计算机科学导论（原书第三版）框架总结

计算机科学导论

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
  • 加
  • 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
• 栈
  • 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
  • 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
• 图

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
    • 并
    • 交
    • 差
• 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