计算机基础理论要点.docx

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计算机基础理论要点

第1章信息技术概述

1.1信息

信息概念理解：

a）信息是事物运动状态和特征的反映

b）信息就是信息，它不是物质也不是能量

c）信息与物质、能量是客观世界的三大构成要素。

信息处理：

⏹信息的收集（如信息的感知、测量、获取、输入等）

⏹信息的传递（如邮寄、电报、电话、广播等）

⏹信息的加工（如信息的分类、计算、分析、转换等）

⏹信息的存储（如书写、摄影、录音、录像等）

⏹信息的施用（如控制、显示、指挥、管理等）

信息技术（InformationTechnology，或Information&CommunicationTechnology，简称IT或ICT）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。

信息技术基本内容：

1.扩展感觉器官功能的感测（获取）与识别技术（信息获取）

2.扩展神经系统功能的通信技术（信息传递）

3.扩展大脑功能的计算（处理）与存储技术（信息加工与存储）

4.扩展效应器官功能的控制与显示技术（信息施用）

现代信息技术特征：

（书P2）

⏹三大特征：

⏹采用微电子和光电子器件（采用电子技术（包括激光技术）进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制）

⏹以数字技术（计算机）为基础

⏹以软件为核心

⏹核心技术：

⏹通信、广播、计算机、因特网、微电子、集成电路、互联网、遥感遥测、自动控制、机器人等

1.2数字技术基础

1.2.1信息的基本单位

——比特（bit）

（1）什么是比特

⏹比特（bit，binarydigit的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”

⏹比特只有2种取值：

0和1，一般无大小之分

⏹如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小组成单位一样，比特是组成数字信息的最小单位

⏹数值、文字、符号、图像、声音、命令······都可以使用比特来表示

（2）比特在计算机中如何表示？

⏹在计算机中表示与存储二进位的方法：

⏹电路的高电平状态或低电平状态（CPU）

⏹电容的充电状态或放电状态（RAM）

⏹两种不同的磁化状态（磁盘）

⏹光盘面上的凹凸状态（光盘）

⏹···

（3）比特的存储

⏹8个比特＝1个字节（byte，用大写B表示）

⏹计算机内存储器容量的计量单位：

（使用场合：

内存，缓存，半导体存储芯片容量，文件夹和文件的大小）

⏹KB:

1KB=210字节=1024B（千字节）

⏹MB:

1MB=220字节=1024KB（兆字节）

⏹GB:

1GB=230字节=1024MB（吉字节、千兆字节）

⏹TB:

1TB=240字节=1024GB（太字节、兆兆字节）

⏹外存储器容量经常使用10的幂次来计算（使用场合：

传输速率，频率，外存如硬盘，U盘，光盘，存储卡等）：

⏹1MB＝103KB＝1000KB

⏹1GB＝106KB＝1000000KB

⏹1TB＝109KB=1000000000KB

（3）比特的传输

⏹近距离传输时：

直接将用于表示“0/1”的电信号或光信号进行传输（称为基带传输），例如：

⏹计算机读/写移动硬盘中的文件

⏹打印机打印某个文档的内容

⏹远距离传输或者无线传输时：

需要使用调制技术

⏹传输速率表示每秒钟可传输的二进位数目，常用单位是：

⏹比特/秒（b/s），也称“bps”。

如2400bps（2400b/s）

⏹千比特/秒（kb/s），1kb/s=103比特／秒=1000b/s

⏹兆比特/秒（Mb/s），1Mb/s=106比特／秒=1000kb/s

⏹吉比特/秒（Gb/s），1Gb/s=109比特／秒=1000Mb/s

⏹太比特/秒（Tb/s），1Tb/s=1012比特／秒=1000Gb/s

1.2.2比特与二进制数

（1）不同进位制数的表示和含义

二进制数，八进制和十六进制数怎样表示？

其数值如何计算？

（2）不同进位制数的相互转换

（3）二进制数的算术运算

比特的运算

1.2.3信息在计算机中的表示

数值信息的表示

（1）无符号整数

（2）带符号整数

带符号的整数取值范围

取值范围：

-（2n-1-1）~2n-1-1

（3）浮点数

Ø计算机中，实数也叫做“浮点数”，整数也叫做“定点数”。

Ø浮点数的长度可以是32位，64位甚至更长，一般来说，位数越多，可以表示的数的范围越大，精度就越高，相同长度的浮点数与定点数，浮点数可以表示的数的范围要比定点数为大的多

文字符号的表示

图像在计算机中如何表示？

1.3微电子技术简介

•微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础

•微电子技术的核心是集成电路技术

⏹集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）：

以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统

⏹集成度指单个集成电路所包含电子元件的数目

⏹集成电路的优点：

⏹体积小、重量轻

⏹功耗小、成本低

⏹速度快、可靠性高

各自的代表：

中小规模：

一般以简单的门电路或单级放大器与集成对象

大规模以功能部件及子系统为集成对象

大规模和超大规模以微处理器，芯片组，图形加速芯片为集成对象

IC卡简介

⏹IC卡（chipcard、smartcard），又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体

⏹特点：

⏹存储信息量大

⏹保密性能强

⏹可以防止伪造和窃用

⏹抗干扰能力强

⏹可靠性高

⏹应用举例：

⏹作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）

⏹作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）

第2章计算机组成原理

2.1计算机的组成与分类

计算机有哪些特性？

计算机的特性：

（1）速度快

（2）存储容量大

（3）通用性好

不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理

不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算

不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能

（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力

计算机有什么负面影响？

计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：

计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果

信息欺骗和计算机犯罪增加

知识产权保护更加困难

个人隐私受到威胁

不良和有害信息肆意传播和泛滥

大量电子垃圾污染环境、破坏生态

长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害

计算机的逻辑组成

★计算机系统由硬件和软件两部分组成，计算机硬件是计算机系统中实际的物理装置的总称（如处理芯片，存储芯片，底板，各类扩充板卡，机箱，键盘，鼠标器，显示器，打印机，硬盘等）。

计算机软件指计算机中运行的各种程序及处理的数据和相关文档。

★从逻辑（功能）上讲，计算机硬件主要包括中央处理器（CPU），内存储器，外存储器，输入设备和输出设备，这们通过总线互相连接。

CPU、内存、总线等构成了计算机主机，I/O设备和外存储器通常称为外围设备

（1）输入设备

⏹输入设备：

1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容

⏹输入设备（inputdevices）

键盘、鼠标器、扫描仪、麦克风以及条码、磁卡、IC卡的扫描器或阅读器

⏹无论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都是二进制位来表示的

（2）中央处理器（运算控制器）

⏹什么是处理器（processor）？

⏹能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：

⏹由数字电路组成，结构非常复杂

⏹所有电路都制作在大规模集成电路芯片上（仅几个平方厘米），称为“微处理器”（microprocessor）

（3）存储器

（4）输出设备

⏹输出设备：

1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容

⏹输出设备（outputdevices）

显示器——输出文字、符号和图形

打印机——打印文字、符号和图形

扬声器——输出声音

绘图仪等

（5）总线（bus）

⏹功能：

⏹用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路

⏹分类：

⏹CPU总线（或前端总线）：

用于连接CPU和内存储器的总线

⏹I/O总线：

连接内存和I/O设备（包括外存）的总线

计算机的分类

⏹关开嵌入式计算机：

把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机”

2.2CPU的结构与原理

迄今为止，我们使用的计算机大多是匈牙利数学家冯。

诺依曼提出的“存储控制程序”的原理工作的。

“存储程序控制”原理

指令：

⏹CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言

CPU的性能指标：

衡量CPU的性能：

计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢

计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素

CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：

a）计算每秒钟可执行的指令数目（单位：

MIPS、MFLOPS）

巨型计算机：

几十万亿～几百万亿次基本运算/秒

个人计算机：

几千万～几亿次基本运算/秒

（其中，基本运算指的是：

四则运算和∧，∨等逻辑运算）

b）PC大多以常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的运行速度来测试CPU的性能，例如：

游戏性能测试程序:

3DMark

整体综合性能测试程序:

PCMark

提高CPU性能的3大措施:

1改进CPU结构；2提高IC速度（主频）；3增加CPU（核）的数目

其它方法≤扩展CPU的字长：

32位－>64位

扩充CPU指令系统：

SSE指令

提高CPU主频：

从1.5GHz－>3GHz以上，目前最高已经接近4GHz；

加快CPU前端总线的数据传输速率

增大cache存储器容量、增加cache的级数

改进CPU内部的逻辑结构

超标量结构（多个执行部件）

指令流水线执行技术

超线程技术

采用多内核结构≥

2.3PC机的主机

主板、芯片组与BIOS：

⏹主板的作用：

安装所有的电子器件、电路与连接件

⏹主板内容：

CPU插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、BIOS、COMS存储器、辅助芯片和若干用于连接外设的I/o接口

⏹主板上有两块特别有用的集成电路：

闪烁存储器（Flashmemory）（存放最基础的软件——基本输入/输出系统（BIOS））、CMOS存储器（存放硬件配置信息和系统基本参数（日期、时间、口令等））

⏹CMOS芯片是一种易失性存储器，由主板电池供电，关机后不会丢失所存储的信息

⏹芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽

芯片组由2块超大规模集成电路组成：

北桥芯片

1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽

南桥芯片：

1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线（PCI总线）功能；3.提供了各

种I/O接口

⏹芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套

⏹由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能

⏹BIOS（BasicInput/OutputSystem）

中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片

中的一组机器语言程序

⏹BIOS功能：

◆诊断计算机故障

◆启动计算机工作

◆控制基本外设的输入输出操作（键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等）

⏹BIOS芯片

保存BIOS的只读存储器（ROM）芯片

⏹BIOS芯片中包含的程序

◆加电自检程序程序（POST）

（PowerOnSelfTest）用于检测计算机硬件故障

◆系统自举程序（Boot）

启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态

◆CMOS设置程序

设置系统参数：

日期、时间、口令、配置参数等

◆常用外部设备的驱动程序（Driver）

实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制

内存储器：

2.4常用输入设备

键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机、条形码扫描器、磁卡阅读器、IC卡读卡器等

注：

DELETE删除光标右边的字符，backspace删除左边的字符

F1-F2功能键的功能由操作系统及运行的应用程序决定

printscreen记录屏幕映像并复制到剪贴板

ALTprintscreen记录当前窗口并复制到剪贴板

键盘：

有线：

按键后发出不同的信号，这些信号由键盘内的电子线路转换成二进制码，通过ps2或USB输入到电脑

无线：

没有直接的物理连接，通过无线电波将信息传达到主机专用的接收器上

平板和手机使用使用的是“软键盘”（虚拟键盘）

鼠标：

两种接口：

ps2和USb

光电鼠标工作速度快，灵敏度高，分辨率可达800DPI

扫描仪：

2.5常用输出设备

2.6外存储器

显示器与显示卡

打印机

一般要300dpi才能让人满意

存储器：

硬盘存储器

⏹前几年PC大多使用并行ATA接口

⏹UltraATA100或UltraATA133接口，传输速率最高分别为100MB/s和133MB/s

⏹近两年开始大量采用SATA接口（150～300MB/s）

⏹串行传输方式，工作频率高（1.5GHz-3GHz）

⏹低电平差分信号，内嵌时钟信号

⏹传输线长度增加，插头插座体积缩小

U盘、存储卡和固态硬盘

光盘存储器

计算机软件

⏹程序是告诉计算机做什么和如何做的一组指令（语句），这些指令（语句）都是计算机能够理解并能够执行的一些命令

⏹程序的特性：

①用于完成某一确定的信息处理任务

②使用某种计算机语言描述如何完成该任务

③预先存储在计算机中，启动运行后才能完成任务

软件既包含程序、也包含与程序相关的数据和文档

应用软件按开发方式分为：

定制软件和通用软件

系统软件：

⏹基本输入/输出系统（BIOS）

⏹操作系统（如Windows、Unix、Linux等）

⏹程序开发工具与环境（如C语言编译器等）

⏹数据库管理系统（DBMS）

⏹实用程序（Utility，如磁盘清理程序、备份程序、杀毒软件、防火墙等）

操作系统（OS）是最重要的系统软件：

⏹OS为用户提供了一个操作使用计算机的友善的用户界面

⏹OS屏蔽了计算机中几乎所有物理设备的技术细节，为开发和运行其他软件提供了一个高效、可靠的平台

BIOS是存放在主板上只读存储器（flashROM）中的一组程序（也称为firmware,固件）

⏹主要包含4个部分：

⏹加电自检程序（诊断计算机故障）

⏹系统自举（装入）程序（装入并启动OS工作）

⏹CMOS设置程序（设定和修改计算机配置）

⏹基本外围设备的驱动程序（控制基本的I/O操作）

⏹计算机断电后，BIOS程序和CMOS中的数据仍保持不变

⏹需要时BIOS程序可以升级（update）

热启动{Ctrl}+{Alt}+{Delete}

前台任务与后台任务的区别：

⏹前台任务对应的窗口（活动窗口）位于其它窗口的前面

⏹活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深（深蓝色）

⏹CPU的管理：

让CPU轮流为所有任务服务

虚拟存储器（VirtualMemory）：

解决的问题是

1.为每个任务分配存储空间，任务结束之后收回存储空间

2.对存储空间进行保护

⏹保护操作系统所在区域不被应用程序修改

⏹保护每个应用程序的私有区域不被其他程序修改

3.对存储空间进行扩充，使应用程序的存储空间不受实际存储容量大小的限制

文件的名字由两部分组成：

（主文件名）[.扩展名]

算法的表示方法：

⏹文字叙述

⏹流程图表示

⏹伪代码描述

算法要满足的性质：

①确定性：

算法中每一步操作的含义必须清楚明确，无二义性

②能行性：

算法中有待实现的操作都是计算机可执行的，即必须在计算机的能力范围之内

③有穷性：

算法在执行了有限步操作后必须结束

④算法结束后至少产生一个输出（包括参量或状态的变化）

程序是为了用计算机解决某个问题而采用程序设计语言编写的一个指令序列

网络：

⏹现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等

通信的三要素：

信源（信宿）、信道、信号

⏹通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号（或光信号）才能进行传输，其中这个信号有两种形式，模拟性号或数字信号

光纤通信：

利用光波携带信息在光纤中传输，达到通信目的

无线通信：

利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信

微波：

⏹微波：

300MHz～300GHz范围内的电磁波，直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站

⏹容量大、可靠性高

⏹建设费用低

⏹抗灾能力强

⏹应用：

长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等

卫星通信:

中继站在人造地球卫星上的一种微波通信

⏹优点：

通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定

缺点：

造价高、技术复杂、有较大延时

移动通信原理：

⏹每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割，又彼此交叠，形成整个移动通信服务网

⏹位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号

⏹所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信

⏹手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响

第二代移动通信（2G）：

⏹不足：

（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅适合传输语音和文字

（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求

第三代移动通信系统（3G）：

⏹不足：

发展慢、比例低（4.6%），按流量收费费用高

4G移动通信：

室内:

1Gbps，高速移動时:

100Mbps

频分多路复用举例：

广播电台节目、电视节目

⏹时分多路复用：

主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等

通信系统中“交换”：

把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来

⏹从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路

⏹常用的交换方式：

⏹电路交换

⏹分组交换

⏹计算机网络：

利用通信设备和网络软件，把位置分散的多台计算机连接起来的一个系统

网络操作系统（Networkoperatingsystem,NOS）是指运行在服务器上的操作系统，有时也称之为“服务器操作系统”

按网络所覆盖的地域范围可以分为：

⏹局域网（LAN）：

使用专用通信线路把较小地域范围（一幢楼房、一个楼群、一个单位或一个小区）中的计算机连接而成的网络

⏹城域网或市域网（MAN）：

作用范围在广域网和局域网之间，其作用距离约为5km～50km，例如一个城市范围的计算机网络

⏹广域网（WAN）：

把相距遥远的许多局域网和计算机用户互相连接在一起的网络。

广域网有时也称为远程网

网络的主要性能指标之：

数据传输速率即数据率（datarate），也称为比特率（bitrate），是计算机网络中最重要的性能指标，指数据链路中每秒传输的二进位数目

在计算机网络中，“带宽”指的是数据链路所能达到的“最高数据传输速率”，有时也称为“信道容量”

例：

数字图像传输时间的计算

假设数据传输速率为56kb/s，传输一幅分辨率为640×480的6.5万种颜色的未压缩图像的时间是：

（640x480x16）/56000=87.8秒

计算机网络有两种基本的工作模式：

⏹对等（peer-to-peer，简称P2P）模式

文件共享：

BitTorrent（BT下载），eMule（电驴），迅雷

即时通信：

QQ、MSNMessenger

流媒体服务：

Skype（网络IP电话）

对等协同计算

⏹客户/服务器（Client/Server，简称C/S）模式

局域网采用不同的拓扑结构：

总线型局域网（共享总线以太网）、环型局域网（令牌网、FDDI）

、星型局域网（交换式以太网）、树形局域网（千兆/万兆以太网）

MAC地址：

⏹以太网中，每台计算机都需要安装1块网卡，每块以太网卡都有1个全球惟一的编号，称为MAC地址，也称为该计算机的物理地址

MAC地址使用48位表示，

⏹在以太网上传输数据，也采用将数据分组（包）的方法，以太网上的分组，称为“MAC帧”

无线接入点（WirelessAccessPoint，简称WAP或AP）提供从无线节点对有线局域网和从有线局域网对无线节点的访问，实际上就是一个无线交换机。

网卡：

⏹10Mbps网卡（10Base-T）

⏹100Mbps网卡（100Base-T）

⏹10/100Mbps自适应网卡

⏹100/1000Mbps自适应网卡

802.11标准（Wi-Fi）

IP地址：

所有地址的长度都是32个二进位

“点分十进制”表示：

用4个十进制数来表示一个IP地址，每个十进制数对应IP地址中的8位（1个字节），相互间用小数点“．”隔开。

⏹路由器

把不同类型的网络互连成一个统一的网络

⏹路由器是一种能够连接异构网络的分组交换机，其作用是：

⏹按照路由表在网络之间转发数据包

⏹根据需要对数据包的格式进行转换

⏹

因特网服务提供商（ISP）例如：

江苏电信、南京广电、CERNET等

⏹域名系统（DomainNameSystem，DNS）

⏹将主机域名翻译为主机IP地址的软件，它是一个分布式数据库系统。

ADSL:

上行速度比下行慢

文件传输（FTP）：

WWW（WorldWideWeb）技术：

⏹什么是因特网防火墙（Internetfirewall）?

⏹用于将因特网的子网（最小子网是1台计算机）与因特网的其余部分相隔离,以维护网络信息安全的一种软件或硬件设备

⏹入侵检测（IntrusionDetection）是主动保护系统免受攻击的一种网络安全技术

⏹原理：

通过在网络若干关键点上监听和收集信息并对其进行分析，从中发现问题，及时进行报警、阻断和审计跟踪

⏹病毒程序的特点:

⏹破坏性

⏹隐蔽性

⏹传染性和传播性

⏹