第一章计算科学简介
1．简述计算科学的概念
⑴是描述和变换信息的算法过程。
⑵包括其理论分析、设计，效率分析、实现和应用系统的研究。
⑶计算科学的基本问题就是：什么能（有效地）自动进行，什么不能（有效地）自动进行。2．计算科学涵盖了：计算机科学、计算机技术、计算机工程。
3．计算机科学研究的课题是：
计算机程序能做什么和不能做什么（可计算性）；
如何使程序更高效的执行特定任务（算法和复杂性理论）；
程序如何存取不同类型的数据（数据结构和数据库）；
程序如何显得更具有智能（人工智能）；
人类如何与程序沟通（人机互动和人机界面）。
4．计算机技术的内容非常广泛，可粗分为：
计算机系统技术；
计算机器件技术；
计算机部件技术；
计算机组装技术等。
5．计算科学的主要内容主要分为14个领域：
离散结构
程序设计基础
算法与复杂性
体系结构
操作系统
网络计算
程序设计语言
人－机交互
图形学和可视化计算
智能系统
信息管理
软件工程
社会和职业问题
科学计算
离散结构
•主要内容：集合论、数理逻辑、近似代数、图论和组合数学等。
程序设计基础
•内容包括：程序设计结构、算法、问题求解和数据结构等。
•基本问题主要包括：对给定的问题进行程序设计、编码、测试和调试。
算法与复杂性
•主要包括：算法的复杂度分析、典型的算法策略、分布式算法、并行算法、可计算理论、P类和NP类问题、自动机理论、密码算法、以及几何算法等。
•基本的问题：对于给定的问题类，最好的算法是什么？算法的复杂度如何？算法的性能如何？
操作系统
•主要内容：操作系统的逻辑结构、并发处理、资源分配与调度、存储管理、设备管理、文件系统等。
•基本问题：在计算机系统操作的每一个级别上，可见的对象和允许进行的操作是什么？等等。
程序设计语言
•主要内容：程序设计模式、虚拟机、类型系统、执行控制模型、语言翻译系统、程序设计语言的语义学、基于语言的并行构件等。
•基本问题：语言表示的虚拟机的可能组织结构是什么？语言如何定义机器？机器如何定义语言？什么样的表示法可以有效地用于描述计算机应该做什么？
软件工程
•主要内容：软件过程、软件需求与规格说明、软件设计、软件验证、软件演化、软件项目管理、软件开发工具与环境、基于构件的计算、形式化方法、软件可靠性、
专用系统开发等。
•基本问题主要包括：程序和程序设计系统发展背后的原理是什么？如何证明一个程序或系统满足其规格？
科学计算
•主要内容包括：数值分析、运筹学、模拟和仿真、高性能计算。
•基本问题主要包括：如何精确地以有限地离散过程近似表示连续和无限的离散过程？
如何处理这种近似产生的错误？等
算法特征：
•有穷性：合理算法应在执行有限步后结束
如：N!=1*2*3*…*(N-1)*N
而式子：sum=1+2+3+…+N+…不能称为算法，因为它执行有限步后仍不能结束•确定性：算法的每一步执行，其顺序和内容都必须有确切的规定，不能模棱两可•可执行性：即算法的所有操作都是能通过计算机程序代码实现，即可操作性
•0个或多个输入；
•1个或多个输出。
第二章数据存储
1．用位模式表示信息
⑴文本的表示
•ASCII(American Standard Code for Information Interchange )经常扩展为8位位模式，方法就是在7位位模式前面加一个0。这种编码可以表示大小写英文字母、标
点符号、数字0~9以及某些控制字符，如换行、回车与制表符等。
•Unicode：十六位模式表示，可以有65536个不同的位模式。可以表示用中文、日文等语言书写的文档资料。
•32位模式：由国际标准化组织开发的可能与Unicode竞争的代码标准，该种编码系统可以表示几十亿个不同的符号。
⑵数值的表示
•二进制记数法：为了用与存储文本同样的存储空间存储范围更广的数。
⑶图像的表示
•位图技术：图像表示为一组点(像素)，一个点用一组位表示。
EG：一个点用一个二进制位表示，那么可以把这个图像表示为黑白图像；
一个点用八个二进制位表示，那么可以把图象中灰不同的地方表示出来；
一个点用三个字节来表示，可以表示一个彩图像。
缺点：不能把图像调整到任意大小，当为了增大图像而变大像素的时候，会使图像成为颗粒状。
•矢量技术：
优点：可以很容易的调整图像的大小，应用也很广泛。
EG：字处理系统中调整字体大小；
计算机辅助设计(CAD)系统。
⑷声音的表示
•声音的存储：按有规律的时间间隔采样声波的振幅，并记录所得到的数值序列。这些数值通过通信线路传输到接收端，用来重现声音。
EG：远程语音通信可以用每秒8000次的采样频率；
音乐录制的高保真采用每秒44100次的采样频率；
⑸整数的存储
•二进制补码记数法
•无符号整数的原码、反码、补码：
•余码记数法
⑹小数的存储
•浮点记数法
2．主存中的一些概念：
•ROM表示只读存储器(Read Only Memory)
•随机存储器(Random Access Memory)
•高速缓冲存储器(Cache)
•动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)
•静态随机存储器(Static Random Access Memory)
3．数据压缩
•无损的：行程长度编码；
频率相关编码(Huffman Code)；
相对编码/差分编码。
•有损的：字典编码；
自适应自定编码；
相对编码/差分编码。
⑴图像压缩
•GIF：字典编码系统、自适应字典系统；
•JPEG：很少使用无损压缩；
•TIFF：基于类似于GIF所使用的技术。
⑵音频和视频压缩
•MPEG：运动图像专家组研制开发，使有损压缩；
•MP3：也是一种有损压缩。
4．奇偶校验位
•给原始模式添加一个校验位，使得每个模式中都包含有奇数(或偶数)个1，如果查到奇(或偶)数不符合校验系统，则此模式出错。
•缺点：不能检验出偶数个错误的模式，且不能提供纠错。
5．Hamming Distance：两个码字的对应比特取值不同的比特数称为这两个码字的海明距离。一个有效编码集中，任意两个码字的海明距离的最小值称为该编码集的海明距离。
•eg: ASCII表中两个码字之间的距离中最小值为１，则编码集的海明距离是１．•a，b的ASCII值分别为９７和９８，之间相差１，所以其海明距离是１．
第三章数据操作
精简指令集计算机(reduced instruction set computer,RISC)：CPU只需要执行最小的一组机器指令集。其特点是：效率高且速度快。代表：英特尔的奔腾系列处理器。
复杂指令集计算机(complex instruction set computer,CISC)：CPU因该能够执行大量复杂的指令。其特点是：容易编程。代表：苹果公司、IBM、和摩托罗拉联合开发的PowerPC 系列处理器。
机器指令的分类：数据传输、算术/逻辑类、控制类。
1．数据传输类指令
⑴概念：包含请求在各个位置之间传输数据的指令.
⑵几个术语：
①加载：由存储单元的内容填充通用寄存器的请求称为加载指令(LOAD)；
②存储：将寄存器中的内容传输给存储单元的请求称为存储指令(STORE)；
⑶一个特殊的指令：I/O指令。
access是基于什么的工具运行一个加法的步骤:
⑴从存储器中取出一个要加的值放在一个寄存器中；
⑵从存储器中取出另一个要加的值放在另一个寄存器中；
⑶激活加法电路，以步骤⑴和⑵所用的寄存器作为输入，用另一个寄存器存放相加的结果；
⑷将结果存入存储器；
⑸停止。
•其中，⑴和⑵是加载指令，⑷是存储指令，其中，⑶算术/逻辑类的指令。
2．控制类指令
①转移：(JUMP)；
无条件转移：(unconditional jump)；
条件转移：(conditional jump)；
②分支：(BRANCH)；
其中，⑶是条件转移指令。
一种演示用的机器语言：
⑴操作码(operation code,op-code)：指明该指令要求的是什么基本运算，如STORE；
⑵操作数(operand) ：指定更详细的内容。以STORE为例，其操作数字段中的信息指示哪个寄存器包含被存储的数据，哪个存储单元用于接收该数据。
两个二进制位串之间的移位运算：
•循环移位：将右侧移出的位放在左侧的空位上。
EG：0 1 1 0 0 1 0 1 原始位模式
0 1 1 0 0 1 0 1向右移一位
1 0 1 1 0 0 1 0
把移出的“1”放在左侧的空位上
•逻辑移位：丢弃移出边界的位，用0填充空位。
EG：1 0 1 0 1 0 1 0 原始位模式
1 0 1 0 1 0 1 0 向右移两位
0 0 1 0 1 0 1 0
逻辑移位后的位模式，“1 0”被丢弃
•算术移位：保留符号位不变的移位。
EG： 1 1 0 1 1 0 1 1 原始位模式
1 1 0 1 1 0 1 1移位后模式
1 0 1 1 0 1 1 0
丢弃“1 1”，前面的符号位是原始位模式的符号位“1”
其他体系结构：
•流水线：目的就是通过在相同时间内增加计算机吞吐量来改进计算机的性能(当一条指令执行的时候，可以取出下一条指令，也就是说在同一个时刻不止有一条指令在流水线上)；
•多处理器：若干活动在同一时间里实现(也就是并行处理技术)。
第四章组网以及因特网
1．通信过程
•DET：数据终端设备，它是数据的出发点和目的地；
•通信控制器：负责DET和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、通信转换等；
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论