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计算机科学导论
计算机学科入门书-《计算机科学导论》-Forouzan 也是大学计算机专业的基础课教材
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计算机科学导论
1. 绪论
2. 数字系统
3. 数据存储
4. 数据运算
算术运算
加减乘除……
移位运算
逻辑移位运算
逻辑移位
向左或向右移动一个位置
循环移位
向左（右）移动一位，最左（右）位移到最右（左）位
算术移位运算
右移
相当于保留符号位，对整数除以2
左移
相当于保留符号位，对整数乘以2
逻辑运算
或
使指定位置1
与
使指定位置0
非
异或
使指定位反转
……
5. 计算机组成
CPU
算术逻辑单元（ALU）
对数据进行逻辑、移位和算数运算
控制单元
发送到其他子系统的信号实现控制
寄存器组（快速存储单元）
数据寄存器
用来存储输入数据和运算结果
指令寄存器
从内存中逐条地取出指令，并将取出的指令存储在指令寄存器中
程序计数器
保存着当前正在执行的指令，当前指令执行完成后，计数器自动➕1，指向下一条指令的内存地址
主存储器
存储单元（每个存储单元都有唯一的标识—地址）的集合
地址空间
所有在存储器中标识的独立的地址单元总数称为地址空间
存储器类型
随机存取存储器（RAM）
SRAM（静态RAM）
用传统的触发器门电路保存数据
不需要周期性写入，价格较贵
DRAM（动态RAM）
使用电容器
电容器会漏电，需要周期性写入
只读存储器（ROM）
PROM（可编程只读存储器）
EPROM（可擦除的可编程只读存储器）
EEPROM（电可擦除的可编程只读存储器）
I/O系统
非存储设备
键盘和监视器
打印机
存储设备(辅助存储设备)
磁介质
磁盘
表面结构
每个盘面都被划分成磁道，每个磁道又分成若干个扇区。磁道间、扇区间都有间隔隔开
数据存储
随机存储
性能
寻道时间
角速度
传送时间
磁带
表面结构
分成9个磁道，一竖溜的可以存储8位信息，还有一位用作错误检测
数据存储
顺序存储设备
性能
光介质
只读光盘（CD-ROM）
制造
a.首先是使用高能红外激光在塑料涂层上刻写位模式来制造主盘。激光使位模式变成一系列的坑（有洞）和纹间表面（没有洞）。坑通常表示0,纹间表面则通常表示1。但这也只是一种规则，也可以反过来表示。另一种方法是将过渡部分（坑到洞或者洞到坑）表示1,而非过渡部分表示0。
b.然后依照主盘，做成相应的模盘。在模盘中，坑（洞）则由凸起代替。
c.溶解的聚碳酸酯树脂被注入到模盘中以产生像主盘中一样的坑，同时把一层非常薄的铝（作为一层反射表面）加到聚碳酸酯树脂上，然后在反射表面的上面还要加上一层保护漆和标签
读
CD-ROM依靠来自计算机光驱的低能激光束读信息，激光束经过有纹间表面时会被铝质的表射层反射回来。经过坑处时会被反射两次，一次是被坑的边缘反射，另外一次是被铝质表射层的边界反射，这两次反射有破坏性的影响。因为坑的深度是精确选定的，为激光束波长的1/4。换言之，装在驱动器上的感应器对于某个点是纹间表面时，应该探测到多一些的光信号，反之是坑时就少一点；这样它才可以读出记录在原始主盘上的信息。
格式
CD-ROM格式基于： a.使用汉明码的纠错技术将8位的数据块转换成14位的符号。 b.一个帧由42个符号组成（14位/符号）。 c.一个扇区是由96个帧组成（2352个位）。
速度
单倍速（1x）是153600位/秒
可刻录光盘（CD-R）
制造（与CD-ROM不同在于：）
a.不需要主盘或模盘。
b.反射层材料用金取代了铝。
c.盘片聚碳酸酯树脂上没有坑（洞）,盘片上的坑和纹间表面是模拟出来的。为了模拟坑和纹间表面，在聚碳酸酯和反射层之间额外添加了类似用于相片中的某种染料。
d.由刻录机所产生的高能激光束在染料层上烧制深色的点（改变化学组成）,用来模拟坑，没有被激光所照射的区域就是纹间表面。
读
格式
速度
与CD-ROM相同
可重写光盘（CD-RW）
制造（与CD-R不同于：）
a.该工艺使用了银、锢、锑和碲的合金而不是染料。这种合金材料有两种稳定的状态：晶体态（透明态）和无定型态（不透明态）。
b.驱动器使用高能激光束在合金上创建模拟的坑（由晶体态变成无定型态）。
擦除
驱动器用中等能量的激光束将坑变为纹间表面，激光束将该点从无定型态转变成晶体态
读
格式和速度
与前两个相同
数字多功能光盘（DVD）
与CD-ROM的不同
a.坑更小：直径只有0.4微米，而CD中直径为0.8微米。
b.磁道间更为紧密。
c.激光束用红激光代替了红外激光。
d.DVD使用1到2个存储层，并且可以是单面或者双面的。
使用MPEG压缩，单面的DVD可以存储133分钟的高品质视频。
子系统间的互连
CPU和存储器的连接
数据总线
每根线传送1个位的数据，线是数量取决于该字的大小
地址总线
线数取决于存储空间的大小
控制总线
线数取决于计算机所需要的控制命令总数
I/O设备的连接
I/O设备是通过被称为输入/输出控制器或接口的器件连接到总线上
控制器
SCSI
小型计算机系统接口，它提供了菊花链连接，连接端的两端必须有终结器，并且每个设备都必须要有唯一的地址
火线
IEEE标准1394规定的串行接口，俗称为火线。它是一种高速的串行接口，数据采用数据包的形式传送，数据的传输速度高达50MB/秒。它可以在一条菊花链或树型连接（只用一根线）上连接多达63个设备。它不需要SCSI控制器中那样的终结器。
USB
通用串行总线。
…………
I/O设备的寻址
I/O独立寻址
用来读/写内存的指令和用来读/写输入/输出的指令是完全不同的
I/O存储器映射寻址
CPU将输入/输出控制器中的每个寄存器都看做是内存中的某个存储字
程序执行
机器周期
取指令
在取指令阶段，控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到CPU的指令寄存器中。被复制指令的地址并保存在程序计数器中。复制完成后，程序计数器自动加1指向内存中的下一条指令。
译码
产生一系列系统可以执行的二进制代码
执行
译码完成后，控制单元发送任务命令到CPU的某个部件
I/O操作
程序控制输入/输出
中断控制输入/输出
直接存储器存取
不同的体系结构
CISC-复杂指令集计算机
RISC-精简指令集计算机
流水线
并行处理
SISD
单指令流，单数据流
SIMD
单指令流，多数据流
MISD
多指令流，单数据流
MIMD
多指令流，多数据流
6. 计算机网络
物理结构
连接类型
点对点
点对多点
物理拓扑
网状型
星型
总线型
环型
网络分类
局域网（LAN）
广域网（WAN）
城域网（MAN）
网络互联在一起构成了互联网，最著名的互联网是因特网
TCP/IP协议族 （例如：第3层使用第2层提供的服务，其自身为第4层提供服务）
应用层
应用层允许用户（个人或软件）访问网络
客户/服务器体系结构
客户端程序
服务器端程序
应用层地址
客户端进程通过域名服务器（DNS）询问他所需要的服务器的实际IP地址
对等体系结构
传输层
传输层负责整个消息的进程到进程的传输-建立客户和服务器计算机的传输层逻辑通信
传输层的地址（端口号）
类比：假定社区中的每个人都生活在大楼的公寓里。为给特定的人发送消息，我们需要知道大楼的地址和公寓的号码。IP地址与大楼地址相似，而端口地址与公寓号码类似。
多路复用和解多路复用
传输层为不同进程作相同的工作，他从进程中收集要发出的信息，并将到达的信息分发给进程 因此，计算机中的端口号要唯一。服务器进程使用众所周知的端口号，而客户端进程使用传输层指定的临时端口号
拥塞控制
消息在发送前存储在换从区中，如果传输层检测到网络上有拥塞，就暂缓发送，类似于红绿灯
流量控制
检查接收者接受的数据包是否过量
差错控制
传输层可以在缓冲区 （临时存储）中保留消息的副本，直到它从接收者那里接收到包无损坏到达和次序正确的确认。 如果在预期的时间内没有确认到达或有否定确认（表示数据包被损坏）到达， 那么发送者就 重新发送数据包。 为了能够检查包的次序， 传输层给每个包加上了次序号 ， 给每个确认加上 了确认号。
传输层协议
UDP（用户数据报协议）
UDP完成多路复用和解多路复用（通过给数据包增加源和目的端口号） 并通过给包增加检验和进行差错控制 UDP不提供单个消息的数据包间的逻辑连接
TCP（传输控制协议）
TCp是支持传输层所有职责的协议
SCTP（流控制传输协议）
SCTP是一个新的协议，它是为了一些预期的因特网服务而设计的，如因特网电话和视频流。这个协议结合了UDP和TCP的优点。像UDP一样，SCTP适合用干音频和视频的实时传输；像TCP一样.SCT}1是供差错控制和流最控制。
网络层
网络层负责单个数据包从源主机到目的主机的发送
网络层地址
网络层使用它的路由表找到下一跳（路由器）的逻辑地址，把这个地址传递给数据链路层
路由选择
路由器选择是指确定数据包的部分或全部路径。 当一个路由器接收到一个数据包时，检查路由表，决定这个数据包到最终目的地的最佳路线
如何更新路由表？ 是由路由选择协议（RIP/OSPF/BGP）完成
网络层协议
IP（因特网协议）（主协议）
辅助协议
ICMP（因特网控制消息协议）
IGMP（因特网小组管理协议）
ARP（地址解析协议）
RARP（反向地址解析协议）
数据链路层
数据链路层负责数据帧的节点到节点的发送
数据链路层地址 |（通常被称为物理地址或介质访问控制地址-MAC地址）
静态方法
设备创建具有两列的表，用于存储网络层和数据链路层地址对
动态方法
设备可以广播一个含有下一个设备IP地址的特定数据包，并用这个IP地址询问邻近节点，邻近节点返回它的数据链路层地址
差错控制和流量控制
方法和传输层相同。但是，他只在节点出发点和节点到达点间实现
物理层
帧中的每个单位被转化为电磁信号，通过物理介质（无线或电缆）传播
7. 操作系统
8. 算法
9. 程序设计语言
10. 软件工程
11. 数据结构
12. 抽象数据类型
13. 文件结构
14. 数据库
15. 数据压缩
16. 安全
17. 计算理论
18. 人工智能