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计算机学院网络工程专业计算机科学与技术导论课程报告（2009/2010学年 第一学期）学生姓名： 张海源学生班级： 网络工程092001班学生学号： 200920030138授课教师： 赵俊忠 2009年12月26日第一章 计算机基础知识第一节 计算机的种类巨型机（Supercomputers）巨型机是功能最强大的一种计算机，它的体型很大，由于功能强大往往只有大型组织才会用到它，比如NASA（美国宇航局）用它来控制太空探索装置。巨型机是IBM的主打产品。大型机（Mainframe Computers）大型机的体形也很大，尽管没有巨型机的功能那么强大，它的运行速度和数据存储也强大的惊人。例如保险公司会用它来储存投保人的信息。小型机（Minicomputers）小型机的体积有冰箱那么大，中型企业或大型企业的一些部门会因为特殊的目的用使它。比如生产部门会用它来监督生产过程。微机（Microcomputers）微机虽然在计算机里算是最小的，但是它却被更广泛的应用，而微机又分为四种：台式电脑，笔记本电脑，板式电脑和掌上电脑。第二节 计算机硬件基本组成CPU系统单元又称主机或机箱，它有两个重要原件分别是存储器（Memory）和微处理器存储器（Microprocessor）。CPU即中央处理单元，又称微处理器。它是微机的核心部件，由控制器、运算器和寄存器组成。目前大部分微机的CPU都采用Intel公司的系列芯片。 微机的控制器和运算器与一般计算机的控制器和运算器的功能相同。寄存器是CPU内部的临时快速存储单元（寄存器的位数影响CPU的速度和性能）。 CPU主要由程序计数器、控制电路、累加器、算术逻辑运算单元、数据寄存器等部件组成。 存储器（Memory） 存储器的主要功能是存放程序和数据，存储器的容量越大，则存储的信息越多计算机的处理能力越强。主存储器，主存储器一般用来存入需要执行的程序和需要处理的数据，它存储的指令好人数据能被CPU直接读出或写入。主存储器可分为只读存储器（ROM ，Read Only Memory）和随机读写存储器（RAM，Random Access Memory）。在PC中，ROM一般存放计算机系统数据以及计算机启动时的初始程序和数据，而RAM在断电后信息会丢失，一般用作内存，存放正在运行的程序和数据；外存储器，外存储器一般保存在不执行的程序和数据或者是需长期保存的程序和数据。外存储器保存大量信息，但程序必须调入主存方可执行，待处理数据也只有进入主存后才能被程序加工。常用的外存储器有：磁盘存储器 磁带存储器 光盘存储器和优盘存储器等。a. 磁盘存储器磁盘的读写是通过磁盘驱动器完成的，常见的磁盘有两种：硬盘驱动器和软盘驱动器。软盘只有经过格式化后才可以使用，格式化是为存储数据做准备，在此过程中，软盘被划分若干磁道，磁道又被划分为若干扇区。写入文件的步骤：.查找文件分配表（寻找自由空间）.查找目录项，登记文件信息.将内容存放到存储区。读取文件：查目录表（知道存储位置）读取文件。而硬盘一起容量大 存取速度快而成为各种机型的主要外存设备。硬盘与软盘的工作原理相同，硬盘一般有多个盘片固定在一个公共转轴上，构成盘片组。硬盘工作室，固定在同一个转轴上的多张盘片以每分钟数千转甚至更高速度旋转，盘片高速运转产生的气流将磁头托起，磁头在驱动器马达的带动下在磁盘做径向运动，寻找定位，完成写入或读出数据工作。硬盘的磁盘表面也已转轴中心为圆心，被均匀的划分为若干个半径不等的同心圆，称为磁道，不同记录面上相同直径的磁道在垂直方向构成同心圆柱，称为柱面。每个磁道同样被划分为若干扇区。硬盘里面不能有一点的灰尘也不能在运行时乱动。b. 磁带存储器磁带的工作原理如同录音带 录像带一样。磁带存储器由磁带机和磁带两部分组成。磁带分为开盘时磁带和盒式两种。前者多用于大中型机，后者多用于微型机。c. 光盘光电存储介质俗称光盘，是类似于激光唱盘的存储器，信息以激光刻录痕迹的形式保存在盘面上。光电读取设备中的光学读写头利用激光束投到光盘上，根据刻痕的深浅不同，反射的光束也不同，来表示不同的数据。从光盘的使用特性可分为只读光盘 写一次光盘和可重写光盘三大类。 只读光盘又称CDROM（Compact Disc Read Only Memory），数据信息由生产厂家在制造是写入到光盘中的，该光盘可反复进行读操作，但不能进行写操作，即光盘中的数据不能更改或删除，而是永久保存。 一次性写入光盘（WOROM）可以由用户写入信息，但只能写一次不能抹除和改写。 可擦写型光盘（MOD）用户可以自己写入信息，也可以对已有的信息抹除和改写。d. 优盘闪存盘（Flash Memory Disc）又名优盘，是一种采用快闪存储器（Flash Memory）为存储介质，通过USB接口与计算机交换数据的可移动存储装置，它具有可多次擦写，容量大，存取快捷，轻巧便捷，安全稳定等特点。总线（Bus）总线是计算机中传送信息的公共信号线。微机中各部件之间是通过总线连接的，一个部件只要满足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中去。一般微机的总线包括：地址总线、数据总线和控制总线等3种。(1) 地址总线（AB: Address Bus）:用于CPU访问内存和外设时传送相关地址，实现信息传送地址的选择。 (2) 数据总线（DB: Data Bus）：用于在CPU与存储器和I/O接口之间双向传送数据。(3) 控制总线（CB: Control Bus）：用于传送各种控制信号，包括控制器发向内存、外设的控制信息，以及内存、外设返回的应答信号及外设向CPU发出的请求（如中断请求）信号。 第二章 输入和输出（INPUT AND OUTPUT）第一节 输入设备输入设备用来将计算机外部信息传入计算机，外部信息是多种多样的，有字符 数字 声音 图像 视频等，所以必须经行信息形式的转换。键盘（KEYBOARD）标准键盘上的按键排列可以分为3个区域：字符键区 功能键区和数字键区。字符键区，由于键盘的前身是英文打字机所以采用了QWERTY的排列方式。功能键区，主要包括F1F12这几个功能键，通常人们又称他们为热键，因为用户可以根据自己的需要来定义他们的功能，以减少重复击键的次数，方便操作。数字键区，安排在整个键盘的右部。目前键盘的种类（KEYBOARDS）：1.传统键盘（Traditional Keyboards）2.灵巧键盘（Flexible Keyboards）3.人类工程学键盘（Ergonomic keyboards）4.无线键盘(Wireless keyboards)5.商务通键盘（PDA Keyboards）。点击设备点击设备是计算机中必不可少的一部分，在众多点击设备当中，鼠标是最常见的。鼠标又分为机械鼠标 光学鼠标和无线鼠标。机械鼠标下面有一个滚动球，通过它的滚动可以传出数据是桌面上的光标随之移动。而光学鼠标的下面则将滚球换成了光学元件式操作更便捷。除了鼠标，点击设备还有游戏手柄 手触屏等。扫描设备图像捕获设备第二节 输出设备显示器（Monitor）使用最频繁的输出设备就是显示器，它又分为单色、彩色显示器，阴极射线管、平板显示器，平板显示器就是我们熟知的液晶显示器，它又分为有源的和无源的。计算机将数据输出到显示器称为Soft Copy，输出到打印机上称为Hard Copy。关于显示器有几个相关的知识：点距： 萤光点的距离。象素 ： 萤光点的大小。常见像素有800*600（SVGA）；1024*768（XGA）；1280*1024（SXGA）；1600*1200（UXGA）。显示分辨率：屏幕象素的点阵（水平点数 垂直点数）。刷新频率为每秒钟屏幕画面更新次数。打印设备电脑将数据传给打印机称为hard copy，打印机通常分为击打式：点阵打印机；非击打式：喷墨打印机 热敏打印机 激光打印机。在计算机打印的过程中有一点要注意，就是计算机一次性将数据交给打印机之后，数据存储在打印机的内存中，之后计算机将不再掌管这些数据了，如果打印机的内存越少，计算机就要一次次的传数据给打印机，所以计算机被打扰的次数也就越多。 计算第一节 计算机的发展史第一台电子计算机 在数学家图灵提出计算的基本理论后，世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它的名称叫ENIAC(埃尼阿克)，是电子数值积分式计算机(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的缩写。它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它还比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。它有一个足球场大，三层楼高，使用时全城的灯闪一下。 ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机发展史上具有划时代的意义,它的问世标志着电子计算机时代的到来，而为了纪念伟大的数学家图灵，ACM美国计算机协会设置了“图灵奖”来奖励那些为计算机科学发展做出巨大贡献的人，“图灵奖”被视为计算机领域中的“诺贝尔”奖。冯诺依曼及冯诺依曼体系图1-1 ENIAC诞生后，数学家冯诺依曼提出了重大的改进理论，主要有两点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础，其二是电子计算机应采用存储程序方式工作，并且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。冯诺依曼的这些理论的提出，解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯诺依曼方式工作。 计算机的发展 ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。可将计算机的发展过程分成以下几个阶段：1.第一代计算机(1946年1957年) 主要元器件是电子管。 2.第二代计算机(1958年1964年) 用晶体管代替了电子管。3.第三代计算机(1965年1970年) 以中、小规模集成电路取代了晶体管。4.第四代计算机(1971年至今) 采用大规模集成电路和超大规模集成电路。学习精髓通过计算机发展的各个时代，我们应该思考如何评估一种技术与它的发展：从基础的角度把语言、程序弄清楚。看它的发展趋势：有体积庞大的计算机变得小型化经济化，而这种发展趋势必定会是计算机变得更普及，也就是微机的出现，而随着微机的普及便有了LAN（局域网）的出现，即每一个单位的计算机联在一起，而这终究也带来了Internet（互联网）的出现。第二节 计算机的计算及进制什么是计算计算就是符号的变换。而计算机符号变换的规则有两个，一个是产生式，又称范式。计算机的高级语言都是由巴斯的范式写成的。另一个叫状态式。简单的规则我们可以通过用硬件的方式得以实现，复杂的规则我们就必须用函数程序方式实现。而我们应该从计算本质的提出中，培养出一种抽象化的思维方式：就是将表面不同的的物质的本质上抽象总结出它们相同的东西。几个相关的概念：数制：用一组固定的数字符号和一个统一的记数规则来表示数目的方法。基数：记数制中所用到的数字符号（称为数码）的个数。十六进制的数码：0、1 9、A、B、C、D、E、F位权：是指一个以基数为底的指数计算机中常用的几种进制计算机中常用的几种进制有： 二 进 制 八 进 制 十 六 进 制 基数B 2 8 16 数字符号 0,12 0,1,2,3,4,5,6,7 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 进位规则 逢二进一逢八进一 逢十六进一二进制（Binary）： 二进制的基数为“2”，有两个数字符号：0，1，各位权是以2为底的幂，进（借）位规则为：逢二进一，借一为二。例如： 二进制：1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 各位权: l 230 22l 210 20数制转换十进制转换成二进制：整数部分的转换 余数 235除2 1= 117除2 1= 58除2 0= 29 除2 1= 14 除2 0= 7 除2 1= 3除2 1= 1除2 1= 0 所以， =小数部分的转换把转换成二进制数。 积的整数部分 0.6252=1.250 =1 0.2502=0.50 =00.502=1.00 =1所以 = 二进制数和十六进制数之间的转换 将转换成十六进制数。 二进制数： 0010 1110 1011 1101 1011 1000 十六进制数： 2 E B D B 8 所以， =设计问题（加法运算器）设计一个加法运算器，应该选用二进制。原因是：从复杂程度上看，二进制好。从数字逻辑运算上看，二进制好从电平的判断上看，二进制好用二进制只需做加法器就行了。“张三是女老师”其中是女性为A事件，为老师为B事件 图2-1 “与门”就是进行与操作的电器元件。“或门”就是进行或操作的电器元件。“非门” 就是进行或操作的电器元件。“异或”就是进行异或操作的电器元件。这些“门”组合在一起叫逻辑电路，又称数字电路。学习精髓在设计中应该把握几项要求:1.设计出的东西能满足用户的要求，这是最基本的要求。2.花费应是低成本的（即在用户的接受范围内）。3.该设计能满足效率需求（高效率）。网络工程专业培养出的是一种工程型人才，说得简单点就是用最经济简单的办法来实现自己所要的东西，所以我应该在平时对身边琐碎的小事上，多培养多段练自己相关的思维能力。 数值的机内表示数的编码原码数值在计算机内分为两类：整数和实数。对于二进制的整数而言，它又分为正整数和负整数，所以要想表示正负，该书的最高位的数字代表的不是数值而是符号正负。如上所述，正数的符号为0，负数的符号为1，其它位按一般的方法表示数的绝对值，用这种方法得到的数码就是该数的原码。例如：X=,= ;Y=,= 原码简单易懂，但用这种码进行两个异号数相加或两个同号数相减时都不方便。为了将加法运算和减法运算统一为加法运算，以便简化运算逻辑电路，就引入反码和补码。 反码正数的反码与原码相同，负数的反码为其原码除符号位外的各位按位取反（0变1，而1变0）。例如（以八位为例） ：= = ；= 补码正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在其最低位加1。例如：=综上可见： (1) 对于正数，原码=反码=补码。 (2) 对于负数，补码=反码+1。 (3) 引入补码后，使减法统一为加法。采用反码表示为1补；采用补码表示为2补，而一般计算机采用的为2补表示。字符编码字符于二进制的对应表叫做编码表，微机对应的编码表为ASCII（American Standard Code for Information Interchange）美国标注信息交换码 ；大型机对应的编码表为EBCDIC。图像编码图像在计算机内的表示主要有两种:.位图表示法（点阵法）。像素用dot来表示，如1024*768的含义就是横有1024个点竖有768个点来表示图像。而位图的缺点就是将图像放大后，边缘会变得有锯齿不光滑，而第二中表示方法就不会有这种问题出现。.向量表示法。图像放大后不会变的模糊。第三节 组成计算机的基本逻辑组件寄存器寄存器是中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快通过在网上浏览相关知识，可以发现存储器用途有以下几个：1.可将寄存器内的数据执行算术及逻辑运算；2.存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置，即寻址；3.可以用来读写数据到电脑的周边设备。 图3-1 译码器与解码器图3-2 数据的流动数据的流动就以从中取回数据的过程为例：给出地址。准备数据。给出地址。给出Ready信号。给出地址给出选出信号。打开Data Bus门。从大的方面来说：1.让准备数据2.告诉数据已经准备好3.从中读出数据。软件的执行指令的分类：数据移动，即把数据从一个组件移到另一个组件，两个组件可以在一个设备当中也可以在不同设备当中。运算指令，又分为算术和逻辑条件指令循环指令。只有简单的指令东西才会通过组合逻辑电路来实现；而复杂的则需要通过一个微程序(计算机内部实现一条指令的小程序）实现。算法指的是计算方法，程序指的是用一种语言实现的算法。计算方法是有好坏的，比如运算乘法A*B，可以用A=0 Coop.B add A.5的程序来运算，而由于计算机采用的是二进制，所以计算机内的乘法是通过移位来实现的，如3*2只需将“.”向右移一位，通过这可可以看出后者的方法更快速更好。计算方法好坏的决定因素有速度（时间的复杂程度，、即越低越快）和空间复杂程度（占多少内存），看计算方法好坏会存在折衷：就是看你自己的追求，是要速度还是要内存。计算机的基本结构输入输出内存运算器控制器图3-3 常见的输入输出设备的控制方式有：.查询polling中断服务程序（Direct Memory Access）通道。而其中DMA的效率最高。计算机语言光有指令是不能写出算法的，还要知道CPU的结构。而CPU的结构不同公司生产出的CPU也不一样，这里所说的结构，是他们大体共同的东西。CPU的结构有：寄存器。CPU中的寄存器又分为.四种。指的是Add加法寄存器。指的是Bass基址寄存器。C指的是Count计数寄存器。比如连加一个数100次，就用它来记连加的次数。D指的是Data数据寄存器。指令寄存器IP（Instruction Pointer）标志寄存器Flag。内存在使用时是分块的，不是乱用的，一块专门用来放数据，一块放指令，一块用来放临时信息（“栈”，特点是“后进先出”）。DS数据基址+偏离量。CS代码基址。SS栈基址。设计问题：随意给出一个n，把1+2+3+n的结果算出来。算法： A=0；（A指加法寄存器） C=n； AA+C； . （Dec指的是减） Dec C；（或CC-1；） JNZ 113；（假设A的地址为113）（如果C-1不为0则返回继续循环加 图3-4 软件工程第一节 六阶段系统生命周期初步调研。需求分析。系统设计。开发。运行。系统维护初步调研初步调研又称可行性论证，考虑时要从人力（是否能省人力）复杂（是否有规律性）规模重复的角度考虑，而这些从本质上说都是对成本经济上的考虑。假如你要为电力行业做一个软件，你就必须先要了解电力行业所需的是什么样的软件。初步调研所要进行的步骤有：定义问题。即当前系统是怎么运行的，了解企业当前的规模，以及它的发展过程，通过这些我们可以去预测该企业未来的发展趋势以及它可能会遇到的问题。给出可选的结局方案。其实解决一个问题的方案有很多，比如是多加一个人工作，还是开发一个新软件。是自己人开发，还是让一个软件公司帮自己开发。准备一个简短的报告。这份报告是要给公司领导阶层的人看的，所以写的要简单，但能表明你明确的目的。大学阶段的报告其实就是一种提前锻炼，我们在写的时候要锻炼自己的逻辑性，不能文字堆积，学会用图表说明问题。需求分析需求分析，即先去了解你要做的软件应该实现哪些功能和性能约束。需求分析所需的步骤也有三步：收集数据。要了解你设计的东西要为哪些部门服务，这些部门要有哪些岗位会使用该软件。这些岗位要完成哪些岗位职责，还要弄清这些职责的前提条件（在什么情况下才会做这件事情）以及结果条件，还有流程包括步骤和数据，数据又包括入流（需要什么数据）和出流（需要生成什么数据）。除此之外还要把性能，比如速度（把速度有多少要说清楚，要具体衡量）搞清楚，你的设计还不能超越约束（成本 进度 道德法律）分析数据。分析数据的方法有1.功能列表2.功能描述，分为数据流图和用例描述，用例描述又分为：用例编号 功能 前提条件 处理步骤（主谓宾）异常处理 结束条件3.数据字典，数据字典就是数据的详细情况：编号名称 类型 取值范围 格式。4.性能描述：速度 安全 存储 可用性。交一份报告，这一份是给设计人员的。系统设计系统设计，又称为整体设计，很多人在设计一个东西时老爱上来就想细节，而这是不对的，设计时我们应该一开始想从整体的大角度去规划，不要先想细节问题。从三个方面设计：1.整体结构，层次化 模块化 模块分解。2.接口描述：组件间要交流数据，所以接口要一致 接口处可以有编号 或接口名。3.主要数据结构。开发开发又分为详细设计，主要是图纸，技术人员给工人（程序员）设计出图纸。编码调试，编程人员自己测试测试，指的是别人测试软件的实现的功能。又分为白盒法（直接看你的编程表）和黑盒法（看你软件的功能的实现）运行运行，不是直接把开发好的软件代替原来的人工操作，而是先在一起并用，看看效果然后在完全投入使用当中。运行又分为1.直接运行。2.先锋运行，先在几个部门投入使用，如果效果好，在推广到其他部门。这有点类似中国的经济特区。3.阶段运行，先将软件的前几部功能投入使用，然后再一点点的继续操作。大学要学哪些东西首先学习流程，流程中的方法（理论性的东西）和技术（零件.东西如何生产，如何做出来）也是要掌握的，而且是必须要先掌握方法才能谈技术。然后还要学工具，之后就是学习标准和规范，即前人总结下来的经验与成果，记住这些能使我们设计东西少出错误，效率高，自己考虑问题完整性强，做出来的东西可读性也很强。第二节 通信软件的设计问题什么是通信？我想这是涉及通信软件最先应考虑的一个问题，通信就是互通信息，就是交换数据。只有从本质上认识什么是通信通信模型信源通信 设备通信 设备信宿资源子网介质通信子网与之相对应的我们看看计算机内部内存与硬盘的数据通信：内存控 制器控 制