计算机文化基础(完整版)

第一课 说在前面的话梳理IT产业大脉络一.摩尔定律（动力强劲的引擎）：1.集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。                                                    2.微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。                                                    3.用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。二.安迪-比尔定律三.反摩尔定律（反摩尔定律使得新兴的小公司有可能在发展新技术方面和大公司在同一个起跑线上）四.麦特卡尔夫定律（网络价值同网络用户数量的平方成正比）你的第一门计算机入门课一.技术鉴别的能力能够结合自己的学科专业理解某种信息技术的优点及不足二.技术应用的能力能够了解问题的哪些方面适合用信息技术来解决，并具备对所采用工具和技术的解决力的评判三.创新应用的能力能够将信息技术应用到新的地方，或者通过一种新的方式来应用技术第二课 揭开计算机的神秘面纱现代计算机为什么是数字计算机？--数字装置与模拟装置一.数字使用的线路主要是数字线路，计算机内部处理的数据都是被数字化的离散的量二.电子计算机中完成数据计算、存储、传送、控制等功能的部件都是选用电子器件实现的二进制与十进制有什么区别--了解二进制进位记数制一.如果采用的数制有R个基本符号，则称为基R数制，R称为数制的“基数”进位记数制的编码符号“逢R进位”的规则十进制    R=10    可使用0，1.....9二进制    R=2      可使用0，1八进制    R=8      可使用0，1，......7十六进制 R=16     可使用0，1......9，A,B,C,D,E,F二.数制中每一固定的位置对应的单位值称为“权”    各位的权是以R为底的幂    一个数可按权展开成为多项式三.二进制的优点易于物理实现运算规则简单机器可靠性高通用性强（逻辑运算）四.转换方法：十进制转换二进制：整数部分除R取余数，小数部分乘R取整为什么莱布尼兹没有认识到二进制的重要性--与或非、二进制数的数字实现一.数字计算机的理论基础--布尔代数英国数学家布尔创立布尔代数（约1850年）描述客观事物逻辑关系的数学方法；逻辑常量和逻辑变量只能取两个值0或1；代表两种相反的逻辑状态。基本逻辑运算：与、或、非复合逻辑运算：同或、异或等 二.基本逻辑运算-与“与”逻辑AND决定事物结果的全部条件都满足时，事件才发生；符号是*，逻辑式：F=AB;F取值1仅当A和B都是1“或”逻辑OR决定事物结果的全部条件只要有一个满足时，时间就发生；符号是+，逻辑式：F=A+B;F取值1，如果任一或全部为1”非“逻辑NOT“异或”“同或”三.数字计算机的理论基础--开关电路香农1938年硕士毕业论文《继电器和开关电路的分析》第一次在布尔代数和继电器开关之间架起了桥梁；用布尔代数进行开关电路分析，并证明可以用继电器电路来实现布尔代数的逻辑运算。数字运算都转化成二进制，二进制运算都转化成逻辑运算，用逻辑门电路实现。四.开启电子计算机时代采用电子线路和电子元件执行算术运算、逻辑运算和存储信息，速度快。从ENIAC到现代通用计算机--ENIAC到现代计算机、新材料带来新发展一.改造ENIAC缺点的昀佳人选冯-诺依曼，20世纪昀伟大的科学全才之一，因科研工作遇到的大量计算问题，成为ENIAC研制小组的顾问二.冯诺依曼著名的“101页报告”解决了计算机的运算自动化的问题，速度配合问题（CPU与外设）三.存储程序+程序控制使用二进制，存储程序结构，五大部件：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备四.什么是计算机计算机产生输出：报表、文档、音乐、图形、图片等都是计算机输出的形式；计算机接受输入：输入设备收集输入信息（数据和指令），并把它们转化为计算机可以处理的形式；计算机处理数据：计算机在CPU中处理数据，结果被临时存放在内存。该结果可以从内存输出或被存储起来；计算机存储数据：当数据不需要立即处理时，它们被存储到外存上（比如磁盘或硬盘上）五.现代微机结构组成微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过输入/输出接口（简称I/O接口）与系统相连；各部件通过总线连接六.一台能够工作的计算机存储程序+程序控制两种使用计算机的方式：编写程序；运行程序计算机系统：硬件：计算机+外围设备；软件：系统软件+应用软件七.新材料带动计算机高速发展电子管（1946-1956 5千-4万次/秒）→晶体管（1957-1964几十万-百万次/秒）→集成电路（1965-1970百万-几百万次/秒）→超大规模集成电路（几百万-几亿次/秒）八.被爱迪生忽略的伟大发明-电子管电子管开启计算机的电子纪元（德-福雷斯特发明真空三极管）电子管的缺点：体积大、耗能高、散热量大、寿命较短、价格昂贵九.电子管的替代品-晶体管电子管具有的功能晶体管都能做到，电子存在的缺点晶体管都没有（肖克利等三人）十.从晶体管到集成电路杰克-基尔比发明集成电路半导体产业进入“商用时代”（罗伯特-诺伊斯发明可用于商业生产的集成电路）十一.摩尔定律每18个月，计算机等IT产品的性能会翻一番，或者说，相同性能的计算机等IT产品，每18个月价钱会降一半。摩尔定律会失效吗一、摩尔定律催生芯片革命3D晶体管让CPU性能更高功耗更低3D的架构则意味着平面到空间的转换，面对非常小的设备尺寸，物理定律成为晶体管技术进步的障碍。计算平台的Soc集成：实现了低系统功耗、小尺寸、低成本、新使用模式......CPU占据SOC芯片的一小部分二.计算机发展方向面向科学计算追求计算速度（巨型机、小型机）面向个人追求高性能高存储（台式机、一体机、工作站）面向个人追求便携移动（笔记本电脑、iPad）面向智能应用（嵌入式应用、可穿戴智能设备）讲座：计算机世界中的巨无霸一、超级计算机：（supercomputer）指能够执行个人电脑无法处理的大数据量和无法完成的大计算量的高速电脑。二.超级计算机核心技术：并行处理：多个任务在多个处理单元上同时执行sp:串行处理：多个任务在处理单元上依次执行三.超级计算机用来干什么？更快：同一个问题能够算的比单机系统更快  例如，可扩展的数值天气预报系统更强：计算比单机系统更大的问题  例如，海上三维地震勘探数据量数十TB以上更多：同时计算更多组任务  例如，Google每秒钟可以处理成千上万的搜索请求 四、超级计算机的发展史TOP500：世界上昀快的500台超级计算机评选评选依据：LINPACK benchmark 性能结果（Rmax）TOP500发榜：一年两次，每年11月份sc会议（美国），每年6月份isc会议（德国）中国的TOP100列表，每年11月份的HPC  China会议发布走进国家超算中心计算计算机计算能力作业：1.一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统2.计算机中一个常用的存储单位简称GB，表示的是2^30字节（B）3.逻辑变量的取值1和0 ，可以表示为电压的高和低，电流的有和无，开关的闭合和断开，真和假4.计算机由“庞然大物”ENIAC“缩小”为掌上电脑，其硬件核心技术是集成电路第3课 数字世界中形形色色的数数码相机是如何“计算”出一张数字照片--照相机如何感知世界、如何拍摄彩色照片、一.让计算机感知外界信号提取（传感器等）→信号预处理（放大滤波等）→A/D转换→计算机系统→D/A转换→信号的驱动与执行二.图像是自然界中客观景物通过某种系统的映射，使人们产生视觉感受。三.图像传感器表面被分成若干个感光点，每个点都能感受到光线，并将光线转化成电流。四.第一张彩色相片分色丢失的色彩信息，通过规律的布局，结合相邻滤光点的色彩信息猜出来滤光（分色）→数码底片（RAW）→计算（猜色）→计算（压缩）→数码相片（JPG）认识图像数字化过程中的采样与量化--采样和量化，像素、分辨率和色深 一.多媒体计算机处理图像和视频，首先必须把连续的图像函数f（x,y）进行空间和幅值的离散化处理，关键动作：采样和量化。采样的实质就是要用多少点来描述一张图像。比如，一幅256*256的图像，表示这幅图像由65536个 点组成。二.像素一个像素通常被视为图像的昀小的完整的采样。在很多情况下，它们采用点或者方块显示，每个像素可有各自的颜色值。像素译自英文pixel三.分辨率分辨率（dpi）是用来说明数字信息的数量或密度，它与像素、图像尺寸等有密切的联系。在数字影像领域内，其内涵和表示方法不是单一的、固定的：输入分辨率、显示分辨率、输出分辨率和图像分辨率。四.颜色深度图像的颜色是用若干位二进制数表示的，被称为图像的颜色深度。黑白图，图像颜色深度为1；灰度图，图像颜色深度为8；RGB 8色图，颜色深度为3；真深色图，颜色深度为24计算机是如何感知声音波形的--声音的三要素一、响度声音的强弱，通常以分贝（dB)来表示响度的大小。强度在声音波形中对应振幅大小。二.音调声音的高低，由声源的振动频率决定，频率越高则音调越高。音调的高低对应于波形频率的高低。三.音色现实中，各种振源产生的声音都不仅仅是纯粹的单频率声音（基音），而且还包含有丰富的频率成分（泛音）。音色不同时波形有别。四.模拟声音与数字音频五.声音的数字化六.适于人类听觉系统的采样频率采样频率决定了频率响应范围：8000Hz:电话音质；22050Hz:无线电广播；44100Hz：高保真效果；48000Hz或更高：数字电视、DVD、HDCD、蓝光音轨等等七.量化位数决定音频幅值采样的精度量化位直接决定了采用多高精度来表示声波振幅的动态范围。由于计算机按字节运算，一般的量化位数为8位和16位。量化位数越大，量化误差越小，对音频信号的采样精度就越高。动态范围=20*lg(2^量化位数)八.立体声与双声道立体声具有方向和深度性质的声音。声音从不同位置上的不同声源，以不同的音量级传来。双耳效应是人们依靠双耳间的音量差、时间差和音色差判别声音方位的效应。换一种方式来数字化文本信息--机内码是如何产生的、字符集的发展历程一.文本信息的数字化流程  二.机内码是如何产生的字符集（charset）一个系统支持的所有抽象字符的符合。常见字符集名称：ascii字符集、gb2312字符集、big5字符集、gb18030字符集、Unicode字符集等字符编码（character encoding）一套法则，通过它在符号集合与数字系统之间建立对应关系，将符号转换为计算机可以接受的二进制代码。三.单字节字符编码--ascii双字节字符编码--汉字编码四.计算机对多国语言的支持历程四.UNICODE字符集与编码Unicode转换格式（Unicode Transformation Format ，简称UTF）在实际传输过程中，由于不同系统平台的设计不一定一致，以及出于节省空间的目的，对Unicode编码的实现方式有所不同。常见的有UTF-8、UTF-16、UTF-32等实践：常用网络资源下载一、根据传输协议分类的下载方法作业：1.对于灰度图，量化位是指要使用多大范围的数值来表示图像明暗变化2.确定了字符集，再确定了具体的编码规则，某种语言文字的机内码就产生了3.由像素构成的数字图像在放大和缩小时会产生失真第4课 最熟悉的陌生人APP软件解决的目标是什么一、从ENIAC谈编程和程序编程就是让计算机为解决某个问题而使用程序设计语言编写程序代码并昀终得到结果的过程。二.软件解决的目标是什么虚拟的手段：在计算机裸机上加上一层又一层的软件一台与裸机不同的虚拟计算机（virtual machine）目标：为用户提供一个容易理解和便于程序设计的接口我们使用的软件是怎么来的一、二.三.软件是一系列按照特定顺序组织的电脑数据和指令的集合。一般划分为：为计算机使用提供昀基本功能的系统软件                    根据用户和所服务的领域提供不同功能的应用软件操作系统用有什么