计算机科学导论15重点.docx
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计算机科学导论15重点
第1章概述
1．什么是计算机系统？
P8
计算机系统是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统，由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。
2．请解释冯•诺依曼所提出的“存储程序”概念。
P9
把程序和数据都以二进制的形式统一存放在存储器中，在执行程序时由控制器从存储器中快速的提供给处理机，由机器自动执行。
不同的程序解决不同的问题，实现了计算机通用计算的功能。
3．控制器的主要功能是什么？
P9
控制器基本功能就是从内存中取出指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。
另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。
4．简述CPU和主机的概念。
通常把运算器、控制器做在一个大规模集成电路块上称为中央处理器，又称CPU（CentralProcessingUnit）。
通常把内存储器、运算器和控制器合称为计算机主机，也可以说主机是由CPU与内存储器组成的，而主机以外的装置称为外部设备，外部设备包括输入/输出设备，外存储器等。
5．什么是计算机软件？
计算机软件的分类有哪些？
P10
软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术文档。
计算机软件系统分为系统软件和应用软件。
计算机系统软件由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等组成，指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到预定的目标。
应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件，包括用户程序及其说明性文件资料。
6．计算机有哪些主要的特点？
P11
（1）运算速度快、精度高
计算机的字长越长，其精度越高，现在世界上最快的计算机每秒可以运算几十万亿次以上。
一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。
（2）具有逻辑判断和记忆能力
计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力。
能够进行各种逻辑判断，并根据判断的结果自动决定下一步应该执行的指令。
（3）高度的自动化和灵活性
计算机采取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算机，机器便可依次逐条执行，这就使计算机实现了高度的自动化和灵活性。
7．计算机的分类有哪些？
P12
根据计算机工作原理和运算方式的不同，以及计算机中信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为数字式电子计算机（DigitalComputer）、模拟式电子计算机（AnalogComputer）和数字模拟混合计算机（HybridComputer）。
当今广泛应用的是数字计算机，因此，常把数字式电子计算机（ElectronicDigitalComputer）简称为电子计算机或计算机。
按计算机的用途可分为通用计算机（GeneralPurposeComputer）和专用计算机（SpecialPurposeComputer）两大类。
通用计算机能解决多种类型问题，是具有较强通用性的计算机，一般的数字式电子计算机多属此类；专用计算机是为解决某些特定问题而专门设计的计算机，如嵌入式系统。
根据计算机的总体规模对计算机分类，可分为巨型机（SuperComputer）、大/中型计算机（Mainframe）、小型计算机（Minicomputer）、微型计算机（Microcomputer）和网络计算机（NetworkComputer）五大类。
常见的微型机还可以分为台式机、便携机、笔记本电脑、掌上型电脑等多种类型。
8．简述计算机的基本运行方式。
P13
计算机的基本运作方式可概括为所谓的“IPOS循环”。
IPOS循环即输入（Input）、处理（Processing）、输出（Output）和存储（Storage），它反映了计算机进行数据处理的基本步骤。
（1）输入
接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描仪等）提供的数据。
（2）处理
对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换。
（3）输出
将处理所产生的结果等数据由输出设备（如显示器、打印机、绘图仪等）进行输出。
（4）存储
计算机可以存储程序和数据供以后使用。
9．计算机有哪些主要的用途？
P14
（1）科学计算
使用计算机来完成科学研究和工程技术中所遇到的数学问题的计算称为科学计算，也称为数值计算。
科学计算是使用计算机完成在科学研究和工程技术领域中所提出的大量复杂的数值计算问题，是计算机的传统应用之一。
（2）信息处理
所谓信息处理就是使用计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，又称为数据处理。
例如座席预订与售票系统、零售业中的应用、办公自动化等。
信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。
（3）实时控制（也称过程控制）
实时控制也称过程控制，实时控制能及时地采集检测数据、使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。
（4）计算机辅助设计/辅助制造/辅助教学
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign——CAD）是使用计算机来辅助人们完成产品或工程的设计任务的一种方法和技术。
计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing——CAM）是使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务，能通过直接或间接地与工厂生产资源接口的计算机来完成制造系统的计划、操作工序控制和管理工作的计算机应用系统。
计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction——CAI）是把计算机用作教学媒体，使它充当指导者、工具和学习者角色，学生通过与计算机的对话进行学习的一种新型教学技术。
（5）人工智能
人工智能（ArtificialIntelligence——AI）就是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。
（6）多媒体技术
随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成“多媒体”（Multimedia）的概念。
10．简述计算机的发展趋势。
P15
（1）微型化
一方面，随着计算机的应用日益广泛，在一些特定场合，需要很小的计算机，计算机的重量、体积都变得越来越小，但功能并不减少。
另一方面，随着计算机在世界上日益普及，个人电脑正逐步由办公设备变为电子消费品。
人们要求电脑除了要保留原有的性能之外，还要有时尚的外观、轻便小巧、便于操作等特点，如平板电脑、手持电脑等。
今后个人计算机（PersonalComputer）在计算机中所占的比重将会越来越大，使用也将会越来越方便。
（2）巨型化
社会在不断发展，人类对自然世界的认识活动也越来越多，很多情况要求计算机对数据进行运算。
“巨型化”在这里并不是通常意义上的大小，主要是指机器的性能——运算速度等。
（3）网络化
因特网（Internet）的建立正在改变我们的世界，改变我们的生活。
网络具有虚拟和真实两种特性，网上聊天和网络游戏等具有虚拟特性，而网络通信、电子商务、网络资源共享则具有真实的特性。
（4）智能化
今后，计算机在生活中扮演的角色将会更加重要,计算机应用将具有更多的智能特性，能够帮助用户解决—些自己不熟悉或不愿意做的事，如智能家电、烹调等。
（5）新型计算机
目前新一代计算机正处在设想和研制阶段。
新一代计算机是把信息采集、存储处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统。
11．简述计算学科的定义、计算学科的本质、计算学科的三个过程。
P16
计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。
计算学科的研究包括了从算法与可计算性的研究到根据可计算硬件和软件的实际实现问题的研究。
计算学科的根本问题是“什么能被有效地自动进行？
”。
计算学科的根本问题讨论的是能行性的有关内容，而凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的。
计算学科的实质是学科方法论的思想，其关键问题是抽象、理论和设计三个过程相互作用的问题。
（1）理论
理论是数学科学的根本。
应用数学家们都认为，科学的进展都是基于纯数学的。
应用数学用数学的方法推动经验科学和工程学的发展，同时又不断刺激对新数学的需要，为纯理论数学提出新的问题。
（2）抽象
抽象（模型化）是自然科学的根本。
科学家们相信，科学进展的过程基本上都是形成假设，然后用模型化过程去求证。
（3）设计
设计是工程的根本。
工程师们认为，工程进展基本上都是提出问题，然后通过设计去构造系统，以解决问题。
12．简述计算机科学与技术学科的定义。
P22
计算机科学技术是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科，包括科学与技术两方面。
科学侧重于研究现象、揭示规律；技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。
科学是技术的依据，技术是科学的体现；技术得益于科学，它又向科学提出新的课题。
13．简述计算机科学课程体系的核心内容。
P
计算学科课程体系的教学内容归结为14个知识体，包括：
（1）离散结构（PS）
计算学科是以离散型变量为研究对象，离散数学对计算技术的发展起着十分重要的作用。
随着计算技术的迅猛发展，离散数学越来越受到重视。
（2）程序设计基础（PF）
《计算作为一门学科》报告指出了程序设计在计算学科的正确地位：
程序设计是计算学科课程中固定练习的一部分，是每一个计算学科专业的学生应具备的能力，是计算学科核心科目的一部分，程序设计语言还是获得计算机重要特性的有力工具。
（3）算法与复杂性（AL）
算法是计算机科学和软件工程的基础，现实世界中，任何软件系统的性能仅依赖于两个基本点方面，一方面是所选择的算法；另一方面是各不同层次实现的适宜性和效率。
（4）组织与体系结构（AR）
计算机在计算中处于核心地位，如果没有计算机，计算学科只是理论数学的一个分支，应该对计算机系统的功能构件、以及他们的特点/性能和相互作用有一定的理解。
（5）操作系统（OS）
操作系统定义了对硬件行为的抽象，程序员用它来对硬件进行控制。
操作系统还管理计算机用户间的资源共享。
（6）网络计算（NC）
计算机和通信网络的发展，尤其是基于TCP/IP的网络的发展使得网络技术在计算学科中更加重要。
（7）程序设计语言（PL）
程序设计语言是程序员与计算机交流的主要工具。
一个程序员不仅要知道如何使用一种语言进行程序设计，还应理解不同语言的程序设计风格。
（8）人-机交互（HL）
人机交互重点在于理解人对交互式对象的交互行为，知道如何使用以人为中心的方法开发和评价交互软件系统，以及人机交互设计问题的一般知识。
（9）图形学和可视化计算（GV）
该主领域的主要内容包括：
计算机图形学、可视化、虚拟现实、计算机视觉等4个学科子领域的研究内容。
（10）智能系统（IS）
人工智能领域关心的问题是自主代理的设计和分析。
智能系统必须干知其环境，合理地朝着指定的任务行动，并与其它代理和人进行交互。
（11）信息管理（IM）
信息系统几乎在所有使用计算机的场合都发挥着重要的作用。
（12）软件工程（SE）
软件工程是关于如何有效地利用建立满足用户和客户需求的软件系统理论/知识和实践的学科，可以应用于小型、中型、大型系统。
（13）数值计算科学（CN）
从计算学科的诞生之日起，科学计算的数值方法和技术就构成了计算机科学研究的一个主要领域。
（14）社会和职业问题（SP）
大学生需要懂得计算学科本身基本的文化、社会、法律和道德问题。
还需要培养学生提出有关计算的社会影响这样严肃问题以及对这些问题的可能答案进行评价的能力。
学生还需要认识到软硬件销售商和用户的基本法律权利，也应意识到这些权利的基本基础——道德价值观。
知识点：
第一代计算机（1946-1957）
逻辑器件使用的是电子管，穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备，磁鼓或磁带作为外存储器，体积大，运算速度低，存储容量小，可靠性低。
第二代计算机（1958-1946）
逻辑器件使用的是晶体管，内存储器为磁芯体，引入变址寄存器和浮点运算硬件，利用I/O处理机，
第三代计算机（1965-1972）
利用半导体中小规模集成电路作为元件，利用半导体代替存储器代替磁芯体存储器，使用微程序设计技术简化处理机的结构
第四代计算机（1972-）
使用大规模和超大规模集成电路。
冯·诺依曼提出“存储程序”的概念。
冯·诺依曼体系结构思想归结为:
二进制代替十进制、采用存储程序的思想、把计算机分为五部分。
计算机硬件的五个基本组成：
输入/输出设备、运算器、控制器、存储器
计算机研究的范畴：
计算机理论、硬件、软件、网络及应用。
CPU包括运算器控制器少量的程序计数器
第2章计算机基础知识
1．试简单叙述计算机采用二进制的原因。
P32
答：
计算机只认识二进制编码形式的指令和数据。
因此，包括数字、字符、声音、图形、图像等信息都必须经过某种方式转换成二进制的形式，才能提供给计算机进行识别和处理。
在计算机中采用二进制，是因为物理上实现容易。
由于二进制只有两个状态0和1，这正好与物理器件的两种状态相对应，例如电压信号的高与低，门电路的导通与截止等；而十进制电路则需要用十种状态来描述，这将使得电路十分复杂，处理也十分困难。
因此，采用二进制将使得计算机在物理上实现简单，逻辑操作简单、二进制的运算规则简单，且具有可靠性高、处理简单、抗干扰能力强等优点。
2．什么是定点数，它分为哪些种类？
P39
答：
所谓定点数，就是指计算机在运算过程中，数据中小数点的位置固定不变。
其中小数点的位置是由计算机设计者在机器的结构中指定一个不变的位置，而不一定都必须具有小数点的指示装置。
定点数一般有小数和整数两种表示形式。
定点小数是把小数点固定在数据数值部分的左边，符号位的右边；定点整数则把小数点固定在数据数值部分的右边。
3．简要叙述声音的编码过程。
P46
答：
计算机获取声音信息的过程即是声音信号数字化的处理过程。
经过数字化处理后的数字声音信息才能被计算机所识别和处理。
声音被计算机处理的过程主要经过音频信号的采样、量化和编码几个过程。
4．简要叙述多媒体技术的含义。
答：
多媒体技术是指利用计算机技术把文本、图形、图像、音频和视频等多种媒体信息综合一体化，使之建立逻辑连接，集成为一个具有交互性的系统，并能对多种媒体信息进行获取、压缩编码、编辑、加工处理、存储和展示。
简言之，多媒体技术即为把文、音、图、像与计算机结合在一起的技术。
多媒体技术是集计算机技术、文字处理技术、音频技术、视频技术、图像压缩技术、通信技术等多种技术的综合体。
知识点：
硬盘属于外存储器（辅助存储器）
编译程序的目的：
把源程序译成目标程序。
二进制B
八进制Q
十六进制D
十进制H
0000
00
0
0
0001
01
1
1
0010
02
2
2
0011
03
3
3
0100
04
4
4
0101
05
5
5
0110
06
6
6
0111
07
7
7
1000
10
8
8
1001
11
9
9
1010
12
A10
10
1011
13
B11
11
1100
14
C12
12
1101
15
D13
13
1110
16
E14
14
1111
17
F15
15
二进制的基本计算法则
不同数制间的转换
用3位二进制表示1位八进制
（1011.1011）2=（001011.101001）2=（13.54）8
用4位二进制表示1位十六进制
（11011.1010）2=（00011011.1010）2=（1B.A）16
十进制转二进制（R除法）
整数部分除2.逆序取余数（158）10=（10011110）2
小数部分乘2顺序取整数（0.6875）10=（0.1011）2
真值与机器数+号用0表示-号用1表示
真值N1=+1111011N2=-1110100机器数N1=01111011N2=11110100
原码反码补码
整数原码=反码=补码
负数原码（0变1，1变0）=反码（末位加1）=补码
X=-1011[X]反=10100[X]补码=10101X=-0.1011[X]反码=1.0100[X]补码=1.0101
X=+1011[X]反码=01011[X]补码=01011
计算机内一般以补码形式表示数据
阶码符号
尾数符号
阶码尾数
X=（158）10=（111010）2=（0.111010）x26=（0.111010）x2+110
阶码：
+110尾数：
+0.111010阶码4位，尾数8位阶码与尾数间用空格隔开
0
110
0.
111010
01100.111010
8421BCD码与十进制的转换
压缩8421BCD码的格式用4位二进制表示一位十进制
（89）10=（10001001）BCD678.93=（011001111000.10010011）BCD
非压缩8421BCD码的格式用8位二进制表示一位十进制
（89）10=（0000100000001001）BCD
第3章计算机体系结构
1．存储器的功能是什么？
答：
现代计算机是以存储器为中心的计算机系统，存储器是计算机的重要组成部分。
当利用计算机完成某项任务时，首先把解决问题的程序和所需数据存于存储器中，在执行程序时再由存储器快速地提供给处理机。
显然，存储器的功能是存储信息，被存储的信息包括程序信息和数据信息等。
2.存储器的主要指标是什么？
答：
存储器作为计算机系统的核心部件之一，有必要对其性能进行描述。
描述一个存储器性能优劣的主要指标有存储容量、存储周期和存取时间、可靠性、性能价格比、功耗、可靠性等。
3.什么是高性能计算机？
答：
高性能计算机的概念并无明确的定义，一般认为运算速度非常快的计算机就可以认为是高性能计算机。
严格地讲，高性能计算机是一个拥有最先进的硬件、软件、网络和算法的综合概念，“高性能”的标准是随着技术的发展而发展的。
4.什么是接口？
它的主要功能是什么？
答：
在主机与外设进行数据交换时必领引入相应的逻辑部件解决两者之间的同步与协调、数据格式转换等问题，这些逻辑部件就称为输入输出接口，简称为接口。
输入输出接口的基本功能有：
（1）实现数据缓冲，提供主机和设备交换信息过程中的数据缓冲机构，使主机与外设在工作速度上达到匹配。
（2）实现数据格式的转换，例如，当主机和设备的信号同谋不同时的信号电平转换功能、数据传送中的格式（串行、并行）转换功能、直接内存访问中的额外需求等。
（3）提供外设和接口的状态，为CPU更好地控制各种外设提供有效的帮助，交换主机和外围设备的状态信息。
（4）实现主机与外设之间的通讯联络控制，实现主机与设备之间的数据交换。
5、什么是网络计算机?
它有什么优点？
答：
网络计算机（NETWORKCOMPUTER）简称NC，是专用于高速网络环境下的计算机终端设备。
是基于处理器芯片和网络基础的新一代计算机产品，是一种新的桌面计算机。
NC除了有人机交互必需的显示器，键盘鼠标外，它没有硬盘，软盘，光驱等外部存储设备，是一种瘦客户机。
网络计算机具有以下优点：
（1）易管理，维护简单，使用方便。
（2）网络计算机没有硬盘，软盘和光盘，也没有风扇，在硬件方面没有什么可维护的地方，大大减少了计算机网络的维护工作，成本低廉。
（3）安全性强，无论是防止病毒的侵犯，还是资料维护的安全，NC都比PC要好的多。
（4）静音节能，高可靠网络计算机没有任何噪音，非常安静。
网络计算机的功耗非常小。
知识点：
主存储器和CPU之间增加高速缓冲存储器是为了解决CPU与主存储器间的速度匹配问题
串行接口是指主机和接口之间是并行传送，接口和外设之间是串行传送
数据总线（DB）传送数据和指令代码的信号线。
双向总线信号双向流动
总线的结构类型单/双/三总线结构
总线的组成传输线接口总线控制器
总线的划分
根据总线传送的内容分为数据总线、地址总线、控制总线的划分
根据总线在计算机中的位置分片级总线内部总线外部总线
根据二进制数码的传送方式分串行总线并行总线
串行：
每次可传送一个字或一个字节的全部代码，并且是对一个字或字节各位同时进行处理的信息传递的方式
并行：
每次传递一位的方式实现数据的传送，即每个字节都是按位传送的
多媒体是指计算机处理信息媒体的多样化，它以交互的方式进行。
第4章操作系统
1．什么是计算机操作系统？
它具有的基本功能有哪些？
P92P96
答：
操作系统就是合理管理并控制计算机系统内软、硬件资源，并能够合理组织工作流程、方便用户使用的程序的集合。
通常我们将操作系统的功能概括为两大功能：
扩展的虚拟机功能、资源管理功能。
其中，资源管理功能包括了处理机管理、内存管理、设备管理、文件管理四大功能。
而扩展的虚拟机提供友好的人机交互以及程序级接口，使得计算机看上去像是功能扩展了的机器。
2．操作系统通常有哪些类型？
分别有什么特点？
P99
答：
最常见的是按照操作系统的性质来划分的类型：
分为批处理操作系统、
分时操作系统、实时操作系统、
网络操作系统、嵌入式操作系统。
批处理系统的主要特点是系统吞吐量大、系统资源利用率较高、平均作业周转时间（作业从提交到结果输出的时间）较长，系统无交互力。
分时系统中往往支持多道程序执行，尽管如此，各运行任务具有独立性，互不影响；由于将处理机分时使用，使得用户与系统的及时交互成为可能，因此，分时系统具有较好的交互性；同时，系统资源利用率也得到了很大的提高。
实时系统具有事件驱动的特点，往往是由外部事件来触发系统的响应；实时系统要求的响应时间很短，以便及时响应事件，从而保证整个系统的实时性和高可靠性。
网络操作系统要求组成网络的各台计算机物理分散且高度自治，各计算机都有各自的软、硬件资源，系统的主要目的是共享网络资源、信息交换和协作。
嵌入式操作系统具有普通计算机具有的通常功能，但同时具有实时系统的特征，通常是更小的具有一定硬件控制功能的系统。
3．什么是并发？
并行与并发的区别与联系是什么？
P101
答：
并发通常指多个任务可以在同一个时间段内同时执行，即允许多个任务在宏观上并行，微观上仍然是串行的（对于单CPU系统而言）。
并行指的是多个任务真正意义上的同时执行，换言之，多个任务可以在同一个时刻同时执行。
并发系统只能够是宏观上并行、微观上串行执行；而并行则在微观执行上也是并行的。
只有在多处理机系统中，任务的并行执行才是可能的。
并行系统往往也可以支持任务的并发执行。
4．一个操作系统都应该有哪些基本组成？
P105
答：
现代操作系统至少由存储管理、进程管理、设备管理、文件管理以及用户接口五个部分组成。
用户接口一般包含命令接口（如shell命令）和程序接口。
进程管理包含了进程描述、进程的状态及转换、进程控制和调度、进程间通信等多个部分。
存储管理解决内存分配与回收、内存保护、地址映射、虚拟存储等问题。
设备管理涉及到中断技术、I/O硬件与I/O软件、数据传输控制技术等。
文件管理要解决文件的命名、文件属性、文件操作、文件的逻辑与物理结
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