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计算机科学导论

1 绪论

图灵模型是一个可编程的数据处理器，在图灵模型中，输出数据依赖于两方面因素的结合作用：输入数据和程序。通用图灵机是对现代计算机的首次描述，该机器只要提供了了合适的程序就能做任何运算。

基于冯?诺依曼模型建造的计算机分为4个子系统：存储器、算术运算单元(ALU)、控制单元和输入/输出单元。存储器用来存储数据和程序；算术运算单元进行计算和逻辑运算；输入/输出单元负责从计算机外部接收数据和程序，并把计算机的处理结果输出到计算机外部，控制单元是对其他子系统进行控制操作。

冯?诺依曼模型中的程序和指令在计算机中都以二进制比特存储，在计算机中，指令按顺序执行。

计算机由3大部分组成：计算机硬件、数据和计算机软件。硬件基于冯?诺依曼模型，且包含四部分。数据以0/1比特进行存储。图灵和冯?诺依曼模型的主要特征是程序的概念。程序被存储在计算机的存储器中，且必须是有序的指令集。指令集的作用实现重用。算法是按步骤解决问题的办法，计算机语言可以提高编程的效率，软件工程是指结构化程序的设计和编写，它不仅包括要完成某一任务的应用程序，还包括程序设计要严格遵循的原理和规则。而操作系统的诞生，是有一系列指令对所有程序来说是公用的，因此它是程序访问计算机部分提供方便的一种管理程序。

2 数字系统

在将十进制数转换到其他底的数值时，分为两部分，整数部分是进行连除，余数作为本位的数值，商进行下一步计算；小数部分是进行连乘，整数值作为本位的数值，小数值进行下一步计算。

3 数据存储

数据类型分为5种：数字、文本、音频、图像和视频。所有的数据类型都转换为称作位模式的统一表现形式。

数字在存储到计算机内存中之前被转换成二进制系统。有多种方法来处理符号。有两种方法来处理小数点：定点和浮点。整数可以被当作小数点位置固定的数字。无符号整数是永远不会为负的整数。存储有符号整数的方法之一是符号加绝对值格式。这种格式中，最左边用于显示符号且其余位定义绝对值。符号和绝对值互相分开。几乎所有的计算机都使用*二进制补码表示法*来存储位于n位存储单元中的有符号整数。在该方法中，无符号整数有有效范围被分为两个相等的子范围。每一个子范围用来表示非负整数，每二个子范围用来表示负整数。在二进制补码表示法中，最左边决定整数的符号。但符号和绝对值互相分开。实数是带有整数部分和小数部分的数字。实数使用浮点表示法存储在计算机中。在浮点表示法中数字由3部分组成：符号、位移量和定点数。

文本的片断是用来表示该语言中某个意思的一系列符号。我们可用位模式来表示每一个符号。不同的位模式集合被设计用于表示文本符号。硬件和软件制造商联合进来共同设计了一种名为Unicode的代码，这种代码使用32位表示一个符号。

总督表示声音或音乐。音频是模拟数据，我们不能够在一段时间记录无限数量的值，我们只能记录一些样本。样本数依赖于模拟信号中变化的最大数量。从每个样本测量得到的值是真实的数字。量化指的是将样本的值截取为最接近的整数值的一种过程。