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1、在此输入您的封面副标题第1章 计算机与计算思维信 息 技 术 素 养第1章 计算机与计算思维主讲教师： 张琳 本章内容1.1 计算机概述1.2 计算机系统1.3 微机及其硬件系统1.4 数制和信息编码1.5 计算思维和算法基础计算机与计算思维重点和难点计算机的分类冯.诺依曼机体系结构计算机中数据的编码计算思维基本概念和算法基础计算机与计算思维计算机中数据的编码计算思维基本概念和算法基础 1.1.2 计算机概述1.1.1 计算机诞生l 1946.02诞生在美国宾夕法尼亚大学。 l 它的名字叫“埃尼亚克(ENIAC)”。l 它共用18000个电子管，总重30吨，耗电140千瓦，占地170平方米，速
2、度为 5000次/秒， 历时三年多研制成功。l 在弹道实验中发挥重要作用。计算机与计算思维 1.1.2 计算机发展历程以主要逻辑元件为标志，把计算机的发展化分为四代。年代起止时间特征应用领域第一代计算机 19461959电子管 机器语言和汇编语言军事和科学计算第二代计算机第二代计算机19601964晶体管晶体管操作系统、高级语言出现操作系统、高级语言出现科学计算、数据处理、科学计算、数据处理、实时过程控制实时过程控制第三代计算机第三代计算机19651970集成电路集成电路 操作系统完善、高级语言丰富操作系统完善、高级语言丰富企业管理、辅助设计和企业管理、辅助设计和辅助系统辅助系统第四代计算机第
3、四代计算机1971至今至今大规模和超大规模集成电路大规模和超大规模集成电路数据库管理系统、面向对象程数据库管理系统、面向对象程序设计序设计 、网络通讯软件、网络通讯软件数据库、网络应用、数据库、网络应用、及生活各个方面及生活各个方面计算机与计算思维 1.1.3 计算机的发展趋势网络化超大型化微型化智能化掌上电脑 计算机网络 “天和二号”机房人脸识别计算机与计算思维1.1.4 计算机的分类高性能计算机速度最快、处理能力最强服务器稳定性、安全性、性能方面、硬件系统要求更高工作站微型计算机和小型机之间的高档微型计算机系统微型计算机台式机、笔记本、平板计算机和智能手机嵌入式计算机嵌入到应用系统中，系统
4、的应用软件和硬件一体化计算机与计算思维按照性能划分-运算速度-处理数据容量1.1.5 微机的发展历程第一代(19711973)：4位或低档8位微处理器 代表产品是Intel公司4004、8008微处理器第二代(19741977)：中高档8位微处理器 其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司的M6800、以及Zilog公司的Z80等。第三代(19781984)：16位微处理器 其典型产品是Intel 8086，Z8000和MC68000。第四代(19851992)：32位微处理器 其典型产品是Intel80386/80486，M69030/68040等。第五代(199320
5、04)：奔腾系列微处理器 其典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。第六代(2005年至今)：酷睿系列微处理器 奔腾系列芯片之后Intel公司推出酷睿、酷睿2，目前市场上酷睿系列CPU的主流产品是i5、i7和i9。计算机与计算思维1.1.6 计算机的应用1.数值计算2.信息处理3.过程控制4.计算机辅助工程5.人工智能6.计算机网络应用计算机与计算思维1.2 计算机系统计算机系统硬件系统软件系统计算机与计算思维1.2.1 计算机的硬件系统计算机与计算思维冯.诺依曼提出：-计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。-并提出“存储程序，程
6、序控制”的基本工作方法。-指出计算机中要使用二进制。计算机各部件功能1.运算器 它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。由算术逻辑单元和一些寄存器组构成2.控制器 控制器是计算机的指挥中心。主要功能按时钟提供的统一节拍，从内存储器中取出指令，并分析执行，使计算机各个部件能够协调工作。3.存储器 存储器是计算机用来存储程序和数据的部件，由一系列的存储单元组成。4.输入设备 输入设备用来将外部数据，如文字、数值、声音、图像等，转变为计算机可识别的二进制代码输入到计算机中，以便加工、处理。5.输出设备 输出设备的作用是将计算机处理的结果用人们所能接受的形式，如字符、图像、语音、视频等表示出来。显示器、打
7、印机、绘图仪等都属于输出设备。计算机与计算思维1.2.2 计算机的软件系统软件系统1. 系统软件(1) 操作系统(2) 程序设计语言和语言处理程序(3) 数据库管理系统(4) 系统服务程序2. 应用软件通用专用计算机与计算思维(1) 操作系统介绍操作系统的作用-管理计算机硬件资源 -控制其他软件-为用户提供交互操作界面 目前典型的操作系统有：Windows、UNIX、Mac OS X、Linux等。管家婆管理软硬件资源协调后台工作服务生提供用户与计算机的交互接口计算机与计算思维(2) 程序设计语言和语言处理程序概念-用于书写计算机程序所使用的语言称为程序设计语言。-为了告诉计算机应当做什么和如
8、何做，必须把处理问题 的方法、步骤以计算机可以识别和执行的操作表示出来，也就是说要编制程序。分类程序设计语言低级语言机器语言汇编语言高级语言计算机与计算思维机器语言计算机与计算思维汇编语言计算机与计算思维高级语言计算机与计算思维几种有代表性的语言FORTRAN： 第一个高级语言是由美国IBM公司于20世纪50年代开发出来的。BASIC ： (64年问世)适用于初学者,简单交互式语言。 C ：(73年美国贝尔实验室)开发系统软件主要语言,功能强大,语言精练，适用面广。 Java ：1995年推出，是一种新型的跨平台面向对象语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。目前流行的语言有C/C
9、+、C# 、Java、Python等。语言处理程序把计算机程序翻译成计算机能够理解的代码并执行。低级语言的处理计算机与计算思维高级语言的处理处理方式：解释和编译区别：编译通过目标程序产生可执行程序，效率高。计算机与计算思维(3) 数据库管理软件数据库：-是存储在一起的相互有联系的数据的集合。它能为多个用户、多种应用所共享。数据库管理系统定义：数据库中的数据进行管理、控制的软件。数据定义数据操纵数据查询数据控制常用的数据库数据库管理系统：大、中型数据库ORACLE 、 SQL-Sever 、 INFORMIX等，微机数据库Access2.应用软件为解决各种领域问题而开发的软件。分类：-通用。如，
10、文字处理、电子表格软件。 -专用：银行帐务管理软件、电算化软件。1.2.3 计算机的工作原理一条指令执行过程-控制器控制从存储器中取出当前要执行的指令存放到控制器中。-控制器分析该指令（译码）。生成执行该指令所需的控制信号。-在控制信号的驱动下，将参加操作的操作数取来送运算器，同时控制运算器执行指令规定的操作。1.3 微机及其硬件系统微机采用总线结构计算机与计算思维1.3.2 主机系统1.机箱与电源 机箱与电源在市场上一般都是搭配出售的。Windows操作系统支持软关机、远程唤醒等功能，因此应选择ATX电源。2.主板 主板是微型计算机系统的主体和控制中心。主机由中央处理器和内存储器组成。也在主
11、板上。可以通过接口插槽插入与不同外围设备连接的接口卡。3.中央处理器 中央处理器（Cntral Processing Unit）简称CPU，是计算机的大脑，CPU的性能决定计算机的基本性能，CPU品质高低直接决定计算机系统的档次。4.内存储器 内存一般按字节分成许许多多的存储单元，CPU通过地址查找所需要的存储单元。存储容量和存取时间是内存性能优劣的两个重要指标。5.外存储器 外存储器又称辅助存储器。与内存相比，外存容量大，关机后信息不会丢失，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不用的程序和数据。计算机与计算思维1.3.3 总线和接口总线-总线（bus）是连接CPU、存储器和外部设备的公共信息通道
12、，各部件均通过总线连接在一起进行通信。总线的性能主要由总线宽度和总线频率来表示。-目前微机常见的总线有PCI总线和PCI-E总线。接口-各种外部设备通过接口与计算机主机相连。通过接口计算机可以连接打印机、扫描仪、优盘、MP3播放机、数码相机、数码摄像机、移动硬盘、手机等外部设备。主板上最常见的接口有USB接口、网卡接口、音频接口和显示接口等。计算机与计算思维1.3.4 输入和输出设备输入设备-微型计算机的基本输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏。输出设备-微型计算机的基本输出设备是显示和打印机。-目前常用的显示器是液晶显示器（LCD）。液晶显示器的主要技术指标有分辨率、颜色质量与响应时间。-目
13、前使用的打印机有以下4种，分别是针式打印机、喷墨打印机、激光打印机和3D打印机计算机与计算思维1.3.5 微机主要性能指标1.运算速度 运算速度是衡量微机性能的一项重要指标。一般用每秒百万条指令、主频、每秒平均执行指令数描述等。2.字长 字长是CPU在同一时间内处理的一组二进制位数。字长越大计算机处理数据的速度就越快。3.存储容量 存储容量主要指内存容量。内存容量越大，计算机能运行的程序就越大，处理能力就越强。4.可靠性 计算机的可靠性以平均无故障时间来表示的，平均无故障时间越大，系统性能就越好。5.性价比 性价比也是一种衡量微机产品优劣的概括性技术指标。性价比越高，表明计算机越物有所值。计算
14、机与计算思维1.3.6 如何选购微机做好购机预案-一是确定自己的预算；二是明确购机的主要用途和相关需求；三是确定需要的外设。选择机型和品牌-机型包括台式机、笔记本和平板电脑3种。-微机有兼容机和品牌机两种。确定主要性能指标-CPU：品牌、主频、内核数、高速缓存-内存：容量和类型-硬盘：容量、机械硬盘还是固态盘（SSD）、机械硬盘的转速-显示器：尺寸、集成显卡还是独立显卡、显存大小-售后：保修时间，送修方式计算机与计算思维1.4 数制和信息编码计算机进行信息处理，首先必须使计算机识别信息。冯.诺依曼计算机采用二进制编码形式，即用0、1两个基本符号加以组合，用来描述大量的、复杂多变的信息。计算机内
15、所有信息均采用二进制编码的原因： 二进制只有两种基本状态，在电器元件中最容易实现，而且稳定、可靠。 二进制的编码、计数和运算规则都很简单，可以简化硬件结构。 符号“1”和“0”正好与逻辑运算的 “真”和“假”两个值相对应，为计算机实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利的条件。计算机与计算思维1.4.1 进位计数制1. 进位计数制的几个概念计算机与计算思维数制 数的表示系统。如：十进制、二进制 、八进制、十六进制。基数 一个数制所包含的数字符号的个数。如：十进制，基数为10；二进制，基数为2。权 由位置决定的值就叫权。权=Ri (R为基数，i为整数)。如：十进制数：276， 7的权为101 。2. 按
16、权展开式任何一个数值，都是各位数字本身的值与其权之积的总和，这个式子就叫按权展开式。 （11101）2 =124 + 123 +122 +021 +120 二进制数基数为2 位权计算机与计算思维3. 其他常用的进位计数十进制（Decimal） 含有10个数字符号；基数为10，逢十进位；权为10i 。 十进制的表示：（N）10 八进制（Octal） 含有8个数字符号。0、1、2、3、4、5、6、 7，基数为8，逢八进位；权为8i 。八进制 的表示：（N）8十六进制（Hexadecimal） 含有16个数字符号即0、1、2、 3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F；基数为16，即逢十六
17、进位；权为16i 。十六进制的表示：（N）16计算机与计算思维5. 各种进位计数制之间的转换十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F711177161000020108100010817100012111(1) 其他数制转换成十进制规则：利用按权展开式求和。 二进制转换成十进制 ： (1010)2= (110.101)2= 八进制转换成十
18、进制： (3167.25) 8 = 十六进制转换成十进制： (2B)16=计算机与计算思维(2) 十进制数转换成二进制数-整数部分例:（14.345）10= （ 1110.01011 ）22|14 2| 7 余0 2| 3 余12| 1 余1 0 余1 （14）10=（1110）2整数和小数分别进行整数部分：除以2取余，即对进制整数逐次除以2，直至商数为0，从下向上取每次得到的余数。计算机与计算思维（2）十进制数转换成二进制数-小数部分 0.345 0.345 2 = 0. 69 2 = 0. 69 取出整数取出整数0 0 0.69 0.69 2 = 1. 38 2 = 1. 38 取出整数取
19、出整数1 1 0.38 0.38 2 = 0.76 2 = 0.76 取出整数取出整数0 0 0.76 0.76 2 = 1.52 2 = 1.52 取出整数取出整数1 1 0.52 0.52 2 = 1.04 2 = 1.04 取出整数取出整数1 1 0.04 0.04 2 = 0.08 2 = 0.08 取出整数取出整数0 0 0.08 0.08 2= 0.16 2= 0.16 取出整数取出整数0 0 根据精度适可而止根据精度适可而止（0.345）10= （0.01011000）2（14.345）10=（1110.01011 ）2小数部分：乘以2取整，即对十进制的小数部分逐次乘以 2，直至
20、乘积的小数部分为0，取每次乘积的整数部分。计算机与计算思维(3) 二进制转换为八进制 规则：以小数点为基准，分别向左、右每三位一组划分，将每三位代以八进制数字（前后端不足三位者用零补齐）。例：（1010011.1）2 = 001 010 011. 100 = （123.4）8计算机与计算思维(4) 八进制转换成二进制 规则：每一个八进制数字代以三个二进制数字。例：（245.2）8= 010 100 101. 010 =（10100101.01）2 计算机与计算思维(5) 二进制转换为十六进制 规则：以小数点为基准，分别向左、右每四位一组划分，将每四位代以十六进制数字（前后端不足四位者用零补齐）
21、。例：（10100101.01）2 = 1010 0101. 0100 =（A5.4）16计算机与计算思维(6) 十六进制转换为二进制规则：每一个十六进制数字代以四个二进制数字。例：（3.BA）16=0011. 1011 1010 =（11.1011101）2计算机与计算思维1.4.4 常用数据编码计算机与计算思维1. ASCII码(American Standard Code for Information)-它是美国标准信息交换代码的英文缩写。-编码特点 每个字符编码占8位，最高位为0。 用7位二进制编码，可表示128个字符计算机中常用的字符：十进制数字符号0-9、大小写英文字母、特殊符号
22、和运算符号与控制符号等。 是计算机存储、表示（不是显示）、识别字符的基本依据。 比如字符“A”的ASCII码是 01000001（二进制），即41H (H表示十六进制）。对应的十进制数为65。ASCII编码表b7b6b5b4b3b2b1l 会查找常用字符的ASCII码，如换行、回车、空格等。l 知道“A”的ASCII码为41H，应推出“C”的ASCII 码为43H。l 知道常用字符字符的ASCII的大小排列：“空格”“0-9” “A-Z”m，则继续猜数的范围缩小为前半个区间；若xm，则继续猜数的范围缩小为后半个区间。 重复第1 3步，直到猜中，游戏结束。2. 算法的特点 有穷性 一个算法必须在
23、执行有限的操作步骤后结束。 确定性 算法中的每一步操作必须是确切的，不可以出现二义性。 可行性 有限个步骤应该在一个合理的范围内进行。 有零个或多个输入 这里的输入是指在算法开始之前所需要的初始数据。输入的个数取决于特定的问题。有些算法也可以没有输入。 有一个或多个输出 一般有若干个输出信息，是反映对输入数据加工后的结果。没有输出结果的算法是毫无意义的。计算机与计算思维2. 算法的分类算法的分类数值计算算法：目的是用于科学计算，其特点是少量的输入、输出，复杂的运算。例如，求高次方程的近似根、求圆周率的值等。非数值计算算法：目的是对数据进行管理，其特点是大量的输入、输出，简单的算术运算和大量的逻
24、辑运算。例如，对数据的排序，查找等算法。计算机与计算思维3. 算法的表示(1)自然语言第一个例子就是用自然语言描述。这种方法通俗易懂。计算机与计算思维缺陷：l一是易产生歧义性。往往通过上下文才能判别其含义，不太严格。l二是语句比较繁琐、冗长，并且很难清楚地表达算法的逻辑流程，尤其对描述含有选择、循环结构的算法，不太方便和直观。3. 算法的表示(1)自然语言第一个例子就是用自然语言描述。这种方法通俗易懂。计算机与计算思维缺陷：l一是易产生歧义性。往往通过上下文才能判别其含义，不太严格。l二是语句比较繁琐、冗长，并且很难清楚地表达算法的逻辑流程，尤其对描述含有选择、循环结构的算法，不太方便和直观。
25、(2) 传统流程图法用特定的框、程序指向线及文字说明来形象、直观地描述算法。计算机与计算思维传统流程图示例【例】用传统流程图描述计算 1+2+n之和的算法。计算机与计算思维(3) N-S流程图法N-S图中完全去掉流程线，全部算法以一个大的矩形框表示，该框内还可以包含一些从属于它的小矩形框，适用于结构化程序设计。计算机与计算思维N-S流程图示例【例】用N-S图描述计算1+2+n之和的算法。计算机与计算思维(4) 伪代码法是一种描述程序设计逻辑的工具。它接近自然语言，易理解和修改，书写自由。与一般程序语言结构相同，易过渡到计算机语言。伪代码的约定：计算机与计算思维-每个算法用Begin开始、End
26、结束；若仅表示部分实现代码可省略。-每一条指令占一行，指令后不跟任何符号。-“/”标志表示注释的开始，一直到行尾。-算法的输入输出以Input/Print后加参数表的形式表示。-用“”表示赋值。-用缩进表示代码块结构，包括While、For循环、If分支等；块中多句语句用一个 括起来。-函数调用或者处理简单的任务可以用一句自然语言代替。伪代码示例【例】用伪代码法描述计算1+2+n之和的算法。计算机与计算思维 用Python语言实现算法【例】用Python语言编写计算1+2+n之和的程序。计算机与计算思维n=eval(input(n=) #提供一个整数nsum=0i=1while i=n: sum=sum+i i=i+1print(sum=,sum)课后作业课后习题实验指导书计算机与计算思维