計(jì)算思維與智能計(jì)算基礎(chǔ)PPT完整全套教學(xué)課件

計(jì)算思維與智能計(jì)算基礎(chǔ)2023/8/312第1章計(jì)算、計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維2023/8/313傳統(tǒng)“計(jì)算機(jī)器”多樣化的“計(jì)算機(jī)器”，各種設(shè)備的“大腦”系統(tǒng)我們身邊的計(jì)算機(jī)2023/8/3142023/8/3151計(jì)算第節(jié)2023/8/316公元480年7位15世紀(jì)初15位1610年35位1948年808位1950年2037位1955年3089位1989年4.8億位2011年10萬(wàn)億位2023/8/3171.1.1計(jì)算的基本概念很多自然的、人工的和社會(huì)的系統(tǒng)中的過(guò)程自然而然是計(jì)算的，計(jì)算就是執(zhí)行信息變換。這是廣義的計(jì)算，即對(duì)信息進(jìn)行加工和處理。1985年圖靈獎(jiǎng)的獲得者RichardM.Karp的觀點(diǎn)：計(jì)算是依據(jù)一定的法則對(duì)有關(guān)符號(hào)串進(jìn)行變換的過(guò)程，即計(jì)算是從已知的符號(hào)開(kāi)始，按照規(guī)則一步一步地改變符號(hào)串，經(jīng)過(guò)有限的步驟，最終得到一個(gè)滿(mǎn)足預(yù)定條件的符號(hào)串的過(guò)程。計(jì)算理論觀點(diǎn)：2023/8/318復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題的解決方法設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的規(guī)則，讓機(jī)器通過(guò)重復(fù)執(zhí)行來(lái)完成計(jì)算，也就是使用機(jī)器來(lái)代替人進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。知道計(jì)算規(guī)則，但超出人的計(jì)算能力，無(wú)法獲得計(jì)算結(jié)果：研究簡(jiǎn)化規(guī)則。如一元二次方程解的公式。復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題：2023/8/319利用機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算需要思考和研究的問(wèn)題：計(jì)算復(fù)雜性理論?！皾h諾塔問(wèn)題”2.可計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算代價(jià)有多大？可計(jì)算性理論的研究。“理發(fā)師悖論”1.是不是所有的問(wèn)題都可以通過(guò)自動(dòng)計(jì)算來(lái)解決？將問(wèn)題的求解算法用程序表示，規(guī)模數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理4.如何方便有效地利用計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算？構(gòu)建一個(gè)低成本、高效率的通用的計(jì)算系統(tǒng)。3.如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算？在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，構(gòu)建并行計(jì)算、分布式、云計(jì)算環(huán)境5.如何使計(jì)算“無(wú)所不能”、“無(wú)所不在”？2023/8/31101.1.2計(jì)算工具的探索計(jì)算工具電子計(jì)算機(jī)機(jī)電式計(jì)算機(jī)機(jī)械式計(jì)算工具手動(dòng)式計(jì)算工具2023/8/3111算盤(pán)提供了計(jì)算過(guò)程中存儲(chǔ)數(shù)的手段提供了一套計(jì)算規(guī)則(口訣)人按照規(guī)則進(jìn)行計(jì)算九層算盤(pán)一、加法

直加滿(mǎn)五加進(jìn)十加

一:一上一一下五去四一去九進(jìn)一

二:二上二二下五去三二去八進(jìn)一

三:三上三三下五去二三去七進(jìn)一

四:四上四四下五去一四去六進(jìn)一

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六:六上六六去四進(jìn)一六上一去五進(jìn)一

七:七上七七去三進(jìn)一七上二去五進(jìn)一

八:八上八八去二進(jìn)一八上三去五進(jìn)一

九:九上九九去一進(jìn)一九上四去五進(jìn)一

二、減法

直減破五減退位減

一一下一一上四去五一退一還九

二二下二二上三去五二退一還八

三三下三三上二去五三退一還七

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七七下七七退一還三七退一還五去二

八八下八八退一還二八退一還五去三

九九下九九退一還一九退一還五去四珠算珍品2023/8/3112帕斯卡加法器----第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)BlaisePascal(1623～1662),法國(guó)科學(xué)家。1642年，研制成功---帕斯卡機(jī)。齒輪傳動(dòng)。低位的齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)10圈，高位上的齒輪只轉(zhuǎn)動(dòng)1圈?？梢赃M(jìn)行8位數(shù)的加法運(yùn)算。帕斯卡：人的某些思維過(guò)程與機(jī)械過(guò)程沒(méi)有差別，因此可以設(shè)想用機(jī)械模擬人的思維活動(dòng)。意義：首次確立了計(jì)算機(jī)器的概念，開(kāi)辟了自動(dòng)計(jì)算的道路。2023/8/3113萊布尼茨GottfriedWilhelmLeibniz(1646～1716)，德國(guó)數(shù)學(xué)家。。萊布尼茨機(jī)：一種能夠進(jìn)行連續(xù)十進(jìn)制運(yùn)算（加、減、乘、除）的機(jī)器，在進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)采用進(jìn)位-加的方法，后來(lái)演化為二進(jìn)制，被現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所采用。意義：提出了“可以用機(jī)械代替人進(jìn)行繁瑣重復(fù)的計(jì)算工作”的重要思想。2023/8/3114其他重要工作蘊(yùn)含著程序控制思想的萌芽。1805年：法國(guó)機(jī)械師杰卡德（J.Jacquard）根據(jù)布喬“穿孔紙帶”的構(gòu)想完成了“自動(dòng)提花編織機(jī)”的設(shè)計(jì)制作----用連接按序的穿孔卡控制編織的樣式，實(shí)踐了數(shù)據(jù)的輸入手段問(wèn)題。1834年：巴貝奇設(shè)計(jì)了差分機(jī)、分析機(jī)。能夠按照設(shè)計(jì)者的旨意，自動(dòng)處理不同函數(shù)的處理過(guò)程。他的助手、英國(guó)著名詩(shī)人拜倫的獨(dú)生女阿達(dá).奧古斯塔（AdaAugusta）為分析機(jī)編制了人類(lèi)歷史上第一個(gè)計(jì)算機(jī)程序。1854年：布爾創(chuàng)立布爾代數(shù)，為百年后出現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。巴貝奇差分機(jī)自動(dòng)提花編織機(jī)2023/8/3115機(jī)電式計(jì)算機(jī)把電器元件應(yīng)用到了計(jì)算工具上，拉開(kāi)了另一條實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算過(guò)程的途徑。1938年，德國(guó)科學(xué)家朱斯（KonradZuse）成功制造了世界上第一臺(tái)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)Z-1；Z-3型計(jì)算機(jī)是世界上第一臺(tái)通用程序控制的機(jī)電式計(jì)算機(jī)。它全部采用繼電器，第一次實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)記數(shù)法、二進(jìn)制運(yùn)算、帶存儲(chǔ)地址的指令等設(shè)計(jì)思想。1944年，美國(guó)科學(xué)家艾肯（HowardAiken）成功研制了自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)MARK-Ⅰ。它使用了3000多個(gè)繼電器，各種導(dǎo)線總長(zhǎng)達(dá)800km以上。1947年艾肯又研制出速度更快的機(jī)電式計(jì)算機(jī)MARK-Ⅱ。Z-1計(jì)算機(jī)自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)MARK-Ⅰ2023/8/3116電子計(jì)算機(jī)1946年2月15日，世界公認(rèn)的第一臺(tái)“電子數(shù)字積分式計(jì)算機(jī)”ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。高速是ENIAC最突出的優(yōu)點(diǎn)。采用電子器件代替了機(jī)械齒輪或電動(dòng)機(jī)械來(lái)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)信息。ENIAC不能存儲(chǔ)程序，需要用連線的方法來(lái)編輯程序，計(jì)算速度的優(yōu)勢(shì)被過(guò)長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間抵消了。18800個(gè)電子真空管、1500個(gè)繼電器及其它電子元器件，總重量近30t，占地約170m2，耗電為150KW，運(yùn)算速度可達(dá)每秒5000次加法或400次乘法運(yùn)算，相當(dāng)于手工計(jì)算的20萬(wàn)倍或者繼電器計(jì)算機(jī)的1000倍。2023/8/31171.1.3計(jì)算模型——圖靈機(jī)模型“計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)”——圖靈獎(jiǎng)阿蘭?圖靈（AlanTuring）“計(jì)算機(jī)科學(xué)的奠基人”、“人工智能之父”英國(guó)著名數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、密碼學(xué)家提出了“圖靈機(jī)”和“圖靈測(cè)試”2023/8/3118圖靈機(jī)由三部分組成：一條紙帶，一個(gè)讀寫(xiě)頭和一個(gè)控制裝置通過(guò)建立指令、程序以及通用機(jī)器執(zhí)行程序的理論模型，證明了可以制造一種通用的機(jī)器計(jì)算所有能想象得到的可計(jì)算函數(shù)，這種理論上的計(jì)算機(jī)后來(lái)被命名為“圖靈機(jī)”。2023/8/3119圖靈機(jī)讀入一系列的“0”和“1”，就實(shí)現(xiàn)了某一基本動(dòng)作；將多個(gè)最簡(jiǎn)單的圖靈機(jī)進(jìn)行組合，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作。在這個(gè)過(guò)程中對(duì)基本動(dòng)作的控制就成為指令，而指令的有序組合就構(gòu)成了程序。數(shù)據(jù)、指令和程序都用0和1表示。把程序看作是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)的一種變換函數(shù)，變換函數(shù)一步一步地實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而復(fù)雜系統(tǒng)也就實(shí)現(xiàn)了。按照“程序”控制“基本動(dòng)作”的思維，可以模擬其他任何解決特定問(wèn)題的圖靈機(jī)，即“通用圖靈機(jī)”，也就是“通用計(jì)算機(jī)”的模型。2023/8/31201.1.3計(jì)算模型——馮?諾依曼計(jì)算機(jī)模型馮·諾依曼（JohnvonNeumann，1903~1957）美籍匈牙利數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論、核武器和生化武器等諸多領(lǐng)域內(nèi)有杰出建樹(shù)的最偉大的科學(xué)全才之一，被后人稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父”。六歲時(shí)能心算八位數(shù)除法，八歲時(shí)掌握微積分，十歲時(shí)讀完了四十八卷的世界史，十二歲讀懂領(lǐng)會(huì)了波萊爾的大作《函數(shù)論》要義。2023/8/3121馮?諾依曼計(jì)算機(jī)模型馮?諾依曼提出的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想概括起來(lái)有下面三個(gè)要點(diǎn)。（1）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。數(shù)據(jù)和指令在外觀形式上并沒(méi)有區(qū)別，只是各自代表的含義不同。（2）采用程序存儲(chǔ)方式。存儲(chǔ)程序和程序控制是馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的主要思想。存儲(chǔ)程序是指人們必須事先把計(jì)算機(jī)的執(zhí)行步驟序列（即程序）及運(yùn)行中所需的數(shù)據(jù)，通過(guò)一定方式輸入并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。程序控制是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)地逐一取出程序中的一條條指令，加以分析并執(zhí)行規(guī)定的操作。（3）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備5大部件組成，并且確定了這5個(gè)部件的基本功能。2023/8/3122馮?諾依曼計(jì)算機(jī)模型馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)粗線代表數(shù)據(jù)流，指計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、結(jié)果數(shù)據(jù)及程序等，它們?cè)诔绦蜻\(yùn)行前已經(jīng)預(yù)先送至存儲(chǔ)器中，而且都是以二進(jìn)制形式編碼的，在程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)被送往運(yùn)算器，程序指令被送往控制器。細(xì)線代表控制流，是由控制器根據(jù)指令的內(nèi)容發(fā)出的控制命令，用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)統(tǒng)一地執(zhí)行指令規(guī)定的各種操作或運(yùn)算，并對(duì)執(zhí)行流程進(jìn)行控制。2023/8/31232計(jì)算機(jī)第節(jié)2023/8/31241.2.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展2023/8/3125第一代——電子管計(jì)算機(jī)（1946—1954年）內(nèi)存延遲線或磁芯外存紙帶、卡片或磁帶工作速度幾千～一萬(wàn)次／秒軟件機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言應(yīng)用科學(xué)計(jì)算代表機(jī)型ENIAC特點(diǎn)體積龐大，運(yùn)算速度低，成本高2023/8/3126第二代——晶體管計(jì)算機(jī)（1954—1964年）物理元件晶體管內(nèi)存磁芯外存磁帶或磁盤(pán)工作速度幾十萬(wàn)次／秒軟件高級(jí)算法語(yǔ)言應(yīng)用事務(wù)管理及工業(yè)控制代表機(jī)型IBM7000系列優(yōu)點(diǎn)體積小，壽命長(zhǎng)，速度快，能耗少，可靠性高世界上第一臺(tái)全晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC，1953人類(lèi)第一只晶體管(真空二極管),19472023/8/3127第三代——集成電路計(jì)算機(jī)（1964—1970年）物理元件中小規(guī)模集成電路（硅）內(nèi)存半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存磁帶或磁盤(pán)工作速度幾十萬(wàn)～幾百萬(wàn)次/秒軟件高級(jí)算法語(yǔ)言、操作系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算、管理及控制代表機(jī)型IBMSystem/360優(yōu)點(diǎn)體積更小、速度更快、能耗更小、壽命更長(zhǎng)發(fā)展特點(diǎn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的局面IBMSystem/360大型機(jī)2023/8/3128第四代——大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1970年至今）物理元件（超）大規(guī)模集成電路內(nèi)存半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存磁盤(pán)和光盤(pán)工作速度幾百萬(wàn)～幾千萬(wàn)次／秒軟件操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件應(yīng)用以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征第四代計(jì)算機(jī)—個(gè)人計(jì)算機(jī),1981VLSI芯片及其封裝的內(nèi)部電路摩爾定律----每18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍2023/8/3129我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程類(lèi)型時(shí)間代表機(jī)型重要意義電子管計(jì)算機(jī)1958—1964年小型電子管通用計(jì)算機(jī)103機(jī)我國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)1965—1972年大型晶體管計(jì)算機(jī)109乙、109丙主要用于兩彈試驗(yàn)集成電路計(jì)算機(jī)1973年—20世紀(jì)80年代初1974年集成電路小型計(jì)算機(jī)DJS-130掌握集成電路小型機(jī)技術(shù)1977年微型計(jì)算機(jī)DJS-050我國(guó)第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)1983年銀河-I巨型機(jī)我國(guó)能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的標(biāo)志大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)20世紀(jì)80年代中期至今1985年長(zhǎng)城0520CH微機(jī)系列微機(jī)產(chǎn)業(yè)化的里程碑1992年起銀河系列巨型計(jì)算機(jī)我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位1993年起曙光系列超級(jí)計(jì)算機(jī)1999年神威I超級(jí)計(jì)算機(jī)2009年起天河系列超級(jí)計(jì)算機(jī)2010年起星云超級(jí)計(jì)算機(jī)2001年起“龍芯”微處理器芯片及其系列我國(guó)第一款通用CPU芯片2023/8/3130我國(guó)巨型機(jī)機(jī)微處理器的發(fā)展“龍芯”3號(hào)神威·太湖之光2023/8/3131TOP5002013年6月，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)以每秒33.86千萬(wàn)億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度，成為全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，之后它在TOP500榜單上連續(xù)六度稱(chēng)雄。2016年6月，由中國(guó)國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)橫空出世。它以每秒9.3億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度在TOP500榜單中奪冠，更重要的是“神威·太湖之光”實(shí)現(xiàn)了包括處理器在內(nèi)的所有核心部件的全部國(guó)產(chǎn)化。至此，中國(guó)計(jì)算能力超過(guò)每秒千萬(wàn)億次的上榜系統(tǒng)已從2008年6月的一臺(tái)增至2016年的117臺(tái)，與美國(guó)上榜數(shù)量持平。到2017年11月，“神威·太湖之光”第四次蟬聯(lián)冠軍。2020年6月的TOP500榜單中，“神威·太湖之光”位列第四，“天河二號(hào)”位列第六。2023/8/31321.2.2計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.計(jì)算機(jī)的分類(lèi)（1）高性能計(jì)算機(jī)（2）微型計(jì)算機(jī)（3）工作站（4）服務(wù)器（5）嵌入式計(jì)算機(jī)2023/8/31332.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)（1）巨型化：可進(jìn)行大規(guī)模、復(fù)雜計(jì)算2010.11,超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)第一名：天河一號(hào)A--中國(guó)14336顆IntelXeonX56702.93GHz六核心處理器2048顆我國(guó)自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器7168塊NVIDIATeslaM2050高性能計(jì)算卡總計(jì):186368個(gè)核心,224TB內(nèi)存。實(shí)測(cè)運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒2570萬(wàn)億次(這意味著，它計(jì)算一天，相當(dāng)于一臺(tái)家用電腦計(jì)算800年)2023/8/3134（2）微型化：可嵌入、可攜帶世界上最小臺(tái)式電腦----如同拇指大小平板電腦-AppleIPAD智能手機(jī)平板電腦-AppleIPAD2023/8/3135（3）智能化：理解自然語(yǔ)言，具有自適應(yīng)性，自主完成復(fù)雜功能汽車(chē)生產(chǎn)線上的機(jī)器人水下機(jī)器人2023/8/3136（4）網(wǎng)絡(luò)化InternetofServicesInternetofNetworksInternetofThingsInternetof3DWorldsForpeopleandenterprises機(jī)-機(jī)相聯(lián)物-物相聯(lián)物-人相聯(lián)人-人相聯(lián)2023/8/31373.新型計(jì)算機(jī)（1）量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子理論的計(jì)算機(jī)。量子比特（quantumbit），可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，在量子計(jì)算機(jī)中，運(yùn)算的對(duì)象是量子比特序列。2007年，加拿大計(jì)算機(jī)公司D-Wave展示了全球首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶(hù)座）”量子計(jì)算機(jī)量子處理器承載16個(gè)量子位的硅芯片2023/8/3138（2）生物計(jì)算機(jī)以生物芯片取代集成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)晶體管的半導(dǎo)體硅片涉及到了計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物物理、生物工程、電子工程、物理學(xué)和化學(xué)等眾多學(xué)科。生物計(jì)算機(jī)分子在酵母細(xì)胞中“運(yùn)行”生物計(jì)算機(jī)DNA2023/8/3139（3）光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)由光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備組成。有模擬式與數(shù)字式兩類(lèi)光子計(jì)算機(jī)。2023/8/31404.計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新模式（1）云計(jì)算云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件、服務(wù)等），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。30年前，電腦被送進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)……20年前，網(wǎng)絡(luò)被送進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)……現(xiàn)在，服務(wù)被送進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)……2023/8/3141（2）大數(shù)據(jù)——量變引起質(zhì)變大數(shù)據(jù)，指的是所涉及的數(shù)據(jù)資料量規(guī)模巨大到無(wú)法通過(guò)人腦甚至主流軟件工具，在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理，并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策的信息。依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)和虛擬化技術(shù)。大數(shù)據(jù)的挖掘和處理必須用到云計(jì)算技術(shù)，云計(jì)算主要提供服務(wù)，而大數(shù)據(jù)主要完成數(shù)據(jù)的價(jià)值化，它們的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。2023/8/3142（3）人工智能人工智能是指由人工制造出來(lái)的系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的智能。人工智能就其本質(zhì)而言是對(duì)人的思維過(guò)程的模擬，其理論基礎(chǔ)表現(xiàn)為搜索、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)。人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器視覺(jué)、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、虹膜識(shí)別、掌紋識(shí)別、專(zhuān)家系統(tǒng)、自動(dòng)規(guī)劃、智能搜索、定理證明、博弈、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、智能控制、機(jī)器人學(xué)、語(yǔ)言和圖像理解、遺傳編程等。2023/8/3143（4）物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。該解釋具有兩層含義：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，物聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)端發(fā)生了延伸和擴(kuò)展，任何物品與物品之間都可以進(jìn)行通信和信息交換。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用遍及智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、政府工作、平安家居、定位導(dǎo)航、現(xiàn)代物流管理、食品安全控制、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域，2023/8/31441.2.3計(jì)算機(jī)的基本工作原理指令就是指揮計(jì)算機(jī)完成某個(gè)基本操作的命令，它完全由二進(jìn)制數(shù)0和1編碼構(gòu)成，其操作由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)上所有指令的集合構(gòu)成了該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠直接執(zhí)行的全部基本操作。為了實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)將一系列的指令進(jìn)行有序的組合就形成了程序。任何復(fù)雜的問(wèn)題在計(jì)算機(jī)中都會(huì)被分解為一系列的指令，一個(gè)指令規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)基本操作，一個(gè)程序規(guī)定計(jì)算機(jī)完成一個(gè)完整的任務(wù)。2023/8/3145計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是程序執(zhí)行的過(guò)程。程序在運(yùn)行前先由輸入設(shè)備及操作系統(tǒng)調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器中，當(dāng)機(jī)器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，就從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出第一條指令以實(shí)現(xiàn)其基本操作。一條指令執(zhí)行完后，又自動(dòng)地開(kāi)始取下一條指令，重復(fù)進(jìn)行，直至遇到結(jié)束指令為止。在具體執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令時(shí)，每一條指令都需要包含幾個(gè)基本的步驟：取指令、分析指令和執(zhí)行指令。2023/8/3146在一個(gè)簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)模型中將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)取出和累加器中的數(shù)據(jù)相加假定這臺(tái)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)一條指令需要一個(gè)存儲(chǔ)單元。指令的操作碼和操作數(shù)各是4位二進(jìn)制數(shù)。約定使用操作碼0001表示將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)與累加器中的數(shù)據(jù)相加。2023/8/31473計(jì)算思維第節(jié)2023/8/3148理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動(dòng)著人類(lèi)文明進(jìn)步和科技發(fā)展。1.人類(lèi)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱科學(xué)界一般認(rèn)為，科學(xué)方法分為理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三大類(lèi)，與三大科學(xué)方法相對(duì)的是三大科學(xué)思維。邏輯思維：以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。實(shí)證思維：以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。計(jì)算思維：以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。2.人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界和改造世界的三種思維2023/8/3149我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻的影響著我們的思維能力。Edsger_Dijkstra人工智能四大先驅(qū)之一現(xiàn)代編程語(yǔ)言的主要貢獻(xiàn)者之一第七位圖靈獎(jiǎng)獲得者2023/8/31501.3.1計(jì)算思維概述計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。問(wèn)題求解中的計(jì)算思維系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的計(jì)算思維人類(lèi)行為理解中的計(jì)算思維1.什么是計(jì)算思維（ComputationalThinking）計(jì)算思維如同所有人都具備“讀、寫(xiě)、算”（簡(jiǎn)稱(chēng)3R）能力一樣，成為適合于每個(gè)人的一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類(lèi)普適的技能。JeannetteM.Wing周以真卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授2023/8/3151抽象：有選擇地忽略某些細(xì)節(jié)，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；完全超越物理的時(shí)空觀，符號(hào)化；抽象是在不同的層次上完成的。自動(dòng)化：機(jī)械地一步一步地自動(dòng)執(zhí)行，選擇合適的計(jì)算機(jī)解釋執(zhí)行問(wèn)題的抽象。2.計(jì)算思維的本質(zhì)——抽象和自動(dòng)化在哥尼斯堡城的普萊格爾河上有7座橋，將河中的兩個(gè)島和河岸連結(jié)，問(wèn)能否一次走遍7座橋，而每座橋只允許通過(guò)一次，最后仍然回到起始地點(diǎn)。2023/8/3152計(jì)算思維是人的思想和方法，是人類(lèi)求解問(wèn)題的一條途徑。計(jì)算思維是像計(jì)算機(jī)科學(xué)家而不是計(jì)算機(jī)那樣去思維。計(jì)算思維建立在計(jì)算機(jī)的能力和限制之上，因而用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題時(shí)既要充分考慮利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，又不能超出計(jì)算機(jī)的能力范圍，必須考慮機(jī)器的指令系統(tǒng)、資源約束和操作環(huán)境。計(jì)算思維融合了數(shù)學(xué)和工程等其他領(lǐng)域的思維方式。3.計(jì)算思維的特征2023/8/31531.3.2計(jì)算思維的方法與案例計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)人們知道怎樣解決的問(wèn)題。計(jì)算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理。它是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類(lèi)型檢查方法。計(jì)算思維是一種采用抽象和分解來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是一種基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法（SoC方法）。1.計(jì)算思維的方法2023/8/3154計(jì)算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題（程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言），或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模并使其易于處理的思維方法。計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)和糾錯(cuò)方式，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。計(jì)算思維是利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法。1.計(jì)算思維的方法2023/8/3155（1）菜譜——算法；勾芡——模塊；同時(shí)做多個(gè)菜——并行。（2）根據(jù)書(shū)籍的目錄快速找到所需要的章節(jié)——索引技術(shù)。（3）沿原路邊往回走邊尋找丟失的東西——回溯。（4）只把當(dāng)天使用的書(shū)本放入書(shū)包內(nèi)——預(yù)置和緩存。（5）選擇去排哪個(gè)隊(duì)——多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型。（6）停電時(shí)電話仍然可以用——失敗的無(wú)關(guān)性和設(shè)計(jì)的冗余性。2.計(jì)算思維的案例2023/8/31561.3.3計(jì)算思維的實(shí)現(xiàn)1.計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算思維在計(jì)算系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)2023/8/31572.問(wèn)題求解使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問(wèn)題求解的計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)過(guò)程2023/8/31583.具有規(guī)模數(shù)據(jù)的復(fù)雜問(wèn)題求解具有規(guī)模數(shù)據(jù)的復(fù)雜問(wèn)題求解的計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)過(guò)程2023/8/31594.計(jì)算環(huán)境計(jì)算環(huán)境演化中計(jì)算思維的實(shí)現(xiàn)過(guò)程2023/8/31601.3.4計(jì)算思維的應(yīng)用霰彈槍算法大大降低了人類(lèi)基因組測(cè)序的成本，提高了測(cè)序的速度；利用繩結(jié)來(lái)模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，用計(jì)算過(guò)程來(lái)模擬蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)，并且運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘與聚類(lèi)分析的方法進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)；開(kāi)發(fā)了生物數(shù)據(jù)處理分析方法和知識(shí)庫(kù)，幫助人們從分子層次上認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)及其進(jìn)化規(guī)律。DNA計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器人手術(shù)、借助于計(jì)算機(jī)的分析診斷及可視化系統(tǒng)在臨床中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。1.生物學(xué)2023/8/3161在量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)中進(jìn)行演繹計(jì)算、在分析化學(xué)中進(jìn)行條件預(yù)測(cè)；進(jìn)行數(shù)值模擬、過(guò)程模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M；使用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別法根據(jù)二元化物的鍵參數(shù)對(duì)化合物進(jìn)行分類(lèi)、預(yù)報(bào)化合物的性質(zhì)；在有機(jī)分析中根據(jù)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行圖譜檢索等。利用原子計(jì)算去探索化學(xué)現(xiàn)象；用優(yōu)化和搜索算法尋找優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件和提高產(chǎn)量的物質(zhì)。2.化學(xué)基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和分區(qū)并行算法，為求解多組分化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)守恒方程組開(kāi)發(fā)了單程序多數(shù)據(jù)流形式的并行程序，對(duì)己有的預(yù)混可燃?xì)怏w中高速飛行的彈丸的爆轟現(xiàn)象進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬。2023/8/3162計(jì)算數(shù)學(xué)研究用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法；計(jì)算代數(shù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行代數(shù)演算；計(jì)算幾何學(xué)用計(jì)算機(jī)研究幾何問(wèn)題等，這些大大擴(kuò)展了數(shù)學(xué)家的計(jì)算能力?，F(xiàn)在數(shù)學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)尋找傳統(tǒng)數(shù)學(xué)難題的答案，如四色定理的證明，尋找最大的梅森素?cái)?shù)、密碼學(xué)研究等。世界上最復(fù)雜的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)之一——李群E8的計(jì)算。數(shù)學(xué)軟件，如MATLAB、MATHEMATICA、MAPLE等可以方便地進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析、系統(tǒng)建模與仿真、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)可視化、財(cái)務(wù)與金融工程計(jì)算等等。3.數(shù)學(xué)2023/8/3163E8LieGroup2023/8/3164應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)抽象建模，將研究從定性分析轉(zhuǎn)化為定量研究，計(jì)算思維改變了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究模式。在機(jī)械、電子、土木及航空航天等工程領(lǐng)域，計(jì)算高階項(xiàng)、計(jì)算機(jī)模擬、仿真和預(yù)測(cè)。計(jì)算機(jī)博弈論正在改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式。計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)極大地影響了經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究方法。社交網(wǎng)絡(luò)、法學(xué)、使用計(jì)算機(jī)繪畫(huà)、雕塑，進(jìn)行影視動(dòng)畫(huà)制作、平面設(shè)計(jì)、廣告創(chuàng)意、服裝、室內(nèi)、建筑等設(shè)計(jì)。阿姆斯特朗使用自行車(chē)車(chē)載計(jì)算機(jī)追蹤人車(chē)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。4.其他學(xué)科和領(lǐng)域2023/8/31651.1計(jì)算2023/8/3166總結(jié)

從廣義上講，對(duì)信息的加工和處理也可以看作計(jì)算。為了尋求能夠進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算的機(jī)器，人們對(duì)計(jì)算及計(jì)算工具進(jìn)行了長(zhǎng)期的、堅(jiān)持不懈的探索。圖靈機(jī)模型刻畫(huà)了一個(gè)通用計(jì)算機(jī)的理論模型；馮·諾依曼通過(guò)存儲(chǔ)程序和程序控制的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了圖靈機(jī)模型。電子計(jì)算機(jī)的誕生賦予了計(jì)算新的活力，人類(lèi)的計(jì)算能力得到了前所未有的提升。目前計(jì)算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，新型計(jì)算機(jī)及其新的應(yīng)用模式的發(fā)展將會(huì)再次給人類(lèi)的文明帶來(lái)巨大的進(jìn)步。計(jì)算思維是是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)各領(lǐng)域的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算思維的方法有兩大類(lèi)：一類(lèi)是源于數(shù)學(xué)和工程中系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估的方法，還有一類(lèi)是計(jì)算機(jī)科學(xué)特有的方法。

計(jì)算思維與智能計(jì)算基礎(chǔ)2023/8/3168第2章計(jì)算基礎(chǔ)2023/8/3169計(jì)算機(jī)在處理任何信息（包括數(shù)字、文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)、視頻等數(shù)據(jù)）前，必須把它們保存在存儲(chǔ)器里。通過(guò)上一章的學(xué)習(xí)，知道了存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是一系列的0和1，這就意味著數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)都必須進(jìn)行0和1的二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換，如何把各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成0和1呢？本章將揭曉這個(gè)問(wèn)題的答案。2023/8/317010和1的思維第節(jié)2023/8/3171計(jì)算的本質(zhì)是從一個(gè)符號(hào)串到另一個(gè)符號(hào)串的轉(zhuǎn)換，運(yùn)用計(jì)算機(jī)完成各種計(jì)算任務(wù)，首先要解決的問(wèn)題是如何在計(jì)算機(jī)里表示各類(lèi)要處理的數(shù)據(jù)，也就是信息。香農(nóng)信息理論提出“一切信源發(fā)出的消息或者信號(hào)都可以用0和1的組合來(lái)描述”。而我國(guó)最古老的哲學(xué)思想《易經(jīng)》認(rèn)為“陰”“陽(yáng)”就是構(gòu)成宇宙萬(wàn)事萬(wàn)物最基本的元素，這些事情不過(guò)是“一而二，二而一”而已。如果利用數(shù)學(xué)思維方法來(lái)理解陰和陽(yáng)，則可把陰、陽(yáng)符號(hào)化為0和1，利用0和1的不同組合可以描述世間萬(wàn)物。這與香農(nóng)的信息理論不謀而合。2023/8/31722.1.1中國(guó)古代的0和1的思維古人認(rèn)為太極就是一個(gè)圈，意思是萬(wàn)物為一。而圈內(nèi)分成陰陽(yáng)兩個(gè)部分，陰中有陽(yáng)，陽(yáng)中有陰，是為兩儀，代表兩種相生又相抗的屬性，這就是太極。古人用兩種符號(hào)，即斷開(kāi)的線條（－－）和聯(lián)通的線條（—）分別表示陰和陽(yáng)，稱(chēng)為陰爻和陽(yáng)爻（爻音同“要”），這兩種符號(hào)可以有22=4種不同的組合為四象（少陰、太陰、少陽(yáng)、太陽(yáng)），即兩儀生四象，代表兩種屬性的4種相對(duì)變化。八卦中每卦又有三爻，代表天、地、人三種才，則有23=8種不同的組合，分別代表不同的事物，從而形成八卦系統(tǒng)，如右圖所示。2023/8/3173八卦系統(tǒng)通過(guò)陰爻和陽(yáng)爻符號(hào)的位置和組合來(lái)描述自然界中的一切，將符號(hào)賦予不同的語(yǔ)義來(lái)解決不同的問(wèn)題，這就是基于符號(hào)進(jìn)行計(jì)算以解決現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題的一種思維方式，也蘊(yùn)涵著二進(jìn)制及編碼的重要思想。如果把陰爻用0代替，陽(yáng)爻用1代替，就可以用二進(jìn)制數(shù)101來(lái)表示八卦中的“離”卦，如表2.1所示。同樣也可以用0和1的組合表示現(xiàn)實(shí)世界中的各種語(yǔ)義，這就是二元符號(hào)語(yǔ)言。2023/8/31742.1.2計(jì)算機(jī)中0和1的思維萊布尼茨曾經(jīng)預(yù)言，可以用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示宇宙萬(wàn)物，而現(xiàn)在計(jì)算機(jī)就是用了二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示一切信息?，F(xiàn)實(shí)世界的各種信息（數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)）都要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，才可以輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，計(jì)算機(jī)之所以能夠區(qū)分不同的信息，是因?yàn)樗鼈儾捎貌煌木幋a規(guī)則。二進(jìn)制并不符合人們?nèi)粘Ｉ钪械牧?xí)慣，但是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部為什么要采用二進(jìn)制數(shù)表示各種信息呢？2023/8/31752.1.2計(jì)算機(jī)中0和1的思維1．在物理上實(shí)現(xiàn)容易2．記憶和傳輸可靠3．運(yùn)算簡(jiǎn)單4．方便使用邏輯代數(shù)工具2023/8/31762計(jì)算機(jī)中的數(shù)制與運(yùn)算第節(jié)2023/8/31771數(shù)制的概念數(shù)制：人們利用符號(hào)來(lái)計(jì)數(shù)的科學(xué)方法。進(jìn)位計(jì)數(shù)制：按一定進(jìn)位規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法?；鶖?shù)：是指該進(jìn)制中允許使用的基本數(shù)碼的個(gè)數(shù)。十進(jìn)制的基數(shù)為10，數(shù)碼為0，1，2，…，9十個(gè)。二進(jìn)制的基數(shù)為2，數(shù)碼為0，1兩個(gè)。八進(jìn)制的基數(shù)為8，數(shù)碼為0，1，…，7八個(gè)。十六進(jìn)制的基數(shù)為16，數(shù)碼為0-9，A-F十六個(gè)。位權(quán)：數(shù)制每一位所具有的值。2.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/3178基數(shù)權(quán)數(shù)碼按權(quán)展開(kāi)式：234.32=2*102+3*101+4*100+3*10-1+2*10-2

10.01=1*21+0*20+0*2-1+1*2-22.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/3179十進(jìn)制數(shù)123.45中的位權(quán)123.4510210110010-110-2十六進(jìn)制數(shù)12A.BC中的位權(quán)12A.BC16216116016-116-2二進(jìn)制數(shù)101.01中的位權(quán)101.012221202-12-22.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/31802.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2計(jì)算機(jī)技術(shù)中常見(jiàn)的數(shù)制（1）二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制計(jì)數(shù)制中，數(shù)值用0，1表示，基數(shù)為2，是逢二進(jìn)一的計(jì)數(shù)制，各數(shù)位的權(quán)是以2為底的冪。表示：1011B或（1011）2按位權(quán)展開(kāi)多項(xiàng)式之和：(10.01)2=1*21+0*20+0*2-1+1*2-2=1*21+1*2-2=(2.25)102023/8/3181(2)八進(jìn)制表示法八進(jìn)制計(jì)數(shù)制中，數(shù)值用0－7表示，基數(shù)為8，是逢八進(jìn)一的計(jì)數(shù)制，各數(shù)位的權(quán)是以8為底的冪。舉例:3765.02=3×83+7×82+6×81+5×80+0×8-1+2×8-2表示：452.16Q或452.16O或(1101.01)82.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/3182（3）十六進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制計(jì)數(shù)制中，數(shù)值用0，1，…，9，A，…，F(xiàn)表示，基數(shù)為16，是逢十六進(jìn)一的計(jì)數(shù)制，各數(shù)位的權(quán)是以16為底的冪。表示：3EFH或（20）16按位權(quán)展開(kāi)多項(xiàng)式之和：(6F)16=6*161+F*160=96+15=(111)102.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/31833數(shù)制間的轉(zhuǎn)換（1）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)①十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)方法：除2反序取余法例：(29)10=(?)22914731022222……1……0……1……1……1結(jié)果：(29)10=(11101)22.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/3184②十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)方法：乘2順序取整法例：(0.375)10=(?)2解：乘2過(guò)程乘積的小數(shù)部分整數(shù)部分0.375*2=0.750.7500.75*2=1.50.510.5*2=1.00.01結(jié)果：(0.375)10=(0.011)2注意事項(xiàng)并非所有的十進(jìn)制小數(shù)都能用有限位的二進(jìn)制小數(shù)來(lái)表示。例如將(0.63)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。因?yàn)?，小?shù)部分乘以2會(huì)無(wú)限循環(huán)下去，故：只能取近似值。2023/8/31852023/8/3186(2)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)方法：用2的方次展開(kāi)相加法。即位權(quán)法。例：(101.11101)2=(?)10解：(101.11101)2=1*22+0*21+1*20+1*2-1+1*2-2+1*2-3+0*2-4+1*2-5=22+20+2-1+2-2+2-3+2-5=(5.90625)102.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/31872.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換例：將八進(jìn)制數(shù)(101)8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)101(Q)=1×82+0×81+1×80=(65)10例：將十六進(jìn)制數(shù)5EA.11轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

(5EA.11)16

=5×162+14×161+10×160+1×16-1+1×16-2=(1514.0664062)10r進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)2023/8/3188各進(jìn)制數(shù)的對(duì)比關(guān)系(1)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001082023/8/3189各進(jìn)制數(shù)的對(duì)比關(guān)系(2)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)9100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F161000020102023/8/3190①二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù) 整數(shù)部分從低位向高位方向每3位用一個(gè)等值的八進(jìn)制數(shù)來(lái)替換，最后若不足3位的在高位處用0補(bǔ)夠3位；小數(shù)部分從高位向低位每3位用一個(gè)等值的八進(jìn)制數(shù)來(lái)替換，不足3位的在低位處用0補(bǔ)夠3位。例：(011110111.100010101)2＝(367.425)8367.425（3）二進(jìn)制與八進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換2.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/31912.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換②八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù) 只需將每一個(gè)八進(jìn)制數(shù)字改寫(xiě)成等值的3位二進(jìn)制數(shù)即可，且要保持高、低位次序的不變。例：(16.327)8＝(001110.011010111)2＝(1110.011010111)22023/8/3192①二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)整數(shù)部分從低位向高位方向每4位用一個(gè)等值的十六進(jìn)制數(shù)來(lái)替換，即四位并為一位，最后不足4位時(shí)在高位處補(bǔ)0，補(bǔ)夠4位；小數(shù)部分從高位向低位方向每4位用一個(gè)等值的十六進(jìn)制數(shù)來(lái)替，最后不足4位時(shí)在低位處補(bǔ)0，補(bǔ)夠4位。例：(111001011010.10111001)2＝（E5A.B9）16E5A.B9（4）二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換2.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換2023/8/31932.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換②十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù) 把每一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字改寫(xiě)成等值的4位二進(jìn)制數(shù)即一位拆成四位，且要保持高、低位的次序不變。例：(4C.2E)16＝(01001100.00101110)2

4C2E

＝(1001100.0010111)22023/8/31942.2.1數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換

目標(biāo)進(jìn)制源進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制

整數(shù)部分，除基數(shù)倒取余數(shù)；小數(shù)部分，乘基數(shù)取整數(shù)二進(jìn)制按權(quán)展開(kāi)

三位并一位四位并一位八進(jìn)制一位拆三位

以二進(jìn)制為橋梁十六進(jìn)制一位拆四位以二進(jìn)制為橋梁

2023/8/31952.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算1算術(shù)運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中之所以采用二進(jìn)制數(shù)而不用十進(jìn)制數(shù)的原因之一就是因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單。主要包括加、減、乘、除四則運(yùn)算。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則：加法：（逢二進(jìn)一）0＋0=0減法（借一有二）0-0=0乘法：0×0=00＋1=11-0=10×1=01＋0=11-1=01×0=01＋1=1010-1=11×1=1

2023/8/31962.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算例：X=(1110)2＋(1011)2Y=(1101)2－(1011)2求X、Y的值。

1110被加數(shù)

1101被減數(shù)＋1011加數(shù)

－1011減數(shù)

11001和

0010差2023/8/31972.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算2邏輯運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的0和1不僅可以表示數(shù)值的大小，也可以表示兩種不同的邏輯狀態(tài)。比如，可以用0和1分別表示開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，一件事情的真和假、好與壞等等。這種只有兩種對(duì)立邏輯狀態(tài)的邏輯關(guān)系稱(chēng)為二值邏輯。邏輯運(yùn)算的結(jié)果只能是“真”或“假”，一般用1表示“真”而用0表示“假”。二進(jìn)制數(shù)的基本邏輯運(yùn)算有邏輯或運(yùn)算、邏輯與運(yùn)算和邏輯非運(yùn)算。2023/8/31982.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算（1）邏輯或運(yùn)算或運(yùn)算可用符號(hào)“+”或“∨”來(lái)表示。其運(yùn)算規(guī)則如下：0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1兩個(gè)相或的邏輯位至少有一個(gè)是1時(shí)，或運(yùn)算的結(jié)果就是1；僅當(dāng)兩個(gè)邏輯位都是0時(shí)，或運(yùn)算的結(jié)果才是0。例：A=1001111，B=1011101，求A∨B。

1001111∨1011101

10111112023/8/3199（2）邏輯與運(yùn)算與運(yùn)算可用符號(hào)“×”或“．”或“∧”表示。其運(yùn)算規(guī)則如下：0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1兩個(gè)相與的邏輯位只要有一個(gè)是0時(shí)，與運(yùn)算的結(jié)果就是0；僅當(dāng)兩個(gè)邏輯位都是1時(shí)，與運(yùn)算的結(jié)果才是1。例：A=1001111，B=1011101，求A∧B。2.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

1001111∧1011101

10011012023/8/31100（3）邏輯非運(yùn)算非運(yùn)算是在邏輯量的上方加一橫線表示，將原來(lái)邏輯量的狀態(tài)求反。其運(yùn)算規(guī)則如下：例：A=1001111，求。=0110000特別需要注意的是，所有的邏輯運(yùn)算都是按位進(jìn)行的，位與位之間是獨(dú)立的，即不存在算術(shù)運(yùn)算中的進(jìn)位或借位關(guān)系。2.2.2二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算2023/8/311013信息編碼第節(jié)2023/8/31102計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理的信息可以分為數(shù)值數(shù)據(jù)信息和非數(shù)值數(shù)據(jù)信息。無(wú)論是數(shù)值數(shù)據(jù)信息還是非數(shù)值數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)中都是以二進(jìn)制數(shù)的形式表示和存儲(chǔ)的，也就是說(shuō)，可參加運(yùn)算的

數(shù)值、文字、符號(hào)、圖形、圖像、音頻、視頻等信息，都是以0和1組成的二進(jìn)制代碼表示的。因?yàn)樗鼈儾捎昧瞬煌木幋a規(guī)則，所以計(jì)算機(jī)是可以區(qū)分不同的信息的。2023/8/31103有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示十進(jìn)制數(shù)有正負(fù)之分，那么二進(jìn)制數(shù)也有正數(shù)和負(fù)數(shù)之分。帶有正、負(fù)號(hào)的二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為真值，例如＋1010110、－0110101就是真值。為了方便運(yùn)算，在計(jì)算機(jī)中約定：在有符號(hào)數(shù)的前面增加1位符號(hào)位，用0表示正號(hào)，用1表示負(fù)號(hào)。這種在計(jì)算機(jī)中用0和1表示正負(fù)號(hào)的數(shù)稱(chēng)為機(jī)器數(shù)。目前常用的機(jī)器數(shù)編碼方法有原碼、反碼和補(bǔ)碼三種。2.3.1數(shù)值信息的表示2023/8/31104（1）原碼正數(shù)的符號(hào)位用“0”表示，負(fù)數(shù)的符號(hào)位用“1”表示，其余數(shù)位表示數(shù)值本身。例如：X=＋1010110[X]原=01010110Y=－0110101[Y]原=10110101對(duì)于0，可以認(rèn)為它是＋0，也可以認(rèn)為是－0，因此0的原碼表示并不唯一：[＋0]原=00000000[－0]原=100000002.3.1數(shù)值信息的表示2023/8/311052.3.1數(shù)值信息的表示為什么還要引入反碼和補(bǔ)碼？

原碼方法簡(jiǎn)單，但是用原碼表示的數(shù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行加減運(yùn)算很麻煩。比如遇到兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加或兩個(gè)同號(hào)數(shù)相減時(shí)，就要做減法。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算器的復(fù)雜性，提高運(yùn)算速度，需要把減法運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算，這樣一來(lái)的好處是在設(shè)計(jì)電子器件時(shí)，只需要設(shè)計(jì)加法器，不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)減法器。因此人們引入了反碼和補(bǔ)碼。2023/8/311062.3.1數(shù)值信息的表示（2）反碼正數(shù)的反碼與其原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是在原碼的基礎(chǔ)上保持符號(hào)位不變，其余各位按位求反得到的。例如：X=＋1010110[X]反=[X]原=01010110Y=－0110101[Y]反=11001010[Y]原=10110101同樣0的反碼表示也不唯一：[＋0]反=00000000[－0]反=111111112023/8/311072.3.1數(shù)值信息的表示（3）補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在原碼的基礎(chǔ)上保持符號(hào)位不變，其他的數(shù)位，凡是1就轉(zhuǎn)換為0，0就轉(zhuǎn)換為1，最后再進(jìn)行加1運(yùn)算。也就是說(shuō)，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是它的反碼加1。在計(jì)算機(jī)中有符號(hào)的整數(shù)常用補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)。例如：X=＋1010110[X]補(bǔ)=[X]原=[X]反=01010110X=－0110101[X]補(bǔ)=11001011注意補(bǔ)碼中的0無(wú)正負(fù)之分，即：[＋0]補(bǔ)=[－0]補(bǔ)=00000000補(bǔ)碼具有一個(gè)特性，即一個(gè)數(shù)補(bǔ)碼的補(bǔ)碼是它的原碼。即：[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[X]原2023/8/31108使用補(bǔ)碼可使減法變加法,你相信嗎?例：用補(bǔ)碼運(yùn)算5-3的值。解：5-3=5+(-3)[5]補(bǔ)=0101[-3]補(bǔ)=1101符號(hào)位的進(jìn)位自動(dòng)丟掉所以[5-3]補(bǔ)=0010，又因?yàn)檎龜?shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼都相同，所以[5-3]原=（0010）2=+2

0101＋1101100102023/8/311092數(shù)值信息小數(shù)點(diǎn)的表示在計(jì)算機(jī)中必須有一定的方法來(lái)表示和處理小數(shù)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0和1兩種信息，如果用0或1來(lái)表示小數(shù)點(diǎn)，則勢(shì)必和數(shù)字位相混淆。事實(shí)上，對(duì)小數(shù)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，重要的不是小數(shù)點(diǎn)本身，而是它的位置。小數(shù)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)中通常有兩種表示方法，一種是約定所有數(shù)值數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)隱含在某一個(gè)固定的位置上，稱(chēng)為定點(diǎn)表示法，簡(jiǎn)稱(chēng)定點(diǎn)數(shù)；另一種是小數(shù)點(diǎn)位置可以浮動(dòng)，稱(chēng)為浮點(diǎn)表示法，簡(jiǎn)稱(chēng)浮點(diǎn)數(shù)。在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)整數(shù)一般采用定點(diǎn)數(shù)表示法；實(shí)數(shù)一般有定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)這兩種表示方式。由于定點(diǎn)數(shù)表示的實(shí)數(shù)范圍太窄，因此實(shí)數(shù)通常采用浮點(diǎn)數(shù)表示。2.3.1數(shù)值信息的表示2023/8/311102.3.1數(shù)值信息的表示（1）定點(diǎn)數(shù)①定點(diǎn)整數(shù)整數(shù)是沒(méi)有小數(shù)部分的整型數(shù)字，可以當(dāng)作小數(shù)點(diǎn)位置是固定的數(shù)字。存儲(chǔ)整數(shù)一般采用定點(diǎn)表示法，小數(shù)點(diǎn)是假設(shè)的并不實(shí)際存儲(chǔ)。例如機(jī)器字長(zhǎng)為16位，符號(hào)位占1位，數(shù)值部分占15位，故十進(jìn)制數(shù)+32767的定點(diǎn)數(shù)表示如下所示：2023/8/311112.3.1數(shù)值信息的表示②定點(diǎn)小數(shù)實(shí)數(shù)與整數(shù)存儲(chǔ)不同，實(shí)數(shù)小數(shù)部分的存儲(chǔ)不僅需要以二進(jìn)制形式來(lái)表示，還要指明小數(shù)點(diǎn)的位置。定點(diǎn)小數(shù)是純小數(shù)，約定的小數(shù)點(diǎn)位置在符號(hào)位之后，有效數(shù)值部分最高位之前。如圖所示：2023/8/311122.3.1數(shù)值信息的表示（2）浮點(diǎn)數(shù)由于定點(diǎn)小數(shù)表示法有缺陷，能表示的實(shí)數(shù)范圍太窄，于是為了解決這種問(wèn)題，就用科學(xué)計(jì)數(shù)法的形式來(lái)表示，即用一個(gè)尾數(shù)（Mantissa），一個(gè)基數(shù)（Base），一個(gè)指數(shù)（Exponent）以及一個(gè)表示正負(fù)的符號(hào)來(lái)表達(dá)實(shí)數(shù)。比如123.456用十進(jìn)制科學(xué)計(jì)數(shù)法可以表達(dá)為1.23456×102

，其中1.23456為尾數(shù)，10為基數(shù)，2為指數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)利用指數(shù)達(dá)到了浮動(dòng)小數(shù)點(diǎn)的效果，從而可以靈活地表達(dá)更大范圍的實(shí)數(shù)。例如一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)n的32位浮點(diǎn)格式如圖所示：符號(hào)位（1位）偏移階碼（8位）尾數(shù)

（23位）2023/8/311132.3.1數(shù)值信息的表示例：將浮點(diǎn)數(shù)17.625轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)格式中的二進(jìn)制數(shù)。首先將17.625換算成二進(jìn)制數(shù)：(17.625)10=(10001.101)210001.101=1.0001101×24=1.0001101×2100。尾數(shù)為0001101，在其后面補(bǔ)0使其位數(shù)達(dá)到23位，則為00011010000000000000000。指數(shù)部分實(shí)際為4，其存儲(chǔ)采用移位存儲(chǔ)，即存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“原數(shù)據(jù)＋127”，因此4＋127=131，131的二進(jìn)制數(shù)為10000011。由于尾數(shù)是正數(shù)，所以符號(hào)位為0。綜上所述，浮點(diǎn)數(shù)17.625的存儲(chǔ)格式就是：2023/8/311142.3.2字符信息的編碼計(jì)算機(jī)不僅可以處理數(shù)值信息，也可以處理非數(shù)值信息，其中字符是計(jì)算機(jī)中使用最多的信息之一。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)，所以要讓計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)處理字符信息，必須將其數(shù)字化。用一串二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符就是編碼。輸出時(shí)，再將字符編碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的圖形符號(hào)。2023/8/311152.3.2字符信息的編碼非數(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(hào)的不同組合來(lái)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(hào)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2023/8/311162.3.2字符信息的編碼編碼的三個(gè)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(shí)認(rèn)性：有一定規(guī)律2023/8/311172.3.2字符信息的編碼ASCII碼ASCII碼有標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼和擴(kuò)展ASCII碼兩種。 標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼使用7位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)編碼，即每一個(gè)字符對(duì)應(yīng)著一個(gè)7位的二進(jìn)制數(shù)。所以用標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼可以表示27=128個(gè)字符，其中包含10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，52個(gè)英文大小字母，33個(gè)符號(hào)及33個(gè)控制字符。 擴(kuò)展的ASCII碼用8位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，可以表示256種不同的符號(hào)。AmericanStandardCodeforInformationInterchange(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼）2023/8/311182.3.2字符信息的編碼410100000101000001A例如，字母‘A’的ASCII編碼是‘65’，對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制值是‘41H’，在一個(gè)字節(jié)中的表示是：ASCII碼2023/8/311192.3.2字符信息的編碼ASCII碼(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)b7b6b5b4b3b2b1b0ASCII編碼位Computer01000011011011110110110101110000011101010111010001100101011100102023/8/311202.3.2字符信息的編碼每8位為一個(gè)字符，最高位為041H~5AH:“A”~“Z”61H~7AH:“a”~“z”0AH:換行符號(hào)LF0DH:回車(chē)符號(hào)CR30H~39H:“0”~“9”01000001A41H01000010B42H01000110F46HASCII編碼的規(guī)律2023/8/311212.3.3漢字信息的編碼計(jì)算機(jī)中漢字的表示也是用二進(jìn)制編碼，同樣是人為編碼的。但是漢字的輸入、存儲(chǔ)、輸出不能像西文字符一樣只用一種編碼即可。漢字進(jìn)入計(jì)算機(jī)有許多困難，其原因主要有三點(diǎn)。（1）數(shù)量龐大（2）字形復(fù)雜（3）存在大量一音多字和一字多音的現(xiàn)象因此根據(jù)應(yīng)用目的不同，漢字在不同的處理階段會(huì)有不同的編碼，如在輸入時(shí)有輸入碼、進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)表示處理時(shí)有國(guó)標(biāo)碼、機(jī)內(nèi)碼，輸出時(shí)有字形碼。2023/8/311222.3.3漢字信息的編碼“大”拼音碼：da字型碼：dddd計(jì)算機(jī)內(nèi)部由外到內(nèi)由內(nèi)到外漢字輸入碼：是用鍵盤(pán)上的字母符號(hào)編碼每一個(gè)漢字的編碼,它使人們通過(guò)鍵入字母符號(hào)代替鍵入漢字。漢字的編碼輸入碼有若干：拼音碼、字型碼、區(qū)位碼……2023/8/31123漢字內(nèi)碼：漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用漢字內(nèi)碼存儲(chǔ)，漢字內(nèi)碼是兩個(gè)字節(jié)且最高位均為1的編碼漢字的編碼2.3.3漢字信息的編碼2023/8/31124“大”計(jì)算機(jī)內(nèi)部由外到內(nèi)由內(nèi)到外b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0用0和1編碼漢字,每個(gè)漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部由2個(gè)字節(jié)表示0011010001110111國(guó)標(biāo)碼1011010011110111(機(jī))內(nèi)碼漢字的編碼2023/8/31125用0和1編碼無(wú)亮點(diǎn)和有亮點(diǎn)形成字形信息,便于顯示……漢字字形碼是一種字模點(diǎn)陣碼。也有不同的處理漢字點(diǎn)陣信息的編碼，如矢量編碼等oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111ooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo11oo11ooooooooooo111計(jì)算機(jī)內(nèi)部由外到內(nèi)由內(nèi)到外大漢字字形碼：是用0和1編碼無(wú)亮點(diǎn)和有亮點(diǎn)像素,形成漢字字形的一種編碼。依據(jù)字形碼通過(guò)顯示器或打印機(jī)輸出漢字。漢字的編碼2023/8/311262.3.3漢字信息的編碼漢字處理過(guò)程:通過(guò)漢字外碼（輸入碼）輸入,以漢字內(nèi)碼存儲(chǔ),以漢字字形碼輸出漢字的編碼2023/8/311272.3.4多媒體信息的編碼計(jì)算機(jī)所能存儲(chǔ)、處理的信息除了數(shù)值信息、字符文字信息外，還能存儲(chǔ)、處理圖形、圖像、聲音和視頻等多媒體信息。然而要使計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)處理多媒體信息，就必須先將這些信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信息。2023/8/311282.3.4多媒體信息的編碼1聲音信息的表達(dá)聲音是人們用來(lái)傳遞信息、交流感情最方便、最熟悉的方式之一。自然界中聲音是具有一定振幅和頻率并隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)。電子計(jì)算機(jī)是不能直接存儲(chǔ)處理模擬信號(hào)的，必須先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)采樣、量化、編碼這三個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)。2023/8/311292.3.4多媒體信息的編碼采樣是指按一定的頻率，每隔一小段時(shí)間測(cè)出模擬信號(hào)的模擬量值。采樣得到的數(shù)據(jù)只是一些離散值，這些離散值用計(jì)算機(jī)中的若干二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。這一過(guò)程稱(chēng)為量化。采樣頻率越高音質(zhì)越好，存貯數(shù)據(jù)量越大。采樣精度越高，存貯數(shù)據(jù)量越大，音質(zhì)也越好。2023/8/311302.3.4多媒體信息的編碼圖形與圖像“圖”在計(jì)算機(jī)中有兩種表示方法，一種稱(chēng)為“矢量圖”即圖形；一種稱(chēng)為“點(diǎn)陣圖”即圖像。點(diǎn)陣圖：由靜態(tài)的像素點(diǎn)組成，直接按像素點(diǎn)位置畫(huà)出，例如BMP,JPG,GIF…矢量圖：由若干特定點(diǎn)的位置和相關(guān)數(shù)學(xué)公式計(jì)算動(dòng)態(tài)畫(huà)出，例如wmf,emf,dwg2023/8/311312.3.4多媒體信息的編碼要在計(jì)算機(jī)中處理圖像，必須先把真實(shí)的圖像（照片、畫(huà)報(bào)、圖書(shū)、圖紙等）通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠接受的顯示和存儲(chǔ)格式，然后再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。圖像的數(shù)字化過(guò)程主要分采樣、量化與編碼三個(gè)步驟。計(jì)算機(jī)通過(guò)指定每個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)（或像素）在屏幕上的位置來(lái)存儲(chǔ)圖像，最簡(jiǎn)單的圖像是單色圖像。計(jì)算機(jī)檢查矩陣中的每個(gè)單元，當(dāng)單元為白色時(shí)，編碼為1；當(dāng)單元為黑色時(shí)，編碼為0。計(jì)算機(jī)將圖像按照屏幕的分辨率分割成矩陣。這里只可以看到整個(gè)矩陣的一部分。原始圖形單色圖像黑白(1位)灰度圖像黑白之間灰度(3位)彩色圖像16色(4位)256色(8位)24位真彩色32位真彩色2023/8/311322.3.4多媒體信息的編碼視頻視頻數(shù)字化過(guò)程掃描采樣量化編碼模擬視頻信號(hào)數(shù)字視頻信號(hào)視頻是連續(xù)的圖像圖像是離散的視頻2023/8/311334數(shù)據(jù)的組織與壓縮第節(jié)2023/8/31134在計(jì)算機(jī)中處理的各種數(shù)據(jù)信息都是以二進(jìn)制數(shù)的形式存在的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以層次結(jié)構(gòu)來(lái)組織、管理各種數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)的組織方式從位（bit）、字節(jié)(Byte)、字（Word）開(kāi)始，進(jìn)而成為域、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫(kù)等。隨著數(shù)據(jù)量的增大，數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)可以極大地減輕存儲(chǔ)器的負(fù)擔(dān)。2023/8/311352.4.1數(shù)據(jù)的組織在計(jì)算機(jī)中表示信息的單位有位、字節(jié)、字等，它們是表示信息量大小的基本概念。位（bit，b）字節(jié)（Byte，B）字（Word）2023/8/311362.4.2數(shù)據(jù)的壓縮1數(shù)據(jù)壓縮的必要性和可行性把一系列已有的信息通過(guò)一定的方法處理，使其長(zhǎng)度縮短，并且信息含量基本或者完全不變，就稱(chēng)之為壓縮。計(jì)算機(jī)采用的是二進(jìn)制系統(tǒng)，其需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量非常龐大。多媒體信息的數(shù)據(jù)量更是驚人。2023/8/311372.4.2數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)壓縮的必要性和可行性例：普通的模擬視頻PAL制式（25fps，625行/幀，高寬比3：4，隔行掃描，2場(chǎng)/幀，312.5行/場(chǎng)，占用帶寬8MHz），一路PAL制式彩色電視信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化以后，在帶寬為2M的寬帶ISDN上傳輸，至少需要占用數(shù)字話路（數(shù)字電話數(shù)碼率為64Kbps）50個(gè)以上。從存儲(chǔ)的角度看，一幅標(biāo)準(zhǔn)PAL制式模擬圖像，用24位真彩色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化后其存儲(chǔ)空間至少為：2023/8/31138數(shù)據(jù)壓縮的必要性和可行性那么3分鐘的數(shù)字視頻所占的存儲(chǔ)空間為：可看出一張CD-ROM光盤(pán)僅能保存不到一分鐘的數(shù)字視頻，多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量之大可見(jiàn)一斑。由此可見(jiàn)，多媒體數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)壓縮以后才能傳輸或存儲(chǔ)，如果不進(jìn)行壓縮，無(wú)論傳輸還是存儲(chǔ)都難以實(shí)用化。2023/8/311392.4.2數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)壓縮的方法各類(lèi)信息中有許多的冗余數(shù)據(jù)，通過(guò)去除這些冗余信息可以使原始數(shù)據(jù)極大的減少，這使得數(shù)據(jù)壓縮成為可能。數(shù)據(jù)壓縮可分為兩種類(lèi)型，一種叫做無(wú)損壓縮，另一種叫做有損壓縮。2023/8/311402.4.2數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)壓縮的方法無(wú)損壓縮是指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)（或者叫做還原，解壓縮），重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來(lái)的數(shù)據(jù)完全相同。無(wú)損壓縮用于要求重構(gòu)的信號(hào)與原始信號(hào)完全一致的場(chǎng)合。常用的無(wú)損壓縮算法有哈夫曼算法和LZW壓縮算法等。2023/8/311412.4.2數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)壓縮的方法有損壓縮是指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來(lái)的數(shù)據(jù)有所不同，但不影響人對(duì)原始資料表達(dá)的信息造成誤解。有損壓縮適用于重構(gòu)信號(hào)不一定非要和原始信號(hào)完全相同的場(chǎng)合。2023/8/31142總結(jié)

在計(jì)算機(jī)中就是用0和1組成的序列串表示各種各樣的信息的。二進(jìn)制數(shù)與人們所熟悉的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)比較麻煩，所以人們引入了八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)的大小。

經(jīng)過(guò)編碼的0和1可以表示不同類(lèi)型的信息，如有符號(hào)數(shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼，西文字符采用的ASCII碼，我國(guó)漢字采用的輸入碼、國(guó)標(biāo)碼、機(jī)內(nèi)碼和字形碼，對(duì)于多媒體信息采用了采樣-量化-編碼的方法。

計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的組織方式從位（bit）、字節(jié)(Byte)、字（Word）開(kāi)始，進(jìn)而成為域、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫(kù)等。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，提高傳輸率，要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行無(wú)損壓縮或有損壓縮。

計(jì)算思維與智能計(jì)算基礎(chǔ)2023/8/31144第3章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/8/31145本章主要從“結(jié)構(gòu)、層次、抽象”等計(jì)算機(jī)思維概念，討論計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)的內(nèi)容。2023/8/311463.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述3.2硬件系統(tǒng)3.3軟件系統(tǒng)本章總結(jié)2023/8/311471計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述第節(jié)2023/8/31148通常人們所說(shuō)的計(jì)算機(jī)其實(shí)是指既包含硬件系統(tǒng)又包含軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，離開(kāi)硬件系統(tǒng)，軟件就無(wú)法工作；軟件系統(tǒng)又是硬件系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和完善，有了軟件的支持，硬件系統(tǒng)的功能才能得到充分的發(fā)揮；兩者相互依賴(lài)、相互滲透、相互促進(jìn)。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，如圖所示。3.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2023/8/311493.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成硬件系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱(chēng)，硬件可以是電子的、電磁的、機(jī)電的、光學(xué)的元件/裝置或是它們的組合。例如，計(jì)算機(jī)的處理器芯片、存儲(chǔ)器芯片、主板、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鼠標(biāo)、打印機(jī)等。主機(jī)通常安裝在主機(jī)箱中，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。外部設(shè)備通過(guò)輸入/輸出接口及外設(shè)總線與主機(jī)相連。軟件系統(tǒng)是控制計(jì)算機(jī)工作流程及具體操作計(jì)算機(jī)工作的核心，它包括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的各種程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)的文檔資料。2023/8/311503.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是面向計(jì)算機(jī)管理和監(jiān)控的軟件，包括操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和系統(tǒng)工具軟件等。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件中最重要的組成部分，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者，還是計(jì)算機(jī)與用戶(hù)溝通的橋梁。常見(jiàn)的操作系統(tǒng)有Windows、iOS、Linux、UNIX等。支撐軟件支撐軟件是支持各種軟件開(kāi)發(fā)、運(yùn)行與維護(hù)的軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、中間件可以看作是支撐軟件。除此之外，各種接口軟件，如ODBC接口、ADO接口、網(wǎng)絡(luò)接口，以及工具包，如圖形軟件開(kāi)發(fā)包等也都屬于支撐軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)可在非數(shù)值計(jì)算中處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)、檢索和分類(lèi)等。常用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有SQLServer、Oracle、Sybase，DB2、Informix、FoxPro、Access等。2023/8/31151應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為了解決各種應(yīng)用問(wèn)題而編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件。它具有很強(qiáng)的實(shí)用性，在支撐軟件的支持下開(kāi)發(fā)，在操作系統(tǒng)的支撐下才能運(yùn)行。應(yīng)用軟件一般包括應(yīng)用軟件包和用戶(hù)程序兩大類(lèi)。應(yīng)用軟件包是為了實(shí)現(xiàn)某些特殊功能或計(jì)算的通用性軟件，可供多種用戶(hù)使用。如辦公軟件WPSOffice、MicrosoftOffice，圖像處理軟件Photoshop、Dreamweaver，動(dòng)畫(huà)處理軟件Flash、3DSMAX，科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB、MATHEMATICA、MAPLE，輔助設(shè)計(jì)軟件CAD，媒體編輯播放軟件、網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信軟件等。用戶(hù)程序是用戶(hù)為