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计算机基础知识
专升本计算机基础知识总结，包括数制及进制转换、信息的存储单位、计算机中的信息表示、计算机系统基本组成、计算机思维等内容。
编辑于2021-11-30 17:09:49- 数制及进制转换
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计算机基础
一、计算机基础知识
理论
发展史
研发目的：科学计算，运用于军事领域
人物
冯-诺依曼
存储程序控制原理
奠定了计算机理论基础
“计算机之父”
巴贝奇
差分机发明者，提出计算机设计思想
为现代计算机设计思想的发展奠定基础
分析机发明者
分析机当代计算机的雏形
香农
信息论创始人
信息是不确定的数据
信息的符号化是数据，数据是信息的载体或表现形式
艾兰-图灵
计算机科学奠基人 人工智能之父
发明了图灵机（抽象模型）
奠定了计算性的理论基础
图灵机不能解决的，当今社会的计算机也不能解决
图灵测试——判断机器是否具备了智能
奠定了人工智能的理论基础
“图灵奖”
计算机科学界（计算机领域）最高奖，计算机界的诺贝尔奖
ENIAC
第一台通用电子数字计算机
名字：ENIAC
时间：1946年2月14日
地点：美国宾夕尼亚大学诞生
用途：主要用于军事，用来计算弹道轨迹
特点：①未采用存储程序和程序控制 ② 采用十进制计算
冯·诺依曼体系结构计算机（EDVAC）
①采用存储程序和程序控制
②采用二进制计算
③五大硬件设备
运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备
计算机的发展
第一代
时间：1946年~1958年
物理器件：电子管
特点：体积庞大，造价昂贵，速度低，存储量小，可靠性差
应用领域：科学计算，军事领域
第二代
时间：1958年~1964年
物理器件：晶体管
特点：相对体积小，重量轻，开关速度快，工作温度低
应用领域： 数据处理，工业控制
第三代
时间：1964年~1979年
物理器件：中、小规模集成电路 MSIC、SSIC
特点：体积、重量、功耗进一步减少
应用领域：广泛应用于各个领域（老师的ppt） 文字、图形处理（书上的）
第四代
时间：1979年~现在
物理器件：大、超大规模集成电路 LSIC、VLSIC
特点：性能飞跃性提升
应用领域：网络时代（老师的ppt） 应用于各个领域（书上的）
未来发展方向
技术方向
巨型化
性能好，速度快，存储性强
微型化
体积小，容易携带
网络化
把整个互联网整合成一个巨大的超级计算机，实现资源共享
智能化
硬件方向
生物计算机（分子计算机）
光学计算机
量子计算机
中国计算机发展史
1956年
起步——理论研究
1958年
第一台电子管计算机
1964年
第一台晶体管计算机
1971年
第一台集成电路计算机
2013年
“天河二号”
2016年
“神威·太湖之光”——中国自主研发（龙芯）
其他巨型机
“银河”、“深腾”、“曙光”、“天河”
计算机的特点
运算速度快
计算精度高
记忆、存储能力强
具有逻辑判断能力
区别于其他计算工具的特征：程序控制（本质区别）和存储能力
计算机分类
按处理信号
数字计算机
电信号的有无
模拟计算机
电压大小
按用途
通用计算机——常用
专用计算机—— 解决专业问题（军事、医疗等）
按性能
巨型机
高性能计算机/超级计算机
神威·太湖之光
工作站
计算机辅助设计/辅助制造等
微型机
PC机
笔记本、台式机
便携式计算机
平板电脑
服务器
在网络中，对外提供服务的计算机（必先安装网络操作系统）
嵌入式计算机
计算机使用二进制的原因
①计算简单 0 1
②物理上容易实现（主要原因） 开（1） 关（0）
③逻辑上容易实现 真（1） 假（0）
④可靠性高
计算机的应用
①科学计算（数值计算）
地震预测、天气预报等
②信息管理（数据处理）
报表统计、工资计算等
③辅助功能
计算机辅助设计
CAD
计算机辅助制造
CAM
计算机辅助工艺规划
CAPP
计算机辅助工程
CAE
计算机辅助教育
CBE
计算机辅助教学
CAI
计算机辅助测试
CAT
计算机辅助质量管理
CAQ
计算机辅助管理教学
CMI
计算机集成制造系统
CIMS
④人工智能
用机器人来模拟人的思维进行判断、推理等智能活动
⑤其他
过程监控（自动化生产）
多媒体技术
网络应用（电子商务）
B2B ——企业对企业——阿里巴巴
B2C——企业对消费者——京东商城
C2C——消费者对消费者——淘宝
二、数制及进制转换
数制
二进制
1，0
逢2进1，借1当2
八进制
0~7
逢8进1，借1当8
十进制
0~9
逢10进1，借1当10
十六进制
0~9，A~F
逢16进1，借1当16
转换
十进制→R进制 ①除R取余数（R=2，8，10，16） ② 直到商为0时结束 ③ 反向书写（从下到上）
十进制→二进制
当被除数小于除数时商为零0，余被除数
十进制→八进制
十进制→十六进制
转换总结
整数 用长除法，余数倒着读连起来
①十进制数转换二进制数
方法：整数部分除2取余，商为0，余数倒写
②十进制数转化八进制数
方法：整数部分除8取余，商为0，余数倒写
③十进制数转化十六进制数
方法：整数部分除16取余，商为0，余数倒写
小数 乘进制取整，顺着读连起来
有可能不能完整精确转换
R进制→十进制
二进制→十进制 —— 乘权求和
八进制→十进制 —— 乘权求和
十六进制→十进制 —— 乘权求和
三、信息的存储单位
概念
位（bit，b）
计算机中信息表示或处理的最小单位
字节（Byte，B）
计算机中存储容量的基本单位
机器字（字）
CPU一次性传输、运算或处理的二进制数据
字长（字的长度）
CPU一次性传输、预算或处理的二进制数据的位数（32位 64位）
换算
1 Byte = 8 bit
1 KB = 1024 Byte = 2 ¹º B
1 MB = 1024 KB = 2 ²º B
1 GB = 1024 MB = 2 ³º B
1 TB = 1024 GB = 2 ⁴º B
四、计算机中的信息表示
数的表示
n位无符号二进制数可表示的十进制数
最大数：2 ⁿ + 1 最多状态数：2 ⁿ
n位无符号二进制数可表示的十进制数范围
无符号数：0 ~ 2 ⁿ - 1 有符号数：- 2 ⁿ ⁻ ¹ ~ 2 ⁿ ⁻ ¹ - 1
8位可表示的十进制数范围
无符号数：0~255 有符号数：-128 ~ +127
16位可表示的十进制数范围
无符号数： 0~65535 有符号数：-32768~+32767
信息编码
数字编码
例：8421BCD码
字符编码
ASCII码
标准ASCII码
每个字符占1个等长字节
1B 最高位0 128位
换行符 → 10 回车符 → 13 空格 → 32 ‘0’ → 48 ‘A’ → 65 ‘a’ → 97
扩展ASCII码
每个字符占1个等长字节
1B 最高位1 128位
Unicode码
Unicode— 16
2B 每个字符占2个等长字节
Unicode— 32
4B 每个字符占四4个等长字节
例题
汉字编码
区位码
区位码→机内码，直接加AOAOH
描述汉字在区位表中的位置
由4位十进制数构成，前两位叫做区码后，后两位叫做位码
国标码（交换码）
国标码=区位码+2020H
用于通信、电报等信息交换 一个汉字占2个字节 最高位为0
国家标准汉字编码（GB2312-80）
国家标准汉字编码扩展（GBK 、big-5〈繁体〉）
例题
机内码（内码）又称汉字ASCII码
机内码=国标码+8080H
在计算机内部用来进行汉字存储和处理的编码 一个汉字占2个字节最高位为1
例题
输入码（外码） 从外到内
音码：以汉字读音进行编码，拼音输入法
形码：以汉字的外形进行编码，五笔输入法
音形结合码
顺序码（流水码）~区位码
输出码（字形码、字模） 从内到外
用于汉字的输出显示或打印
所有汉字的集合
汉字字库中存放汉字字形码
类型
点阵字模：不易缩放，易失真
矢量字模：易缩放，不易失真
计算
一个n*n的点阵字模占n*n/8字节
信息存储、检索的常用方法
信息存储的方法
顺序法：寻址容易，插入删除困难
链接法：寻址困难，插入删除容易
索引法：拥有索引表
散列法：根据关键字，直接计算位置
信息检索的方法
顺查法
远→近
倒查法
近→远
抽查法
利用检索工具进行重点检索
追溯法
利用已经掌握文献末尾所列的参考文献进行追溯查找
综合法（循环法）
综合运用所有方法
五、计算机系统基本组成
计算机系统的组成
硬件系统 —— 基础
中央处理器（CPU）
控制器 → 全机控制
运算器 → 算术/逻辑运算
外设
存储器
主存储器（内存）
RAM（随机存储器）
断电数据丢失可读可写
SRAM（静态）
DRAM（动态）
运算速度比较：SRAM > DRAM
Cache（高速缓冲存储器）
缓解CPU与内存的速度差
ROM（只读存储器）
断电数据不丢失，只读不写
EPROM（紫外线可擦写）
EEPROM（电可擦写） → 字节为单位
运算速度比较：CPU > Cache > SRAM > DRAM
辅助存储器（外存）
磁介质
软盘 → 写保护口
开 → 只读不写（防病毒）
关 → 可读可写
硬盘 → 外存中传输信息最快
SSD（固态硬盘）→ 最快
HD（机械硬盘）
二者比较：SSD > HD
半导体介质 → 优盘（U盘）
光介质
CD-ROM：只读光盘，容量650MB。1X读写速度150KBps，2X读写速度300KBps
CD-R：一次性可写光盘，光盘写入数据后，就不能再刻写了
CD-RW：可重复擦写光盘，光盘写入数据后，还可以重复刻写
DVD：（蓝光DVD）数字多功能光盘，容量4.7GB ≈ 4700MB
单面单层：25G
单面双层：50G
I/O设备
输入设备 → 向计算机内输入数据与信息
鼠标、键盘、扫描仪、手写板、数字化仪、A/D转换器、条形码阅读器、麦克风、触摸屏等 （模拟信号转化为数字信号）
输出设备 → 计算机向外输出数据与信息
显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器、音响装置等 （数字信号转化为模拟信号）
常用输出设备
显示器
分类
CRT 阴极射线管显示器（黑白电视）
LCD 液晶显示器（LED 发光二极管）
3D显示器
PDP等离子显示器
性能指标
分辨率：显示器清晰度，单位：像素点/英寸（dpi）
响应时间：像素转换时间，单位：ms（毫秒）
颜色质量（色深）：表色深数目，单位：bit 真彩色（颜色数量达到2²⁴种）
打印机
机械式
针式打印机：噪声大、速度慢、具有复写打印功能
非机械式
喷墨打印机：体积小、价格便宜、墨水价格高
激光打印机：速度快、质量好（噪声最小、购买价格高， 相对于喷墨打印机使用成本相对较低）
3D打印机：用于建模较多
常用的I/O接口
USB
USB 2.0
供电电压：5 V
供电电流：500 MA
一般颜色为黑色（白色、红色、黄色、紫色）
运算速度/传输速率最高可达 60 MB/s，实际传输速率可达30MB/s
USB 3.0
供电电压：5 V
供电电流：900 MA ——1000MA
一般颜色为蓝色
运算速度/传输速率最高可达 625 MB/s，实际传输速率可达 150 MB/s
VGA：目前主流（厚电脑投影）
DVI：数字视频接口
HDMI：高清多媒体数字接口（可同时传送音频、视频信号）
RJ-45：水晶头
系统总线
作用 → 用来连接微机各功能部件，是计算机各个部件之间传递信息的通道
数据总线（DB）→ 传送系统中的数据和指令（双向总线）
地址总线（AB）→ 传送系统中的地址信息（单向总线）
位数反映计算机的直接寻址能力
n 位地址总线寻找能力 2ⁿ Byte
控制总线（CB） → 传送控制信息 （双向总线）
计算机性能指标
运算速度
MIPS：百万条指令/秒
BIPS：十亿条指令/秒
可靠性：计算机平均无故障时间（ MTBF）
CPU性能
字长（bit）
32位/64位
描述计算精度
主频（HZ、MHZ、GHZ）
描述运算速度
内存容量
基本工作原理
指令
概述：能够被计算机识别并执行的二进制编码，又称机器指令
组成
操作码（功能）
表明要“做什么”
地址码（内存中具体地址空间）
需操作的放在哪里
指令类型
数据传送型
数据处理型
程序控制型
输入和输出型
硬件控制型
原理
计算机基本原理 → 冯-诺依曼体系
即“存储程序”和“自动执行程序”
计算机的工作原理 → 程序自动执行的过程
指令执行过程
①取指令 ②分析指令 ③执行指令
串行指令：降低了计算机运算速度
流水线技术
目的：提高CPU执行速度（为了提高CPU执行指令的速度）
概述：第一条指令在运行的同时，正在分析第二条指令和读取第三条指令
多条指令并行处理
多核技术
提高处理器的计算速度
多核处理器：在一枚处理器中集成了多个微处理器核心
只有硬件系统没有软件系统的计算机称为“裸机”
软件系统 —— 灵魂
软件
程序：为了解决某一特定问题而编写的指令序列（多条指令）
文档（数据）
软件系统
系统软件 → 面向计算机基础，支持应用软件开发和运行的软件（管理计算机各种资源）
程序设计语言与语言处理程序
程序设计语言
低级语言
机器语言（二进制）能被计算机直接识
计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合
是计算机的设计者通过计算机的硬件结构赋予计算机的操作功能
汇编语言：采用助记符
面向机器的程序设计语言
高级语言
一种接近自然语言和数学公式的程序设计语言
面向过程：C语言（中级语言）
面向对象：C++、Java（跨平台语言）、VB、VF、C♯
Python 爬虫
一种面向对象，解释型、动态型计算机程序设计语言
也可面向过程
语言处理程序
解释程序：对源程序是一边翻译、一边执行，不产生目标程序。像外语翻译中的“口译”
典型的程序设计语言
FORTRAN语言
C语言与C++语言
C语言是为改写UNIX操作系统而诞生
C语言功能丰富、使用灵活、简洁明了、编译产生代码短、执行速度快、可移植性强
C++语言：1983年在C语言中加入面向对象的概念，对程序设计思想和方法进行彻底改革，改名C++
应用最广的面向对象的程序设计语言
BASIC语言
Java语言
C♯
Python语言
实用程序
完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务
例如：Windows中的“附件”｜“系统工具”中提供了磁盘清理、磁盘碎片整理程序等
应用软件 → 为了满足用户需求所提供的软件
六、计算机思维
分类
理论思维（推理思维）
以推理和演绎为特征，以数学学科为代表
实验思维（实证思维）
以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表
计算思维（构造思维）
以设计和构造为特征，以计算机学科为代表
本质 → 抽象和自动化
特征
计算思维属于人的思维方式
计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行
计算思维是思想，不是人造物
计算机思维是概念化，不是程序化
七、计算机新技术与应用
云计算
特点
超大规模
资源抽象
高可靠性
云服务种类
基础设施即服务（IaaS）
平台即服务（PaaS）
软件即服务（SaaS）
区块链：共享数据库
数据具有
数据不可伪造
全程留痕
可以追溯
公开透明
特征
开放性
独立性
去中心化
安全性
匿名性
核心技术
分布式存储
共识机制
智能合约
密码学
物联网：物物相连的物联网
概念：互联网是所有人和物，在任何时间，任何地点都可以实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互
关键技术
RFID（射频识别技术）
传感技术
嵌入式技术
位置服务技术
IPv6技术
等
传感技术与计算机技术、通信技术合为信息技术三大支柱
人与人、人与物、物与物
区别：Flash Memory 闪存 → 区块为单位