信息學奧林匹克競賽基礎知識

信息學奧林匹克競賽基礎知識計算機的根底知識二.計算機概述三.多媒體技術應用2第一臺電子計算機的誕生1946年世界上第一臺數(shù)字式電子計算機是由美國賓夕法尼亞大學的物理學家約翰·莫克利和工程師普雷斯伯·?？颂仡I導研制的取名為ENIAC的計算機。由于這臺計算機使用了電子器——電子管和電子線路，因此其功能在當時確實是出類拔萃，例如，它可以在一秒鐘內進展5000次加減法運算，3毫秒便可以進展一次乘法運算，與手工計算相比速度大大加快。但是，它也明顯地存在著缺點，它體積龐大，機器中約有18800只電子管，1500個繼電器，70000只電阻及其他各類電氣元件，重30噸，占地170平方米，運行時耗電量很大；存儲容量很小，只能存儲20個字長為10位的十進制數(shù)；另外，它采用線路連接的方法來編排程序，因此每次解題都要靠人工改接連線，準備時間大大超過實際計算時間；它沒有存儲程序的能力，不具備自動計算功能。3計算機開展的幾個階段第一代1946~1958第二代1958~1964第三代1964~1975第四代1975~至今主要電子器件電子管晶體管中小規(guī)模集成電器大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路內存汞延遲線磁芯存儲器半導體存儲器半導體存儲器外存穿孔卡片和紙帶磁帶磁帶、磁盤磁盤、光盤等大容易存儲器處理速度（指令數(shù)/秒）幾千條幾百萬條幾千萬條數(shù)億條以上4研制中的第五代計算機至目前為止，各種類型的計算機都屬于馮·諾依曼型計算機，即采用存儲程序方式進展工作。隨著計算機應用領域的擴大，馮·諾依曼型的工作方式逐漸顯露出其局限性，所以科學家提出了制造非馮·諾依曼式計算機。正在開發(fā)研制中的第五代智能計算機，將具有自動識別自然語言、圖形、圖像的能力，具有理解和推理的能力，具有知識獲取、知識更新的能力，可望能夠突破當前的計算機的構造模式。研制朝兩個方向努力：1、創(chuàng)立非馮·諾依曼式語言2、創(chuàng)立以人腦神經(jīng)系統(tǒng)處理信息原理為根底的非馮·諾依曼的計算機模型，如：生物計算機、光子計算機、量子計算機5計算機的應用〔1〕科學計算〔數(shù)值計算〕〔2〕數(shù)據(jù)處理〔信息處理〕〔3〕人工智能〔4〕自動控制〔5〕計算機輔助設計〔CAD〕和制造，計算機輔助教育〔CAI〕6信息高速公路能源、材料〔物質〕、信息是社會開展的三大支柱。1993年美國宣布了國家信息根底設施〔NII〕方案，正式提出了建立全國性信息高速度公路的設想。二十多年來逐步演變和開展的Internet網(wǎng)絡，已為信息高速公路勾畫出一個雛形，并為整個信息根底設施打下了一定的根底。在美國政府提出信息高速公路開展方案之后，全球許多國家紛紛制訂了本國的信息方案，以期在新世紀降臨之際，占領有利位置，謀求國家的長遠利益，一時間信息高速公路熱席卷全球。7我國的“三金〞工程1、金橋工程。即國家公用經(jīng)濟信息通信網(wǎng)絡工程，晚國信息化建立的根底設施之一。其目標是建立一個覆蓋全國各省市、自治區(qū)、500個中心城市，與各部門、地方專用計算機網(wǎng)相聯(lián)，與男家綜合管理部門信息中心的計算機網(wǎng)相聯(lián)，并實行與國際計算機聯(lián)網(wǎng)的公用基干網(wǎng)和網(wǎng)中網(wǎng)。2、金關工程。它是金橋工程的起步工程之一，將為海關、外貿(mào)、外匯管理和稅務等部門的業(yè)務系統(tǒng)專用網(wǎng)絡實行計算機聯(lián)網(wǎng)。3、金卡工程。即電子貨幣工程，是金融電子化和商業(yè)流通現(xiàn)代化的重要組成局部。8分類標準一：大型通用機、巨型機、小型機、工作站、微型機〔PC機〕、網(wǎng)絡計算機〔NC機〕分類標準二：巨型機、大型機、中型機、小型機、微機二.計算機概述計算機的分類9計算機的組成和工作原理1、存儲程序工作原理存儲程序工作原理，是由美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼在1946年提出的，其根本思想是，在計算機中設置存儲器，將符號化的計算步驟存放在存儲器中，然后依次取出存儲的內容，由一個被稱之為控制器的部件進展譯碼，譯碼結果在運算器中進展計算，從而實現(xiàn)計算機工作的自動化〔運算器和控制器統(tǒng)稱CPU〕馮·諾依曼依據(jù)此原理設計出第一臺具有存儲程序功能的計算機EDVAC〔離散變量自動電子計算機〕。運算器存儲器控制器輸入設備輸出設備輸入輸出二.計算機概述102、計算機指令系統(tǒng)機器指令是要計算機執(zhí)行某種操作的命令，且由計算機直接識別執(zhí)行。一臺計算機可以有許多指令，作用也各不一樣，所有指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。計算機的類型不同，指令系統(tǒng)也不同。例如：蘋果機采用的是6502指令系統(tǒng)，IBMPC采用的是8086/8088指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是計算機根本功能具體而集中的表達。從計算機系統(tǒng)構造的角度看，指令系統(tǒng)是軟件和硬件的界面，指令是對計算進展程序控制的最小單位。指令系統(tǒng)的內核是硬件，當一臺機器指令系統(tǒng)確定之后，硬件設計師根據(jù)指令系統(tǒng)的約束條件，構造硬件組織，由硬件支持指令系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。而軟件設計師在指令系統(tǒng)的根底上建立程序系統(tǒng)，擴大發(fā)揮機器的功能。用機器指令編寫的程序稱之為機器語言程序。一條指令通常由操作碼和地址碼兩局部組成，如下圖：地址碼操作碼指明計算執(zhí)行的某種操作的性質和功能指出被操作的數(shù)據(jù)存放在何處指令按其功能可以分為：〔1〕操作類指令〔2〕控制轉移類指令113、計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)由五部分組成：（1）運算器（2）控制器（3）存儲器（內存、外存）（4）輸入設備（5）輸出設備CPU12存儲器〔Memory)存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。為了實現(xiàn)自動計算，各種信息必須預先存放在計算機內的某個地方，這個地方就是存儲器。存儲器有內存〔主存〕和外存〔輔存〕之分。外存是存放程序和數(shù)據(jù)“倉庫〞，可以長時間的保存大量信息。但程序必須調入到內存方可執(zhí)行，待處理的數(shù)據(jù)也只有進展內存后才能被程序加工。所以內存和外存之間的嚴格的分工。存儲器采取按地址存〔寫〕、取〔讀〕的工作方式。一個內存體內包括許多的存儲單元，每個單元可以存放適當單位的信息，全部存儲單元按一定的順序編號，這種編號就稱為存儲器的地址。存儲器按其讀寫性可以分為：RAM〔隨機存儲器〕、ROM〔只讀存儲器〕當電源關閉時RAM不能保存數(shù)據(jù)，如果需要保存數(shù)據(jù)，就必須把它們寫入到一個長期的存儲器中〔例如硬盤〕。13內存：組成：是由RAM組成的分類：SDR、DDR

容量：64M、128M、256M、512M外存：硬盤20G、40G、80G、120G、200G

軟盤

光盤650MU盤64M、128M、256M、512MSDR內存DDR內存14硬盤軟盤光盤U盤USB接口15中央處理器〔CPU〕CPU是指令的解釋和執(zhí)行部件，是計算機的心臟。它主要是是由運算器、控制器和通用存放器組成。目前主流CPU： Intel公司：celeron〔賽揚〕、Pentium4〔奔四〕 AMD公司：Sempron(閃龍〕、Athlon(速龍〕CPU的主要性能指標主頻即CPU的時鐘頻率(CPUClockSpeed)，這是我們最關心的，我們所說的、等就是指它，一般說來，主頻越高，CPU的速度就越快，整機的就越高。不過現(xiàn)在AMD都采用了更加模糊的命名方式，企圖讓消費者淡化以主頻率計算性能的觀念。比方Athlon3000+，它的頻率有可能是，也有可能是2.0GHz。Intel那么采用了Pentium643這種更易讓人眼花繚亂的命名方式，一般人不查參數(shù)，很難記得它的意義。FSB前端總線即CPU的外部時鐘頻率，由電腦主板提供，以前一般是133MHz，目前Intel公司最新的芯片組i925XE芯片組使用1066MHz的FSB。內部緩存〔L1Cache〕封閉在CPU芯片內部的高速緩存，用于暫時存儲CPU運算時的局部指令和數(shù)據(jù)，存取速度與CPU主頻一致，L1緩存的容量單位一般為KB。L1緩存越大，CPU工作時與存取速度較慢的L2緩存和內存間交換數(shù)據(jù)的次數(shù)越少，相對電腦的運算速度可以提高。外部緩存〔L2Cache〕CPU外部的高速緩存，現(xiàn)在處理器的L2Cache是和CPU運行在一樣頻率下的〔以前P2P3的二級緩存運行在相當于CPU頻率一半下〕。

16輸入/輸出〔Input/Output,I/O)設備I/O設備實現(xiàn)外部世界與主機之間的信息交換，提供人機交互的硬件環(huán)境。輸入設備：顯示器、打印機、繪圖儀輸出設備：鍵盤、鼠標、掃描儀顯示器陰極射線管顯示器〔CRT〕

液晶顯示器LCD17打印機針式打印機噴墨打印機激光打印機繪圖儀掃描儀184、程序的自動執(zhí)行計算機硬件系統(tǒng)只能執(zhí)行由機器指令組成的程序。程序在執(zhí)行前必須首先裝入內存，程序執(zhí)行時CPU負責從內存中逐條取出指令，分析識別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。CPU就是這樣周而復始地工作，直至程序的完成。19計算機的軟件系統(tǒng)軟件可以分為：系統(tǒng)軟件和應用軟件系統(tǒng)軟件是生成、準備和執(zhí)行其他程序所需要的一組程序。它通常負責管理、控制和維護計算機的各種軟硬件資源，并為用戶提供友好的操作界面。常見的系統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)、語言處理程序〔匯編和編譯程序等〕、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、連接裝配程序、系統(tǒng)實用程序、多種工具軟件等。應用軟件是專業(yè)人員為了種應用目的而編制的程序，由于這些程序是在系統(tǒng)軟件支持的環(huán)境下編寫的，因此不必要了解機器的硬件細節(jié)。如：文字處理軟件、圖形處理軟件、成績管理、銀行管理等。20操作系統(tǒng)1、MS-DOS操作系統(tǒng)〔單用戶單任務操作系統(tǒng)〕2、Windows操作系統(tǒng)

Windows95 Windows98〔單用戶多任務操作系統(tǒng)〕 WindowsNT(多用戶多任務操作系統(tǒng)〕 Windows2000(professional/server) WindowsXP Windows20033、UNIX操作系統(tǒng)〔多用戶多任務操作系統(tǒng)〕4、Linux操作系統(tǒng)5、MacintoshOS操作系統(tǒng)〔1984年蘋果公司推出的，市場上第一個圖形界面的〕6、IBMOS/2操作系統(tǒng)21數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在比較流行的大中型關系型數(shù)據(jù)庫有IBMDB2、Oracle、SQLServer、SyBase、Informix等，常用的小型數(shù)據(jù)庫有Access、Pradox、Foxpro等，現(xiàn)在個人用戶比較常用的主要是基于中小型數(shù)據(jù)庫MSSQLServer和Access的，所以在以下的篇幅中我們介紹這兩種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的簡單操作。22計算機編程語言〔系統(tǒng)軟件〕低級程序設計語言 機器語言 匯編語言高級程序設計語言 過程化語言:BASIC、PASCAL、C、COBOL、FORTRAN、LOGO 非過程化語言:Fox系列 典型的面向對象語言有：SIMULA67，Smalltalk，EIFFEL，C++，Java，Delphi(VC、VB不完全面向對象〕解釋類：執(zhí)行方式類似于我們日常生活中的“同聲翻譯〞，應用程序源代碼一邊由相應語言的解釋器“翻譯〞成目標代碼(機器語言)，一邊執(zhí)行，因此效率比較低，而且不能生成可獨立執(zhí)行的可執(zhí)行文件，應用程序不能脫離其解釋器，但這種方式比較靈活，可以動態(tài)地調整、修改應用程序。編譯類：編譯是指在應用源程序執(zhí)行之前，就將程序源代碼“翻譯〞成目標代碼(機器語言)，因此其目標程序可以脫離其語言環(huán)境獨立執(zhí)行，使用比較方便、效率較高。但應用程序一旦需要修改，必須先修改源代碼，再重新編譯生成新的目標文件(＊.OBJ)才能執(zhí)行，只有目標文件而沒有源代碼，修改很不方便?，F(xiàn)在大多數(shù)的編程語言都是編譯型的，例如VisualC＋＋、VisualFoxpro、Delphi等。23信息的表示和存儲不管是指令還是數(shù)據(jù),假設想存入計算機中，都必須采用二進制編碼形式，即便是圖形、聲音等這樣的信息，也必須轉換成二進制數(shù)的形式，才能存入計算機中。采用二進制來表示信息的原因主要有：〔1〕易于物理實現(xiàn)〔2〕二進制運算簡單〔3〕機器可靠性高〔4〕通用性強24*進制轉換N進制轉十進制：(1101101.0101)2(155.24)8(6D.5)16注:十六進制表示:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十進制轉N進制：整數(shù)局部——除N取余 小數(shù)局部——乘N取整 (109.3125)10=(1101101.0101)2 (109.3125)10=(155.24)8 (109.3125)10=(6D.5)16二、八、十六進制的相互轉換：28：三位組一位

216：四位組一位

82：一位分三位

162：一位分四位25計算機中的單位1個二進制位：1bit8個二進制位：1字節(jié)〔Byte或B〕1024B=1K1024K=1M1024M=1G1024G=1T26計算機中帶符號數(shù)的表示法機器數(shù)和真值：數(shù)的符號在計算機中是通過增設一位符號位來數(shù)碼化的，正數(shù)符號用“0〞表示，負數(shù)符號用“1〞來表示。如：+1001100在計算機中表示為-1001100在計算機中表示為。已經(jīng)數(shù)碼化的帶符號數(shù)稱為機器數(shù)，符號沒有數(shù)碼化的稱為真值。在計算機中機器數(shù)常用三種表示方法：原碼、補碼、反碼原碼：在用二進制原碼表示的數(shù)中，符號位為0表示正數(shù)，符號位為1表示負數(shù)，其余各位表示數(shù)值局部，這種表示法稱原碼表示法。反碼：除符號位以外，表示數(shù)值局部取反，也就是〞1“變成〞0“，〞0“變成〞1“補碼：補碼表示法可以把負數(shù)換化為正數(shù)，使減法轉換為加法，從而使正負數(shù)的加減運算換化為單純的正數(shù)相加運算。27補碼1293現(xiàn)在標準時間為3點，為了校準時鐘需要把時針拔到3點的位置，可以倒拔三個格〔相當于-3)，還以正拔九個格〔相當于+9〕也就是：6-3=36+9=12〔自動喪失〕+3=3這個自然喪失的數(shù)就叫做“模〞〔mod)同樣一個字長為8位的二進制數(shù),最大可以表示(11111111)2=255=28-1那么如果要表示28即〔100000000〕2時，用八位二進制來表示時，第九位的“1〞就自動喪失了，只剩下〔00000000〕2，那么原碼是8位的二進制數(shù)的“模〞是28，同理原碼是n位二進制數(shù)的“模〞就是2n28整數(shù)的補碼為：小數(shù)的補碼為：

－1≤X＜02＋X

0≤X＜1X

[X]補

=

－2n≤X＜02n+1＋X

0≤X＜2nX

[X]補

=例如：X=+1101001[X]補=01101001X=－1101001[X]補=10010111X=+0.1011

[X]補=01011

X=－0.1011[X]補=10101補碼是定義：即:正數(shù)的補碼就是原碼負數(shù)的補碼是模加真值29非數(shù)值信息的表示在計算機內部非數(shù)值信息，如文字、圖形、圖像、聲音等也都是由二進制數(shù)來表示的。西文字符編碼：〔1〕ASCII碼〔美國信息交換標準代碼〕注:用一個字節(jié),七位二進制數(shù)來表示,共127個！

0100001

a

1100001

"

0100010

b

1100010

〔2〕EBCDIC〔是IBM公司在其機器上廣泛使用的一種代碼〕注:用一個字節(jié),八位二進制數(shù)來表示,共256個中文信息編碼：

GB2312—80〔國家標準信息交換用漢字編碼，簡稱國標碼〕注:用二個字節(jié),每字節(jié)中的七位來表示一個漢字.30三、多媒體應用技術多媒體技術:就是用計算機交互地綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻影像等多種信息，并使這些信息建立邏輯連接。它的英文原語是：Multimedia.目前市場上也以多媒體計算機〔ＭultimediaPersonalComputer,MPC)為主流。多媒體計算機系統(tǒng)：１、CD—ROM2、顯示卡色彩數(shù)：16/256/65536/16M分辨率：640×480

800×600

1024×768

1280×1024

3、顯示器刷新率：60Hz、75Hz

4、聲卡

5、音箱31數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮技術1、靜止圖像壓縮標準JPEG

壓縮比：10：1到80：12、動態(tài)圖像壓縮標準MPEG

壓縮比：50：1到100：13、多通道的動態(tài)圖像壓縮標準P×6432有關名詞解釋１、圖形文件〔１〕位圖〔２〕向量圖２、像素３、真彩色16M4、RGB模式〔紅、綠、藍〕5、HSB模式〔色調、飽和度、亮度〕〔產(chǎn)生比RGB模式更好的視覺效果〕33四、計算機網(wǎng)絡使用根底計算機網(wǎng)絡簡介2、計算機網(wǎng)絡的開展〔1〕計算機網(wǎng)絡的雛形——“主機-終端〞系統(tǒng)〔實時處理、分時處理、批處理聯(lián)機系統(tǒng)〕〔2〕計算機網(wǎng)絡的里程碑——ARPANET網(wǎng)(1969年〕〔3〕廣域網(wǎng)〔WAN)和局域網(wǎng)(LAN)〔4〕覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)——Internet1、計算機網(wǎng)絡的含義但凡將分布在不同地理位置的具有獨立功能的多臺計算機系統(tǒng)，遵照一定的協(xié)議，通過通信介質有機組合在一起，再配上相應的網(wǎng)絡軟件，以實現(xiàn)計算機之間相互通信、資源共享的系統(tǒng)，稱為計算機網(wǎng)絡。3、計算機網(wǎng)絡的功能信息的通信資源的共享〔硬件、軟件、數(shù)據(jù)與信息〕34計算機網(wǎng)絡的物理組成1、各種類型的計算機〔網(wǎng)終中心主干機、效勞器、工作站〕2、共享的外部設備3、網(wǎng)卡〔即網(wǎng)終接口卡或網(wǎng)絡適配器〕4、通信線路〔雙絞線、同軸電纜、光纜等〕5、局部網(wǎng)絡通信設備〔中繼器、集線器Hub、交換機〕6、網(wǎng)絡互連設備〔網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關〕7、網(wǎng)絡軟件〔UNIX、NetWare、WindowsNT等〕目前流行的“客戶機/效勞器〞體系構造中，把網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的主要局部放在效勞器上，以行使對主要網(wǎng)絡資源的管理，為客戶機提供各種網(wǎng)絡效勞。35計算機網(wǎng)絡的拓撲構造網(wǎng)絡中各個站點相互連接的方法和形式稱為網(wǎng)絡拓撲。〔1〕總線拓撲〔2〕星型拓撲〔3〕環(huán)型拓撲〔4〕樹型拓撲36網(wǎng)絡體系構造1、ISO/OSI網(wǎng)絡體系構造層號層次名7應用層6表示層5會話層4傳輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層2、Internet網(wǎng)絡體系構造〔TCP/IP網(wǎng)絡體系統(tǒng)構造〕層號層次名對應OSI模型的層次3應用層（等協(xié)議）應用層、表示層、會話層2傳輸控制協(xié)議TCP傳輸層1網(wǎng)際協(xié)議IP網(wǎng)絡層37Internet簡介什么是Internet?Internet〔因特網(wǎng)，國際互聯(lián)網(wǎng)〕是全球最大的、開放的、有眾多網(wǎng)絡互連而成的計算機網(wǎng)絡。1、網(wǎng)絡地址〔IP地址〕

IP地址由四個字節(jié)，32位二進制數(shù)組成，書寫時通常用四組十進制數(shù)表示，如：138機構名含義機構名含義.com商業(yè)公司.gov政府部門.net網(wǎng)絡服務.org組織、協(xié)會.edu教育機構.mil軍事領域頂級域名含義