大学计算机基础.doc

_第一章 引论1.1计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并提供结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）及相应的处理算法（程序） 计算机科学与技术的核心包括计算机的设计、制造，以及运用计算机进行信息处理（获取、表示、存储、加工、控制）的相关理论、原则、方法和技术。1.2计算机模型黑盒模型：不考虑计算机内部结构具有程序能力的数据处理机：该模型赋予了计算机极大的灵活性，程序是事先编制好并存放在计算机内部的现代计算机模型：冯诺依曼 不但给出了计算机的功能，还定义了计算机内部的结构。计算机的五个组成部分输入设备 输入数据和程序。运算器 执行各种算术运算和逻辑运算。存储器 存储程序、原始数据、中间结果和最终结果。控制器 控制计算机所有部件，协调整个系统的有序工作。输出设备 输出程序的执行结果。现代计算机被认为由三个子系统组成处理器子系统 存储器子系统输入输出子系统1.4计算机系统所谓“系统”是指由多个“子系统”组成的一个有机的“整体”。计算机系统是一个大的概念，由硬件系统和软件系统组成，还包括所处理的数据和使用计算机的用户 （计算机本身也只是计算机系统中的一部分）计算机系统硬件系统处理器系统（主机）存储器系统外部设备输入设备输出设备软件系统系统软件操作系统编程语言工具软件应用软件办公软件其他应用软件计算机物理设备叫做硬件硬件系统：处理器系统单个处理器芯片多核处理器芯片（芯片上集成了多个处理器）存储器系统内存或主存（半导体材料，直接连处理器）外存或辅存（磁盘、光盘等，外置的独立部件）输入输出系统与计算机相关的文档、程序、语言等都归类为软件软件系统：系统软件：服务于计算机本身的软件应用软件：解决特定问题的软件（APP）计算机是如何运行的通电后，CPU 执行启动程序 BIOS，操作系统从外存被调入内存执行；BIOS 引导完成后，计算机由操作系统进行管理和控制1.5信息系统 BIOS的基本任务：把存放在磁盘中的操作系统调入6 个要素： 内存执行。硬件软件数据信息人用户 以计算机为职业的专业人员（约5%）和使用计算机的应用人员（约95%）过程处理通信1.6因特网：开放性，网络的目的是资源共享和通信万维网：因特网上最大的一种服务，网络浏览技术应用1.7 计算机文化和计算思维计算机从装置成为学科再发展为文化计算机文化：理解计算机是什么，以及它如何被作为资源利用，并改变着人类的生活、学习和交流方式的。计算思维：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动；它的本质是抽象和自动化第二章 数据表示及逻辑基础数据：数值数据，非数值数据计算机中，数据是以数字表示的：“数制”形式：直接进行数学运算 “码制”形式：表示对象属性数制：也称进制，指多位数中每一位的构成方法以及实现从低位到高位的进位规则。2.2常用数制R 进制R 个数码，数码从 0 到 R-1其值：每位数码和该位的权系数的乘积权系数也叫做幂次或叫做权重按权展开式70628= 783+082+681+280（变为十进制数）计数规则逢 R 进 1二进制位（比特，bit）是计算机处理的最小单位二进制位：b 字节（Byte）：B 1B=8b （一个字母1B）选择二进制最直接的理由是它容易被物理器件实现十六进制16 个数码：09 ，A、B、C、D、E、F十进制转化为R进制整数部分：除以R取余数，直到商为0，余数从右到左排列小数部分：乘以R取整数，整数从左到右排列二进制转化为八进制和十六进制把二进制数划为3/4份按权展开原码：简单、直观，方便乘法运算例 原码（机器数）01001101中，最高位被设置为符号位，0表示正，1表示负 后七位表示真值反码：用于求补码正数的反码是它的原码：例 +1010010的反码是01010010 负数的反码最高位为1，其余各位按位求反：例 -1010010的原码是11010010反码是10101101补码：用于减法运算：减去一个数=加上这个数的补码 正数的补码=原码负数的补码=其反码加 1（最低位+1，如果最高位有进位也不改变符号位）补码的补码将还原为原码定点数： 有固定小数点定点纯小数和定点纯整数两种对硬件的要求简单，数的表示范围受限浮点数：小数点位置浮动，来源于科学计数法对硬件的要求复杂，数的表示范围大、精度高2.3编码和文本最基础的文本编码是 ASCII 码ASCII 码字符集包含 128 个字符，需采用 7 位二进制数编码，从 0000000 到 11111118 位的扩展 ASCII 码用于给特殊字符、外来语字母和图形符号编码Unicode 编码可表示几乎世界上所有书写语言的字符编码标准 被称为“统一码”、“单一码”、“万国码”汉字机内码汉字国标码 机内码中 1010110 1010000 11010110 11010000华 0111011 0101010 10111011 10101010矢量图技术 图形通过绘图软件(公式)绘制的由直线、任意曲线等组成的画面，以矢量图文件形式存储进行缩放操作时不失真，占用存储空间小位图技术 图像扫描仪等捕捉的真实场景画面产生的映像，数字化后以位图文件形式存储位图文件中存储的是构成图像的每个像素点的亮度、颜色等属性缩放后图像会失真，占用的存储空间大音频、图像模拟信号的数字化音频是连续性的模拟信号，用计算机对音频信息进行处理，必须先将它转换成数字信号 A D C2.5逻辑运算：与或非 逻辑电路中的单元电路叫做“门”电路逻辑“异或”复合逻辑关系ABAXORBFFFFTTTFTTTF第3章 计算机硬件计算机硬件由三个子系统构成，连接这三个子系统的是总线PC 的基本配置：主机、键盘、鼠标、显示器等主机箱内：主板（包括处理器、内存等），磁盘、光盘等主机箱后：连接输入输出设备的端口计算机组成示意图：（*标记的为外部总线）3.2处理器即CPU，可以是单一的芯片，也可以是多个 CPU 芯片组成的阵列功能上：CPU 包括计算机的运算器和控制器逻辑上：CPU分为 运算器，数据寄存器，指令代码寄存器，控制电路，地址电路处理器结构模型处理器芯片集成电路按摩尔法则发展半导体材料单位面积内集成的电路数目不会无限增长集成电路设计从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器 多核 内部总线在主板范围内的总线，它是 CPU 与存储器及输入/输出控制电路进行数据交换的通路连接CPU与存储器及其他电路的三总线：数据总线 通过数据信号地址总线 通过地址信号控制总线 通过控制信号处理器的技术指标主频：反映 CPU 运行速度的参数，主频越高，CPU运算速度越快。字长：一次所能处理的二进制数的位数协处理器：在 CPU 的协调下完成复杂的、特定的任务，如处理浮点运算、图形处理等内部高速缓存器：分为 L1、L2、L3 等 处理器系统CISC：（复杂指令集计算机）优点：程序设计比较容易，每个简单/复杂的操作都有相应的指令可以实现。RISC：（精简指令集计算机）只包含常用指令，优点：简化程序控制逻辑，提升处理器的速度。3.3存储器 重要特性：可复制性，覆盖性存储模式：存储单元以字节（Byte）为单位存储器由若干字节组成，每个字节都有一个唯一的标识：存储器地址（按二进制位进行表示）计算机最大存储容量由地址总线的数目来决定，10 根地址线可标识 210 个存储单元存储容量： 存储器中存储单元的总数，即字节数，或称为地址空间内存：位于主板上，经内部总线与 CPU 连接。用于存放被执行程序的指令代码和运行数据，也称为主存储器（简称主存）。由半导体存储器组成，运行速度快、容量小、体积小。有 RAM 和 ROM 两种类型。内存容量大小取决于处理器的地址空间（地址总线的宽度）RAM（随机存储器）：体积小，存取速度快，具有易失性（断电消失）ROM（只读存储器）：用于存放 BIOS（基本输入输出系统），断电不消失PROM：一次性写入不可改写 EPROM：可通过紫外线擦除重新写入EEPROM：电子擦除（最常用，如闪存） 外存：磁盘 1.能在关机或断电状态下保存数据。 3.磁盘盘片被划分为多道同心圆结构的磁道，磁道又被划分为若干个扇型的区域：扇区，用于存储数据。 3.转速和容量是硬盘的重要指标。（磁介质存储器包括磁带、硬盘、软盘）光盘1. 由光驱读写。2. 光盘的光道是一条由内到外的螺旋线。固态存储器被称为 U 盘或 “闪存”，因为成块区域的擦除、写入操作速度很快存储器的主辅结构 计算机存储器系统使用高速的半导体存储器作为主存储器，使用较低速的磁盘、光盘作为辅助存储器，是系统在性能、功能和价格之间进行取舍的结果。功能：主存-运行程序，辅存-保存程序和数据。性能：主存的易失性和辅存的永久性互补，主存-快、辅存-慢。价格：主存-贵、辅存-便宜。原理：程序和数据都存储在辅存中，被执行的程序从辅存调入主存运行，运行结束后程序和数据被重新存回辅存。“虚拟内存”技术：在磁盘上开辟与内存结构相同的区域，其地址与内存的地址一一对应，将数据映射到虚拟内存中，可以有效地提升系统的运行效率。3.4输入和输出端口：又称接口，是接口电路连接 I/O 设备的连接器。PC 主要有 5 种端口：键盘端口、鼠标端口、并行端口、串行端口，USB 端口I/O 设备的数据传输模式有两种并行：一次传输 8 位数据（字节模式），传输快，成本高串行：一次传输 1 位数据（位模式），成本低，适合长距离传输输出设备：显示器，主要有 LCD 和 CRT 两类，主要技术指标是分辩率打印机：主要有激光打印机、喷墨打印机和针式打印机几种。3.5系统总线和USBUSB：端口规格：A型和B型，分别连接计算机和外设。 A型端口也叫“公共口”，规格只有一种 B型端口也叫Mini B型口，有多种规格 USB 自动配置设备：支持热插拔，可连接多达 127 个设备。接口：是一个使高速主机和低速外设实现 “速度匹配” 的 “机制” 。包括两个部分：一部分通过内部总线连接计算机的 CPU 和存储器。另一部分通过外部总线连接外设。第 4 章 操作系统操作系统（OS）是最基本和最重要的系统软件，是软件系统的核心； 是管理其他硬件和软件的软件； 是计算机硬件和用户（其他软件和人）之间的接口； 有效地管理和使用计算机软、硬件资源； 协调计算机的所有内部活动；为用户提供使用计算机的界面，方便地操作计算机。4.1操作系统的类型：按使用环境和对程序执行的处理方式分类实时系统单用户单任务系统单用户多任务：Windows系统多用户多任务：允许多个用户通过终端工作站使用一台主机，并支持每个用户的多任务处理。就是今天网络的基本结构。并行系统：多处理器分布式系统：将地理位置上分散的具有独立功能的多台计算机互连起来进行信息交换、资源共享、可互操作和协作处理（例：云计算）4.2常用的操作系统UNIX ：使用最早，多用户多任务操作系统，系统运行可靠、稳定Linux 是免费的可自由传播的类 UNIX 系统，优势：高性能、低开支劣势：需要更多的修补，其运行应用程序的数量远没有 Windows 多Windows：单用户多任务操作系统，版本众多（Windows 1.0、Windows NT、Windows 9x.）Mac OS / OS X：最好的图形处理系统，其内核是基于 UNIX 的，系统的稳定性和可靠性高。Android：单用户多任务操作系统，基于 Linux 开放的源代码开发且仍为免费。4.3操作系统的结构基于软件的两个层次结构内核（Kernel）：操纵硬件 系统的核心。具有分时处理技术和调度程序（决定哪个任务被执行，分配程序为这些任务分配时间片）用户接口：（命令解释器）提供用户界面 系统的外壳（Shell）。接收用户和应用程序的操作命令，解释后交给内核执行。、4.4操作系统的功能进程管理，又叫处理器管理进程：指正在运行的程序，包括程序和被处理的数据进程调度：目的是有效管理且防止死锁同步：占有不同资源的不同进程可同步死锁：多个进程同时占有对方需要的资源而同时请求对方的资源，而在得到请求之前不会释放所占有的资源。（在Windows中可用任务管理器中的“结束进程”解除死锁）存储器管理内存管理：主要任务是内存资源的分配、使用。内外存之间数据的交换：虚拟内存技术设备管理启动和停机4.5文件管理文件：外存储器上的数据的有序集合，并标记以一个文件名。分为程序文件和数据文件两类文件中的数据之间是有关联的具有符合命名规则的文件名（MS 系统的文件名由三部分组成.）常用的文件类型可执行文件，即程序文件，扩展名为 .exe、.com、.bat。图形图像文件 bmp、psd、wmf 文件存取顺序存取：按照逐个信息单位（或数据单位）进行存取，如最典型的磁带文件。特点：不记载相关的文件存放的存储器位置信息，只根据文件结尾标志判断是否结束；文件检索效率低，更新操作耗时复杂（顺序文件适合按记录结构组织的数据）随机存取：先确定数据的位置信息，再按址存取，随机查找需将关键字和数据记录关联。方式主要有索引法、哈希法及二分法等。文件的存储结构1. Microsoft的磁盘格式有FAT和NTFS。2. FAT（文件分配表）：记录磁盘上的每个扇区是否存放数据；管理文件存储结构：存放了文件名、属性、存放位置。系统开销小，系统损坏有可能被恢复，在大容量系统中，因分区数目增加，性能迅速下降。3.NTFS系统：支持长文件名，支持大的磁盘分区和磁盘空间、扩展属性以及安全性等； 支持的磁盘分区最大达16EBB）； 系统文件可以存放在NTFS盘或分区的任何地理位置； 任何磁道或扇区的损坏都不会导致整个磁盘不可用。第 5 章 算法基础5.1算法的特性 确定性 有穷性 有效性 可有零个或多个输入 有一个或多个输出 算法的分类 数值算法 非数值算法 为解决问题而采用的方法和步骤就是算法。5.2算法的三种结构5.3 算法的表示方法 自然语言：通俗易懂，但容易出现“歧义性”。流程图：使用几何图形表示算法，不考虑其实现过程的细节。伪代码：非正式的符号系统，它不考虑实现算法的计算机语言，但在表达上更加直观。（算法的表示主要是为了将算法用计算机语言表示并实现它。） 例：求 N! 的算法。5.4算法举例 1.基本算法：累加和累积使用循环求最大值和最小值使用分支（在循环中）求数的位数使用循环2.迭代：又称辗转法、递推法，是一种不断用变量的旧值递推新值的过程。例：欧几里德算法3. 递归：是一种自我调