大学计算机基础 复习

2020-07-26   52 次阅读


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)
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.

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