《计算机科学基础》学习笔记_Part 1 Computer and Data

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Chapter 1. Introduction

Ø  计算机：黑盒，Output Data=f(Input Data, Program)

Ø  Von Neumann模型：内存（Memory）、算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit）、控制单元（Control Unit）、输入/输出（Input/Output）

CPU=Arithmetic Logic Unit + Control Unit

Ø  程序（Program）：A sequence of instructions

算法（Algorithm）:Step-by-step solution to solve problem

Ø  三个时期：Mechanical Machines、Electronic Computers、Computer Generations（Vacuum Tube、Transistor、Integrated Circuit、Micro-computer、Laptop and Palmtop）

Ø  第一台计算机：EDVAC，Electronic Discrete Variable Automatic Computer

Chapter 2 Data Representation

Ø  数据类型：文本text，数字number，图像image，音频audio，视频video。->多媒体multimedia

Ø  数据存储形式：

u  位bit是计算机可以存储的最小单位（0或1）

u  位模式bit pattern：一串“位”a string of bits

u  内存以位模式的形式存储数据，输入/输出设备的作用是解释位模式的数据类型

Ø  文本数据

u  由语言中字符数的多少来决定位模式的长度，两者呈对数关系：

u  ASCII：

l  American Standard Code for Information Interchange

l  7 bits,128 symbols,0000000-1111111

l  First pattern(0000000)代表“空null”

l  Last pattern(1111111)代表“删除delete”

l  31个控制符control characters，不可打印

l  数字(0-9)在字母前

l  多个可打印字符

l  大写字母Uppercase letters(A-Z)出现在小写字母Lowercase letters(a-z)前

l  大小写字母只想差一位：右侧数第六位，小写字母为1，大写字母为0

l  大小写字母间有六个特殊字符

u  Extended ASCII

l  在ASCII前增加一位0

l  不同厂商之间未能统一

u  EBCDIC

l  Extended Binary Coded Decimal Interchange Code

l  IBM使用

u  Unicode

l  16 bits，65536 symbols

l  英语之外的符号

l  不同节表示不同的语言

u  ISO

l  International Organization for Standardization

l  32 bits, 4294967296 symbols

Ø  数字

u  二进制Binary system

u  类似于ASCII编码并不用于表示数字

Ø  图像

u  位图Bitmap Graphic

l  像素pixel, picture elements；分辨率resolution

l  每像素安排一个bit pattern。若为黑白，则1 bit；若为四阶灰，2 bits；若彩色，RGB(Red, Green, Blue)，8 bits each，24位真色彩True color

u  矢量图Vector Graphic

l  由曲线Curves和直线Lines组成

l  由数学公式mathematical formula表示

l  不失真

Ø  音频

u  模拟数据analog data->数字数据digital data

u  音频源Audio->抽样Sampling->量化Quantization->编码Coding->二进制位模式Binary Pattern

Ø  视频

u  连续的图像：帧frames

Ø  十六进制表示法Hexadecimal Notation

u  16 symbols：0123456789ABCDEF

u  位模式表示为十六进制查看更清晰

u  4-bit pattern可由一个十六进制的字符表示，反之亦然

u  表示：数据前加小写x或在数据后用下标16标注

Ø  八进制表示法Octal Notation

u  8 symbols：01234567

u  3-bit pattern可由一个八进制字符表示，反之亦然

u  表示：数字前加数字0（有时也用小写字母o）或在数字后用下标8标注

Chapter 3 Number Representation

Ø  十进制与二进制

u  二进制->十进制：按位乘权重后相加

u  十进制->二进制：整数部分循环除以2后余数由低位向高位排列直至商为0，小数部分循环乘以2取整直至积为0

Ø  整数的表示

u  整数：正数、负数；无符号，带符号（原码，反码，补码）

u  溢出overflow：超出最大的存储范围

u  无符号整型Unsigned Integer Format：

l  范围：

l  表示：转换为二进制，左侧补零

l  翻译：转换为十进制

l  应用：计数Counting；寻址Addressing

u  原码（符号+绝对值）Sign-and-Magnitude

l  范围：

l  表示：忽略符号转换为二进制，补零至N-1位，第一位根据符号补全（1->负号，0->正号）

l  翻译：忽略符号位转换为十进制，添加符号

l  应用：数模转换

l  特点：第一位存储符号；存在两个0（+0；-0）

u  反码One’s Complement

l  范围：

l  表示：忽略符号转换为二进制，左侧补零，正数不变，负数取反

l  翻译：0开头->转换为十进制；1开头->取反，转换为十进制，加负号

l  应用：数据交互

l  特点：第一位存储符号；正数原码，负数反码；存在两个0（+0；-0）；正数取反得相应负数，负数取反得相应正数，两次取反得到原数

u  补码Two’s Complement

l  范围：

l  表示：忽略符号转换为二进制，左侧补零，根据符号取反（正数不变，负数右起第一个1左侧各位取反）

l  翻译：0开头->二进制转换为十进制，添加正号；1开头->右起第一个1左侧各位取反，转换为十进制，添加符号

l  应用：目前计算机存储

l  特点：只包含一个0；起点比相同位反码小1；正数的补码是相应的负数，负数的补码是相应的正数，两次补码得到原数

Ø  超码Excess System

l  表示：整数与幻数magic number（一般为或，在Excess_后给出，如Excess_127）相加，转换为二进制，左侧补零

l  翻译：转换为十进制，减去幻数

l  应用：用于存储指数部分

Ø  浮点型Floating-Point：整数integer+小数Fraction

u  构成：符号Sign+指数Exponent+尾数mantissa

l  符号：一位，0或1

l  指数：底数为2，包含符号，使用超码表示

l  尾数：小数点后部分，使用无符号整型表示

u  归一化Normalization：对于二进制，移动小数点使小数点左侧只保留一个1。移动小数点e位，向左移动乘,向右移动乘。

u  表示：（以单精度为例）存储符号（”0”->”+”,”1”->”-“），以超码的形式（Excess_127）存储指数部分（2为底数），以无符号整型存储尾数部分（1与小数点省略。）

u  解释：（以单精度为例）最左位为符号；接下来8位加上127，作为指数部分；为接下来的23位添加“1”和小数点，可忽略最右侧的“0”；移动小数点到正确位置；转换为十进制。

Chapter 4 Operations on Bits

Ø  Arithmetic Operations

u  乘，叠加Multiplication，repeated addition；除，叠减Division，repeated subtraction

u  补码加法：按位加减，逢2进1（carry），最左侧进位舍弃

u  补码减法：加上另一个数的补码

u  溢出overflow：an error that occurs when you try to shore a number that is not within the range defined by the allocation.

u  浮点数运算

l  检查符号：

n  相同：直接加减并指定符号

n  不同：比较绝对值，大数减小数，使用大数符号

l  移动小数点使指数相同（指数小的尾数小数点左移）

l  尾数加减（整数、小数）

l  结果归一化

l  检查溢出

Ø  Logical Operations

u  一元操作Unary operator & 二元操作

u  真值表True Tables

l  非门Not Operator：NOT(0)->1；NOT(1)->0

l  与门AND Operator：(0)AND(X)->0；(X)AND(0)->0

l  或门Or Operator：(1)OR(X)->1；(X)OR(1)->1

l  异或门XOR Operator：(1)XOR(X)->NOT(X)；(X)XOR(1)->NOT(X)

u  掩码Mask

l  AND：复位（0复位，1不变）

l  OR：置位（1置位，0不变）

l  XOR：反转（1反转，0不变）

u  移位Shift Operations

l  只适用无符号整型

l  右移：弃最右位，左补0，除进制

l  左移：弃最左位，右补0，乘进制