计算机基础

1 - 计算机的概念

计算机是一种自动化的、高效率的信息处理工具。

计算机是一种具有快速运算、逻辑判断和巨大记忆功能的电子设备，是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的机器。

计算机其实是：接收用户输入指令与数据，经过中央处理器的数据与逻辑单元运算处理后，以产生或存储成有用的信息。

2 - 计算机的发展概况

2.1 世界上第一台电子计算机

使用了18 800只电子管，1500 多个继电器，耗电150 KW，占地面积150平方米，重量达30吨，每秒钟能完成5000次加法运算。

它是按数学家冯•诺伊曼提出的计算机制造的三个设计思想研制出来的，即计算机由五个部分组成、采用二进制逻辑以及程序存储执行。

1. 计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）

    

2. 采用二进制逻辑（0和1）

   用二进制进行运算，大大加快了计算机速度

3. 程序存储执行

   通过计算机内部存储器保存运算程序。程序员仅仅通过存储器写入相关运算指令，计算机便能立即执行运算操作，大大加快运算效率

2.2 电子计算机的发展

四个阶段（电子器件）

1. 第一代：电子管计算机（1946年—1958年）

2. 第二代：晶体管计算机（1959年—1964年）

3. 第三代：集成电路计算机（1965年—1971年）

4. 第四代：大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）计算机（1971年—现在）

5. 第五代：人工智能计算机

2.3 微型计算机的发展

五个阶段（集成电路技术）

1. 第一代：4位或准8位（1970年—1973年），CPU的代表是Intel4004、Intel8008。

2. 第二代：8位（1974年—1977年）， CPU的代表是Intel8080、M6800、Z80。

3. 第三代：16位（1978年—1980年），CPU的代表是Intel8086、M6800、Z8000。

4. 第四代：32位（1981年—1992），CPU的代表是Intel80836、80486、IAPX432等。

5. 第五代：64位（1993年—至今） ，CPU的代表是Pentium、PowerPc、Alpha。

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。

其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

3 - 计算机的特点

• 运算速度快

• 计算精度高

• 存储容量大

• 具有逻辑判断能力

• 通用性强

4 - 计算机的分类

1. 按功能和用途分类

   通用计算机（General Purpose Computer）、专用计算机（Special Purpose Computer ）

2. 按工作原理分类

   数字计算机（Digital Computer）、模拟计算机（Analog Computer） 、混合计算机（Hybrid Computer）

3. 按性能和规模分类

   巨型机、大型计算机、小型计算机、微型计算机和单片机

4. 微型计算机分类

   台式机、便携式、掌上电脑、工作站

   工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显尔器及容量很大的内存储器和外部存储器，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力。工作站主要是为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设汁开发的同性能微型计算机。

5 - 计算机系统

计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的

• 硬件系统是计算机的物质基础

• 软件系统则是发挥计算机功能的关键

计算机语言

计算机语言指用于人与计算机之间通讯的语言，它是人与计算机之间传递信息的媒介。

按照与硬件的接近程序分类，将计算机语言分为低级语言和高级语言两大类，与硬件直接接近的是低级语言，与硬件无关的是高级语言。

• 低级语言

  • 机器语言：使用二进制机制指令写程序，可被计算机直接执行，它依赖于具体的计算机硬件

  • 汇编语言：借助符号写程序，也依赖于具体计算机硬件，必须经过汇编程序处理才能被计算机执行

• 高级语言

  使用语句写程序，与硬件无关，可移植性好，必须经过编译程序或解释程序处理转换成机器语言

6 - 计算机的发展趋势

四个发展趋势：

• 巨型化：运算速度快、存储容量大、功能强

• 微型化：使用超大规模集成电路，体积小

• 网络化：实现资源共享

• 智能化：模拟人类智能

7 - 计算机的应用

1. 数值计算

2. 数据处理

3. 自动控制

4. 计算机辅助系统

   • CAD—Computer Aided Design计算机辅助设计

   • CAM—Coputer Aided Manufacture计算机辅助制造

   • CAI—Computer Aided Instruction计算机辅助教学

   • CAT—Computer Aided Test计算机辅助测试

   • CASE—Computer Aided Software Engineering计算机辅助软件工程

5. 实时控制

6. 多媒体技术与应用

7. 计算机网络与应用

8. 模式识别：人工智能

8 - 计算机中的数制

8.1 数制的概念

1. 数制：数的表示系统 如：十进制、钟表使用的六十进制、二进制

2. 基数：一个数制所包含的数字符号的个数

   如：十进制：基数为10；二进制：基数为2

3. 权：以基数为底，以某一数字所在位置的序号为指数的幂，称为该数字在该位置的权。

   数字所在位置的序号从小数点开始整数部分向左从 0 编号，小数部分向右从 -1 编号

   权=（R为基数，i是数字所在的位置序号）。

4. 按权展开式：任何一个数值，都是各位数字本身的值与其权之积的总和，这个式子就叫按权展开式。 如：​ ​4567D=4*10^3+5*10^2+6*10^1+7*10^0

   

    

8.2 常用的数制

1. 十进制（用 ​ 表示）

   基数为10，由 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 组成；运算规则：加采用逢十进一，减采用借一当十；权为 ​

2. 二进制（用 ​ 表示）

   由 0、1 组成，基数为2；运算规则：加采用逢二进一，减采用借一当二；权为 ​。

   二进制运算规则：

   • 加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 如：​ ​

   • 减法：​ ​（借位） ​ ​ 如：​

3. 八进制（用 ​ 表示）

   由 0、1、2、3、4、5、6、7 组成，基数为8；运算规则：加采用逢八进一，减采用借一当八；权为 ​

4. 十六进制（用 ​ 表示）

   由 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F 组成，基数为16；运算规则：加采用逢十六进一，减采用借一当十六；权为 ​

8.3 各种数制间的转换

其他数制转十进制

方法：按权展开式。

十进制转换成二进制

方法：整数部分（除2、取余、倒数），小数部分（乘2、取整、顺数）

• 除以2取余，即对整数逐次除以2，直至商数为0，逆向取每次得到的余数

• 乘以2取整，即对小数部分逐次乘以2，直至乘积的小数部分为0，顺序取每次乘积的整数部分。

二进制与八进制数间的转换

方法：按原数位的顺序，将每位八进制数等值转换成三位二进制数

二进制转换成八进制

以小数点为界，分别向左、向右每三位分为一组，不足三位用0（整数在高位补0，小数在低位0）

八进制转换成二进制

每一个八进制数字代以三个二进制数字，不足三位用0（在高位补0）

二进制与十六进制数间的转换

方法：按原数位的顺序，将每位十六进制数等值转换成四位二进制数

二进制转换成十六进制

以小数点为界，分别向左、向右每四位分为一组，不足四位用0（整数在高位补0，小数在低位补0）

十六进制转换成二进制

每一个十六进制数字代以四个二进制数字，不足四位用0（在高位补0）

9 - 数据单位与信息编码

9.1 数据单位

1. 位（bit）是信息（或数据）的最小单位

2. 字节（byte）简称为 B，是存储器容量的最小单位

   • 8个二进制称为一个字节：​

   • 千字节(KB)：​

   • 兆字节(MB)：​

   • 吉字节(GB): ​

   • 太字节(TB): ​

3. 字（word）计算机内部信息（数据）处理的最小单位，一个字是由若干个字节组成，它的表示与具体的机型有关，字越长精度越高

4. 字的长度称为字长（即CPU一次能处理的二进制数码的位数），字长与使用的计算机机型有关

5. 计算机的性能指标

   • CPU的快慢（速度、主频 、周期）

     Hz（赫兹）是频率的单位。频率是指单位时间内完成振动的次数，1秒钟振动一次就叫1Hz。 Hz是个很小的单位，通常在其前面加上k（千），M（百万），G（十亿），T（万亿） 等数量级单位。

     速度单位则常使用十进制，例如 1GHz 就是 1000x1000x1000 Hz

   • CPU的精度（字、字长）

   • 内存 容量（RAM）

9.2 信息编码

字符编码：用一组规定的二进制码来表示特定的字符集合。

ASCII 码

目前在微机中使用最普遍的字符编码是 ​ 码，即美国信息交换标准代码。

ASCII 码使用指定的7 位或8 位二进制数组合来表示128 或256 种可能的字符

• 标准ASCII码：最高位为0，共128个不同的符号。

• 扩展ASCII码：最高位为1，表示另外几种西文文字和其它一些特殊符号。

汉字编码

汉字编码是为汉字设计的一种便于输入计算机的代码，通过汉字编码使汉字进入计算机。

根据应用目的的不同，汉字编码分为外码、交换码、机内码和字形码。

1. 外码（输入码）

   外码也叫输入码，是用来将汉字输入到计算机中的一组键盘符号。

   常用的输入码有拼音码、五笔字型码、自然码等

2. 交换码（国标码）

   是指不同的具有汉字处理功能的计算机系统之间在交换汉字信息时所使用的代码标准。

   计算机内部处理的信息，都是用二进制代码表示的，汉字也不例外。而二进制使用不方便，需要采用信息交换码。

3. 机内码

   根据国标码的规定，每一个汉字都有了确定的二进制代码，在微机内部汉字代码都用机内码，在磁盘上记录汉字代码也使用机内码。

4. 字形码

   字形码是汉字的输出码，输出汉字时都采用图形方式，无论汉字的笔画多少，每个汉字都可以写在同样大小的方块中。

汉字交换码

目前的文字编码标准主要有 ASCII、GB2312、GBK、Unicode等。ASCII 编码是最简单的西文编码方案。GB2312、GBK、GB18030 是汉字字符编码方案的国家标准。ISO/IEC 10646 和 Unicode 都是全球字符编码的国际标准。

GB2312

中国标准总局1981年制定了中华人民共和国国家标准GB2312--80《信息交换用汉字编码字符集--基本集》，即国标码。建议使用最新颁布的标准GB18030。

• GB2312--80 收录汉字6763个，符号715个，总计7478个字符，这是大陆普遍使用的简体字字符集。

• 每一个汉字或符号都用两个字节表示。每个字节只用低7位，最高位都置0。

Unicode

统一码（Unicode），也叫万国码、单一码，是计算机科学领域里的一项业界标准，包括字符集、编码方案等。Unicode是为了解决传统的字符编码方案的局限而产生的，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。

如果把各种文字编码形容为各地的方言，那么Unicode就是世界各国合作开发的一种语言。

Unicode 用数字 0 ~ 0x10FFFF​ 来映射这些字符，最多可以容纳1114112个字符，或者说有1114112个码位。码位就是可以分配给字符的数字。UTF-8、UTF-16、UTF-32 都是将数字转换到程序数据的编码方案。

其他信息的数字化

1. 图像信息的数字化 以像素为单位进行度量

2. 声音信息的数字化 声音 — 模拟信号、采样、数据、二进制

3. 视频信息的数字化