CPP-L1备课记录

Preface

为帮助7 ~ 8岁龄儿童学习C++，本章节尽量使用儿童可以理解的语言和例子，对计算机的组成、工作原理进行粗略的讲解。

对于单片机原理，汇编语言，操作系统，通信原理，概不涉及。

对于数字/逻辑电路，以能够理解2进制的加减运算，和进行逻辑判断为目的进行简单扼要的说明。

讲解过程切记要举例合适，不用成年人的思维去要求儿童的理解能力，更不要以计算机专业的知识储备去要求孩子。切记：兴趣比技能重要。

0. 预备知识-计算机基础

0.1. 协议

协议 = 约定，大家都要遵守，才能达到目标。为了方便理解，本文约定：

约定1：核心知识这样表示：

这种灰色的框里面是核心知识

约定2：示例代码这样表示：

printf("hello world!"); //这种黑色框里面是示例代码

约定3：例题这样表示：

• 例：这里是例题

约定4：备注这样表示：

备注：这里是备注内容

约定5：参考文献按如下方式表示，其中无法确定的信息将被省略：

【参考文献】：
[引用编号]. 作者. 文章标题[文章类型]. 发行商, 发行日期.

0.2. 二进制

逢二进位

红绿灯表示法：💔代表0，💚代表1

• 例0-2-1：2+1=3

	10进制	2进制	红绿灯表示法
A	2	00000010	💔💔💔💔💔💔💚💔
B	1	00000001	💔💔💔💔💔💔💔💚
加法结果	3	00000011	💔💔💔💔💔💔💚💚

• 例0-2-2：2+2=4

	10进制	2进制	红绿灯表示法
A	2	00000010	💔💔💔💔💔💔💚💔
B	2	00000010	💔💔💔💔💔💔💚💔
加法结果	4	00000100	💔💔💔💔💔💚💔💔

2的N次幂（背熟8位内的数字）

位号	8	7	6	5	4	3	2	1
幂次	7	6	5	4	3	2	1	0
代表的值（10进制）	128	64	32	16	8	4	2	1

• 例0-2-3：255怎么表示？
  答：因为255=128+64+32+16+8+4+2+1，所以在计算机中可以表示为11111111

位号	8	7	6	5	4	3	2	1
代表的值（10进制）	128	64	32	16	8	4	2	1
红绿灯表示法	💚	💚	💚	💚	💚	💚	💚	💚
二进制表示	1	1	1	1	1	1	1	1

8位=1字节，1个字节无符号取值范围是0 ~ 255共计256个数字，有符号数是-128 ~ 127共计256个数字

0.3. 逻辑门

• 与门真值表

	A=0	A=1
B=0	0	0
B=1	0	1

• 或门真值表

	A=0	A=1
B=0	0	1
B=1	1	1

• 非门真值表

A=0	A=1
1	0

0.4. 内存/寄存器

地址是“门牌号”，让我们能够根据“门牌号”找到数字的“家”

高低位：左侧是高位，右侧是地位

寄存器和内存都可以存放东西，寄存器快而小，内存慢而大，因为寄存器在CPU内部

索引跟幂次一样从0开始

地址编号	H	G	F	E	D	C	B	A
高低位	最高位	第7位	第6位	第5位	第4位	第3位	第2位	最低位
索引	7	6	5	4	3	2	1	0
地址里面放东西	0	1	0	1	1	0	1	0
地址里面放东西的红绿灯表示法	💔	💚	💔	💚	💚	💔	💚	💔

0.5. CPU指令集

不同的CPU有自己的逻辑门实现，以及不同的编程“约定”。

在大部分CPU的指令集中，mov（英文move）是“存放”指令，add（英文addition）是“加法”指令，我们约定好，如果要使用这两个命令，需要使用如下格式：

mov 要存放数字的寄存器地址 要存放的“东西”
add 加数1所在的地址 加数2

• 例0-5-1：根据“约定”，当我们需要计算机计算8+19时，汇编语言源代码为：

mov AX 8 // 把数字8放入寄存器AX
add AX 19 // 把寄存器AX里的数字+19，结果还是放在AX中

0.6. 有符号和无符号二进制加减法

正数的绝对值是它本身，负数的绝对值是去掉负号，在笛卡尔平面直角坐标系中绝对值可以表示“距离”的概念

• 例0-6-1：写出3，-7的绝对值

数	绝对值
3	3
-7	7

最高位“约定”为符号位

在计算机中表示一个有符号数，使用0代表正数，1代表负数：

• 例0-6-2：计算机如何表示-8？

位号	8	7	6	5	4	3	2	1
红绿灯表示法	💚	💔	💔	💔	💚	💔	💔	💔
有符号2进制	1	0	0	0	1	0	0	0

问题： 在有符号的表示方法中，8位二进制最大能表示的正数是多少？

源码、反码、补码

• 例0-6-3：十进制数8的原码是多少？
  答：00001000

反码是按位取反

• 例0-6-4：写出十进制数8的反码

十进制数	源码	反码
8	00001000	11110111

补码=负数的绝对值的原码按位取反再加1

• 例0-6-5：写出十进制数-8的补码

第一步：-8的绝对值是8
第二步：8的原码=0 0 0 0 1 0 0 0
第三步：8的反码=1 1 1 1 0 1 1 1
第四步：反码加1=1 1 1 1 1 0 0 0

答：-8的补码是1 1 1 1 1 0 0 0

问：如果+1后进位变成9位了怎么办？
答：溢出位不要了，我们只有8位可用（目前我们只看8位，也就是1个字节）

计算机减法：A-B = A + (-B) = A的二进制源码 + B的补码（溢出位丢弃）

• 例0-6-6：计算机计算64-8

第一步：64的原码=0 1 0 0 0 0 0 0
第二步：-8的补码=1 1 1 1 1 0 0 0
第三步：加法结果=0 0 1 1 1 0 0 0

操作数	原码/补码
64	0 1 0 0 0 0 0 0
-8	1 1 1 1 1 0 0 0
求和	(1) 0 0 1 1 1 0 0 0

00111000转10验算结果=32+16+8=56

【参考文献】：
[1]. 偶尔有点小迷糊. 『教程』补码怎么来的？. 哔哩哔哩, 2021-05-14.

0.7. 小学数学四则运算

计算机中的常见运算符号：
加 +
减 -
乘 *
除 /
取模 %

取模运算是求两个数相除的余数

0.8. 计算机及编程语言的进化史

计算机及编程的雏形

• 雅卡尔提花机：1801年发明
  
  【参考文献】：
  [2]. xion. 从机器到人工智能的千年演进. 艺术档案, 2016-06-28.

• 自动钢琴：19世纪末使用打孔纸卷自动弹奏的钢琴，1908年“布法罗公约”统一了纸卷格式
  
  【参考】：
  [3]. 玛莎·泰勒. 1880–1930年，美国钢琴制造业的立式琴箱风格. 乐都城（青岛）国际音乐谷有限责任公司, 2012.

• 穿孔制表机：美国统计专家霍列瑞斯博士（H.Hollerith）发明，用于美国1890年人口普查中
  
  
  【参考】：
  [4]. _逸之. 制表机——穿孔时代的到来. 优快云, 2019-11-10.
  [5]. 百度百科. 制表机, 2022-09-05.

计算机代际分类

电子管 -> 晶体管 -> 中小规模集成电路 ->大/超大规模集成电路

• 第一台电子管计算机：1946年2月14日，ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生

【参考】：
[6]. 程序员客栈. 计算机简史：所有这些时刻，终将流失在时光中，一如眼泪消失在雨里. 知乎, 2022/11/02.

编程语言进化过程

二进制 -> 汇编语言 -> 高级编程语言

存储介质进化过程

机械存储（打孔纸带）-> 磁存储时代（磁环、磁带） -> 硬盘时代 -> 闪存时代

【参考】：
[7]. 智能制造. 数据存储技术的进化和跃迁. 知乎, 2023/09/22.

0.9. 编译原理（简化版）

编程语言 -> 编译器 -> 目标代码（CPU指令/集） -> 链接器（连接启动代码和库代码） -> 可执行程序 -> 运行

0.10. ASCII码表

由前面的学习内容可知，8位二进制有符号数最大代表的正整数是127，所以可定义计算机使用的字符如下：

标准 ASCII 码对照表（十进制0~31和127是控制字符）

二进制	八进制	十进制	十六进制	字符/缩写	解释
00000000	000	0	00	NUL (NULL)	空字符
00000001	001	1	01	SOH (Start Of Headling)	标题开始
00000010	002	2	02	STX (Start Of Text)	正文开始
00000011	003	3	03	ETX (End Of Text)	正文结束
00000100	004	4	04	EOT (End Of Transmission)	传输结束
00000101	005	5	05	ENQ (Enquiry)	请求
00000110	006	6	06	ACK (Acknowledge)	回应/响应/收到通知
00000111	007	7	07	BEL (Bell)	响铃
00001000	010	8	08	BS (Backspace)	退格
00001001	011	9	09	HT (Horizontal Tab)	水平制表符
00001010	012	10	0A	LF/NL(Line Feed/New Line)	换行键
00001011	013	11	0B	VT (Vertical Tab)	垂直制表符
00001100	014	12	0C	FF/NP (Form Feed/New Page)	换页键
00001101	015	13	0D	CR (Carriage Return)	回车键
00001110	016	14	0E	SO (Shift Out)	不用切换
00001111	017	15	0F	SI (Shift In)	启用切换
00010000	020	16	10	DLE (Data Link Escape)	数据链路转义
00010001	021	17	11	DC1/XON (Device Control 1/Transmission On)	设备控制1/传输开始
00010010	022	18	12	DC2 (Device Control 2)	设备控制2
00010011	023	19	13	DC3/XOFF (Device Control 3/Transmission Off)	设备控制3/传输中断
00010100	024	20	14	DC4 (Device Control 4)	设备控制4
00010101	025	21	15	NAK (Negative Acknowledge)	无响应/非正常响应/拒绝接收
00010110	026	22	16	SYN (Synchronous Idle)	同步空闲
00010111	027	23	17	ETB (End of Transmission Block)	传输块结束/块传输终止
00011000	030	24	18	CAN (Cancel)	取消
00011001	031	25	19	EM (End of Medium)	已到介质末端/介质存储已满/介质中断
00011010	032	26	1A	SUB (Substitute)	替补/替换
00011011	033	27	1B	ESC (Escape)	逃离/取消
00011100	034	28	1C	FS (File Separator)	文件分割符
00011101	035	29	1D	GS (Group Separator)	组分隔符/分组符
00011110	036	30	1E	RS (Record Separator)	记录分离符
00011111	037	31	1F	US (Unit Separator)	单元分隔符
00100000	040	32	20	(Space)	空格
00100001	041	33	21	!
00100010	042	34	22	"
00100011	043	35	23	#
00100100	044	36	24	$
00100101	045	37	25	%
00100110	046	38	26	&
00100111	047	39	27	'
00101000	050	40	28	(
00101001	051	41	29	)
00101010	052	42	2A	*
00101011	053	43	2B	+
00101100	054	44	2C	,
00101101	055	45	2D	-
00101110	056	46	2E	.
00101111	057	47	2F	/
00110000	060	48	30	0
00110001	061	49	31	1
00110010	062	50	32	2
00110011	063	51	33	3
00110100	064	52	34	4
00110101	065	53	35	5
00110110	066	54	36	6
00110111	067	55	37	7
00111000	070	56	38	8
00111001	071	57	39	9
00111010	072	58	3A	:
00111011	073	59	3B	;
00111100	074	60	3C	<
00111101	075	61	3D	=
00111110	076	62	3E	>
00111111	077	63	3F	?
01000000	100	64	40	@
01000001	101	65	41	A
01000010	102	66	42	B
01000011	103	67	43	C
01000100	104	68	44	D
01000101	105	69	45	E
01000110	106	70	46	F
01000111	107	71	47	G
01001000	110	72	48	H
01001001	111	73	49	I
01001010	112	74	4A	J
01001011	113	75	4B	K
01001100	114	76	4C	L
01001101	115	77	4D	M
01001110	116	78	4E	N
01001111	117	79	4F	O
01010000	120	80	50	P
01010001	121	81	51	Q
01010010	122	82	52	R
01010011	123	83	53	S
01010100	124	84	54	T
01010101	125	85	55	U
01010110	126	86	56	V
01010111	127	87	57	W
01011000	130	88	58	X
01011001	131	89	59	Y
01011010	132	90	5A	Z
01011011	133	91	5B	[
01011100	134	92	5C	\
01011101	135	93	5D	]
01011110	136	94	5E	^
01011111	137	95	5F	_
01100000	140	96	60	`
01100001	141	97	61	a
01100010	142	98	62	b
01100011	143	99	63	c
01100100	144	100	64	d
01100101	145	101	65	e
01100110	146	102	66	f
01100111	147	103	67	g
01101000	150	104	68	h
01101001	151	105	69	i
01101010	152	106	6A	j
01101011	153	107	6B	k
01101100	154	108	6C	l
01101101	155	109	6D	m
01101110	156	110	6E	n
01101111	157	111	6F	o
01110000	160	112	70	p
01110001	161	113	71	q
01110010	162	114	72	r
01110011	163	115	73	s
01110100	164	116	74	t
01110101	165	117	75	u
01110110	166	118	76	v
01110111	167	119	77	w
01111000	170	120	78	x
01111001	171	121	79	y
01111010	172	122	7A	z
01111011	173	123	7B	{
01111100	174	124	7C	|
01111101	175	125	7D	}
01111110	176	126	7E	~
01111111	177	127	7F	DEL (Delete)	删除

【参考文献】：
[8]. 偶尔有点小迷糊. 文字频频乱码 这背后是显卡的扭曲还是规则的沦丧？. 哔哩哔哩, 2020-06-24

1. 学习内容

1.1. 创建项目

文件-》新建-》项目

1.2. 创建程序入口

项目管理-》main.cpp

1.3. 快捷键

IDE中的一级快捷键要按ALT+键位名称，再按二级快捷键使用对应功能

• 例：创建新项目：ALT+F（文件），N（新建），P（项目）

编写代码过程中，常用的快捷键：

快捷键	作用
CTRL+S	保存当前编辑的文件
CTRL+W	关闭当前编辑的文件
CTRL+C	复制
CTRL+V	粘贴
CTRL+Z	撤销
CTRL+SHIFT+Z	重做
F9	编译
F10	运行
F5	调试
F7	（调试过程中）下一步

1.4. 编写代码

• 让计算机给我们输出：hello world!
• 让计算机帮我们计算加减乘除

1.5. 存储结构

• 浮点数的存储
  

【参考】：
[9]. IEEE. 754-2019 - IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic[S]. ISBN:978-1-5044-5924-2, DOI: 10.1109/IEEESTD.2019.8766229, 22 July 2019.
[10]. ayusharma0698. IEEE Standard 754 Floating Point Numbers. geeksforgeeks, 16 Mar, 2020
[11]. 蒋佳诚. 单精度浮点数(float32)存储与表示方式. 知乎, 2023/08/15.
[12]. free-coder. float是如何在计算机中存储的. 哔哩哔哩, 2020/02/15.

1.6. 数据类型

为了方便理解，我们对照数学中的概念：

C/C++数据类型	数学定义
整型	整数
浮点型	实数

备注：实数=有理数（整数（自然数（正整数+0）+负整数）+不循环小数+无限循环小数）+ 无理数

• 各数据类型在计算机中的存储大小如下：
  
  【参考】：
  [13]. 程序员Linc. 青少年编程科普—C++数据类型取值范围解析. 知乎, 2023-12-01.

1.7. 变量、函数的声明

定义变量：

数据类型 变量名称 = 值

定义函数：

返回值的类型 函数的名称 （函数的参数列表，参数中间用“，”隔开） {
函数的内容
}

2. Q&A of L1

2.1. 计算机在哪？编译输出的结果都是什么意思？

• 说法一：计算机由控制系统，运算系统，输入输出（IO）系统，存储系统，数据通路（总线）五部分组成；

• 说法二：计算机由控制系统，运算系统，输入系统（Input），输出系统（Output），存储系统五部分组成；

  再具体一些，就是在物理上，使用不同的材料，实现的逻辑门电路的集群，构成了“计算机”，计算机按照约定的顺序和位置，不停的执行人类的指令。为了让人类能够灵活的，自由的使用计算机内部的各种器件，人类编写了一个庞大的软件，称为“操作系统”，它负责协调组织计算机的所有“硬件”。

2.2. 什么是数据的类型？

• 数学里的数据类型：

正整数：1………………999
自然数：0，1………………999
整数：正整数，0，-1（自然数 +负整数）
有理数 = 整数 + 分数/小数（不循环小数+ 无限循环小数）
无理数 = 无限不循环小数
实数 = 有理数 + 无理数
复数 = 实数 + 虚数

• C++的数据类型：

整数：int
小数：float（比较小的小数） double（比较大的小数）
字符（串）：char char* string
布尔类型：true/false 真/假 （记住非0即真）

• 数据结构：

数组 = 一群数字组成的队列 {1，2，3，4，5…}

2.3. 编写程序的格式：

声明变量和定义函数，都是在告诉计算机，我们需要用到它能提供的某些资源，为了不然计算机误解，所以人类提前约定好了严格的编写格式，编译器也是严格遵循格式进行编译，这其实就是提前约定的好的“协议”，如下格式约定了如何定义变量：

数据类型 变量名称 = 值

例：

int a = 1;

2.4. 要跟计算机说的话可以写在大括号外面吗？ 有区别吗？如果有多个大括号呢？

作用域和生命周期

2.5. 为什么要让计算打印的话都要用printf和（）和“”呢？结束都要用; 呢？

• 库的引用

• 不同数据类型的数据的书写格式及输出占位符； 参数的传递（形参/实参）

• 注释前面为什么要加/呢？为什么注释错了没关系呢？
  单行注释，多行注释，书写规范

2.6. 变量的使用

变量的赋值

• 例2-6-1：int a = 9; 是什么意思？
  答：申请一个内存“盒子”，里面放上数字9

其中：
int是让计算机准备一块内存空间
a给这块内存空间起名a
=是让计算机把=后面的值，放入=前面的内存空间中
9是要放入内存的数字
;是告诉计算机，这条指令结束了

变量参与计算

ret = ret * 9;

备注：断点调试可以检查变量的值

下一课：CPP-L2备课记录