计算机科学导论

绪论

图灵模型：一种设计，并不是实体机器。指所有计算都能通过输入数据，黑盒计算，得到输出数据

输入数据->黑盒->输出数据。

冯诺依曼模型

现代计算机结构。输入和输出数据都储存在寄存器/内存上。计算器分四个子系统：输入输出模块、寄存器模块、计算模块、控制模块。

计算机发展历史

1.机械计算器

2.电子计算机发展历程：

• 真空管时代计算机
• 晶体管时代计算机
• 集成电路时代
• 大规模集成电路

数字系统

十进制、二进制、十六进制、八进制以及之间的转换

数据存储

• 位
• 位模式（数据流）
• 字节
• 字

存储数字到计算机中，需要将数字转换成二进制数字。有两个问题需要解决：

• 如何存储数字的符号
• 如何显示十进制小数

存储整数

1. 无符号表示法：存储无符号整数0和正整数时用。
2. 符号+绝对值表示法：最左边0表示正号，1表示负号，其后跟的值为绝对值。有+0和-0。
3. 二进制补码表示法：用来存储n位有符号整数。最左位为负权，其后为正权，相加为表示的有符号数值。范围(2^-n-1)
   • 反码
   • 补码
   • 溢出

存储实数

1. 浮点表示法：符号位 + 移位量 + 定点数。

   • 规范化：由于二进制的科学计数法整数位始终是1，并没有被存储，是隐含的。

   • 符号

   • 指数

   • 尾数

2. 余码：在浮点表示法上，尾数可以作为无符号整数存储，指数是有符号的数。而在余码系统中，指数通过加上一个移位量，将所有的有符号数的值向右偏移，使得指数是无符号整数存储。

3. IEEE标准

   • 单精度浮点数：符号（1）+ 指数（8）+ 尾数（23）

     余127码。

   • 双精度浮点数：符号（1）+ 指数（11）+ 尾数（52）

     余1023码。

4. 存储零：约定符号、指数、尾数都设为0

3.3 存储文本

1. ASCII
2. Unicode：如今ASCII码是Unicode的一部分

截断错误：由于存储小数时需要转换成浮点数存储，尾数只有23位，之后的精度会截断丢失，在需要精密的科研中如航天这种错误是致命的。

存储音频

音频区别于可量化的数字文本，是不可数的，随时间变化的实体。只能在每一时刻度量声音的密度，没有无限内存，故度量有间隔。

采样

在模拟信号点上选择数量有限的点并记录下来，每秒多少个点（采样率）

量化

将样本的值截取为最接近的整数值的一个过程。

编码

存储图像

光栅图

一张照片由模拟数据组成，数据密度随空间变化。图片采样过程称扫描，样本称为像素

解析度

每英寸方块内像素的密度

色彩深度

矢量图

并不存储图像的像素的位模式，存储的是图像被分解成的几何图形的数学公式。也成为几何图形或面向对象图形

不能存储精细的图像

存储视频

视频是图像在时间上的表示，连续的帧播放形成运动的图像。视频通常是被压缩存储的

数据运算

逻辑运算

位层次上的逻辑运算：与、或、非、异或

掩码

把一个位模式上的指定位复位、置位、反转：

• AND：复位（置零）
• OR：置位（置1）
• XOR：反转

移位运算

算术移位：左移-整除2、右移-乘2

逻辑移位：左移-最低位丢失，右移-最高位丢失

循环移位：

算术运算

加减乘除，适用于整数和实数

整数加减

补码减法：将减法转化成加法，加上减数的补

实数加减

去规范化，对其指数、尾数移位，相加

计算机组成

简单计算机由中央处理单元、主存储器、输入输出设备三个部分组成。

中央处理单元

• 算术逻辑单元（ALU）：对程序进行逻辑、移位、算术运算。
• 控制单元（PC、IR）：保存当前正在执行的指令的地址。当前指令执行完成后，计数器自动加1，指向下一条指令的地址。
• 寄存器组：存放临时数据的高速独立存储单元
  1. 数据寄存器
  2. 指令寄存器
  3. 程序计数器

主存储器

地址空间：每个存储单元都有唯一标识，称为地址。数据以称为字的位组的形式在内存中传入传出。字可以是8、16、32、64位，对应1字节、2字节、4字节、8字节。

存储器类型：

• RAM：随机存取存储器，与ROM区别是用户能读写RAM。易失性：计算机断电后，存储在RAM中的信息将被删除

  • SRAM：静态RAM，触发器门电路保存数据，通电数据始终存在，不需要刷新。速度快、价格贵
  • DRAM：动态RAM，技术使用电容器。如果电容器充电，状态为1；电容器放电状态为0；电容器会随时间漏电，内存单元需要周期性刷新。速度较慢，价格便宜。

• ROM：只读存储器。用户只能读。非易失性。用ROM来存储开机时运行的程序。

  • PROM：可编程只读存储器。
  • EPROM：可擦除可编程只读存储器。
  • EEPROM：电可擦除可编程只读存储器。

存储器层次结构：快&不便宜&少。慢&便宜&多。

高速缓存存储器：比主存快，比cpu内的寄存器慢。容量较小，置于CPU与主存之间。根据地址键做缓存用。

输入输出子系统

非存储设备：键盘、监视器等，能与CPU通信，但不能存储数据。

存储设备：

• 磁介质存储设备：磁盘（硬盘），由一张张磁片叠加而成。通过每片磁片的磁头读写磁介质表面来进行读取和存储。
• 磁带：
• 光存储设备：CD（光盘）

子系统互联

三个子系统通常由称为总线的三组线路连在一起。

• 数据总线：由多根线组成，每根线传输一个位的数据。数量由计算机字的大小。（假如计算机是32位，4字节字长，需要32根线的数据总线，一次能传送32位数据）
• 地址总线：允许访问存储器中的字。线数量取决于存储空间的大小
• 控制总线：在计算机和内存之间传送信息。线数量取决于计算机所需要的控制命令的总数。

IO设备的连接：IO设备不能直接与连接内存和CPU的总线相连，

1. 本质不同，
2. 速度比CPU和内存慢得多

必须要有中介来处理这种差异，通过一种被称为输入/输出控制器或接口的器件连接到总线上。

控制器：

• SCSI：
• 火线：
• USB：
• HDMI：