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

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