2020—2021—1学期20202419罗骜《网络空间安全导论》第一周学习总结

学习内容：《计算机科学概论》第2、3章

第二章：二进制数值与记数系统

目标：1.区分数字分类 2.描述位置记数法 3.进制间的转化 4.描述基数2、8、16之间的关系 5.解释以二的幂为基数的计算的重要性

知识点：2.1数字与计算

了解数字的分类，掌握各种计算法制，重点在于自然数以及在各种记数系统中如何表示它们。

2.2位置记数法

基数（base）：记数系统的基本数值，规定了这个系统中使用的数字量和数位位置的值。

位置记数法（positional notation）：一种表达数字的系统，数位按顺序排列，每个数位有一个位值，数字的值是每个数位和位值的乘积之和。正式：dn * R(n-1) + d(n-1) * R(n-2) + … + d2 * R + d1

2.2.1二、八、十六进制

2.2.2其他记数系统中的运算

包括进位以及借位

2.2.3以二的幂为基数的基数系统

为了便于转换，下表列出了从0到10的十进制数和它们对应的二进制数及八进制数。

 

 

由于二的三次方等于八，二的四次方等于十六，因此二进制和八进制与十六进制之间可以快速转化。，每个八进制数可以用三位二进制数表示，每个十六进制数可以用四位二进制数表示。

2.2.4将十进制的数转化为其他数制的数

（除K取余法）转换十进制数的规则涉及新基数的除法。由这个除法可以得到一个商和一个余数。余数将成为新数字中的（从右到左）下一位数，商将代替要转换的数字。这一过程将持续到商为0为止。

用算法表示如下：

While（商不是0） 　

用新基数除这个十进制数 　

把余数作为答案左边的下一个数字 　

用商代替这个十进制数

2.2.5二进制与计算机

由于计算机每个存储位只有高电平与低电平两种信号，所以用0和1表示这两种状态十分合适。

每一个存储单元称为一个二进制数字，或位。位集合在一起就叫字节，每八个位为一个字节。字节集合在一起就形成了字。字中的位数被称为字长。

导图

 

 

 

第三章：数据表示法

目标：1.区分模拟数据和数字数据 2.解释数据压缩和计算压缩率 3.解释负数和浮点数的二进制格式 4.描述ASCII和Unicode字符集的特征 5.执行各种类型的文本压缩 6.解释声音的本质和它的表示方法 7.解释RGB值如何定义颜色 8.区分光栅图形和矢量图形 9.解释时间和空间视频压缩

3.1数据与计算机

虽然“数据”和“信息”这两个术语通常可以互换使用，但是还是有必要去分清他们两个概念。

数据（data）：基本值或事实。

信息（information）：用有效的方式组织或处理过的数据。

其他重要概念

多媒体(multimedia) ：几种不同的媒体类型

数据压缩(data compression) ：减少存储一段数据所需的空间

带宽(bandwidth) ：在固定时间内从一个地点传输到另一个地点的最大位数或字节数

压缩率(compression ratio) ：压缩后的数据大小除以原始数据大小的值

无损压缩(lossless compression) : 不会丢失信息的数据压缩技术

有损压缩(lossy compression) : 会丢失信息的数据压缩技术。

3.1.1模拟数据和数字数据

模拟数据：用连续形式表示的信息，模拟它表示的真实信息。

数字数据：用离散形式表示的信息，把信息分成了独立的元素

由于模拟数据完全对应于我们周围连续无限的世界。因此，计算机不能很好的处理模拟数据。我们需要数字化数据，把每个信息分割成片段并单独表示每个片段。

计算机基于二进制数字系统构建，原因之一是成本低且可靠。

脉冲编码调制（PCM)：在两个极端之间跳跃的信号的变化

重新计时：在信号降级太多之前重新插入原数字信号的行为

3.1.2二进制表示法

一般说来，n位二进制数字能表示2^n种状态。每当可用的位数增加以为，可以表示的状态的数量就会多一倍。记住,即使技术上只需要最少的位数来表示一组状态,而我们也可能会多分配一些位数。计算机体系结构一次能够寻址和移动的位数有一个最小值,通常是2的幂,如8、16或32位。因此,分配给任何类型的数据的最小存储量通常是2的幂的倍数

3.2数字数据表示法

3.2.1负数表示法

传统数据对负数的表示法并不适用于计算机语言（计算机对-0的难以理解等），在十进制补码的基础上出现的二进制补码完美解决的计算机负数表达的问题（Negative(I)=2∧k-I）即将每一位取反再加一，使得八位二进制补码可以轻松表示-128~127的所有数据，同时数据最左边一位表示正负的优点，使二进制解释了其记录数据的优势。

3.2.2实数表示法

那么如何在计算机中表示一个实值呢?我们把数存储为一个整数加指示小数点位置的信息。也就是说,任何实值都可以由三个属性描述,即符号(正号或负号)、尾数和指数尾数由该数值中的数字构成,假定小数点在其右边,而指数确定了小数点相对于尾数的位移。十进制的实值可以用下列公式定义:符号x尾数×10exp。二进制的实值可以用下列公式定义:符号x尾数×2exp

这种表示法称为浮点表示法(floating point),因为数字的个数是固定的,但是小数点却是浮动的。在用浮点形式表示的数值中,正指数将把小数点向右移,负指数将把小数点向左移。

小数点(radix point):在记数系统中,把一个实数分割成整数部分和小数部分的点

浮点表示法(floating point):标明了符号、尾数和指数的实数表示法。

其中如何把一个十进制数的小数转换成其他数制是一个难点,需要仔细研究。方法为：小数部分的操作是用新基数乘(multiply)它。乘法的进位将成为答案右边的下一位数字,乘法结果中的小数部分将成为新的被乘数,整个过程直到乘法结果中的小数部分为0。

例如：让我们把0.75转换成二进制的。0.75*2=1.50

0.50*2=1.00

因此十进制中的0.75是二进制中的0.11

3.3文本表示法

两大主要字符集ASCII字符集和Unicode字符集得计算机具有了国际影响力，使计算机文字有了更丰富多彩的表达。而三种不同的文本压缩方式也发挥着巨大作用。

 

1. 关键字编码：关键字编码的核心思想即为将常用词语替换为某个字符，例如将英语中常用的what，why，and等词语替换为不常用的符号￥，%，&，达到减少字符的目的。其优势是最为直观也最为简单。但局限性也非常大：文本不能出现替换的字符，压缩率不稳定，以及对文本的内容依赖也使得这种方法压缩数据的程度局限。

2. 行程长度编码：适用于某个字符在长序列中反复出现，即AAAAAAA可以压缩为*A7的形式，其优点与局限性一目了然。

3. 赫夫曼编码：基于前者两种方式的改进，赫夫曼编码对字符使用的概率进行统计，将使用频率较高的字符用较少位数的比特数代替，使得原来多字符的文本压缩效果大大增强，创建这种结构的方法确保了最常用的字符对应与最短的位串。（可以对创建赫夫曼编码的来源进行讨论）

   3.4音频数据表示法

   要在计算机上表示音频数据，必须数字化音波，把它割成离散的，便于管理的片段，方法之一是真正数字化声音的模拟表示法。而要数字化这种信号，需要周期性地测量信号的电压，并记录合适的数值（即采样），最后得到表示不同电平的一系列数字。在过去几年中,出现了多种流行的音频数据格式,包括WAV、AU、AIFF、VQF和MP3等，但由于MP3的高压缩率以及符合人类心理学的压缩方式，MP3成为最受欢迎的格式。

   3.5图像与图形表示法

   介绍计算机的颜色表示法,通常为RGB值。

   介绍两种不同的图像表示法，光栅图形格式（常见格式为PNG，BMP,GIF,JPEG等），同时介绍了这种格式下各个不同格式的优缺点，与之对应的是另一种矢量图形的表示图像方法（常见格式为Flash,SVG）

   3.6视频表示法

   视频编译码器（video codec）为一种缩减电影大小的方法，视频信息的捕捉和压缩方法使得它成为最复杂的信息类型之一，视频片段包含许多静态图片，而压缩其主要有两种方法

   1. 时间压缩（temporal compression）:时间压缩将选定一个关键帧，作为分析差别的参照物，在帧与帧之间变化不大的地方进行适量的删除，保留其主要信息，以完成其压缩的目的

                      2. 空间压缩（spatial compression）:空间压缩将删除一个帧的冗杂信息，将颜色相同的像素聚集在一个块中，其思想内容相似与航程长度编码。               

              导图