程序的构造能力(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont

108、.3)4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机计算机系统程序员系统程序员-计算机专业人员计算机专业人员用机器语言和操作系统指令编写程序。用机器语言和操作系统指令编写程序。(理解：硬件的结构和指令系统；理解：硬件的结构和指令系统；理解操作系统提供的扩展功能指令理解操作系统提供的扩展功能指令)(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont.4)4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机计算

109、机硬件系统和操作系统程序员硬件系统和操作系统程序员-计算机专业人员。计算机专业人员。用机器语言或用控制信号编写程序。用机器语言或用控制信号编写程序。(理解：硬件的结构和指令系统；理解信号控制逻辑理解：硬件的结构和指令系统；理解信号控制逻辑)(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont.5)4、 不同抽象层级的计算机u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强(2)不同抽象层级计算机不同抽象层级计算机(虚拟机器虚拟机器)4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机l应用程序、操作系统应用程序、操作系统及其物理设备之间的控及其物理

110、设备之间的控制关系制关系?l高级语言程序是怎样高级语言程序是怎样控制不同类别的设备的控制不同类别的设备的?l操作系统对计算机语操作系统对计算机语言的支持言的支持?(3)操作系统层级计算机操作系统层级计算机4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计算机OS怎样控制不同厂家怎样控制不同厂家的同类别设备？的同类别设备？4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计算机OS怎样控制不同怎样控制不同类别的设备？类别的设备？OS怎样让用户不考虑设怎样让用户不考虑设备的具体操作细节？备的具体操作细节？4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计

111、算机高级高级语言语言程序程序设计设计API LibraryOS: 操作操作系统系统接口：设备接口：设备驱动程序驱动程序4、 不同抽象层级的计算机OS: 操作操作系统系统设备无关层控制设备无关层控制设备相关层控制设备相关层控制设备驱动与接口设备驱动与接口设备设备4、 不同抽象层级的计算机4、 不同抽象层级的计算机u操作系统对外部设备的管理示意操作系统对外部设备的管理示意-硬件功能的扩展之例三硬件功能的扩展之例三COPY DSP.txt Con: (3)操作系统层级计算机操作系统层级计算机4 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器-信息处理的一般性思

112、维信息处理的一般性思维u信息绑定信息绑定协议协议协议编码器协议编码器/ /解码器解码器示例示例4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机u一般而言，“协 议 ”是为交流信息的双方(计算机)能够正确实现信息交流而建立的一 套 规 则 、标准或约定。像素表达颜色的不同，像素表达颜色的不同，需要编码的位数不同。需要编码的位数不同。黑白黑白-1位位256级灰度级灰度-8位位16色彩色色彩色-4位位256色彩色色彩色-8位位24位真彩色位真彩色-24位位u图像的表示与处理图像的表示与处理u位图图像：位图图像：将图像划分成均匀的由单元点构成的网格，每个单元点称为像素。每个像素可由1位或多位表示，1位只

113、能表示黑白图像，8位能表示灰度图象，24位则能表示彩色图像。单位尺寸内的像素数目被称为图像的分辨率，由水平像素数目垂直像素数目来表示。4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器-多媒体处理多媒体处理(Cont.1)u图像编码：图像编码：由于位图图像的存储量大(水平像素数目垂直像素数目每像素位数)，通常都需要进行压缩存储，不同的压缩采用了不同的图像编码。典型的有：u JPEG：国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合成立的“联合照片专家组” 于1991年3用提出了JPEG标准(Joint Photographic Exp

114、erts Group) 。u 其他常用编码格式有：其他常用编码格式有：BMP，GIF，TIFF，水平像素点数水平像素点数垂垂直直像像素素点点数数像素点的位数像素点的位数4、不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器-多媒体处理多媒体处理(Cont.2)采样频率采样精度编码方法及其保真度u音频信息的表示与处理音频信息的表示与处理u音频编码音频编码：音频是连续的模拟信号，需经采样、量化和编码后形成数字音频后，进行数字处理。所谓采样是指按一定的采样频率对连续音频信号做时间上的离散化,即对连续信号隔一定周期获取一个信号点的过程。而量化是将所采集的信号点的数值

115、区分成不同位数的离散数值的过程,而编码则是将采集到的离散时间点的信号的离散数值按一定规则编码存储的过程。4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器/解码器-多媒体处理(Cont.3)数据速率压缩比关键帧音频轨音频轨文字轨文字轨视频轨视频轨u视频信号的表示与处理视频信号的表示与处理u视频：视频是时间序列的动态图像(如25帧/秒)，也是连续的模拟信号，需要经过采样、量化和编码形成数字视频，保存和处理。同时，视频还可能是由视频、音频及文字经同步后形成的。因此视频处理相当于按照时间序列处理图像、声音和文字及其同步问题。4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与

116、编码器协议与编码器/解码器解码器-多媒体处理多媒体处理(Cont.4)u视频信号的表示与处理视频信号的表示与处理u视频编码：视频编码： MPEG是是Moving Pictures Experts Group(动态动态图象专家组图象专家组)的缩写。提出了四个版本：的缩写。提出了四个版本：MPEG-I(VCD: Video CD) 、MPEG-II (DVD:Digital Versatile Disk) 、MPEG-III、MPEG-(多媒体多媒体)。uMIDI 音乐音乐(Musical Instrument digital Interface)，WAV，MP3等是音频的编码标准。等是音频的编码

117、标准。4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器-多媒体处理多媒体处理(Cont.5)4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器(Cont.6)示例示例u当遇到复杂信息处理问题时当遇到复杂信息处理问题时, ,如何化复杂为简单呢？如何化复杂为简单呢？u分层的思想分层的思想-将复杂的问题分层求解。将一个复杂问题分为不同层面，将复杂的问题分层求解。将一个复杂问题分为不同层面，比如从宏观到微观的若干层，从概念到实现的若干层等，每一层相对来讲比比如从宏观到微观的若干层，从概念到实现的若干层等，每一层相对来

118、讲比较简单，可清晰定义每一层的协议较简单，可清晰定义每一层的协议/ /标准并编制相应的处理程序。然后再建标准并编制相应的处理程序。然后再建立高层向低层的转换关系，从而实现复杂问题求解。立高层向低层的转换关系，从而实现复杂问题求解。4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计算机(4) 协议与编码器协议与编码器/解码器解码器(Cont.7)u计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机语言促进了计算机处理能力的不断增强计算机计算机计算机计算机计算机计算机计算机计算机(2)不同抽象层级不同抽象层级计算机计算机(虚拟机器虚拟机器)(Cont.1)计算机计算机4、 不同抽象层级的不同抽象层级的计算机计

119、算机本模块小结本模块小结计算系统的基本思维计算系统的基本思维l从语义层到硬件实现都可使用从语义层到硬件实现都可使用0和和1表达与处理；表达与处理；l图图灵灵将将控控制制处处理理的的规规则则用用0和和1表表达达, 将将待待处处理理的的信信息息及及结结果果也也用用0和和1表表达达, 处处理即是对理即是对0和和1的变换的变换, 提出了计算机的理论模型提出了计算机的理论模型-图灵机；图灵机；lVon Neumann提提出出了了将将程程序序和和数数据据存存储储于于存存储储器器中中，实实现现连连续续自自动动计计算算的的现现代代计计算算机机模模型型-Von Neumann计计算算机机，促促进进了了计计算算机机技技术术由由理理论论向向实实现现的的转转变；变；l计计算算机机的的发发展展伴伴随随的的是是计计算算机机语语言言的的发发展展，使使计计算算机机所所能能实实现现的的功功能能也也越越来来越多越来越大；越多越来越大；l计计算算技技术术，本本质质上上讲讲可可认认为为是是将将各各种种语语义义信信息息绑绑定定于于0,1及及其其之之上上的的符符号号串串，定定义义绑绑定定规规则则形形成成协协议议或或语语言言，然然后后通通过过实实现现协协议议解解析析或或语语言言编编译译来来实实现现计计算能力的提升；算能力的提升；l复杂问题可通过分离或分层，化难为简复杂问题可通过分离或分层，化难为简, 得到实现。得到实现。