计算机基础知识

计算机基础知识

什么是计算机

计算工具

• 从算盘开始，计算尺，齿轮技术制造的机械式计算机。
• 19c，查尔斯制造机械式分析机。

计算机的定义

• 能够将信息自动高速存取并且加工的电子设备。（如今没有行业可以说不用计算机）

计算机的发展及其功能

计算机的发展

第一代计算机

• 1946发布第一台计算机->1946~1958->1958~1964->1964~1970->1971至今。
  • ENIAC达到每秒五千次，用于计算弹道和氢弹的研制（专用非通用），存储只有80字节，占地170平方米，价值四十万美元，使用二进制机械语言，可以存储程序和数据。

计算机学院一楼有大型机，70万美元。

• EDVAC第一台通用计算机（电子离散变量自动计算机），采用二进制，为计算机体系结构和工作原理奠定了基础，比冯·诺依曼计算机快240倍。

WHU计算机科学与技术是一级学科，有软件、计算机应用技术、网络、信息安全、物联网等二级学科，一级学科有博士后流动站（软工、计科），二级学科有博士点。

• 图灵（1912-1954）：伟大数学家和计算机学家。图灵机模型、可计算理论、图灵测试、人工智能理论基础。（最后由于同性恋自杀）
• 冯·诺依曼：明确规划五大部件，现代计算机仍然是冯·诺依曼计算机
  • 运算器CA，逻辑控制器LC，存储器M，输入装置I，输出装置O。

第二代计算机（以IBM 7090为代表）

• 出现批处理方式，开始使用汇编语言和Fortran高级语言（如今电气工程学院仍然要学）、COBOL高级语言（商业银行使用）、ALGOL高级语言等，晶体管代替电子管，内存采用磁心体，引入变址寄存器和浮点运算硬件（使表示的数的范围扩大），使用了输入输出处理机，出现编译程序。

第三代计算机

• 达到千万次每秒，用了微程序设计技术简化处理机的结构，用集成电路代替晶体管，出现面向用户的应用程序，使用流式磁带（类似于录音机磁带）。

第四代计算机

• 使用大规模和超大规模集成电路，出现微机，使用微处理器，速度更快，价格更便宜。286时代（16M内存，32G硬盘约50kRMB），现在几千块可以配很好的台式机。
  • 按照计算机规模，分巨型机，大型机，小型机，微型机，便携机，掌上机。e.g.天河一号，达到4700万亿次/s；曙光5000A，160万亿次/s。
• 显著特征：芯片上集成了数百万的元器件，用大容量半导体存储器，体系结构出现并行处理、多机（处理机，类似于CPU）处理、分布式计算机，计算机网络系统；软件方面出现数据库系统、分布式操作系统、软件工程标准。

归纳与总结

• 硬件：电子管，晶体管，集成电路，直到现在大规模超大规模集成电路。
• 软件：机器语言汇编语言->高级语言->出现操作系统（台湾：作业系统，operating system）->数据库、网络
• 领域：国防和高科技->工程设计数据处理->工业控制数据处理->工业科技和社会生活各方面。

这是每年二级考试必出的题，计算机专业毕业默认二级，不要去考了，可以去考其他证书

发展趋势

• ‘’‘摩尔定律’‘’：18个月芯片增长一倍。从0.1mlps->500mlps。（每秒处理百万条指令数）
• ‘’‘发展方向’‘’
  • 功能巨型化e.g.天气预报，地震机理研究，石油和地质勘探，卫星图像处理等；处理大量科学计算的高科技领域。
  • 体积微型化
  • 多极化e.g.分化成军用、民用、商用等
  • 网络化e.g.FTP,Telmet,Email,Gopher,WWW,Internet.
    • 资源网络化：资源共享，软件硬件共享；
  • 处理智能化总有一天人们会造出举止和人一样没有灵魂的机械了。
    • 模式识别
    • 机器人
    • 专家系统
    • 自然语言生成与理解
  • 多媒体
    • 把图文声像多种媒体结合的人机交互系统
• ‘’‘计算机的未来’‘’
  • 神经芯片和神经集成电路
  • 生物计算机
  • 超导计算机
  • 量子计算机
  • 激光计算机
  • 光子计算机
  • 智能计算机

有人说，机器人普及的时候是人类的灾难。

计算机的作用WSG

Works，Studies，Games 以及：科学计算，数据处理，实时控制，人工智能，计算机辅助工程（CAD设计，CAM制造，CIMS集成制造系统），计算机辅助教育CAI。

计算机的特点

速度快，精度高（如今达到64bits），具有逻辑判断能力、记忆能力、计算能力，高度的自动化和灵活性。 程序不是代码，是数据结构+算法。计算机对离散变量进行控制（离散数学）等方面都与数学相关。

计算机的分类

按照原理

分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算机。

• 数字计算机只认识离散变量，非数字量经过编码可以处理。
• 模拟计算机处理模拟变量。
• 也有二者混合

按照用途分类

通用计算机和专用计算机，后者只适用于某种特定领域（如智能仪表，生成过程控制等）

按照规模/综合性能指标分类

巨型计算机，大中型计算机，小型计算机，微型计算机，工作站，服务器。

• 巨型机：速度最快处理速度最快。
• 大型机：作C/S(客户机/服务器)或B/S（浏览器/服务器）的服务器，作终端/主机的主机。
• 小型机：规模小结构简单，设计制造周期短（小型机最短字长128bits）。
• 微型计算机。
• 单板机：把微机功能集成在一块印刷线路板上
• 单片机：一块芯片包含微处理器各种功能。
• 服务器：网络环境下为多个用户提供服务的共享设备。
• 网络计算机：网络环境中通信处理用。

数字化信息编码及数据表示

信息分类

• 信息
  • 指令信息
  • 数据信息
    • 数值信息
      • 浮点数
      • 定点数
    • 非数值信息
      • 字符数据
      • 逻辑数据
      • 其他数据

信息的存储单位

• Bit（位）：度量数据的最小单位（二进制单位）。
• Byte（字节，8Bit）：最常用的基本单位，产生KB，MB，GB，TB，PB。
• Word（字）：信息交换处理存储的基本单位。字长由CPU决定，指的是包含的二进制代码的位数，决定了CPU的精度。
• Instruction（指令）：执行某种基本操作的命令，一系列有序的指令称作程序。
• capacity（容量）：主要指的是存储器（内、外）所能够处理的字节数。

进位计数制

• 二进制Binary，十进制Decimal，八进制Octal，十六进制Hexadecimal。
• 机器只能看懂二进制（电信号），用八进制和十六进制作为一个桥梁，三位二进制为八进制，四位二进制为16进制（直接分组就可以按位转换）。
• R进制：逢R进一，借R当一。
• =一个“1”+n个“0”，=n个“1”；
• 各位数码所在数位不同而乘以10的若干次幂，称为相应数码的“权”，如二进制为。
• 二进制信息复制精确，运算规则简单，如）0b10110.1=22.5。
• 十六进制A-E表示10-15，如0x2AF=687。
• 十进制转换r进制，整数部分除以r取余数，从下到上排列直到商为0，小数部分乘以r取整数，整数从上到下排列。

二进制算术运算

• 加法减法乘法除法，注意进位和借位。
• boolearn algebra逻辑运算：与（逻辑乘）、或（逻辑加）、非。（电路中有时用高频率表示1，低低频率表示0）

带符号的二进制数

• 真值：+1011，-1011
• 原码：01011，11011（首位为符号位，总位数系统决定，四则运算在电路中较为麻烦）
• 反码：01011，10100（正数与原码相同，负数除符号位全部取反）
• 补码：01011，10101（正数与原码相同，负数为反码+1）
• 补码用于变减法为加法，如12[补码1100]+-7[补码1001]=5(1丢失)[补码0101]

浮点数

• 表示“0.尾数e阶”，如0.256e3，存储方式是 阶符1+阶码11+数符1+数码51（64位系统）
• 在32位（4bits）操作系统中，阶码占1bits（含符号位），尾数占3bits（含符号位），可以表示正负1e38(约2^127)内的数。

BCD/8421码

• Binary coded decimal
• 一位十进制转化为4位二进制，如256=0100 0101 0110

ASCII码

• 用八位（1bit）表示，最高位为0，7位为编码。
• 注意进制。

图像表示

• .bmp位图中，如果用1位表示颜色，只能有黑白，8位有256色，32位称作真彩色RGB(255,255,255)。

汉字编码

• 键盘输入码：国际区位码（如“啊”机内码B0A1 H=区位码3012 H+8080 H），全拼，自然码，双拼，五笔字形
• 汉字机内码：按照国标GB2312-80，一级汉字3755个，二级汉字3008个，每个汉字第一个字节为1，一个汉字占用2bits，实际上能表现2^14（16384）个字符。
• 汉字字形码：点阵48*48,32*32,24*24,16*16。

计算机系统组成：硬件+软件

硬件

• 主机：CPU（运算器ALU，控制器TRU），内部存储器（随机存取存储器RAM，只读存储器ROM）
• 外部设备：外部存储器（硬盘，光盘，软盘，磁带机，U盘），输入设备（键盘鼠标扫描仪），输出设备（显示器打印机绘图仪），其他设备（电源等）

按照冯诺依曼模型，分为运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备

• • 大型机使用的是循环水冷法降温。
  • 外存容量要比内存大得多，常用的有磁带、磁盘、U盘和光盘，用来永久存放的暂时不用的程序和数据。（我们院做到10次低格可以恢复数据）
  • 高速缓存：解决CPU和内存之间速度不匹配。Cache不一定容量越大越好。
  • 主板上也有缓存
  • 标准输入输出指的是键盘输入，显示器输出
  • CPU通过接口电路和I/O设备连接（也可称作适配器），可以处理数字量、开关量、脉冲量。有数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器。
  • 微机结构
    • 主板：决定协调运行的能力，芯片组对其性能起决定性作用。
    • 接口适配器，电源，CPU，硬盘，软盘驱动器
      • 软盘容量计算，80磁道*18扇区*512扇区字节*2面=1.44MB
      • 硬盘还要乘上柱面
      • CD把150KBps(DVD1358Kbps)作为一个标准，常见16X，32X等的光盘，如16X指的是21MBps，CD容量650MB+，DVD4GB+

软件

没有软件称作裸机。

• 系统软件：操作系统（Windows，Unix），编译系统（计算机只认识机器语言），数据库管理系统，系统服务程序
• 应用软件：专用、通用应用软件
  • 三大总线（数据总线DB，地址总线AB，控制总线CB），用于传输各种信息
  • 冯诺依曼原理主要结构不变，但如今有了一些变革，如指令流水线技术。（冯诺依曼结构框图）
    • 指令由操作码和地址码组成
    • 以运算器为中心