《计算机科学导论》学习笔记

《计算机科学导论》
图灵模型
计算机是一个接收输入数据，处理数据并产生输出数据的黑盒
计算机是在存储器中储存数据
程序是用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合。
输出数据是依赖两方面因素的结合作用：输入数据和程序

冯.诺伊曼模型
计算机分为4个子系统：存储器，算术逻辑单元，控制单元和输入/输出单元
存储器是用来存储的区域，用来存储数据和程序
算术逻辑单元是用来进行计算和逻辑运算的地方
控制单元是对存储器，算术逻辑单元，输入/输出等子系统进行控制的单元
输入子系统负责从计算机外部接收输入和输出数据和程序
输出子系统负责将计算机的处理结果输出到计算机外部

计算机组成有三部分：计算机硬件，数据和计算机软件

数字系统
位置化系统和非位置化系统
位置化数字系统中，在数字中符号所占据的位置决定了其表示的值。

位置化数字系统是十进制系统
计算机存储正负数的方式不同。
数据存储
计算机工业中使用术语“多媒体”来定义包含数字，文本，图像，音频和视频的信息。

所有计算机外部的数据类型的数据都采用统一的数据表示法转换后存入计算机中，当数据从计算机输出时再还原回来。这种通用的格式统称为位模式。

位（bit）是存储在计算机中的最小单位；它是0或者1.
为了表示数据的不同类型，应该使用位模式，它是一个序列，有时也称为位流。
通常长度为8的位模式被称为1个字节

整数通常使用定点表示法存储在内存中。
在符号加绝对值格式表示法中，最左位用于定义整数的符号。0表示正整数，1表示负整数。
在符号加绝对值格式表示法中，有两个0：+0和-0
符号加绝对值表示法的应用
符号加绝对值表示法不用于存储整数，而用于存储部分实数，符号加绝对值表示法通常用于采样模拟信号，如音频

几乎所有计算机都是使用二进制补码表示法来存储位于n位存储单元中的有符号整数。

在二进制补码表示法中，最左位决定符号。如果它是0，该整数为正；如果是1，该整数为负。
二进制补码表示法仅有一个0
带有很大的整数部分或很小的小数部分的实数不应该用定点表示法存储。
一个数字的浮点表示法由3部分组成；符号，位移量和定点数。

存储音频，音频表示声音和音乐。

1. 采样（记录值表现模拟信号）
2. 量化（将样本的值截取为最接近的整数值的一种过程，如实际的值为17.2，就可以街截取为17）
3. 编码（量化的样本值需要被编码成为位模式）

声音编码标准 音频编码的主流标准为MP3，该标准是用于视频压缩

存储图像
存储在计算机中的图像使用两种不同的技术：光栅图或矢量图。
存储视频
视频是图像在时间上的表示（称为帧），视频是随空间（单个图像）和时间（一系列图像）变化的信息表现。视频通常是被压缩存储的

数据运算
数据上的运算分为三大类：算术运算，移位运算和逻辑运算
Not运算符是一元操作符：它只有一个输入。输出位是输入位的相反，如果输入是0，则输出位1。
And运算符是二元运算符：它有两个输入。如果输入都是1，则输出为1
Or运算符是二元运算符：它有两个输入。如果输入都是0，则输出为0
Or运算符有时被称为包含或运算符。
Xor运算符也是二元运算符，也是有一点不同；如果输入都是1，则输出为0。

对于x=0 或 1 ，x xor 1  not x 和 x xor 1 not x

计算机组成
计算机的组成部件可以分为三大类：中央处理单元（cpu），主存储器和输入/输出子系统。
中央处理单元用于数据的运算。它有三个组成部分：算术逻辑单元（ALU）,控制单元，寄存器组（快速存储单元）

算术逻辑单元对数据进行逻辑，位移和算术运算。
寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。CPU的运算离不开多个寄存器。
1， 数据寄存器用来存储输入数据和运算结果。
2， 指令寄存器，CPU的主要职责是：从内存中逐条的取出指令，并将取出的指令存储在指令寄存器中，解释并执行指令
3， CPU中另一个通用寄存器是程序计数器。程序计数器中保存着当前正在执行的指令。

存储器的类型：主要有两种RAM和ROM

RAM(随机存取存储器)是计算机中主存的主要组成部分。
RAM和ROM的区别在于，用户可读写RAM，即用户可以在RAM中写信息，之后可以方便地通过覆盖来擦除原有的信息。RAM的另一个特点是易失性。当系统断电后信息（程序或数据）将丢失。当计算机断电后，存储在RAM中的信息将被删除。

RAM技术又分为两大类：SRAM（静态RAM）和DRAM（动态RAM）
ROM（只读存储器）的内容是由制造商写进去的。用户只能读不能写，他的优点是非易失性。当切断电源后，数据也不会丢失。

存储器的层次结构

高速缓冲存储器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其内部的寄存器要慢。高速缓冲存储器通常容量较小，且常被置于CPU和主存之间。

当CPU存取主存中的一个字时，将按照以下步骤进行：

1. CPU首先检查高速缓存
2. 如果要存取的字存在，CPU就将它复制，如果不存在，CPU将从主存中拷贝一份从需要读取的字开始的数据快。该数据块将覆盖高速缓存中的内容。
3. CPU存取高速缓冲存储器并拷贝该字

输入/输出子系统
计算机中的第三个子系统是被统称为输入/输出（I/O）子系统，这个子系统可以是计算机与外界通信，并在断电的情况下存储程序和数据。

输入/输出设备可以分为两大类：非存储设备和存储设备。

非存储设备使得CPU/内存可以与外界通信，但它们不能存储信息。
存储设备被称为输入/输出设备，它可以存储大量的信息以备后用，（即使断电信息也不会丢失&#