大学计算机基础ppt

CS,ZJU2020/1/28Overview数制数、码编码与文本多媒体数据逻辑基础概述计算就需要数计算机中的数的表示是一个基础性的问题表示各种现实世界对象的“数据”，So数的表示也延伸到了数据的表示不同应用需要的数据类型有不同计算表示实体对象统一的数据表示方法基本形态是二进制2.2数制NumberSystem“计数（或记数）体制”多位数中每一位的构成方法以及实现从低位到高位的进位规则，也叫做进制数学家们研究数制的规则和规律计算机科学中将数制规则和规律通过电路实现常用进制二、十、八、十六数制常用进制R进制R个数码，数码从0到R-1数：每位数码和该位的权系数的乘积权系数也叫做幂次或叫做权重（PowerWeight）逢R进1计数规则十进制DecimalSystem0～9，逢十进一二进制BinarySystem位(比特，bit）是计算机处理的最小单位0和1两个数码，被组合成各种序列以适应计算机的运算和处理的数据类型选择二进制的一个最简单也是最实际的理由是它容易被物理器件实现二进制起源于中国——八卦多项式表示一个二进制数：101011012=1×27+0×26+1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20八进制and十六进制OctalSystem八个数码：0、1、2、3、4、5、6、78=23一位八进制对应于三位二进制HexadecimalSystem16个数码：09，A、B、C、D、E、F字节（Byte，8个二进制位）=两位十六进制16=24：4位二进制和1位十六进制对应二进制的基本运算二进制加法0+0=00+1=11+0=11+1=10HereCarry二进制乘法00=001=010=011=1二进制和十进制转换1．二进制转换为十进制被转换的二进制数按幂次展开，然后相加1101.012=123+122+021+120+012-1+12-2=8+4+0+1+0+0.25=13.25102.十进制转换为二进制整数小数十进制整数转换为二进制数17310=101011012十进制小数转换为二进制，2二进制与八进制转换二进制与八进制存在对应的幂次关系BinaryOctol257.0648=010101111.0001101002二进制、十六进数转换16=2410110101.001012=0B5.2816SeeTable2-12.4计算机中的数正负：符号位，0表示正数，1表示负数[phone]-101111011真值机器数运算的数定义：原码（OriginalCode）反码（One’sComplement）补码（Two’sComplement）不同的运算使用不同的码和不同的运算方法设计运算器原码原码即上述的机器数——n位二进制数，最高位被设置为符号位，其后的n-1位表示真值。原码的特点简单直观用原码可以比较方便地进行乘法运算：尾数相乘符号位简单相加法就可以得到乘积反码反码的定义是：一个正数的反码就是它的机器数，负数的反码其最高位（符号位）为1，其余各位按位求反例如，+1010010反码为01010010-1010010反码为10101101反码和原数相加：结果为所有位都是1对1互补专业术语：One’sComplement补码补码的定义是：正数的补码等于它的原码，负数的补码等于它的反码加1（最低位加1，进位不改变符号位）例如，+1010010的补码为01010010-1010010的补码为10101110补码一个有意思的特性是：补码的补码将还原为原码专业术语：对2求补(Two’sComplement)补码用于减法运算定点数和浮点数数的表示——两种格式：定点数和浮点数计算机中保存数二进制固定长度定点数：16位或32位小数点固定在某一个位置定点纯小数、定点纯整数浮点数——小数点位置是浮动的定点数定点纯小数格式定点纯整数格式浮点数思想来源于科学计数法（指数）容许的数值范围大，处理硬件复杂浮点数分阶码和尾数阶码：小数点位置——带符号的整数——类似于数学中数的指数部分尾数表示数的有效数值：纯整数或纯小数2.5编码和文本数还有另外一种功用：码（Code）编码的目的是为了便于标记特定的对象设计编码时需要按照一定的规则——“码制（CodeSystem）”重要概念位模式常用编码：ASCII、汉字编码、多媒体数据位模式用于计算的数：用二进制位的多位组合表示定点数、浮点数更多的数据类型，就需要有更多的二进制位的组合规则——位模式bitpattern用0和1组成的二进制位序列及其规则是一种数据表示方法要由计算机程序去理解它们位模式要求：用户、程序设计者按某种规则形成、存储和处理数据位模式的二进制位序列长度取决于被编码对象的数量文本和文档文本（Text）——编码来表示文本中的每一个符号包括字母、标点，都以一个唯一的二进制位序列表示在计算机中，文本就是位模式的二进制数据长串基础的文本编码就是ASCIIAmericanStandardCodeforInformationInterchange基于English文本编码是计算机进行数据交换的基础ASCII码ANSI制定，后为ISO646适用于英文，两种形式：7位码和8位码7位二进制ASCII码单字节字符编码方案，基本的文本数据8位码是扩展ASCII码，SeeAppendixAUnicode编码通用多文种字符集表示几乎世界上所有书写语言的字符编码标准——统一码、单一码、万国码可支持超过百万个字符的编码Unicode编码国际标准ISO10646ISO采用的是32位模式用于世界范围各种语言文字的文本形式的字符集，也收集了汉字汉字编码汉字编码的目的是为了计算机能够处理、显示、打印、交换汉字字符国家汉字编码标准GB2312-1980简化汉字6763个，7445个字符港澳台地区使用繁体汉字BIG5码1995年的GBK扩展汉字编码标准GB2312-1980的扩展收录了2.1万多个汉字GBK支持ISO10646中的全部中、日、韩汉字2001年GB18030——GBK的升级160万码位，目前汉字约为2.6万个2.6多媒体数据多媒体文本，图形、音频、视频等多种数据表现形式，并使之在逻辑上建立联系今天计算机和网络都支持多媒体数据处理相比文本……图形和图像图形（Graphics）——几何线条、几何符号等形式表示物体的轮廓在数据表达上图形和图像也被认为是同类例如，Windows的“画笔”程序，既可以画几何图形，也可以对图形着色使之成为图像（Picture，Image）两种技术：位图和矢量图位图技术微软公司提出的又称光栅图（RasterGraphics）使用像素（Pixel）阵列，每一个像素是一个点（Dot），点数据的大小取决于分辨率位模式有1、4、8、16、24及32位等灰度图像——每一个像素需要更多的二进制位彩色图形、图像——RGB矢量图技术任何图像、图形可以分解为曲线和直线的组合直线和曲线度都可以使用数学公式表示直线、曲线公式的组合作为图形数据存储起来，需要显示或者打印图形图像数据时画图的公式被重新执行并根据给定的大小画出（重现）图形图像矢量图看上去更加平滑，不会产生纹波误差音频音频（Audio）包含了声音（Voice）和音乐（Music）计算机音频就是研究在计算机中表示和处理声音与音乐数据，目前没有“数字音频标准”视频视频（Video）是图像的动态过程一幅幅（Frame）图像数据连续播放，就成为了动态图像也是一种位模式数据压缩处理后存储，播放时需要解压MPEG制定的一系列视频编码和压缩标准音频/视频的MPEG-1到MPEG-4MPEG是ISO指定的标准研究组织，它的最新工作是MPEG-212.7逻辑运算和门电路用数学的方法研究关于推理、证明等问题的学科数理逻辑，也叫做符号逻辑英国数学家布尔——建立了布尔代数(逻辑代数)——计算机重要的科学基础逻辑关系可以被解释为因果关系“因”是条件条件之间的关系用逻辑连接词进行组合根据不同的条件得到“结果”逻辑运算对应的实现电路，叫做门电路基本逻辑(运算)关系与（AND），或（OR），非（NOT）逻辑关系与只有决定结果的条件全部满足，结果才成立，这种逻辑关系叫做逻辑与表示AANDBA●BAB把变量和逻辑关系的取值列表，就得出了真值表（TrueTable）ABAB000010100111逻辑或决定结果的条件中只要任何一个满足，结果就成立。这种逻辑关系叫做逻辑或表示AORBA+B表2-3逻辑或真值表ABA+B000011101111逻辑非。最简单的描述就是结果对条件的“否定”表示NotA逻辑非的真值表A1001AA逻辑代数通过代数学的方法研究逻辑关系，通过变换、简化或组合等方法进行逻辑设计逻辑表达式A+A·BA+AB逻辑函数F=f（A，B，C，…）AB=A+B反演定律A+BC＝(A+B)(A+C)分配律A+AB=A+B吸收律门电路实现基本逻辑关系的电路是逻辑电路中的单元电路——Gate基本的门电路有：与门或门非门异或门门电路的基本特点RbRcGNDVccVinVoutT5V0V5V0V图2.5晶体管非门电路基本门电路用基本门电路可以组合成多种复合门电路ABFAFABF（a）与门F=AB（b）或门F=A+B（c）非门F=A与非门ABF图2.9与非门ABF001011101110图2.10或非门AFBABF001010100110或非门异或门ABF图2.10异或门BABABAFABF2.8逻辑设计基础逻辑设计——根据问题，由真值表得到逻辑表达式根据逻辑定律进行必要的化简、变换，设计出最优的逻辑表达式用逻辑电路实现逻辑分析与设计相反由电路得到功能设计加法器用逻辑电路实现加法运算的电路叫做加法器（Adder）设A、B分别为一位二进制数S为A与B之和，C为A加B产生的进位加法的真值表表达式ABSC0000011010101101BABASABCABSC半加器/全加器半加器只考虑加数和被加数之间的加法运算，并产生了向高位的进位——没有考虑可能来自低位的进位，所以它并没有完成一位二进制的全部运算，半加器的意思是它只完成了一半的加法运算全加器不但要考虑本位产生的进位，还要考虑来自低位的进位全加器输入输出Ci-1AiBiSiCi00000001100101001101100101010111001111111iii1iii1iii1iiiiCBACBACBACBAS全加器电路1iiiiCBASiiiiiiiCACBBACAiBiCi-1SiCiS3S0S1S2A3B3A2B2A1B1A0B0C3四位加法器电路逻辑示意图存储单元电路图2-14门电路组成存储单元原理示意图集成电路ICIC按电路内门电路的数目来划分其规模小规模IC（SSIC，SmallScaleIC）大约有10个门电路。超过100个门电路——中规模集成电路（MSIC，MiddleScaleIC）大规模IC（LSIC，LargeScaleIC）集成的门电路要超过1000个以上超大规模IC（VLSIC，VeryLargeScaleIC）超大规模集成电路的集成度已经超过了千万思考题数据表示也是一个社会问题使用编码对各种对象进行标记，但必定会产生某些有意无意的歪曲。例如，对某一社会问题进行问卷调查，而问卷中的答案使用等级，给每个等级赋值进行统计分析，你认为这种“量化”是合适的吗？为什么？下音频数据格式有多少种，各有什么特点数据压缩使用的技术