第1 章　运行一个程序 第1章 基础知识目标 . 掌握计算机硬件、软件的基本概念。 . 掌握程序开发软硬件环境的概念及其在软件开发中的作用。 . 了解程序语言的发展历史,掌握Python语言的发展历史。 . 理解程序与指令定义,初步了解程序运行的过程。 实践技能目标 . 熟练下载Python和PyCharm 两个软件,并进行安装。 . 进行环境设置,配置相应参数。 . 能够熟练建立工程,并成功运行示例程序。 . 熟练填写任务工单。 课程思政目标 . 理解信息化进程中创新的作用,激发创新欲望。 . 了解创新和科研工作流程。 . 建立规范意识,养成遵守规章制度的习惯。 程序是一组计算机能够识别的指令,按照一定顺序和规则组合在一起,实现设计者设想 的某个功能。例1-1用Python语言实现一段程序,该程序实现功能非常简单,即从键盘输 入两个整数,然后输出这两个数之和。 例1-1 输入两个整数,求和并输出。 a = int(input("请输入整数a = ")) b = int(input("请输入整数b = ")) c = a + b print("a + b =", c) 这是一个简单的求和程序源代码,但是对于初学者来讲,这些代码该放到哪里去执行才 能够得到想要的结果? 怎样才能让计算机去执行这些代码或者指令呢? 或者说,要经过一 个什么样的过程,才能得到我们想要的结果? 这段程序运行时需要从键盘输入两个数,在什 么时候以什么样的形式输入数据呢? 输入的数据经过计算后,又将结果输出到哪里呢? 通常情况下,在设计环境中设计好程序,由设计环境(设计软件)来编译和运行。当安装 好相应软件后,在程序运行过程中,会弹出一个运行窗口,要求输入两个数字,这时只需要输 入两个数字,比如123和456,就能得到相应的结果。当得到了想要的结果时,可以关闭程 序运行窗口,结束程序。 图1-1 程序运行界面 程序运行界面如图1-1所示。 下面简单介绍一下计算机软硬件基础知识,通过运行一个程 序,读者可了解程序运行环境、开发环境,且通过安装Python语言 开发环境实践训练,学会使用具体软件工具开发程序。 1.1　程序与计算机 计算机是能够存储和操作信息的智能电子设备,而计算机系统是指与计算机相关的硬 件和软件。计算机与计算机系统(系统是由一些相互联系、相互制约的若干部分结合而成 的,具有特定功能的一个有机整体)是有区别的,在日常工作、生活中,人们一般对计算机和 计算机系统不加以区别,当需要进行区分时,往往通过计算机硬件和软件来进行单独区分。 如图1-2所示,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个逻辑部件 组成。在一定程度上,具备这五个逻辑部件的电子仪器设备,都可以当作计算机来处理。 图1-2 计算机逻辑结构图 需要特别指出,计算机硬件设备构成并不是严格与这些逻辑结构一一对应。一台计算 机也不是必须包括所有硬件设备,但是一定要具备上述五种逻辑结构。如图1-3所示,一台 计算机硬件设备主要包括主机箱、主板、CPU、显卡、声卡、硬盘、网卡、内存、显示器、键盘、 鼠标等设备。 1.程序与内存 存储器是计算机组成的重要部分,其主要功能就是存储程序和数据,正是因为有了存储 器,计算机才能具备“记忆”功能,是计算机智能化的基础条件之一。如图1-3所示,计算机 主要的存储器是硬盘和内存。因此,在例1-1中,程序(即机器指令)通过键盘输入,键盘和 鼠标即计算机系统的输入设备,输入完成的程序被存储在计算机硬盘中。由于硬盘中数据 即使在掉电情况下也可以保存,因此存储在硬盘中的程序代码不会丢失,方便设计人员再次 打开文件继续编辑,也可以通过U 盘等外部存储设备复制到其他的计算机上进行编辑。 编辑好的程序代码被存储在硬盘上,此时该程序代码无法直接运行,当设计人员通过编 2 程序设计基础（Python 语言）（微课视频版） 第 1章　运行一个程序 图1-3 计算机硬件与逻辑结构 译系统下达编译指令时,代码从计算机硬盘中调入内存中进行错误检查,一旦发现没有问 题,程序通过了编译,则生成一个可执行文件,并保存在硬盘上。如图1-4所示,程序在存储 与运行过程中将内存作为程序运行的载体,当启动程序时需要将程序从硬盘加载到内存,并 由内存为程序运行提供基础环境。执行完毕的程序,如果存在结果,则可将结果通过显示器 或打印机等输出设备输出。 图1-4 程序存储与运行 在例1-1中已经指出,程序是一组计算机能够识别的指令,这些指令按照一定顺序组 合,以文件形式保存而成为程序,在内存中运行。通过运行该程序,计算机可以依据这些指 令,有条不紊地工作。为了使计算机系统能实现各种功能,需要不同的成千上万的程序,这 些程序可以“同时”运行,也可以按照程序设计人员的意志,依次执行。 程序设计基础（Python 语言）（微课视频版） 2. 程序与软件 一般来讲,程序=数据结构+算法。数据结构和算法在后续课程中会进一步描述和讲 解,这里只作简单概述。 数据结构是程序中对数据的描述,是对指定数据类型和数据的组织形式。例如,在 例1-b、it() 这也表明 1中的a、c都是程序中的变量,n则是将变量转为整数类型的内置函数, 变量a、b是整数类型变量,而c正是a与b二者之和,也是整型变量。 算法是程序中对操作步骤的定义,一个算法通常用来解决某个具体问题,程序中数据在 算法开始有一个初始状态,经过一系列运算,数据状态发生了变化,形成了一个最终状态。 例如,例1-1中的c变量,开始其值为0,经过自然数加法这种运算方法,最终得到了一个和, 在这个程序运行过程中,c值发生了变化,而这种变化是通过数据状态转移实现,通过这种 变化,我们得到了想要的结果,解决了两个数相加问题。 软件不仅包括运行在计算机系统上的程序,还包括相关文档和数据。程序往往是实现 一个单一功能的文件,而软件则一般是若干个程序结合在一起,这些程序彼此之间有一定的 逻辑关系,形成一个有机整体,统一来完成一项业务。软件文档则包括开发文档、说明性文 档和用户手册等,这些文档是对程序的有力支持,是软件不可分割的一部分。数据是软件运 行的基础,软件运行离不开数据,在软件设计、运行维护阶段都要充分考虑数据,数据既是程 序设计的基础,也是软件的核心。 程序设计过程和软件设计过程也不同,狭义的程序设计过程,指的是解决问题的过程, 而软件设计过程则更复杂一些。关于软件开发的方法论有很多,但 是大多数是从“瀑布模型”演化而来的,1970 年温斯顿·罗伊斯 (WinstonRoyce)提出了著名的“瀑布模型”,如图1-5所示,即把软 件开发过程分为制订计划、需求分析、软件设计、程序编写、软件测试 和运行维护六个基本活动过程,并且规定了它们自上而下、相互衔接 的固定次序,如同瀑布流水,逐级下落。同时,在软件设计过程中也 会按阶段产生程序设计之外的工作内容,如图1-6所示,初始阶段 与设计阶段均存在部分文档及规范文件等相关的工作。因此,程 序设计工作只是软件设计工作中的一部分,程序设计不等同于软 件设计。 3. 软件分类 通常情况下,我们把软件分为系统软件和应用软件两大类,也 有 的把软件分为系统软件、数据库、中间件和应用软件。图1-5 软件开 发 (1)系统软件。系统软件通常是指操作系统,是管理和控制计瀑布模型 算机硬件与软件资源的计算机程序,其他软件必须运行在操作系统 软件平台上。操作系统使得普通计算机用户不需要直接操作硬件,就能够顺利地对硬件进 行管理,并且安装和使用必要的应用软件,操作系统软件按应用领域划分主要有三种,即桌 面操作系统、服务器操作系统和嵌入式操作系统。 桌面操作系统主要用于个人计算机上。个人计算机市场从硬件架构上来说主要分为两 第1章　运行一个程序 图1-6 软件设计过程中的部分文档及规范文件 大阵营,即PC与Mac;从软件上可主要分为两大类,分别为类UNIX操作系统和Windows 操作系统。UNIX和类UNIX操作系统包括MacOSX 、Linux发行版(如Debian、Ubuntu、 LinuxMint、openSUSE 、Fedora等);Windows操作系统主要是由微软公司开发设计,主要 包括Windows98 、Windows2000 、Windows7 、Windows8 、Windows10等。 服务器操作系统一般指的是安装在大型计算机上的操作系统,比如Web服务器、应用 服务器和数据库服务器等。服务器操作系统主要分为三大类,包括UNIX系列的SUN Solaris、IBM-AIX 、HP-UX 、FreBSD 、OSXServer等,Linux系列的RedHatLinux、 CentOS 、Debian、UbuntuServer等,Windows系列的WindowsNTServer、WindowsServer 2008 、WindowsServer2012 、WindowsServer2019等。 嵌入式操作系统是应用在嵌入式系统的操作系统。嵌入式系统广泛应用在生活的各个 方面,涵盖范围从便携设备到大型固定设施,如数码相机、手机、平板电脑、家用电器、医疗设 备、交通灯、航空电子设备和工厂控制设备等,越来越多嵌入式系统安装有实时操作系统。 在嵌入式领域常用的操作系统有嵌入式Linux、WindowsEmbedded、VxWorks等,以及广 泛使用在智能手机或平板电脑等消费电子产品的操作系统,如Android、iOS 、Symbian、 WindowsPhone和BlackBeryOS等。 (2)数据库。数据库软件包括数据库本身和数据库管理系统,数据库本身指的是以一 定方式储存在一起,能为多个用户共享,具有尽可能小的冗余度,且与应用程序彼此独立的 数据集合。而数据库管理系统可帮助用户快速便捷地操作数据集合,用以建立、使用和维护 数据库,并且保障数据库的安全性和完整性。常见的数据库管理系统软件有Sybase、DB2 、 Oracle、MySQL 、Aces 、VisualFoxPro、SQLServer等,其中以Oracle数据库最为出名。 数据是任何软件的基础,数据库相关技术和数据管理软件的发展,也对软件技术乃至信息技 术的发展有巨大的推动作用。 (3)中间件。中间件是一类连接软件组件和应用的计算机软件,它包括一组服务,以便 于运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。通常中间件介于操作系统和应 用软件之间,为应用软件运行提供服务。中间件具有互操作性,推动了一致分布式体系架构 演进,采用中间件的架构,能够支持并简化那些复杂的分布式应用程序,包括Web服务器、 事务监控器和消息队列软件等。 在2000年以后,绝大部分应用软件都支持网络功能,应用服务器也越来越多,为了便于 应用开发,出现了“三层架构”的开发技术,即操作系统、中间件、应用软件三层开发架构,应 用软件开发不直接面向操作系统,而是在中间件的基础上进行开发。在1.2节中将着重介 绍的.NET技术和Java开发技术,都是基于中间件的“三层架构”技术。由于中间件技术能 够消除用户和系统软件之间的隔阂,因此中间件至今仍然是一项非常重要的技术,并且正呈 现出业务化、服务化、一体化、虚拟化等发展趋势。 (4)应用软件。应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的软件。 计算机能够实现什么样的功能,必须有什么样的应用软件与之配套。 应用软件主要分为传统的应用软件和移动应用两大类。 传统的应用软件最常见的有办公自动化软件、影音图像处理软件、安全辅助软件、游戏 娱乐软件和支持程序设计的软件等,这些软件可以安装在操作系统上,供不同领域用户使 用。可以通过软件著作权来保护软件开发者的权益,软件经过登记后,软件著作权人享有发 表权、开发者身份权、使用权、使用许可权和获得报酬权,而未经过软件著作权人许可将软件 进行复制、分发或通过其他方式获取利益的,就可被认定为侵权行为。但是也有一些软件, 其源代码是开放的,全球各地的技术人员都可以对这些软件进行改进和编写,并为这些软件 的发展、推广做贡献,例如,Linux操作系统就是一个开源的操作系统。 另一大类常见的应用软件是移动应用,通常是指在手机和平板电脑上的应用软件,通过 这类软件来满足手机和平板电脑用户的需求。随着移动设备的流行,在移动设备上的应用 也越来越多,社会上针对这些应用进行开发的企业也越来越多。 1.2　程序与环境 在初步了解计算机软硬件之后,接下来继续学习支持程序运行的软件环境。程序能够 在计算机上运行,需要安装一些特定的软件。同样道理,如果要用某种计算机语言进行程序 开发,也需要安装开发环境,以支持这种语言开发程序。 1.运行环境 运行环境是一个软件运行所要求的各种条件,包括软件环境和硬件环境。软件环境即 操作系统平台和运行环境平台,例如,Java软件需要JVM(Javavirtualmachine)支持,以及 相应版本的操作系统支持;而一些常见的软件,如一些驱动程序,往往需要运行在Windows 32、Windows64、Linux或Mac等不同的操作系统版本下,就是因为这些软件是在不同硬件 环境下运行的。 6 程序设计基础（Python 语言）（微课视频版） 第 1 章　运行一个程序 2. 开发环境 开发环境也包括硬件开发环境和软件开发环境,硬件开发环境即计算机硬件系统需要 支持开发所需要的工具软件;软件开发环境是指为支持开发和设计软件而使用的一组软件, 软件设计需要有适合的程序语言,程序语言也需要有相应的开发环境。有的程序语言开发 环境比较简单,如汇编语言、C语言等,在一个简单的编辑软件中就可以进行设计和运行;也 有的语言开发环境比较复杂,例如Java语言、Python语言和一些其他面向对象程序设计语 言,需要功能较为丰富的集成开发环境来支持开发。这些集成开发工具,不仅支持程序语言 的设计和开发,同时也能为软件开发提供项目计划、管理、测试等服务。 Python是当前最为流行的开发语言之一,具有语法灵活、模块众多和跨平台等优点。 为提高编程效率,一般需搭建集成开发环境(nertddvlpmetevrnmet,常 itgaeeeonnionIDE), 用开发环境如下。 (1)IDLE 。Python内置集成开发工具。 (2)Eclipse+PyDev。通过安装Eclipse集成开发环境的PyDev插件,Eclipse从而可 支持Python调试、代码补全和交互式Python控制台等,以方便调试开发。 (3)VisualStudio+PythonToolsforVisualStudio。通过安装VisualStudio集成开 发环境的PythonToolsforVisualStudio工具,VisualStudio可支持Python编程,并方便 调试开发。 (4)PyCharm 。专门面向Python的全功能集成开发环境,提供付费版和免费开源版, 用户可以在PyCharm 中直接运行和调试Python程序,支持跨平台部署、源码管理和项目工 程,是当前最为流行的Python集成开发环境之一。 在程序开发过程中,一个好的开发环境非常重要,能够加快软件设计开发进程,减轻大 量的协调、文档工作,提高效率。因此,本书选择PyCharm 作为Python程序开发环境。 而硬件运行环境是指能够支持软件运行的硬件系统,随着计算机软件 技术的发展,软件对硬件的要求也越来越高。例如,2GB 内存可以支持 WindowsXP 运行,但是对于Windows7 或Windows10 就显得捉襟见肘 了。使用Java来开发程序,和使用Python语言来开发程序,所需要硬件 运行环境也不完全相同。Python语言运行 任务工单1-1:学习Python语言运行环境和开发环境电子活页,完成环境与开发环境 Python开发环境配置,见表1-1。电子活页 表1- 1 任务工单1- 1 任务编号主要完成人 任务名称下载并安装Python和PyCharm,完成Python开发环境配置 开始时间完成时间 任务要求 1. 下载并安装Python,注意版本和与操作系统对应。 2. 下载并安装PyCharm,注意是不是免费版本。 3. 测试开发环境是否正确。 4. 进一步思考软件版权问题 续表 任务完成 情况 任务评价评价人 1.3　语言与程序 1.3.1 程序语言 1.程序语言与自然语言 语言是人类用来沟通交流的工具之一,同时利用这种工具还可以描述、保存人类文明的 成果。计 算机作为当前人类社会的一种重要辅助工具,其设计目的是提高人们的工作效率。 在1.1节中介绍了计算机及软件系统,知道软件是一些指令的集合,利用这些指令可指挥硬 件协同工作。计算机硬件要能够“理解”软件指令,必须要用某种计算机硬件能够理解的方 式,才能得出人们想要的结果。也就是说,程序语言是用来书写计算机软件的语言,通过程 序语言可以实现人和计算机沟通交流,人可以指挥计算机来完成相应的工作,计算机也可以 按照人的意志自动进行工作。 为什么不采用人类自然语言来直接设计软件呢? 一方面,自然语言种类繁多、千差万 别,不利于计算机来识别。据统计,地球上有五千多种自然语言,显然让计算机识别每一种 自然语言在当前阶段是不现实的。另一方面,自然语言在很多时候存在二义性和模糊性问 题,一些词语无法作为计算机执行的指令,如汉语中一些“可能”“也许”之类的词语,计算机 系统显然无法执行。因此,必须单独设计出一套通用指令系统,用以设计计算机软件,指挥 计算机硬件系统工作。 (1)机器语言。最早的程序语言,也称为第一代程序语言,即机器语言。机器语言是用 二进制代码表示的指令集合,与每台计算机的CPU 等硬件有直接关系,难以理解、难以记 忆也难以掌握。普通人难以直接掌握机器语言,因此在机器语言基础上,发展到目前人们容 易掌握和使用的程序设计语言,但是,所有程序设计语言最后还需编译成机器语言,驱动计 算机执行相应的任务。 (2)汇编语言。随后出现的第二代程序设计语言,将机器指令符号化,代码更容易被记 忆,并且指令能够直接与符号相对应,这就是汇编语言。尽管通过汇编语言采用符号来帮助人 8 程序设计基础（Python 语言）（微课视频版） 第 1 章　运行一个程序 们记忆枯燥的指令,但是仍然难以记忆、难学难用,然而由于汇编语言可以面向计算机硬件系 统直接编程,并且效率较高,因此只有在一些特殊的场合,才利用汇编语言进行程序设计。 (3)高级语言。在汇编语言和机器语言基础上,又发展出了第三代程序语言,也就是通 常所说的高级程序设计语言。第三代程序语言在形式上接近于算术语言和自然语言,在概 念上接近于人们通常使用的概念,因此,高级语言易学易用、便于记忆、通用性强、应用广泛。 高级语言的一个命令可以代替几条、几十条甚至几百条汇编语言的指令,书写起来比较精 简,大大提高了程序设计的效率。常用的高级程序语言包括以下几种。 C 语言,是一种既具有高级语言的特点,又具有汇编语言特点的程序语言,有时候人们 把C语言称为中级程序语言。C语言至今仍是一种非常流行的程序设计语言,也是进一步 学习Ja、NET 等编程语言的基础,不少学校把C语言作为入门教学语言。 av. BASIC 语言是一种结构简单但是功能强大的程序语言,其简单易学而且执行方式灵 活,尤其早期微软公司大多数软件都是用BASIC 语言设计,更是推动了BASIC 语言的发 展。随着程序设计技术的发展,在BASIC 语言基础上发展出了VB 、VB.NET 等程序设计 语言,并且很多语言也借鉴了BASIC 语言的语法结构。 APT 语言是第一个专用语言,主要用于数控机床程序设计。 FORTRAN 语言,是第一个广泛使用的高级语言,其语法特点非常适合科学计算使用 , 为广大科研人员使用,在计算机语言发展初期,使用率非常高,随着计算机普及社会各个行 业,FORTRAN 语言逐步被淘汰。 COBOL 语言是一种面向商业的通用语言,是20 世纪在商业程序设计中使用最广泛的 语言,现在很多流行的程序语言,都是以它为原型演化出来的,COBOL 语言是一种适用于 数据处理的高级程序设计语言。 PASCAL 语言是一种重要的结构化程序设计语言,非常适合教学,曾被广大高校采用 作为教学语言。 Perl语言是广泛应用于UNIX/Linux系统管理的脚本语言,至今仍被广泛使用。 C++语言是在C语言基础上发展出来的,是一种面向对象程序设计语言,便于构建大 型软件,并且具有较高的效率,有利于项目管理和开发。 Java语言是SUN 公司在 C 语言语法基础上开发并发展起来的,Java语言不仅仅是一 种程序语言,同时还包括了一系列软件开发技术和软件设计思想。Java语言是一种跨操作 系统程序语言,具有高通用性、高安全性和易开发等特性,是目前最流行的程序语言之一。 Python语言是一种解释型、面向对象的计算机程序设计语言,已经成为当前最流行的 全场景编程语言之一,由于其简洁性、易读性以及可扩展性等特点,广泛应用于科学计算、 Web开发、大数据开发、人工智能开发和嵌入式开发等领域,越来越多的院校采用Python 语言作为程序设计教学语言,本书也以Python 语言进行演示。 2. 二进制 尽管程序语言有很多种,但是计算机只能识别机器语言,即二进制指令,计算机系统核 心———CPU 能处理的运算,也只有二进制运算。德国数学家莱布尼兹于18 世纪提出了二 进制计算方法,即只用0和1两个数字来进行数学计算,由于没有数字2,在二进制中通过 “满2进1的(”) 方法来实现加法,例如 : 程序设计基础（Python语言）（微课视频版） 0+0=0 0+1=1 1+1=10 二进制与十进制之间可以互相转换,0~15的十进制与二进制转换关系见表1-2。 表1- 2 0~15的十进制与二进制转换 十进制二进制十进制二进制十进制二进制十进制二进制 0 0 4 100 8 1000 12 1100 1 1 5 101 9 1001 13 1101 2 10 6 110 10 1010 14 1110 3 11 7 111 11 1011 15 1111 对于普通十进制数字,可以通过“除以2求余,逆序排列”的方法来进行转换,二进制转 换为十进制,采用按权求和的方法来转换。 例1- 2 将十进制89转换为二进制表示;将1100100转换为十进制表示。 89÷2=44余1 44÷2=22余0 22÷2=11余0 11÷2=5余1 5÷2=2余1 2÷2=1余0 1÷2=0余1 从最后一个1开始,将余数按逆序排列,即89的二进制表示形式为1011001 。 二进制1100100转换成十进制,则采用按权求和的方法,即从最后一位(按2的0次幂 计算)开始,依次乘以2的相应次幂,然后求和。 1100100=1×26+1×25+0×24+0×23+1×22+0×21+0×20 =64+32+0+0+4+0+0 =100 通过转换,十进制数字可以转换成二进制数字,在计算机中进行运算。除了二进制以 外,在计算机领域还经常采取八进制和十六进制来表示数字,这里就不一一介绍了,感兴趣 的可以查阅相关资料。 那么计算机又是怎样处理程序语言中的非数字字符的呢? 美国国家标准学会 (AmericanNationalStandardsInstitute)制定了一套二进制与字符之间转换的标准,这套标 准被广泛采用,即ASCI 码。例如,用二进制01000001来表示大写字母A,用二进制0010 0101表示字符“%”,通过这种方式,可以将一些常见的字符、字母表示出来。 显然,计算机中所有数据都要转换成为0或1进行处理,因此在存储器中存储的数据最 小单元即一位0或一位1,记作1比特(bit),也称为1位。 计算机系统中,存储计量一般以字节(byte)为单位,1字节包含8bit,也就是8位为1字 节。例如,00000000或11111111为1字节,简写为B,常用的存储计量单位依次为: 1KB(kilobyte,千字节)=1024B 1MB(mebibyte,兆字节,简称“兆”)=1024KB 1GB(gigabyte,吉字节,又称“千兆”)=1024MB 1TB(terabyte,万亿字节,太字节)=1024GB 1PB(petabyte,千万亿字节,拍字节)=1024TB 10