前言

真就啥都要复习呗，有个测试要用到

1.计算机与计算思维基础

人类为何要发明计算机？

• 人的计算速度很低
• 早期的计算工具过于低效

各种历史与概念

计算器：于1673年德国 Gottfried Leibniz ，机械式可以进行加减乘除和开放运算
分析器：体现了现代电子计算器的结构与设计思想，被称为现代通用计算机的雏形
图灵机（Turing machine）

图灵机，ENIAC和冯诺依曼体系结构在理论上，工作原理上，体系结构上奠定了现代电子计算机的基础

艾伦·麦席森·图灵：被称为计算机科学之父，人工智能之父
有时说的图灵机是通用图灵机

• ENIAC : 1946年滨州大学，是第一台电子计算机
• UNIVAL : 第一款商用计算机
• EDVAC（离散变量自动电子计算机）：1945年冯诺依曼参与研制并发表
  • 采用二进制
  • 存储程序：程序与数据一起存储在内存中
    EDVAC奠定了现代计算机体系结构和工作原理

冯诺依曼：“计算机之父”，“博弈论之父”

计算机的分类

按照用途可分为

• 通用机
• 专用机

计算机新技术——大数据

具有海量，高增长率和多样化的信息资产
需要全新的处理模式来增强决策力，洞察发现力和流程优化能力

四个特征

• Volume:数据量大
• Variety:数据种类繁多
• Velocity:要求处理速度快，时效性高
• Value:数据价值密度相对较低

大数据思维

• 不是抽样统计，不是局部，而是全部
• 允许不精确和混杂性
• 不是因果关系，而是互相关系

计算机新技术——云计算

“云”是对计算机集群的一种形象比喻
每一群都包含了十几台或上百万台计算机，通过互联网随时随地为用户提供各种资源与服务

特点

• 超大规模，弹性伸缩
• 资源抽象，虚拟化
• 高可靠性

云服务种类

• IaaS:基础架构即服务
• PaaS:平台即服务
• SaaS:软件即服务

计算机新技术——物联网

物物相连的网
通过射频识别，红外感应器，全球定位系统等各种传感设备按照协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信实现对物品的智能化识别，定位，跟踪，监控和管理的一种网络，是互联网的延伸与扩展

计算机新技术——虚拟现实

Virtual Reality VR
利用计算机等设备设备产生一个逼真的三维视觉，触觉，嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉

特征

• 交互性
• 沉浸性
• 想象性

其他：增强现实（AR），混合现实（MR）

计算机新技术——人工智能

Artificial Intelligence
是研究，开发用于模拟，延伸和扩展人的智能的理论，方法，技术以及应用系统的一门新的技术科学
该领域的研究包含：计算机视觉，自然语言与理解，认知与推理，机器人学，博弈与伦理，机器学习等

计算机思维基础

• 理论思维（推理思维）
  • 特征：推理和演绎
  • 代表学科：数学
• 实验思维（实证思维）
  • 特征：观察和总结自然规律
  • 代表学科：物理学
• 计算思维（构造思维）
  • 特征：设计与构造
  • 代表学科：计算机科学

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，以及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

本质

• 抽象：完全超越物理的时空观，完全用符号来表示，数学抽象是一种特例
• 自动化：其基础与前提是抽象

计算机思维的基本问题

• 可计算性：是指可以使用计算机在有限步骤内解决
• 计算复杂性：时间复杂性和空间复杂性
• 图灵测试

计算思维基本方法

计算思维的核心是计算思维方法
计算思维方法来源于数学和工程以及计算机科学本身

2.计算机系统

计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统

计算环境

指的是独立或者联网工作的通用计算机所形成的工作环境

计算机硬件系统

特点：程序存储，按照顺序执行

冯诺依曼思想

• 五大模块
• 程序和数据以二进制的形式存放在存储器
• 控制器根据存放在存储器中的指令序列进行工作

各类部件

• 控制器（CU）
  • 包含：指令寄存器IR，程序计数器PC，指令译码器ID
  • 功能：指挥计算机各个部件按照指令的功能要求协调工作
• 运算器
  • 包含：算术逻辑部件ALU，累加器，通用寄存器，状态寄存器
  • 功能：进行算术运算和逻辑运算
• 存储器
  • 包含：内存储器，外存储器
  • 功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息

一些概念

• 存储单元：每个记忆单元由8位二进制位组成
• 位(bit):二进制的最小单位，代表一个0或1
• 字节(byte):8位二进制，数据存储的基本单位
• 字(Word):计算机中作为一个整体被存取，传送，处理的二进制数
• 字长(WordLength):每个字中二进制的位数

指令系统

一台计算机的所有制令的集合
指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，规定了某种操作

计算机的工作原理

计算机的工作过程就是执行程序的过程
程序：计算机指令的有序集合，也就是完成一定功能的指令序列

3.计算机软件系统

软件是指程序，程序运行所需要的数据以及开发，使用和维护这些程序所需要的文档集合

系统软件

• 操作系统
  • 管理计算机硬件资源
  • 控制其他程序运行
  • 为用户提供交互操作界面
  • example：Unix,Windows,Linux等
• 实用程序
• 语言处理程序
  • 包含机器语言，汇编语言，高级语言

一些概念

• 机器语言：由0,1二进制代码按照一定规则组成的，能被机器直接理解，执行的指令集和
• 汇编语言：使用反映机器指令功能的助记符替代机器语言的符号语言
• 高级语言：接近于自然语言和数学公式的程序设计语言

4.微型计算机硬件系统

诞生：1971年Intel的工程师马西安·霍夫成功的在一个芯片上实现了中央处理器

• 第一片4位微处理器：Intel 4004
• 第一台4位微型计算机： MCS-4

摩尔定律

每18个月

• 集成度翻一番
• 速度提高一倍
• 价格降低一半

主机的基本组成

• 主板：也叫母版，是连接其他部件的载体
  • 架构：对主板的尺寸大小，形状和各元器件的布局和排列方式定出标准，所有主板厂商都必须遵循
• CPU
• 存储器：内存和外存

CPU中央处理器

主要技术指标

• 主频：CPU内核工作的时钟频率，一般来说主频越高CPU运算速度越快
• 睿频：是一种能够自动超频的技术
• 字长和位数：CPU内部寄存器位数
• QPI(Quick Path Interconnect):CPU内核与内存之间，内核与内核之间的总线，QPI带宽越高意味着CPU数据处理能力越强
• 高速缓存容量
• 核心数量
• 生产工艺

国产CPU：龙芯，是中国科学院计算所自主开发的CPU

存储器

一些概念

• 只读存储器ROM：可读不可写，掉电后数据不会丢失
• IDE接口，并行接口：也叫做ATA或者PATA
• SATA(Serial ATA)接口,串行接口：数据传输
• SCSI(Small Computer System Interface):小型计算机系统接口
• SSD(solid-state disk):固态硬盘
• Flash存储器：闪速存储器，既有ROM的特点，断电能长期保存信息，又可以通过一定的电压进行擦除重写

BIOS

BIOS(basic input output system):基本输入输出系统:是被固化到主板ROM芯片上的程序

主要功能：

• 识别各种硬件
• 引导操作系统
• 进行硬件最直接的操作（比如读文件）

引导操作系统过程

• 自检，检查电脑硬件是否良好
• 初始化，读取CMOS中的参数，对硬件进行设置
• 引导操作系统

总线与接口

计算机的各个部件内部，部件之间通过总线连接
衡量总线的指标就是总线带宽

总线概念

• 内部总线：连接CPU的各个组成部件
• 系统总线：连接计算机中各大部件
• 外部总线：连接计算机与外部设备
• 地址总线：传输地址信息
• 数据总线：传输数据信息
• 控制总线：传输控制信息
• 并行总线：通信速度快，实时性好
• 串行总线：简单，方便，灵活
• PCI：一种32位数据的并行总线（可扩展为64位）
  • 优点：结构简单，成本低，设计容易
  • 缺点：总线带宽有限

接口概念

• USB接口（Universal Serial Bus）:通用串行总线
• HDMI接口（High Definition Multimedia Interface）:高清晰度多媒体接口，适合视频传输的专用接口

输入输出设备

输入设备有键盘，鼠标，扫描仪等
输出设备有显示器，打印机，投影仪等等

5.操作系统

操作系统作用和定义

系统软件是控制和维护计算机正常运行，管理计算机的各种资源，以满足应用软件所需要的一类软件

操作系统作用

• 用于管理和控制计算机所有的硬件和软件资源
• 接口：作为计算机硬件和其他软件，用户和计算机之间的接口

虚拟机=裸机+操作系统

计算机操作系统

• 管理和控制计算机硬件和软件资源的一组计算机程序
• 直接运行在“裸机”上的最基本条件
• 任何其他软件都必须在操作系统支持下才能运行

操作系统的发展要满足两大需求

• 提高资源利用率
• 增强计算机系统性能要求以及计算机技术发展

操作系统的发展与分类

无操作系统阶段：计算机工作采用手工操作方式

• 特点：用户独占全机，资源利用率低，CPU利用不充分

批处理系统

作用：自动并成批的处理用户的左右
特点

• 有了磁带，作业放在磁带中，监督程序管理作业的运行
• 要执行的程序应是正确的，用户无法交互
• 高速CPU与相对低速的IO,CPU利用率问题，可以使用多道批处理

分时操作系统

作用：各终端用户共享主机和外部设备
实现：CPU按照“时间片”分时给各个用户
特点：提高CPU利用率，用户可以和计算机交互

实时操作系统

系统能够及时响应随机发生的外部事件，并且要快速处理

分类

• 实时控制系统
• 实时信息处理系统

特点

• 及时响应：每一个信息接收，分析处理，发送都有时间限制高可靠性
• 不可逆：可靠保障，保密措施

一些概念

• DOS（Disk Operating System）:Microsoft研制的配置在PC的操作系统，也是单用户命令行界面操作系统
• Unix : 是AT&T公司贝尔实验室1969用汇编语言开发的，1973年用C语言重新编写，主要应用于服务器/客户机体系
• Linux : 从UNIX发展而来，源代码开放，多用户多任务，主要应用于Linux服务器
• Mac OS : 由苹果公司开发，与Windows缺乏较好的兼容性
• Android: 2005年由Google收购，免费开源，服务不受限制，第三方软件多
• iOS: 由苹果公司为一系列产品开发的操作系统，优秀的图形用户界面，多媒体效果和方便的触控，丰富的软件库，但是不支持第三方软件

6.操作系统基本功能

①程序管理

处理器管理任务，有效而又合理的分配CPU的时间

• 单道程序系统：任何时刻内存中只有一道程序
• 多道程序系统：多道程序同时执行，宏观上并行，微观上串行，各个程序轮流的使用CPU，交替执行

一些概念

• 程序：程序以文件的形式存放在外存储器，运行一个程序，首先将程序文件从外存储器调入内存才能运行
• 进程：一个正在执行的程序，进程是一个程序与其数据一道在计算机上顺序执行时所发生的活动
• 线程：是进程的进一步细分

程序与进程的区别

• 程序是一个静态的概念，而进程是一个动态的概念
• 程序可以脱离机器长期保存，进程是执行着的程序
• 一个程序可多次执行并产生多个不同的进程

线程的目的

• 充分共享资源，减少内存开销
• 提高并发性，切换速度相对较快

②存储管理

主要功能

• 虚拟内存：用硬盘空间模拟内存
• 存储器分配：为了提高存储器的利用率，提高系统速度
• 地址转换
• 信息保护

③文件系统

负责管理和存储文件信息的部分称为文件系统或者信息管理系统

• 实现了按名访问
• 不需要考虑各种外存储器的差异
• 不需要了解文件在外存储器上具体物理位置以及如何存放

文件路径

• 绝对路径：从根目录开始
• 相对路径：从当前目录开始

各种文件系统

• FAT：MS DOS采用的文件系统，最多支持512MB
• FAT32：可以支持达8TB的卷，不能支持512MB以下的卷
• NTFS : 高性能，安全性，可靠性
• exFAT: 扩展FAT，不支持4G以及更大的文件

④磁盘管理

磁盘格式化目的

• 把磁盘划分为一个个扇区，每个扇区512字节
• 安装文件系统，建立根目录

磁盘格式化会丢失磁盘上所有信息

当磁盘处于以下状态时不能格式化

• 磁盘处于写保护状态
• 磁盘上有打开的文件

7.数制与信息编码

工业社会中，物质和能源是主要资源，从事的是大规模的物质生产
信息社会中，信息成为比物质和能源更为重要的资源，以开发和利用信息资源为目的，信息经济活动成为国民经济活动的主要内容

特征

• 社会信息化
• 设备数字化
• 通信网络化

重要技术基础：数字化

信息与数据

• 信息是指对客观事物的性质，状态以及相互关系等进行记载的物理符号
• 数据是指经过加工以后，并对客观世界产生影响的数据

信息有意义，但是数据没有

一些概念

• 编码：用数字，字母等按照规定的方法和位数来代表特定的信息
  • 目的：为了人与计算机之间信息交流和处理
• 十进制：Decimal
• 二进制：Binary
• 八进制：Octal
• 十六进制：Hexadecimal

8.数值编码与计算

计算机中的数值分为整数和浮点数两类，采用0和1的二进制形式进行存放

数据的存储单位

• bit:数据存储的最小单位
• Byte: 一般用字节来作为计算机存储容量的基本单位

KB,MB,GB,与TB

这些单位之间相邻的单位换算标准情况下是1024，厂商计量则是1000

整数在计算机中的表示

数值在计算机中以二进制形式存放，需要解决正负符号表示，一般用最高位来作为符号位：0为正，1为负

常用原码，补码和反码来进行白表示

这里针对负数进行大致描述

• 原码：负数的原码符号位为1，其余位该数绝对值
• 补码：符号位为1，其余位为该数绝对值取反+1
• 反码：符号位为1，其余位该数绝对值取反

浮点数在计算机中的表示

通过阶符，阶码，数符和位数一起表示
标准可遵循 IEEE 754标准

9.字符编码

西文字符编码

西文字符采用ASCII编码
(American Standard Code for Information Interchange)
用7位二进制编码，最高位0
0~127可以表示128个字符

部分特殊字符

• 换行符 0AH
• 回车 0DH
• 空格 20H
• '0'~'9' 30H~39H
• 'A'~'Z' 41H~5AH
• 'a'~'z' 61H~7AH

汉字字符编码

①输入码

②国标码（GB2312 - 80）

每个汉字占两个字节，最高位为0
汉子94*94的矩阵，也就是94个区和94个位，由区号和位号组成汉字的区位码

每个汉字的区号和位号各加32（20H）就构成了国际码

③机内码

汉字在设备或者信息处理系统内部最基本的表达形式
为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，将国标码每个字节最高位设置为1

④汉字字形码

• 点阵（FON）：汉字字形点阵的代码
• 矢量（TTF）：存储的是描述汉字字形的轮廓特征

Unicode字符集编码

三套编码方式

• UTF-8： 以8位序列来编码，用一个或者几个字节来表示一个字符，与ASCII码兼容
• UTF-16：两个字节或称16位编码
• UTF-32：4个字节或者称32位编码

10.多媒体信息编码与信息压缩

通常人们将文本，音频，视频，图形，图像，动画的综合体笼称为“多媒体”

• 文本：各类文字和符号
• 图形：通过计算而描述的矢量图形
• 图像：用像素点描述的自然影像
• 动画：单画面矢量动画和多画面帧动画
• 音频：音频数字信号，压缩音频信号，比如midi音频，wav音频，mp3压缩音频
• 视频：视频数字信号AVI，压缩视频信号MPG

音频信息基本概念

• 声波：声源提发生震动后周围空气的震荡方式就是声波
• 周期T：重复出现的时间间隔
• 振幅A：波形相对基线的最大位移，表示音量的大小
• 频率f：信号每秒钟变化的次数，是T的倒数，以Hz为单位

正常人能听到的声音频率范围为 20Hz~20kHz

• FM：调频， 调频声音的高低变为频率的变化的电信号
• AM：调幅， 调幅就是用声音的高低变为幅度的变化的电信号
• 调制：把声音信号从低频搬移到了高频，以便利用电离层传播

模拟音频的数字化

用计算机对音频信息处理，就要将模拟信号转换为数字信号

• 采样：每隔一定时间间隔对模拟波形上取一个幅度值
• 量化：将每个采样点得到的幅度值以数字存储
• 编码：将采样和量化后的数字数据以一定的格式记录下来

数字音频的技术指标

• 采样频率：每秒钟的采样次数
• 量化位数（采样精度）：存放采样点振幅的二进制位数
• 声道数：声音通道的个数，立体声是双声道
  每秒钟存储声音容量为：采样频率 * 采样精度 * 声道数/8 = 字节数

数字音频的文件格式

• Wave格式文件(.Wav)：记录了真实声音的二进制采样数据
• MIDI格式文件(.MID)：记录的是音符数字
• MPEG格式文件(.MP1/.MP2/.MP3)：采用MPEG音频压缩标准进行压缩的文件
• RA格式文件(.ra)：（Real Audio）是Real Network公司指定的音频压缩规范，有较高的压缩比

图像与图形

• 图形：由点和线组成的有边界画面，文件中存放描述图形的指令
• 图像：由图像设备输入的无边界画面，数字化后以位图形式存储

图像的数字化

• 黑白图：图像的颜色深度为1，用一个二进制位1或0表示纯白和纯黑
• 灰度图：图像的颜色深度为8，占1个字节，灰度级别为256级，通过调整黑白两色的车能读来有效表示单色图像
• RGB 24位 真彩色 由红绿蓝三基色通过不同的强度混合而成

图像的分辨率和像素为的颜色深度决定了图像文件的大小
列数*行数*颜色深度/8 = 图像字节数

常用图像文件格式

• BMP和DIB格式文件
• GIF格式文件：压缩比高，最大不超过64KB
• JPEG格式文件：利用JPEG方法压缩，
• WMF文件

视频的数字化

视频是将一幅幅独立图像组成的序列按照一定的速率连续播放，利用视觉暂留现象在人眼前呈现出连续运动的画面

标准

• NTSC制式（30帧/s, 525行/帧）
• PAL制式（25帧/s,626行/帧）

常用视频格式

• AVI(audio-Video Interleaved)文件：将视频和音频交错的保存在一个文件中，较好的解决了音频与视频的同步问题
• MOV文件
• MPG文件：按照MPEG标准压缩的全屏视频的标准文件
• DAT文件：是VCD专用的格式文件，文件结构与MPG文件格式基本相同

流媒体

一种可以使音频，视频等多媒体文件在Internet上以实时的，无需下载等待的流式传输方式进行播放的技术

常用格式

• RealMedia
• QuickTime
• ASF与WMA(Microsoft)

数据压缩

数字化了的视频和音频信号数量之大是非常吓人的

• 占用存储容量
• 降低通信干线的信道传输率
• 影响计算机的处理速度和播放效果

可通过数据压缩来解决
数据压缩分为有损压缩和无损压缩

性能指标

• 压缩比：也就是压缩前后所需的信息存储之比
• 恢复效果：也就是要尽可能恢复到原始数据
• 速度：压缩，解压缩的速度
• 开销：实现压缩的软硬件开销要小

无损压缩

解压缩后信息不失真，可逆
主要特点是压缩比比较低
典型编码：①行程编码，②哈夫曼Haffman编码

有损压缩

• 有损压缩方法是以牺牲某些信息为代价，换区了较高的压缩比
• 广泛用于语音，图像和视频数据的压缩

11.数据库基础

• 信息化社会离不开对信息的管理
• 数据库的建设规模，数据库信息量的大小和使用程度是信息化社会的重要标志之一

数据库管理技术发展阶段

①人工管理阶段

特点

• 程序和数据放在一起
• 数据不能共享
• 特征图

应用：以科学计算为目的

②文件系统阶段

特点

• 程序与数据分离
• 数据有一定的独立性
• 以文件为单位的数据分享
• 特征图

应用：不仅用于科学计算，还用于数据管理

③数据库系统阶段

特点

• 数据由DBMS统一管理控制
• 为用户提供了友好的接口

应用：各个方面

数据库系统阶段解决了数据独立性问题，实现数据的统一管理，达到了数据共享的目的

常用术语

• 数据库（DB，DataBase）:长期保存在计算机外存上的，有结构的，可共享的数据集合
• 数据库管理系统（DBMS，DataBase Management System）
  • 对数据库进行管理的软件系统：比如查询，更新，删除和各种控制都是通过DBMS进行的
  • DBMS是位于用户或者应用程序和操作系统之间的软件
• 应用程序：利用各种开发工具开发的，满足特定应用环境的数据库应用程序
• 数据模型
  • 采用一定的数据模型，最大限度的减少数据的冗余
  • 有较高的数据独立性
  • 安全性
  • 完整性

三种数据模型

• 层次模型：用树形结构来表示实体以及实体之间的联系
• 网状模型：用网状结构来表示实体和实体之间的联系
• 关系模型：用一组二维表表示实体以及实体之间的关系
  • 关系：一个关系一张二维表
  • 记录：表中的一行
  • 属性（字段）：表中的一列
  • 关键字：某个属性可以唯一的确定记录
  • 主键：在实际的应用中只能选择一个，一般为关键字
  • 值域：属性的取值范围

三层架构

通常意义上的三层架构就是将整个业务应用划分为

• 界面层(User Interface layer)
• 业务逻辑层(Business Logic Layer)
• 数据访问层(Data access layer)

区分层次的目的是为了“高内聚低耦合”的思想

Q.E.D.