@LittleRewriter 2017-10-14T03:19:44.000000Z 字数 7514 阅读 963

初赛计算机与网络的基本常识

常识

在这个OI赛中，常识可是不适用的！

计算机的基本常识

计算机的发展史

手动计算器

最早：石头、木棍计数
1200年左右中国发明算盘
苏格兰数学家发明了纳帕尔计算器
1621英国数学家William Oughtred发明对数尺

机械式计算器

1623德国科学家发明第一台机械器Schickard器
1822英国科学家gabbage发明差分机，1834开始设计分析机，为现代计算机造成深远影响
1848George创立二进制数学，为二进制计算机发展铺平道路
1890Herman为人口普查发明了新机器，大大提高了计算效率。于是他创立了制表机器公司，后改名国际商用机器公司(IBM)

电子管计算器

1939生产出了IBM自动序列控制的计算器(ASCC)
1942设计出首个用电子管代替机械式开关的计算器——阿塔纳索夫·贝瑞计算机(ABC)
1943完成Model II Relay Calculator ，是一台可编程计算机
1946ENIAC诞生，这是第一台真正意义上的数字电子计算机

电子管计算机的特征是使用电子管储存数据，每个电子管可以被设置成0、1两种状态，但这种计算器消耗大量能量，很容易烧坏。并且它不具有操作系统，效率很低。

晶体管计算器

1947 AT&T贝尔实验室证明晶体管可以作为电信号开关
1949 第一台使用磁带的计算机EDVAC被发明
1950 东京帝国大学发明软磁盘，销售权由IBM获得
1951 第一台商用计算机系统UNIVAC-1诞生，标志着计算机进入商业应用时代

晶体管计算机包含操作系统，允许程序员调用应用软件。但是早期的专用操作系统只能在特定计算机上运行。

集成电路为现代计算机发展铺平道路

1965 数字设备公司推出第一台小型计算器
1965 摩尔定律发表，预言每18年处理器晶体管数量增加一半，价格下降一半
1971 Intel开发第一台微处理器4004，1972年推出8008，是第一个字长为8位的商业微处理器
1972 C语言开发完成，开发者为Dennis Ritche
1976 Zilog公司推出Z80微处理器

当代计算机技术渐入辉煌

1977 Jobs创立苹果计算机公司推出Apple I，次年推出Apple II
1981 IBM开始销售个人计算机(PC)

计算机硬件基础

冯·诺依曼体系的理论要点

计算机硬件设备由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分构成
存储程序思想——把计算机过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序，然后将程序和数据一起输入计算机，计算机对已存入的程序和数据处理后输出结果

运算器

基本操作：四则运算，逻辑操作，移位，比较，变更符号，计算主存地址
处理的数据来自存储器，处理之后的数据返回存储器或者寄存在运算器中
分类
1. 定点运算器和浮点运算器
2. 二进制运算器和十进制运算器
组成
1. 算术逻辑部件ALU
  ALU完成对二进制信息的定点算数、逻辑运算与移位操作，某些机器中还有数值比较、变更符号、计算操作数在存储器中的地址。
  ALU是一种功能较强的组合逻辑电路，是运算器组成中的核心部件
2. 通用寄存器组
  保存参加运算的操作数和结果，可用于存放重复累加的数据，存取速度极快
3. 状态寄存器
  也成条件码寄存器，存放两类信息，一是条件吗，如有无进位(CY)、溢出(OV)、结果正负(SF)、是否为0(ZF)、奇偶标志位(P)，一是控制信息(PSW：程序状态字寄存器，也称标志寄存器FR)，如允许中断(IF)、跟踪标志(TF)
相关性能指标
1. 机器字长
  指参与运算的基本位数，决定寄存器、运算器和数据总线的位数，标志着计算精度。用于科学计算的需要较长的字长。
2. 运算速度
  平均速度：单位每秒能执行的指令条数

控制器

主要功能：取出一条指令，指出下一条指令的位置；对指令译码或测试，产生相应的操作控制信号；指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动方向
CPU的组成：运算器、控制器、一些寄存器
指令：执行操作的类型和操作数的基本命令
相关性能指标
1. 主频单位MHz或GHz，主频=外频*倍频系数，反应CPU运算、处理数据的速度，但并不决定CPu运行速度
2. 外频 CPU的基准频率，决定整块主板的运行速度。超频指超CPU外频，对服务器会造成很大影响，会造成异步运行，但是对台式机支持
3. 前端总线频率(FSB) 直接影响CPU与内存数据交换的速度， $数据带宽=(FBS*数据位宽)/8$ ，而数据带宽取决于所有同时传输的数据宽度和传输频率。
4. 位一个二进制为1位
5. 字长 CPU单位时间能处理的二进制数的位数，将8位成为一个字节
6. 倍频系数主频与外频之间的比例关系
7. 缓存分为三级，第一级L1高速缓存，分数据缓存和指令缓存；第二级L2高速缓存，分内外两种芯片，越大性能越好，第三极L3可以降低内存延迟，由于工艺问题被集成在主板上

相关计算
一个支持64位的CPU，前端总线是800MHz，则数据最大带宽为800*64/8=6.4GB/s

存储器

内部存储器：中央处理器能直接访问的处理器
可分为随机储存器(RAM)和只读存储器(ROM)，前者通过电容器储存信息，断电会丢失所有数据；后者将数据直接以集成电路的方式保存，无法更改，用于命令计算机访问硬盘、搜索操作系统、加载到RAM中。此外还有CMOS，是一个需要极小电量就能存储数据的芯片，可以保存重要数据。
外部存储器：容量较大，速度较慢，对电源要求低，有软盘、硬盘、光盘等。硬盘驱动器是将磁头悬停在表面、一旦起电则读写的装置，如果在晃动的地方使用笔记本电脑容易造成磁头碰撞引发数据损坏；光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触记录高密度信息。最早的是CD-RA，用于音乐存储。

输入/输出设备

键盘
1. 基本结构：支架、导线、一个单片微处理器
2. 使用略
鼠标
1. 分类：机械式、光电式、无线式
2. 技术指标：DPI，轨迹速度，通信标准(MS/PC)
3. 使用略
触摸屏
1. 电阻式触摸屏
2. 电容式触摸屏请见物理选修3-1
麦克风
1. 碳麦克风
2. 动圈式话筒
3. 带状麦克风
4. 电容式麦克风
5. 晶体麦克风
扫描仪
1. 组件：灯管、反光镜、镜头、电荷耦合组件(CCD)
2. 工作原理略
条形码阅读器
条形码的基本结构：静区、起始字符、数据字符、终止字符
显示器
1. CRT显示器参见选修3-1 带电粒子在电场中的运动
2. 液晶显示器参见化学竞赛液晶的应用
打印机
1. 针式打印机
2. 喷墨打印机
3. 激光打印机
绘图仪

计算机软件基础

操作系统

定义：用户与计算机硬件之间的接口
是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理的对各种资源进行分配和调度、规范计算机工作流程、方便用户使用的程序的集合
特性：并发性、共享性（计算机资源不被独占，而是互斥或同时访问）、虚拟性、不确定性
组成：处理器管理、存储管理、作业管理、文件管理、用户接口管理(分为操作接口与编程接口)、保证系统安全、维护网络和通信管理

计算机内部信息的管理

信息是以二进制的形式存在的
1. 文字：ASCII、EBCDIC与Unicode
2. 声音：先数字化
3. 图像：当成一系列有颜色的点，从而数字化
信息的表示
信息的存储、组织和管理
1. 位和字节
2. 存储设备：磁存储(硬盘、磁带)，光存储(CD、DVD)，固态存储

量化数据术语转化关系
1Byte=8bit
1KB=1024B
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
1PB=1024TB
1EB=1024TB

专题二进制运算

整数的二进制与十进制转换请参见小学奥数教程
小数的二进制与十进制转换

二进制转化为十进制：分开整数位和小数位，整数位不管，小数位每次x2，然后取整数位。
例如：0.8125
0.8125x2 = 1.625...1
0.625x2 = 1.25.1
0.25x2 = 0.5.0
0.5x2 = 1 .1
因此结果就是0.1101
而转化回：
$0.1101_2=1*2^{-4}+0*2^{-3}+1*2^{-2}+1*2^{-1}+0*2^0=0.8125_{10}$

原码反码补码

原码将最高位当作符号位(0为正，1为负)，其它代表数字本身绝对值
10=0000 1010，-10=1000 1010
反码正数则为原码，否则将符号位以外的所有位取反
10的反码为0000 1010，而-10反码为1111 0101
补码正数则为原码，补码为反码+1
10的补码为0000 1010，而-10的补码为1111 0110
一些题型：
1）已知补码求原码
如果符号位为1，首先除符号位取反，然后加一；否则就是原码
例：1111 1001求原码
1111 1001->1000 0110->1000 0111->-7
2）加法运算
$[X+Y]_补=[X]_补+[Y]_补$ 连同符号位一起运算，结果自然溢出即可
eg：34+(-15)
15(10)=1111，则-5补码为1111 0001
故原式=00100010+11110001= 1 0010011=19(10)
3）减法运算
$[X-Y]_补=[X]_补+[-Y]_补$
很显然，略

网络基本知识

计算机网络的发展阶段

面向终端的计算机网络

具有通信功能的主机系统，本质是联机多用户系统
终端围绕中心计算机分布在各处

共享资源的计算机网络

多台主机相联系，实质是计算机与计算机之间的直接通讯。

标准化的计算机网络

1974 IBM宣布网络标准按照分层方法研制的系统网络体系结构SNA
1984 ISO颁布开放系统互连参考模型(OSI)，80年代中期ISO以OSI模型为参考开发制定一系列的协议标准

国际化计算机网络

向互联、告诉、智能化方向发展，形成以Internet为核心的高速计算机互联网络。

Internet ：一个用路由器实现多个远程网和局域网互联的国际网
TCP/IP协议：由ARPAnet研发

物理组成

服务器：网络的核心组件

分为文件服务器(大容量的磁盘空间，足够容量的内存)、打印服务器、通信服务器

工作站

一个接入网络的设备，既是独立个人计算机，又是网上用户工作站

网络互联设备

集线器：将一个端口收到的数据向连接端口分发
但是有安全性低、效率低、一个端口单方通信的缺点
交换机：选择目的端口，将数据传到指定端口，本质是一个多口网桥
智能化、自适应、可使用多对网络电缆、16/24个双速自适应端口、安全性高、方便监控，可分为以太网交换机、令牌环交换机、FDDI交换机、ATM交换机、快速以太网交换机等
路由器：执行将数据从一个地方通过一系列传输路径传到另一个地方的过程的设备
可以协议转换、路由选择、拆包打包、寻址、网络管理

网络传输介质

双绞线

两根相互绝缘的导体互相缠绕

非屏蔽双绞线

多对双绞线(UTP)

屏蔽双绞线

加了一个屏蔽层，有效防EMI(STP)

同轴电缆

可分为基带同轴电缆与宽带同轴电缆，局域网多用基带同轴电缆。但是物理可靠性不高，所以多用非屏蔽双绞线。

光纤

体积小，重量轻，传输损耗小，抗干扰强，但安装困难，成本高
原理见初中物理九年级

无线网络

常用介质是微波和卫星微波

影响传输介质的因素

拓扑结构(下述)
容量
可靠性(差错率)
应用环境

比较

项目	非屏蔽双绞线	基带同轴电缆	光纤	卫星
传输速率	中	根据种类变化较大	快	根据费用变化较大
地理范围	100m	细800 粗2500	几km~几十km	很大
差错率	一般	中等	最低	高
成本	低	中	较高	高

网络的拓扑结构

星形网络结构

中央节点通过点到点链路链接到各节点
应用于网络中只能集中于中央节点的场合
这种结构结构简单、方便管理，易于诊断故障，方便服务，传输误差低，但通信线路利用率差，中央节点负荷重，共享能力差。

环形网络结构

各个节点通过环路接口连在一条守锷未i详解的闭合环路通信线路
一个节点的信息需要穿越环中所有几口，直到目的地址与结点地址相符时信息被接受。
这种方法简化了路径选择的控制，可以自动旁路，但是网络响应时间长，不便于扩充。

总线型网络结构

一条高速公路总线连接若干节点形成的网络，采用广播通信的方式
一般采用载波监听/冲突检测控制策略
采用同轴电缆，布线容易，结构简单，可扩充性好，易于安装，但是诊断故障、故障隔离困难，需要中继器配置，且某一接口点故障则网络会瘫痪。

树形网络结构

最高层是中央处理机，最低层是终端，其它层可以是多路转换器、集线器、部门用计算机
结构简单，链路双向传输，扩充方便灵活，但非叶子结点的故障会影响整个系统的运行

混合型网络结构

上面的有机结合

网络的体系结构

定义

网络的体系结构是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义

开放系统互联参考模型

其中最主要的是物理层、数据链路层、网络层

物理层
由网卡、网线等构成，这一层没有协议。
包括中继器、HUB
数据链路器
将网线上的电流转化为0和1的组合，以MAC地址进行判别。
MAC地址是一种全球唯一的地址，网卡的MAC地址是固化的、无法修改的。
将一些计算机放在一个小的冲突域中，用网桥来维护。
网络层
基本单元是包，所有包有一个IP头，用来识别包的来源和目标地址，通过路由来维护将包转发的操作。

将这些功能归纳一下
应用层：与用户进程的接口，相当于需要做什么
表示层：数据格式的转换，即对方看起来像什么
会话层：会话的管理和数据传输的同步，即轮到谁讲话、从何处讲
运输层：端到端经网络透明传递报文，即对方身在何处
网络层：分组传递和路由选择，即找路
数据链路层：链路上无差别传送帧，即每一步应该怎样走
物理层：比特流推到物理媒体上传送，即上一层的每一步应该怎样利用

OSI模型实现主机通信的方法

物理层连接
假如两台主机之间物理距离超过物理特性的限制，可以使用这种方法。但是需要中继器来维护，以减缓电信号的衰减。理论上讲中继器的使用是无限的，但是网络标准对信号延迟范围有详细规定，例如以太网上最多使用4个中继器。
数据链路层连接
需要桥接器来维护两个网络不兼容的情况。
桥接器是一种连接局域网段的存储转发设备，可以分为透明桥接器、源路由桥接器、源路由透明桥接器。
网络层连接
可以采用网关和路由器。
网关是对两个网络段中使用不同传输协议数据互相的翻译转换。可以将一种协议、数据格式、速率变成另一种，
路由器用于独立子网的连接、网络协议的转换。

网络通信

信息、数据与信号

信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。
数据是将时间的某些属性规范化后的表现形式。
信号是数据的物理表现。

信道

信道是信号的传输通道，包括通信设备和传输介质。
可以分为有线信道和无线信道、模拟信道和数字信道、专用信道和公用信道。

模拟和数字信号

模拟信号：取某一区间的连续值，需要差错控制技术
数字信号：去几个不连续的物理状态来代表数字，受到一定干扰后是可恢复的。

数字传输速率：每秒能传输的二进制信息位数，单位bit/s或bps，也称比特率。
误码率：二进制数据位传输时出错概率，Pe=误传/传送，一般误码率小于 $10^{-6}$ 为合格。
带宽：信号拥有的频率范围，信号大部分能量储存在频率较短的一段频带中，成为有效带宽
信道容量：最大数据传输速率

信号的传输

数据通信方式
计算机之间的通信就是数据通信方式。按位数可分为并行通信(一次8位)与串行通信(一次1位)，按传输方向可分为单工通信(一个方向上传输)、半双工通信(允许双方向传输但是某一时间只允许在一个方向传输)、双工通信(任何时刻都可以双方向传输)
数据传输方式
1. 基带传输：利用基带信号在数字通信信道上直接传输数字信号的方法
2. 频带传输：选取某一频率范围的模拟信号为载波，运载要传送的数字信号再通过模拟通信信道传输。
数据同步方式
分为异步方式与同步方式
数据交换方式
分为电路交换和存储交换，前者是连物理连接通道，后者又分为分组交换和报文交换。
多路复用技术
一个信道同时传输多路信号，分为频分多路复用、时分多路复用

文件传输与FTP技术

FTP是一种文件传输将协议，工作在应用层，需要控制连接端口和数据传输端口。有两种模式
1. PORT模式(主动方式)
2. PASV模式(被动方式)
后者更安全。

远程登录Telnet

用于适用远程计算机上的信息资源

网络交流平台

电子邮件

工作过程：发送方为客户端，接收方为服务器，个人通过申请ISP主机来实现。
常见协议：SMTP、POP3、IMAP
加密与解密

加密算法是不可逆的，除非知道密钥，否则无法将密文转化为明文。而加密与解密时密钥相同的成为对称密钥加密，反之成为非对称密钥加密，将加密密钥公开，称公钥；解密密钥保密，称私钥。

电子公告板BBS

国内第一个BBS是1991年建立的长城站，第一个Internet BBS是水木清华BBS

IM技术

中文译为即时通信，可以通过互联网沟通。
1996年ICQ发布，是当时世界上用户量最大的即时通讯软件
可分为在线直接通讯(点对点)、在线代理通讯(服务器中转)、离线代理通讯(服务器寄存)、拓展方式通讯

博客

全名Web log，即网络日志。
博客的出现和繁荣凸显了网络知识的价值，标志互联网发展开始步入更高的阶段。

微博

字数少、原创性强的博客。

网络数据库

数据库技术

数据库简称DB，是存储在一起的相关数据的集合。
具有数据共享、数据结构化、数据独立性、数据控制型、数据低冗余的特点。

网络信息的检索

搜索引擎的历史
1990年Montreal的McgillUniversity三名学生发明了Archie，这是一个可以用文件名查找文件的系统。
第一个用于检测互联网发展规模的机器人程序是World Web Wanderer
最早的现代意义上的搜索引擎出现在1994年7月，Lycos创立。次年四月，超级目录索引Yahoo创立，以目录索引Yahoo为代表的第一代搜索引擎高速发展。
之后以Google为代表的第二代搜索引擎诞生，搜索结果准确度越来越高。
1995年元搜索引擎推出，如WebCrawler、InfoMarlet与一网打尽等

搜索引擎按照搜索机制可以分成这样几种类型：
1. 目录型
2. 关键词型
3. 混合型

按照搜索内容：
1. 综合型
2. 专业型
3. 特殊型

搜索引擎的工作原理是抓取网页、处理网页、提供检索服务。

网络安全

网络安全的含义

为数据处理系统建立和采用的技术和管理的安全保护，保护计算机硬件、软件和数据不因偶然和恶意的原因收到破坏、更改和泄露。

常见网络攻击手段

服务拒绝攻击使服务计算机崩溃
利用型攻击对机器直接控制
信息收集型攻击为进一步入侵提供有用信息
假消息攻击攻击目标配置不正确的消息

影响网络安全的根源

网络协议设计和实现中的漏洞
计算机软件系统的设计和实现中的漏洞
系统和网络在使用过程中的错误配置与错误操作

账号与口令设置

网络监听

监听网络状态、数据流动情况、网络上传输的信息

网络防火墙

两个网络之间加强访问控制的一整套装置
可以分为软件防火墙、硬件防火墙、芯片级防火墙