程序员教程-1章-计算机系统基础知识1

Posted 2021-01-02 liunianfeiyu

　　觉得自己看第一章看了很长时间，才看了二、三十页，而且也是稀里糊涂的，先记下吧。（补记：稀里糊涂看完了，这章只考选择题，也就没深入了解，其实是了解一下头就大）

　　先记录一下目录结构，方便以后回忆内容。

　　本章主要介绍计算机系统的基本组成、计算机中数据的表示和运算、计算机系统硬件基础组成、指令系统及多媒体系统等基础知识。

　　1.1 计算机系统的基本组成

　　　　1 计算机硬件

　　　　2 计算机软件

　　　　3 计算机的分类

　　1.2 数据的表示及运算

　　　　1.2.1 计算机中数据的表示

　　　　　　1 进位计数制及其转换

　　　　　　2 二进制运算规则

　　　　　　3 机器数和码制

　　　　　　4 定点数和浮点数

　　　　　　5 十进制数与字符的编码表示

　　　　　　6 ASCII码

　　　　　　7 汉字编码

　　　　　　8 Unicode

　　　　1.2.2  校验码

　　　　　　1 奇偶校验码

　　　　　　2 海明码

　　　　　　3 循环冗余校验码

　　　　1.2.3 逻辑代数及逻辑运算

　　　　　　1 基本的逻辑运算

　　　　　　2 常用的逻辑公式

　　　　　　3 逻辑表达式及其化简

　　　　1.2.4 机器数的运算

　　　　　　1 机器数的加减运算

　　　　　　2 机器数的乘除运算

　　　　　　3 浮点运算

　　1.3 计算机的基本组成及工作原理

　　　　1.3.1 总线的基本概念

　　　　　　1 总线的定义与分类

　　　　　　2 系统总线

　　　　　　3 外总线

　　　　1.3.2 中央处理器

　　　　　　1 CPU的功能

　　　　　　2 CPU的组成

　　　　　　3 双核和多核处理器

　　　　1.3.3 存储系统

　　　　　　1 存储器的分类

　　　　　　2 存储系统的层次结构

　　　　　　3 主存储器

　　　　　　4 高速缓存

　　　　　　5 外存储器

　　　　　　6 云存储

　　　　1.3.4 输入/输出技术

　　　　　　1 接口的功能及分类

　　　　　　2 主机与外设间的连接方式

　　　　　　3 I/O接口的编址方式

　　　　　　4 CPU与外设之间交换数据的方式

　　1.4 指令系统简介

　　　　1 指令格式

　　　　2 寻址方式

　　　　3 指令种类

　　1.5 多媒体系统简介

　　　　1.5.1 数字声音

　　　　　　1 声音信号的数字化

　　　　　　2 声音的表示

　　　　　　3 声音合成

　　　　　　4 MIDI

　　　　　　5 声音文件格式

　　　　1.5.2 图形与图像

　　　　　　1 颜色的基本概念

　　　　　　2 分辨率和像素深度

　　　　　　3 真彩色和伪彩色

　　　　　　4 图像的获取

　　　　　　5 图形图像的转换

　　　　　　6 图像的压缩编码及标准

　　　　　　7 图像文件格式

　　　　1.5.3 动画和视频

　　　　　　1 实时动画和矢量动画

　　　　　　2 二维动画和三维动画

　　　　　　3 模拟视频

　　　　　　4 数字视频

　　　　　　5 视频压缩编码

　　　　　　6 视频文件格式

　　下面把主要知识点罗列一下，方便复习

　　1.1 计算机系统的基本组成

　　计算机系统：硬件系统，软件系统，通过运行程序来协同工作。计算机硬件是物理装置，计算机软件是程序、数据和相关文档的集合。　

　　　　1 计算机硬件

　　　　基本的的计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成。

　　　　运算器和控制器及其相关部件被集成在一起，称为中央处理器（CPU)，CPU是硬件系统的核心，用于数据的加工处理，能完成各种算术、逻辑运算和控制功能。运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术和逻辑运算。控制器的主要功能则是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件有条不紊的完成指令的功能。

　　　　2 计算机软件

　　　　计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机系统所开发的程序和相关文档的集合。

　　　　计算机软件：系统软件、中间件和应用软件。系统软件的主要功能是管理系统的硬件和软件资源，应用软件则用于解决应用领域的具体问题，中间件是一类独立的系统软件或服务程序，常用来管理计算资源和网络通信，提供通信处理、数据存取、事务处理、Web服务、安全、跨平台等服务.

　　　　3 计算机分类

　　　　个人移动设备，桌面计算机，服务器，集群/仓库级计算机，超级计算机，嵌入式计算机

　　1.2 数据的表示及运算

　　　　1.2.1 计算机中数据的表示

　　　　　　在计算机内部，数值、文字、声音、图形图像等各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，来表示大量复杂多样的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切编码的两大要素

　　　　　　1 进位计数制及其转换

　　　　　　计算机中常用的进位数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。

　　　　　　十进制整数转化为其它M进制整数的方法是“除M取余”，十进制小数转换为二进制小数的方法是"乘M取整"，二进制与八进制、十六进制的转化方法是三位，四位二进制数转化为一位八进制、十六进制数。

　　　　　　3 机器数与码制

　　　　　　数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是采用二进制计数制，数的符号用0、1表示，小数点隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为数的真值。

　　　　　　无符号数，带符号数。带符号数可采用原码、反码和补码、移码等表示。

　　　　　　1）原码

　　　　　　最高位为符号位，其余n-1位表示数值的绝对值

　　　　　　2）反码

　　　　　　正数的反码和原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反

　　　　　　3）补码

　　　　　　正数的补码和原码和反码相同，负数的补码等于其反码的末尾加1

　　　　　　4）移码

　　　　　　补码的符号位取反

　　　　　　4 定点数和浮点数

　　　　　　定点数：小数点位置固定不变。定点整数（纯整数）和定点小数（纯小数）

　　　　　　浮点数：小数点位置不固定的数。

　　　　　　规格化，工业标准IEEE754

　　　　　　5 十进制数与字符的编码表示

　　　　　　数值、文字和英文字母都被认为是字符，任何字符被录入计算机后，都必须转换成二进制表示形式，称为字符编码。

　　　　　　BCD编码：四位二进制表示一位十进制数。

　　　　　　有权BCD编码：8421码

　　　　　　无权BCD编码：余3码和格雷码

　　　　　　7 汉字编码

　　　　　　汉字处理包括汉字的编码输入、汉字的存储和汉字的输出。

　　　　　　1）输入码：数字编码（国标区位码），拼音码，字形编码（五笔字型，表形码，郑码）

　　　　　　2）内部码：汉字内码

　　　　　　3）字形码：点阵表示，矢量函数表示

　　　　　　8 Unicode

　　　　　　为了统一表示世界各国的文字：UCS，Unicode

　　　　1.2.2 校验码

　　　　为了确保数据在传送过程中正确无误。查错和纠错。

　　　　码距：一个编码系统中任意两个合法编码之间至少有多少个二进制位不同。

　　　　　　1 奇偶校验码

　　　　　　在编码中增加一个校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），从而使码距变为2，奇校验可以发现奇数位出错，偶校验可以发现偶数位出错。

　　　　　　水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码

　　　　　　2 海明码

　　　　　　也是利用奇偶性和检错和纠错的校验方法。方法：在数据位之间插入k个校验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

　　　　　　3 循环冗余校验码

　　　　1.2.3 逻辑代数及逻辑运算

　　　　1.2.4 机器数的运算

　　　　　　1 机器数的加减运算

　　　　　　1）原码加、减法

　　　　　　2）补码加、减法

　　　　　　补码加法：和的补码等于补码求和

　　　　　　补码减法：差的补码等于被减数的补码加上减数取负后的补码（通过一个数的补码求一个数取负后的补码的方法，原数的补码各位取反（包括符号位），末尾加1

　　　　　　3）溢出及判定

　　　　　　只有同号相加或异号相减时才可能溢出。

　　　　　　双符号判决法，进位判决法，根据运算结果的符号位和进位标志判别，根据运算前后的符号位进行判别

　　　　　　3 浮点运算

　　　　　　1）浮点加减运算

　　　　　　（1）对阶（2）求尾数和（差）（3）结果规格化并判溢出（4）舍入

　　　　　　舍入方法：截断法，末位恒1法，0舍1入法

　　　　　　溢出判断方法：以阶码为准，若阶码溢出（超过最大值），则运算结果溢出；若阶码下溢（小于最小值），则结果为0，否则结果正确无溢出。

　　1.3 计算机的基本组成及工作原理

　　　　计算机硬件的基本组成包括运算器、控制器、存储器、输入备和输出设备五大部分。

　　　　1.3.1 总线的基本概念

　　　　　　1 总线的定义与分类

　　　　　　总线是连接多个设备的信息传送通道，实际上是一组信号线。广义地讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。

　　　　　　分类：芯片内总线，元件级总线，系统总线，外总线。

　　　　　　2 系统总线

　　　　　　最重要的总线。分为地址总线、数据总线和控制总线。性能指标有带宽、位宽和工作频率。总线的带宽=总线的工作频率*总线的位宽/8

　　　　　　常见的系统总线有ISA、EISA、PCI/AGP、PCI Express

　　　　　　3 外总线

　　　　　　包括RS-232C，RS-485，SCSI，USB，IEEE-1394

　　　　1.3.2 中央处理器(CPU)

　　　　　　基本功能：指令控制，操作控制，时序控制，数据处理

　　　　　　CPU组成：运算器、控制器，寄存器组和内部总线

　　　　　　1）运算器(ALU)：主要完成算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工与处理。主要包括算术和逻辑单元、累加器(AC)、状态字寄存器（PSW)、寄存器组及多路转换器等。

　　　　　　2）控制器：从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令寄存器，启动指令译码器对指令进行分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊地工作，以完成指令所规定的操作。

　　　　　　控制器由程序计数器（PC)、指令寄存器（IR)、指令译码器、状态字寄存器(PSW)、时序产生器和微操作信号发生器组成。

　　　　　　执行指令的过程：取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址

　　　　　　3）寄存器组：CPU内部临时存储单元。用来存放数据和地址，控制信息和CPU工作时的状态

　　　　　　常用寄存器：累加器、通用寄存器组、标志寄存器（进位标志位C，零标志位Z，符号标志位S，溢出标志位V，奇偶标志位P）、指令寄存器、数据缓冲寄存器（MDR）、地址寄存器（MAR)、其他寄存器　

　　　　　　4）内部总线：CPU内部总线将运算器、控制器和寄存器组等连接在一起。

　　　　　　3 双核和多核处理器

　　　　　　微处理器性能提高的因素：半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展

　　　　1.3.3 存储系统

　　　　　　1 存储器的分类

　　　　　　位置：内存和外存；材料：磁存储器，半导体存储器和光存储器；工作方式：读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM,PROM,EPROM,EEPROM,Flash Memory)；访问方式：按地址访问存储器和按内容访问存储器；寻址方式：随机存储器、顺序存储器和直接存储器

　　　　　　2 存储系统的层次结构

　　　　　　CPU内寄存器-高速缓存（Cache)-主存储器(MM)-外存储器

　　　　　　3 主存储器：存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息

　　　　　　1）由RAM和ROM组成，绝大部分为RAM，常见的SDRAM经历了四代：SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM

　　　　　　2）主存的组成：存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址译码电路

　　　　　　3）主存性能指标：内存容量，存储时间，带宽，可靠性

　　　　　　4 高速缓存

　　　　　　用于对存储在主存中、即将使用的数据进行临时复制。主要由于CPU速度和性能提高很快而主存速度较低，其次就是程序执行的局部性特点（时间局部性和空间局部性）

　　　　　　组成：控制部分和存储器部分

　　　　　　5 外存储器

　　　　　　用来存放暂时不用的程序和数据，外存上的信息以文件的形式存储。

　　　　　　常用外存：

　　　　　　1）磁盘存储器

　　　　　　2）硬盘（固态硬盘SSD，机械硬盘HDD和混合硬盘），

　　　　　　技术指标：存储容量，平均访问时间，数据传输率

　　　　　　3）光盘存储器

　　　　　　采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息的存储装置。

　　　　　　类型：只读型光盘（CD-ROM)，只写一次型光盘（WORM）和可擦除型光盘

　　　　　　光盘存储器由光学、电学和机械部件组成，记录密度高，存储容量大，非接触式读/写信息，信息可长期保存，数据传送率高，制造成本低，对机械结构精度要求不高，存取时间较长

　　　　　　4）USB移动硬盘和USB闪存盘

　　　　　　USB移动硬盘容量大，支持热插拔，即插即用；USB闪存盘又称为U盘，容量大，速度快，体积小，寿命长，价格不断下降，分基本型、加密型和启动型

　　　　　　6 云存储

　　　　　　云存储是一种服务，是在云计算概念上延伸和发展出来的，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。

　　　　1.3.4 输入/输出技术

　　　　输入/输出系统是计算机与外界进行数据交换的通道。负责协调和控制CPU、存储器和各种外部设备之间的数据通信。

　　　　　　1 接口的功能及分类

　　　　　　1）接口：广义上讲，接口是指两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面。用于连接主机与I/O设备的这个转换机构就是I/O接口电路，简称I/O接口。

　　　　　　接口功能：地址译码功能；在主机与I/O设备间交换数据、控制命令及状态信息等；支持主机采用程序查询、中断和DMA等访问方式；提供主机和I/O设备所需的缓冲、暂存和驱动能力，满足一定的负载要求和时序要求；进行数据的类型、格式等方面的转换。

　　　　　　2）接口的分类：

　　　　　　按数据传送的格式分为并行接口和串行接口；按主机访问I/O设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口、DMA接口，以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机等；接时序控制方式可分为同步接口和异步接口

　　　　　　2 主机与外设间的连接方式

　　　　　　常见的有总线型、星型、通道方式和I/O处理机方式等，其中总线方式是互连的基本方式，也是其他连接模式的基础

　　　　　　总线是一组能为多个部件分时共享的信息传送线，用来连接多个部件并为之提供信息交换通路，总线不仅是一组信号线，还包括相关的协议。

　　　　　　3 I/O接口的编址方式

　　　　　　1）与内存单元统一编址

　　　　　　2）I/O接口单独编址

　　　　　　4 CPU与外设之间交换数据的方式

　　　　　　1）直接程序控制：立即程序传送方式，程序查询方式

　　　　　　2）中断方式

　　　　　　3）直接存储器存取方式

　　　　　　4）通道控制方式

　　1.4 指令系统简介

　　CPU所能完成的操作是由其执行的指令决定的，这些指令称为机器指令。CPU能执行的所有机器指令的集合称为CPU的指令系统。指令系统是计算机中硬件与软件之间的接口。

　　　　1 指令格式

　　　　两个基本组成部分：操作码和地址码。操作码说明指令的功能及操作性质，地址码用来指出指令的操作对象，它指出操作数或操作数的地址及指令执行结果的地址。

　　　　指令格式：三地址指令格式，二地址指令格式，一地址指令格式，零地址指令格式

　　　　2 寻址方式

　　　　寻址方式就是如何对指令中的地址字段进行解释，以获得操作数的方法或获得程序转移地址的方法，操作数的位置可能在指令中、寄存器中、存储器中或I/O端口中

　　　　常用的录址方式：立即寻址；直接寻址；寄存器寻址；寄存器间接寻址；间接寻址；基址寻址；变址寻址

　　　　3 指令种类

　　　　1）数据传送类指令：数据传送指令，数据交换指令，堆栈操作指令

　　　　2）输入/输出(I/O)类指令

　　　　3）算术运算类指令

　　　　4）逻辑运算指令

　　　　5）移位操作指令：算术移位，逻辑移位，循环移位

　　　　6）程序控制类指令：跳转指令，子程序调用和返回指令，陷阱指令，串操作类指令，处理机控制类指令，数据转换类指令

　　1.5 多媒体系统简介

　　媒体的分类：

　　1）感觉媒体：指直接作用于人的感觉器官，使人产生直接感觉的媒体

　　2）表示媒体：指传输感觉媒体的中介媒体

　　3）表现媒体：指进行信息输入和输出的媒体

　　4）交换媒体：指用来在系统之间进行数据交换的媒体，包括存储媒体和传输媒体。

　　多媒体技术是指利用计算机技术把文本、图形、图像、声音、动画和电视等多种媒体综合起来，使多种信息建立逻辑连接，并能对它们进行获取、压缩、加工处理、存储，集成为一个具有交互性的系统

　　　　1.5.1 数字声音

　　　　声音是通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声音信号的两个基本参数是幅度（dB）和频率（Hz）

　　　　音频信号是指人耳能听得到的频率范围内的信号，即20Hz~20kHz，把频率小于20Hz的信号称为次声波信号，频率高于20kHz的信号称为超声波信号。根据声音所包含的频率成分的构成特征可以将其分成乐音和噪音两种信号（基音，泛音），乐器的音色是由其基音与泛音的比例、泛音的分布、泛音随时间的衰减变化决定的。

　　　　1 声音信号的数字化：模拟信号-数字信号：采样（采样周期，采样频率，采样定理），量化（量化精度），编码（压缩）

　　　　数字化处理之后的数字声音的主要参数：采样频率，量化位数，声道数目，数据率，压缩比

　　　　2 声音的表示：波形声音信息，非波形描述的声音信息

　　　　数据传输率（bps）= 采样频率（Hz）x 量化位数（bit）x 声道数

　　　　声音信号数据量（Byte）= 数据传输率（bps）x 持续时间（s）/ 8

　　　　3 声音合成：语音合成和音乐合成

　　　　4 MIDI

　　　　5 声音文件格式：.wav, .snd, .au, .aif, .voc, .mp3, .ra, .mid/.rmi

　　　　1.5.2 图形与图像

　　　　在计算机中，“图”有两种常用的表示形式：一种是被称为“图形”的矢量图，另一种被称为“图像”，也叫作栅格图像，点阵图像或位图图像

　　　　1）图形：由矢量表示

　　　　2）图像：用像素点来描述

　　　　1 颜色的基本概念

　　　　颜色是通过光被人们感知的，不同的物体受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射，被人的眼睛所接收并被大脑感知，成为人们所见的物体的彩色表达

　　　　颜色三要素：色调，饱合度，亮度

　　　　三基色：任何一种颜色都可以用3种基本颜色按不同比例混合得到

　　　　颜色模型：RGB颜色模型，CMY颜色模型，YUV彩色模型

　　　　2 分辨率和像素深度

　　　　显示分辨率和图像分辨率

　　　　像素深度：存储每个像素所用的二进制位数

　　　　3 真彩色和伪彩色

　　　　真彩色：三基色分量决定显示设备的基色强度

　　　　伪彩色：为了减少彩色图像的存储空间，在生成图像时，对图像中不同色彩进行采样，产生包含各种颜色的颜色表，通过在彩色查找表中查找这个像素的实际R、G、B分量

　　　　4 图像的获取：直接利用数字图像库的图像，利用绘图软件创建图像，利用数字转换设备采集图像

　　　　数字转换设备采集：采样，量化，编码

　　　　5 图形图像的转换

　　　　采用栅格化（点阵化）技术可以将图形转换成图像，采用图形跟踪技术可以将图像转换成图形

　　　　描述一幅图像需要使用图像的属性，图像的属性包含分辨率，像素深度，真/伪彩色，图像的表示法和种类

　　　　6 图像的压缩编码及标准

　　　　图像数据量 = 图像的总像素 x 图像深度 / 8 （B)

　　　　数据压缩分成两类：无损压缩和有损压缩

　　　　（1）无损压缩

　　　　（2）有损压缩：允许有一定的信息失真，比如人眼和人耳所不敏感的图像或声音信息，允许在可接受的感知失真度之下损失部分信息以获取极高的压缩率。

　　　　有损压缩和无损压缩通常会联合使用以获得更好的压缩效果（JPEG压缩编码标准）

　　　　7 图像文件的格式：BMP, GIF, TIFF, PCX, PNG, JPEG, WMF

　　　　1.5.3 动画和视频

　　　　动画是将静态的图像、图形及图画等按一定时间顺序显示而形成连续的动态画面。动画的本质是运动，根据运动的控制方式可将计算机动画分为实时动画和矢量动画两种，根据视觉空间的不同，计算机动画可分为二维动画和三维动画。

　　　　1 实时动画和矢量动画

　　　　实时动画采用各种算法来实现运动物体的运动控制。矢量动画是由矢量图衍生出的动画形式。

　　　　2 二维动画和三维动画

　　　　二维动画是对传统动画的一个改进，它不仅具有模拟传统动画的制作功能，而且可以发挥计算机所特有的功能，如生成的图像可以复制、粘贴、翻转、放大缩小、任意移位及自动计算等。

　　　　三维画面中的景物有正面，也有侧面和反面，调整三维空间的视点，能看到不同的内容。

　　　　建立三维动画物体模型称为造型，也就是在计算机内生成一个具有一定形体的几何模型。在计算机中大致有3种形式来记录一个物体的模型

　　　　（1）线框模型，（2）表面模型，（3）实体模型

　　　　物体模型只有通过光和色的渲染，才能产生自然界中常见的真实物体效果，这在动画中称为着色（真实感设计）。对物体着色是产生真实感图形图像的重要过程，它涉及物体的材质、纹理以及照射的光源等方面。

　　　　3 模拟视频

　　　　模拟视频是指由连续的模拟信号组成的视频图像，电视系统传播的信号是模拟信号，电视信号记录的是连续的图像或视像以及伴音（声音）信号。

　　　　4 数字视频

　　　　数字视频信息是指活动的、连续的图像序列，一幅图像称为一帧，帧是构成视频信息的基本单位

　　　　视频数字化的目的是将模拟信号经模数转换和彩色空间变换等过程，转换成计算机可以显示和处理的数字信号。

　　　　5 视频压缩编码

　　　　视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据量。视频是连续的静态图像，对于单帧图像压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有共同之处，但是，视频还有其自身的特性，在压缩时必须考虑其运动特性，即帧间的冗余，由于视频信息中各画面内部有很强的信息相关性，相邻帧又有高度的时间相关性，再加上人眼的视觉特性，所以数字视频的数据量可压缩几十倍甚至几百倍。

　　　　（1）帧内压缩：把单独的图像帧当作一般静态图像应用静态图像压缩算法实现数据压缩

　　　　（2）帧间压缩：通常采用基于运动补偿的帧间预测编码技术

　　　　　MPEG视音频压缩编码方法

　　　　6 视频文件格式：（1）Flic文件（.fli/.flc）（2）AVI文件（.avi）（3）Quick Time文件（.mov/.qt）（4）MPEG文件（.mpeg/.mpg/.dat/.mp4）（5）RealVideo文件（.rm/.rmvb）