计算机科学

1本章学习目的：了解计算机科学的知识体系初步了解计算机的硬件知识初步了解计算机的软件知识了解数据组织的基本知识2本章主要内容：数据存储数据操纵操作系统组网及因特网算法程序设计语言软件工程数据结构数据库计算机体系结构软件35.1数据存储5.1.1基本概念5.1.2位与位存储5.1.3主存储器5.1.4海量存储器5.1.5用位模式表示信息5.1.6数制及其转化5.1.7通信差错45.1.1基本概念算法：描述如何完成一项任务的一系列步骤。如：烹饪的算法——菜谱陌生城市准确定位的算法——道路指南魔术表演的算法计算机算法？？？程序与软件55.1.1基本概念抽象：源于实验科学，主要要素为数据采集方法和假设的形式说明、模型的构造与预测、实验分析、结果分析。抽象是指一个实体外部特征与内部构成细节的分离。如复杂设备的使用，功能与功能实现的分离。抽象工具65.1.2位与位存储1、计算机中数据的单位①bit（位）bit是二进制（binarydigit）的缩写，只有两个值“0”和“1”，bit是计算机能够处理的数据的最小单位。②字节（Byte）：是计算机存储容量的基本单位，计算机存储容量的大小是用字节的多少来衡量的。通常用“B”表示。75.1.2位与位存储③字（Word）计算机处理数据时，CPU通过数据总线一次存取、加工和传送的数据称为字，计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，称为字长。一个字通常由一个字节或若干个字节组成。字长是计算机一次能处理的实际位数长度，所以字长是衡量计算性能的一个重要指标。85.1.2位与位存储……位字，字长位、字节、字及字长字节（8位）数据存储的组织形式95.1.2位与位存储门电路的概念门电路是具有实现逻辑运算的器件，其在给定两个（或一个）输入值时，产生一个逻辑运算的输出。有四种门电路来实现四种逻辑运算或逻辑操作，它们是“与”门、“或”门、“异或”门和“非”门。105.1.2位与位存储与运算或运算异或运算115.1.2位与位存储125.1.2位与位存储触发器的概念触发器是一种特殊的电路，其产生0或1的输出值，并保持其输出值不变，一直到另外的电路来的信号使它从当前的输出值改变到另一个输出值。135.1.2位与位存储一种触发器的组成图5-4一个简单的触发器电路输入输入输出145.1.3主存储器存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件，并能在计算机运行过程中高速、自动的完成程序或数据的存取。存储器分为两大类：内存储器和外存储器，简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。内存是CPU可以直接访问的存储器，是计算机的工作存储器，当前正在运行的程序和数据必须放在内存中。内存+CPU=主机。155.1.3主存储器存储器内存储器海量存储器ROM（ReadOnlyMemory）RAM（RandomAccessMemory）Cache磁盘（硬盘、软盘）光盘（CD-ROM、CD-RW、DVD、MO）闪存（CF卡、MMC卡，SD卡）磁带16存储器有很多存储单元组成，每个存储单元存放一定位数（微机上是8位）二进制数，每个存储单元都有一个唯一的编号，称为存储单元的地址。175.1.3主存储器字节经常使用的单位还有KB（千字节）、MB（兆字节）和GB（千兆字节）等，它们与字节的关系是：1B=8bit1KB=210B=1024B1MB=210×1KB=210×210B=1024KB1GB=210×1MB=210×210×210B=1024MB185.1.3主存储器存储单元内是按位来组织的，每一个存储单元中八个二进制位排列成一行，最左端一位为最高有效位，最右端一位位最低有效位。195.1.3主存储器存储单元的组织：存储单元是按照地址来组织205.1.3主存储器随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）：容量较大，CPU从RAM既可以读也可以写入信息。断电后信息丢失。内存：微机中的内存一般指随机存储器（RAM）。目前常用的内存有SDRAM和DDRSDRAM两种。215.1.3主存储器只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）：数据是ROM装入计算机之前实现编写好的，一般情况下，计算机工作过程中只能从ROM中读取数据，而不能改写。容量很小，一般存放系统的基本的输入输出设备（BIOS）等。优点：ROM存放固定的程序和数据，断电后仍能长期保存。225.1.3主存储器（1）内存高速缓存（Cache）：介于贮存和CPU之间的高速小容量存储器。简称缓存。Cache有两种：①集成在CPU内部的称为一级Cache（片内Cache)②安装在主板上的称为二级Cache（片外Cache）235.1.4海量存储器计算机的磁盘、磁带和CD（光盘）被称为海量储存系统的储存设备，海量储存系统相对于主储存器的优点是非易失性、大的储存容量和可以移动。245.1.4海量存储器硬盘工作原理：是通过电磁转换原理来存储比特（数据）盘片结构：是一个薄的旋转盘片，上面覆盖一层磁性材料来存储数据。软盘仅有一张盘片，而硬盘有多张盘片。工作过程：是读/写磁头被放在盘片的上面和/或下面，因此随着盘片的旋转，每个磁头在盘片的上或下表面上的圆圈，也叫磁道（track）上来回移动。通过读/写磁头的位置，不同的同心磁道被访问。衡量磁盘系统性能的参数有：寻道时间（seektime）、旋转延迟（rotationdelayorlatencytime）、存取时间（accesstime）、传输速率（transferrate）。255.1.4海量存储器26图5-10磁盘储存系统磁道分成扇区读/写磁头读写臂臂运动磁盘运动磁盘275.1.4海量存储器光盘工作原理：是通过光电转换原理来存储比特（数据）盘片结构：光盘是一个直径为12厘米的盘片，由反射材料和上面的塑料保护层组成。工作过程：通过在盘的反射层产生变化来存储信息，这种信息能利用激光束监视光盘旋转时反射表面上的不规则来进行读取。28单个光道螺旋到盘片的边缘305.1.4海量存储器磁带工作原理：信息被存储在一条覆盖有磁性材料的薄塑料上工作过程：磁带在写数据时是将数据转变成数字信号（脉冲电流），通过读/写磁头使磁带的磁性发生变化，在读取数据时，通过读/写磁头感应磁带上的磁场变化，并将其转换成数字信号，从而获得数据。31磁带盘磁带盘读/写磁头磁带磁带磁带运动图5-12磁带储存系统325.1.5用位模式表示信息文字信息的表示（1）字符编码：目前采用的字符编码主要是ASCII（美国标准信息交换代码）。它是一种西文机内码，有7位ASCII码(标准ASCII码)和8位ASCII码(扩展ASCII码)两种。ASCII码见《计算机文化基础实验教程》P252附录5335.1.5用位模式表示信息（1）字符编码：7位标准ASCII码用一个字节（8位）表示一个字符，并规定其最高位为0，实际只用到7位，因此可表示128个不同字符。包括数字0-9、26个大写英文字母、26个小写英文字母、及标点符号、运算符号、控制命令符号等。同一个字母的ASCII码值小写字母比大写字母大32。‘A’65D01000001B;'a':97D01100001B345.1.5用位模式表示信息（2）汉字编码①汉字交换码：由于汉字数量极多，一般用连续的两个字节（16个二进制位）来表示一个汉字。1980年，我国颁布了第一个汉字编码字符集标准，GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》，该标准编码简称国标码，是大陆地区及新加坡等海外华语区通用的汉字交换码。GB2312-80收录了6763个汉字，及682符号，共7445个字符，奠定了中文信息处理基础。“大”0011010001110011B355.1.5用位模式表示信息②汉字机内码：“大”：0011010001110011B‘4’：00110100B‘S’：01110011B为区分汉字与ASCII码，计算机内部表示汉字时把交换码（国标码）两个字节最高位改为1，称为“机内码”。这样，当某字节的最高位是1时，必须和下一个最高位同样为1的字节合起来，代表一个汉字。“大”：1011010011110011B27*27个汉字符GBK18030编码：“大”：1011010001110011B27*28个汉字符365.1.5用位模式表示信息③汉字字形码：汉字字形码实际上就是用来将汉字显示到屏幕上或打印到纸上所需要的图形数据。汉字字形码记录汉字的外形，是汉字的输出形式。记录汉字字形通常有两种方法：点阵法和矢量法，分别对应两种字形编码：点阵码和矢量码。所有的不同字体、字号的汉字字形构成汉字库。375.1.5用位模式表示信息④汉字输入码：汉字输入码指将汉字通过键盘输入到计算机采用的代码，也称汉字外部码（外码）。外码的编码原则应该易于接受、学习、记忆和掌握，码长尽可能短。目前我国的汉字输入码编码方案已有上千种，但是在计算机上常用的有几种，根据编码规则，这些汉字输入码可分为流水码、音码、形码和音形结合码四种。385.1.5用位模式表示信息数值的表示将在数制及转化中具体讲解图像的表示位图矢量图39数制及其转换一、数制及其转换1．数制按进位的原则进行计数，称为进位计数制，简称数制。常用的数制二进制、十进制、八进制、十六进制等。40数制及其转换数制中常用的几个术语数码：一组用来表示某种数制的数字符号。如：十进制中的0-9等。基数（r）：一种数制所使用的数码的个数称为基数。位权：指数码在不同位置上的权值。在进位计数制中，处于不同数位的数码，代表的数值不同。（以基数为底的幂）5555.5=5*103+5*102+5*101+5*100+5*10-141数制及其转换数制数码基数位权进位十进制0~910以10为底的幂逢十进一以一当十二进制0、12以2为底的幂逢二进一以一当二八进制0~78以8为底的幂逢八进一以一当八十六进制0~9、A、B、C、D、E、F16以16为底的幂逢十六进一以一当十六42数制及其转换为区分各种数制，对于r进制数n记作（n）r，如（1001）2（70）8（18）16，无任何下标的数字默认为十进制，如15。在数的后面加上对应数制的英文的首字母表示前面的数字采用的数制，如D（十进制）B（二进制）O（八进制）H（十六进制）。如1001B70O18H15D43数制及其转换十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001081710001211144数制及其转换①二进制转换为十进制二进制数要转换成十进制数，只需将每一位数字乘以它的位权（2n），再以十进制的方法相加就可以得到它的十进制的值。注意，小数点左侧相邻位的权为20，从右向左，每移一位，幂次加1，向右移动一位，幂次减1。45数制及其转换【例1】将（10110.011）2转化为十进制。解：（10110.011）2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3=（22.375）10=22.375【练习1】（11100011.101）2=227.62546数制及其转换②八进制数和十六进制数均可按位权展开转换成十进制数。【例2】将（2576）8、（3D.B）16分别转换成十进制数。（2576）8＝（3D.B）16＝2×83+5×82＋7×81＋6×80＝14063×161＋13×160＋11×16－1＝61.687547数制及其转换③十进制数转化为二进制数十进制数的整数部分和小数部分在转换时需作不同的计算，分别求值后再组合。整数部分采用除以2取余法，即逐次除以2，直至商为0，得出的余数倒排，即为二进制整数部分的各位的