大学计算机基础读书笔记

计算机 计算机的应用 数值计算 数据处理 自动控制 计算机辅助系统 CAD CAM CBE CAT CAI 人工智能 通信 和电子商务 数值计算又称科学计算 数据处理又称信息处理 自动控制又称过程控制 包括检测过程和控制过程 计 算机辅助设计 CAD Computer Aided Design 降低了设计人员的工作质量 提高了设计的效率和质量 节约 了设计成本 计算机辅助制造 CAM Computer Aided Manufacturing 提高产品质量 降低生产成本和劳动强 度 缩短生产周期 计算机辅助教育 CBE Computer Based Education 包括计算机辅助测试 CAT Computer Aided Test 和计算机辅助教学 CAI Computer Assisted Instruction 提高了教学质量 人工智能 AI Artificial Intelligence 如专家系统等 可以对原始数据进行分析决策 计算机网络是计算机技术与通讯技术相结合的 产物 提高了通信的速度与效率 降低了软件与硬件的使用费用 提高了计算机系统的可靠性 计算机的特点 运算速度快 计算精度高 记忆力强 具有逻辑判断能力 自动化程度高 1946 年 2 月 世界上第一台电子计算机 ENIAC 诞生于美国宾州大学 计算机代别划分依据 逻辑元器件 第一代计算机 1946 1958 电子管 第二代计算机 1958 1964 晶体管 第三代计算机 1965 1971 中 小规模集成电路 第四代计算机 1972 至今 大规模和超大规模集成电路 英国科学家 阿 伦 图灵 图灵机 建立计算机理论模型 匈牙利科学家 冯 诺依曼 计算机之父 根据计算机的 应用范围分类 专用计算机和通用计算机 根据数据的处理方式分类 数字计算机 模拟计算机 数字 模拟混合计算机 根据计算机的规模和功能强弱分类 巨型机 小巨型机 大型主机 小型机 工作站 个人计算机 计算机系统 硬件系统和软件系统 硬件系统 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 软件系 统 系统软件 应用软件 计算机系统层次结构 应用软件层 实用软件层 操作系统层 硬件层 数制 按进位的原则进行计数 进位计数制 位权 一种进制中某个位置上的单位值 十进制 0 1 9 逢十进一 基数为 10 二进制 0 1 逢二进一 基数为 2 二进制的优点 便于实 现 运算简单 工作可靠 方便逻辑运算 物理元器件容易制造 运算规则少 八进制 0 1 2 7 逢八进一 基数为 8 十六进制 0 1 9 A B C D E F 逢十六进一 基数为 16 二进制八进制十进制十六进 制 二进制八进制十进制十六进 制 000000010001088 000111110011199 001022210101210A 001133310111311B 010044411001412C 010155511011513D 011066611101614E 011177711111715F N 进制转换为十进制 展开多项式 各项相加 注意位权比位数少一 十进制转换为 N 进制 整数 将十进制整数连续的除以 N 记下每次的余数 直到商为 0 倒排余数 小数 将十进制小数连续的乘以 N 记下每次的整数 直到十进制小数为 0 或满足进度为止 正排整数 二进制转换为八进制的方法 从小数点开始 每 3 位一组 不足 3 位的用 0 补齐 每一组用一个八进制数 表示 二进制转换为十六进制方法 从小数点开始 每 4 位一组 不足 4 位的用 0 补齐 每一组用一个十六进制 数表示 八进制 十六进制 数转换为二进制数方法 每位八进制数 十六进制数 用 3 4 位二进制数表示 删 除两端无意义的 0 机器数 正负号用数字表示的数 0 为正 1 为负 真值 与机器数对应的数学中的数 定点整数 将小数点的位置约定在机器数的末端 补 0 为符号位后面 定点小数 将小数点的位置约定 在符号位的右侧 补 0 为数值后面 浮点数 将一个数表示为尾数和阶码 阶码用定点整数 尾数用定点小数 与科学计数法类似 原码 整数含 0 的符号位为 0 负数含 0 的符号位为 1 数值部分为对应数的绝对值 0 的原码有两种编码 00000000 0 0000000 10000000 1 0000000 优点 与真值转换简单 缺点 运算不方便且有错误 8 位定点整数原码的表示范围 127 127 反码 正数含 0 的反码与原码一样 将负数含 0 原码除符号位外 每位变反 0 的反码有两种编码 00000000 0 0000000 11111111 1 1111111 反码的反码为原码 补码 正数含 0 的补码与原码一样 将负数的反码末位加 1 注意进位 0 的补码只有 1 种 00000000 0 0000000 正数的原码 反码 补码均相同 补码的补码为原码 先原码再反码后补码 求补 包括符号位在内 每位变反 末位加 1 对某个数的补码求补即可得到该数相反数的补码 规格化浮点数 提高了存储的精度 阶码采用定点整数补码 尾数采用定点小数补码 对于整数 规格化 就是将小数点移到数值部分第一个 1 的左侧 对于负数而言就是将小数点移到第一个 0 的右侧 ASCII 美国国家标准信息交换码 7 位 ASCII 码又称基本 ASCII 码 用 7 位二进制表示 128 个字符编码 包括 33 个控制字符 常用字符代码由小到大 空格 32 数字 0 的代码为 48 大写字母 A 的代码为 65 小写字母 a 的代码为 97 小写字母的代码比对应大写字母的代码大 32 8 位 ASCII 码又称扩展 ASCII 码 用 8 位二进 制表示 256 种 其中 0 127 即为前面的 128 个基本 ASCII 码 特点是最高位为 0 128 255 是扩展部分 特点是最高位为 1 汉字编码 国标码 中国制定的用于计算机系统间交换汉字信息时使用的编码 输入码 利用键盘输入 汉字的编码 机内码 计算机内部存储 处理和传输汉字的编码 字型码 表示汉字形状的编码 点阵字型 将一个汉字均匀的分成若干行 若干列 形成一个点阵 CPU 与内存构成主机 主机与外部设备股票拟共同构成了计算机硬件系统 外存既是输入设备又是输出设 备 存储器包括内存与外存 控制器与运算器构成了中央处理器 CPU 计算机的主机和外部设备之间通过 接口电路 简称接口 连接 运算器 算数运算 逻辑运算 控制器 控制各部件协调工作 存储器 保存程序和数据 分为内存和外 存 内存 可以与 CPU 运算器 控制器 直接交换信息 保存正在处理的数据和正在执行的程序 内存 主要包括随机存储器 RAM Random Access Memory 和只读存储器 ROM Read Only Memory 两类 RAM 可 以进行读取和写保存两种操作 但断电时信息丢失 ROM 只能进行读操作 不能执行写操作 但是断电 时信息不丢失 ROM 主要保存最基本的固定不变的程序和数据 ROM 容量 RAM 通常所说的内存容量 指 RAM RAM 分为动态随机存储器 DRAM 和静态随机存储器 SRAM DRAM 存储密度高 存取速度慢 需 要定期刷新 SRAM 存储密度低 存取速度快 不需要刷新 存储单位有 位 bit 字节 Byte 字 Word 位是存储设备的最小存储单位存储一位二进制的存储设备 字节是内存的最小编址单位 即每 个字节都有唯一的一个地址 一般由连续的 8 位构成 CPU 一次能够处理的连续字节称为字 字长有 8 位 16 位 32 位 64 位 字长越长 CPU 的处理速度越快 存储容量 单位 外存的功能 保存需要长期存储的内容和扩充内存容量 断电时 外存中内容不丢失 CPU 不能直接访问外存 常用外存 软盘存储器 硬盘存储器 光盘存储器 移动存储器 U 盘 Cache 高速缓存 L1 L2 指令存储器 寄存器等 软盘存储器 磁道 每个同心圆 扇区 每个磁道被分成相 同数目的区段 每个区段就是扇区 一个扇区的容量为 512B 即 0 5KB 面数 每面磁道数 每磁道扇区 数 512B 硬盘存储器 分为固定式和可移动式两种 容量 柱面数 每柱面容量 柱面数 盘面数 每磁道 容量 柱面数 盘面数 每磁道扇区数 512B 光盘存储器 光盘主要包括 CD 和 DVD 两种 CD 的容量通 常为 600MB 左右 而 DVD 的容量通常都在 4 7GB 以上 CD 紧凑光盘 CD 有 CD ROM CD R CD RW DVD 是数字多功能光盘或数字激光视盘的简称 包括 DVD ROM DVD R DVD RW 等 U 盘存 储器特点 不使用驱动器 节省开支 使用的是 USB 接口 无需外接电源 支持即插即用和热插拔 存取 速度比软盘快得多 体积非常小且很轻 便于携带 防震性能好 为了满足用户对存储系统速度快 价 格低和容量大的需求 存储系统采用了层次结构 Cache 是与 CPU 和内存直接交换信息的高速缓冲存储器 简称高速缓存 其读写速度远高于内存 Cache 存储系统由 Cache 和内存构成 目的 提高 CPU 访问 内存的速度 虚拟存储系统由内存和外存 通常使用硬盘存储器 构成 目的 扩大内存的容量 输 入设备 负责将计算机外部的信息转换为计算机能够识别的二进制形式并保存到计算机的内存中 常见的 输入设备 键盘 鼠标器 扫描仪 数码相机 DC 数码摄像机 DV 麦克 光笔 条形码阅读机和 触摸屏等 键盘 字符输入设备 输出设备 负责将计算机内部的二进制信息转换为人或其他设备能够识别的形式并输出 常见的输出设备 显示器 打印机 音箱 绘图仪等 外存既是输入设备又是输出设备 计算机硬件的各部分之间通 过总线相互传输信号 总线 计算机中实现各部分之间通信的公共通道 根据传输信号功能的不同 总线分为数据总线 地址总线和控制总线 3 种 数据总线 DB 传输数据信息的双向总线 地址总线 AB 传输地址信息的单项总线 控制总线 CB 传输 CPU 发往其他部件的控制信息 或传输其他部件发给 CPU 的状态和请求等信息 控制总线中某个线是单向的 但总体是双向的 根据层次的不同 常见的 片内 总线 系统总线和外部总线 3 种 接口 输入输出设备接口的简称 也称为输入输出适配器 功能 连接主机和外设并实现两者之间数据的传输 用接口的目的 解决主机和外设的差异并使两者协调工作的 功能 软件分为系统软件和应用软件 系统软件 用于管理计算机系统的软 硬件资源 控制计 算机系统运行 维护计算机系统的软件的集合 主要包括 操作系统 计算机语言处理程序 数据库管理 系统和服务程序 4 类 操作系统 OS 计算机语言处理程序 计算机语言包括 低级语言和高级 语言 低级语言 包括机器语言和汇编语言 机器语言 能直接执行 执行速度快 编程效率低和不通用 的特点 汇编语言 执行速度快 不能直接执行 编程效率低 但比机器语言效率高 和不通用的特点 高级语言 编程效率高 通用 不能直接执行和执行速度慢的特点 数据库管理系统 服务程序 计算机犯罪 利用计算机进行的犯罪 特点 智能性 隐蔽性 危害性 广域性 低龄化 诉讼困难性 司法滞后性 计算机病毒是程序 黑客是人 防火墙防黑客 杀毒针对程序 计算机病毒特点 传染性 潜伏性 隐蔽性 破坏性 寄生性 针对性 不可预见性 预防计算机病毒应从管理制度和技术手段入 手 在技术上可以安装防毒卡和防毒软件 病毒的检测有手工检测和自动检测 杀毒有手工杀毒和自 动杀毒 没有一种防毒软件可以查杀所有的病毒 第 2 章 操作系统基础 操作系统 Operating System OS 直接控制和管理计算机系统的软 硬件资源 合理的组织计算机的 工作流程 方便用户充分而有效的使用这些资源的程序集合 操作系统是软件 而且是系统软件 由一组 程序组成 功能 管理计算机系统内的各种资源 组织多道程序运行 是用户和计算机之间通信的桥梁 为用户提供良好的界面 以方便用户使用计算机 并扩充硬件功能 操作系统的史前时代 手工操作 程序设计全部采用机器语言 没有操作系统 人们采用手工操作方式来控制计算机的基本功能 慢速的手 工操作与快速的 CPU 之间出现了矛盾 另一方面 CPU 与输入输出设备之间速度不匹配 操作系统的 雏形 监督程序 早期批处理 单道批处理分为联机批处理和脱机批处理 联机批处理 由 CPU 直接控 制作业输入与输出 脱机批处理 加设的 卫星机 专门处理输入与输出 现代意义上操作系统的出 现 多道批处理 通道 中断和缓冲技术的使用使得多道程序的并发执行称为可能 优点 在内存中总有 多道程序等待运行 系统资源得到比较充分的利用 缺点 作业平均周转时间长 用户无法干预程序的执 行 没有交互能力 操作系统步入实用化 分时操作系统 在分时操作系统中 用户通过终端设备与 计算机交互作用来运行自己的作业 多用户分时系统是当今计算机系统中使用最普遍的一类操作系统 为 了实时的对特定任务进行可靠处理 人们又开发出实时系统 实时系统具有专用性 不同的实时系统有不 同的应用领域 现代操作系统的发展 批处理操作系统 单道 一次只能有一个作业装入计算机系统的内存运行 多道 一次允许多个 作业同时装入内存 使 CPU 轮流的执行多个作业 单道批处理系统 大大减少了人工操作的时间 提高 了机器的利用率 但是 CPU 的利用率很低 多道批处理系统 具有系统资源利用率高和作业吞吐量大 的优点 缺点 用户作业的等待时间长 没有交互能力 用户无法干预自己作业的运行 分时操作 系统 多个用户分享使用同一台计算机 将 CPU 时间划分成若干个片段 每个时间段称为时间片 操作系 统以时间片为单位轮流为每个终端用户服务 每个用户轮流使用其中的一个时间片 分时操作系统的特征 交互性 及时性 独占性 多路性 多路性提高了系统资源利用率 节省了开支 分时操作系统和多 道批处理系统有 3 个方面的差异 基本目标的不同 提交给系统的作业性质上 对于充分使用系统资源而 言 实时操作系统主要特征 高响应性 高可靠性 高安全性 单用户操作系统根本特征 一个用 户独占计算机系统资源 系统所有的软 硬件资源都为一个用户服务 系统单独的执行该用户提交的一个 任务 网络操作系统 交换数据 实现信息交换 资源共享的系统 网络操作系统是基于计算机网络 的 它负责网络管理 网络通信 资源共享和系统安全等工作 操作系统的主要特征 并发性 指 2 个或 2 个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生 交替进行 共 享性 系统中的资源可以被多个用户共同使用 操作系统的功能 CPU 管理 计算机系统中最重要的 资源是 CPU 系统以进程为单位对 CPU 分配和运行 对 CPU 的管理可归结为对 进程 的管理 进程指 正在执行的程序 存储管理 管理内存资源 设备管理 输入输出设备 文件管理 针对系统中的 信息资源管理 计算机的程序和数据通常以文件的形式存放在外部存储器上 需要时再将它们载入内存 用户接口 命令接口 程序接口 图形用户接口 现代主流操作系统简介 Windows 操作系统 当前个人微型计算机中应用最广泛的一种操作系统 1990 年 5 月 Windows3 0 版 1995 年 8 月 24 日 Windows95 逐步取代了 DOS 系统 2000 年 Windows2000 2001 年 Windows XP Windows 操作系统成功的特点 易学易用的面向对象的图形用户界 面 支持多任务多窗口 即插即用功能 支持多媒体技术 内置网络和通信功能 UNIX 操作系统 UNIX 系统正式发布于 1974 年 1975 年发布的第 6 版中引入了多道程序技术 这时 UNIX 系统才成为真正 的多用户分时系统 Linux 操作系统 免费使用 自由传播 Mac OS 操作系统 美国 Apple 公司 推出 运行在 Macintosh 计算机上 Netware 操作系统 Novell 公司 Netware 是其开发的网络操作系 统 NOS 文件 具有一定名称的一组相关数据的集合 每个文件都要用一个名字来标识 称为文件名 文件名 扩 展名 通配符 文件名中的一个可用字符 通配符 文件名中的一个可用字符串 Windows 系统中文件名最多包含 256 个字符 可以包含字母 汉字 数字和部分符号 文件的命名 文件名 扩 展名 任何文件都包括 操作系统中负责存取和管理文件信息的部分称为文件系统 文件系统的功能 文件读 写管理 文件目录 管理 文件存储空间管理 文件保护与共享 提供方便的用户接口 文件系统的可靠性与一致性 从文件管理的角度看 文件由文件说明和文件体 2 部分组成 文件体即文件本身 而文件说明 又称文件 控制块 FCB 是保存文件属性信息的数据结构 它通常包含以下内容 文件名称 文件的结构 文件在外 存中的物理存放位置 建立和修改的日期 保护信息等 文件说明的集合称为文件目录 目录的功能 实 现 按名存取 提高检索速度 允许文件同名 允许文件共享 目录结构 单级目录结构 二级目录结 构 多级目录结构 路径名有 2 种表示形式 绝对路径名和相对路径名 绝对路径名 从根目录 开始直至指定文件所在位置的目录名序列 表示方法 一级子目录名 二级子目录名 n 级子目录 名 相对路径 从当前目录出发到指定文件所在位置的目录名序列 第 3 章 软件技术基础 程序是人们为了解决实际问题要求计算机执行的动作和操作 程序表达了程序设计者的思想 对于计算机 来说 程序是一组计算机能操作的命令 程序包括 数据的描述 即数据结构 对操作的描述 程序 数 据结构 算法 程序设计 数据结构 算法 程序设计方法 语言工具和环境 算法 完成一个问题的有 限执行步骤的有序集合 算法的基本特征 5 个重要特征 输入 一个算法有 0 个或多个输入 输出 一个算法有 1 个或多个输出 确定性 算法的每一步骤都必须有确切的含义 不存在二义性 有穷性 一 个算法必须在执行有限步骤之后结束 而不能是无限的 可行性 算法的每一步骤都必须能有效的执行 得到确定的结果 算法的表示 自然语言 流程图 程序设计语言 伪代码 一种介于自然语言和计 算机语言之间的文字和符号来描述算法 数据是对客观事物的符号表示 数据元素是数据集合中的一 个实体 是数据的基本单位 数据结构 数据元素和相互之间关系的集合 数据结构包括 数据元素之间 的逻辑关系 即数据的逻辑结构 数据元素及其关系在计算机存储器中的存储方式 即数据的存储结构 也称数据的物理结构 对数据元素的操作 即数据的运算 数据的逻辑结构 数据结构中数据元素之间的逻辑关系 逻辑结构主要有 2 种 即线性结构和非线性结构 线性结构 在数据结构中的结点 数据元素 之间存在一对一关系 特点 开始结点和终端结点是唯 一的 除了它们以外 其余结点都有且仅有一个前驱结点和一个后继结点 顺序表就是典型的线性结构 非线性结构 在数据结构中的结点 数据元素 之间存在一对多或多对一的关系 分为树型结构 图形结 构 树型结构 在数据结构中的结点之间存在一对多的关系 特点 仅有一个前驱结点 可以有多个后续 结点 可以有多个终端结点 图形结构 在数据结构中的结点之间存在多对多的关系 特点 每个结点 的前驱结点和后继结点的个数是任意的 因此 可能没有开始结点和终端结点 也可以有多个开始结点和 终端结点 数据元素之间的关系是指它们的逻辑关系 与它们在计算机中的存储位置无关 通常采 用二元组表示 DS D S DS 是一个数据结构 D 是在一个数据结构 DS 中数据元素的集合 S 是定 义在 D 上的关系的集合 可以称 S 为逻辑结构 数据的存储结构 数据的逻辑结构在计算机存储空 间中的存放形式 数据的存储结构又称为数据的物理结构 数据的存储结构可分为 顺序存储结构 链式 存储结构 索引存储结构 散列 或哈希 存储结构 顺序存储结构 把逻辑上相邻的结点存储在物理 位置上相邻的存储单元里 结点之间的逻辑关系由存储单元的邻接关系来体现 优点 节省存储空间 因 为分配给数据的存储单元全用于存放结点的数据 结点之间的逻辑关系没有占用额外的存储空间 可以实 现对结点的随机访问 即每个结点对应有一个序号 由该序号可直接计算出结点的存储地址 缺点 不便 于修改 对结点的插入 删除运算可能涉及移动一系列的结点 要求有连续的空间 链式存储结构 在每个结点中至少包含一个指针域 用来指出数据元素之间的逻辑关系 不要求在逻辑上相邻的结点在物 理位置上也相邻 优点 便于修改 在进行插入 删除运算时 仅需修改结点的指针域值 不必移动结点 可运用零散的空间 缺点 存储空间的利用率低 因为分配给数据的存储单元有一部分要用来存储结点 之间的逻辑关系 另外 由于逻辑上相邻的结点在存储器中不一定相邻 所以不能对结点随机访问 索引存储结构 在存储信息的同时 还建立附加的索引表 索引表中的每一项称为索引项 索引项的一般 形式是关键字与地址 关键字唯一标识一个结点 地址作为指向结点的指针 可以大大提高数据查找的速 度 散列 或哈希 存储结构 根据结点的关键字通过散列 或哈希 函数直接计算出一个值 并 将这个值作为该结点的存储地址 优点 查找速度快 只要给出带查结点的关键字 就可立即算出该结点 的存储地址 散列存储方法只存储结点的数据 不存储结点之间的逻辑关系 一般只适合要求对数据进行 快速查找和插入 线性表 具有相同特性的数据元素的一个有限序列 用 n 表示 n 0 当 n 0 时空