课后总结第二篇

1.3图灵机
图灵机是一个五元组(Q,Σ,δ,s0,H)，其中:Q是有穷个状态的集合；Σ是字母表，即符号的集合；s0∈Q是初始状态；H∈Q是停机状态的集合，当控制器内部状态为停机状态时图灵机结束计算;δ是转移函数,即控制器的规则集合。
控制器的规则格式为(当前状态,当前符号,新符号,读写头移动,下一个状态)，即当图灵机所处的状态为“当前状态”，读写头读取的字符为当前符号 ”时,读写头将对当前字符用“新符号”进行修改，然后读写头根据“读写头移动”方向进行动作,进入到“下一个状态”。图灵机根据控制器中的规则进行计算，直到碰到“停机状态”就结束。

例子：
利用二进制来设计一个专门计算x+1的图灵机，要求计算完成时读写头要回归原位。
解：

状态集合Q:{开始，加，进位，无进位，溢出，返回，停机|;
字母表Σ:{0,1,};
初始状态s0 :开始;
停机状态集合H:{停机} ;
控制器的规则集合：
{(开始，，* ，左，加)，
(加，， ,右,停机),(加,0,1 ,左,无进位),(加,1,0,左,进位)，
(进位，* ,1,左,溢出)，(进位,0,1,左,无进位),(进位,1 ,0,左,进位)，
(无进位，，，右，返回),(无进位,0,0,左,无进位) ,(无进位,1,1,左,无进位)，
(溢出,0,* ,右,返回),(溢出,1, * ,右,返回)，
(返回，* ,* ,不动，停机),(返回,0,0,右,返回),(返回,1,1,右,返回)}
令x=101,则计算x+1的过程如下，最后的结果为110。

图灵机模型具有重要的实际意义。图灵机在理论上能够模拟现代数字计算机的一切运算,可以视为现代数字计算机的数学模型,是一种抽象的计算模型。实际上，一切“可计算”函数都等价于图灵机可计算函数，而图灵机可计算函数类又等价于一般递归函数类。图灵机能表示算法、程序和符号行的变换，因此成为计算机的数学模型，也可用做控制算法的数学模型。因此,图灵机模型理论是计算机科学最核心的理论之一，为计算机的设计指明了方向，同时也是算法分析和程序语言设计的理论基础。

1.4计算机科学的定义

• 计算机学科的基本思路
  计算机科学是一个学科。
  涵盖从理论研究、到模型抽象及工程设计三个方面，这三方面各不相同，都遵循一定的步骤进行。
  ➢理论是数学的根本
  ➢抽象是自然科学的根本
  ➢设计是工程的根本
• 计算机科学的三个学科形态
  ➢理论、抽象与设计
  ➢计算机科学处于三者的交汇处
  
• 计算机科学的定义
  ➢计算机科学是处理信息的学科，主要包括信息的处理、管理和改善;
  ➢它是对描述和变换信息的算法过程的系统研究，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用。
• 计算机科学的基本问题
  ➢什么能(有效地)自动进行。
  ➢每一个从事计算机工作的人必须有一定的程序设计能力

2.1个人计算机

2.1.1冯诺依曼体系结构（冯.诺依曼被人们称为"计算机之父"）

存储程序原理的主要思想:

• 计算机内部采用二进制计数（采用二进制是因为二进制的运算简单，底层电路也是采用的二进制，同时0，1的电路比较好区分等原因）

• 程序由一系列指令构成。 程序和数据存放在内存储器中，进行统一编址，并按同样方法存取

• 采用并行计算原理，即对一个字的各位同时进行处理

• 将编好的程序和原始数据事先存入内存储器中，计算机在程序的控制下一步一步处理，直到得出结果
  
  2.1.2个人计算机的硬件子系统
  
  1、中央处理器

中央处理器( central processing unit , CPU)，也称中央处理机或中央处理单元，由控制器、运算器和寄存器组成。寄存器临时保存将要被运算器处理的数据和处理后的结果。
近几年来,个人计算机的应用越来越复杂，因此需要越来越强大的CPU处理能力。
从早期的“频率”决定性能到现在的“内核架构+核心数量”共同决定性能，处理器也由
早期的单核处理器发展到现在的如双核、四核的多核处理器。多核处理器是指在一个CPU中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)，以同时管理多项活动。该结构实现了“分治法”战略。通过划分任务，线程应用能够充分利用多个执行内核，并可在特定的时间内执行更多的任务。
如果把计算机视为一个人的话，CPU(中央处理器）就是计算机的“大脑”。它负责接收外界输入的信息资料，还要负责处理这些资料，然后将处理过的结果传送到输出装置上。几乎所有大大小小的工作都要由CPU来下达命令，传达到其他设备执行。

2.内存储器

内存储器简称内存，用于存放要执行的程序和相应的数据。没有内存,程序就不能
输人到计算机中，因而无法执行。
计算机中常见的内存种类主要有随机存取存储器( random access memory，RAM)、只读存储器( read only memory ,ROM)和高速缓冲存储器(cache) ,但说到内存,更多时候是指随机存取存储器。
(1)随机存取存储器
➢随机存取则指可以根据地址直接存取任一单元中的数据，随机存取是相对顺序存取而言的，顺序存取是指只能按地址顺序从存储单元中读取数据或存储数据的访问方式。例如要想从4号单元中读取数据，就要依次找到0~3号单元，才能读取4号单元中的数据。随机存取则可以根据地址直接存取任一单元中的数据,这种存取方式比顺序存取的存取速度要快得多。
➢RAM内存主要选用DRAM（动态存取存储器）
➢DRAM（动态存取存储器）
定时刷新，否则存储的数据就会丢失
➢SRAM（静态存取存储器）
具有静态存取功能，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据

(2)只读存储器
➢其中的任何单元只能随机地读出信息，而不能写入信息。
➢一次写入后，断电后所存数据也不会改变
➢种类
①PROM可编程程序只读内存
②EPROM可抹除可编程只读内存
③EEPROM电子式可抹除可编程只读内存

(3)高速缓冲存储器（技术指标：命中率）
■在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一 级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。
■某些机器甚至有二级三级缓存，每级缓存比前一级缓存速度慢且容量大。而这时，一开始的高速小容量存储器就被人称为一级缓存。
■高速缓冲存储器最重要的技术指标是它的命中率。

3.外存储器
外存储器有时被称为辅助存储器，是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器。
它可以存储大量的信息以备后用，要比主存储器便宜得多，而且存储的信息也不易丢失(即使断电信息也不会丢失)。常见的外存储器有硬盘、U盘、光盘，以及近几年比较流行的移动硬盘等。
(1)硬盘
硬盘是计算机中存储数据的主要配件工具。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久
性地密封固定在硬盘驱动器中。
固态硬盘(Solid State Drives) /固盘
■用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘， 由控制单元和存储单元组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。
■虽然成本较高，厂商只需购买NAND存储器，再配合适当的控制芯片，就可以制造固态硬盘了。
■新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、 SATA-3接口、 SAS接
口、MSATA接口、PCI-E接口、 NGFF接口和CFast接口。
■固态硬盘的存储介质分为两种， 一种是采用闪存 (FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。

（2）光盘

光盘即高密度光盘( compact disc)，是近年来发展起来的不同于磁性载体的光学存
储媒体,用聚焦的氢离子激光束处理记录媒体的方法存储和再生信息，又称激光光盘。由于软盘的容量太小，光盘凭借着大容量得以广泛使用。人们听音乐
常用的CD是一种光盘，看视频常用的VCD、DVD也是光盘。

(3)U盘

U盘全称为"USB闪存盘”,是种小型的移动存储设备。它是一种用闪存技术来进行数据存储的媒体,通常使用USB插头与计算机相连。闪存盘体积极小，重量轻，可热插拔，也可以重复写入。

(4)移动硬盘

移动硬盘( mobile hard disk )是以硬盘为存储媒体、在计算机之间交换大容量数据、
强调便携性的存储设备。市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的,只有很少部分的移动硬盘以微型硬盘(1.8英寸硬盘等,其中1英寸约等于2. 54 cm)为基础,但价格因素决定了主流移动硬盘最终还是以标准硬盘为基础。移动硬盘的特点是容量大、传输速度高、使用方便、可靠性高。

4.输入设备——键盘、鼠标，扫描仪和触摸屏

键盘一直是计算机最重要的外部输入设备之一，是人们与计算机交流的主要工具。人们依靠键盘向计算机输入各种指令，指挥计算机工作；依靠键盘向计算机输入程序、数据；依靠键盘修改、调试程序；甚至还依靠键盘来进行复杂的游戏。
鼠标出现的时间比较晚，但在windows图形操作系统出现后，鼠标已是计算机不可缺少的输入设备了。其工作原理并不复杂，它是利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲信号输入计算机，再由计算机把脉冲信号转换成光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。
扫描仪是计算机重要的输入设备，用于图形信息的快速输入。其基本工作原理就是利用光电转换器件（CCD），将所扫描物体的明暗、色彩等信息转换为电子信号后输入到计算机中。
扫描仪是一种计算机外部仪器设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、
八户为水编辑、存储和输出的数据的数字化输人设备，如图2.12所示。
触摸屏( touch screen) 又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头( prod)等
输人信号的感应式液晶显示装置。当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统根据预先编制的程序驱动各种连接装置，可用于取代机械式的按钮面板，并通过液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏作为一种新的计算机输人设备，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，
是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏主要用于公共信息服务、工业控制、军事指挥、商业、电子游戏、多媒体教学等领域。

5.计算机的输出设备——显示器，打印机和绘图仪

显卡是计算机的必备部件，它的主要作用是负责将CPU送来的影像数字信号处理成显示器可以识别的模拟信号，再送到荧光屏上形成影像。显示器是计算机最重要的输出设备。目前新一代显示设备——液晶显示器（LCD）正在得到广泛应用。 总的来说，显卡和显示器是密切相关的，显卡把计算机主机以二进制输出的数值信息生成特定的模拟信号送到显示器，最后完成信息的显示工作。
打印机是计算机重要的输出设备，可以将计算机处理 完毕的信息打印输出在纸张上，便于分发或长期保存。打印机主要分为针式、喷墨、激光等三大类。
绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备，能按照人们的要求自动绘制图形。它可将
计算机的输出信息以图形的形式输出。

2.1.3 工作站
工作站(Workstation)定义
-是一种高端的通用微型计算机
-以个人计算机和分布式网络计算为基础.
-它提供了比个人电脑更加强大的性能
-尤其是在图形处理能力和任务并行方面的能力
-从结构形式来看，工作站可分为：
➢台式工作站
➢无盘工作站
➢刀片式工作站
➢移动工作站

2.2计算机体系结构

2.2.1计算机体系结构的基本概念

➢是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。
➢所谓外特性， 就是计算机的概念性结构和功能特性
➢主要研究
●计算机系统的基本工作原理
●以及在硬件、软件界面划分的权衡策略
●建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念
计算机的体系结构是一个多层次的系统结构

2.2.2计算机实现
➢就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机
➢硬件实现