计算科学导论_第二章.ppt

计算科学导论计算科学导论主讲：张秀琼主讲：张秀琼E-mail: zxq_06@ ：290180882乐山师范学院 计算机科学学院第二章第二章计算科学的基本概念计算科学的基本概念 和基本知识和基本知识计算科学导论计算科学导论计算科学导论计算科学导论Computer Science College主要内容• 2.1、计算机的基本概念 • 2.2、计算模型与二进制 • 2.3、数字逻辑与集成电路 • 2.4、机器指令与汇编语言 • 2.5、算法、过程与程序 • 2.6、高级语言、程序设计技术与方法 • 2.7、系统软件与应用软件 • 2.8、计算机图形学、图像处理与模式识别 • 2.9、逻辑与人工智能 • 2.10、计算机组织与体系结构 • 2.11、并行计算机、通道与并行计算 • 2.12、计算机网络与通信 • 2.13、高性能计算计算科学导论计算科学导论Computer Science College主要内容• 2.1、计算机的基本概念 • 2.2、计算模型与二进制 • 2.3、数字逻辑与集成电路 • 2.4、机器指令与汇编语言 • 2.5、算法、过程与程序 • 2.6、高级语言、程序设计技术与方法 • 2.7、系统软件与应用软件 • 2.8、计算机图形学、图像处理与模式识别 • 2.9、逻辑与人工智能 • 2.10、计算机组织与体系结构 • 2.11、并行计算机、通道与并行计算 • 2.12、计算机网络与通信 • 2.13、高性能计算计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.1、计算机的基本概念• 什么是计算机计算机是一种能够按照事先存储的程序，自 动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的 系统。

• 计算机能够完成的基本操作及其主要功能： –输入：接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫 描仪等）提供的数据 –处理：对数值、逻辑、字符等各种类型的数据 进行操作，按指定的方式进行转换 –输出：将处理所产生的的结果等数据送到相关 输出设备 –存储：存储程序和数据计算科学导论计算科学导论Computer Science College主要内容• 2.1、计算机的基本概念 • 2.2、计算模型与二进制 • 2.3、数字逻辑与集成电路 • 2.4、机器指令与汇编语言 • 2.5、算法、过程与程序 • 2.6、高级语言、程序设计技术与方法 • 2.7、系统软件与应用软件 • 2.8、计算机图形学、图像处理与模式识别 • 2.9、逻辑与人工智能 • 2.10、计算机组织与体系结构 • 2.11、并行计算机、通道与并行计算 • 2.12、计算机网络与通信 • 2.13、高性能计算计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.1图灵模型Figure 2.1 A single purpose computing machineFigure 2.2 A computer based on the Turing model计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.1图灵模型(Con.)Figure 2.3 The same program, different data计算科学导论计算科学导论Computer Science CollegeFigure 2.4 The same data, different programs计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型Figure 2.5 The von Neumann model计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型(Con.)辅助存储器内存储器运 算 器控制 器输入设备输出设备程序 原始数据运算结果控制信息数据存储程序式计算机：工作原理：存储程序，顺序控制五个组成部分如上图所示Figure 2.6 存储程序式计算机结构计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型(Con.)运算器• 运算器：对二进制数进行运算的部件。

它在控制器的控制下 执行程序中的指令,完成各种算术运算、逻辑运算、比较运算 、移位运算以及字符运算等 • 运算器的组成：算术逻辑部件（ALU）完成加、减、乘、 除等四则运算以及与、或、非、移位等逻辑运算；寄存器用 来暂存参加运算的操作数或中间结果，常用的寄存器有累加 寄存器、暂存寄存器、标志寄存器和通用寄存器等 • 运算器的主要技术指标：运算速度，其单位是MIPS（百万 指令/秒），通常是按照一定的频度执行各类指令的统计值计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型(Con.)存储器• 存储器：用来存储数据和程序的部件 • 存储单位：“位”（bit）、“字节”（byte）、“字”和“字长” • 存储容量：存储器所包含的存储单元的总数，其单位为K • （1K＝210＝1024） • 存储器的分类： –内存储器：又称为主存储器，简称为内存或主存，用来 存放现行程序的指令和数据包括随机存取存储器（ RAM）和只读存储器（ROM）等 –外存储器：又称为辅助存储器，简称为外存或辅存，用 来存放需要长期保存的信息。

计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型(Con.)控制器• 控制器：是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调 工作的部件 • 控制器的组成： –程序计数器（PC）：用来对程序中的指令进行计数， 使控制器能依次读取指令； –指令寄存器（IR）：在指令执行期间暂时保存正在执 行的指令 –指令译码器（ID）：用来识别指令的功能，分析指令 的操作要求 –时序控制电路：用来生成时序信号，以协调在指令执 行周期内各部件的工作 –微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.2 John von Neumann模型(Con.)输入/输出设备• 输入/输出设备：简称为I/O设备，是外部与计算机交换 信息的渠道 • 输入设备：用于输入程序、数据、操作命令、图形、图 像以及声音等信息常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫 描仪、光笔、数字化仪以及语音输入装置等 • 输出设备：用于显示或打印程序、运算结果、文字、图 形、图像等，也可以播放声音。

常用的输出设备有显示器 、打印机、XY绘图仪以及声音播放装置等计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制十进制–数制：按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称数制 –十进制：是使用数字1、2、… 、9、0等符号来表示数值且采用“ 逢十进一”的进位计数制 –位权表示法数制的特点： •数字的总个数等于基数 •最大的数字比基数小1 •每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个 数字所在的位置决定 –任何一个N进制数A可表示为：A＝An An－1 … A1 A0.A－1 A－2 … A－m -m＝ ∑ Ai×Nii=n计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)二进制–二进制：使用数字0和1等符号来表示数值且采用“逢二进一” 的进位计数制 –二进制数制的特点： •仅使用0和1两个数字 •最大的数字为1，最小的数字为0 •每个数字都要乘以基数2的幂次，该幂次由 每个数字所在的位置决定 –二进制加法和乘法运算规则： 0＋0＝00 × 0＝00＋1＝1 0 × 1＝0 1＋0＝11 × 0＝0 1＋1＝101 × 1＝1计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)八进制与十六进制–八进制：使用数字0、1、2、3、4、5、6、7 等符号来表示数值的，且采用“逢八进一”的进 位计数制。

–十六进制：使用数字0、1、2、3、4、5、6 、7、8、9和A、B、C、D、E、F等符号来表 示数值，其中A、B、C、D、E、F分别表示 数字10、11、12、13、14、15十六进制的 计数方法为“逢十六进一”计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)二进制、八进制、十六进制转换为十进制计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)二进制、八进制、十六进制转换为十进制例：二进制(110.11)2转换为十进制：(110.11)2 = 6.75 计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)二进制、八进制、十六进制转换为十进制例：八进制(23.17)8转换为十进制：(23.17)8 = 19.234 计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)二进制、八进制、十六进制转换为十进制例：十六进制(1A.23)16转换为十进制：(1A.23)16 = 26.137 计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.2、计算模型与二进制 2.2.3 二进制(Con.)十进制转换为二进制、八进制、十六进制除基取余法：“除基取余，先余为低（位），后余 为高（位）”。

如：（55）10＝（110111）2=（67）8=（37）16计算科学导论计算科学导论Computer Science College主要内容• 2.1、计算机的基本概念 • 2.2、计算模型与二进制 • 2.3、数字逻辑与集成电路 • 2.4、机器指令与汇编语言 • 2.5、算法、过程与程序 • 2.6、高级语言、程序设计技术与方法 • 2.7、系统软件与应用软件 • 2.8、计算机图形学、图像处理与模式识别 • 2.9、逻辑与人工智能 • 2.10、计算机组织与体系结构 • 2.11、并行计算机、通道与并行计算 • 2.12、计算机网络与通信 • 2.13、高性能计算计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.3、数字逻辑与集成电路•数字逻辑是数字电路逻辑设计的简称，其内 容是应用数字电路进行数字系统逻辑设计 •电子数字计算机是由具有各种逻辑功能的逻 辑部件组成的，这些逻辑部件按其结构可分 为组合逻辑电路和时序逻辑电路计算科学导论计算科学导论Computer Science College2.3、数字逻辑与集成电路•组合逻辑电路是由与门、或门和非门等电路 组合形成的逻辑电路； •时序逻辑电路是由触发器和门电路组成的具 有记忆能力的逻辑电路 •将组合逻辑电路和时序逻辑电路进行合理的 设计和安排，就可以表示和实现布尔代数的 基本运算。

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