引言與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述12 進(jìn)制與編碼

1、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C）,主講：孫承愛 軟件工程系(13#426)課程性質(zhì)：計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)之專業(yè)基礎(chǔ)課 學(xué)時(shí)安排: 90學(xué)時(shí)(上課60學(xué)時(shí)，上機(jī)30學(xué)時(shí)) 上課在J7-415，上機(jī)在J13-332 上機(jī)時(shí)間：4、5、7、9、11星期6上午3、4節(jié) 6、8、10、12-18星期5上午3、4節(jié) 考核方式:考試成績占70%，平時(shí)成績30%(課堂+上機(jī)+作業(yè))，缺課1/3者不得參加考試。 上機(jī)單獨(dú)計(jì)算學(xué)分，是另外一門課 學(xué)習(xí)方法：多思考，多編程，多上機(jī) 參考資料: Internet+Baidu/Google Donald Ervin Knuth,“The Art of Comput

2、er Programming”計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)藝術(shù)卷1-基本算法 ,課程性質(zhì)、學(xué)時(shí)安排與考核,本課程所講內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配 第1章 結(jié)論 （5學(xué)時(shí)） 第2章 C語言概述（1學(xué)時(shí)） 第3章 基本數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)運(yùn)算（5學(xué)時(shí)） 第4章 常用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)（4學(xué)時(shí)） 第5章 C程序結(jié)構(gòu)與控制語句（6學(xué)時(shí)） 第6章 數(shù)組（6學(xué)時(shí)） 第7章 函數(shù)（8學(xué)時(shí)） 第8章 預(yù)處理命令（1學(xué)時(shí)） 第9章 指針（12學(xué)時(shí)） 第10章 結(jié)構(gòu)體與共用體（5學(xué)時(shí)） 第11章 文件（6學(xué)時(shí)） 第12章 綜合應(yīng)用舉例（1學(xué)時(shí)）,第1章 緒論,1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 1.2 數(shù)據(jù)及其在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示 1.3 問題求解與算法 1.4 程序

3、設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)語言 1.5 計(jì)算機(jī)問題求解的過程,1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能、組成、工作原理,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能,功能：在程序控制下接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并按程序要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理進(jìn)而輸出結(jié)果 程序：為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問題而用計(jì)算機(jī)編程語言編寫的命令序列，是計(jì)算機(jī)解題的關(guān)鍵,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成(原理),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成(部件),運(yùn)算器:ALU,AC累加寄存器,MDR主存數(shù)據(jù)寄存器 CPU 計(jì) 控制器:PC,IR指令寄存器, MAR主存地址寄存器 算 機(jī) 內(nèi)存儲(chǔ)器：RAM Cache ROM 硬 存儲(chǔ)器 件 外存儲(chǔ)器：硬盤 光盤 優(yōu)盤 軟盤 系 輸入設(shè)備：鍵盤 鼠標(biāo) 掃描儀 數(shù)碼相機(jī) 統(tǒng) 輸

4、出設(shè)備：顯示器 打印機(jī) 音箱 投影儀,“存儲(chǔ)單元地址”,主板示意圖：,計(jì)算機(jī)工作原理,基本原理：存儲(chǔ)程序和程序控制。 先把指揮計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行操作的指令序列（程序）和原始數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。每一條指令中明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)從哪個(gè)地址取數(shù)，進(jìn)行什么操作，然后送到什么地址去等步驟。 計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的運(yùn)算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進(jìn)行下去，直至遇到停止指令。 計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行過程舉例 特點(diǎn)：程序與數(shù)據(jù)一樣存儲(chǔ)，按程序編排的順

5、序一步一步地取出指令、自動(dòng)地完成指令規(guī)定的操作，故稱之為存儲(chǔ)程序工作原理，又稱馮.諾依曼原理。,高級(jí)語言源程序舉例,#include void main() int x,y; scanf(“%d”, ,相關(guān)概念說明：,指令:能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并直接執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，一條指令對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)能完成的一種操作。分算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)傳送指令、程序流程控制指令、處理器控制指令等，由操作碼和操作數(shù)（地址碼）兩部分組成 指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合。 超級(jí)計(jì)算機(jī)通常采用RISC架構(gòu)(精簡指令集計(jì)算機(jī),幾十條指令)，桌面計(jì)算機(jī)為滿足兼容性常采用CISC架構(gòu)(復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，幾百條指令）

6、程序：為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問題而用計(jì)算機(jī)編程語言編寫的命令序列 編程語言：機(jī)器語言 匯編語言 高級(jí)語言 軟件：程序及其相關(guān)文檔的集合，是程序設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類，中間件介于兩者之間，為應(yīng)用程序提供跨平臺(tái)統(tǒng)一的服務(wù)接口,小結(jié)：,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成（原理和部件） 計(jì)算機(jī)工作原理（原理和指令執(zhí)行過程） 指令、指令系統(tǒng)、程序與軟件的區(qū)別，應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和中間件區(qū)別 作業(yè)1：概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 作業(yè)2：概述計(jì)算機(jī)工作原理,?,引： 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示？,圖形圖像,數(shù)值,文本,音頻,視頻,1.2 數(shù)據(jù)及其計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示,進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 各類數(shù)據(jù)的編碼表示

7、,進(jìn)制：用進(jìn)位的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)制，如十進(jìn)制 數(shù)碼：進(jìn)制中用到的數(shù)字符號(hào)，如十進(jìn)制中的0-9 基數(shù)： 數(shù)制中數(shù)碼的個(gè)數(shù),如十進(jìn)制基數(shù)為10 位權(quán)：數(shù)碼在不同位置上的權(quán)值 例：十進(jìn)制數(shù)(1 1 1 . 1 1 )10,101,100,10-1,10n-1,10-m,進(jìn)位計(jì)數(shù)制的相關(guān)概念,常見進(jìn)制,位權(quán)：(1111)2 (A15) 16,表示：(1111)10 (1111)2 (1111)8 (1111)16 1111D 1111B 1111O 1111H 1111 01111 0 x1111,二進(jìn)制逢2進(jìn)1，只需0與1兩個(gè)數(shù)碼，易于用電子元件表示,如可表示為磁性的正負(fù)、開關(guān)的開與關(guān),故計(jì)算機(jī)中采

8、用二進(jìn)制計(jì)數(shù),進(jìn)制轉(zhuǎn)換,非十進(jìn)制數(shù),十進(jìn)制數(shù),十進(jìn)制數(shù),非十進(jìn)制數(shù),二、八、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換,位權(quán)法：按位權(quán)展開求和 例：,非十進(jìn)制數(shù) 十進(jìn)制數(shù),(1101.1)2 = 1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1 = 8 + 4 + 0 + 1 + 0.5 = (13.5)10,(D.8)16 = 13+8*16-1 = 13 + 0.5 = (13.5)10,(0111 1111)2 = 27-1=127 0 x7FFF=215-1=32767,十進(jìn)制數(shù) 非十進(jìn)制數(shù),1）將整數(shù)部分轉(zhuǎn)為非十進(jìn)制數(shù) 2）將小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為非十進(jìn)制數(shù) 3）用小數(shù)點(diǎn)將兩者連接起來,取余法:除基取余倒排序,商

9、為0時(shí)停止 例:將(11)10轉(zhuǎn)為二進(jìn)制，(75)10轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制,十進(jìn)制整數(shù) 非十進(jìn)制數(shù),結(jié)果：(1011)2,11,2,1,5,2,1,2,2,1,0,2,0,1,結(jié)果：(4B)16,75,16,B,4,16,4,0,取整法:乘基取整正排序,小數(shù)部分為零時(shí)停止 例：將(0.625)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制與十六進(jìn)制,十進(jìn)制小數(shù) 非十進(jìn)制數(shù),0.625 2 1.250 2 0.50 2 1.0,結(jié)果為（0.101)2,1,0,1,0.625 8 5.000,結(jié)果為（0.5)8,5,例：將(11.625)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù),整數(shù)從右向左三位并一位 小數(shù)從左向右三位并一位 二進(jìn)制 八進(jìn)制,八進(jìn)制與二進(jìn)制

10、之間的轉(zhuǎn)換,(100110110111.010 100 )2 ( 4 6 6 7. 2 4 )8,不足三位者用0補(bǔ)位,HB,小結(jié)：,計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)原理與二、八、十六與十進(jìn)制間相互轉(zhuǎn)換 練習(xí)1：十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制和十六進(jìn)制 255 127 121.2,0 x0000 0 x0001 0 x0002 0 xFFFF,字節(jié)Byte,容量？,1Byte=8 bit 1KB=210Byte 1TB=210GB 1GB=210MB 1MB=210KB,?,思考： 數(shù)據(jù)的表示？,圖形圖像,數(shù)值,文本,音頻,視頻,2.1 文本數(shù)據(jù)表示-字符編碼,ASCII碼：用7位二進(jìn)制數(shù)給字符編碼,共128個(gè)西文字符,機(jī)器內(nèi)占1字

11、節(jié),最高位始終為0。熟悉Aa0與空格等編碼 擴(kuò)展ASCII碼：用8位二進(jìn)制數(shù)給字符編碼,共256 個(gè)字符，機(jī)器內(nèi)占一字節(jié)。各歐洲國家增加部分不盡相同 國標(biāo)碼:GB2312ASCII常用漢字符號(hào)； GBKGB2312不常用字（含BIG5繁體漢字）圖形符號(hào) GB18030GBKExt-A(日文、朝鮮語等)圖形符號(hào) GB2312與GBK是雙字節(jié)等寬編碼,GB18030變長編碼,有單字節(jié)、雙字節(jié)和四字節(jié)三種方式 Unicode字符集：統(tǒng)用多8位編碼字符集，只規(guī)定了符號(hào)的二進(jìn)制代碼大小，未規(guī)定存儲(chǔ)細(xì)節(jié)。UTF-8就是在互聯(lián)網(wǎng)上使用最廣的一種unicode的實(shí)現(xiàn)方式 。它是一種變長的編碼方式,1-3個(gè)字節(jié)

12、，與ASCII碼兼容,2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示整數(shù),假設(shè)用2字節(jié)存儲(chǔ)整數(shù), 編碼方法據(jù)整數(shù)類型不同而不同: 無符號(hào)整型:各位均為數(shù)值位, 將真值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制填到低位,高位補(bǔ)零即可. 有符號(hào)整型:最高位為符號(hào)位0/1,其余N-1位為數(shù)值位。有原碼、反碼、補(bǔ)碼三種編碼方法 正整數(shù)的原碼、反碼和補(bǔ)碼相同:符號(hào)位填0表正,將真值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制填到低位,中間補(bǔ)零. 負(fù)整數(shù)原碼:符號(hào)位填1,真值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制填低位,中間補(bǔ)0 負(fù)整數(shù)反碼:原碼基礎(chǔ)上符號(hào)位不變余變反. 負(fù)整數(shù)補(bǔ)碼:反碼基礎(chǔ)上加1(絕對(duì)值逐位變反末位加1),(77)10,0000 0000 0,(+77)10,0,符號(hào)位,數(shù)值部分,00000000,(

13、-77)10,1,00000000,(-77)10,1,11111111,(-77)10,1,11111111,2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示整數(shù),說明：機(jī)器內(nèi)對(duì)有符號(hào)整數(shù)實(shí)際采用補(bǔ)碼表示:0表示法唯一(+0和-0補(bǔ)碼同);減運(yùn)算可化為加運(yùn)算(7-8與7+(-8)，且所得結(jié)果仍然是補(bǔ)碼;負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼再“求補(bǔ)”(逐位變反末位加1)得絕對(duì)值 思考: 求0與32767的各種編碼表示,求2字節(jié)補(bǔ)碼的表示范圍? 說明：為什么會(huì)有原碼、反碼、補(bǔ)碼三種編碼方案？注意學(xué)習(xí)方法，要自覺，多思考，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力！,(77)10,0000 0000 0,(+77)10,0,00000000,(-77)10,1,0000000

14、0,(-77)10,1,11111111,(-77)10,1,11111111,1,1000 00,0,1,2.2數(shù)值數(shù)據(jù)表示實(shí)數(shù),-6.5D,1,0,1,00,IEEE754標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定了單精度浮點(diǎn)數(shù)和雙精度浮點(diǎn)數(shù)兩種實(shí)數(shù)的表示法:將真值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù), 并寫成以2為基的科學(xué)計(jì)數(shù)法形式(1.M2E),之后分符號(hào)位S、尾數(shù)M和指數(shù)E三部分存儲(chǔ)。符號(hào)位0正1負(fù);尾數(shù)部分因小數(shù)點(diǎn)前均1故只存放小數(shù)點(diǎn)后純小數(shù)部分(隱含1);真值指數(shù)可正可負(fù),為方便處理在原指數(shù)基礎(chǔ)上加上一正整數(shù)使均非負(fù)(Excess碼).,-110.1B,-1.101B*2+2,思考：11.2的單雙精度浮點(diǎn)數(shù)表示？給出浮點(diǎn)數(shù)表示求對(duì)應(yīng)真值？規(guī)格化情況下單精度浮點(diǎn)數(shù)表示的最大、最小