1基础知识

2.1 冯诺依曼体系

基于冯诺依曼模型建造的计算机包含四个子系统：存储器、算术逻辑单元、控制单元和输入/输出单元，如下图所示：

2.2 图形用户界面与命令行界面

图形用户界面（Graphical User Interface）简称GUI，它是指采用图形方式显示计算机操作用户界面。命令行界面（Command-Line Interface）是图形界面普及之前使用最为广泛的用户界面，它通常不支持鼠标，用户通过键盘输入指令，计算机接收指令后，予以执行。两种图形界面如下图所示：

2.3 计算机程序的构成

程序是一系列定义计算机如何执行计算的指令。注意，这里的计算可以是数学上的计算，例如求解方程；也可以是符号计算，例如在文档中搜索一并替换文本或者图片。程序当中的基本指令包括：

输入：从键盘、文件、网络或者其他设备获取数据；

输出：在屏幕上显示数据，将数据保存至文件，通过网络传送数据等；

数学：执行基本的数学运算，与加、减、乘、除；

有条件执行：检查复合某个条件后，执行相应代码；

重复：重复执行某种动作，往往在重复中有一些变化；

程序的全部指令都来源于以上五种基本指令，编程的过程就是将庞大、复杂的任务分解为越来越小的子任务，直到这些子任务简单到可以用这其中的一个基本指令执行。

2.4 编程语言的分类

编程语言可分为两类：低级语言和高级语言。

低级语言是指机器语言和汇编语言。计算机真正认识并能够执行的代码，在我们看来是一串0和1组成的二进制数字，这些数字代表指令和数据。它与机器硬件紧密相关，但是不符合人类的语言和思维习惯，要想把低级语言写的程序移植到其他平台，就必须重写。

高级语言是让程序按照人类的思维和语言习惯来书写，机器无法读懂。因此，高级语言必须要经过一个“翻译”的过程，将其转换成可执行的代码。

高级语言翻译成机器代码有两种方法：解释和编译。解释是将源代码逐条转换成目标代码同时逐条执行目标代码的过程。执行解释的计算机程序称为解释器（Interpreter）。编译是将源代码转换成目标代码的过程，执行编译的计算机程序称为编译器（Compiler）。两者的执行方式如下图所示：

2.5 Python语言

Python语言是一种解释型的高级语言，主要特点如下：

（1）语法简洁：实现相同功能，Python语言代码行数仅相当于其他语言的1/10~1/5；

（2）跨平台：Python程序可以在任何安装解释器的计算机环境中执行。

（3）可扩展：Python可以集成C，Java等语言编写的代码

（4）类库丰富：Python解释器提供了几百个内置类和函数库。此外，世界各地的程序员通过开源社区贡献了十几万个第三方函数库。

2.6 Python变量命名规则

在Python中使用变量时，命名规则如下：

（1）变量名只能包含字母、数字和下划线。变量名可以用字母名或者下划线开头，但是不能以数字开头；

（2）变量名是对大小写敏感的。例如，myname和myName不是一个变量名；

（3）变量名不能含有空格；

（4）不要将Python关键字和函数名作为变量名，即不要使用Python保留的用于特殊用途的单词。下表展示了Python3中常见的关键字。

一个变量被命名之后，可以使用赋值操作符（=）对变量进行赋值操作。变量就像计算机内存中的一个盒子，其中可以存放一个值，而赋值操作符的作用就相当于将值保存在变量中。

2.7 Python书写规则

（1）原则上是一行只有一条Python 语句。

（2）如果要在一行中写入多条Python 语句，那么需要使用分号（;）来特别地标明这种用法。分号表示一条语句的结束。例如:

一行一条Python 语句:

a=5

Print a

一行多条Python 语句:

a=5;print a

（3）缩进（需扩充）

空白在Python中是重要的。它称为缩进。在命令行首的空白（空格和制表符）用来决定命令行的缩进层次，从而用来决定语句的分组。
这意味着同一层次的语句必须有相同的缩进。每一组这样的语句称为一个块。
建议在每个缩进层次使用单个制表符或两个或四个空格。

（4）注释语句

在#符后面写的文字，一律认为是注释语句，不参与运行。注释语句对于阅读程序很有帮助，命令行后加注释语句是一个程序员的优良品质之一。此外，程序员在测试代码时，也可以使用注释来暂时禁用一行代码，来测试这段代码的功能。

2.8 Python输入输出语句

（1）字符串的输入函数——input()函数（需详细编写）

（2）字符串的输出函数——print()函数

2.9 Python基本数据类型

Python中的基本数据类型包括数字数据类型和字符串数据类型。在数字数据类型中，包含整型和浮点型。如下图所示，int就代表整型，float就代表浮点型，其区别在于数字是否带有小数，带有小数的就叫浮点型。

字符串类型是Python中另一种基本的数据类型，属于文本值，需要使用单引号或者双引号包括，表示字符串的开始和结束。可以使用[i]来访问字符串中的第i个字符。注意，字符串中最左侧的字符序号为0。

整数类型

与数学中的整数概念一致。整数类型有四种进制表示：十进制、二进制、八进制和十六进制。总结如下表：

进制类型	引导符号	描述
十进制	无	默认情况
二进制	0b或0B	有字符0和1组成，如0b101
八进制	0o和0O	由字符0到7组成，如，0o711
十六进制	0x或0X	由字符0到9、a到f、A到F组成，例如0xABC

浮点数类型

与数学中的实数概念一致，表示带有小数的数值。浮点数有两种表示方法：十进制表示和科学计数法。其中，科学计数法是以字母e或者E作为幂的符号，以10位基数，含义如下：

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

数字类型的操作

以上7种操作符与数学习惯一致。注意，操作符运算结果可能改变数字类型，基本规则如下（注意，此部分就是Python中涉及到的数据类型强制转换）：

整数之间运算，若数学意义的结果是小数，结果为浮点数
整数之间运算，若数学意义的结果是整数，结果为整数
整数和浮点数混合运算，输出结果为浮点数

字符串类型

字符串的五个基本操作如下表所示：

操作符	描述
x+y	连接字符串x与y
x*n	复制n次字符串x
str[i]	索引，返回第i个字符
str[N:M]	切片，返回索引第N到第M的子串，其中不包含M

转义字符

控制字符	作用
\a	蜂鸣，响铃
\’	单引号
\n	换行，光标移动到下行首行
\r	换行，光标移动到本行首行
\t	水平制表
\v	垂直制表

内置字符串处理函数len()和str()，函数len(x)的作用是返回字符串x的长度。函数str()的作用是返回任意类型x所对应的字符串形式。

字符串类型的格式化

字符串的格式化是用于解决字符串和变量同时输出时的格式安排。Python中同时支持两种字符串格式化方法，一种是类似于C语言中printf()函数的格式化方法；另一种是采用str.format()格式化方法（str表示字符串）。

str.format()方法的基本使用格式如下：

<模板字符串>.format(<逗号分割的参数>)

模板字符串由一系列槽组成，用来控制修改字符串中嵌入值出现的位置，其基本思想是将format()方法中的逗号分割的参数按照序号关系替换到模板字符串的槽中。槽用大括号（{}）表示，若大括号中没有序号，则按照出现顺序替换。如果大括号中制定了使用参数的序号，按照序号对应的参数替换，注意，参数是从0开始编号的。

模板字符串中的槽除了包括参数序号，还可以包括格式控制信息，此时，槽内部样式如下：

{<参数序号>:<格式控制标记>}。

其中，格式控制标记用来控制参数显示时的格式，其包括<填充>、<对齐>、<宽度>、<,><.精度>、<类型> 6个字段。

<填充>：指宽度内除了参数以外的字符采用什么方式表示，默认为空格。

<宽度>：当前槽设定输出字符串的最大宽度。若输出字符串的长度大于<宽度>设定值，则使用该字符串的实际长度；反之，空余位置被默认以空格字符补充。

<对齐>：指参数在宽度内输出是的对齐方式，分别使用<、>和^三个符号表示左对齐、右对齐和居中对齐。

<,>：显示数字类型的千位分隔符。

<.精度>：以.开头，包括两个含义。对于浮点数，精度表示小数部分输出的有效位数。对于字符串，精度表示输出的最大长度。

<类型>：表示输出整数和浮点数类型的格式规则。对于整数类型，输出格式包括以下6种：

b：输出整数的二进制方式

c：输出整数对应的Unicode字符

d：输出整数的十进制方式

o：输出整数的八进制方式

x：输出整数的小写十六进制方式

X：输出整数的大写十六进制方式

对于浮点数类型，输出格式包括以下4种：

e：输出浮点数对应的小写字母e的指数形式

E：输出浮点数对应的大写字母E的指数形式

f：输出浮点数的标准浮点形式

%：输出浮点数的百分形式

2实验步骤

2.1 命令行界面的简单操作

点击开始—>运行，在输入框中输入cmd并敲击回车。此时，可以看到以下界面，其中，C:\User\Administrator>表示当前的路径信息。

在命令行中输入cd desktop并按下回车键，观察输出结果。

在命令行中输入dir并按下回车键，观察输入结果。

在命令行中输入md temp并按下回车键，继续输入dir并按下回车键，观察输出结果。

在命令行中输入rd temp并按下回车键，继续输入dir并按下回车键，观察输出结果。

总结：以上五个步骤展示了在主目录创建目录并删除的过程。所用命令及其对应功能如下表所示：

命令	功能
cd	更改目录
md	创建目录
dir	列出目录内容
rd	删除目录

3.2 Python解释器的下载与安装（课下操作，该部分是针对只安装Python的情况）

Python解释器对应不同系统有三个版本：Windows, Linux和OS X，可以从http://python.org免费下载，下面我们将以Windows版本为例。登录http://python.org/download，根据计算机系统下载与之对应的Python（注：Python有两个版本，分别是Python2和Python3。本课程将采用Python3。）双击所下载的程序安装Python解释器，如下图所示，勾选图中的Add Path 3.7 to PATH复选框。

图1.4 安装程序的启动页面

点击Install Now，安装成功后显示如下图所示页面。

打开终端命令行，输入Python，若出现Python版本号，则说明安装成功。

3.3 Anaconda的下载与安装

Anaconda是一个开源的Python发行版本，内部集成了常用的Python库，例如NumPy等。与此同时，也包含了集成开发环境Spyder。安装步骤如下：

Step 1：在https://www.anaconda.com/download/上下载Anaconda对应版本。例如我的操作系统是Windows10的64位版本，就下载64位的软件。本实验使用Python3.6，我们就下载Python 3.6对应的版本。

Step 2. 开始安装后，单击下一步。安装路径不能包含空格和中文，如下图所示，这点非常重要！

Step 3：勾选两个选框，单机Install，并等待至Anaconda开始结束。

Step 4：打开Anaconda Prompt，并输入Python，若看到以下输出结果，则说明Anaconda安装成功。

3.4 第一个Python程序

在桌面上找到Spyder并打开它。其界面如下所示，对于该软件，目前我们只需要了解到如何输入代码，执行，调试等操作即可。

请在编辑区域中输入以下代码。然后按ctrl+s保存该代码，并将其命名为c1_ex1.py：

#input name

my_name = input("What is you name?")

#print name

print("Your name is:")

print(my_name)

然后点击界面上方的绿色三角，运行该程序。在console中，我们可以看到输出结果。注意，代码的第1行和第3行为程序注释，用于解释下面代码的作用。

3.5 变量的操作

我们在Spyder右下角的console框中输入a=40，这行代码完成了对变量a的初始化，意味着该变量被创建，之后我们可以使用该变量。例如，我们继续在解释器中输入：a+1，我们可以观察到输出结果为：

输入a+c，可以观察到：

由此我们得出结论：

我们继续输入：a=a+2并查看a的值，我们可以看到a的值变成了42，这被称为变量的复写，分别输入：type(10)，type(40.0)和type(“Hello World！”)，通过观察结果，可以得出函数type()的作用为：

3.6 数字类型的操作

在console中输入100/3和100//3，所得结果分别为：在解释器中输入124+4.0所得结果为：解释原因为：

7种二元数学操作符（+、-、*、/、//、%、**）都有与之对应的增强赋值操作符（+=、-=、*=、/=、//=、%=、**=），通过实验，探索增强赋值操作符+=的作用，并延伸到其他增强赋值操作符中：

思考下列各个操作符的优先级，并计算表达式的值：

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

3*4**2/8%5

2**2**3

在console中写出下列数学表达式，并计算结果

x=(24+7-3×4)5

x=(1+32)×(16mod7)/7

运行结果为：

3.5 转义字符操作

新建一个名为c1_ex2.py的文件，请输入以下代码，体会各个转义操作符的用法：

stu1 = "\t李小明"

stu2 = "欧阳\nn小明"

stu3 = "令\\狐小\\明"

stu_to = '''

做一个列表

\t* 李小明

\t* 欧阳小明

\t* 令狐小明

'''

print(stu1)

print(stu2)

print(stu3)

print(stu_to)

3.5 字符串类型的操作

在Anaconda Prompt中输入以下代码，体会字符串的用法：

'Hello world!'[1]

'Hello world!'[0:6]

'Hello world!'[:7]

'Hello world'[2:]

'Hello'+'Python'+' '+'!'

'Python'*3

3随堂练习

3.1 通过命令行在桌面创建一个名为test的目录，之后在test目录下分别创建example1和example2目录，然后删除example1目录。

3.2 新建一个hw1_1.py的文件，编写一个银行叫号系统，要求程序运行时打印显示以下界面：

1. 存款

2. 贷款

3. 开卡

4. 挂失

请输入您要办理的业务：

当输入一个数字1-4时，打印一句欢迎语并展示你选择要办理的业务号码。

3.3 月球上的物体的体重是地球上的16.5%，假如你在地球上每年增长0.5kg，计算未来十年你在地球和月球上的体重状况。

3.4 请查阅资料，新建一个hw1_2.py文件，编写程序，将下列字符串转换成大写并打印输出（提示使用upper()方法）。

how old are you？

what color do you like？

what about this one？

3.5 思考题：试着使用input函数接收一个整数输入，你会发现什么？请解释原因并思考如何才能接收一个整数输入。

3.6 新建一个hw1_3.py文件，并编写一个程序。要求在程序中读入一个表示星期几的数字（1~7），输出对应的星期字符串名称。例如，输入3，返回“星期三”。（提示：使用一个字符串变量存储字符串“星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日”并使用字符串切片）

1 Python基础