essential.docx
《essential.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《essential.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
essential
高二年级计算机知识要点
（一）
一、信息的数字化
负数的表示
（1）SignedMagnitude：
如果用n个bit表示一个负数，用最左边的位表示符号，1表示负数，0表示正数。
缺点：
（1）有两个0的表示法；
（2）不能直接做加法10000001+00000010=10000011
（2）Ones’complement（反码）：
要表示一个负整数k，先将其相反数-k写成二进制形式，然后对所有位都取反，就得到k的反码表示形式。
例：
00000010=210；11111101=-210
缺点：
仍有两个0。
做加法的特点：
加法需要将最高位的进位加到最低位
（3）Two’scomplement（补码）：
将一个负数k先写成反码形式，然后加1。
例：
00000010=210；11111110=-210。
只有1个0，可以直接相加。
小数的表示
定点表示法：
固定小数点的位置，灵活性很差
浮点表示法：
使用科学记数法；要记录三个数量：
符号+位移量+尾数
例如：
+1000111.0101=+1.0001110101×26；总是将小数点移动到最左边的1右侧。
于是我们记录+；6；0001110101
一般采用两种标准
指数尾数符号
单精度8231
双精度11521
在VB中，单精度浮点数对应的变量称为Single；双精度浮点数对应的变量称为Double
以单精度为例说明浮点数的表示：
–最低23位为尾数（小数部分，整数部分约定总是1）
–然后8位为指数，存储为指数+127
–最高位符号位，0正1负
例子：
–8.12510=1000.0012=1.000001×1011
–尾数000001
–指数3+127=130=100000102
–符号0
–01000001000000100000000000000000
字符的表示
ASCII码：
1个字节表示一个字符，只能表示256种可能性（且最高位置为0不用），因此只能表示英语和常见符号。
Unicode：
2个字节，能表示世界上所有的语言文字。
UTF-8：
基于Unicode的一种编码，用一个字节表示英文字符，两个或三个字节表示其它语言字符。
变长编码的机制为了减少存储空间的浪费。
为了能让应用程序区分不同编码的文本文件，Unicode文本文件开头多了两个字节FFFE。
二、中央处理器和主存储器
计算机体系结构的一般理论：
（1）处理器在硬件层次上执行一个较小的功能集合，称为指令集
逻辑判断,算术运算
（2）软件/程序是基本指令的组合，完成各种应用
（3）程序（指令）和数据都被存储在存储设备中。
程序运行时候，逐条指令从存储器中读入到处理器内被执行。
（称为存储程序）
CPU=ALU（运算和逻辑单元）+控制单元
当前即将被执行的指令和数据保存在处理器内部的存储器—寄存器中；寄存器大小通常是计算机字长的大小，字长决定了
（1）计算机一次进行运算处理或传输的数据大小；
（2）支持的指令数量；（3）内存编址的空间。
主存储器：
随机存储器中随机的含义：
表示程序可以根据内存地址直接访问内存单元，而无需顺序存取。
内存中每个单元一般存储一个字节。
高速缓冲存储器（Cache）
•包含主存储器中部分内容的副本
•当CPU存取主存中内容时，先检查Cache
•如果不在Cache中，从主存中复制从需要读取的字开始的数据块到Cache中
•提高效率的原因
–局部化原理：
（执行程序过程中，在特定阶段，只是执行局部的若干条指令。
）
不同的体系结构：
•复杂指令集计算机（CISC）
–指令数较多，某些指令实现复杂的功能
•精简指令集计算机（RISC）
–指令数少，实现功能较简单
对复杂指令集计算机的批评：
硬件实现复杂；复杂指令实现功能可以用简单指令的组合取代；执行效率不理想；许多复杂指令使用频率不高。
三、二级存储器
存储器分为两部分：
存储介质：
用以保存数据的物理材料
存储设备：
从存储介质上读取或写入信息的硬件设备。
按照存储介质可以将存储器分为：
磁性存储技术；光学存储技术；固态存储技术
磁性存储介质：
通过磁化存储介质表面的可磁化物质来存储数据；在初始状态时，介质表面的可磁化particle的方向是随机的。
磁盘驱动器的读写头可以磁化这些particle使得它们朝向某个方向，用以表示0和1，而一旦磁化以后这些particle可以较长时间保持这种方向，使得磁性存储介质可以长期保存数据。
磁性存储介质包括硬盘、软盘、磁带。
硬盘的结构：
它包含若干盘片（Platters），它们以共同的速度绕一个主轴（Spindle）旋转，每个盘片上覆盖一层可磁化的物质，每个磁盘通过磁臂末端的磁头来读写，每个盘片都有一个磁头和磁臂，它们可以靠近或远离主轴，当磁头静止，盘片旋转时，磁头下方经历的的表面称为一个磁道。
在读写时候，通过主轴的进退和盘片的旋转来定位到磁盘上的特定位置。
硬盘表面的结构：
磁道；扇区
通常一个扇区包含512字节的数据。
逻辑相邻的数据通常不存放在物理上相邻的扇区，这是为了提高磁盘空间的利用率，但是会降低存取速度，因此需要对磁盘碎片进行整理（defragment）。
传统的硬盘结构划分的特点：
外道的扇区面积大，内道扇区面积小，但存储数据量都是512字节，为了更有效利用磁盘，提出Zonebitrecording技术，即外道划分出更多的扇区。
何为接口：
磁盘或其它I/O设备不能直接连接到计算机的总线上，需要有接口来清除这种障碍。
常见的外存接口有SCSI，SATA，IDE等。
数据的备份：
（1）磁带：
顺序存取，存取速度慢
（2）廉价磁盘冗余阵列（RAID：
RedundantArrayofInexpensiveDisks）
RAID0：
数据分块（并没有冗余，只是提高存取速度）
RAID1：
数据镜像
光学存储器：
表面有land和pit，具有不同的反射性质，用来表示0和1。
光学存储器的存取速度
●使用数据传输率（Kbps）为单位（千bit/每秒）；
●原始的CD-ROM驱动器的传输率为150Kbps；
●2X,9X,…的含义：
对CD：
1X=150Kbps，2X=2×150Kbps=300Kbps，…
●DVD的情形，与CD有不同的数量级，1X=9×150Kbps=1350Kbps
四、软件一般理论和数据文件的组织
计算机系统的非硬件因素=软件+与软件相关联的文档和数据
对软件的分类：
（1）根据功能分类
系统软件：
面向计算机系统:
管理计算机资源,控制硬件工作;不解决生活工作的实际问题
应用软件：
面向实际问题:
提高人们的工作效率,提供娱乐等
最重要的系统软件：
操作系统
其它系统软件的例子：
⏹文件压缩工具
⏹磁盘碎片整理工具
⏹设备驱动
⏹杀毒软件
⏹程序开发环境（编译程序）
⏹控制面板中的工具
（2）根据获得途径的不同分类
免费软件
商业软件
共享软件（Shareware）：
可以免费试用一段时间，之后需支付费用方能继续使用
开源软件（OpenSourceSoftware）：
免费而且可以合法进行修改
开放源代码软件的例子：
OpenOffice.org（办公软件）；Firefox；Linux
共享软件的例子：
WinRAR
软件许可协议（license）：
软件如何被使用的法律约定。
现在通常采取的形式是EULA（End-UserLicenseAgreement；最终用户许可协议），在安装时候显示协议条文，用户同意后继续安装。
包含的一些内容
⏹使用者的限定（单个用户）,何种情况下可以备份软件
⏹租借和赠予的约定
⏹反向工程的约定
⏹开发商免责声明（Asis）
数据文件的分类
文本文件：
只包含字符。
（例如：
html文件，txt文件，程序源代码）
二进制文件
⏹计算机内部格式存储的数据集合
⏹数，图象等等
⏹只有当被程序正确解释时才有意义
由数据记录集合构成的文件的组织形式
顺序文件：
顺序地存取记录；按照顺序一个接一个地存放
随机存取文件：
使用地址直接访问某条记录
有两种实现
（1）索引文件，记录的标识（主键）与地址的对应关系维护在一个索引文件中
（2）散列方法，用函数对应的方法维护记录标识与地址的关系
五、操作系统
操作系统的必要性：
应用软件不与硬件直接交互；否则，开发应用软件变得低效和困难
操作系统：
统一管理计算机软硬件资源，充分发挥计算机系统效率的系统软件
操作系统对硬件资源的分配策略：
处理器的管理：
多道程序（Multiprogramming）：
I/O任务与计算任务同时被执行，一个进程在执行输入输出任务时候，须将处理器使用权交给另一个进程。
分时系统（Time-sharing）：
给每个程序或用户一个时间片，轮流执行
内存管理：
面临的问题：
程序对于内存而言过大
如何解决，基于以下认识
•在一个时间段内，并非程序的所有部分都被使用（程序的局部化原理）
将部分程序存储在硬盘上，将这部分硬盘看成RAM
•虚拟内存
与虚拟内存相关的是分页文件：
将内存、虚拟内存和程序划分成为等长的分块，作为分配内存和虚拟内存的基本单位，这样的分块称为页面（Page）。
当内存中分配给一个进程的空间已满，又有新的页面需要调入时，需要将部分页面淘汰出内存。
简单的算法是先进先出（FIFO，Firstinfirstout），将在内存中驻留时间最长的页面淘汰出内存。
但这会造成Belady异常现象，即分配给一个进程的页面数增加时，缺页率反而会增加。
红色表示缺页
内存分配3个页面（缺页9次）；内存分配4个页面（缺页10次）
文件管理
（1）Windows：
文件分配表（FAT）；簇是分配辅存的基本单位（若干相邻扇区的组合）；链表结构维护文件占用的簇和空闲簇。
（2）Unix/Linux：
索引节点表；文件分配以块为单位（某些系统上长度1KB）；索引节点表记录一个文件的基本信息+块地址；文件的前10个块直接记录在它的索引节点表中；如果文件大小超过10个块，用间接索引的方法；间接块（不包含文件内容，而是包含文件块的地址）
两种不同的操作系统用户界面
命令行界面和图形界面（GraphicUserInterface）
•命令行界面：
用户与计算机系统的交互通过键入命令完成
•图形用户界面：
用户与计算机系统通过图形化的元素进行交互。
两者的比较：
可参考
主流操作系统：
（1）Linux和Unix
Unix是1971年AT&TBell实验室研发的多任务多用户操作系统。
Linux是1990年由芬兰学生LinusTorvalds开发的类Unix操作系统，是开放源代码软件。
Linux的优势是稳定和免费，缺点是相对较少的应用软件选择和使用时较高的技术要求。
（2）Windows
早期Windows是DOS的图形化操作环境；直到Windows95才成为独立的操作系统，2000年以前Windows分为两个系列，服务器操作系统使用NT内核（包括WindowsNT3.1,WindowsNT4.0,Windows2000），个人版本仍使用DOS内核（包括Windows95,98,Me）。
WindowsXP开始所有的Windows版本（无论服务器版本还是个人使用的版本）都使用NT内核。
（3）MacOS
苹果计算机上使用的操作系统，是第一个商业上取得成功的图形化界面操作系统。
六、软件工程
软件工程的目的：
克服软件开发过程中的随意性，工程化地组织和开展软件开发，确保软件的质量。
具体的做法和原则
（1）周密的分析和设计
（2）严格的项目管理（3）详细的文档支持（4）要对软件实施不断的测试
软件开发的瀑布模型：
分析，设计，实现，验证，维护
软件测试的一些原则
⏹详尽测试（测试每个可能的输入和流程图中每一条可能的路径）是不可行的
⏹第三方测试（测试不宜由负责编码的开发人员本身进行）
⏹单位，模块和系统测试
⏹等价类的划分（将输入数据划分成等价类，例如对于保存文档的子模块进行测试，可以将文件名划分为：
合法的文件名；过长的文件名；过短的文件名；包含非法字符的文件名等）
⏹边界值的分析（输入区间的边界常常容易出错）
软件测试的一些类型：
黑盒测试：
用户角度，测试产品的完整性
白盒测试：
测试具体的逻辑细节，代码层面
alpha测试：
在公司内部，由用户在模拟实际操作环境下进行的受控测试
beta测试：
开发者无法控制的环境下进行的软件现场应用。
在Beta测试中，由用户记下遇到的所有问题，定期向开发者报告。
七、计算理论
计算理论要回答的问题：
哪些问题是可求解的，哪些问题是不可求解的。
对可求解的问题，它的时间复杂度是怎样的。
算法的定义：
良好定义的逐步解决问题或完成任务的方法。
很多人认为Euclid算法是最早的非平凡算法，它通过事实gcd（m,n）=gcd（mmodn,n）来求两个数的最大公约数。
不可求解问题举例：
停机问题。
一个重复结构可能永远不会停机（结束）
死循环
x:
=1
While（x）
{
}
问题：
能否编写一个程序判断另一个程序是否会在有限时间内结束
反证其不存在：
假设存在判断停机问题的程序Test
构造另一程序Strange
分析Strange是否会停机，我们得到矛盾。
对于可求解问题，我们关心算法的时间复杂度。
影响算法的执行时间的因素包括
（1）处理器的处理能力
（2）输入规模（3）算法本身的优劣。
由于我们关心的是算法本身的性质，因此我们评价算法时将算法划分成一些基本步骤的集合（这些基本步骤在特定的机器上的执行速度是固定的），然后将基本运算的步数写成输入规模的函数，考查这个函数的增长速度。
多项式问题：
基本运算步数是输入规模的多项式函数
以当今计算机的处理速度，对于一个合理的输入规模，多项式问题都可以在合理时间内解决
例如：
对n个数进行排序
非多项式问题
基本运算步数是输入规模的指数函数
¡S=2n
¡如果输入规模为64
¡S=18,446,744,073,709,551,616
¡如果每1/1000秒执行一步
¡585000世纪
NP问题：
可在多项式时间内验证结果的问题
P问题：
可在多项式时间内求解的问题
P是NP的子集，但是否是真子集，是理论上未解决的问题。
NPC问题：
没有找到多项式时间的算法，也未证明不存在，且如果对其中一个找到多项式时间算法，那么P=NP
程序设计语言：
机器语言
汇编语言：
使用助记符，与机器指令一一对应
高级程序设计语言：
过程式模式：
C，Pascal
面向对象模式：
特点包括封装，继承和多态；C++，Java
升级会员 