ch1-编码与程序设计语言原理_201721913555131
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C语言_ch01_概述
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编译器和链接器
幸运的是，这个过程只需要VS的几个按钮就可以自动进行
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Compile（Ctrl+F7）
Build（F7）
Execute Program （Ctrl+F5）
Stop Build （Ctrl+Break）
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第1章 C语言概述
1.1 历史 1.2 特点
1.3 简单的C程序介绍
程序设计概述 简单程序设计 分支结构程序设计 循环结构程序设计 函数 指针 文件程序设计
第5章 数组
第8章 结构体程序设计
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第1章 C语言概述
1.1 历史 1.2 特点
1.3 简单的C程序介绍
1.4 运行C程序的步骤和方法 1.5 常见问题
C标准
编程风格 学习方法 集成开发环境 参考资料
1978年，Brian Kernighan 和Dennis Ritchie（合称K&R）合作 出版了《The C Programming Language》，这是最重要，最 经典的C语言参考书。
1941年9月～2011年10月
6
7
第1章 C语言概述
1.1 历史 1.2 特点
1.3 简单的C程序介绍
注释是给读者看的
Tips：使用 // 或 /* */都可，//更常用, 统一就好.
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第1章 C语言概述
1.1 历史 1.2 特点
1.3 简单的C程序介绍
1.4 运行C程序的步骤和方法 1.5 常见问题
C标准
编程风格（每句一行、注释、缩进、空格空行） 学习方法 集成开发环境---工欲善其事，必先利其器 参考资料
【精品】【考研计算机专业课】天津大学 编译原理讲义 ch1编译原理(可编辑
源程序 输入
解释器
输出
编译器和解释器的综合应用
Java语言将编译器和解释器综合使用：
先用编译器把源程序翻译成一种叫做字节码 （bytecode）的中间语言程序
再用一个虚拟机对字节码程序进行解释执行
源程序
编译器
中间语言程序 输入
虚拟机
输出
源程序如何成为可执行程序？
除编译器外，源程序要想成为可执行程序还需 要经过下列一些程序的处理：
目标代码生成阶段所做的工作：
为变量选择存储单元 把中间代码翻译成等价的机器指令序列。
此阶段的关键问题是：寄存器分配 代码生成主要在课本第九章介绍，不作
为本课程授课内容。
1.1.6 目标代码生成（续）
t1 = id3 * 60.0 id1 = id2 + t1
代码生成器
LDF R2, id3 MULF R2, R2, #60.0 LDF R1, id2 ADDF R1, R1, R2 STF id1, R1
语义分析器 中间代码生成器
代码优化器
代码生成器
目标程序
出错管理器
1.1.1 词法分析（lexical analysis）
词法分析（又称扫描scanning）： 字符流词法规则 记号流（token，即课本中 所称的内部格式）
记号：<记号名，属性值> 二元组
共用名称，表示类别 词法单元的专属特征值
优化在课本第八章介绍，不作为本课程 授课内容。
1.1.6 目标代码生成
代码生成阶段：由中间代码生成目标代 码（机器指令或汇编码）
目标代码的种类：
不可重定位的机器指令代码（具有绝对地址， 直接可运行）
可重定位的机器指令代码（模块化，具有相 对地址，需链接运行）
ch1_程序设计和C语言
2015/10/5
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Ch.1 程序设计和C语言
0 1
计算机工作方式回顾 C语言程序的结构
开发C语言程序的步骤
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0.1 计算机工作方式回顾
整个过程的执行者是硬件，但硬件是受软件控制的 编程，就是编写软件，使硬件按照人的意图工作
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0.2 程序设计语言的发展
计算机为什么用二进制呢？而不是采用我们日常 熟悉的十进制呢？
二算比进行十进制运算要简单 得多
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0.2 程序设计语言的发展（续）
程序设计是数据被加工的过程
机 汇 器 编 语 语 冯 .诺依曼结构： 言 言 高 级 语 言 运算器 面向过程
主机： 控制器 CPU指令系统，由0、 1序列构成的指令码组成 客观世界可以分类，对象是类的实例 面向机器的语言 计算机 存储器 用助记符号描述的指令系统 如：10000000 加 对象是数据和方法的封装 程序设计关键是定义类，并由类派生对象 如 ADD A, B 10010000 减 对象间通过发送和接受消息发生联系 I/O设备：键盘、显示器等
模块化。C语言是理想的结构化语言；
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续
(5)语法限制不太严格，程序设计自由度大。不要 过分依赖C编译程序去查错；
(6)C语言允许直接访问内存物理地址，能进行位 (bit)操作，能实现汇编语言的大部分功能，可 以直接对硬件进行操作。
因此，C语言既具有高级语言的功能，又具有低 级语言的很多功能，可用来编写系统软件。因
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1.3 简单的C语言程序
例1.1：打印一行信息 #include <stdio.h> void main( ) { printf ("This is a C program.\n"); }
ch01-1 - 二进制和编码
ENIAC
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
IBM 蓝色基因-L
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
天河一号
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
天河一号的部分构件
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
1.1 计算机的产生与发展
三、新概念计算机
1. 神经计算机
2. 超导计算机
1.2
二进制与数据的编码
一、数的进制与转换 二、原码、反码与补码 三、数的定点表示和浮点表示 四、数据的存储单位 五、字符编码
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
1．数的进制
1.数制的概念
数制（Numbering system）即表示数值的方法，有非进位数制和进位数制两种。 表示数值的数码与它在数中的位置无关的数制称为非进位数制。 按进位的原则进行计数的数制称为进位数制，简称“进制”。
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部新概念计算机量子计算机山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部11计算机的产生与发展12二进制与数据的编码13微型计算机的组成和基本原理14计算机软件系统15数据存储16计算机与信息的安全山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部12二进制与数据的编码一数的进制与转换二原码反码与补码三数的定点表示和浮点表示四数据的存储单位五字符编码山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部1
机器数的补码表示范围因字长而定，采用8位二进制补码表示时，其真
值的表示范围为：[-128, 127]。
对于数字0的补码表示只有一种形式：00000000。
山东大学计算机科学与技术学院基础技术教学部
补码的加减法
公式：
[x]补 + [y]补 = 2n + x + 2n + y = 2n + (x+y) = [x+y]补 (mod 2n) (mod 2n)
ch1 编译原理引论
程序语言的分类
低级语言（Low level Language) 字位码、机器语言、汇编语言 特点：与特定的机器有关，功效高，但使用复 杂、繁琐、费时、易出错 高级语言 -- Fortran、Pascal、C 语言等 特点：不依赖具体机器，移植性好、对用户要 求低、易使用、易维护等。
计算机硬件只懂自己的指令系统，那么 它是如何识别除机器语言以外的另一种 语言呢？？ 解决这一问题的方法：翻译程序！！
“编译+解释执行”系统
源程序
编译程序 源程序的中间形式
输入数据
解释程序
输出数据
例如Java语言
.java java源程序文件
编译
.class 二进制字节码文件
Java虚拟机（JVM)
本地计算机系统
编译程序在计算机系统中的位置
编译程序是一种软件，是系统软件。通常认 为系统软件是居于计算机系统中最靠近硬件 的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥 作用。
编译过程小结
词法分析 程序 语法分析 程序 语义分析 生成中间 代码 代码优化 程序 目标代码 生成程序
S.P
O.P
上述编译过程的阶段划分是一种典型的处理模 式，事实上并非所有的编译程序都包括这样几 个阶段。有些编译程序并不要中间代码，即不 存在中间代码生成阶段；有些编译程序不进行 优化，优化阶段即可省去;有些最简单的编译 程序只有词法分析，语法分析；语义分析和目 标代码生成，
1.2 编译的过程
1.编译程序的工作过程 2.编译器各阶段的工作
2.编译器各阶段的工作
(1)词法分析
词法分析阶段是编译过程的第一个阶段。这 个阶段的任务是从左到右一个字符一个字符 地读入源程序，对构成源程序的字符流进行 扫描和分解，根据语言的词法规则识别出一 个个具有独立意义的最小语法单位，即单词。
ch1
命令式：
程序特点： 语句1； 语句2； 语句3； ……
语言执行的解释： 编译技术发展快： 改变机器状态 系统语言 内存 自动化生成技术 各种寄存器 的内容 外存
与冯诺曼机的体系结构一般
应用式（函数式）： 程序特点：
Function n(…funetion2(funetion1(data))…)
？？？
再如：
语句y=c+)d*(x+b 分析过程
思考：计算机 如何做推导或 规约？
语法分析方法（二） 语法树
语法分析过程也可以用一颗倒着的树来表示， 这颗树称为语法树。 例如：
x=a+b*50的语法树 根据语法规则判断 是否正确，可以通 过构造语法树，这 是计算机可以实现 的。
k=1 m=i n=j L: if k<=100 then { m=n+10 n=n+10 k++; goto L}
200次乘法和加法=>200次加法
6.目标代码生成
任务：
把经过优化的中间代码转化成特定机器上的低级语 言代码 目标代码的形式
绝对指令代码：可立即执行的目标代码。 汇编指令代码：汇编语言程序，需要通过汇编程序汇编 后才能运行。 可重定位指令代码：先将各目标模块连接起来，确定变 量、常数在主存中的位置，装入主存后才能成为可以运 行的绝对指令代码。
推导：是一个根据语法规则推出我们最希望得 出的结论的过程。
最左推导 最右推导
=>x=a+b*50
归约：推导的逆过程
最右归约、最左归约
C语言--ch1--程序设计的概念
1.3 C语言字符集
• 大小写敏感。 即 A和a是不一样的 • 关键字：C语言规定的具有特定意义的字符串 （由系统定义，不能重作其它的定义）
auto continue enum if short switch volatile break default extern int signed typedef while case do float long sizeof unsigned char const double else for goto register return static struct union void
• • • • •
1.3
C语言字符集
• 标识符（名字）：用来标识变量名、符号常量名、 函数名、数组名、类型名等实体(程序对象)的有效 字符序列。标识符由用户自定义（取名字）。 • C语言标识符定义规则：
标识符只能由字母、数字和下划线三种字符组成， 且第一个字符必须为字母或下划线。
• 例如： • 合法的标识符： sum,average,_total,Class,day,stu_name,p4050 • 不合法的标识符： M.D.John, $123, #33, 3D64, a>b
S3: i+1 i; S4: 如果i50,返回s2,继续执行，否则算法结 束。
1.7 算法
• 用流程图表示算法 • 流程图：用一些约定的几何图形来描述算 法。用某种图框表示某种操作，用箭头表 示算法流程
启止框 流程线 连接点 判断选择框
输入输出框
……
处理框
注释框
1.7 算法
程序的三种基本结构：
• 计算机语言 为了能让计算机能按照我们的意愿进行工 作，必须能让计算机能听懂我们的“话”， 这就是计算机语言 • 例如 C，Basic，Java等 • 通俗的说计算机程序设计就是使用这些计 算机能”听懂”话，告诉计算机怎样的一 步一步的工作。
ch1数制和码制
0 1 0 ∴ (35.85)10≈(100011.110)2 K3 K5 K4
1
0 K2
0 K1
1 K0
得：（81）10 =（1010001）2（第一章-19） ：（81） 1010001） 81
各数位的权是16的幂
（第一章-13）
7. 结论
① 一般地，N进制需要用到N个数码，基数是N；运算规律 N N N 为逢N进一。 N ② 如果一个N进制数M包含ｎ位整数和ｍ位小数，即 N M (M)N=(an-1 an-2 … a1 a0 a－1 a－2 … a－m)N 则该数的权展开式为： (M)N＝an-1×Nn-1＋an-2×Nn-2＋…＋a1×N1＋a0 ×N0＋ ＋ a－1×N-1＋a－2×N-2＋…＋a－m×N-m ＋ ③ 由权展开式很容易将一个N进制数转换为十进制数。 N
（第一章-10）
4.二进制 4.二进制【Binary Numbers】 二进制
数码为： 、 ；基数是2 数码为：0、1；基数是 【Base-2】 。 】 运算规律：逢二进一， 运算规律：逢二进一，即：1＋1＝10。 ＋ ＝ 。 二进制数的权展开式： 二进制数的权展开式： 如：(101.01)2＝ 1×22 ＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1 ×2－2 ＝ × × × × (5.25)10
（第一章-18）
保留三位小数。 例：(35.85)10=(?)2 ，保留三位小数。 解：整数部分： 整数部分： 小数部分： 小数部分：
2 35 0.85×2＝1.7 ……… 1 高位 2 17 ………1 低位 0.7 ×2＝1.4 ……… 1 2 8 ………1 ：（81） ………0 例：（ ）10=（？）2 2 4 （？） 0.4 ×2＝0.8 ……… 0 低位 2 2 ………0 ÷2 ÷2 ÷2 ÷2∵题目要求只保留三位小数 ÷2 ÷2 ÷2 ………0 2 0 1 5 10 20 40 81 2 1 0 ………1 高位 ∴不再继续连乘取整了。 不再继续连乘取整了。
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摩尔斯编码
摩尔斯发明的的有线电报
摩尔斯电码的演变
马可尼的无线电报机
1901年，马可尼首次成功地实现了横跨大 西洋的无线电通信
摩尔斯电码的优势 • 可以由任何能够产生可控长短脉冲的装置发送 ，解码不需要使用专门设备，适合小功率通信
A· — B —· · · J · ——— S · · · K—· — T— U· · — V· · · — W· —— X —· · — 1 · ———— 2 · · ——— 3 · · · —— 4 · · · · — 5 · · · · · 6 —· · · · [.] · —· —· — [,] — — · · —— [?] · · ——· · ['] · ————· [!] — · —· —— [/] — · · —· [:] — — — · · · [;] — · —· —· [=] — · · · — [+] · —· —· [-] — · · · · — [_] · · ——· —
测序与匹配 • 与目标串进行比对（串匹配算法）
– 基因变异，允许误差（灵敏度）
技术发展-成本降低
https:///sequencingcostsdata/
目前主要挑战性问题
• 计算和存储的增长速度与数据规模难以匹配
数据规模增长速度： 2年10倍
存储增长速度： 2年4倍 处理器增长速度： 18个月2倍
量子编码
量子编码
• 量子计算是利用量子力学来大幅 度加速计算，微软，谷歌，英特 尔和IBM投入了数千万美元，通 过不同的量子位技术来实现一台 实用的量子计算机。量子计算机 处理的信息是以量子位的形式存 储的，每个量子位可以使1或0或 这两个状态的叠加，因此可以表 示比传统的二进制更多的数据。
它有望解决人类一些最复杂的问题。它得到了亚马逊创始 人兼 CEO Jeff Bezos、NASA 和 CIA 的支持。每一台造 价 10,000,000 美元并且在零下 459 度下运行。而且没人 知道它究竟是怎样工作的。
布莱叶编码的编码格式 • 共64种编码格式 • 数字、字母和 标点符号—都 被编码成局限 在2×3小格中 一个或多个凸 起的点。
字母和数字的表示方法 • 字母：
• 例子： • 数字： • 例子：
布莱叶编码扩展（宏定义） • 二级布莱叶编码
条形码与二维码
条形码和二维码 • 条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条 和空白，按照一定的编码规则排列，用以 表达一组信息的图形标识符。
PDF417码
Universal Product Code
QR码
条形码的解码
条形码的解码
• 第一个数字（在这里是 0）被称为数字系统字符 ， 0的意思是说这是一个规范的条形码。如果是 具有不同重量的货物（像肉类或其他商品），这 个数字是 2；订单、票券的 U P C 编码的第一个 数字通常是 5。 • 紧接着的 5个数字是制造商代码。再后面的 5个数 字（ 0 1 2 5 1）是该公司的某种产品的编号。 • 最后的数字（这里是 7）称作模校验字符，这个 字符可用来进行另外一种错误检验。
发送摩尔斯电码的工具—电键
• 手键 美式（平头）键簧较软 苏式（圆头）键簧较硬 • 半自动键 • 自动键 单桨自动键（扫拨键）编码的历史
• 路易斯· 布莱叶1809年出生于法国，1852 去世 • Valentin Haüy(1745—1822 )，巴黎学校 的创始人，发明了一种将字母凸印以供 触摸阅读的方法。 • 法国陆军上尉Charles Barbier在1819年 发明了一种夜间文字的书写体系，使用 厚纸板上有规律凸起的点划来供士兵们 在夜间无声地传递口信。 • 布莱叶在上述原理基础上进行改进， 1823年创建了布莱叶编码系统
量子计算机
IBM 使用格型架构（lattice architecture）的 5 量子位处理器，其 可以扩展成更大更强的量子计算机
/article/1554 /16/1204/07/C7E3H6A7001687H3.html
Q——· — Z ——· · R· —·
0 ————— 9 ————·
摩尔斯电码
摩尔斯电码-二叉树
摩尔斯电码的时间控制 • 点“嘀”长度为1个单位，划“哒”长度为3个 单位 • 同一字母中点划间隔为1个单位 • 同一词中字母间隔为3个单位 • 词与词间隔为7个单位
Q简语与宏定义
QRA 你台的名称是什么？ QRP QRS QRT 要我降低发信机功率吗？ 要我发得慢一些吗？ 要我停止拍发吗？ QRV 你准备好了吗？ QTH 你的地理位置在？ QSB QSL 我的信号有衰落吗？ 你能确认联络吗？
目标应用
• 加解密
– 将两个大素数（万位以上）相乘十分容易，但是想要 对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积 公开作为加密密钥，计算机需要处理几千年。 – 2001 年，IBM 使用一台 7 量子位的量子计算机求解了 15 的因子 3 和 5 – 2012 年，一个研究团队求解了 21 的因子。然后到了 2014 年，一种被称为极小化算法（minimization algorithm）的前沿方法成功求解了 56,153 的因子。
QRU 你有什么发给我吗？
QRM 你受到他台干扰吗？ QRN 你受到天电干扰吗？
QRZ 谁在叫我？
QSA 我的信号强度怎样？ QSY 要我改用别的频率拍发吗？
• 称呼：U(你) / UR(你的) / OM(老朋友) / YL(女士) • 问候：GM(早上好) / GA(下午好) / GE(晚上好) • 状况：RST(信号报告) / RIG(设备) / ANT(天线) / PWR(功率) / WX(天气) / OP(操作员) • 其它：DE(这里是) / R(收到) / K(发送结束 ) / TNX(Thanks) / TU(Thank you) / CLG(呼叫) / VY(非常) / PSE(请) / NW(现在) / SOS(紧急呼救) / 73(Best regards) / 88(Love and kisses)
Ch1 编码与程序设计语言原理
王 超
Embedded System Lab Spring 2017
本章提纲 • 编码 • 程序设计语言的原理与基本概念
编码 • 编码是最原始的程序设计语言 • 编码出现要远远早于计算机和程序 • 常见的编码形式
– – – – – – – 摩尔斯码 字符编码ASCII, Unicode, UTF-8, GB2312 拼音、五笔 二进制编码 条形码与二维码 量子编码 DNA编码
• 仿真
IBM开放量子计算仿真平台
https:///qstage/
DNA编码
DNA编码与基因测序
• 通过检测DNA，并通过测序技术，与目标 DNA进行对比。 • 为什么测序？
– 疾病检测 – 预防与治疗 – 人工培育
工作流程测序（Sanger法）
• 计算机硬件只能处理二进制形式的程序（机器语言程序）。 如
MIPS机器语言：用欧几里得算法求GCD的程序
• 机器语言，人很难阅读、理解、使用 • 使用机器开发程序的成本高昂，耗时巨大，容易出错，难以 检查，依赖于具体计算机，移植困难
程序设计语言的发展
• 为解决程序的易写和可读性，人们发展了符号形式的汇编语言。例
二进制与逻辑门
需要复习的背景知识 计算机组成原理 • 二进制、八进制、十进制、十六进制的转换 • 与、或、非、同或、异或、或非、与非 • 全加器、半加器、反向器 • 原码、反码、补码 • 锁存器、触发器
扩充的 2的各次幂的表 • 不同进制之间的转换
常见的逻辑门 • 与、或、非、与 非、或非、与或 非、异或、同或
MIPS汇编语言：GCD程序
• 每条指令都很容易理解，容易书写和阅读 • 仍用与机器语言直接对应的简单线性形式。没有高级结构，不支持 程序的高级组织，大型程序难以理解和开发，移植性差
Top 10 编程语言 TIOBE 指数走势 (2002-2016)
2016-12 月编程语言排行榜 TOP20
量子计算的研究
软件
• 微软联合加州大学圣芭芭拉分校Station Q实验室，Redmod的 QuArC团队 • Intel-荷兰戴尔福特理工大学的QuTech实验室 • 普渡大学的Station Q Purdue实验室 • 马里兰大学，悉尼大学，哥本哈根大学的QDev实验室 • 谷歌与加州大学圣芭芭拉分校John M. Martinis团队合作利用超 导体建立量子计算机 • IBM的沃森实验室 • 耶鲁大学Schoelkopf实验室 • NASA量子人工智能实验室 • 中科院量子信息重点实验室等团队均在关注量子计算领域。
程序设计语言原理
本章内容 • 程序设计语言的发展 • 计算模型和语言范型 • 语言：标准和实现 • 语言的开发和标准化 • 新趋势
程序设计语言的发展
• 程序是计算机科学技术领域最基本最核心的概念，有计算机 就必须有程序，有描述程序的手段和方式，即，必须有描述 程序的程序设计语言 • 硬件计算机，就是机器语言程序的执行器（解释器）
C —· —· L · —· · D—· · E· F · · —· M— — N—· O———
G——·
H· · · · I · ·
P· ——·
Y —· ——
7 ——· · ·
8 ———· ·
[(] — · ——·
[)] — · ——· — [&] · —· · ·
["] · —· · —·
[$] · · · —· · — [@] · ——· —·
和 1950 年代早期的计算机一样，今天的量 子计算机要占据一整个实验室
量子计算的研究
硬件
• 加拿大的D-Wave公司首先实现了16个超导量子比特的量子计算机，可以提高优化问题 的效率。 • 谷歌和IBM都是用超导量子技术来实现计算设备。 • 英特尔投资荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目QuTech，使用“硅原子点”技术 ，通过向纯硅中加入电子造出的人造原子，微波控制电子的量子态。 • 微软选择基于非阿贝尔任意子的拓扑量子比特，电子通过半导体结构时会出现准离子 ，他们交叉路径可以用来编写量子信息，可以减少错误修正比特数量，还需要进一步 验证其是否存在。 • ionQ的Chris Monroe坚持囚禁离子技术，并在马里兰大学的实验室客服对离子控制的 挑战。 超导量子位（superconducting qubits） 囚禁离子（trapped ions）