1基礎知識

基於馮諾依曼模型建造的計算機包含四個子系統：儲存器、算術邏輯單元、控制單元和輸入/輸出單元，如下圖所示：

圖形使用者介面（Graphical User Interface）簡稱GUI，它是指採用圖形方式顯示計算機操作使用者介面。命令列介面（Command-Line Interface）是圖形介面普及之前使用最為廣泛的使用者介面，它通常不支援滑鼠，使用者通過鍵盤輸入指令，計算機接收指令後，予以執行。兩種圖形介面如下圖所示：

    

2.3 計算機程式的構成

程式是一系列定義計算機如何執行計算的指令。注意，這裡的計算可以是數學上的計算，例如求解方程；也可以是符號計算，例如在文件中搜索一併替換文字或者圖片。程式當中的基本指令包括：

輸入：從鍵盤、檔案、網路或者其他裝置獲取資料；

輸出：在螢幕上顯示資料，將資料儲存至檔案，通過網路傳送資料等；

數學：執行基本的數學運算，與加、減、乘、除；

有條件執行：檢查複合某個條件後，執行相應程式碼；

重複：重複執行某種動作，往往在重複中有一些變化；

程式的全部指令都來源於以上五種基本指令，程式設計的過程就是將龐大、複雜的任務分解為越來越小的子任務，直到這些子任務簡單到可以用這其中的一個基本指令執行。

2.4 程式語言的分類

程式語言可分為兩類：低階語言和高階語言。

低階語言是指機器語言和組合語言。計算機真正認識並能夠執行的程式碼，在我們看來是一串0和1組成的二進位制數字，這些數字代表指令和資料。它與機器硬體緊密相關，但是不符合人類的語言和思維習慣，要想把低階語言寫的程式移植到其他平臺，就必須重寫。

高階語言是讓程式按照人類的思維和語言習慣來書寫，機器無法讀懂。因此，高階語言必須要經過一個“翻譯”的過程，將其轉換成可執行的程式碼。

高階語言翻譯成機器程式碼有兩種方法：解釋和編譯。解釋是將原始碼逐條轉換成目的碼同時逐條執行目的碼的過程。執行解釋的計算機程式稱為直譯器（Interpreter）。編譯是將原始碼轉換成目的碼的過程，執行編譯的計算機程式稱為編譯器（Compiler）。兩者的執行方式如下圖所示：

2.5 Python語言

Python語言是一種解釋型的高階語言，主要特點如下：

（1）語法簡潔：實現相同功能，Python語言程式碼行數僅相當於其他語言的1/10~1/5；

（2）跨平臺：Python程式可以在任何安裝直譯器的計算機環境中執行。

（3）可擴充套件：Python可以整合C，Java等語言編寫的程式碼

（4）類庫豐富：Python直譯器提供了幾百個內建類和函式庫。此外，世界各地的程式設計師通過開源社群貢獻了十幾萬個第三方函式庫。

2.6 Python變數命名規則

在Python中使用變數時，命名規則如下：

（1）變數名只能包含字母、數字和下劃線。變數名可以用字母名或者下劃線開頭，但是不能以數字開頭；

（2）變數名是對大小寫敏感的。例如，myname和myName不是一個變數名；

（3）變數名不能含有空格；

（4）不要將Python關鍵字和函式名作為變數名，即不要使用Python保留的用於特殊用途的單詞。下表展示了Python3中常見的關鍵字。

一個變數被命名之後，可以使用賦值操作符（=）對變數進行賦值操作。變數就像計算機記憶體中的一個盒子，其中可以存放一個值，而賦值操作符的作用就相當於將值儲存在變數中。

2.7 Python書寫規則

（1）原則上是一行只有一條Python 語句。

（2）如果要在一行中寫入多條Python 語句，那麼需要使用分號（;）來特別地標明這種用法。分號表示一條語句的結束。例如:

一行一條Python 語句:

a=5

Print a

一行多條Python 語句:

a=5;print a

（3）縮排

1. 空白在Python中是重要的。它稱為縮排。在命令列首的空白（空格和製表符）用來決定命令列的縮排層次，從而用來決定語句的分組。
2. 這意味著同一層次的語句必須有相同的縮排。每一組這樣的語句稱為一個塊。
3. 建議在每個縮排層次使用單個製表符或兩個或四個空格 。

（4）註釋語句

1. 在#符後面寫的文字，一律認為是註釋語句，不參與執行。註釋語句對於閱讀程式很有幫助，命令列後加註釋語句是一個程式設計師的優良品質之一。 此外，程式設計師在測試程式碼時，也可以使用註釋來暫時禁用一行程式碼，來測試這段程式碼的功能。

2.8 Python輸入輸出語句

（1）字串的輸入函式——input()函式（需詳細編寫）

（2）字串的輸出函式——print()函式

2.9 Python基本資料型別

Python中的基本資料型別包括數字資料型別和字串資料型別。在數字資料型別中，包含整型和浮點型。如下圖所示，int就代表整型，float就代表浮點型，其區別在於數字是否帶有小數，帶有小數的就叫浮點型。

字串型別是Python中另一種基本的資料型別，屬於文字值，需要使用單引號或者雙引號包括，表示字串的開始和結束。可以使用[i]來訪問字串中的第i個字元。注意，字串中最左側的字元序號為0。

整數型別

與數學中的整數概念一致。整數型別有四種進製表示：十進位制、二進位制、八進位制和十六進位制。總結如下表：

進位制型別	引導符號	描述
十進位制	無	預設情況
二進位制	0b或0B	有字元0和1組成，如0b101
八進位制	0o和0O	由字元0到7組成，如，0o711
十六進位制	0x或0X	由字元0到9、a到f、A到F組成，例如0xABC

浮點數型別

與數學中的實數概念一致，表示帶有小數的數值。浮點數有兩種表示方法：十進位制表示和科學計數法。其中，科學計數法是以字母e或者E作為冪的符號，以10位基數，含義如下：

<a>e<b> = a*10b

數字型別的操作

以上7種操作符與數學習慣一致。注意，操作符運算結果可能改變數字型別，基本規則如下（注意，此部分就是Python中涉及到的資料型別強制轉換）：

1. 整數之間運算，若數學意義的結果是小數，結果為浮點數
2. 整數之間運算，若數學意義的結果是整數，結果為整數
3. 整數和浮點數混合運算，輸出結果為浮點數

字串型別

字串的五個基本操作如下表所示：

操作符	描述
x+y	連線字串x與y
x*n	複製n次字串x
str[i]	索引，返回第i個字元
str[N:M]	切片，返回索引第N到第M的子串，其中不包含M

轉義字元

控制字元	作用
\a	蜂鳴，響鈴
\’	單引號
\n	換行，游標移動到下行首行
\r	換行，游標移動到本行首行
\t	水平製表
\v	垂直製表

內建字串處理函式len()和str()，函式len(x)的作用是返回字串x的長度。函式str()的作用是返回任意型別x所對應的字串形式。

字串型別的格式化

字串的格式化是用於解決字串和變數同時輸出時的格式安排。Python中同時支援兩種字串格式化方法，一種是類似於C語言中printf()函式的格式化方法；另一種是採用str.format()格式化方法（str表示字串）。

str.format()方法的基本使用格式如下：

<模板字串>.format(<逗號分割的引數>)

模板字串由一系列槽組成，用來控制修改字串中嵌入值出現的位置，其基本思想是將format()方法中的逗號分割的引數按照序號關係替換到模板字串的槽中。槽用大括號（{}）表示，若大括號中沒有序號，則按照出現順序替換。如果大括號中制定了使用引數的序號，按照序號對應的引數替換，注意，引數是從0開始編號的。

模板字串中的槽除了包括引數序號，還可以包括格式控制資訊，此時，槽內部樣式如下：

{<引數序號>:<格式控制標記>}。

其中，格式控制標記用來控制引數顯示時的格式，其包括<填充>、<對齊>、<寬度>、<,><.精度>、<型別> 6個欄位。

<填充>：指寬度內除了引數以外的字符采用什麼方式表示，預設為空格。

<寬度>：當前槽設定輸出字串的最大寬度。若輸出字串的長度大於<寬度>設定值，則使用該字串的實際長度；反之，空餘位置被預設以空格字元補充。

<對齊>：指引數在寬度內輸出是的對齊方式，分別使用<、>和^三個符號表示左對齊、右對齊和居中對齊。

<,>：顯示數字型別的千位分隔符。

<.精度>：以.開頭，包括兩個含義。對於浮點數，精度表示小數部分輸出的有效位數。對於字串，精度表示輸出的最大長度。

<型別>：表示輸出整數和浮點數型別的格式規則。對於整數型別，輸出格式包括以下6種：

b：輸出整數的二進位制方式

c：輸出整數對應的Unicode字元

d：輸出整數的十進位制方式

o：輸出整數的八進位制方式

x：輸出整數的小寫十六進位制方式

X：輸出整數的大寫十六進位制方式

對於浮點數型別，輸出格式包括以下4種：

e：輸出浮點數對應的小寫字母e的指數形式

E：輸出浮點數對應的大寫字母E的指數形式

f：輸出浮點數的標準浮點形式

%：輸出浮點數的百分形式

2實驗步驟

2.1 命令列介面的簡單操作

點選開始—>執行，在輸入框中輸入cmd並敲擊回車。此時，可以看到以下介面，其中，C:\User\Administrator>表示當前的路徑資訊。

在命令列中輸入cd desktop並按下回車鍵，觀察輸出結果。

在命令列中輸入dir並按下回車鍵，觀察輸入結果。

在命令列中輸入md temp並按下回車鍵，繼續輸入dir並按下回車鍵，觀察輸出結果。

在命令列中輸入rd temp並按下回車鍵，繼續輸入dir並按下回車鍵，觀察輸出結果。

總結：以上五個步驟展示了在主目錄建立目錄並刪除的過程。所用命令及其對應功能如下表所示：

命令	功能
cd	更改目錄
md	建立目錄
dir	列出目錄內容
rd	刪除目錄

3.2 Python直譯器的下載與安裝（課下操作，該部分是針對只安裝Python的情況）

Python直譯器對應不同系統有三個版本：Windows, Linux和OS X，可以從http://python.org免費下載，下面我們將以Windows版本為例。登入http://python.org/download，根據計算機系統下載與之對應的Python（注：Python有兩個版本，分別是Python2和Python3。本課程將採用Python3。）雙擊所下載的程式安裝Python直譯器，如下圖所示，勾選圖中的Add Path 3.7 to PATH複選框。

圖1.4 安裝程式的啟動頁面

點選Install Now，安裝成功後顯示如下圖所示頁面。

開啟終端命令列，輸入Python，若出現Python版本號，則說明安裝成功。

3.3 Anaconda的下載與安裝

Anaconda是一個開源的Python發行版本，內部集成了常用的Python庫，例如NumPy等。與此同時，也包含了整合開發環境Spyder。安裝步驟如下：

Step 1：在https://www.anaconda.com/download/上下載Anaconda對應版本。例如我的作業系統是Windows10的64位版本，就下載64位的軟體。本實驗使用Python3.6，我們就下載Python 3.6對應的版本。

Step 2. 開始安裝後，單擊下一步。安裝路徑不能包含空格和中文，如下圖所示，這點非常重要！

Step 3：勾選兩個選框，單機Install，並等待至Anaconda開始結束。

Step 4：開啟Anaconda Prompt，並輸入Python，若看到以下輸出結果，則說明Anaconda安裝成功。

3.4 第一個Python程式

在桌面上找到Spyder並開啟它。其介面如下所示，對於該軟體，目前我們只需要瞭解到如何輸入程式碼，執行，除錯等操作即可。

請在編輯區域中輸入以下程式碼。然後按ctrl+s儲存該程式碼，並將其命名為c1_ex1.py：

1 2 3 4 5

#input name my_name = input("What is you name?") #print name print("Your name is:") print(my_name)

然後點選介面上方的綠色三角，執行該程式。在console中，我們可以看到輸出結果。注意，程式碼的第1行和第3行為程式註釋，用於解釋下面程式碼的作用。

3.5 變數的操作

我們在Spyder右下角的console框中輸入a=40，這行程式碼完成了對變數a的初始化，意味著該變數被建立，之後我們可以使用該變數。例如，我們繼續在直譯器中輸入：a+1，我們可以觀察到輸出結果為：

輸入a+c，可以觀察到：

由此我們得出結論：

我們繼續輸入：a=a+2並檢視a的值，我們可以看到a的值變成了42，這被稱為變數的複寫，分別輸入：type(10)，type(40.0)和type(“Hello World！”)，通過觀察結果，可以得出函式type()的作用為：

3.6 數字型別的操作

在console中輸入100/3和100//3，所得結果分別為：在直譯器中輸入124+4.0所得結果為：解釋原因為：

7種二元數學操作符（+、-、*、/、//、%、**）都有與之對應的增強賦值操作符（+=、-=、*=、/=、//=、%=、**=），通過實驗，探索增強賦值操作符+=的作用，並延伸到其他增強賦值操作符中：                                                   

思考下列各個操作符的優先順序，並計算表示式的值：

30-3**2+8//3**2*10

3*4**2/8%5

2**2**3

在console中寫出下列數學表示式，並計算結果

x=(24+7-3×4)5

x=(1+32)×(16mod7)/7

執行結果為：

3.5 轉義字元操作

新建一個名為c1_ex2.py的檔案，請輸入以下程式碼，體會各個轉義操作符的用法：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

stu1 = "\t李小明" stu2 = "歐陽\nn小明" stu3 = "令\\狐小\\明" stu_to = ''' 做一個列表 \t* 李小明 \t* 歐陽小明 \t* 令狐小明 ''' print(stu1) print(stu2) print(stu3) print(stu_to)

3.5 字串型別的操作

在Anaconda Prompt中輸入以下程式碼，體會字串的用法：

1 2 3 4 5 6

'Hello world!'[1] 'Hello world!'[0:6] 'Hello world!'[:7] 'Hello world'[2:] 'Hello'+'Python'+' '+'!' 'Python'*3

3隨堂練習

3.1 通過命令列在桌面建立一個名為test的目錄，之後在test目錄下分別建立example1和example2目錄，然後刪除example1目錄。

3.2 新建一個hw1_1.py的檔案，編寫一個銀行叫號系統，要求程式執行時列印顯示以下介面：

1. 存款

2. 貸款

3. 開卡

4. 掛失

請輸入您要辦理的業務：

當輸入一個數字1-4時，列印一句歡迎語並展示你選擇要辦理的業務號碼。

3.3 月球上的物體的體重是地球上的16.5%，假如你在地球上每年增長0.5kg，計算未來十年你在地球和月球上的體重狀況。

3.4 請查閱資料，新建一個hw1_2.py檔案，編寫程式，將下列字串轉換成大寫並列印輸出（提示使用upper()方法）。

how old are you？

what color do you like？

what about this one？

3.5 思考題：試著使用input函式接收一個整數輸入，你會發現什麼？請解釋原因並思考如何才能接收一個整數輸入。

3.6 新建一個hw1_3.py檔案，並編寫一個程式。要求在程式中讀入一個表示星期幾的數字（1~7），輸出對應的星期字串名稱。例如，輸入3，返回“星期三”。（提示：使用一個字串變數儲存字串“星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日”並使用字串切片）