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SHS高二计算机讲义


高二年级计算机讲义( 高二年级计算机讲义(一) 讲义
一、信息的数字化 负数的表示 (1)Signed Magnitude:如果用 n 个 bit 表示一个负数,用最左边的位表示符号,1 表示负 数,0 表示正数。

缺点: (1)有两个 0 的表示法; (2)不能直接做加法 10000001+00000010=10000011 (2)Ones’ c

omplement (反码) :要表示一个负整数 k,先将其相反数-k 写成二进制形式, 然后对所有位都取反,就得到 k 的反码表示形式。例:00000010=210;11111101=-210

缺点:仍有两个 0。做加法的特点:加法需要将最高位的进位加到最低位

(3) Two’s complement 补码) 将一个负数 k 先写成反码形式, ( : 然后加 1。 00000010=210; 例: 11111110=-210。

只有 1 个 0,可以直接相加。由于补码有这样的优势,因此使用较为广泛。 实验 1 (1) 中整型分配 2 个字节, VB 最大是 01111…1(0 后面 15 个 1),15-1=32767; 2 最小是 1000…0(1 15 (补码表示) 后面 15 个 0),表示的是-2 =-32768。 将超过该范围的数值赋给整型变量,运行程序观察结果

*(2)改用 VC++,用 C 语言。C 中 int 型一般占据 4 个字节。也用补码表示,范围自然是 -231 到 231-1(-2147483648 到 2147483647) 下面代码运行结果是什么

小数的表示 小数的表示 定点表示法:固定小数点的位置,灵活性很差 浮点表示法:使用科学记数法;要记录三个数量:符号+位移量+尾数 例如:+1000111.0101=+1.00011101012×26;总是将小数点移动到最左边的 1 右侧。于是我 们记录+;6;0001110101 一般采用两种标准 指数 尾数 符号 单精度 8 23 1

双精度 11 52 1 在 VB 中,单精度浮点数对应的变量称为 Single;双精度浮点数对应的变量称为 Double 以单精度为例说明浮点数的表示: – 最低 23 位为尾数(小数部分,整数部分约定总是 1) – 然后 8 位为指数,存储为指数+127 – 最高位符号位,0 正 1 负 例子: – 8.12510=1000.0012=1. 000001×1011 – 尾数 000001 – 指数 3+127=130=100000102 – 符号 0 – 0 10000010 0000010 00000000 00000000 字符的表示 ASCII 码:1 个字节表示一个字符,只能表示 256 种可能性(且最高位置为 0 不用) ,因此 只能表示英语和常见符号。 Unicode:2 个字节,能表示世界上所有的语言文字。 UTF-8:基于 Unicode 的一种编码,用一个字节表示英文字符,两个或三个字节表示其它语 言字符。变长编码的机制为了减少存储空间的浪费。 为了能让应用程序区分不同编码的文本文件,Unicode 文本文件开头多了两个字节 FFFE。 实验 2 *(1)使用下面的 C 代码能够观察一个 32 位单精度浮点数的表示情况

输入这段代码,运行并观察结果 (2) 最大的单精度浮点数是什么?(3.40282339e38) 验证两个单精度数 33554431 和 33554434 被认为是相等的,为什么? 33554431 和 33554435 呢? (3)在记事本中输入 1 个英文字符和 1 个中文字符,保存成 Unicode, ANSI 和 UTF-8 格式, 分析其大小并验证。 创建一个空文本文件,保存成 Unicode, ANSI 和 UTF-8 格式,分析其大小并验证。

二、中央处理器和主存储器 计算机体系结构的一般理论: (1) 处理器在硬件层次上执行一个较小的功能集合,称为指令集 逻辑判断,算术运算 (2) 软件/程序是基本指令的组合,完成各种应用 (3) 程序(指令)和数据都被存储在存储设备中。程序运行时候,逐条指令从存储器中读入到 处理器内被执行。 (称为存储程序) CPU=ALU(运算和逻辑单元)+控制单元 当前即将被执行的指令和数据保存在处理器内部的存储器—寄存器中; 寄存器大小通常是计 算机字长的大小,字长决定了(1)计算机一次进行运算处理或传输的数据大小; (2)支持 的指令数量; (3)内存编址的空间。 主存储器: 随机存储器中随机的含义: 表示可以根据内存地址在常数时间直接访问内存单元, 而无需顺 序存取。内存中每个单元一般存储一个字节。 高速缓冲存储器(Cache) ? 包含主存储器中部分内容的副本 ? 当 CPU 存取主存中内容时,先检查 Cache ? 如果不在 Cache 中,从主存中复制从需要读取的字开始的数据块到 Cache 中 ? 提高效率的原因 – 局部化原理: (执行程序过程中,在特定阶段,只是执行局部的若干条指令。 )

不同的体系结构: ? 复杂指令集计算机(CISC) – 指令数较多,某些指令实现复杂的功能 ? 精简指令集计算机(RISC) – 指令数少,实现功能较简单 对复杂指令集计算机的批评: 硬件实现复杂; 复杂指令实现功能可以用简单指令的组合取代; 执行效率不理想;许多复杂指令使用频率不高。 流水线(Pipelining)的思想 计算机对于每条指令的执行需要经过取指,译码,执行和存储四个阶段。使用流水线技术的 处理器, 在同一时间, 可以执行不同指令的不同阶段, 以此提高单位时间内完成的指令数量。

实验所用软件可在 192.255.255.37/wwj 下载(用户名和密码为 shs) 实验 1:下载 latency.exe。运行该软件可以查看机器的 Cache 级别,大小,以及从各级 Cache 获取数据的时间。 (以 machine cycle 为单位)

实验 2:观察内存数据 下载 HeapMemView.exe 打开记事本,输入大段文本

在 HeapMemView 软件中选择进程“Notepad”,查看输入文本在内存中的位置

实验 3:使用 CPUZ 的 Registers Dump 功能,观察你的机器寄存器的大小

三、二级存储器 存储器分为两部分: 存储介质:用以保存数据的物理材料 存储设备:从存储介质上读取或写入信息的硬件设备。 按照存储介质可以将存储器分为:磁性存储技术;光学存储技术;固态存储技术 磁性存储介质: 通过磁化存储介质表面的可磁化物质来存储数据; 磁盘驱动器的读写头可以 磁化存储介质表面的可磁化物质使得它们朝向两个方向其中之一,用以表示 0 和 1,磁性存 储介质可以在断电情况下长期保存数据。 磁性存储介质包括硬盘、软盘、磁带。 硬盘的结构:

它包含若干盘片(Platters) ,它们以共同的速度绕一个主轴(Spindle)旋转,每个磁盘通过 磁臂末端的读写头来读写, 每个盘片的两个面都有一个读写头和磁臂, 它们可以靠近或远离 主轴,当读写头静止,盘片旋转时,读写头下方经过的的表面称为一个磁道。同时再按照一 定角度将磁道划分为扇区。 硬盘表面的结构:磁道;扇区

通常一个扇区包含 512 字节的数据。 逻辑相邻的数据通常不存放在物理上相邻的扇区, 这是 为 了提 高磁盘 空间 的利用 率, 但是会 降低存 取速 度, 因此需 要对磁 盘碎 片进 行整理 (defragment) 。 传统的硬盘结构划分的特点:外道的扇区面积大,内道扇区面积小,但存储数据量都是 512 字节,为了更有效利用磁盘,提出 Zone bit recording 技术,即外道划分出更多的扇区。

何为接口:磁盘或其它 I/O 设备不能直接连接到计算机的总线上,需要有接口来清除这种障 碍。常见的外存接口有 SCSI,SATA,IDE 等。 数据的备份: (1)磁带:顺序存取,存取速度慢 (2)廉价磁盘冗余阵列(RAID:Redundant Array of Inexpensive Disks)

RAID 0:数据分块(并没有冗余,只是提高存取速度) RAID 1:数据镜像 光学存储器: 表面有 land 和 pit,具有不同的反射性质,用来表示 0 和 1。 光学存储器的存取速度 使用数据传输率(Kbps)为单位(千 bit/每秒) ; 原始的 CD-ROM 驱动器的传输率为 150Kbps; 2X, 9X,…的含义:对 CD:1X=150Kbps,2X=2×150Kbps=300Kbps,… DVD 的情形,与 CD 有不同的数量级,1X=9×150Kbps=1350Kbps

,查看硬盘某个分区的 实验 1:使用 Windows XP 软件的磁盘碎片清理程序(Defragmenter) 碎片数量。 实验 2:通过创建一个小的记事本文件,分析你使用的计算机的簇包含多少扇区。

实验 3:使用 Everest 软件观察你使用的计算机上的硬盘各参数(转速,盘片数量,扇区数 量…)

四、软件一般理论和数据文件的组织 计算机系统的非硬件因素=软件+与软件相关联的文档和数据 对软件的分类: (1)根据功能分类 系统软件:面向计算机系统:管理计算机资源,控制硬件工作;不解决生活工作的实际问题 应用软件:面向实际问题:提高人们的工作效率,提供娱乐等 最重要的系统软件:操作系统 其它系统软件的例子: 文件压缩工具 磁盘碎片整理工具 设备驱动 杀毒软件 程序开发环境(编译程序) 控制面板中的工具 (2)根据获得途径的不同分类 免费软件 商业软件 共享软件(Shareware):可以免费试用一段时间,之后需支付费用方能继续使用 开源软件(Open Source Software):免费而且可以合法进行修改 开放源代码软件的例子:OpenOffice.org(办公软件) ;Firefox;Linux 现在许多开发商只提供开放源代码软件,他们通过提供服务和支持来获取利润. 共享软件的例子:WinRAR

软件许可协议(license):软件如何被使用的法律约定。现在通常采取的形式是 EULA (End-User License Agreement;最终用户许可协议) ,在安装时候显示协议条文,用户同意 后继续安装。 包含的一些内容 使用者的限定 (单个用户) ,何种情况下可以备份软件 租借和赠予的约定 反向工程的约定 开发商免责声明(As is) 数据文件的分类 文本文件:只包含字符。 (例如:html 文件,txt 文件,程序源代码) 二进制文件 计算机内部格式存储的数据集合 数,图象等等

只有当被程序正确解释时才有意义 由数据记录集合构成的文件的组织形式 顺序文件:顺序地存取记录;按照顺序一个接一个地存放

随机存取文件:使用地址直接访问某条记录 有两种实现(1)索引文件,记录的标识(主键)与地址的对应关系维护在一个索引文件中 (2)散列方法,用函数对应的方法维护记录标识与地址的关系

实验 1: 通过阅读 Microsoft Office 的 EULA 找到下面问题的答案

对于你购买的 Microsoft Office,你是否能够安装多个软件副本,是否可以租借,转赠软件,是否 可以进行反向工程.

实验 2:下载并使用开放源代码的图像处理软件 GIMP,比较它与 Photoshop 在界面和功能 : 上的异同。 一部关于开放源代码软件的纪录片电影 http://v.youku.com/v_show/id_XNTcxODcxNDg=.html

五、操作系统 操作系统的必要性:应用软件不与硬件直接交互;否则,开发应用软件变得低效和困难 操作系统:统一管理计算机软硬件资源,充分发挥计算机系统效率的系统软件

操作系统对硬件资源的分配策略: 处理器的管理: 多道程序(Multiprogramming):I/O 任务与计算任务同时被执行,一个进程在执行输入输出任 务时候,须将处理器使用权交给另一个进程。 分时系统(Time-sharing):给每个程序或用户一个时间片,轮流执行 内存管理: 面临的问题:程序对于内存而言过大 如何解决,基于以下认识 ? 在一个时间段内,并非程序的所有部分都被使用(程序的局部化原理) 将部分程序存储在硬盘上,将这部分硬盘看成 RAM ? 虚拟内存 与虚拟内存相关的是分页文件:将内存、虚拟内存和程序划分成为等长的分块,作为分配内 存和虚拟内存的基本单位,这样的分块称为页面(Page) 。 当内存中分配给一个进程的空间已满, 又有新的页面需要调入时, 需要将部分页面淘汰出内 存。简单的算法是先进先出(FIFO,First in first out) ,将在内存中驻留时间最长的页面淘汰 出内存。但这会造成 Belady 异常现象,即分配给一个进程的页面数增加时,缺页率反而会 增加。

红色表示缺页 内存分配 3 个页面 (缺页 9 次) ;内存分配 4 个页面(缺页 10 次)

文件管理 (1)Windows:文件分配表(FAT);簇是分配辅存的基本单位(若干相邻扇区的组合) ;链 表结构维护文件占用的簇和空闲簇。 (2)Unix/Linux:索引节点表;文件分配以块为单位(某些系统上长度 1KB) ;索引节点表 记录一个文件的基本信息+块地址;文件的前 10 个块直接记录在它的索引节点表中;如果 文件大小超过 10 个块,用间接索引的方法;间接块(不包含文件内容,而是包含文件块的 地址) 两种不同的操作系统用户界面 命令行界面和图形界面 (Graphic User Interface) ? 命令行界面:用户与计算机系统的交互通过键入命令完成 ? 图形用户界面:用户与计算机系统通过图形化的元素进行交互。 两者的比较:可参考 http://www.computerhope.com/issues/ch000619.htm

主流操作系统: (1)Linux 和 Unix Unix 是 1971 年 AT&T Bell 实验室研发的多任务多用户操作系统。 Linux 是 1990 年由芬兰学生 Linus Torvalds 开发的类 Unix 操作系统,是开放源代码软件。 Linux 的优势是稳定和免费,缺点是相对较少的应用软件选择和使用时较高的技术要求。 (2)Windows 早期 Windows 是 DOS 的图形化操作环境;直到 Windows 95 才成为独立的操作系统,2000 年以前 Windows 分为两个系列,服务器操作系统使用 NT 内核(包括 Windows NT 3.1, Windows NT 4.0, Windows 2000) ,个人版本仍使用 DOS 内核(包括 Windows 95, 98, Me) 。 Windows XP 开始所有的 Windows 版本(无论服务器版本还是个人使用的版本)都使用 NT 内核。 (3)Mac OS 苹果计算机上使用的操作系统,是第一个商业上取得成功的图形化界面操作系统。

六、软件工程 软件工程的目的:克服软件开发过程中的随意性,工程化地组织和开展软件开发,确保软件 的质量。具体的做法和原则(1)周密的分析和设计(2)严格的项目管理(3)详细的文档 支持(4)要对软件实施不断的测试 软件开发的瀑布模型:分析,设计,实现,验证,维护

软件测试的一些原则 详尽测试(测试每个可能的输入和流程图中每一条可能的路径)是不可行的 第三方测试(测试不宜由负责编码的开发人员本身进行) 单位,模块和系统测试 等价类的划分(将输入数据划分成等价类,例如对于保存文档的子模块进行测试,可以 将文件名划分为:合法的文件名;过长的文件名;过短的文件名;包含非法字符的文件 名等) 边界值的分析(输入区间的边界常常容易出错) 软件测试的一些类型: 黑盒测试:用户角度,测试产品的完整性 白盒测试:测试具体的逻辑细节,代码层面 alpha 测试:在公司内部,由用户在模拟实际操作环境下进行的受控测试 beta 测试:开发者无法控制的环境下进行的软件现场应用。在 Beta 测试中,由用户记下遇 到的所有问题,定期向开发者报告。

七、计算理论 计算理论要回答的问题:哪些问题是可求解的,哪些问题是不可求解的。对可求解的问题, 它的时间复杂度是怎样的。 算法的定义:良好定义的逐步解决问题或完成任务的方法。很多人认为 Euclid 算法是最早 的非平凡算法,它通过事实 gcd(m,n)=gcd(m mod n, n)来求两个数的最大公约数。 不可求解问题举例:停机问题。 一个重复结构可能永远不会停机(结束) 死循环 x:=1 While(x) { } 问题:能否编写一个程序判断另一个程序是否会在有限时间内结束 反证其不存在:假设存在判断停机问题的程序 Test

构造另一程序 Strange

分析 Strange 是否会停机,我们得到矛盾。

对于可求解问题,我们关心算法的时间复杂度。 影响算法的执行时间的因素包括(1)处理器的处理能力(2)输入规模(3)算法本身的优 劣。 由于我们关心的是算法本身的性质, 因此我们评价算法时将算法划分成一些基本步骤的 集合(这些基本步骤在特定的机器上的执行速度是固定的) ,然后将基本运算的步数写成输 入规模的函数,考查这个函数的增长速度。

多项式问题: 基本运算步数是输入规模的多项式函数 以当今计算机的处理速度, 对于一个合理的输入规模, 多项式问题都可以在合理时间内解决 例如:对 n 个数进行排序 非多项式问题 基本运算步数是输入规模的指数函数 S=2n 如果输入规模为 64 S=18,446,744,073,709,551,616 如果每 1/1000 秒执行一步 585000 世纪 NP 问题:可在多项式时间内验证结果的问题 P 问题:可在多项式时间内求解的问题 P 是 NP 的子集,但是否是真子集,是理论上未解决的问题。 NPC 问题:没有找到多项式时间的算法,也未证明不存在,且如果对其中一个找到多项式 时间算法,那么 P=NP 程序设计语言: 机器语言 汇编语言:使用助记符,与机器指令一一对应 高级程序设计语言: 过程式模式:C,Pascal 面向对象模式:特点包括封装,继承和多态;C++,Java


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