第1章主要内容和教学要求

一、计算机系统

• 计算机系统由硬件、软件组成；

• 指令系统是硬件和软件的界面。

二、计算机语言和程序设计方法

1、 计算机语言

• 程序员与计算机沟通的语言；

• 描述解决问题的方法和相关数据。

2、 计算机语言的级别

• 二进制代码构成的机器语言；

• 使用助记符的汇编语言；

• 使用类似英语单词和语句的高级语言；

• C++是面向对象的高级语言

3、 C++支持的程序设计方法

• 面向过程的程序设计方法；

• 面向对象的程序设计方法；

• 泛型程序设计方法。

三、C++程序的开发过程

• 算法设计

• 源程序编辑

• 编译

• 连接

• 运行调试

四、信息在计算机中的表示与存储

• 计算机中的数据用二进制表示；

• 逻辑数据、字符数据用二进制编码表示。

学习建议

• 看教学视频；

• 做练习题；

• 完成“实验一”

1.2 计算机系统基本概念

计算机硬件

计算程序语言

• 计算机解决问题是程序控制的；

• 程序就是操作步骤；

• 程序要使用语言来表达。

机器语言

• 计算机能识别的是机器语言；

• 机器语言指令是由0和1编码的；

• 例如：

加法指令可能是“0001”。

计算机指令系统

• 机器硬件能够识别的语言（机器语言）的集合；

• 它是软件和硬件的主要界面。

计算软件

• 是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。一般来讲软件被划分为系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件；

• 软件包括程序和文档。

计算机程序

• 指令的序列；

• 描述解决问题的方法和数据。

1.3 计算机语言和程序设计方法的发展

计算机语言和程序设计方法

最初的计算机语言——机器语言

• 由二进制代码构成

• 计算机硬件可以识别

• 可以表示简单的操作

• 例如：加法、减法、数据移动等等

汇编语言

• 将机器指令映射为助记符
  • 如ADD、SUB、mov 等；
• 抽象层次低，需要考虑机器细节。

高级语言

• 关键字、语句容易理解；

• 有含义的数据命名和算式；

• 抽象层次较高；

  • 例如，算式：a+b+c/d

• 屏蔽了机器的细节；

  例如，这样显示计算结果：cout<<a+b+c/d

C++语言

• 是高级语言

• 支持面向对象的观点和方法

  • 将客观事物看做对象

  • 对象间通过消息传送进行沟通

  • 支持分类和抽象

面向过程的程序设计方法：

• 机器语言、汇编语言、高级语言都支持；

• 最初的目的：用于数学计算；

• 主要工作：设计求解问题的过程。

• 大型复杂的软件难以用面向过程的方式编写

面向对象的程序设计方法：

• 由面向对象的高级语言支持；

• 一个系统由对象构成；

• 对象之间通过消息进行通信。

1.4面向对象的基本概念

对象

• 一般意义上的对象：现实世界中实际存在的事物。

• 面向对象方法中的对象：程序中用来描述客观事物的实体。

抽象与分类

• 分类依据的原则——抽象；

• 抽象出同一类对象的共同属性和行为形成类；

• 类与对象是类型与实例的关系。

封装

• 隐蔽对象的内部细节；

• 对外形成一个边界；

• 只保留有限的对外接口；

• 使用方便、安全性好。

继承

• 意义在于软件复用；

• 改造、扩展已有类形成新的类。

多态

• 同样的消息作用在不同对象上，可以引起不同的行为。

1.5 程序的开发过程

程序

• 源程序：

  • 用源语言写的，有待翻译的程序；

• 目标程序：

  • 源程序通过翻译程序加工以后生成的机器语言程序 ；

• 可执行程序：

  • 连接目标程序以及库中的某些文件，生成的一个可执行文件；

  • 例如：Windows系统平台上的.EXE文件。

三种不同类型的翻译程序

• 汇编程序：

  • 将汇编语言源程序翻译成目标程序；

• 编译程序：

  • 将高级语言源程序翻译成目标程序；

• 解释程序：

  • 将高级语言源程序翻译成机器指令，边翻译边执行。

C++程序的开发过程

• 算法与数据结构设计；

• 源程序编辑；

• 编译；

• 连接；

• 测试；

• 调试。

1.6计算机中的信息与存储单位

计算机的基本功能

• 算术运算；

• 逻辑运算。

计算机中信息：

• 控制信息——指挥计算机操作；

• 数据信息——计算机程序加工的对象。

信息的存储单位

• 位(bit，b)：数据的最小单位，表示一位二进制信息；

• 字节(byte，B)：八位二进制数字组成(1 byte = 8 bit)；

• 千字节 1 KB = 1024 B；

• 兆字节 1 MB = 1024 K；

• 吉字节 1 GB = 1024 M。

计算机的数字系统

计算机的数字系统

• 二进制系统；

• 基本符号：0、1。

程序中常用的数制:

R 进制转换为十进制:

• 各位数字与它的权相乘，其积相加，例如:

(11111111.11)2 =1×27+1×26+1×25+1×24+1×23+1×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2 =(255.75)10

十进制整数转换为R 进制整数：

• “除以R取余”法。

所以 6810＝10001002

十进制小数→ R 进制小数：

• “乘 以R 取整”法。

所以 0.312510 = 0.01012

二、八、十六进制的相互转换

• 1位八进制数相当于3位二进制数；

• 1位十六进制数相当于4位二进制数，例如：

((1011010.10)_{2}=(001 011 010 .100)_2=(132.4)_8)

((1011010.10)_{2}=(0101 1010 .1000)_{2}=(5A8)_{16})

((F 7)_{16}＝(1111 0111)_2＝(11110111)_2)

数据在计算机中的编码表示

二进制数的编码表示

• 需要解决的问题：负数如何表示？

• 最容易想到的方案：

  0：表示“+”号；

  1：表示“-”号。

• 原码

  • “符号──绝对值”表示的编码

例如：

​ - 原码的缺点：

​ - 零的表示不惟一

​ [+0]原 =000...0

​ [-0]原 =100...0

​ - 进行四则运算时，符号位须单独处理，运算规则复杂。

• 补码

  • 符号位可作为数值参加运算；

  • 减法运算可转换为加法运算；

  • 0的表示唯一。

• 补码的原理

  • 模数：

    n位二进制整数的模数为 2n ；

    n位二进制小数的模数为 2。

  • 补数：

    • 一个数减去另一个数（加一个负数），等于第一个数加第二个数的补数，例（时钟指针）： 8+(-2)=8+10 ( mod 12 )=6；

    • 一个二进制负数可用其模数与真值做加法 (模减去该数的绝对值) 求得其补码，例（时钟指针）：-2+12=10。

• 补码的计算

  • 借助于“反码”作为中间码；

  • 负数的反码与原码有如下关系：

    符号位不变(仍用1表示)，其余各位取反(0变1，1变0)，例如：
    X=-1100110 [X]原 =1 1100110 [X]反 =1 0011001

  • 正数的反码与原码表示相同，正数的补码与原码相同；

  • 反码只是求补码时的中间码；

  • 负数的补码由该数反码的末位加 1 求得。

  • 对补码再求补即得到原码。

• 补码的优点：

  • 0的表示唯一；

  • 符号位可作为数值参加运算；

  • 补码运算的结果仍为补码。

实数的浮点表示

• 计算机中通常采用浮点方式表示小数；

• 实数 N 用浮点形式可表示为： N=M×2E

  E：2的幂，N：阶码；

  M：N的尾数。

字符在计算机中的表示

• 字符在计算机中是通过编码表示的；

• 例如：

  ASCII码是一种常用的西文字符编码：用7位二进制数表示一个字符，最多可以表示27=128个字符;

• 《GB 18030-2005 信息技术 中文编码字符集》是中国国家标准。