计算机科学导论(原书第三版)框架总结

计算机科学导论

文章目录

  • 计算机科学导论
    • 绪论
    • 数字系统
    • 数据存储
    • 数据运算
    • 计算机组成
    • 计算机网络和因特网
    • 操作系统
    • 算法
    • 程序设计语言
    • 软件工程
    • 数据结构
    • 抽象数据类型
    • 文件结构
    • 数据库
    • 数据压缩
    • 安全
    • 计算理论
    • 人工智能
    • 附录B UML统一建模语言
    • 附录E:布尔代数和逻辑电路
    • 附录H 误差检测和校正

绪论

  • 计算机模型
    • 图灵模型
    • 冯诺依曼模型
      • 存储程序+顺序执行
      • 四个子系统
        • ALU
        • 控制单元
        • 存储器
        • IO
  • 计算机组成部分
    • 硬件
    • 数据
    • 软件
  • 计算机科学
    • 系统领域
      • 计算机体系结构
      • 计算机网络
      • 计算机安全
      • 操作系统
      • 算法
      • 程序设计语言
      • 软件工程
    • 应用领域
      • 数据库
      • 人工智能
      • web
      • 计算机图形学

数字系统

  • 数字系统:使用符号表示数字
    • 位置化
    • 非位置化:罗马数字
  • 进制与进制转化

数据存储

  • 数据相关概念
    • 数据类型
    • 位,位模式
    • 数据压缩
    • 错误检测和纠正
  • 数字存储
    • 整数
      • 原码
      • 反码
      • 补码
    • 实数
      • 浮点表示法
      • 规范化
      • 符号,指数和尾数
        • 指数余码表示法
  • 文本存储
  • 音频存储
    • 采样
    • 量化
    • 编码
  • 图像存储
    • 光栅图
    • 矢量图
  • 视频存储

数据运算

  • 逻辑运算
    • 与或非,异或
  • 移位运算
    • 逻辑移位(无符号)
    • 算术移位(补码)
  • 算术运算
    • 减(补码)

计算机组成

  • 三个子系统
    • CPU
      • ALU
        • 逻辑,移位,算数运算
      • 寄存器
        • 数据,指令,程序计数器
      • 控制单元
    • 主存
      • RAM,ROM
    • IO
      • 存储设备
      • 非存储设备
  • 主线
    • CPU与主存
      • 数据,指令,控制总线
    • IO与主线
      • 控制器(接口)
      • IO寻址
        • 独立寻址
        • 存储器映射寻址
  • 程序执行
    • 机器周期
      • 取指令
      • 译码
      • 执行
    • IO操作
      • 程序控制
      • 中断控制
      • DMA方式
    • 体系结构
      • CISC复杂指令集
      • RISC精简指令集
    • 流水线(并行)
  • 简单计算机(例子)

计算机网络和因特网

  • 网络
    • 局域网
    • 广域网
    • 互联网
    • 因特网
  • 协议分层
    • 原则
      • 每一层对立镜像
    • 逻辑连接
  • TCP/IP协议族
    • 应用层
      • 传送消息
      • 模式
        • C/S模式
          • 万维网
          • URL
          • HTTP
          • FTP
          • 电子邮件
          • TELNET远程登录
          • SSH安全套
          • DNS
            • 域名
        • p2p模式
          • BT下载
          • 集中,分散网络
    • 传输层
      • 传送数据包/分段
      • 进程通信
      • TCP
      • UDP
    • 网络层
      • 传送数据报
      • IPV4,IPV6
      • 路由
    • 数据链路层
      • 传送帧
      • LAN,WAN
    • 物理层
      • 位bit
      • 信号转换
      • 传输介质

操作系统

  • 功能
    • 有效使用硬件
    • 调用资源
  • 自举进入RAM
  • 演化
    • 批处理系统
    • 分时系统
    • 并行系统
    • 分布式系统
    • 实时系统
  • 组成部分
    • 用户界面
    • 内存管理
      • 单道程序
      • 多道程序
        • 分区调度
        • 分页调度
        • 请求分页调度
        • 请求分段调度
        • 请求段页式调度
      • 虚拟内存
    • 进程管理
      • 程序,作业,进程
      • 调度器
        • 作业调度器
        • 进程调度器
      • 队列
        • 作业,进程控制块
        • 调度算法
      • 进程同步
        • 死锁
        • 饿死
    • 设备管理
    • 文件管理
  • 主流操作系统
    • UNIX
    • Linux
    • windows

算法

  • 定义
    • 一组明确步骤的有序集合,有限的时间内终止并产生结果
  • 三种结构
    • 顺序
    • 选择
    • 循环
  • 表示法
    • UML
    • 伪代码
    • 结构图
      • 子算法
  • 基本算法
    • 求和
    • 乘积
    • 最值
    • 查找
      • 顺序
      • 折半
    • 排序
      • 选择
      • 冒泡
      • 插入
  • 递归与迭代

程序设计语言

  • 演化
    • 机器语言
    • 汇编语言
    • 高级语言
  • 翻译
    • 编译
    • 解释
    • 过程
      • 词法分析
      • 语法分析
      • 语义分析
      • 代码生成
  • 编程模式
    • 过程式
    • 面向对象
    • 函数式
    • 声明式(逻辑推理)
  • 共同概念
    • 数据类型
    • 标识符
    • 变量
    • 字面值
    • 常量
    • 输入输出
    • 表达式
    • 语句
      • 控制语句
    • 子程序

软件工程

  • 软件生命周期
    • 开发
    • 使用
    • 修改
  • 开发过程模型
    • 瀑布模型
    • 增量模型
  • 开发阶段
    • 分析阶段
      • 面向过程分析
        • 数据流图
        • 实体关系图
      • 面向对象分析
        • 用例图(功能交互)
        • 类图
        • 状态图
    • 设计阶段
      • 面向过程设计
        • 结构图
        • 模块化
          • 高聚合低耦合
      • 面向对象设计
        • 详细设计类的细节
        • 过程设计
    • 开发实现阶段
      • 语言选择
      • 软件质量
        • 可操作性
        • 可维护性
        • 可移植性
    • 测试阶段
      • 白盒测试
        • 基本路径测试
        • 控制结构测试
      • 黑盒测试
        • 穷尽测试
        • 随机测试
        • 边界测试
  • 文档
    • 用户文档
    • 系统文档
    • 技术文档

数据结构

  • 数组
    • 数组名元素名
    • 多维数组
      • 行主序存储
      • 列主序存储
    • 数组操作
      • 增删查改
  • 记录(数据元素)
    • 域(数据项)
  • 链表
    • 数据和链
    • 链表名和节点名
    • 链表操作

抽象数据类型

  • 定义
    • 封装数据与操作的数据类型
    • 先进后出
    • 操作
    • 应用
      • 倒转数据
      • 配对
      • 数据延迟使用
      • 回溯
    • 实现
      • 数组
      • 链表
  • 队列
    • 先进先出
    • 应用
      • 排队
  • 广义线性表
    • 随机存取
    • 有序
  • 二叉树
    • 遍历操作
      • 深度优先
        • 先序
        • 中序
        • 后序
      • 广度优先
        • 层次
    • 应用
      • 赫夫曼编码
      • 表达式树
    • 二叉搜索树

文件结构

  • 存取方式
    • 顺序存取
    • 随机存取
  • 顺序文件
    • 更新
      • 新主文件
      • 旧主文件
      • 事务文件
      • 错误报告文件
  • 索引文件
  • 散列文件
    • 散列方法
      • 直接散列
      • 求模法
      • 数字析取法
      • 其他方法
    • 冲突
      • 开放寻址
      • 链表法
      • 桶散列法
  • 目录
    • 和索引相比,增加了权限等信息
    • 特殊目录
      • 根目录
      • 主目录
      • 工作目录
      • 父目录
    • 路径
  • 文本文件和二进制文件

数据库

  • 引言
    • 平面文件系统与数据库系统对比
    • 数据库管理系统
      • 硬件
      • 软件
      • 数据
      • 用户
        • 最终用户
          • 数据库管理员
          • 普通用户
        • 应用程序
      • 规程
  • 数据库体系结构
    • 内层
    • 概念层
      • 逻辑视图
    • 外层
      • 外部视图
  • 数据库模型
    • 层次模型
    • 网状模型
    • 关系模型
      • 关系数据库模型
      • 分布式数据库模型
      • 面向对象数据库模型
        • XML
  • 关系数据库模型
    • 关系(二维表)
      • 名称
      • 属性
      • 元组
    • 关系操作
      • 插入
      • 删除
      • 更新
      • 选择
      • 投影
      • 连接
  • 数据库设计
    • 需求分析
    • 实体关系模型ERM
      • ER图
      • 实体集关系
      • 关系集关系
    • 规范化
      • 第一范式:属性不可分割
      • 2NF:主键完全依赖
      • 3NF范式
      • BCNF

数据压缩

  • 无损压缩
    • 游程长度编码
    • 赫夫曼编码
    • LZ编码
  • 有损压缩
    • 图像压缩JPEG
      • 分块
      • 离散余弦变换
      • 量化
      • 无损压缩
    • 视频压缩MPEG
      • 空间压缩
        • JPEG
      • 时间压缩
        • I帧
        • P帧
        • B帧
    • 音频压缩
      • 预测编码
      • 感知编码mp3
        • 频率掩盖
        • 时间掩盖

安全

  • 引言
    • 安全目标
      • 机密性
      • 完整性
      • 可用性
    • 攻击
      • 针对机密性
        • 嗅探
        • 流量分析
      • 针对完整性
        • 篡改
        • 假冒
        • 重放
        • 抵赖
      • 针对可用性
        • 拒绝服务(Dos攻击)
    • 服务和技术
      • 密码术
        • 对称
        • 非对称
        • 散列
      • 隐写术
  • 机密性
    • 对称密匙密码术
      • 流密码
      • 分组密码
      • 传统对称密匙(面向字符)
        • 替换密码
          • 单字母密码
            • 加法密码
          • 多字母密码
            • 自动密匙密码
        • 移位密码
      • 现代对称密匙(面向位)
        • 现代分组密码
        • 现代流密码
          • 一次一密乱码
    • 非对称密匙密码术
      • RSA密码系统
  • 完整性
    • 消息验证
      • 消息摘要(防篡改)
        • 散列函数MD5
      • 身份验证(防假冒)
        • 消息验证码MAC
          • 密匙保证机密性
        • 数字签名
          • 公私匙
          • 使用发送方的公私匙验证
      • 签署摘要
    • 实体验证(实时性)
      • 验证分类
        • 所知道的
          • 密码
        • 所拥有的
          • 身份证
        • 所固有的
          • 指纹
      • 挑战-回应
        • 对称密匙
        • 非对称密匙
        • 数字签名
  • 不可抵赖性
    • 可信第三方中心
  • 密匙管理
    • 对称密匙分发
      • 密匙分发中心:KDC
      • 多个密匙分发中心
      • 会话密匙
    • 公匙分发(非对称)
      • 公开声明(不安全)
      • 认证机构:CA
      • X.509(结构化证书)
  • 防火墙
    • 包过滤防火墙(路由器)
      • 针对ip
      • 针对端口
    • 代理防火墙
      • 代理计算机(应用网关)
        • 应用层过滤

计算理论

  • 简单语言
    • 递增语句
    • 递减语句
    • 循环语句
    • 简单语言的宏(模拟任何复杂语句)
  • 图灵机
    • 组成
      • 磁带
      • 读写头
      • 控制器
        • 有限状态自动机
    • 模拟简单语言
    • 邱奇图灵论题
      • 图灵机可完成符号操作的算法
  • 停机问题
    • 哥德尔数
      • 程序编号
    • 停机问题不可解
  • 问题复杂度
    • 可解问题
      • 多项式问题
      • 非多项式问题
    • 不可解问题

人工智能

  • 智能体
    • 软件智能体
    • 物理智能体
  • 编程语言
    • LISP
    • PROLOG
  • 知识表示
    • 语义网
    • 框架
    • 谓词逻辑
      • 命题逻辑
      • 超谓词逻辑
    • 基于规则的系统
      • 知识库
      • 事实库
      • 推理机
  • 专家系统
    • 用户与用户界面
    • 知识库与知识库编辑器
    • 事实库与解释系统
    • 推理机
  • 感知
    • 图像处理
      • 边缘探测
      • 分段
      • 查找深度
      • 查找方向
      • 对象识别
      • 应用
    • 语言理解
      • 语音识别
      • 语法分析
        • 文法
        • 词法分析器
      • 语义分析
      • 语用分析
        • 意图
        • 消除歧义
  • 搜索
    • 蛮力搜索
      • 深度
      • 广度
    • 启发式搜索
      • 启发值
  • 神经网络
    • 感知器模型
    • 多层网络

附录B UML统一建模语言

  • 用户视图

    • 用户系统交互:用户与功能
    • 用例图
      • 系统,
      • 用例(行为),
      • 行动者,
      • 关系
  • 结构视图

    • 系统静态结构:类的设计
    • 类图
      • 属性与方法
      • 关联(类之间的关系(几对几))
      • 泛化(继承关系)
  • 行为视图
    对象在系统中的行为

    • 协作图

      • 对象之间的关系
      • 属性和值
      • 方法操作
      • 链接(几对几关系)
      • 消息
    • 状态图

      • 单个对象状态变化
      • 符号
        • 状态
        • 转换
        • 决策点
      • 事件(外来自发消息)
      • 动作(由事件引发)
    • 顺序图

      • 对象之间一段时间的交互
      • 行动者
      • 对象
      • 生命线
      • 激活
      • 消息
    • 活动图

      • 复杂操作的详细分解流程图
      • 符号
        • 和状态图差不多
        • 决策(分支或融合)
        • 分支或连接(表示并发)
    • 泳道

      • 多个对象的活动
  • 实现视图

    • 显示最终产品的实现(概括)
    • 组件图
      • 软件组件之间的依赖关系
    • 配置图
      • 通信链接

附录E:布尔代数和逻辑电路

  • 布尔代数
    • 常量,变量,运算符
    • 表达式
    • 逻辑门
      • 缓冲器
      • AND,OR,NAND,NOR…
      • 实现
        • 晶体管(电子开关)
    • 公理,定理,公式
    • 布尔函数(表达式)
      • 真值表
      • 表式转换
        • 积之和
        • 和之积
      • 函数简化
        • 代数方法
        • 卡诺图方法
  • 逻辑电路
    • 组合电路
      • 半加法器
      • 多路复用器
    • 时序电路
      • 异步
        • SR双稳态多谐振荡器
        • D
        • JK
        • T
      • 同步(时钟脉冲)
        • 寄存器
        • 数字计数器

附录H 误差检测和校正

  • 冗余
  • 检测和校正
  • 向前误差校正与重传
  • 编码
    • 块编码
    • 回旋编码
  • 块编码
    • 数据字
    • 码子
  • 线性块编码
    • 简单奇偶校验码
    • 汉明码
    • 循环码
      • 循环冗余校验
    • 校验和

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