大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課件

1、關(guān)于大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第1頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三Overview數(shù)制數(shù)、碼編碼與文本多媒體數(shù)據(jù)邏輯基礎(chǔ)第2頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三概述計(jì)算就需要數(shù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)的表示是一個基礎(chǔ)性的問題表示各種現(xiàn)實(shí)世界對象的“數(shù)據(jù)”，So數(shù)的表示也延伸到了數(shù)據(jù)的表示不同應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)類型有不同計(jì)算表示實(shí)體對象統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示方法基本形態(tài)是二進(jìn)制第3頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三2.2數(shù)制Number System“計(jì)數(shù)（或記數(shù)）體制”多位數(shù)中每一位的構(gòu)成方法以及實(shí)現(xiàn)從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則，也叫做進(jìn)制數(shù)學(xué)家們研究數(shù)制的規(guī)則和

2、規(guī)律計(jì)算機(jī)科學(xué)中將數(shù)制規(guī)則和規(guī)律通過電路實(shí)現(xiàn)常用進(jìn)制二、十、八、十六第4頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三數(shù)制 常用進(jìn)制R進(jìn)制R個數(shù)碼，數(shù)碼從0到R-1數(shù)：每位數(shù)碼和該位的權(quán)系數(shù)的乘積權(quán)系數(shù)也叫做冪次或叫做權(quán)重（Power Weight）逢R進(jìn)1計(jì)數(shù)規(guī)則十進(jìn)制 Decimal System09，逢十進(jìn)一第5頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三二進(jìn)制Binary System位(比特，bit）是計(jì)算機(jī)處理的最小單位0和1兩個數(shù)碼，被組合成各種序列以適應(yīng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理的數(shù)據(jù)類型選擇二進(jìn)制的一個最簡單也是最實(shí)際的理由是它容易被物理器件實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制起源于

3、中國八卦多項(xiàng)式表示一個二進(jìn)制數(shù)：101011012= 127+026+125+024+123+122+021+120第6頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三八進(jìn)制 and 十六進(jìn)制Octal System八個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、78 = 23 一位八進(jìn)制對應(yīng)于三位二進(jìn)制Hexadecimal System16個數(shù)碼：09 ，A、B、C、D、E、F字節(jié)（Byte，8個二進(jìn)制位）= 兩位十六進(jìn)制16 = 24：4位二進(jìn)制和1位十六進(jìn)制對應(yīng)第7頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三二進(jìn)制的基本運(yùn)算二進(jìn)制加法0 + 0 = 00 + 1 = 11

4、 + 0 = 11 + 1 = 10Here Carry二進(jìn)制乘法0 0 = 00 1 = 01 0 = 01 1 = 1第8頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三二進(jìn)制和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換1二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)按冪次展開，然后相加1101.01 2 = 123+122+021+120+012-1+12-2 = 8 + 4 + 0 + 1 + 0 + 0.25 = 13.25 102. 十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)小數(shù)第9頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)173 10 = 10101101 2第10頁，共53頁，2022年，5

5、月20日，19點(diǎn)58分，星期三十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，0.8125 10 =0.1101 2第11頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三二進(jìn)制與八進(jìn)制轉(zhuǎn)換二進(jìn)制與八進(jìn)制存在對應(yīng)的冪次關(guān)系Binary Octol257.0648 = 010 101 111 . 000 110 1002第12頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三二進(jìn)制、十六進(jìn)數(shù)轉(zhuǎn)換16=2410110101.001012 =0B5.2816See Table 2-1第13頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三第14頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期

6、三2.4計(jì)算機(jī)中的數(shù)正負(fù)：符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)+101101011-101111011真值 機(jī)器數(shù)運(yùn)算的數(shù)定義：原碼（Original Code）反碼（Ones Complement）補(bǔ)碼（Twos Complement）不同的運(yùn)算使用不同的碼和不同的運(yùn)算方法設(shè)計(jì)運(yùn)算器第15頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三原碼原碼即上述的機(jī)器數(shù)n位二進(jìn)制數(shù)，最高位被設(shè)置為符號位，其后的n-1位表示真值。原碼的特點(diǎn)簡單直觀用原碼可以比較方便地進(jìn)行乘法運(yùn)算：尾數(shù)相乘符號位簡單相加法就可以得到乘積第16頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三反碼反碼的定義是：一

7、個正數(shù)的反碼就是它的機(jī)器數(shù)，負(fù)數(shù)的反碼其最高位（符號位）為1，其余各位按位求反例如，+1010010 反碼為 01010010 - 1010010 反碼為 1 0101101反碼和原數(shù)相加：結(jié)果為所有位都是1對1互補(bǔ)專業(yè)術(shù)語：Ones Complement第17頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三補(bǔ)碼 補(bǔ)碼的定義是：正數(shù)的補(bǔ)碼等于它的原碼，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于它的反碼加1（最低位加1，進(jìn)位不改變符號位）例如，+1010010 的補(bǔ)碼為 01010010- 1010010 的補(bǔ)碼為 10101110 補(bǔ)碼一個有意思的特性是：補(bǔ)碼的補(bǔ)碼將還原為原碼專業(yè)術(shù)語：對2求補(bǔ)(Twos Co

8、mplement)補(bǔ)碼用于減法運(yùn)算第18頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)數(shù)的表示兩種格式：定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算機(jī)中保存數(shù)二進(jìn)制固定長度定點(diǎn)數(shù)：16位或32位小數(shù)點(diǎn)固定在某一個位置定點(diǎn)純小數(shù)、定點(diǎn)純整數(shù)浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置是浮動的第19頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三定點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)純小數(shù)格式定點(diǎn)純整數(shù)格式第20頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三浮點(diǎn)數(shù)思想來源于科學(xué)計(jì)數(shù)法（指數(shù)）容許的數(shù)值范圍大，處理硬件復(fù)雜浮點(diǎn)數(shù)分階碼和尾數(shù)階碼：小數(shù)點(diǎn)位置帶符號的整數(shù)類似于數(shù)學(xué)中數(shù)的指數(shù)部分尾數(shù)表示數(shù)的有效數(shù)值：純整數(shù)或純小數(shù)第21

9、頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三2.5編碼和文本數(shù)還有另外一種功用：碼（Code）編碼的目的是為了便于標(biāo)記特定的對象設(shè)計(jì)編碼時需要按照一定的規(guī)則“碼制（Code System）”重要概念位模式常用編碼：ASCII、漢字編碼、多媒體數(shù)據(jù)第22頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三位模式用于計(jì)算的數(shù)：用二進(jìn)制位的多位組合表示定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)更多的數(shù)據(jù)類型，就需要有更多的二進(jìn)制位的組合規(guī)則位模式bit pattern用0和1組成的二進(jìn)制位序列及其規(guī)則是一種數(shù)據(jù)表示方法要由計(jì)算機(jī)程序去理解它們位模式要求：用戶、程序設(shè)計(jì)者按某種規(guī)則形成、存儲和處理數(shù)據(jù)位模式的

10、二進(jìn)制位序列長度取決于被編碼對象的數(shù)量第23頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三文本和文檔文本（Text）編碼來表示文本中的每一個符號包括字母、標(biāo)點(diǎn)，都以一個唯一的二進(jìn)制位序列表示在計(jì)算機(jī)中，文本就是位模式的二進(jìn)制數(shù)據(jù)長串基礎(chǔ)的文本編碼就是ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange基于English文本編碼是計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)第24頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三ASCII碼ANSI制定，后為ISO 646適用于英文，兩種形式：7位碼和8位碼7位二進(jìn)制ASCII碼單字節(jié)字符

11、編碼方案，基本的文本數(shù)據(jù)8位碼是擴(kuò)展ASCII碼，See Appendix A第25頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三Unicode編碼通用多文種字符集表示幾乎世界上所有書寫語言的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一碼、單一碼、萬國碼可支持超過百萬個字符的編碼Unicode編碼國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10646ISO采用的是32位模式用于世界范圍各種語言文字的文本形式的字符集，也收集了漢字第26頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三漢字編碼漢字編碼的目的是為了計(jì)算機(jī)能夠處理、顯示、打印、交換漢字字符國家漢字編碼標(biāo)準(zhǔn)GB2312-1980簡化漢字6763個，7445個字符港澳臺地

12、區(qū)使用繁體漢字BIG5碼1995年的GBK擴(kuò)展?jié)h字編碼標(biāo)準(zhǔn)GB2312-1980的擴(kuò)展收錄了2.1萬多個漢字GBK支持ISO 10646中的全部中、日、韓漢字2001年GB18030GBK的升級160萬碼位，目前漢字約為2.6萬個第27頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三2.6多媒體數(shù)據(jù)多媒體文本，圖形、音頻、視頻等多種數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，并使之在邏輯上建立聯(lián)系今天計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)都支持多媒體數(shù)據(jù)處理相比文本第28頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三圖形和圖像圖形（Graphics）幾何線條、幾何符號等形式表示物體的輪廓在數(shù)據(jù)表達(dá)上圖形和圖像也被認(rèn)為是同類例如

13、，Windows的“畫筆”程序，既可以畫幾何圖形，也可以對圖形著色使之成為圖像（Picture，Image）兩種技術(shù)：位圖和矢量圖第29頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三位圖技術(shù)微軟公司提出的又稱光柵圖（RasterGraphics）使用像素（Pixel）陣列，每一個像素是一個點(diǎn)（Dot），點(diǎn)數(shù)據(jù)的大小取決于分辨率位模式有1、4、8、16、24及32位等灰度圖像每一個像素需要更多的二進(jìn)制位彩色圖形、圖像RGB第30頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三矢量圖技術(shù)任何圖像、圖形可以分解為曲線和直線的組合直線和曲線度都可以使用數(shù)學(xué)公式表示直線、曲線公式的

14、組合作為圖形數(shù)據(jù)存儲起來，需要顯示或者打印圖形圖像數(shù)據(jù)時畫圖的公式被重新執(zhí)行并根據(jù)給定的大小畫出（重現(xiàn)）圖形圖像矢量圖看上去更加平滑，不會產(chǎn)生紋波誤差第31頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三音頻音頻（Audio）包含了聲音（Voice）和音樂（Music）計(jì)算機(jī)音頻就是研究在計(jì)算機(jī)中表示和處理聲音與音樂數(shù)據(jù)，目前沒有“數(shù)字音頻標(biāo)準(zhǔn)”第32頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三視頻視頻（Video）是圖像的動態(tài)過程一幅幅（Frame）圖像數(shù)據(jù)連續(xù)播放，就成為了動態(tài)圖像也是一種位模式數(shù)據(jù)壓縮處理后存儲，播放時需要解壓MPEG制定的一系列視頻編碼和壓縮標(biāo)準(zhǔn)

15、音頻/視頻的MPEG-1到MPEG-4MPEG是ISO指定的標(biāo)準(zhǔn)研究組織，它的最新工作是MPEG-21第33頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三2.7邏輯運(yùn)算和門電路用數(shù)學(xué)的方法研究關(guān)于推理、證明等問題的學(xué)科數(shù)理邏輯，也叫做符號邏輯英國數(shù)學(xué)家布爾建立了布爾代數(shù)(邏輯代數(shù))計(jì)算機(jī)重要的科學(xué)基礎(chǔ)邏輯關(guān)系可以被解釋為因果關(guān)系“因”是條件條件之間的關(guān)系用邏輯連接詞進(jìn)行組合根據(jù)不同的條件得到“結(jié)果”邏輯運(yùn)算對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路，叫做門電路基本邏輯(運(yùn)算)關(guān)系與（AND），或（OR），非（NOT）第34頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三邏輯關(guān)系 與只有決定結(jié)果的條件

16、全部滿足，結(jié)果才成立，這種邏輯關(guān)系叫做邏輯與表示A AND BA BAB把變量和邏輯關(guān)系的取值列表，就得出了真值表（True Table）ABAB000010100111第35頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三邏輯或決定結(jié)果的條件中只要任何一個滿足，結(jié)果就成立。這種邏輯關(guān)系叫做邏輯或表示A OR BA+B表2-3邏輯或真值表ABA+B000011101111第36頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三邏輯非。最簡單的描述就是結(jié)果對條件的“否定”表示Not A邏輯非的真值表1001AA第37頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三邏輯

17、代數(shù)通過代數(shù)學(xué)的方法研究邏輯關(guān)系，通過變換、簡化或組合等方法進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)邏輯表達(dá)式A + ABA + AB邏輯函數(shù)F = f（A，B，C，） AB=A+B 反演定律A+BC(A+B)(A+C) 分配律 A+AB=A+B 吸收律第38頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三門電路實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電路是邏輯電路中的單元電路Gate基本的門電路有：與門或門非門異或門門電路的基本特點(diǎn)第39頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三基本門電路用基本門電路可以組合成多種復(fù)合門電路 （a）與門 F=AB （b）或門 F = A+B （c）非門 F = 第40頁，共53頁，

18、2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三與非門第41頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三ABF001010100110或非門第42頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三異或門第43頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三2.8邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)邏輯設(shè)計(jì)根據(jù)問題，由真值表得到邏輯表達(dá)式根據(jù)邏輯定律進(jìn)行必要的化簡、變換，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的邏輯表達(dá)式用邏輯電路實(shí)現(xiàn)邏輯分析與設(shè)計(jì)相反由電路得到功能第44頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三設(shè)計(jì)加法器用邏輯電路實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的電路叫做加法器（Adder）設(shè)A、B分別為一位二進(jìn)制數(shù)S為A與B之和，C為A加B產(chǎn)生的進(jìn)位加法的真值表表達(dá)式ABSC0000011010101101第45頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三半加器/全加器半加器只考慮加數(shù)和被加數(shù)之間的加法運(yùn)算，并產(chǎn)生了向高位的進(jìn)位沒有考慮可能來自低位的進(jìn)位，所以它并沒有完成一位二進(jìn)制的全部運(yùn)算，半加器的意思是它只完成了一半的加法運(yùn)算 全加器不但要考慮本位產(chǎn)生的進(jìn)位，還要考慮來自低位的進(jìn)位 第46頁，共53頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)58分，星期三全加器輸入輸出Ci-1AiBi SiCi00000001100101001101100