大學(xué)計算機(jī)第2講-符號化-計算化-自動化

大學(xué)計算機(jī)-計算思維導(dǎo)論HarbinInstituteofTechnology郭皞巖哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海第2講符號化-計算化-自動化HarbinInstituteofTechnology郭皞巖哈爾濱工業(yè)大學(xué)本講學(xué)習(xí)什么?

---符號化-計算化-自動化：0和1的思維HarbinInstituteofTechnology郭皞巖哈爾濱工業(yè)大學(xué)符號化-計算化-自動化本講內(nèi)容的基本脈絡(luò)語義符號化符號計算化計算0(和)1化0(和)1自動化分層構(gòu)造化構(gòu)造集成化；集成化符號化再語義化數(shù)值與非數(shù)值性信息計算化計算化基于0和1的計算用門電路實現(xiàn)基本邏輯運算基于邏輯運算組合-分層構(gòu)造復(fù)雜的邏輯電路構(gòu)造化表達(dá)為0和1數(shù)值與非數(shù)值性信息支持基本邏輯運算基于邏輯運算的復(fù)雜運算構(gòu)造化自動化計算化基于字母-符號的計算用字母-符號的組合編碼支持計算化符號化-計算化-自動化本講內(nèi)容的基本脈絡(luò)符號化-計算化HarbinInstituteofTechnology郭皞巖哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海符號化0/1及其組合0/1組合的變化/基于0/1的計算再語義化自然/社會現(xiàn)象自然/社會現(xiàn)象變化規(guī)律計算化符號化-計算化語義符號化表達(dá)與計算分層次符號化、分層次編碼與計算符號化再語義化再符號化計算化基于字母-符號的計算用0/1組合編碼字母-符號基于0/1的計算計算化用字母-符號的組合編碼還原符號化-計算化語義符號化表達(dá)與計算自然/社會現(xiàn)象自然/社會現(xiàn)象變化規(guī)律為什么要符號化-計算化?暨怎樣用計算手段研究社會/自然問題?易經(jīng)是一個很好的例子符號化-計算化?(1)看易經(jīng)如何基于0和1計算?什么是易經(jīng)?符號化-計算化?(1)看易經(jīng)如何基于0和1計算?(六畫卦)將現(xiàn)象抽象為符號，進(jìn)行符號組合，利用符號組合及其變化表達(dá)自然現(xiàn)象，進(jìn)行計算！---一卦是如何變化到另一卦的？符號化-計算化?(1)看易經(jīng)如何基于0和1計算?冬至一陽生夏至一陰生將符號再賦予語義---“本”與“用”：抽象與具體化現(xiàn)象本體用體天(自然空間)

乾(抽象空間)父(家庭空間)，首

(身體空間)，馬

(動物空間)符號化-計算化?(1)看易經(jīng)如何基于0和1計算?為什么要符號化-計算化?暨怎樣用計算手段研究社會/自然問題?“信息隱藏”是一個很好的示例符號化-計算化(2)語義符號化表達(dá)與計算的另一個示例符號化-計算化(2)語義符號化表達(dá)與計算的另一個示例一個示例：信息隱藏一幅原始圖像一列像素點不同像素點的同一位平面A待隱藏的信息01000001待隱藏信息的01編碼01000001將最低位平面替換為隱藏信息的編碼(加入隱藏信息的)一列像素點(加入隱藏信息的)圖像怎樣基于0和1計算?暨基本的邏輯運算?如何用0和1進(jìn)行計算?(3)看邏輯如何基于0和1計算?“與”運算：兩把鑰匙都有才能開門“或”運算：只要有任何一把鑰匙便能開門基本邏輯運算一個命題由語句表述，即內(nèi)容為“真”或為“假”的一個判斷語句！如果命題由X,Y,Z等表示，其值可能為“真”或為“假”，則兩個命題X,Y之間是可以進(jìn)行運算的：“與”運算(AND):當(dāng)X和Y都為真時,XANDY也為真;其他情況,XANDY均為假?！盎颉边\算(OR):當(dāng)X和Y都為假時,XORY也為假;其他情況,XORY均為真?！胺恰边\算(NOT):當(dāng)X為真時,NOTX為假;當(dāng)X為假時,NOTX為真?！爱惢颉边\算(XOR):當(dāng)X和Y都為真或都為假時,XXORY為假;否則,XXORY為真。如何用0和1進(jìn)行計算?(3)看邏輯如何基于0和1計算?F=XANDYOR(ZAND(NOTY))E=(NOTX)AND((YAND(NOTZ))P=(NOTX)AND(NOTY)用0和1來表示邏輯運算“與”運算AND：有0為0，全1為1“或”運算OR：有1為1，全0為0“非”運算NOT：非0則1，非1則0

“異或”運算XOR：相同為0，不同為1注:1表示真，0表示

假

0AND 0 0 0AND 1 0

1AND 0 0 1AND 1 1

1OR 1 1

1OR 0 1 0OR 1 1

0OR 0 0NOT 0 1NOT 1 0

1XOR 1 0

1XOR 0 1

0XOR 1 1

0XOR 0 0如何用0和1進(jìn)行計算?(3)看邏輯如何基于0和1計算?數(shù)值性信息怎樣表達(dá)與計算?算術(shù)運算可否用邏輯運算來實現(xiàn)?為什么用二進(jìn)制?降低實現(xiàn)的復(fù)雜性及難度0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(1)怎樣用0和1表達(dá)數(shù)值性信息?進(jìn)位制：用數(shù)碼和帶有權(quán)值的數(shù)位來表示有大小關(guān)系的數(shù)值性信息的表示方法。二進(jìn)制0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(1)怎樣用0和1表達(dá)數(shù)值性信息?數(shù)值性信息=1×27+1×26+1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2=(245.25)十例如：(11110101.01)二76543210.-1-22726252423222120.2-12-2數(shù)位的權(quán)值數(shù)位二進(jìn)制數(shù)r進(jìn)制：0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(2)二進(jìn)制有什么不足，怎樣解決?數(shù)值性信息

(dn-1dn-2……d2d1d0.d-1d-2……d-m)rn-1n-2…210.-1-2…-mrn-1rn-2.……r2r1r0.r-1r-2……r-m=dn-1rn-1

+

dn-2rn-2+…+d2r2+

d1r1

+

d0r0

+

d-1r-1

+d-2r-2

+

…

+

d-mr-m

?--=1nmiiird=數(shù)位的權(quán)值數(shù)位r進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A(10),B(11),C(12),D(13),

E(14),F(15)

八進(jìn)制：0,1,2,3,4,5,6,7十進(jìn)制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9(365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)八,(596.12)十六基于二進(jìn)制的算術(shù)運算

計算規(guī)則簡單,與邏輯運算能夠統(tǒng)一起來；元器件容易實現(xiàn)。0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(3)為什么要用二進(jìn)制?AiBi+CiCi+1SiSi=(AiXORBi)XORCiCi+1=((AiXORBi)ANDCi)OR(AiANDBi)Si=AiXORBiCi+1=AiANDBi不考慮進(jìn)位考慮進(jìn)位減法運算是否可用加法運算來實現(xiàn)?降低實現(xiàn)的復(fù)雜性及難度?0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(4)數(shù)值的符號如何表示呢?數(shù)值的正負(fù)符號處理：機(jī)器數(shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(4)數(shù)值的符號如何表示呢?數(shù)值的正負(fù)符號也可和數(shù)值一樣參與運算

：補(bǔ)碼運算示意01010+)1110111100(10)+(-3)=(7)00111+)0001101010(+7)+(+3)=(+10)11001+)1010010110(-7)+(-12)=溢出0和1與數(shù)值---二進(jìn)制與算術(shù)運算(5)使用補(bǔ)碼可使減法變加法,你相信嗎?加減乘除都可轉(zhuǎn)換成加法來實現(xiàn),加法又可由與、或、非、異或等邏輯運算來實現(xiàn)---只要實現(xiàn)了基本邏輯運算，便可實現(xiàn)任何的計算11011+)1100100101(-5)+(-7)=(-12)非數(shù)值性信息怎樣表達(dá)與計算?編碼/變換及其基于0和1的運算?0和1與字母符號---編碼(1)

為什么要用編碼?非數(shù)值性信息可以用編碼表示編碼：編碼是以若干位數(shù)碼或符號的不同組合來表示非數(shù)值性信息的方法，它是人為地將若干位數(shù)碼或符號的每一種組合指定一種唯一的含義。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0和1與字母符號---編碼(1)

為什么要用編碼?編碼的三個主要特征

唯一性：每一種組合都有確定的唯一性的含義

公共性：所有相關(guān)者都認(rèn)同、遵守、使用這種編碼

易于記憶/便于識認(rèn)性：有一定規(guī)律ASCII碼----英文字母符號的編碼ASCII碼是英文字母與符號的0,1型編碼方法，是用7位0和１的不同組合來表示10個數(shù)字、26個英文大寫字母、26個英文小寫字母及其一些特殊符號的編碼方法，是信息交換的標(biāo)準(zhǔn)編碼。ASCII碼:AmericanStandardCodeforInformationInterchange

B7B6B5B4B3B2B1B0

0xxxxxxx0和1與字母符號---編碼(2)英文字母符號如何編碼?ASCII碼為什么要用8位來編碼?

00110001

01001110“1”“N”信息存儲解析規(guī)則Wearestudents0101011101100101001000000110000101110010011001010010000001110011011101000111010101100100011001010110111001110100011100110/1串按8位分隔一個字符，查找ASCII碼表映射成相應(yīng)符號“大”da1011010011110111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o11ooooooooooo1oo計算機(jī)內(nèi)部由外到內(nèi)由內(nèi)到外漢字處理過程:通過漢字外碼輸入,以漢字內(nèi)碼存儲,以漢字字形碼輸出漢字的編碼0和1與字母符號---編碼(3)漢字如何進(jìn)行處理?為什么會有那么多種漢字編碼?0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)HarbinInstituteofTechnology郭皞巖哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海0和1怎樣用電信號表達(dá)?基于0和1的電子實現(xiàn)?0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(1)如何用電信號及電子元件表達(dá)0和1?實現(xiàn)0和1的基本元器件:電信號和繼電器開關(guān)用繼電器開關(guān)實現(xiàn)基本邏輯運算

數(shù)字信號：高電平為1,低電平為001“與”運算電路“或”運算電路“非”運算電路0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(1)如何用電信號及電子元件表達(dá)0和1?實現(xiàn)0和1的基本元器件:二極管二極管的基本特性FKVFLRI(b)KLRVR(b)0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(2)

處理0和1的基本元件?實現(xiàn)0和1的基本元器件:三極管

三極管的基本特性：開關(guān)和放大以較小的b極電流信號可控制較大的e極流過的電流--放大。大水庫大壩閘門控制水第一個三極管試驗裝置用b點的0和1來控制c點產(chǎn)生1和0典型的三極管電路bc0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(2)處理0和1的基本元件?怎樣用電信號實現(xiàn)邏輯運算?基本的門電路實現(xiàn)思路?0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(3)如何用基本電子元件實現(xiàn)基本邏輯運算?用二極管、三極管可實現(xiàn)基本的集成電路:與門、或門和非門這些電路被封裝成集成電路(芯片)，即所謂的門電路。“與”門電路“或”門電路“非”門電路0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(3)如何用基本電子元件實現(xiàn)基本邏輯運算?怎樣用基本門電路實現(xiàn)復(fù)雜運算?門電路的符號化表達(dá)及其復(fù)雜電路的構(gòu)造與集成?0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(4)如何用電信號及電子元件實現(xiàn)基本邏輯運算?基本門電路的符號表示及其特性與門電路：是實現(xiàn)邏輯與運算的集成電路，即：只有當(dāng)兩個輸入端為高電平(1)時，則輸出端為高電平(1)；否則，輸出端為低電平(0)?；蜷T電路：是實現(xiàn)邏輯或運算的集成電路，即：只有當(dāng)兩個輸入端為低電平(0)時，則輸出端為低電平(0)；否則，輸出端為高電平(1)。非門電路：是實現(xiàn)邏輯非運算的集成電路，即：當(dāng)輸入端為高電平(1)時，則輸出端為低電平(0)；輸入端為低電平(0)時，則輸出端為高電平(1)。異或門電路：是實現(xiàn)邏輯異或運算的集成電路，即：當(dāng)兩個輸入端同為高電平(1)或同為低電平(0)時，則輸出端為低電平(0)；否則，輸出端為高電平(1)。=1&≥11與門電路符號或門電路符號非門電路符號異或門電路符號0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(4)如何用電信號及電子元件實現(xiàn)基本邏輯運算?基于門電路的復(fù)雜組合邏輯電路示例1：一位加法器的示例。0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(5)如何用已實現(xiàn)的基本邏輯運算(門電路)來實現(xiàn)更復(fù)雜的運算?101101001AiBi+CiCi+1Si基于門電路的復(fù)雜組合邏輯電路可驗證一位加法器實現(xiàn)的正確性。0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(5)如何用已實現(xiàn)的基本邏輯運算(門電路)來實現(xiàn)更復(fù)雜的運算?基于門電路的復(fù)雜組合邏輯電路示例：多位加法器的實現(xiàn)用已驗證正確的一位加法器，來實現(xiàn)更為復(fù)雜的多位加法器用已驗證正確的多位加法器，來實現(xiàn)更為復(fù)雜的乘法器/除法器等(略)

分層構(gòu)造：低層電路已驗證正確，可被封裝起來；用已封裝的已驗證的低層電路可構(gòu)造更為復(fù)雜的高層電路；如此一層層構(gòu)造。0和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(5)如何用已實現(xiàn)的基本邏輯運算(門電路)來實現(xiàn)更復(fù)雜的運算?基于門電路的復(fù)雜組合邏輯電路另一個示例：2-4譯碼器及其電路實現(xiàn)。&&&&11A1A0Y00Y01Y10Y110和1與電子技術(shù)實現(xiàn)(5)如何用已實現(xiàn)的基本邏輯運算(門電路)來實現(xiàn)更復(fù)雜