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计算机理论基础整理
第一章：
信息技术概述
1.1：
信息与信息技术
1.1.1信息与信息处理
控诉论的创始人：
维纳信息就是信息，既不是物质也不是能量。
信息的定义：
客观世界中各种事物运动运动状态和变化内容的反映，是认识主体对客观事物状态和变化的感知。
客观世界的三大构成要素：
信息、物质与能量。
人信息处理的过程：
获取信息、传递信息、加工（处理）信息和施用信息。
缺点：
算不快，记不住，传不远，看不清，听不清。
信息处理包括哪些行为和活动：
A．信息的收集：
信息的感知，测量，获取，输入
B．信息的加工：
分类，计算，分析，综合，转换，管理
C．信息的存储:
书写，摄影，录音，录像
D．信息的传递：
邮寄，出版，电话，广播电视，短息，博客，微信
E．信息的施用：
控制，显示，导航，机器人
1.1.2信息技术和信息产业
信息技术：
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。
现代信息技术的主要特征：
以数字技术为基础，软件与通信技术为核心，采用微电子和光电子器件。
信息产业：
从事信息技术开发，设备与产品的研制生产以及提供信息服务的若干部门的总称。
A信息设备制造B信息服务C信息内容产业D信息基础设备
1.1.3信息化与信息社会
信息化的作用：
A对传统产业进行改造，极大地提高了传统产业的劳动生产率;B孕育和催生了许多新兴产业;C推进了管理扁平化和社会的信息化；D推动经济全球化。
1.2数字技术基础
1.2.1信息的基本单位——比特
比特（符号b）只有两种状态“0”“1”，中文为二进位数字
例如：
电平的高低，电流的有无等
每个字节包含八个比特（字节的符号B）
1.比特的存储
A比特存储在触发器里（一种双稳电子线路）一个触发器可以存储一个比特
B电容器
C利用盘片在光滑表面上的微小凹坑记录
2.比特与二进位
3.信息在计算机中的表示
（1）无符号整数自然码
（2）带符号整数0~2
-1；“0”表示正数（+）“1”表示（-）；正数为负的需要用补码（原码取反加1）
缺点：
不直观
（3）文字符号的表示
西文字符（ASCII码）：
美国信息交换标准码，一共有128个字符，包括96个可打印字符和32个控制字符。
每个字符使用七个二进位进行编码，最高位在计算机内部保持为0，采用“奇偶校验位”
4.比特的运算
逻辑加，逻辑乘和取反。
有1便是1——逻辑加；有0表示0——逻辑乘
1.3：
微电子技术简介
1.3.1微电子技术与集成电路
微电子技术：
实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术。
是信息技术的关键，是发展电子信息产业和各项高技术的基础。
A集成电路（微电子技术的核心）：
小规模集成电路（SSI）电子元件数目小于100;中规模集成电路（MSI）电子元件数目在100~3000；大规模集成电路（LSI）在3000~10万；超大规模集成电路（VLSI）在10万~100万；极大规模集成电路（ULSI）超过100万。
通常VLSI和ULSI统称为VLSI。
例如：
手机数码相机计算机等电子设备使用的微处理器存储器图片加速芯片等都是超大规模和极大规模集成电路。
B按照晶体管结构电路和工艺的不同分为双极型集成电路金属氧化物半导体（MOS）集成电路双极——金属氧化物半导体集成电路
C根据功能：
数字集成电路模拟集成电路
D用途：
通用集成电路专用集成电路
1.3.3集成电路的发展趋势
特点：
体积小功能低速度快可靠性高
工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。
发展趋势：
晶体管尺寸缩小硅抛光片面积增大。
Moore定律：
单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻新一次。
1.3.4IC卡
IC的特点：
防盗保密性强存储信息大
IC卡中的集成电路芯片分为两类：
A存储器卡（校园卡之类）BCPU卡（SIM卡银行卡）
IC卡使用方式的两种分类：
A接触式IC卡B非接触式IC.
第二章计算机组成原理
2.1计算机的组成与分类
2.1.1计算机的发展与作用
现在的计算机发展正迈向智能化，以知识处理为核心，模拟或部分代替人的智能活动为目标。
1.计算机的作用和影响
计算机是一种通用的信息处理工具
特点:
速度快通用性强存储容量大互连互通和互操作
影响：
A应用于科学，大大增加了人类认识自然以及开发改造和利用自然的能力，促进现代科技的发展；B手工农业，显著提高了人类物质生产水平和社会劳动生产率，促进了科技的高速发展；C社会服务，全面扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步；D教育文化，为人类传承并创造知识与文化提供了现代化工具，改变了人们创造和传播文化的凡是和方法，大大扩展了人类文化活动的领域，丰富了文化内容，提高了质量；E办公和家庭，改变了人们的工作和生活方式。
危机：
A个人隐私B信息欺骗和计算机犯罪C知识产权的保护D不良和有害信息肆意传播和泛滥E产生大量电子垃圾污染环境破坏生态。
2.1.2计算机的逻辑组成
计算机硬件：
计算机系统中所用实际物理装置的总称；计算机软件：
计算机运行过程中各种程序及其数据的处理和相关的文档。
数据：
程序所处理的对象；文档：
软件设计报告，操作使用说明等
逻辑上硬件主要包括：
中央处理器（CPU）主存储器辅助存储器输入设备和输出设备，它们通过总线互相连接。
外围设备（外设）：
输入输出设备和辅助存储器
特点：
复杂性多样性层次性模块化
变化：
集中到分散；存储器到主辅助存储器;CPU通信到总线通信。
（1）输入设备：
用于向计算机输入命令、数据、文本、声音、图像和视频等信息，如键盘、鼠标、扫描仪等。
二进位表示
键盘鼠标触摸屏麦克风传感器条码磁卡IC卡的扫描仪和读卡器等
（2）中央处理器（CPU）：
承担系统软件和应用软件运行任务的处理器（一台计算机的核心组成部件）。
处理器：
能够高速执行指令，完成二进制数据的算术逻辑运算和数据传送的部件。
特点：
A数字电路组成的结构很复杂；B超大规模的集成电路
微处理器：
所有电路都集中在一块几个平方厘米的半导体芯片上的处理器。
CPU和CPU芯片的区别：
CPU逻辑上是一片：
CPU芯片是两个四个甚至更多个CPU在同一个芯片上。
（1）主存储器和辅助存储器
两者的区别
内存储器
辅助存储器
存取速度
很快
相对较慢
存储内容
相对较大
很大
性质
按字节编址和访问
断电后信息消失
按字节编址和访问
断电后信息保留
用途
存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据
长期存放计算机系统几乎所用的信息
与CPU的关系
CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出来
程序及相关数据必须先进入内存后才能被CPU使用
（3）输出设备：
把计算机中用“0”和“1”表示的信息转换成人可直接识别和感知的形式（如：
文本、语音、音乐、图像、动画等形式），例如显示器、打印机、扬声器等。
（4）总线与I/O接口
总线：
连接CPU主存辅存和各种输入/输出设备
CPU总线：
用于连接CPU和主存的总线
I/O总线：
连接主存和I/O的总线
2.1.3计算机的分类：
内部逻辑结构：
16位机32位机或64位计算机；计算机的性能和用途
（1）巨型计算机——超级计算机；
（2）大型计算机；（3）服务器：
网络中专门为其他计算机提供资源和服务的那些计算机；（4）个人计算机：
台式和便携式；（5）嵌入式计算机：
嵌入式计算机促进了各种消费电子产品的快速发展和更换时代
例如：
手表手机玩具游戏机照相机音响录放像机微波炉通讯设备。
2.2CPU的结构与原理
2.2.1CPU的作用与组成
CPU的作用:
从内存中一条一条地取出指令和相应数据，按指令操作码的规定，对数据进行数据处理，直到程序执行完毕为止。
CPU的根本任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的基本运算和处理。
CPU的结构分为三部分组成：
（1）寄存器组：
速度快，临时存放参与运算的数据和运算得到的中间（或最后）结果。
需要运算器处理的数据先从内存传到寄存器组；运算结果不需要继续参加运算时就从寄存器保存到内存。
（2）运算器；（3）控制器：
用来存放CPU正在执行指令的地址。
2.2.2指令与指令系统
指令：
构成程序的基本单位，采用二进位
（1）操作码：
（2）操作数地址
执行指令的过程：
取指令指令译码执行指令修改指令
2.2.3CPU的性能指标：
字节主频高速缓存的容量与结构指令系统逻辑结构CPU核的个数
提高CPU的措施增加核的数量；增加地址码：
加快主频频率；增加容量
第三章：
计算机软件
3.1概述
3.1.1什么是计算机软件
程序：
告诉计算机做什么和如何执行指令
特点：
1.完成某一确定的信息处理任务；2使用计算机语言描述如何完成该任务；存储在计算机中，并启动运行（被CPU执行）后才能起作用
数据：
计算机中程序所处理的对象和处理后所得到的结果，必须使用的一些参数。
程序和数据具有相对性
软件：
程序及程序有关的的数据和文档
文档：
与程序开发，维护和操作有关的的一些资料。
程序和软件本质上是相同的。
3.1.2计算机软件的特征
1.不可见性2.适用性3.依附性4.复杂性5.无磨损性6.易复制性7.不断演变性8.有限责9.脆弱性
3.1.3计算机软件的分类：
系统软件和应用软件
系统软件：
1.为用户管理与使用计算机提供方便；2.给应用软件与运行提供支持：
3.为了安全有效地使用计算机系统
基本系统软件：
基本输入输出系统（BIOS）；操作系统（WindowsiOS）；程序设计语言处理系统（C语言编译器）；数据库管理系统（ORACLE，Access）；常用的实用程序（磁盘清理程序，备份程序，杀毒软件）
特征：
1.与计算机硬件关系密切，对硬件资源进行统一的控制调度和管理：
2.基础性和支撑作用，应用软件的运行平台;3.是通用计算机必不可少的；4.供应商会提供一些程序软件。
应用软件：
是专门为用户解决各种具体应用，完成特定任务的软件。
分类：
通用应用软件；定制应用软件
通用应用软件:
文字处理软件；电子表格软件；演示软件；网页浏览软件；音视频播放软件；通信与社交软件；个人信息管理软件；购物及支付软件；游戏软件
定制应用软件:
是按照不同领域用户的特定用户的特定应用要求而专门设计开发的软件。
商品软件：
付费才能够使用版权；共享软件：
买前免费试用，允许拷贝和散发，；自由软件：
在规定协议下用户可以共享软件，用户修改代码后也必须向所有用户公开；免费软件：
大多数自由软件都是免费软件，但并非软件并不都全是自由软件。
3.2操作系统
3.2.1概述
1.操作系统的作用：
（1）为计算机中运行的应用程序管理和分配各种资源；
（2）为用户操作使用计算机提供友善的人机接口；（3）为程序的开发和运行提供一个高效率的平台。
2.操作系统的组成
操作系统：
一种规模庞大，技术复杂的软件产品
组成：
操作系统内核和其他许多附加的配套软件
操作系统内核：
提供任务管理存储管理文件管理和设备管理等功能的一组软件模块。
内核通常都驻留在内存中，以CPU的最高优先级运行，能执行系统中的特权指令，具体直接访问各种外设和全部主存空间的特权，负责对系统资源进行管理和分配。
3.操作系统的启动：
加电自检，检查工作状态是否正常；自举，将BIOS引导装入程序；COMSS进行辅助
3.3.2.2多任务与处理器管理
1.什么是多任务处理操作系统支持多个任务同时在计算机中进行。
计算机的三种状态：
未运行状态；前台状态；后台状态
3.2.3存储管理
1.存储管理的任务：
（1）为每个任务分配内存空间，任务终止之后再回收内存空；
（2）对内存空间进行保护：
保护操作系统所在区域不被应用程序随意访问和修改；保护每个任务的私有区域不被其他任务随意访问和修改；（3）提供内存空间共享：
允许一些存储区域被多个任务共享任务，提高内存的利用率；（4）对内存空间进行扩充，是任务的存储空间不受实际内存容量大小的限制。
2.虚拟存储技术：
操作系统中解决存储管理的有效方案
3.2..4文件管理
1.文件及其属性
文件扩展名：
Windows中可执行程序：
exe;图像文件：
jpg;音频文件：
mp3；视频文件：
mp4；文本文件：
txt
2.文件目录（文件夹）
树状文件
3.2.6常用操作系统介绍
1.Windows操作系统
类型：
WindowsNTWindowsXPWindows8Windows10
发展过程：
由商业化转型为家庭私人
特点：
Windows8既支持PC又支持平板电脑；
缺点：
系统不稳定情况多，系统对用户操作响应越来越慢，甚至死机，容易受到病毒等的攻击。
中央国家机关采购中曾规定“所有计算机类产品不允许安装Wingdows8操作系统。
2.UNIK和Linus操作系统
3.3.1算法
1.什么是算法：
解决问题的方法啊和步骤。
特点：
明确性；有穷性；能行性；输出
2.算法设计举例
（1）理解和确定问题；
（2）寻找解决问题的方法与规则，并将其表示成算法；（3）使用程序设计语言表达算法；（4）运行程序，寻找问题的解答；（5）对算法进行评估以求改进。
3.3.2程序设计语言：
人与计算机之间的通讯
分类：
机器语言；汇编语言；高级语言
机器语言：
类似于CPU指令系统，是一种在计算机上编写语言，并直接被计算机执行。
汇编语言：
利用助记符来代替机器指令中的操作代码，但是不够直观简便。
高级语言：
提高编写程序和维护程序的效率而产生的一种接近人们的自然语言的的程序设计语言。
3.几种程序设计语言介绍
（1）FORTRAN语言：
面向过程的数值计算的语言
（2）BASIC和VB语言
BASIC：
是初学者通用符号指令代码。
简单易学
VB：
在BASIC的基础上建立的，使用广泛
4.Java语言：
用于网络的面向对象的程序设计语言，许多APP都是由Java编写的。
5.C语言C++语言和Objective-C
UNIX操作系统就是由C语言编写的
C++语言既有数据抽象和面向对象能力，运行性能高，又能与C语言兼容。
3.3.3程序设计语言处理系统：
编译程序解释程序和汇编程序。
第四章：
计算机网络与互联网
4.1数字通信入门
通信：
各种信息之间的传递
电信：
使用光波或电波传递信息的技术
4.1..1通信的基本概念
1.通信系统的简单模型
通信的基本任务是传递信息，因此至少需要三个要素组成，即信息的发送者（信源）信息的接收者（新宿），携带了信息的电（光）信号以及信息的传输通道（信道）
电（光）信号的两种形式：
模拟信号和数字信号。
模拟信号：
传输过程中易受到干扰，传输质量也不够稳定。
数字信号：
抗干扰能力强，差错可控制，可靠性好，方便对信号加密和安全性能够得到保证。
2.有线通信
根据传输的介质：
有线通信和无线通信
有线通信使用金属导体或光导纤维。
金属导体利用电流传输信息，光导纤维通过光波传输信息；无线信息通过电磁波在空间传播。
（1）电缆通信
双绞线：
成本低；易受到外部高频电磁波干扰，误码频率高；传输距离有限
屏蔽双绞线：
远距离的数据传送；无屏蔽双绞线：
价格便宜
同轴电缆：
传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高。
（2）光纤通信：
传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性好，不易被窃听，重量轻，便于铺设；稍差，精确连接两根光纤比较困难。
3.无线通信
（1）微波通信：
利用电磁波在空间进行信息的传输。
自由空间：
建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便；容易被窃听和感受到干扰。
（2）移动通信
代表——手机（个人移动通信系统）
过程：
4.1.2调制解调和多路复用技术
1.调解解调技术
载波：
高频正弦波信号携带的信息。
调制：
信息传输时，利用信源信号去调整（改变）载波的某个参数（幅度频率或相位）的过程。
解调：
调制后的载波携带着被传输的信号在信号道中进行长距离传输，到达目的地时，接收端再把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号的形式的过程。
载波信号：
频率比被传输信号（称为基带信号或调制信号）高得多的正弦波
调制的三种方法：
幅度调制频率调制和相位调制。
调制解调器：
调制器和解调器集成在一起的设备。
2.多路复用技术：
为了提高传输线路的利用率，让多路信号同时共用一条传输线进行传输的技术称多路复用技术。
“时分多路复用”：
以事先规定的顺序轮流使用同一传输线路进行数据（或信号）传输。
频分多路复用：
及那个每个信号源发送的信号调制在不同频率的载波上，通过多路复用技术将它们复合成一个信号在传输线路上进行传输。
波分多路复用
频分多路复用技术
异步时分多路复用
4.1.3交换技术
1.电路交换与分组交换
电路交换技术
特点：
在通话的全部时间内用户开始占用端到端的传输信号。
分组交换技术：
针对数据通信的的特点而提出的一种交换技术。
交换：
从通信资源分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路。
过程：
源计算机把要传输的数据划分为若干适当大小的数据块，为每个数据块加上收发双方的地址数据块的编号检验信息等有关信息（头部），组成一个一个的“包”（分组），然后以包为单位通过网络向目的计算机发送。
到达目的计算机之后，由计算机接受和处理。
2.分组交换机与存储转发
分组交换机的基本工作模式是存储转发：
每当交换机从端口收到一个包去，就检查该数据包要送达的目的计算机地址，然后查表决定应该由哪个端口转发去。
存储转发技术：
端口每发送完一个包，就从缓冲区中提取下一个包进行发送。
计算机网络采用分组交换和存储转发技术的好处：
（1）传输线路的利用率高
（2）数据通信可靠（3）灵活性好
3.分组交换的应用
几乎所有数据通信网都采用分组交换技术
由于用途不同，传输技术不同，拓扑结构不同等因素，不同类型网络对于帧（包）的格式和计算机编址方案等均有不同的规定。
4.2计算机网络基础
4.2.1计算机网络的分类与组成
1.计算机网络及分类
（1）数据通信
（2）资源共享（3）实现分布式信息处理（4）提高计算机系统的可靠性和可用性
网络的分类：
局域网LAN城城网MAN（市域网）广域网WAN（远程网）
2.计算机网络的组成
（1）计算机（终端设备）
（2）数据通信链路（3）网络协议（4）网络操作系统和网络应用软件。
目前网络操作系统主要三大类：
Windows系统的服务器版本；UNIX系统，稳定性和安全性好；Linux操作系统，源代码开放
3.计算机网络的工作模式
服务器：
提供资源的计算机
客户机：
使用资源的计算机
对等（P2P）模式和客户/服务器（C/S）模式
4.2.2局域网的基本原理
特点：
为一个单位所拥有，自建自管，地理范围有限；使用专门铺设的传输介质进行连网和数据通信；数据传输速率高，延迟时间短，误码率低
1.局域网组成MAC地址与数据帧
计算机局域网的逻辑组成：
网络工作站（PC智能手机）网络服务器网络打印机网络接口卡传输介质（双绞线光缆无线电波）网络互联设备（通信控制器如集线器交换机）
4.2.3常用网络
传输介质：
有线无线；拓扑结构：
星型环形总线混合；访问控制方法：
以太网FDDI网和令牌网
1.共享式以太网
2.交换式以太网，采用星型拓扑结构
3.千（万）兆位以太网：
学校企业等采用性能由高到低的树状网
4.无线局域网
4.3互联网的组成
4.3.1网络分层结构与TCP/IP协议
1.网络为什么要分层：
灵活好用：
各层之间相互独立：
层与层可以分割；实现和维护；能促进标准化
2.TCP/IP网络协议
国际标准分七层，TCP/IP分为四层：
应用层传输层网络互联层和网络接口层
4.3.2IP协议与路由器
1.IP地址
主机：
互联网的终端
网络号：
A类1~126；B类128~191；C类192~223
主机号：
子网掩码是一个32位的代码，其中与IP地址中的网络号对应位置处的二进位是“1”，与主机号对应位置的二进位是“0”
2.IP数据报：
头部和数据区
头部信息：
为了确定在网络中进行数据传输的路由器，内容包括：
发送数据报的计算机的IP地址；接受数据报的计算机的IP地址；IP协议的版本号（目前使用的还是IPv4——四个字节（32个进位）；头部长度（以32未为单位指出数据报头部的长度）；数据报长度（整个数据报的长度，即头部长度加上数据区的长度）；服务类型（指出发送数据的计算机对数据传输的要求）
3.路由器：
异构网络的关键设备。
一个路由器通常连接两个以上的网络，连接哪个及分配到那个IP地址
4.3.3互联网的发展及组成
1.互联网的发展：
起源于美国国防部ARPANET计划后来覆盖了全美国主要的大学和研究所，最后演变到了商业运营。
互联网的三层结构：
第一层覆盖国家；第二层用户；第三层是地区性。
对于单位：
ISP通常分配一批地址，单位的网络中心再对网络中的每一台主机指定其子网号和主机号，是每台计算机都有固定的IP地址；对于家庭用户：
ISP一般不会分配固定的IP地址,而是采用动态分配的方法。
即上网时分配一个临时的IP地址，下线时收回给其他用户使用。
2.主机地址和域名系统
IP地址可以用4个十进制数表示。
WWW主机名nju网络号edu机构名cn国家/地区名
4.3.4互联网的接入
城域网的主干是采用光纤传输技术的高速宽带网，一方面与国家主干网连接，提供城市的宽带IP出口，另一个方面又汇聚着若干个接入网。
1.电话拨号接入
2.ADSL接入
特点：
一条电话可同时接听拨打电话并进行数据传输，两者互不影响；虽然是用原来的电话线，但是ADSL传输的数据并不通过电话交换机，所以ADSL上网不需要额外的电话费；ADSL的数据传输速率是根据线路的情况自动调整，所以是以尽力而为的方式进行数据传输。
3.有线电视接入
4.光纤接入
5.无线接入
4.4互联网提供的服务
4.4.1互联网通信
1.电子邮件
每一个电子邮件都有一个唯一的邮件地址，组成：
头部正文。
执行SMTP协议或者是POP3或IMAP4协议
2.即时通信和微信
3.文件传输服务FTP
什么是FTP？
把网络上一台计算机中的文件移动或拷贝到另一台计算机上。
文件传输协议FTP
4.4.2WWW信息服务（万维网环球网Web网3W网）
1.网站和网页
网站：
互联网上用于展示特定内容的一组相关网页的集合。
网页：
一种超文本文档，由文字图像音频视频脚本程序等组成。
2.URL和HTTP协议
URL表现形式：
http:
//域名或IP地址【：
端口号】/文件路径/文件名
HTTP协议传输的网页数据是未加密的，也就是说用明文进行传输的。
4.4.3Web信息处理系统
1.静态网页与动态网页
静态网页是内容基本不变的网页，且每个网页还是一个单独的文件。
动态网页是网页向用户提供的数据随时都可能发生更改。
4.5网络信息安全
（1）真实性鉴别；
（2）访问控制；（3）数据加密；（4）数据完整性；（5）数据可用性；（6）防止否认；（7）审计管理
4.5.1数据加密和数字签名
1.数据加密
目的：
在网络通信即使被窃听的情况下也能保证数据安全。
加密的基本思想：
改变符号排列方式或按照某种规律进行替换。
加密系统的组成部分：
（1）未加密的报文；
（2）加密后的报文；（3）加密解密算法；（4）加密解密的密钥
加密算法：
每一个英文字母被替换为字母表中排列在其后的第k个字母；解密算法：
每个英文字母被替换为字母表中在其后前面的第k字母。
2.数字签名
4.5.2身份认证数字证书与访问控制
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