大学计算机
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第 1 章 计算与计算思维
1.1 计算及计算工具的发展
计算是一种符号变换
计算工具的早期发展：算筹、算盘、计算尺、机械计算机、机电计算机、电子计算机
第一台电子计算机的诞生：电子数字积分计算机，ENIAC
1.2 计算的自动化
1.2.1 图灵与图灵机
1. 图灵机的组成
图灵机是一种抽象的计算模型，不是一种具体的机器。它由以下组成
（1）、一条无限长的纸带（Tape）
（2）、一个读写头（Head）
（3）、一套控制规则表（Table）
（4）、一个状态寄存器
2. 图灵机的工作过程
图灵机在执行一个任务时，将输入写在一条无限长的纸条上，读写头从指定的开始状态出发，读出纸带方格的符号，根据控制表的规则一步一步地移动，直到进入到某个停机状态而停机，这时纸带上的内容就是输出内容。
3.图灵测试
图灵指出，如果一台机器对质问的响应与人类做出的响应无法区别，那么这台机器具有智能。
1.2.2 冯诺依曼体系结构
1945年，冯诺依曼在共同讨论的基础上起草了存储程序通用计算机方案——电子离散变量自动计算机（EDVAC）
基本思想：现代计算机应由运算器、存储器、控制器、输入、输出设备5部分组成。建议采用2进制。基本工作原理应该是存储程序和程序控制。
1.2.3 现代计算机的发展
1.第一代电子计算机（1946年-1958年，采用电子管作为逻辑元件）
2.第二代电子计算机（1958年-1964年，采用晶体管作为逻辑元件）
3.第三代电子计算机（1964年-1970年，采用中小规模集成电路为逻辑元件）
4.第四代电子计算机（1971年-至今，大规模集成电路和超大规模电路，微型处理器，微型计算机（PC），超级计算机）
未来新型计算机，光子计算机，量子计算机、生物计算机。
1.3 计算机与信息社会
信息技术指与信息的产生、获取、存储、传输、处理、表示和应用等相关的技术，包括收集、计算机、通信、控制（4C技术）。
计算机在信息社会中的应用：数值计算、数据处理、过程控制、计算机辅助技术、人工智能、网络应用。
1.4 计算思维及计算思维能力培养
逻辑思维、实证思维、计算思维。
第 2 章 计算机系统
2.1 计算机中数据的表示与运算
2.1.1 数制及数制间的转换
1、进位计数值
$
N=(d_{m-1}d_{m-2}...d_1d_0d_{-1}d_{-2}...d_{-k})\
=d_{m-1}\times r^{m-1}+d_{m-2}\times r^{m-2}+...+d_1\times r^1+d_0\times r^0+d_{-1}\times r^{-1}+d_{-2}\times r^{-2}+...+d_k\times r^k\
=\sum_{i=-k}^{m-1}d_i\times r_i
$
2、二进制
优点：在物理上最容易实现、运算规则简单
3、二进制与十进制的转换
十进制转换位二进制：整数部分除r取余；小数部分乘r取整。
二进制转换为十进制：位次幂求和
4、八进制与十六进制
八进制：0，1，2，3，4，5，6，7
十六进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F
2.1.2 计算机内部数据的表示方法
计算机中的数据包括数值型数据和非数值型数据两大类。
1、数值数据的表示方法
（1）数据度量单位：位（Bit，b），字节（Byte，B），千字节（KB）,兆字节(MB)，吉字节（GB）、太字节（TB）、拍字节（PB）等
（2）带符号数的表示
原码：最高位表示数的符号，0表示正数，1表示复数，0有两种原码
反码：正数的反码等于原码，负数的反码符号位不变，取余位按位取反。0对应有两种反码。
补码：正数的补码等于原码，负数的补码在反码的基础上加1，即原码除符号位按位取反再加1.
机器数（数的编码表示）与真值（数本身）。
$
如果机器字长的位数为n,则符号数据的表示范围为[2{n-1}-1,2]
$
注意数值超过最大表示范围的问题
（3）定点数和浮点数
任意实数可以表示成如下形式
$
A=2^i\times S
$
（4）数值编码
BCD码（Binary Coded Decimal）。常见的BCD码是8421码4位二进制数中的每一位从左到右的权分别为8421；
如259的8421码为 0010 0101 1001。
2、字符数据的表示方法
（1）ASCII码
ASII码用8位2进制表示，但只使用7位，共表示128个字符。ASCII码值从小到大依次为控制字符、特殊字符、标点符号、数字、大写字母、小写字母等。
（2）汉字编码
汉字编码主要包括汉字内码、汉字输入编码（外码）和汉字输出编码（字模）3个主要内容。
Unicode标准为每种语言中的每种字符设定1了统一的且唯一的编码。
2.1.3 计算机中的数据运算
1.二进制数的算术运算
加减乘除
2.二进制的逻辑运算
与运算规则：00=0,01=0,10=0,11=1;
或运算规则：0v0=0,0v1=1,1v0=1,1v1=1;
非运算规则：！0=1，！1=0；
异或运算：相同为0，不同为1；
2.2 计算机系统的组成
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
2.2.1 计算机硬件系统
计算机的组成都遵循冯诺依曼体系，由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分组成。
计算机各部件之间的联系通过信息流动来实现，包括数据流和控制流。
运算器和控制器之间频繁进行信息交换，公用一些寄存单元，合称为中央处理器（CPU）。根据存储器与CPU的关系，存储器又分为内存储器和外存储器两类。CPU和内存储器合称为主机，将输入设备和输出设备称为外部设备。一般将外存储器也看作外部设备。
1.输入设备和输出设备
输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等
输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。
2.存储器
存储器是用于存放原始数据、程序及计算机运算结果的部件。存储器是由大量的基本存储元件组成。
半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）：
RAM的特点：可读可写，断电后所存储的信息全部丢失
ROM的特点：只读不能写，断电后所存储的信息不会丢失。
外存储器用来存放当前不需要处理的原始数据及不需要允许的程序，不能被CPU直接访问，外存储器的数据只有先调入内存才能被CPU访问。
3.控制器
控制器由指令寄存器（Instruction Register，IR），指令计数器（Programme Counter，PC）、地址寄存器（AR）、指令译码器（Instruction Decode，ID）、时序信号发生器、微操作控制部件和中断处理部件组成。
4.运算器
运算器又称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），它接受内存送来的二进制数据并进行算术运算和逻辑运算。
再计算机中，各种算术运算都可以归结为加法和移位这两种基本操作。
2.2.2 计算机软件系统
按软件功能分类，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件又分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。
1.系统软件
（1）操作系统（OS）
操作系统是管理和控制计算机系统的硬件、软件、和一切系统资源的大型程序，是用户和计算机之间的接口。
（2）语言处理程序
（3）数据库管理系统（DBMS）
（4）支撑软件
2.应用软件
应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用要求而开发的软件。
2.2.3 计算机硬件与软件之间的关系
2.3 计算机的工作原理
2.3.1 指令和程序
以二进制编码表示的指令称为机器指令，它通常包括操作码和操作数两部分组成，操作码表示计算机执行什么操作，操作数表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址。
程序即指令的集合，用指令描述的结题步骤就成为程序。
2.3.2 指令的执行过程
计算机的工作原理可以概括为存储程序和程序控制。
指令的执行过程：
（1）取指令
（2）分析指令
（3）执行指令
（4）一条指令完成，转移输出结果
2.4 微型计算机系统的组成
以微处理器作为计算机的主要功能部件，标志着微型计算机的诞生。
2.4.1 微型计算机的总线结构
微型计算机与通用计算机本质上没有区别，其主要不同点在于微型计算机广泛应用了集成度相当高的器件以及采用了总线（Bus）结构。
总线为CPU和其他部件之间提供信息传输通道，包括数据总线（Data Bus，DB），地址总线（Address Bus，AB），控制总线（Control Bus，CB）。
若地址总线为n位，则可寻址空间为2^n字节。
2.4.2 微型计算机的硬件组成
从外观上看，一台微型计算机主要由主机箱、显示器、键盘和鼠标组成，有时还配有打印机、扫描仪等外部设备。
下面主要介绍主板、CPU、内存储器、外存储器以及各种输入输出设备。
1.主板
主板（Main Board）又称系统板（System Board）或母板（Mother Board），是微型计算机上最大的一块电路板。主板上有芯片组，CPU插槽，内存插槽、扩展插槽、各种外设接口以及BIOS和CMOS芯片等。
（1）芯片组
芯片组（Chip Set）是构成主板电路的核心，除CPU外，主板上几乎所有扩展功能都在芯片组内。按照在主板上的排列位置不同，通常分为北桥芯片（North Bridge Chip）和南桥芯片（South Bridge Chip）。靠近CPU插槽的称为北桥芯片，它主要负责控制CPU、内存和显卡的工作。靠近PCI插槽的称为南桥芯片，它负责控制系统的输入输出等功能。
（2）CPU插槽和内存插槽
（3）扩展插槽
（4）外设接口
（5）BIOS芯片和CMOS芯片
BIOS是Basic Input Output Sysytem（基本输入输出系统） 的缩写，是指集成在主板上的一个ROM芯片，其中保存了微型计算机系统最重要的基本输入输出程序、系统参数设置、自检程序和系统启动自举程序。现在主板上的BIOS还具有电源管理、CPU参数管理、系统监控病毒防护功能。目前主板上的BIOS芯片采用闪速只读存储器（Flash ROM），由于闪速只读存储器可以电擦除，因此可以更新BIOS的内容，升级十分方便，但也成为主板上唯一可被病毒攻击的芯片。
CMOS通常是指微型计算机主板上一块可读写的RAM芯片，用来保存当前系统的系统配置和用户对某些参数的测定。
2. CPU
CPU是微型计算机的核心器件，特指微处理器芯片，目前主流的CPU有Intel系列和AMD系列产品。多核处理器是指在一个处理器上集成多个运算核心。
3. 内存储器
微型计算机的内存储器分为随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、高速缓冲存储器（Cache）
（1）RAM
（2）ROM
（3）Cache
4.外存储器
目前，常用的外存储器有硬盘（Hard Disk）、光盘（CD-ROM）、以及移动存储设备等。
5. 输入输出设备
常用的输入输出设备有键盘(Key Board)，鼠标( Mouse)、显示器（Monitor）、打印机（Printer）、绘图仪（Plotter）和扫描仪（SCanner）等。
2.4.3 微型计算机的软件组成
1.微型计算机常用的系统软件
（1）常用的操作系统
Windows、Linux操作系统等。
（2）常用的程序设计语言
C、C++、PASCAL、Python、JAVA等
（3）数据库管理系统
小型：Access、Visual FoxPro 大型关系数据库：SQL Server、Oracle、Sybase等。
2.微型计算机常用的应用软件
（1）办公软件
MS Office、WPS Office等
（2）多媒体处理软件
PS、AE、AutoCAD等
（3）Internet 工具软件
浏览器软件等
（4）常用的工具软件
杀毒软件、聊天软件、音乐软件等。
2.4.4 微型计算机的主要性能指标及配置
运算速度（每秒钟所能执行的指令条数，MIPS，Millions of Instructions Per Second）、字长（计算机一次所能处理的二进制数的位数）、内存储器容量、外存储器容量等。
第 3 章 操作系统的组成
3.1 操作系统概述
操作系统是有效地管理计算机的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，并为用户使用计算机提供良好的运行环境的一种系统软件。
3.1.1 操作系统的形成和发展
（1）手工操作阶段
（2）批量处理阶段
（3）操作系统形成阶段
（4）操作系统的标准化阶段
3.1.2 操作系统的特征
（1）并发性
（2）共享性
（3）异步性
（4）虚拟性
（5）可重构性
3.1.3 操作系统的分类
1. 批处理操作系统（Batch Operating System）
2. 分时操作系统（Time-Sharing Operating System）
3. 实时操作系统（Real-Time Operating System）
4. 网络操作系统（Network Operating System）
5. 分布式操作系统（Distributed Operating System）
6. 嵌入式操作系统（Embedded Operating System）
3.1.4 操作系统的资源管理功能
从资源管理的角度来说，操作系统的任务是对系统中的硬件和软件进行有效管理和控制，以提高系统资源的利用率。计算机硬件资源主要是指处理机、主存储器和外部设备，软件资源主要是指信息（即文件系统）。因此，操作系统的主要功能相应地就有处理机（CPU）管理、存储管理、设备管理、文件管理。
3.2 Windows 操作系统
3.3 Windows 文件管理
3.4 Windows 程序管理
3.5 Windows 系统管理
第 4 章 办公软件的应用
4.1 办公软件概述
4.2 Word 文字处理软件
4.3 Excel 电子表格软件
4.4 PowerPoint 演示文稿软件
第 5 章 计算机网络基础与应用
第 6 章 多媒体信息处理基础
6.1 媒体和多媒体的概念
6.1.1 媒体和多媒体的概念
媒体即媒介、媒质，它是信息的载体。媒体分为以下5类：
（1）感觉媒体（Perception Medium）。直接作用于人的感觉器官，使人能直接产生感觉的一类媒体。
（2）表示媒体 （Representation Medium）。表示媒体是用于数据交换的编码
（3）表现媒体（Presentation Medium）。实现表示媒体（电信号）与感觉媒体之间转换的媒体，实际上就是计算机系统中的输入输出设备。
（4）存储媒体（Storage Medium）。用来存储表示媒体的媒体，是一些存储介质。
（5）传输媒体（Transmission Medium）。用于传输表示媒体的媒体，即传输介质。
多媒体的定义：是指能够同时获取、处理、编辑、存储和显示两个以上不同类型信息媒体的技术。这些信息媒体包括文字、声音、图形、图像、视频动画等。
6.1.2 多媒体技术的基本特征
多维性、集成性、交互性、实时性。
6.1.3 多媒体信息处理的类型
在多媒体技术中，主要处理的是感觉媒体中的视觉媒体和听觉媒体，
视觉媒体处理包括文本、矢量图形、位图图形、动画、视频等，它们是通过视觉来感知的。
听觉媒体处理包括自然界的声音、人类的语言和各种音乐等，它们是用听觉感官来感知的信息。
6.1.4 多媒体技术的应用
家庭娱乐、教育与培训、商业运用、网络通信、办公自动化等
6.2 多媒体计算机系统的组成
6.2.1 多媒体计算机硬件系统
光盘存储器、音频卡、视频卡、其他设备
6.2.2 多媒体计算机软件系统
多媒体计算机的操作系统：Windows系列、APPLE的Macintosh Sysytem，IBM的OS/2。
多媒体计算机的应用软件：多媒体文件播放软件、多媒体信息编辑处理软件、多媒体应用开发软件、多媒体应用系统。
6.3 多媒体数据编码
6.3.1 多媒体数据的编码过程
为了使计算机能够处理多媒体信息，首先需要将感觉媒体形式的各种多媒体信息转换成计算机可以识别的表示媒体——二进制的数字编码。
模拟信号：通常把在时空上或者幅度上连续的信号称号模拟信号；模拟信号的特点是至少在时空上或者在幅值上有一个要素是连续的。
数字信号：把在时间（空间）上连续并且在幅度上也离散的二进制信号称为数字信号；数字信号的特点是信号在时空和幅值上都是离散的，离散意味着“有限”。
模拟信号数字化一般包括采样、量化、编码3个环节。
采样：奈奎斯特采样定理，如果模拟信号的最高频率为fmax,那么对该模拟信号进行采样时，当采样频率fs满足fs>=2fmax时，可以从采样信号中无失真地恢复（重建）该信号。
量化：长度为n个二进制位的内存单元，最多只能存放2^n种不同值的数据。人们把采样值划分为有限个等级，属于同一个等级的所有数都用一个相同的数代替，这种处理称为量化。其中划定的等级数目称为量化级数。量化方式分为均匀量化和非均匀量化。
编码：这个环节就是要把量化值变成计算机可以存储的二进制数字编码，即二进制化。
6.3.2 音频的编码
在声音数字化编码的过程中，将涉及一些技术参数和数字化音频数据量的计算问题
1.采样频率
如果要保证数字化音频能够准确回复原始模拟音频的效果，采样频率的值要依据奈奎斯特定理确定。
2.样本位数
若样本位数为n，则量化级数最多可达2^n。样本位数的单位是bps(Bit Per Sample)。
3.声音质量与数据率
数字化声音的质量主要取决于采样频率和样本位数，也与声音的通道数有关。声音的通道数通常称声道数，一般有单声道、双声道两种情况，双声道的声音称为立体声。
音频数据率=采样频率（Hz）x 样本数（bps）x 声道数/8(单位是Bps，即字节/s)。
音频数据率越大时，数字化声音的质量越高，但是需要的存储空间也更大。
4.常见声音文件的格式
WAV格式、WMA格式、MP3格式、RA格式。
6.3.3 图形与图像的编码
1. 图形与图像的概念
图形：也称矢量图形，简称矢量图。图形由数学中所定义的点、线、面、体等几何对象组成，根据图形的集合特性以数学公式的方式来描述对象，其存储的是对象的集合数据（位置坐标、方向、大小等）和绘制图形的指令。
图像：又称点阵图像或位图图像。一幅图像由许多点组成，每个点被称为像素（Pixel），像素是能独立地赋予色度和亮度的最小单位。像素的色度和亮度的等级用一种数值描述，该数值称为像素值。
2.图像的编码
要得到计算机能表示的数字图像，同样要经历数字化过程的采样、量化和编码3个处理步骤。
（1）数字图像的表示方法
（2）数字图像的分辨率
图像的分辨率一般是指在每个单位长度上包含的像素数度量单位为ppi（pixel per inch,ppi）,即像素/英寸
（3）数字图像的颜色深度
人们把每个像素的值所占存储单元的二进制位数称为颜色深度。
（4）图像的数据量
图像的数据量=图像的像素大小 x 图像的颜色深度/8 （B）
图像文件的大小=文件头信息+图像的数据量>图像的数据量
（5）图像编码的步骤
采样、量化、编码。
（6）图像数字化的设备
图像数字化的设备通常有扫描仪和数码相机。
3. 常见图形、图像的格式
BMP格式、GIF格式、TIF格式、PCX格式、JPG格式、PNG格式、PSD格式、VMF格式、EPS格式等
6.3.4 视频与动画的编码
1.数字化视频
视频信息实际上是由许多幅静止图像在时间上连续显示形成的，每一幅画面称为一帧。一般情况下，视频信息中还同时包含音频数据。
2.数字化动画
动画和视频的区别在于视频一般是有许多内容相关联的图像组成；动画一般是由矢量图形的变化形成的。当组成帧动画的帧都是图像时，其实也可以称为视频，某些作品既可以称为动画也可以称为视频。
3.视频和动画文件的格式
视频文件主要有影像视频格式、流式视频格式两大类
影像视频格式：AVI格式、MOV格式、MPG格式、DAT格式、DIR格式
流式视频格式：RM格式、MOV格式、ASF格式、WMV格式、DivX格式、
动画文件格式：FLIC格式、SWF格式等
第 7 章 数据的组织与管理
7.1 数据的管理方式
数据库的管理大致经历了人工管理、文件管理和数据库管理三个阶段。
数据管理技术的新发展：分布式数据库系统（Distributed DataBase System，DDBS）、面向对象数据库系统（Object-Oriented DataBase System，OODBS）、多媒体数据库系统（Multimedia DataBase System，MDBS）、数据仓库技术（Data Warehouse，DW ）、嵌入式移动数据库、大数据技术（Big Data）
7.2有关数据库的概念
7.2.1 数据库与数据库管理系统
1.数据库
数据库（DataBase，DB）存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。
2.数据库管理系统
数据库管理系统是指对数据库进行管理的·软件，它以统一的方式管理和维护数据库，并提供数据库接口软件来访问数据库。
数据库管理系统的功能：定义功能、操纵功能、控制功能、维护功能、数据字典。
常用的数据库管理系统：Access数据库管理系统、Visual FoxPro数据库管理系统、SQL Server数据库管理系统、Oracle数据库管理习题。
7.2.2 数据库系统
1.数据库系统的组成
数据库系统是存储、管理、处理和维护数据的软件系统，它由数据库、数据库管理习题、操作系统、开发工具和应用程序等软件和数据库管理员组成。
数据库系统的体系结构：
（1）单用户模式
（2）主从式多用户模式
（3）C/S模式（Client/Server）
（4）B/S模式
7.3 数据模型
数据库是某个企业、组织或部门所涉及的数据的综合、它不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。
数据模型是对现实世界数据特征的一种抽象，是对现实世界的模拟。按不同的应用层次被分为：概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型。
7.4关系数据库
关系模型是最重要的一种数据模型，关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式，数据库领域当前的工作也都是以关系方法为基础。
7.4.1 基本术语
在用户看来，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。
关系、元组、属性、属性值、域（属性的取值范围）、表结构、关系模式、关键字（关系中能够唯一区分、确定不同元组的属性或属性组合，则称该关系为一个关键字，又称陈键或码（Key））。主表主表和从表、关系数据库。
7.4.2 关系模型的特点
关系必须规范化；在同一个关系中不能出现相同的属性名，即不允许有相同的字段名；关系中不允许有完全相同的元组（记录）；在一个关系中元组的次序无关紧要；在一个关系中列的次序无关紧要。
7.4.3 关系的基本运算
选择：从指定的关系中找出满足给定条件的元组的操作称为选择。
投影：从关系模式中指定若干个属性组成新的关系称为投影。
连接：连接是关系的横向组合，将两个关系模式拼接成一个更宽的关系模式。
7.5 Access操作基础、数据库的建立与管理（需实操）
7.5.1 Access 数据库的组成
表、查询、窗体、报表、宏、模块
7.5.2 Access用户界面
7.5.3 Access 数据表的结构
7.5.4 数据库的建立与管理
第 8 章 程序设计基础
8.1 程序设计的概念
从一般意义来说，程序是完成某项任务的一系列步骤的总和。
程序设计具体要经过以下4个基本步骤：分析问题；设计算法，画出流程图；选择编程工具，按算法编写程序；调试程序，分析输出结果
8.2 算法
算法的特性：有穷性（Finiteness）、确定性（Definiteness）、有效性（Effectiveness）、可有零个或多个输入、有一个或·多个输出。
算法的评价：算法的时间复杂度和空间复杂度。
算法的描述：传统流程图、结构化流程图、伪代码描述算法。
算法距离：迭代算法、穷举算法、排序算法、查找算法
8.3 程序设计语言
机器语言、汇编语言、高级语言（解释方式、编译方式）
8.4 程序设计方法
8.4.1 结构化程序设计
自顶向下、逐步求精；模块化；结构化。
8.4.2 面向对象程序设计
对象、类、消息、封装、继承、多态