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计算机导论
第一章计算机概述
1、计算机简史
2、计算科学的学科体系
CC2001将计算学科的主要内容分为14个主领域:
(1)离散结构
(2)程序设计基础(3)算法与复杂性(4)体系结构(5)操作系统(6)网络计算(7)程序设计语言(8)人—机交互(9)图形学和可视化计算(10)智能系统(11)信息管理(12)软件工程(3)社会和职业问题(14)科学计算
3.计算机的分类:
巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站
4、计算机应用
科学计算、数据处理、实时控制、人工智能、通信和文字处理、多媒体技术、教育、军事、网络技术与信息高速公路、计算机辅助设计和制造
5计算机发展趋势:
巨型化、网络化、智能化、新型计算机
第二章信息表示与运算
一、数据单位
(1)位(b)计算机的最小单位,是用0或1表示的一个二进制数值
(2)字节(B),是计算机基本的存储单位。
1B=8b
(3)字,有一个或多个字节组成。
(4)KB\MB\GB\TB
二、原码、反码、补码
原码:
用最高位表示符号位,符号位为0,则表示正数;符号位为1,则表示负数。
补码:
补码规则为:
正数的补码和其原码形式相同,负数的补码是将它的原码除符号位以外逐位取反(即0变为1,1变为0),最后在末位加1。
反码:
原码变反码规则为:
正数的反码和其原码形式相同,负数的反码是将符号位除外,其他各位逐位取反。
三、数的定点表示
1.数的定点表示
(1)定点整数
将小数点固定在数的最低位之后。
定点整数存储格式如下图所示。
(2)定点小数
将小数点固定在符号位之后,最高数值位之前。
定点纯小数存储格式如图所示。
2.数的浮点表示
计算机中还使用浮点表示格式(即小数点位置不固定,是浮动的)。
浮点数分成阶码和尾数两部分。
浮点数存储格式如图所示
。
3、BCD码
4、西文信息的编码与表示
◆字符编码(CharacterCode)就是用二进制编码来表示字母、数字以及专门的符号。
◆在计算机系统中有两种重要的字符编码方式:
ASCII和EBCDIC。
EBCDIC(扩展的二—十进制交换码)是西文字符的一种编码。
采用8位二进制表示,共有256种不同的编码,可表示256个字符。
◆目前计算机中普遍采用的是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)码,即美国信息交换标准代码。
5、中文信息的编码与表示
(1)汉字字符集与编码:
GB2312-1981——GB13000-1993——GB18030-2000:
(2)汉字的输入:
(1)数字编码、
(2)拼音编码、(3)字形编码
(3)汉字的机内码:
是指计算机系统内部为存储、处理和传输汉字而使用的代码,简称内码,是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式。
(4)汉字的输出:
如要显示或打印出来,必须把汉字的机内码转换成人们可以阅读的方块字形式。
(5)汉字信息处理的工作过程
四运算
1.BCD码的运算
若两个8421码数相加之和等于或小于1001,即10进制的9,不需要修正;若相加之和在10到15之间,本位还要进行加6修正,进位是在进行加6修正时产生的;若相加之和在16到18之间时,向高位的进位会在相加过程中给出,对本位也需要进行加6修正。
2.逻辑运算(0假1真)
(1)与∧
(2)或∨(3)非(4)异或——两者同为假,两者异为真。
3.补码的运算
五其他
1.数据结构
a.概念:
是指数据之间的关系,包括以下三方面
(1)逻辑结构:
B=(K,R)
(2)数据的存储结构:
是指逻辑结构在计算机存储器中的实现。
(3)数据的运算:
是指在数据的逻辑结构上定义的操作算法。
如:
检索,插入,删除,更新
b.常用数据结构
线性结构:
有且仅有一个终端结点和一个开始结点,并且所有结点都最多只有一个前驱结点和一个后续结点。
非线性结构:
可能有多个终端结点和多个开始结点,并且每个结点可能有多个前驱结点和多个后续结点。
c.应用
图书馆的书目检索系统自动化问题、人机对弈问题、哥尼斯堡七桥问题
2.计算机为什么要采用二进制?
(1)计算机中,数是用物理器件的状态表示的,二进制只有两种状态(0,1),容易用电路表示。
电位的高低,脉冲的有无,电路的通断等都可表示。
(2)二进制运算规则简单,容易用数字逻辑电路实现。
(3)二进制可方便的表示逻辑值,进行逻辑运算。
第三章计算机基本工作原理
一有关概念
1.计算的概念
狭义的计算:
(传统的计算的概念),是指数的计算
广义的计算:
则是指“一个问题有没有方法来解决”。
即什么能有效地自动进行?
什么不能有效地自动进行?
这就是“能行性”的问题。
2.程序
计算机程序是指预先设定好的,能够在计算机系统中运行的程序。
3.存储程序原理
将根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中,然后按存储器中存储程序的首地址执行程序的第一条指令。
以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令,直至程序结束执行。
4.冯诺依曼结构
5.计算机系统的组成
6.超越冯诺依曼结构
1.并行计算
(1)并行性
所谓并行性是指在同一时刻或在同一时间段内完成两种或两种以上的工作,并行性是指时间上的重叠。
严格地说,并行性可分为同时性和并发性两种形式。
同时性是指两个或多个事件在同一时刻发生。
并发性是指两个或多个事件在同一时间段内发生。
(2)并行处理
a.提高计算机性能的措施之一是提高计算机处理的并行性,一般主要是采用“时间重叠”和“资源重叠”的方法。
b.“时间重叠”是指多个处理过程在时间上互相错开,轮流使用一套硬件设备的各个部分,以加快硬件周转,提高计算机的处理速度,采用流水线方式工作的计算机称为流水线计算机系统。
c.“资源重叠”是指采用重复设置硬件设备的方法,即计算机中资源最紧张的设备就使用多个,如多处理器系统。
(3)并行计算
利用并行计算机系统进行信息的并行处理称为并行计算。
并行算法的目标就是以空间换时间。
即通过增加空间的维数和处理器的台数,来换取算法实现所需的时间a.提高系统并行性:
时间重叠,资源重叠,资源共享
2.向量计算机、生物计算机、神经计算机、量子计算机
第四章计算机硬件系统
一.计算机硬件系统
现代计算机硬件系统可分为:
中央处理单元、存储系统和输入输出(I/O)系统3个主要组成部分,用系统总线把它们连接在一起,如图所示
二.CPU(含寄存器)
1.四大功能:
指令控制,操作控制,时间控制,数据加工
2.运算器
(1)数据加工处理部件,主要实现数学的算术运算和逻辑运算。
(2)a.执行所有的算术运算。
b.执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试。
(3)算术逻辑运算单元ALU,通用寄存器组,累加寄存器,数据缓存进寄存器
3.控制器
(1)指挥和控制计算机各部件按一定时序协调操作的中心部件。
(2)a.根据指令在存储器中的存放地址,从存储器中取出指令。
b.对指令进行译码分析,并按一定的时序发出执行该指令所需的一系列操作控制信号,控制运算器、存储器及输入/输出设备等部件进行动作。
c.执行完一条指令后,自动从存储器中取出下一条要执行的指令。
(3)程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序产生器,操作控制器
三.存储系统
1.三级存储器结构:
高速缓冲存储器Cache、主存储器(简称主存)和辅助存储器(简称辅存)。
2.主存
1.主存储器由半导体存储器构成,存储直接与CPU交换的信息。
通常位于主机范畴之内,又称内存储器,简称主存或内存。
它的特点是速度较高,但容量较小,价格高。
半导体存储器
2.半导体存储器种类很多。
按存取方式不同,可分为:
(1)随机存取存储器(RAM)
(2)只读存储器(ROM)。
附加:
用现有的存储器芯片构成一个一定的半导体存储器:
(1)根据所要求的容量大小,确定所需芯片的数目
(2)完成地址分配
(3)实现系统总线连接
(4)解决存储器与CPU速度匹配问题
3.Cache
位于CPU与主存储器之间。
采用Cache的主要目的是为了弥补主存速度的不足。
4.辅存
a.辅助存储器用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息,它们位于主机范畴之外,常称为外存储器,简称外存。
b.常用的辅助存储器有磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器,统称为磁表面存储器。
c.特点是
(1)存储容量大、可靠性高、每位价格低;
(2)记录信息可以长期保存而不丢失;(3)非破坏性读出,读写时不需要再生。
主要缺点是存取速度较慢,机械结构复杂。
四.输入输出系统
1.常用的计算机输入设备分为图形输入、图像输入、语音输入等几类。
图形输入:
鼠标,键盘,光笔
图像输入:
摄像机,扫描仪,传真机
2.常用的计算机输出设备有:
打印机、显示器、绘图仪等。
3.I/O接口
a.特点:
(1)I/O设备的工作速度远比主机慢,相差几个数量级。
(2)I/O设备采用的信息格式与主机内部的信息格式不同。
(3)I/O设备与主机各有自身的时钟和定时控制逻辑,无法取得同步。
b.基本功能:
(1)识别地址码,即地址译码功能。
(2)实现主机与I/O设备之间的通信联络控制,包括同步控制、设备选择、断控制等。
(3)实现数据缓冲。
(4)能够将I/O设备的工作状态“记录”下来,并“通知”主机,为主机管理I/设备提供必要的信息。
(5)能够接受主机发来的各种控制命令,以实现对I/O设备的控制操作。
(6)进行数据类型、格式等方面的转换。
c.分类:
按数据传送:
串行接口,并行接口
按使用方式:
可编程接口,不可编程接口
按数据传送控制方式:
程序控制I/O接口,程序中断I/O接口,DMA接口
d.I/O控制方式:
程序查询方式、中断控制方式、DMA方式
五.总线
指能为多个功能部件服务的一组公用信息线
1.微机总线分类
(1)片内总线(内部总线)
(2)片间总线(系统总线)
(3)板间总线
(4)通信总线
2.系统总线
(1)数据总线:
实现数据传送
(2)地址总线:
传送地址信号
(3)控制总线:
传送各类控制/状态信号
六.计算机系统
1.多级层次结构
2.系统包括:
指令系统、数据表示、操作数的寻址方式、寄存器的构成定义、中断结构和例外条件、存储体系和管理、I/O结构、信息保护
3.系统分类
精简指令集(RICS)、复杂指令集(CICS)、流水线处理机,数据流计算机
4.流水线处理机
(1)流水线工作原理
流水线技术,是指将计算机中各个功能部件所要完成的操作分解成若干个子过程,每个子过程可以和其他子过程同时进行。
(2)分类:
标量/向量流水处理机
5.指令系统
a.指令的分类:
数据传输类、算术逻辑类、控制类
操作码:
指令所要完成的操作
b.指令操作数地址:
给出操作数地址
地址码
操作结果地址:
指令执行所产生的结果存放地址
小结
1.一个完整的计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理单元、存储器和I/O子系统3个主要组成部分,用系统总线把它们连接在一起。
中央处理单元由运算器和控制器两部分组成。
2.存储器是计算机的记忆部件,用来存放人们编写的程序以及程序中所用到的数据、信息和中间结果。
3.I/O系统一般包括I/O设备和大容量存储器两类。
4.系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来,用来在各部分之间传送信息。
5.计算机系统结构是指对计算机系统中软、硬件之间界面的描述,它反映了程序员所看到的计算机的基本属性。
第五章计算机软件系统
一.软件工程
1.软件定义:
事先编制好了具有特殊功能和用途的程序系统及其说明文件的统称。
2.软件工程定义:
研究大规模程序设计的方法、工具和更严厉的一门工程学科。
a.软件工程的发展过程:
程序设计时代、软件时代、软件工程时代。
b.软件工程的基本原则:
(1)划分软件生命周期
(2)进行阶段评审
(3)编制软件文档(4)采用现代化程序设计技术
3.软件生命周期及其模型
瀑布模型、快速原型法模型、螺旋模型、智能生存周期模型、面向对象生存周期模型
4.软件生存周期:
问题定义
软件定义可行性分析
需求分析
系统设计
软件生存周期软件开发系统编程
系统维护
软件维护
二.程序设计及其语言
1.程序=算法+数据结构
a.通常,把解题过程准确而完整的描述称作该问题的算法。
算法由操作与控制结构两要素组成
(1)操作:
逻辑运算,算术运算,数据比较,数据传送(输入、输出、赋值)
(2)算法的控制结构:
顺序结构,选择结构,循环结构
(3)算法特征:
有穷性,确定性,可行性,输入,输出
(4)常用算法:
枚举法,迭代法,递归法
(5)算法设计要求:
正确性,可读性,健壮性,简单性,高效率与低存储量
b.数据结构
数据结构是数据之间的关系,包括逻辑结构,存储结构和数据的运算三方面。
(1)逻辑结构:
线性结构、非线性结构
(2)存储结构:
顺序存储结构、链式存储结构(3)数据的运算:
检索、排序、插入、删除、修改等。
2.程序语言
(1)高级语言的基本符号:
字母,数字,特殊符号,
(2)高级语言的基本元素:
数,逻辑值(真、假),名字,标号。
字符串
(3)高级语言的表达式:
算术表达式,逻辑表达式,字符串表达式
(4)高级语言的语句:
赋值语句,转移语句,条件语句,输入输出语句,循环语句,其他语句
3.程序设计
(1)步骤:
a.确定算法与数据结构。
b.用流程图表示编制程序的思路。
c.用高级语言编制源程序。
(2)流程图
a.作用:
为使按此算法编制的程序一目了然,先画出反应编制程序思路的流程图。
b.分类:
概念级流程图、算法级流程图、指令级流程图
4.语言处理程序
(1)编译程序
把高级语言源程序翻译成目标代码的程序,又称为编译器。
(2)解释程序
类似于“同声翻译”的一个程序,高级语言程序在执行过程中,由解释器将高级语言源代码一行一行“翻译”成目标代码,边翻译,边执行。
(3)编译过程概述:
词法分析——语法分析——语义分析——中间代码生成——代码优化——目标代码生成
5.操作系统
(1)目的:
第一,为程序的开发和执行提供一个良好、方便的环境;第二,保证计算机系统顺利执行,对各个计算活动进行调度。
(2)分类:
批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统等
(3)功能:
处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
6.数据库
(1)发展历程:
人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段、高级数据库系统阶段(含分布式数据库,面向对象数据库,知识数据库)
(2)数据库系统:
数据库:
一部分是按照一定的数据模型组织并存放在外存上的一组相关数据集合,成为物理数据库。
另一部分是有关数据库的定义信息的描述部分。
(3)数据库管理系统:
数据库定义功能、操纵功能、管理功能
(4)软硬件支持、
(5)数据库管理员
(6)关系数据库管理系统:
层次模型,网状模型,关系模型,面向对象模型
(7)数据模型:
是一种表示实体类型和实体之间联系的模型,是进行严格定义的概念的集合。
包含数据结构,数据操作,数据的完整性约束三要素。
(8)数据库系统的应用模式:
单用户DBMS应用模式,集中式数据库应用模式,客户机/服务器数据库应用模式,多层数据库应用模式
第六章计算机网络系统
一.通信
1.通信过程
a.通信控制器负责DTE和通信线路的连接,完成数据缓冲、速度匹配、串并换等。
b.信道是传输信号的通道,可以是有线的传输媒体,也可以是无线的传输媒体。
c.信号变换器的功能是把通信控制器发出的信号转换成适合于在信道上传输的信号,或者相反,把从信道上接收的信号转换成通信控制器所能接受的信号。
2.有关通信的基本概念
(1)数据就是把事物的某些属性规范化后的表现形式,它能被识别,也可以被描述。
(2)信号就是数据的具体的物理表现,具有确定的物理描述。
(3)数据分为两种基本类型:
文本或二进制数据。
(4)通信双方交互信息的方式有3种:
单工通信,半双工通信,全双工通信。
3.传输媒体
(1)传输媒体是用于承载传输信息的物理媒体。
(2)传输媒体可分为两大类:
导向传输媒体(双绞线,同轴电缆,光纤)和非导向传输媒体(无线通信,微波通信,卫星通信)。
二.计算机网络
1.计算机网络
(1)概念:
一些互相连接的,自治的计算机集合。
(2)用途:
数据通信,资源共享,分布处理
(3)分类:
a.从网络的交换功能进行分类:
电路交换,报文交换,分组交换,混合交换。
b.从网络的拓扑结构进行分类:
集中式网络,分散式网络,分布式网络。
c.从网络的作用范围进行分类:
广域网,局域网,城域网。
d.从网络的使用范围进行分类:
公用网,专用网
2.计算机网络的客户机/服务器模式
三.网络的组成
1.计算机网络的组成:
资源子网,通信子网,一系列的协议
就局域网而言,通信子网由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成。
资源子网由联网的服务器、工作站、共享的打印机和其他设备集相关软件所组成。
2.计算机网络中硬件设备的用途
(1)服务器(Server):
是指向运行在别的计算机上的客户端程序提供某种特定服务的计算机。
(2)工作站(Workstation)也称客户机,由服务器进行管理和提供服务的、连入网络的任何计算机都属于工作站,其性能一般低于服务器。
(3)网卡也称网络适配器、网络接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)。
(4)调制解调器也叫Modem,俗称“猫”。
它是一个通过电话拨号接入因特网的必备的硬件设备。
(5)集线器是管理网络的最小单元,是局域网的星型连接点。
(6)网桥(Bridge),工作于数据链路层,不但能扩展网络的距离或范围,而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。
3.网络的拓扑结构
a.计算机连接的方式叫做“网络拓扑结构”
b.总线形网络、环形网络、星形网络和网状网络。
4.网络协议:
为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
5.TCP/IP协议
(1)IP的工作是把数据从一地传送到另一地。
(2)TCP的工作就是管理这种流动的、并确保其数据的准确性。
6.常见局域网CSMA/CD、快速以太网、令牌环、光纤分布数据接口(FDDI)
第七章多媒体技术及其应用
一.多媒体
(1)媒体是信息的载体。
多媒体(Multimedia)是融合两种或两种以上媒体的一种人—机交互式信息交流和传播媒体,是多种媒体的综合。
(2)MPC标准
MPC标准是一组随计算机技术发展而不断更新的标准。
从开始出现至今,一共制定了4个标准,分别为:
MPC-1,MPC-2,MPC-3,MPC-4。
二.多媒体计算机的组成
(1)多媒体硬件系统
a.多媒体计算机系统是在普通计算机硬件的基础上,配以多媒体所必需的硬件和软件,即由多媒体硬件系统和多媒体软件系统两部分组成。
b.多媒体硬件系统由计算机硬件设备、音频输入输出和处理设备、视频输入输出和处理设备等组成。
c.多媒体软件系统包括多媒体操作系统、多媒体创作工具和多媒体应用软件。
d.多媒体硬件系统的性能主要取决于以下几个关键部件:
CPU,内存,图形显示器,音效卡,视频卡,CD-ROM驱动器,其他辅助输入/输出设备。
(2)多媒体软件系统
与多媒体计算机配套的软件有:
多媒体操作系统,多媒体创作工具,多媒体应用软件。
三.多媒体技术
(1)多媒体技术:
指能同时捕捉、处理、编辑和展示多种媒体信息,实现人—机交互的技术,其核心是利用计算机中的数字化技术和交互式处理能力,综合处理文字、声音、图像、图形等信息。
(2)特点:
交互性、集成性、实时性、协同性。
(3)多媒体系统的关键技术:
多媒体信息压缩集解压缩技术、多媒体信息存储与传输技术、多媒体通信技术、著作工具技术、虚拟现实技术。
(4)多媒体关键问题:
如何高效实时地压缩音频和视频信号的数据量。
(5)多媒体应用:
教育、工商业、通信、医疗、军事、娱乐……
(6)多媒体技术的发展趋势:
a.进一步完善计算机支持的协同工作环境CSCW0。
b.智能多媒体技术包括以下几个方面:
文字的识别和输入、汉语语音的识别和输入、自然语言理解和机器翻译、图形的识别和理解、机器人视觉和计算机视觉、知识工程和人工智能
第八章计算机病毒
1.定义:
计算机病毒,是指编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或者毁坏数据,影响计算机使用,并能自我复制的一组计算机指令或者程序代码。
简单地说,计算机病毒是危害计算机系统的一组计算机指令或程序代码,它能在计算机系统中驻留、繁殖和传播,它具有与生物学中的病毒类似的某些特征:
传染性、潜伏性、破坏性、变种性。
2.病毒的特征:
非授权可执行性、隐蔽性、传染性、潜伏性、破坏性、变种性、可触发性
3.病毒分类:
a.按感染方式分类:
、引导型病毒、文件型病毒、混合型病毒
b.按连接方式分类:
操作系统型病毒、外壳型病毒、入侵型病毒、源码型病毒
c.按破坏程度分类:
良性病毒、恶性病毒
4.宏病毒:
(1)由于Office套件的广泛使用,宏病毒已经成为传播最广泛、危害最大的一类病毒。
(2)微软公司为了使Office功能更强大,在Office中提供了一种用VBA(VisualBASICforApplication)编写的程序(通常称为宏),编写者可以将这段程序代码嵌入Office文件中,当使用Office文件时,程序代码会自动执行。
(3)由于VBA语言的编程非常简单,病毒制造者利用VBA语言可以编出危害性很大的宏病毒。
5.传播途径:
使用已感染病毒的机器、使用已感染的磁盘、通过网络、使用盗版光盘
6.病毒的简单判断,感染病毒一般可能出现下列状况:
(1)屏幕上出现异常画面,如小球、雪花、提示语等。
(2)感觉系统的运行比平常要慢。
(3)系统内存无故减少,经常死机。
(4)发现文件的长度发生了变化。
(5)磁盘的文件丢失,反而出现莫名其妙的文件。
(6)没有磁盘操作,但硬盘灯常常亮着。
(7)文件存储比平时要慢很多。
(8)硬盘不断出现坏簇。
(9)打印机或通信端口出现异常。
7.计算机病毒的预防措施
(1)不使用来历不明的软件(光盘、软盘、游戏等)
(2)重要的文件要经常备份。
(3)数据文件和系统文件分开存放。
(4)不要随便打开来历不明的E-mail。
(5)打开Office文件时,禁止所有可以自动进行的宏,
除非可以确定是安全的宏,以防止宏病毒。
(6)使用防病毒程序。
8.病毒的清除
(1)病毒能够手工清除,但是这样做对操作者的要求非常高,对计算机系统和相应的病毒都要非常熟悉,否则误操作有可能导致系统崩溃,一般不采用这种方法。
(2)清除病毒比较安全的方法是使用反病毒软件。
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