title:计算机基础笔记

第一章 信息技术概述

1.1 信息与信息技术

一、信息

  1. 信息的定义：信息是客观世界中各种事物运动状态和变化内容的反应，是认识主体对客观事物状态变化的感知。

  2. 信息的性质：普遍性、客观性、依附性、可贮存性、再生性、共享性、时效性和传递性。

  3. 信息、物质、能量是客观世界的三大构成要素。

  4. 数据的定义：数据是信息的符号化表示，数据是信息的载体，信息是数据的语义解释。

  5. 数据的分类：数值型数据和非数值型数据。

  6. 信息的处理过程：收集、加工、存储、传递、施用。

二、信息技术与信息产业

  1. 信息技术的定义：信息技术（简称IT）是指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技术的一类技术
  2. 信息技术包括：
  • 获取(扩展感觉器官)：感测与识别技术
  • 传递(扩展神经系统)：通信技术
  • 加工/存储(扩展大脑)：处理与存储技术
  • 施用(扩展效应器官)：控制与显示技术

  1. 信息技术的核心技术：计算机技术、通信技术、微电子技术、传感技术

  2. 现代电子信息技术的主要特征是：以数字技术为基础、软件与通信技术为核心、采用电子技术(包括激光技术)进行数据的收集、传递、加工、存储、显示与控制。

1.2 数字技术基础

一、比特

  1. 比特的定义：数字技术处理的对象是”比特“，英文为“bit”，意译为“二进位数字”或“二进位”，也可简称为“位”。比特只有1、0两种状态。

  2. 比特是数字技术中信息的最小单位，也是数字设备存储、处理和传输的最小单位，一般用“b”表示。

  3. 字节(byte)用“B”表示，每个字节包含8比特。

  4. 字节是存储数据的基本单位。

  5. 比特的存储：

    1. 触发器
    2. 电容器(充电未充电的状态)
    3. 磁性介质的磁化状态
    4. 光盘光道上的凹坑(平坦为0，凹坑边缘位1)

  6. 存储容量单位：

单位 缩写 定义
比特 b 比特是存储容量的最小单位，表示二进制中的一个位（0或1）。
字节 B 一个字节等于8个比特。
千字节 KB 1 KB = 1024 B
兆字节 MB 1 MB = 1024 KB
吉字节 GB 1 GB = 1024 MB
太字节 TB 1 TB = 1024 GB
  1. 传输速率单位：
单位 缩写 定义
比特/秒 bps 表示每秒传输的比特数，是最基本的传输速率单位。
千比特/秒 Kbps 1 Kbps = 1000 bps
兆比特/秒 Mbps 1 Mbps = 1000 Kbps
吉比特/秒 Gbps 1 Gbps = 1000 Mbps
太比特/秒 Tbps 1 Tbps = 1000 Gbps

二、进制转换

  1. 小数进行转换时，可以采取“乘进制数取整法”。

  2. 算术运算时可能会产生溢出，逻辑运算则不会。

  3. 算数运算

    • 进行算数运算时必须考虑低位向高位借位。

    • 减法要注意溢出。

  4. 逻辑运算

    • 逻辑加(也称“或运算“，用”OR“、”V“或”+“)

    • 逻辑乘(也称”与运算“，用”AND”、”Λ”或“·”)

    • 取反(也称“非运算”，用“NOT”或“—”)

    • 异或(可以用“⊕”表示)

三、数值信息的表示

  1. 数值信息分为整数(又称“定点数”)和实数(又称”浮点数”)两大类。
  2. 定点数又分为无符号整数和带符号整数。
  3. 正数的原码、补码和反码都相同，负数的补码是原码取反再加1。
  4. 浮点数由两部分组成，第一部分是“指数”(又称“阶码”),第二部分是“尾数”。
  5. ASCII字符集包括96个可打印字符，和32个控制字符。

1.3 微电子技术

一、微电子技术

  1. ENIAC是世界上第一台电子计算机。
  2. 微电子技术的定义：微电子技术是实现电子电路和电子设备微型化的技术，它以集成电路为核心。

二、集成电路

  1. 集成电路的定义：集成电路以半导体单晶片为核心，经平面工艺加工制造，将大量的晶体管、电阻、电容及连线构成的电路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。
  2. 集成电路使用的材料：硅（单质）、砷化镓（化合物）
  3. 集成电路的大小：
名称 缩写 定义
小规模集成电路 SSI 集成度小于100的集成电路
中规模集成电路 MSI 集成度在100-3000之间
大规模集成电路 LSI 集成度在300-10万之前
超大规模集成电路 VLSI 集成度在10-100万之间
极大规模集成电路 ULSI 集成度超过100万

  1. 集成电路的分类：

    1. 按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路。
    2. 按用途可分为通用集成电路和专用集成电路。

  2. 集成电路的特点：体积小、功耗低、速度快、可靠性高。

  3. 集成电路的制造流程：硅抛光片 —— 晶圆 —— 芯片 —— 成品测试 —— 集成电路

  4. 集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸，晶体管尺寸越小，其工作频率越高，门电路开关速度就越快。
  5. 摩尔(Moore)定律：单块集成电路的集成度每18-24个月(一年半到两年)翻一番。

三、IC卡

  1. IC卡的定义：IC卡(“集成电路卡”和”芯片卡“)把集成电路芯片封装在塑料卡基片内部，使其能够存储、处理和传递数据的载体。
  2. IC卡的特点：
    1. 存储信息量大，保密性强。
    2. 防止窃取和盗用。
    3. 抗干扰能力强，可靠性高。
  3. IC卡的分类：
    1. 按芯片分类
      1. 存储器卡：信息可长期保存，也可通过读卡器改写，具有一定的安全性。
      2. CPU卡：集成了CPU、程序和数据存储器，还配有操作系统。这种卡处理能力强，安全性更好。
    2. 按使用方式分类
      1. 接触式IC卡：通过金属触点传输数据。
        • 优点：多用于存储信息量大、读写操作复杂的场合。
        • 缺点：易磨损、怕油污，寿命短。
      2. 非接触式IC卡：采用电磁感应的方式传输数据。
        • 优点：免接触、操作方便快捷，防水、防污、寿命长。
      3. 双界面卡：既可以通过金属触点传输数据也可以隔一定的距离以射频的方式传输数据
  4. 电子标签(RFID)
    1. 应用：高速公路不停车收费系统ETC

1.4 门电路

  1. 门电路的定义：数字电子设备中用于完成基本逻辑运算的电路被称为门电路。
  2. 基本逻辑门电路：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门。
  3. 门电路的表达式
    • 与门：$$F=A \bullet B $$
    • 或门：$$F=A+B $$
    • 异或门：$$F=A\bullet\overline{B}+\overline{A}\bullet B $$

第二章 计算机组成原理

2.1 计算机的组成与分类

一、计算机的组成

  1. 计算机的定义：计算机是一种信息处理的工具，是一种可以增强其他工具效用的工具。

  2. 计算机应用模式：集中计算模式、分散计算模式、网络计算模式、云计算模式。

  3. 计算机的五大组成部分：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备

  4. 计算机的原理：存储程序控制。

  5. 计算机的特点：

    1. 速度极快
    2. 通用性强
    3. 存储容量大、存取速度高
    4. 具有互联、互通和互操作的特性
    5. 体积小、功耗低、方便携带

  6. 计算机的副作用：

    1. 个人隐私受到威胁
    2. 信息欺诈和计算机犯罪增加
    3. 知识产权保护更加困难
    4. 计算机系统崩溃将带来不可预测的后果
    5. 不良和有害信息肆意传播和泛滥
    6. 大量电子垃圾污染环境破坏生态
    7. 上期沉迷网络聊天和计算机游戏会给青少年生理和心理带来严重危害

  7. 计算机的逻辑组成：软件和硬件。

  8. 软件 = 程序 + 数据 + 文档
  9. 主机 = CPU + 内存

  10. 硬件：

  11. 主体部分：CPU和主存储器

  12. 外围设备(外设)：输入/输出设备和外存储器

  13. 主存储器和辅助存储器的对比

特性 主存储器 辅助存储器
速度 快速，按字节编址 较慢，按数据块进行编址
容量 较小 较大
使用寿命 较短 较长
用途 存储正在使用的数据和程序 存储大量数据和备份
类型 RAM（随机存取存储器） 硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）
数据访问方式 随机访问 顺序或随机访问
断电后数据状态 数据丢失 数据保留
能耗 较高 较低
  1. 总线的定义：总线是用于CPU、主存、辅存和各种输入/输出设备之间传输信息并协调他们工作的部件，由传输线和控制电路组成。
  2. 总线的分类：连接CPU和主存的CPU总线和连接主存和I/O设备的I/O总线。

二、计算机的分类

  1. 按功能来分：
    1. 巨型机：军事、科研、天气预报、石油勘探、航空航天、生物医药。
    2. 大型机：用作企业级服务，用于政府或企业部门。
    3. 小型机(服务器)：帮助小型企业或部门进行信息处理任务。
    4. 微型机(个人计算机)：家用
    5. 嵌入式计算机(单片机)：用于内嵌在其他设备中的专用计算机，如汽车、冰箱、机顶盒、MP3、数码相机。

2.2 CPU的结构与原理

一、CPU的作用与组成

  1. 存储程序控制的原理：一个问题的解算步骤(程序)连同他所处理的数据都是使用二进位表示的，并预先存放在存储器中。程序运行时，CPU自动从内存中一条条的取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕。
  2. CPU的根本任务是执行指令，他按照指令的要求完成对数据的基本运算和处理。
  3. CPU的结构：
    1. 寄存器组：它由几十个寄存器组成。寄存器的速度很快，它用来存放参与运算的数据和运算的到的结果(中间或最后)。
    2. 运算器，也称**算术逻辑部件(ALU)**：对二进制数据进行各种基本算数运算和逻辑运算。参与运算的数据来自寄存器，运算结果也返回寄存器保存。
    3. 控制器
      1. 指令计数器：用来存放CPU正在执行的指令的地址。
      2. 指令寄存器：用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制运算器的操作，记录CPU的内部状态。

二、指令与指令系统

  1. 指令的定义：指令是构成程序的基本单位。指令采用二进位表示，它用来规定计算机执行什么操作。

  2. 指令的构成

    1. 操作码：指出计算机应执行何种操作的一个命令词。

    2. 操作数地址：给出所操作的数据或指出数据所在的位置。

  3. 指令执行的过程

    1. 取指令：
    2. 指令译码：
    3. 执行指令：
    4. 保存结果：

  4. 指令系统的定义：CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统(指令集)。

  5. Core处理器中共有7大类指令：数据传送类、算数运算类、逻辑运算类、位移操作类、位操作类、控制转移类、输入/输出类。

  6. 为了解决软件兼容性问题采用“向下兼容”开发新处理器。

三、CPU的性能指标

  1. 指令系统

  2. 字长(位数)

  3. 主频(CPU时钟频率)

  4. 高速缓存的容量和结构

  5. 逻辑结构：CPU包含的定点计算器和浮点运算器数目、是否由数字信号处理功能、有无指令预测功能、流水线结构和级数等都对指令执行的速度有影响，甚至对有些特定功能有很大的影响

  6. CPU核的个数

  7. CPU的型号

  8. 计算机每秒可执行的指令数目：

  • MIPS(百万条定点指令/秒)
  • MFLOPS(百万条浮点指令/秒)
  • TFLOPS(亿万条浮点指令/秒)

2.3 主板、内存和I/O

一、主板的组成

  1. 主板：主板上有两个重要的芯片：

    1. BIOS：基本输入/输出系统，是一种Flash存储器(ROM)。
    2. COMS：存储着一些系统相关的配置信息，是一种易失性存储器(RAM)，由纽扣电池供电。

  2. 芯片组

    1. 北桥芯片：北桥芯片是存储控制中心
    2. 南桥芯片：是I/O控制中心

  3. CPU的时钟信号也由芯片组提供。

  4. BIOS的组成部分：

    1. 加电自检程序
    2. 系统盘主引导记录的装入程序
    3. CMOS设置程序
    4. 基本外设的驱动程序

二、内存储器

  1. 内存储器和外存储器的区别：
特性 内存储器 外存储器
存储类型 易失性存储器（RAM）和非易失性存储器（ROM） 非易失性存储器
存储容量 通常较小 通常较大
访问速度 快 慢
数据存储时间 临时（RAM）或永久（ROM） 永久
能否直接由CPU访问 是 否，需要通过内存（RAM）进行访问
成本 每位存储成本较高 每位存储成本较低
功能 用于暂时存储正在处理的数据和指令 用于长期存储数据和文件
示例 RAM, ROM 硬盘, 固态硬盘（SSD）, 光盘, USB存储器
  1. RAM分为：
    1. DRAM(动态随机存取存储器)：适合用于内存
      • 电路简单
      • 集成度高
      • 功耗小
      • 成本低
      • 定时刷新
      • 速度比CPU慢
    2. SRAM(静态随机存取存储器)：适合用于cache
      • 电路较复杂
      • 集成度低
      • 功耗高
      • 成本高
      • 速度和CPU差不多
  2. 存储容量=末地址+首地址+1
  3. 1MB = 220字节,1GB = 230字节
  4. DDR SDRAM比SDRAM快一倍。

三、I/O总线与I/O接口

  1. I/O操作

    1. 任务：将输入设备输入的数据送入内存/将数据从内存读出送到输出设备。
    2. 特点：
      1. 与CPU运算可同时进行。
      2. 多个I/O设备可同时进行。
      3. 每类I/O设备都有各自的控制器，会独立的控制I/O操作的全过程。

  2. I/O总线

    1. I/O总线的定义：计算机中用于I/O设备与内存之间传输数据的部件成为I/O总线

    2. I/O总线的特点：共享和高速。

    3. I/O总线的分类：I/O总线和CPU总线。

    4. I/O总线的主要任务是高速传输数据。

    5. 总线带宽

      1. 带宽的定义：单位时间内可传输的最大数据量。

      2. 带宽计算公式：总线带宽 = 数据宽度/8 * 总线工作频率(MHZ) * 每个总线周期的传输次数

    6. USB(通用串行总线接口)

      1. USB的特点：热插拔和即插即用
      2. USB2.0最多可连接127个设备
      3. 最新的USB版本是USB4.0
      4. USB版本对比
      特性 USB 2.0 USB 3.0 USB 3.1
      最大传输速率 480 Mbps（60 MB/s） 5 Gbps（625 MB/s） 10 Gbps（1250 MB/s）
      数据线数量 4条 9条 24条
      最大电流 500 mA 900 mA 5 A

  3. I/O接口

    1. 串行接口：USB、SATA、PCIE、IEEE-1394

    2. 并行接口：IDE、PCI、DVI、VGA、HDMI

    3. 部分I/O接口协议

      接口协议 简介
      USB 通用串行总线 (Universal Serial Bus)，广泛用于连接外围设备。
      PS/2 一种用于连接计算机键盘和鼠标的接口标准。不支持即插即用，不支持多连接，但是低延迟，高稳定。
      IDE/PATA 集成驱动电子/并行ATA (Integrated Drive Electronics/Parallel ATA)，是一种计算机总线接口标准，用于连接存储设备如硬盘和光驱。
      SATA 串行ATA (Serial ATA)，主要用于连接硬盘和光驱。
      IEEE1394(FireWire) 一种高速串行总线接口，主要用于音视频设备连接。
      PCI 是一种用于将外部设备连接到计算机主板的标准接口。它广泛用于连接显卡、声卡、网卡和其他扩展卡。
      PCI-E 使用串行传输方式，用于连接高性能硬件如显卡、SSD等。
      VGA 是一种模拟视频信号标准，用于传输视频和音频信号。它已经逐渐被HDMI、DP接口取代。
      HDMI 用于传输视频和音频信号。

2.4 输入输出设备

一、输入设备

  1. 触摸仪：手机采用多点触摸屏。
  2. 扫描仪

    1. 扫描仪的分类：

      1. 手持式
      2. 平板式
      3. 胶片专用
      4. 滚筒式

    2. 扫描仪的主要性能指标

      1. 光学分辨率：最高可达800dpi， 分辨率又称dpi。
      2. 色彩位数：色彩位数越多，反应的颜色就越丰富。
      3. 扫描横幅
      4. 接口

    3. 扫描仪的工作过程与原理：

      1. 放置文件：将被扫描的原稿放置在玻璃板上
      2. 光源照射以及采集：光束照射图像，扫描头沿着原稿移动，并采集反射回来的光束。
      3. 光电转换：采集回来的光线经过**CCD(电荷耦合器件)**转换成电信号。
      4. 模数转换：再经**A/D转换器(模数转换器)**转换成数字信号。
      5. 数据处理：这些数据在经过专门的软件进行校正和平滑处理，然后存储在计算机中。

二、输出设备

  1. 打印机

    类别 喷墨打印机 激光打印机 针式打印机
    打印技术 喷墨技术，通过喷嘴喷射墨水 激光技术，通过激光束和静电印刷（碳粉） 针头击打色带，转印到纸张上。一列一列打印，横向运动
    打印速度 中等，通常10-20页/分钟 快速，通常20-30页/分钟甚至更高 较慢，通常几页/分钟
    打印质量 高质量，适合照片和图像打印 高质量，适合文本和图形打印 质量较低，主要用于文本和简单图形打印
    成本 初始成本较低，耗材（墨水）成本较高 初始成本较高，长期使用成本较低（碳粉） 初始成本和耗材（色带）成本均较低
    适用场景 家用、办公室，适合照片和多色打印 办公室，适合大量文本打印 财务部门、银行等，适合多联单据打印
    噪音 较低 较低 较高，工作时有明显的击打声
    颜色 支持彩色打印 大多数支持黑白打印，部分高端机型支持彩色打印 主要为黑白打印

2.5 辅助存储器

一、硬盘存储器

  1. 硬盘的定义：硬盘存储器是由盘片、主轴、主轴电机、移动臂、磁头和控制电路组成。
  2. 硬盘的存储：一个盘片上有几千个磁道，每个磁道又分为几千个扇区(一个扇区512B - 4KB)
  3. SATA的传输速度：
    • SATA1.0：150MB/s
    • SATA2.0：300MB/s
    • SATA3.0：600MB/s
  4. 平均存取时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转等待时间 + 平均数据传输时间

二、其他存储器

  1. 闪速存储器

    1. 闪速存储器属于非易失性存储器
    2. 闪存的优点：抗震性好、耐高温、没有机械运动、读取速度较快、工作时无噪音、尺寸小、轻便。
    3. 闪存的缺点：写入过程复杂，写入速度慢于读出速度，写入次数有限，数据损坏难以修复。
    4. 闪存的分类
      1. NOR型闪存：按字节地址随机读写内容，但写入前必须以块为单位抹除。
      2. NAND型闪存：成本低，抹除次数多。但只能以数据块为单位存取信息。
    5. NAND型闪存的代表是U盘，它的控制芯片是一个8位的嵌入式操作系统。
    类别 机械硬盘（HDD） 固态硬盘（SSD）
    工作原理 使用旋转的磁性盘片和磁头读取数据 使用闪存芯片(NAND型闪存)存储数据，电子读取，无机械部件
    速度 读取和写入速度较慢，通常为50-150MB/s 读取和写入速度快，通常为200-3500MB/s以上
    耐用性 有机械部件，易受震动和冲击损坏 无机械部件，抗震性能好，耐用性强
    寿命 使用寿命较长，通常为数年到十几年 写入次数有限，使用寿命较短
    容量 单盘容量较大，通常为1TB到20TB以上 单盘容量较小，但随着技术进步，2TB及以上的SSD也变得普遍
    价格 每GB价格低，性价比高 每GB价格高，但价格逐渐下降
    能耗 功耗较高，特别是高转速HDD 功耗低，特别适合移动设备
    噪音 运行时有噪音（磁头移动和盘片旋转） 无噪音，因为没有移动部件
    数据恢复 数据恢复相对容易 数据恢复较难，特别是闪存芯片损坏时

  2. 光盘存储器

    1. 光盘存储器的分类
    类别 CD（Compact Disc） DVD（Digital Versatile Disc） BD（Blu-ray Disc）
    容量 600 - 700 MB 4.7 GB（单层）；8.5 GB（双层） 25 GB（单层）；50 GB（双层）；100 GB（四层）
    激光波长 780 nm（红外线） 650 nm（红光） 405 nm（蓝光）
    光盘直径 120 mm 120 mm 120 mm
    耐久性 较高，但易受刮擦和光线影响 较高，但易受刮擦和光线影响 高，且对刮擦和光线有较强的抵抗力
    成本 低 中等 高
    1. CD光盘包括
      1. CD-ROM：只读光盘
      2. CD-R：一次写光盘，染料层负责记录数据
      3. CD-RW：可反复擦写光盘

2.6 补充内容

一、无线I/O接口

  1. 蓝牙
    1. 蓝牙的定义：蓝牙是一种短距离通信技术，IEEE曾将它作为**个人无线区域网协议(802.15.1)**的标准。
    2. 蓝牙使用调频技术来防止多个设备在同一频段内通信时产生干扰。
    3. 工作频率在2.4 - 2.4835GHz，通信距离在百米以内，传输速度在1 - 24Mbps之间。
  2. 近场通信 NFC
    1. NFC的定义：NFC是一种近距离高频无线通信技术，双向通信，可读可写。
    2. 工作频率为13.56MHz，通信距离在十米以内，传输速度有106kb/s、212kb/s、424kb/s。
    3. 3种工作模式：
      • IC卡仿真模式
      • 读卡器模式
      • 点对点模式(P2P mode)

第三章 计算机软件

3.1 计算机软件

一、程序

  1. 程序的定义：程序是告诉计算机该做什么的一组指令(语句)。
  2. 程序的特点
    1. 完成某一确定的信息处理任务。
    2. 使用某种计算机语言描述如何完成该任务。
    3. 存储在计算机中，并在启动运行后起作用。
  3. 程序和数据的关系
    1. 计算机中程序所处理的对象和处理后所得到的结果统称为数据。
    2. 程序必须处理合理、正确的数据。
    3. 程序和数据有相对性。

二、软件

  1. 软件 = 程序 + 数据 + 文档
  2. 程序与软件的关系：软件是设计比较成熟、功能比较完善的程序。
  3. 软件的特性
    1. 不可见性
    2. 适用性
    3. 依附性
    4. 复杂性
    5. 易复制性
    6. 不断演变性
    7. 脆弱性
    8. 有限责任
  4. 软件的分类
    1. 按功能作用分为：
      1. 系统软件
        1. 定义：为了安全有效地使用计算机系统，给应用软件开发与运行提供支持，为用户管理和使用计算机提供方便的一类软件。
        2. 系统软件的主要特征：
          1. 基础性：它与计算机硬件关系密切，能对硬件资源进行统一的控制、调度和管理。
          2. 通用性：它是应用软件运行的平台。
          3. 必要性：系统软件是必不可少的，具有很重要的地位。
      2. 应用软件
        1. 定义：专门用于为最终用户解决具体任务的软件。
        2. 应用软件又分为通用应用软件和定制应用软件。
    2. 按软件权益的处置方式分为：
      1. 商品软件：需要付费才能得到使用权。
      2. 共享软件：是一种买前免费使用具有版权的软件
      3. 自由软件：允许自由传播和修改，还有一种基于自由软件的开源软件。
      4. 免费软件：大多数自由软件都是免费软件，但免费软件不全都是吧自由软件。

3.2 操作系统(OS)

一、操作系统

  1. 操作系统的定义：操作系统是计算机中最重要的一种系统软件，是用于执行各种具有共性和基础性操作的软件。
  2. 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. 为应用的开发和运行提供一个高效率的平台。
  3. 操作系统的组成
    1. 操作系统内核(kernel)：操作系统内核指的是提供任务管理、存储管理、文件管理、设备管理等功能的一组软件模块，用于为其他软件提供服务，它们是操作系统中最基本的部分。Windows使用的是NT内核，Linux和Android用的都是Linux内核。
    2. 图形用户界面程序
    3. 常用的应用软件
    4. 实用程序
    5. 各种软件构件
  4. 操作系统的启动流程
    1. CPU先执行BIOS的自检程序，测试计算机是否正常工作。
    2. BIOS中的引导装入程序按照CMOS设定的启动顺序，将主引导记录(MBR)读到内存然后再由操作系统引导加载程序继续把操作系统装入内存，加载成功后用户就能正常使用计算机了。

二、多任务处理

  1. 任务的分类
    1. 前台任务：能接受用户输入的窗口，只有一个称为活动窗口，它所对应的任务成为前台任务。
    2. 后台任务：除前台任务外，都是后台任务。
  2. Windows的多任务处理采用“抢先式”。
  3. 手机的多任务处理是通过交出硬件资源来实现的
  4. 多任务处理其实是由CPU快速轮流执行。
  5. 调度程序一般采用按时间片轮转的策略。

三、存储管理

  1. 每个任务运行时均有自己的存储器空间，用来存放它自己的程序、代码和数据。
  2. 存储管理的方法
    1. 固定分区，即每个任务分配一个固定位置、固定大小的空间(笨方法)。
    2. 可变分区，即每个任务按需分配(各占一个分区)，位置可变、大小可变。
  3. 存储管理的任务
    • 为每个任务分配内存空间，任务终止后再回收。
    • 对内存空间进行保护。
    • 提供内存共享，允许一些存储区域被多个任务共享访问。
    • 对内存空间进行扩展，例如虚拟内存。
  4. 虚拟存储技术

    1. 页面调度算法:

      1. 最佳调度算法（OPT）

        先进先出调度算法（FIFO）

        最近最久未使用调度算法（LRU）

        最近最不经常使用调度算法（LFU）

    2. 速度略低于主存

    3. 安卓是单独的SWAP分区

四、文件管理

  1. 文件的定义：文件是存储在辅助存储器中的一组相关信息的集合。计算机中的程序和数据都组织成为文件存放在辅助存储器中，并以文件为单位进行存取。不同的计算机之间也以文件为单位进行信息交换。
  2. Windows允许使用长文件名，最多可包含255个中文或西文字符。
  3. Text.DOC == text.doc
  4. Windows文件位置组成: 驱动器号(盘符):\文件路径\文件名

五、设备管理

  1. 设备管理程序的功能
    1. 主要负责对系统中各种输入设备进行管理。
    2. 处理用户的输入输出请求，方便、有效、安全地完成I/O任务。

六、常用操作系统

  1. 操作系统分类

    1. 网络操作系统
    2. 实时操作系统
    3. 嵌入式操作系统

  2. windows操作系统

    1. 单用户、多任务(server版多用户、多任务)

  3. UNIX操作系统

    1. 多用户、多任务
    2. 应用于服务器、工作站和大型计算机系统

  4. Linux操作系统

    1. Linux内核是一个自由软件

3.3 算法和程序设计语言

一、算法

  1. 算法的定义：算法就是解决问题的方法与步骤。

  2. 算法是计算机软件的灵魂。

  3. 算法的基本要求

    • 确定性

    • 有穷性

    • 能行性

    • 输出

  4. 计算机求解问题的步骤

    1. 理解和确定问题。
    2. 寻找解决问题的方法与规则，并表示成算法。
    3. 使用程序设计语言表达算法。
    4. 运行程序，获得问题的解答。
    5. 对算法进行评估以改进。

  5. 算法分析的基本内容

    • 正确性
    • 简单性
    • 时间复杂度
    • 空间复杂度

  6. 算法的评价标准

    1. 正确性
    2. 可读性
    3. 健壮性
    4. 可扩展性
    5. 时间复杂度
    6. 空间复杂度

  7. 算法表示的形式

    • 文字描述

    • 流程图

    • 伪代码

    • 程序设计语言

二、程序设计语言

  1. 程序设计语言：

    1. 语言是用于通信的 。
    2. 程序设计语言是用于人与计算机之间的通信。
    3. 程序设计语言是一种使人能够精准地描述算法，并能让计算机理解和执行的语言。
    4. 程序员使用这种语言来编制程序，精确地表达需要计算机完成什么任务和具体的步骤。

  2. 程序设计语言的分类

    1. 机器语言
      • 优点：用机器语言编写的程序可直接执行。
      • 缺点：不宜记忆和理解，也难以修改和维护。
    2. 汇编语言(ASM)
      • 定义：使用助记符表示指令，比机器语言易读，但仍需了解硬件细节。
    3. 高级语言
      • 定义：更接近人类语言，易读易写，跨平台，但需要经过编译或解释转换为机器代码。

  3. 程序设计语言的成分

    1. 运算成分
    2. 控制成分
    3. 数据成分
    4. 传输成分

  4. 部分高级语言

    1. FORTRAN：适用于数值计算的面向过程的程序设计语言。
    2. BASIC：初学者通用指令代码。
    3. VB语言：微软公司开发的，面向对象的程序设计语言。
    4. Objective-C：IOS操作系统使用的面向对象编程语言。
    5. PROLOG：一种逻辑式编程语言，主要用于人工智能领域。
    6. Ada：一般用于飞行器控制之类的软件中。
    7. MATLAB：一种面向向量和矩阵运算的数值计算语言。
    8. Java语言
    9. Python
    10. C语言
    11. C++
    12. C#

三、程序设计语言处理系统

  1. 处理过程
    1. 编辑
    2. 编译
    3. 链接
    4. 运行

3.4 软件工程技术

  1. 软件的生命周期
    1. 系统规划
    2. 系统分析
    3. 系统设计
    4. 系统实现
    5. 系统维护

第四章 计算机网络

4.1 数字通信

一、通信系统

  1. 现代通信是指使用光波或电波传递信息的技术，通常称为电信。
  2. 通信的定义：通过某种媒介或行为进行信息的传递和交流。
  3. 通信的要求：距离远、高速度、低成本、安全、可靠、方便。
  4. 通信的三个基本要素
    1. 信源：信息的发送者。
    2. 信宿：信息的接收者。
    3. 信道：信息的传输通道。
  5. 电信号的两种形式
    1. 模拟信号：通过连续变化的物理量来表示时间。
    2. 数字信号：利用电平高低来表示数据，它不是连续的。

二、有线通信

  1. 有线通信使用的传输介质是金属导体和光导纤维，金属导体利用电流传输信息，光导纤维通过光波传输信息；无线通信不需要物理连接，而是通过电磁波来传输信息。
  2. 通信传输介质的分类：
类型 传输介质 应用场景 优点 缺点
有线传输介质 双绞线 电话通信、局域网（LAN） 成本低、安装方便 容易受到电磁干扰
同轴电缆 有线电视、早期计算机网络 抗干扰能力强 安装复杂、成本较高
光纤 骨干网、高速数据通信 高带宽、远距离传输 安装和维护成本较高
无线传输介质 无线电波 广播、Wi-Fi、移动通信 传输距离远、适用范围广 容易受到干扰、带宽有限
微波 卫星通信
地面微波接力通信
对流层散射通信		 高频率、高带宽 需要视距传输、易受天气影响
红外线 电视遥控器、短距离设备通信 不受电磁干扰、成本低 传输距离短、需直线传输
  1. 电缆通信
    1. 同轴电缆
    2. 双绞线
      1. 三类线(10Mb/s)
      2. 五类线(100Mb/s)
      3. 六类线(200Mb/s)
      4. 七类线(10Gb/s)
  2. 光纤通信
    1. 光纤是光纤通信的简称，光纤具有把光封闭在纤芯轴中并向前传播的功能。
    2. 光纤的优点(见上表)

三、无线通信

  1. 无线电波的分类
    1. 中波：主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。
    2. 短波：具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。
    3. 超短波：视距和超视距通信。
    4. 微波：微波是一种300Mz - 300GHz的电磁波。
  2. 超短波和短波绕射能力较差,只能用作视距和超视距通信。
  3. 移动通信

四、调试/解调与多路复用技术

  1. 调制/解调技术

    1. 近距离：直接(基带)传输
    2. 远距离：载波传输
    3. 调制的方法：幅度调制、频率调制、相位调制
    4. 载波的定义：高频正弦震荡信号。
    5. 调制：数模转换
    6. 解调：模数转换
    7. 调制器和解调器集成在一起，一般称为调制解调器(MODEM，又称“猫“)。

  2. 多路复用技术

    1. 多路复用技术的定义：让多路信号共用同一条传输线同时进行传输。
    2. 多路复用技术的分类
      1. 时分多路复用技术(TDM)
        1. 同步时分多路复用技术(STDM)：以事先规定的顺序流转使用同一传输线路进行数据传输。
        2. 异步时分多路复用技术(ATDM)：发送方只要有数据且信道空闲就发送，没有数据时即使到它也不占用信道。这样可以大大提高信道利用率，这是计算机网络中使用的主要方式。
      2. 频分多路复用技术(FDM)：通过多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号在传输线路上进行传输。抵达接收端后借助分路器(DEMUX)把不同的载波送到不同的接收设备。
      3. 波分多路复用技术(WDM)：在同一光纤中同时传输几种波长不同的光波。
      4. 码分多路复用技术(CDM)：使用扩频技术技术将数据包进行传输。

五、 交换技术

  1. 电路交换

    1. 过程：建立连接—通信—释放连接
    2. 特点：通话时始终占用传输信道。

  2. 分组交换(包交换)

    1. 定义：把数据划分为若干个分组(也称为”包”)，以分组的单位进行传输。
    2. 包(分组) = 头部 + 有效载荷

  3. 存储转发

    1. 定义：每当交换机接收到包后，就检查数据包的目标计算机地址，然后再查表决定要由哪个端口转发出去。端口每发出一个包就在该端口的缓冲区排队，端口每发完一个包，就从缓冲区提取下一个发送。

  4. 分组交换机

    1. 基本工作模式：存储转发
    2. 交换机与交换机之间是通过高速数字通信线路传输的。

  5. 分组交换与存储转发的优点和缺点

    1. 优点：
      1. 数据线路利用率高
      2. 数据通信可靠
      3. 灵活性好
    2. 缺点：在转发时需要在缓冲区排队会产生一定时延。

4.2 计算机网络基础

一、计算机网络的分类与组成

  1. 计算机网络的目的

    1. 数据通信：计算机互相通信、互相传输数据，方便进行数据交换。
    2. 资源共享：用户可以共享网络中其他计算机的软件、硬件和数据。**(资源共享 = 硬件资源 + 软件资源 + 数据)**
    3. 实现分布式信息处理：信息处理任务可以利用分散在网络中的多个计算机完成。
    4. 提高计算机系统的可靠性和安全性：一台计算机出问题，它的任务可以由网络中其他计算机完成。网络中某个计算机负载过重时，网络可以分配一部分任务给空闲的计算机。

  2. 计算机网络的分类

    1. 按使用性质

      • 公用网

      • 专用网

    2. 按适用范围

      • 企业网

      • 政府网

      • 金融网

      • 校园网

    3. 按覆盖的地域范围

      • 局域网(LAN)

      • 城域网(MAN)

      • 广域网(WAM)

        1. 低速的X.25网
        2. 中速的帧中继网
        3. 中高速的ATM网

  3. 广域网大多数是网状结构

  4. 计算机网络的组成

    1. 计算机
    2. 数据通信链路
      1. 带宽：带宽是指通信链路所能到达的最高数据传输速度。
    3. 网络协议(protocol)
    4. 网络操作系统和网络应用软件

  5. 计算机网络的工作模式

    1. 分类
      1. 对等(P2P)模式
        1. 特点：点对点，即网络中的每台计算机即可以充当客户机又可以充当服务器。
      2. 客户/服务器(C/S)模式
        1. 特点：要么是客户机，要么是服务器。

二、局域网的基本原理

  1. 局域网的特点
    1. 为一个单位所拥有，自建自营，地域有限。
    2. 使用专用的传输介质进行联网和数据通信。
    3. 数据传输速率高，延迟低、误码率低。
  2. 局域网的逻辑组成：网络工作站、网络服务器、网络接口卡、传输介质、网络互联设备。
  3. MAC地址是互联网上每一台设备的全球唯一编号。
  4. MAC地址的长度为48位。
  5. 局域网采中以太网采用的通信协议是**IEEE 802.3(CSMA / CD)**。
  6. CSMA/CD(载波侦听多路访问)是一种在以太网中使用随机争用型的介质访问控制方法
  7. 局域网采用分组交换技术，传输的数据要分成”帧”(frame)，一次只能传输1帧，不允许任何计算机连续传输任意多的数据。
  8. 数据帧的格式
源计算机MAC地址 目的计算机目标地址 控制信息 有效载荷(传输的数据) 校验信息
  1. 网卡
    1. 定义：它是连接计算机和传输介质的控制电路，能实现与传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还负责数据帧的发送与接收、数据帧的封装和拆封。
    2. 每块网卡都有全球唯一的MAC地址。
    3. 网卡的工作过程

三、以太网的分类

  1. 共享式以太网
    1. 通过一根总线实现计算机的相互通信，是最早使用的以太网。
    2. 共享式以太网是总线型网络。
  2. 交换式以太网
    1. 以交换机为中心构成。交换机是一种高速电子开关。
    2. 交换机接收一个数据帧后，会根据MAC地址直接发送给目标计算机，不再向无关计算机发送。
    3. 交换式以太网是一种星形拓朴结构的网络。
    4. 每一台计算机独享一定带宽。
  3. 千(万)兆位以太网
    1. 学校、企业和单位内部，用以太网交换机按性能高低以树状方式将以太网连接起来，形成多层次的以太局域网。
  4. 无线局域网(WLAN)
    1. 无线局域网是以太网和无线通信技术结合的产物。
    2. 借助无线电波传输数据。
    3. 使用的无线电波主要是微波中的2.4GHz和5GHz。
    4. 采用的协议是IEEE802.11(Wi-Fi);

4.3 互联网的组成

一、网络分层协议和TCP/IP协议

  1. 网络分层协议
    1. 计算机网络分层的原因：计算机网络是个复杂的系统，互相通信的计算机必须高度协调才能完成预定的任务。共同遵守统一的网络通信协议。
    2. 网络协议通过分层的方法开发和设计，可以把复杂的问题简单化，使问题比较容易处理。
  2. TCP/IP协议
    1. TCP/IP模型将计算机网络分成4层：
      1. 应用层：
        1. 定义：它规定了应用程序之间如何通过互联的网络进行通信。
        2. 主要协议：SMTP(简单邮件传输协议)、HTTP(超文本传输协议)、FTP(文件传输协议)
      2. 传输层
        1. 定义：它规定了怎样进行端—端的数据传输。
        2. 主要协议：TCP、UDP
      3. 网络互联层
        1. 定义：它规定了在整个互联的网络中所有计算机统一使用的编制方案和数据包格式(IP数据报)，将IP数据报发送给最终目标的转发机制。
        2. 主要协议：IPv4、IPv6
      4. 网络接口层(链路层)。
        1. 定义：它规定了怎样与不同物理网络进行接口，负责把IP包转换成特定的帧格式。
        2. 传输单位：帧
        3. 主要协议：以太网、FDDI、X.25、ATM
    2. OSI模型将计算机网络分成7层(应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层)。
    3. Internet起源于美国国防部ARPANET计划。
    4. TCP/IP是支持Internet扩充服务的协议。
    5. TCP(传输控制协议)和IP(网络互联协议)是最重要、最基本的核心协议。
    6. TCP/IP分层模型的特点
      1. 适于异构网络的互联。
      2. 确保可靠的端➖端通信。
      3. TCP/IP即支持面向连接服务(TCP)，又支持无连接服务(UDP)。

二、IP协议和路由器

  1. IP地址

    1. IP地址的分类
    IP类别 起始地址 结束地址 子网掩码 特点 用途
    A类(126个) 0.0.0.0 127.255.255.255 255.0.0.0 前1个字节为网络部分，首字节的最高位为0 大型网络
    B类 128.0.0.0 191.255.255.255 255.255.0.0 前2个字节为网络部分，首字节的前2位为10 中型网络
    C类 192.0.0.0 223.255.255.255 255.255.255.0 前3个字节为网络部分，首字节的前3位为110 小型网络
    1. 0.0.0.0称为网络地址，用来表示一整个物理网络。
    2. 1.1.1.1称为直接广播地址。
    3. IPv4的地址长度为32位，IPv6的地址长度为128位。

  2. IP数据报

    1. IP数据报最大64KB.
    2. IP数据报的定义：为了实现异构网络之间的通信，IP协议定义了一种独立于各种物理网络的数据包格式。IP数据报由头部和数据区两部分组成，头部包括：

  3. 路由器

    1. 定义：路由器是连接异构网络的关键设备，本质也是一种分组交换机，确保了各种不同的物理网络的无缝连接。
    2. 路由器的每个网口都有一个IP地址。
    3. 路由器的主要功能：路由选择和存储转发。
    4. 路由器的详细工作过程：
      1. 发送端计算机将数据封装成IP数据报的形式，发送给路由器；
      2. 路由器接收到IP数据报之后，根据IP数据报中目的地主机的IP地址，查找路由表，选择转发路径；
      3. 根据下个网络所使用的协议，将IP数据报封装成相应的数据包(帧)格式，送入缓冲器中排队；
      4. 在数据链路空闲时将数据包转发到另一网络；
      5. 若目的地计算机就在该网络上，则送达计算机，否则再传送给下一个路由器进行处理；

三、域名系统

  1. 域名的定义：互联网中主机的符号就称为它的域名。域名使用字母、数字、和连字符(必须使用字母或数字开头和结尾，总长度不得超过255个字符)。
  2. 一台主机可以没有域名，也可以有多个域名
  3. 把域名翻译成IP地址的软件称为DNS(域名解析系统 Domain Name System)。

四、互联网的接入

  1. 接入方式
接入方式 工作原理 特点 优缺点
电话拨号接入 通过电话线和调制解调器（Modem）连接到互联网。 速度较慢（最高56 Kbps）；需要占用电话线。 优点：简单易用，覆盖广泛。
缺点：速度慢，不能同时上网和打电话。
ADSL接入 利用现有的电话线得到三个信息通道(语音通道、上行数据通道、下行数据通道) 非对称速率，下载速度快于上传速度；速度一般。
(上传:64kbps-256kbps)
(下载:最高8Mbps)		 优点：价格相对低廉，可同时上网和打电话。
缺点：距离电信局越远，信号越弱。
有线电视网接入 使用有线电视网络（同轴电缆）传输数据。 速度较高；利用已有的有线电视网络。 优点：宽带速率较高，稳定性较好。 缺点：上传速度相对较慢。
光纤接入（FTTH） 通过光纤直接连接到家庭或企业，使用光信号传输数据。 速度极高（可达Gbps级别）；稳定性强，不受干扰。 优点：极高的带宽和稳定性，支持对称上下行速度。
缺点：建设成本高，覆盖有限。
无线接入（Wi-Fi、4G/5G） 通过无线信号（如Wi-Fi、4G、5G）连接到互联网，无需物理线缆。 方便移动使用，速度较高（尤其是5G）；不依赖物理线路。 优点：灵活性高，可移动接入。
缺点：信号可能受环境因素影响，覆盖范围有限。

  1. ADSL的定义：一种不对称数字用户线，是为了下载多于上传的普通用户而设计的一种技术。

  2. ADSL的特点：

    1. 一条电话线可同时接听并拨打电话。
    2. ADSL传输的数据不通过电话交换机。
    3. ADSL的数据传输速率是根据线路情况自动调整的，采用“尽力而为”的方式传输数据。

  3. 光纤接入的分类

    1. 光纤到路边(FTTC)
    2. 光纤到小区(FTTZ)
    3. 光纤到大楼(FTTB)
    4. 光纤到家庭(FTTH)

  4. 我国目前采用光纤到楼、以太网到户(FTTx+ETTH)

  5. 常见的广域网

    网络类型 主要特点 传输速率 技术类型
    ISDN (综合业务数字网) 提供语音、数据、视频等综合服务 64 Kbps - 2 Mbps 电路交换
    FR (帧中继) 高效的分组交换，低延迟 56 Kbps - 45 Mbps 分组交换
    ATM (异步传输模式) 高速传输，适合语音、视频、数据 25 Mbps - 622 Mbps 定长分组交换，固定53字节单元
    X.25 低速 2.4 Kbps - 64 Kbps 分组交换

4.4 互联网的服务

一、互联网通信

  1. 电子邮件
    1. 优点：以电子文档代替纸质文档、网络传输代替人工投递。传递速度快、使用方便、成本低、安全。
    2. 电子邮箱属于异步通信方式。
    3. 电子邮箱常用的协议：
      1. SMTP：用于发送电子邮件。
      2. POP3/IMAP4：用于接收电子邮件。
      3. MIME：用来丰富邮件内容。
    4. 邮箱名@邮件服务器域名
  2. 即时通信(IM)
    1. 定义：即时通信(Instant Messaging，简称IM)就是实时通信。
    2. 同步通信方式
    3. 常见的即时通信软件：QQ、微信、微博。
  3. 文件传输服务FTP
    1. 定义：把网络上一台计算机中的文件传输到另一台计算机上，被称为文件传输(简称FTP)。
    2. ftp://用户名:口令@FTP服务器域名:端口号
    3. FTP公开账号密码:anonymous
  4. 远程登录Telnet
    1. Internet提供的用于远程登录的命令。

二、WWW信息服务

  1. WWW(World Wide Web)是由欧洲核物理研究中心(CERN)提出的。

  2. WWW表示网页浏览。

  3. 网站的定义：网站中的起始网页称为主页，多数网页是采用HTML描述的超文本文档。

  4. 网页的定义：网页是一种超文本文档，它由文字、图像、音频、视频、脚本程序等组成。

  5. 网页最重要的特性是能借助超链接把网页互相连接起来。

  6. 统一资源定位器(URL)它用来指出Web网中信息资源(网页)的位置，表示形式为：

    ​ http://域名或IP地址:端口号/文件路径/文件名

  7. Web网页有静态网页和动态网页两大类。

  8. Web信息检索的方式

    1. 关键词检索
    2. 全文检索

  9. Web信息检索的工具

    1. 主题目录
    2. 搜索引擎

4.5 网络信息安全

  1. 安全措施
    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

一、数据加密和数据签名

  1. 数据加密：为了在网络通信中即使被窃听也能保持数据的安全，必须对传输的数据进行加密。数据加密也是其他许多安全措施的基础。
  2. 数字签名
    1. 定义：数字签名是通信过程中附加在信息上并随着消息一起发送的比人无法伪造的一串代码。
    2. 它是发送者发送信息真实性的有效证明，数字签名还能保证消息传输的完整性。

二、身份验证、数字证书和访问控制

  1. 身份验证是访问控制的基础。
  2. 数字证书是一个电子文档，是由CA中心审核签发的，数字证书只在特殊时间段有效。
  3. 访问控制

三、防火墙和入侵检测

  1. 防火墙是将内网与外网隔离以维护网络内部信息安全的一种软件或硬件设备(被动防范网络攻击)。
  2. 入侵检测是主动保护系统免受攻击的一种网络安全技术，及时发现来自内部和外部的各种攻击企图、攻击行为和任何未经授权的访问活动。

四、计算机病毒

  1. 定义：计算机病毒是指蓄意在计算机程序或数据文件中插入的具有破坏性的一些指令和程序代码，在一定条件下激活，从而给计算机系统造成损害。
  2. 计算机病毒的特点
    1. 破坏性
    2. 隐蔽性
    3. 传染性和传播性
    4. 潜伏性

第五章 数字媒体处理及应用

  1. 多媒体技术的特征：多样性、集成性、交互性、实时性。

5.1 文本与文本处理

一、字符的编码

  1. 字符的定义：组成文本的基本元素是字符。
  2. 字符集的定义：一组特定字符的集合。
  3. 文本显示的方式：打印输出和屏幕显示。
  4. 部分编码
    1. GB 18030
      1. 支持繁体
    2. GB 2312
      1. 能够显示6763个汉字和682图形字符。
      2. GB 2312的采用2个字节来表示，每个字节的最高位都为1，这种编码被称为机内码(又称“内码”)。
    3. GBK
      1. 能够显示21003个汉字和883图形字符。
      2. 它的第一个字符最高位为1，第二个字符最高位随意。

    4. Unicode
      1. Unicode编码采用可变长编码

二、字符符号的输入

  1. 输入字符的方法有两种：人工输入和自动识别输入。
  2. 汉字的输入编码不是唯一的，汉字的内码是唯一的。
  3. 区位码(H) + 2020(H) = 国标码
  4. 国标码(H) + 8080(H) = 机内码

三、文本的分类

文本类型 描述 特点 示例 用途
简单文本 只包含纯文本字符，无任何格式或样式信息。 纯文本内容，无格式、字体、颜色或样式；最小文件大小，占用存储空间小。 .txt文件，日志文件 日志记录、简单文档、脚本文件。
丰富格式文本 包含文本和格式化信息，如字体、颜色、粗体、斜体等。 支持多种文本样式和排版（如加粗、斜体、下划线、段落格式）；通常需要特定的软件阅读。 .docx（Word文档），.rtf 办公文档、报告、备忘录、文案创作。
超文本 采用网状结构来组织信息。 超链是有向的，起始位置称为链源(HTML中称为锚);目的地称为链宿。 .html文件，网页内容 网站页面、电子邮件、在线文章和文档

5.2 图像和图形

一、数字图像

  1. 图像的定义：从现实世界获取的取样图像称为图像(又称点阵图像或位图图像)。

  2. 图像获取的过程

    1. 扫描
    2. 分色
    3. 取样
    4. 量化

  3. 数字图像获取的设备

    1. 2D图像获取设备：扫描仪、数码相机、智能手机。
    2. 3D图像获取设备：3D扫描仪。

  4. 像素的定义：取样点是组成图像的基本单位，彩色像素通常由红绿蓝(RGB)3个分量组成，灰度图像只有一个亮度分量。

  5. 取样图像的表示方法：灰度图像用一个矩阵表示;彩色图像用一组(一般3个)矩阵来表示，每个矩阵称为一个位平面。矩阵的行数称为垂直分辨率，列数称为水平分辨率，矩 阵中的元素是像素颜色分量的亮度值(8-12位的二进制数)。

  6. 图像的描述信息

    1. 图像大小

    2. 位平面大小

    3. 位平面数目

    4. 像素深度

    5. 色彩空间类型(颜色模型)：可相互转换

      1. RGB 颜色模型(显示器)

      2. CMYK(青、品红、黄、黑) 颜色模型(彩色打印机)

      3. HSB(色彩、饱和度、亮度)颜色模型(图像编辑软件)

      4. YUV色彩模型：亮度（Y），色度（U 和 V）(电视)

  7. 压缩分为有损压缩和无损压缩。

  8. 判断一个压缩编码的好坏主要是从这三个方面：压缩比的大小、重建图像的质量、压缩算法的复杂程度。

  9. 压缩的能行性：

    1. 数据有较大冗余
    2. 人眼视觉的局限性

  10. 数字图像处理的过程：去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索。

  11. $$
    \Large图像数据量 = \frac{水平分辨率 \times 垂直分辨率 \times 像素深度}{8}
    $$

  12. $$
    \Large压缩后图像数据量 = \frac{原始数据量}{压缩比}
    $$

  13. 真彩色通常使用24位或32位来表示每个像素的颜色。

  14. 常见图像文件格式

名称 压缩编码方法 性质 典型应用
BMP 位图数据 无损 图像处理、桌面应用程序
JPEG 基于离散余弦变换（DCT） 大多数有损 照片、数码相机图像、网页图像
PNG 基于LZ77算法 无损 网页图像、透明背景图像、插图
GIF LZW 无损 简单动画、网页图像、图标
TIF RLE,LZW 无损 桌面出版
WebP VP8视频的帧内编码方式 有损/无损 网页图像

二、计算机图形

  1. 使用计算机进行景物描述的过程称为景物的建模。

  2. 计算机根据景物的模型生成其图形的过程称为绘制，又称图像合成。

  3. 建模的方法

    1. 规则形体可使用各种几何元素和表面材料的性质等进行描述，所建立的模型称为几何模型。
    2. 不规则形体需要找出它们的结构和生成的规律并使用相应的算法来描述其规律，这种模型称为过程模型或算法模型。

  4. 计算机图形的应用

    1. CAD/CAM(计算机辅助设计和辅助制造)
    2. 利用计算机绘制各种地形图、交通图、天气图、海洋图。
    3. 作战指挥和军事训练
    4. 计算机动画和计算机艺术
    5. 电子游戏、出版、数据处理、辅助教学

  5. 矢量图形的定义：为了区别通常的取样图像，计算机绘制的图形称为矢量图形。

5.3 数字音频

一、数字音频的获取

  1. 声音是一种波，人耳可听见的音频信号其频率是20 Hz - 20kHz，称为全频带音频。人说话的频带是300 - 3400Hz，称为言语(又称语音或话音)。
  2. 音频数字化的原因：音频是模拟信号，为了使用计算机处理数据必须把它转换成二进制编码表示。
  3. 音频数字化的过程
    1. 取样
    2. 量化
    3. 编码
  4. 音频获取设备
    1. 麦克风：他的作用是把声波传换成电信号，然后由声jjjj卡数字化。
    2. 声卡
      1. 核心是数字信号处理器(DSP)：DSP是一种专用的微处理器，它在数字音频的编码、解码、MIDI声音合成以及音频编辑操作起到重要作用。
  5. 输出声音的过程
    1. 声音的重建：通过声卡完成
      1. 解码
      2. 数模转换
      3. 插值处理
    2. 播放
      1. 普通音箱接受的是重建的模拟音频信号。
      2. 数字音箱可以直接接收数字音频信号，声音质量更有保障。
    3. 智能手机声音处理集成在主板的音频芯片中。

二、数字音频的应用

  1. 数字音频的定义：数字音频是一种是用二进制表示的按照时间顺序组织的串行比特流。

  2. 数字音频的主要参数：取样频率、量化位数、声道数目、比特率(码率)。

  3. $$
    \large 数字音频的码率 = 取样频率 \times 量化数量 \times 声道数目
    $$

  5. $$
    \large 压缩后码率 = \frac{原始码率}{压缩比}
    $$

  7. 数字音频压缩的目的：降低成本和提高在网络中传输速率。

  8. 通信的编码

    1. 固定电话通信使用PCM和ADPCM编码。
    2. 移动电话通信使用AMR编码(微信)。

  9. 数字音频文件格式

文件格式 编码类型 效果 主要应用
WAV PCM（未压缩） 声音达到CD品质，码率为1.4Mb/s 专业音频编辑，音频制作，录音，广播
MP3 MPEG-1 Layer 3 MPEG-1 audio层，压缩比为2:1左右 音乐播放、在线音乐流媒体、音频文件共享
AAC MPEG-4 AAC 压缩比可调，支持5.1、7.1声道 iTunes、Apple Music、YouTube、在线流媒体
FLAC 无损压缩 压缩比为2:1左右 高质量音乐存储、音乐收藏、音频归档
M4A 无损压缩 压缩比为2:1左右 QuickTime，iTunes，iPod
WMA Windows Media Audio 压缩比高于MP3，使用数字版权保护 Windows平台上的音频流媒体和音乐播放
AC3 压缩（有损） 压缩比可调，支持5.1、7.1声道 DVD音轨，家庭影院音频

三、数字音频的编辑与播放

  1. 数字编辑器的功能
    1. 录制音频
    2. 编辑音频
    3. 声音的效果处理
    4. 格式转换
    5. 播放音频
  2. Windows媒体播放器，是一个通用的媒体播放软件，可以播放音频文件也可以显示图片。

四、语音识别和语音合成

  1. 语音识别
    1. 语音识别的定义：语音识别是将人的说话声音装换成相应的文字。
    2. 语音识别的应用：语音拨号、语音导航、语音文档检索、设备操作控制、听写数据录入。
    3. 按应用要求
      1. 孤立
  2. 语音合成
    1. 语音合成的定义：计算机根据语言学和自然语言理解的知识，模仿人的发生自动生成语音的过程，这个过程称为文语转换(TTS)。
    2. 文语转换(TTS，Test-to-Speech)的过程
      1. 文本分析
      2. 韵律分析
      3. 语音合成
    3. 计算机合成音乐
      1. 计算机合成音乐的三个要素：乐器、乐谱和演奏员。
      2. 计算机使用MIDI描述音乐。
      3. MIDI格式的后缀是mid，他很小。
      4. MIDI的优缺点
        1. 优点：数据量很少，易于修改编辑，成本很低。
        2. 缺点：只能合成音乐，不能合成歌曲。

5.4 数字视频

一、数字视频基础

  1. 数字视频的定义：数字视频是以一定速率显示的一个数字图像序列，视频中的每一个图像称为1帧，每秒钟显示多少帧图形称为帧速率或帧频，单位是fps。

  2. $$
    \large 帧大小 = 图像宽度 \times 图像高度
    $$

  3. 视频获取的设备：数字摄像头、数码相机和视频采集卡。

  4. 数字电视的显示格式

格式 分辨率（像素） 扫描类型 说明
SD (576i) 720 x 576 隔行扫描 标清格式（标准清晰度），主要用于传统电视广播和DVD。
HD (1080i) 1920 x 1080 隔行扫描 高清格式（高分辨率），常用于高清电视广播和网络视频流。
UHD (4K) 3840 x 2160 逐行扫描 超高清格式，通常用于4K电视和高分辨率流媒体内容。
UHD (8K) 7680 × 4320 逐行扫描 超超高清（Ultra HD），极高分辨率，适合大型显示屏
  1. 数字视频压缩的根据
    1. 数字视频数据量超大
    2. 信息相关性很强
    3. 相邻画面内容高度连贯
    4. 人眼视觉特性
  2. 视频编码标准
名称 图像格式 压缩后的码率 主要应用
MPEG-1 360×288 大约1.2 Mb/s ~ 1.5 Mb/s 适用于VCD、数码相机、数字摄像机等
H.261 360×288 或 180×144 P×64 kb/s（P=1, 2时，只支持180×144格式；P≥6时，可支持360×288格式） 应用于视频通信，如可视电话、会议电视等
MPEG-2 (MP@ML) 720×576 5 Mb/s ~ 15 Mb/s 用途最广，如DVD、卫星电视直播、数字有线电视等
MPEG-2 高清格式 1440×1152 或 1920×1152 80 Mb/s ~ 100 Mb/s 高清晰度电视（HDTV）领域
MPEG-4 ASP 分辨率较低的视频格式 与MPEG-1、MPEG-2相当，但最低可达到64 kb/s 在低分辨率低码率领域应用，如监控、IPTV、手机、MP4播放器等
MPEG-4 AVC 多种不同的视频格式 采用多种新技术，编码效率比MPEG-4 ASP显著减少 已在多种领域应用，如HDTV、蓝光光盘、IPTV、XBOX、iPod、iPhone等

  1. 数字视频文件格式

    文件格式 扩展名 视频编码支持 音频编码支持 特点
    AVI .avi 支持多种编码格式（如DivX、Xvid、H.264） 支持多种编码格式（如MP3、AC3） 文件体积大，兼容性好；不支持特定编码的标准
    MP4 .mp4 MPEG-4, H.264, H.265, AV1 AAC, MP3, ALAC, AC3 压缩效率高，广泛支持，支持流媒体传输和多种设备兼容
    MKV .mkv 任意视频编码（H.264, H.265, VP9, AV1等） 任意音频编码（AAC, DTS, AC3, MP3等） 开放标准，灵活性强，支持多种音轨和字幕
    MOV .mov H.264, H.265, ProRes AAC, ALAC 高质量视频格式，支持高分辨率视频，常用于专业视频编辑
    WMV .wmv Windows Media Video (WMV1, WMV2, WMV3) Windows Media Audio (WMA) 压缩率高，适合网络传输，Windows平台专用
    FLV .flv H.263, VP6, H.264 MP3, AAC 体积小，适合网络流媒体传输，支持Flash播放器
    WebM .webm VP8, VP9, AV1 Vorbis, Opus 开源格式，适合网络流媒体，优化了互联网传输
    3GP .3gp H.263, H.264 AMR-NB, AMR-WB, AAC 文件小，适合低带宽网络和移动设备
    MPEG .mpg, .mpeg MPEG-1, MPEG-2 MPEG-1 Audio Layer II 早期的视频格式，支持VCD和DVD

  2. 计算机动画的定义：计算机动画使用计算机制作的提供实时演播的图像序列的一种技术，是一种计算机合成的虚拟场景的数字视频。

  3. Flash动画的画面主要是由矢量图形构成的。

二、数字视频的应用

  1. 可视电话：打电话的同时还能看到对方。
  2. 视频会议：通过网络实时传输声音和图像。
  3. 数字电视：传统电视技术和数字技术相结合的产物。
  4. IPTV：一种数字电视传播的新途径。

第六章 计算机信息系统和数据库

6.1 计算机信息系统

一、计算机信息系统的定义

​ 计算机信息系统是指一类以提供信息服务为主要目的的数据密集型、人机交互式的计算机应用系统。

二、计算机信息系统的特点

  1. 涉及的数据量很大
  2. 绝大部分数据是持久的
  3. 这些持久数据为多个应用程序和多个用户共享的
  4. 具有数据采集、存储、处理、传输和管理等基本功能外，还可以为用户提供信息检索、统计报表、事务处理等功能。

三、计算机信息系统层次结构

  1. 资源管理层：数据库、数据库管理系统和目录服务器
  2. 业务逻辑层
  3. 应用表现层

四、数据库

  1. 数据库的定义：数据库是长期存储在计算机内、有组织、可共享的数据合集。
  2. 数据库的特点：数据库中的数据必须按一定的方式(称为”数据模型”)进行组织、描述和存储，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，可为各种用户共享。
  3. 数据管理员(DBA)负责保证数据库系统的正常运行和服务质量。
  4. 为了有效地存取和快速的处理数据，这些数据都是有序、有组织地进行存储的，它们是按照指定的‘数据模型“进行存储的。
  5. 数据库按数据模型来分：关系数据库、层次数据库、网状数据库。
  6. 关系数据库是现在数据库技术的主流。

五、数据库管理系统

  1. 数据库管理系统的功能：
    • 定义数据库的结构，管理数据库中的数据。
    • 提供交互式的查询。
    • 管理数据库事务运行。
    • 为维护数据库提供工具。

六、数据库系统

  1. 数据库系统(DBS)的定义：它以统一管理和共享数据为主要特征，数据不再仅仅服务单个用户，而是由数据库管理系统统一管理。

6.2 数据库

一、关系数据库的定义

  1. 关系数据库的定义：关系数据库采用二维表结构来表示各实体之间的联系，二维表由行(记录)和列(属性)组成，属性有一定取值范围，被称为值域。
  2. 一个关系数据库由多张二维表组成。

二、关系数据库的二维表结构

  1. 二维表中的每一行称为一个元组，每一列称为一个属性。
  2. 一个关系对应一个二维表，二维表名就是关系名。
  3. 主键是唯一用来区分二维表中不同元组的属性。
  4. 一张二维表只能有一个主键。

三、关系的主要运算

  1. 选择运算：一元运算
  2. 投影运算：一元运算
  3. 连接运算

四、关系的基本运算

  1. 交运算
  2. 并运算
  3. 差运算
  4. 插入运算
  5. 删除运算
  6. 更新运算

五、SQL(关系数据库语言)

  1. SQL数据库具有三层体系结构

    1. 局部模式：面向用户使用的二维表模式，对应视图。

    2. 全局模式：应用部门整体性的二维表模式，对应基本表。

    3. 存储模式：对应存储文件。

  2. 用户的大部分操作是通过视图进行的，很少对基本表运算。视图是一个虚表，是基本表的映射。qi