计算机科学导论电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、计算机科学导论FoundationsofComputerScience田际平 计算机专业副教授答疑:工程试验北楼310室(办公室)第1页教学计划与进度课程名称 计算机科学导论/课程类别 专业必修课/教课时数 28课时第五周绪论(计算机软件、硬件、历史等)第六周数据类型、表示第七周数各种表示第八周位运算、算数运算、逻辑运算第九周计算机组成第十周计算机网络第十一周操作系统定义、组成部分第十二周算法第十三周程序设计语言第十四面软件工程第十五周数据结构第十六周抽象数据类型第十七周文件结构第十八周数据库、总复习第2页第一部分计算机和数据第3页第一章 绪论数据处理冯诺伊曼理论计算机硬件计算机软件计算机发展
2、简史第4页数据处理任何数据处理系统都能够表示为三个步骤:数据输入数据输出计算机系统在用户看来,给出数据(出入)得到结果(输出),目标即到达,不关心也不知道数据处理过程,所以数据处理中处理过程对用户是看不到,就象个“黑盒子”。对计算机科学者来说,除去数据输入与输出,更关心数据处理系统中数据处理过程。因为包含数据输入与输出在内整个数据处理都是计算机科学研究对象。美籍匈牙利数学家冯诺伊曼(Von Neumann)于1945年奠定了当代计算机科学基本理论。当代计算机特点是含有速度快精度高、逻辑判断与记忆功效、高度自动化与灵活性。处理第5页冯诺伊曼理论冯诺伊曼提出主要计算机设计思想可概括为:(1)计算机
3、应由五个基本部件组成:运算器、控制器、存放器、输入部件与输出部件。(2)程序存放思想:将程序与数据同时存放在存放器中,让机器自动执行程序。(3)程序控制思想:计算机以运算器为中心,输入/输出设备与存放器之间数据传输都经过运算器。数据流 控制流 输出设备存放器输入设备运算器控制器第6页冯诺依曼计算机基本特点 计算机基本工作原理是存放程序和程序控制称为冯诺依曼原理。按照冯诺依曼原理结构计算机又称冯诺依曼计算机,其体系结构称为冯诺依曼结构。其基本特点为:(1)采取存放程序方式,程序和数据放在同一个存放器中,二者没有区分,指令同数据一样能够送到运算器进行运算,即由指令组成程序是能够修改。(2)存放器是
4、按地址访问线性编址唯一结构,每个单元位数是固定。(3)指令由操作码和地址码组成。(4)经过执行指令直接发出控制信号控制计算机操作。(5)机器以运算器为中心,输入输出设备与存放器间数据传送都经过运算器。(6)数据以二进制表示。第7页计算机硬件计算机硬件通常由五部分组成:运算器和控制器、存放器、输入与输出设备。这五部分之间联结结构,称为冯诺依曼结构图(如前图),其以运算器为中心。运算器是对信息进行加工处理部件。它在控制器控制下与内存交换信息,负责进行各类基本算术运算和与、或、非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。另外,在运算器中还含有能暂时存放数据或结果存放器。控制器是整个计算机指挥中心。它负责对指
5、令进行分析、判断,发出控制信号,使计算机相关设备协调工作,确保系统自动运行。控制器和运算器一起组成了计算机关键,称为中央处理器,即CPU(CentralProcessingUnit)。通常把控制器、运算器和主存放器一起称为主机,而其余输入、输出设备和辅助存放器称为外部设备。第8页存放器是计算机记忆装置,为了对存放信息进行管理,把存放器划分成单元,每个单元编号称为该单元地址。存放器内信息是按地址存取。向存放器内存入信息也称为“写入”。写入新内容则覆盖了原来旧内容。从存放器里取出信息,也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存放内容,所以信息能够重复取出,屡次利用。计算机存放器可分为主存放器和辅助存
6、放器两种,通常分别简称为主存和辅存。输入设备如:键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。输出设备如:屏幕显示器、打印机、绘图仪、音箱等。第9页计算机软件在计算机中,数据是以电信号方式存在,并以二进制形式来组织数据。程序是指令有序序列(冯诺伊曼也定义了指令集),并与其所处理同时数据必须存放在存放器中。程序设计是以算法为基础,算法是一套自顶向下、逐步求精地去处理问题方法。计算机语言是由符号与单词按特定语法组成语句集合。每个语句都对应这特定指令集而被计算机所接收、解释与执行。软件工程是为为处理62年软件危机而产生一套结构化(或面向对象)程序设计思想与方法。操作系统是对计算机系统软硬件资源进行管理,并对用户使用计
7、算机提供良好界面程序包。第10页计算机发展简史1 1第一代计算机(第一代计算机(1946194619581958年)年)其主要特征是采取电子管作为主要元器件。其主要特征是采取电子管作为主要元器件。2 2第二代计算机(第二代计算机(1958195819641964年)年)其主要特征是由电子管改为晶体管。其主要特征是由电子管改为晶体管。3 3第三代计算计算机导论机(第三代计算计算机导论机(1964196419741974年)年)其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元 件晶体管。件晶体管。4 4第四代计算机(第四代计算机(19741974年至今)
8、年至今)其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机主要功效部件。主要功效部件。-注:与教材所讲有不一样注:与教材所讲有不一样第11页第二章 数据表示数据类型计算机内部数据表示数据十六进制表示法八进制表示法第12页数据类型计算机能处理数据分类为:数值:计算文字:编辑图象:缩放与调整音频和视频:声效与特效第13页计算机内部数据统一数据表示法:对各种类型数据都采取同一个数据表示。位(bit):二进制数字,是存放在计算机中最小数据单位。位模式:是一个位(bit)序列,即一个二进制数字串。字节(byte):长度为8位模式,也是度量存放空间大小单位。第14
9、页表示数据以位模式来表示各种类型数据(1)文本由文本语言符号个数决定位模式长度:log2符号个数=模式长度如ASC码,128个符号,128=27,所以位模式长度为7,即用7位二进制数字表示一个ASC符号。ASC码表要了解数字与字母排列。扩展ASC码用一个字节表示一个符号,每字节第一位为0。第15页(2)数表示,见下章(3)图象位图图象:图象由象素点阵组成,每个象素由一个位模式表示,模式长度取决于对应象素亮度与色彩(或灰度)。矢量图象:整个图由基本直线与曲线数学公式组成。(4)音频和视频:对连续模拟信号采样,并进行数字离散化后转换为位模式存放。第16页八进制和十六进制表示法十进制:基本数字为09
10、每位不会出现10,逢10进1二进制:基本数字为01每位不会出现2,逢2进1八进制:基本数字为07每位不会出现8,逢8进1十六进制:基本数字为09、A、B、C、D、E、F(相当十进制1015)每位不会出现F,逢F进1第17页个进制对照表第18页八和十六进制与位模式转化每一个八进制数对应二进制三位(3位模式)如:144(O)=001100100(B)7123(O)=111001010011(B)7123每一个十六进制数对应二进制四位(4位模式)如:64(H)=01100100(B)2C1D(H)=0010110000011101(B)2C1D第19页第三章 数表示数制转换整数表示EXCESS系统浮
11、点表示法十六进制表示法第20页r进制转化成十进制转换公式:an.a1a0.a-1.a-m(r)=a*rn+a*r1+a*r0+a*r-1+.a*r-m 10101(B)=24+22+1=21101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75101(O)=82+1=6571(O)=78+1=57101A(H)=163+16+104106第21页十进制转化成r进制整数部分:除以r取余数,直到商为0,余数从右到左排列。小数部分:乘以r取整数,整数从左到右排列。例100.345(D)=1100100.01011(B)100(D)=144(O)=64(H)100(D)=144(O)=64(H)=11
12、00100(B)10025022521226232100010010.34520.69021.3802 0.7602 1.52021008128180441100166046161 1.04第22页整数表示正数与负数正数与负数在计算机中数符号也是用数码来表示,普通用“0”表示正数符号,“1”表示负数符号,并放在数最高位。比如:(01011)2(11)10(11011)2(11)10第23页原码、补码、反码在计算机中一个数能够采取原码、补码或反码表示,上面讲到正数与负数表示法即为原码表示法。一个正数原码、补码、反码是相同,而负数就不一样了。无符号整数格式(最简单数据表示):数范围:0(12n)。
13、其中为N用于存放该数据二进制数位.第24页原码(符号加绝对值格式)假设x为n位小数,用小数点左面一位表示数符号,则:数范围:(12n)(12n)。零有两种表示:正零为0.00;负零为1.00。第25页补码数范围:(12n)1。零表示是唯一,即:0.00。第26页反码数范围:(12n)(12n)。零表示有两种:正零为0.00,负零为1.11。第27页Excess系统特点:能同时存放正负数,易于二与十进制数转换。正数(幻数)用于转换过程,在8位模式下幻数为(2 n-1)=128 或(2 n-1)-1=127,并分别称Excess-128与Excess-127。Excess系统数据表示法(数据转换法
14、):将十进制整数与幻数之和转换为二进制数,并补足N位。如:整数-25Excess-127数据表示为01100110 D-25+D127=D102=B1100110=B01100110第28页浮点数表示法浮点数能够扩大数表示范围。浮点数由两部分组成,一部分用以表示数据有效位,称为尾数;一部分用于表示该数小数点位置,称为阶码。普通阶码用整数表示,尾数大多用小数表示。一个数N用浮点数表示能够写成:NMReM表示尾数,e表示指数,R表示基数。基数普通取2,8,16。一旦机器定义好了基数值,就不能再改变了。所以,在浮点数表示中基数不出现,是隐含。注:浮点数表示法类似于数据“科学表示法”第29页浮点数(注
15、:与教材讲解略有不一样)IEEE标准(32位单精度浮点数表示):32位=符号1位+指数Excess-127数8位+尾数23位 十六进制表示法(略)阶码数符110.011(B)=1.100112+10=11001.12-10=0.1100112+11阶符尾数1100110011N=数符尾数2阶符阶码尾数位数决定数精度。阶码位数决定数范围。第30页第四章 数位运算算数运算逻辑运算移位运算第31页算数运算位运算包含算数运算与逻辑运算。而算数运算包含整数与浮点数四则运算。整数四则运算 以二进制补码形式存放整数,能够进行加、减、乘、除四则运算。因计算机是以重复加来实现整数乘(*),而以重复减实现除(/)
16、,以下示意,所以只介绍含有经典意义加减运算。如:5*4 5+5+5+5 7/2 7 2 2 2+1 减3次2即商为3 余1第32页整数加如:24加17得724对应补码形式:0001100017+(17为00010001)11101111+7100000111再如:127加3得130进位舍127对应补码形式:011111113+00000011+130错误结果12610000010注:8位模式补码表示范围为128+127,超出该范围即产生错误。所以127加1得128,再加两次1,即得126。0111111110000000第33页整数减、浮点数加减整数减运算也是借助加法运算实现,即减一个整数等于
17、加一个相同值负数。如:10162相当于101+(62)得39101即101补码:011001016262+11000010+393900100111浮点数加减(见教材示例)以Excess-127保留指数IEEE规范浮点数加减,主要是两个数指数取等值后,再按多项式使同项(同幂次)系数(尾数)相加。第34页逻辑运算一个二进制位(bit)两个可能值0、1,假如被决定为逻辑值,即定义0为“假”而1为“真”,那么就能够实现逻辑运算。许多逻辑是应用于逻辑电路方面,或由“门电路”触发而实现。逻辑运算真值表值非运算与运算或运算异或运算xyNOTxxANDyxORyxXORy001000010111000111
18、1110第35页对“与”,“或”了解示例令P为教授,Q为党员,则某大学相关会议参加者命题检验以下:某人情况 党内教授 党员扩大(教授)会 PQPANDQPORQ000(不可参加会议)001011001111(能够参加会议)1第36页移位运算左(右)移位:对于无符号二进制数串各位左(右)移1位,最高(低)位舍弃而最低(高)位补0。左(右)移位对应着二进制乘(除)2。如:D59乘2为D118,而除2为29(实际为29.5)。0011101100111011移出舍弃001110110补入000111011移出舍弃再如:确定8位模式第四位值是0或1。设计“掩码”(修改另一位模式位模式)为0000100
19、0:原位模式:abcdefgh掩码:00001000AND(“与”逻辑运算)0000e0000000000e右移3次(除8)原码能被8整除则结果e为1,不然e为非1(即为0)第37页第二部分计算机硬件第38页第五章计算机组成中央处理器主存放器输入/输出子系统内部连接程序执行两种不一样体系结构第39页中央处理器 CPU全称是“Central Processing Unit”,即中央处理器。CPU主要性能指标有:1 1主频主频 主频即CPU工作时钟频率。CPU工作是周期性,它不停地执行取指令、执行指令等操作。这些操作需要准确定时,按照准确节拍工作,所以CPU需要一个时钟电路产生标准节拍,一旦机器加
20、电,时钟电路便连续不停地发出节拍,就像乐队指挥一样指挥CPU有节奏工作,这个节拍频率就是主频。普通说来,主频越高,CPU工作速度越快。第40页 2 2外频外频 实际上,计算机任何部件都按一定节拍工作。通常是主板上提供一个基准节拍供各部件使用,主板提供节拍称为外频。3 3倍频倍频 伴随科技发展,CPU主频越来越快,而外部设备工作频率跟不上CPU工作频率,处理方法是让CPU作频率以外频若干倍工作。CPU主频是外频倍数称为CPU倍频。CPU工作频率倍频外频第41页 4 4地址总线宽度地址总线宽度 我们知道,PC(Personal Computer,个人计算机)采取是总线结构。地址总线宽度(地址总线位
21、数)决定了CPU能够访问存放器容量,不一样型号CPU总线宽度不一样,因而使用内存最大容量也不一样。如32位 地址总线能使用最大内存容量为4GB。5 5数据总线宽度数据总线宽度 数据总线宽度决定了CPU与内存、输入输出设备之间一次数据传输信息量。Pentium以上计算机,数据总线宽度为64位,即CPU一次能够同时处理8个字节数据。第42页 6 6L1L1高速缓存高速缓存 缓存是位于CPU和内存之间容量较小但速度很快存放器,使用静态RAM做成,存取速度比普通内存快38倍。L1缓存也称片内缓存,Pentium时代处理器把L1缓存集成在CPU内部。L1高速缓存容量普通在32KB64KB之间,少数可到达
22、128KB。7 7L2L2高速缓存高速缓存 此即二级高速缓存,通常做在主板上,当前有些CPU将二级缓存也做到了CPU芯片内。L2高速缓存容量普通在128KB512KB之间,有甚至在1M以上。第43页 8 8工作电压工作电压 工作电压是指CPU正常工作时所需要电压。早期CPU工作电压普通为5V,而伴随CPU主频提升,CPU工作电压有逐步下降趋势,以处理发烧过高问题。当前CPU工作电压普通在1.6V2.8V之间。CPU制造工艺越先进,则工作电压越低,CPU运行时耗电功率就越小。9协处理器协处理器 含有内置协处理器CPU能够加紧特定类型数值计算。一些需要进行复杂运算软件系统,如AUTO CAD就需要
23、协处理器支持。Pentium以上CPU都内置了协处理器。第44页CPU封装方式采取Socket结构封装CPU与Socket插座。采取Slot结构封装CPU与Slot插座。第45页存放器 1 1基本概念基本概念 存放器是由一些能表示二进制数0和1物理器件组成,这种器件称为记忆元件或存放介质。惯用存放介质有半导体器件和磁性材料。比如,一个双稳态半导体电路、磁性材料中存放元等都能够存放一位二进制代码信息。位是存放器中存放信息最小单位,称为存放位。由若干个存放位组成一个存放单元。一个存放单元能够存放一个字,此时称为字存放单元;也能够存放一个字节,称为字节存放单元。许多存放单元集合形成一个存放体,它是存
24、放器关键部件,信息就存放在存放体内。第46页 怎样区分存放在存放体中信息,也就是说怎样将存放体中若干个存放单元加以识别呢?处理这个问题方法是给每个存放单元编上号,这个编号就称为该单元地址。若一个单元存放一个字节,则对应地址称字节地址;若一个单元存放一个机器字,那么,对应地址称为字地址。一个存放器中存放单元总数称为该存放器存放容量。计算机中存放器容量越大,能存放信息就越多,计算机处理能力也就越强。表示存放容量单位普通用字或字节。比如,32KB表示32K字节,128KW表示128K字,其中 IK 1024。第47页 存放器两个基本操作是写入信息和读出信息(或称存数和取教)。存放器从接到读出命令,到
25、指定地址信息被读出,并稳定在存放器数据存放器或数据总线上为止时间,称为读出时间(亦称取数时间)。反之,将数据存放器或数据总线上信息写入存放器时间称为写入时间。在连续两次访问存放器时,从第一次开始访问到下一次开始访问所需最短时间称为存放周期,它表示存放器工作速度。第48页2 2存放器分类存放器分类(1)按存取方式分类:随机存放器(RAM)和次序存放器(SAM),读写存放器和只读存放器(ROM)。(2)按存放介质分类:磁性材料存放器,半导体存放器和激光存放器。(3)按功效和存取速度分类:存放器型存放器、主存放器和外存放器。3 3存放器性能指标存放器性能指标(1)存放容量(capacity)(2)存
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