第一章 信息技术与计算机文化
1.1 信息与信息技术
1.信息与数据
概念：信息是在自然界、人类社会和人类思维活动中普遍存在的一切物质和事物的属性。
- 信息的功能室消除事物的不确定性，把不确定性变成确定性。
- 数据，是指存储在某种媒体上可以加以鉴别的符号资料。
联系：
- 信息的符号化就是数据，数据是信息的具体表示形式
- 数据是信息的载体
- 信息是对数据进行加工以后的结果
- 同一个信息可以用不同形式的数据表示
- 信息是数据抽象出来的逻辑意义，数据是信息的物理表示
2 信息技术
信息技术是指人们获取、存储、传递、处理、开发和利用信息资源的相关技术
3 信息社会
信息社会也称信息化社会，是继工业化社会以后，以信息活动为社会发展的基本活动的新型社会形态
4 文化核心
文化核心是：观念和价值。基本属性：广泛性、传递性、教育性、深刻性。
5 计算机文化
- 计算机文化是以计算机为核心，集网络文化、信息文化、多媒体文化为一体，并对社会生活和人类行为产生广泛、深渊影响的新型文化。
- 计算机文化是人类文化发展的四个里程碑之一，（前三个分别是：语言的产生、文字的使用与印刷术的发明）。
- 最早于20世纪80年代瑞士洛桑第三届世界计算机教育大会上提出。
1.2 计算思维基础
1 计算科学
三个基本概念
- 科学：是反映现实世界中各种现象的本质和规律的知识体系，它既能改变人的主观世界，也能改造人的客观世界，其发展对人类社会产生了广泛而深远的影响。
- 计算： 狭义的计算（计算理论的观点）：基于规则的符合集的变换过程。
- 计算科学：也称科学计算
待补充
2 计算思维
三大科学方法
- 理论方法
- 实验方法
- 计算方法
三大科学思维
- 理论思维
- 实验思维
- 计算思维
- 是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
- 是指从具体的算法设计规范入手，通过算法过程的构造与实施来解决问题的一种思维方法。
- 是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究目的是提供适当的方法，使人们能借助于计算机逐步达到人工智能的较高目标。
- 计算机思维代表着一种普遍的认识和一类普通的技能，人人都应关心其学习和运用。
利用计算思维求解问题的一般方法：
- 首先，建立数学模型
- 其次，设计算法
- 再次，编程实现
- 最后，在再计算机中运行求解
特征：
- 是概念化，不是程序化。
- 是根本的，不是刻板的技能
- 是人的，不是计算机的思维
- 是数学和工程思维的互补和融合
- 是思想，不是人造物
- 是面向所有的人、所有的地方
本质：抽象，自动化
3 计算机思维的应用领域
待补充
1.3 计算机技术概述
1 埃尼克 ENIAC
第一台真正意义上的电子计算机，1946年2月，诞生于美国，主要元器件为电子管，采用十进制的运算
2 计算机的特点
运算速度快、计算精度高、存储容量大、具有逻辑判断能力、工作自动化（不能改为自主化）、通用性强
3 计算机的发展
| 年代 | 名称 | 元器件 | 语言 | 应用范围 |
|---|---|---|---|---|
| 第一代1946-1956 | 电子管计算机 | 电子管 | 机器语言，汇编语言 | 科学计算 |
| 第二代1956-1964 | 晶体管计算机 | 晶体管 | 高级程序设计语言 | 数据处理 |
| 第三代1964-1971 | 集成电路计算机 | 集成电路 | 操作系统和会话式语言 | 广泛应用 |
| 第四代1971- | 超大规模集成电路计算机 | 超大规模集成电路 | 面向对象程序设计语言 | 网络时代应用 |
| 新一代 | 量子计算机、光子计算机、DNA计算机... | |||
4 计算机的分类
按处理对象分：模拟计算机、数字计算机、混合计算机
按用途分：通用计算机、专用计算机
按规模分：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站
5 计算机的应用
- 科学计算
- 信息管理/数据处理
- 过程控制
计算辅助设计
- CAD：计算机辅助设计
- CAM：计算机辅助制造
- CBE：计算机辅助教育
- CAI：计算机辅助教学
- CMI：计算机管理教学
- CAT：计算机辅助测试
- CIMS：计算机集成制造系统
- 人工智能：AI、阿尔法狗（Alpha Go）、VR虚拟现实
6 计算机的发展趋势
巨型化、微型化、网络化（资源共享）、智能化
1.4 计算机中信息的表示
1 数制转换相关的名次
- 用进位的原则进行计数成为进位计数制，简称数制。比如二进制、八进制、十进制
- 数码：一组用来表示某种数制的符号。比如二进制的0和1
- 基数：数制所使用的的数码的个数称为基数或基，常用R表示，称为R进制。二进制的数码是0和1，基数为2
- 位权：指数码在不同位置上的权值。在进位计数制中，处于不同数位的数码代表的数值不同。如十进制数111，个位数上的1权值为 10^0，十位数上的1的权值为10^1，百位数上的1的权值为10^2
2 常见的进位计数制
- 十进制：特点：逢十进一，借一当十。用字母D表示
- 二进制：特点：逢二进一，借一当二。用字母B表示
- 八进制：特点：逢八进一，借一当八。用字母O表示
- 十六进制：特点：逢十六进一，借一当十六。用字母H表示
3 数制的转换
4 计算机中数据的单位
- 位（bit），简记为b，也称为比特，是计算机存储数据的最小单位。一个二进制位只能表示0或1
- 字节（Byte），简记为B，字节是存储信息的基本单位。1B=8bit
- 字（Word），CPU一次处理的数据
- 一个字通常由一个字节或若干个字节组成
- 字长是计算机一次所能处理的实际位数长度，字长是衡量计算机性能的一个重要指标
$$ 1KB=2^{10}B=1024B\\ 1MB=2^{10}B=1024KB\\ 1GB=2^{30}B=1024MB\\ 1TB=2^{40}B=1024GB\\ $$
5 在计算机中，所有数据均以二进制的形式表示
数的正负也用0和1表示，通常规定一个数的最高位做为符号位
0 表示正
1 表示负
- 采用二进制表示形式的连同数符一起代码化了的数据称为机器数
- 与机器数对应的用正、负符号加绝对值来表示的实际数值称为真值
- 例如：机器数01111111的真值是+1111111，也就是+127
BCD码或8421编码：
- 用4位二进制代码表示十进制数的编码方法
- 目的：直观、方便
6 文字信息的表示
- ASCII码是一种西文机内码
- 标准ASCII码：7位（共128个字符，范围为0-127），占1个字节，最高位为“0”
- 扩展ASCII码：8位（共256个字符，占1个字节）
- 汉字交换码：用连续的2个字节（16位），表示一个汉字
- GB2312-80，国标码——汉字交换码
汉字机内码：
- 是计算机内处理汉字信息时所用到的代码
- 是真正的计算机内部用来存储和处理汉字信息的代码
- 汉字字形码：点阵法（点阵码）、矢量法（矢量码）
- 一个1616点阵的汉字要占用32个字节，一个3232点阵的汉字要占用128字节，而且点阵码缩放困难且容易失真
7 图像的表示
待补充
1.5 计算机系统
1 指令
指令 是指示计算机执行某种操作的命令，它由一串二进制数码组成，这串二进制数码包括操作码和地址码两个部分。
- 操作码：规定了操作的类型
- 地址码：规定了存取的地址
2 计算机指令系统
一台计算机有许多指令，作用也各不相同，所有指令的集合称为计算机指令系统。
- 计算机系统不同，指令系统也不同。
目前常见的指令系统有：
- 复杂指令系统（CISC）
- 精简指令系统（RISC）
3 存储程序工作原理
- 计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是“存储程序”工作原理。
- ”存储程序“ 工作原理是美籍匈牙利科学家冯.诺依曼提出来的，故称为冯诺依曼原理，其基本思想是存储程序与程序控制
- 存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中
- 程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中的一条条指令，加以分析并执行规定的操作
- 世界上第一台采用“存储程序”工作原理的计算机：英国EDSAC
4 计算机的工作过程
- 取指令
- 分析指令
- 执行指令
- 完成上述步骤后，指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备
5 计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，软件系统又可以分为系统软件和应用软件，其中，操作系统是最重要的系统软件
计算机硬件系统由主机和外设组成
CPU和内存 称为主机
6 裸机
未配置任何软件的计算机叫裸机
计算机的硬件组成：输入设备，运算器、控制器、存储器、输出设备
常用输入设备：鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机、A/D转换器
常用输出设备：显示器、打印机、音响、绘图仪、数模转换器（D/A）
即是输出设备，也是输入设备：磁盘驱动器、磁带机、触摸屏 （从信息的输入输出角度来说）
通常把控制器和运算器合称为中央处理器（CPU）
7 CPU
运算器
负责对信息进行加工和运算，它的速度决定了计算机的运算速度。
组成：
- ALU：算术逻辑运算单元
- 寄存器
能进行的运算：
- 算术运算
- 逻辑运算
- 其他运算：比较、移位等
控制器
控制器是整个计算机系统的控制中心
存储器
graph LR
A(存储器)-->B1(内存储器)
A-->B2(外存储器)
B1-->C1(ROM)
C1-->E1(中间的O为Only,所以为只读<br>长期保存<br>BIOS)
B1-->C2(RAM)
C2-->F1(可读可写<br>断电丢失)
B1-->C3(Cache)
C3-->G1(高速缓冲存储器--缓存)
B2-->D1(磁盘-硬盘-软盘)
B2-->D2(光盘-DVD)
B2-->D3(内存-CF卡-SD卡)
B2-->D4(磁带)1.6 计算机软件系统
1 基本概念
指令：指示计算机执行某种操作的命令
程序（可比作球员）：指令的有序集合
软件（可比作球队）：指使计算机运行所需的程序、数据和有关的文档的总和
2 软件系统
简单的说（我总结的）
- 系统软件就是电脑恢复出厂设置自带的系统运行需要的软件，如mysql、（Office以及厂家预装除外）
- 应用软件就是我们日常生活中自己下载的软件（浏览器、QQ、微信、WPS、PS、杀毒软件、steam、音乐软件、网盘等）
graph LR
A(软件系统)-->B1(系统软件)
A-->B2(应用软件)
B1-->C1(操作系统)
B1-->C2(语言处理程序)
B1-->C3(系统支撑和服务程序)
B1-->C4(数据库管理系统)
B2-->D1(Microsoft Office)
B2-->D2(WPS)
B2-->D3(Photoshop)
B2-->D4(QQ)3 程序
程序=算法+数据结构
算法
概念：有限个步骤组成的解决问题的方法。
特征：
- 有穷性：有限个步骤结束，避免死循环。
- 确定性：算法每一步的含义，无二义性，不会产生歧义
- 可行性：算法描述的步骤，再计算机上是可行的
- 0个或多个输入
- 至少有1个输出
基础算法
1、枚举法/穷举法/列举法
逐一验证，求解
2、递推法
从已知的初始条件开始，依据某种递推关系，逐次推出嗦要求的各中间结果及最后结果
顺推法——斐波那契数列
1、1、2、3、 5 、8 ...
逆推法——猴子吃桃
猴子摘了一些桃子，每天吃了一半+1个，第三天吃完只剩2个桃子，一共有多少桃子
3、递归法
直接或者间接调用自身的算法
阶乘
4、分治法
先把整个问题分解成几个较小的子问题，求出这几个子问题的解后，再把它们组合成整个问题的解
二分法
5、贪心法
从当前情况出发根据某个优化目标做最优选择，所做的仅是在某种意义上的局部最优解
背包问题
6、回溯法
7、迭代法
8、动态规划法
是运筹学的一个分支，通常用于求解具有某种最优质的问题
导航程序
算法的表示方法
流程图
st=>start: 开始
op=>operation: 处理程序
cond=>condition: 判断（y/n）
e=>end: 结束
st-->op-->cond
cond(no)->op
cond(yes)-->e数据结构
逻辑数据结构
堆栈：FILO（先进后出 First in Last out）：弹夹，刷的盘子
队列：FIFO（先进先出 First in First out）：派对
物理数据结构
顺序结构
链接结构