第一章计算机基础知识

第一章:计算机基础知识

信息与信息技术

• 信息与数据

  • 信息是在自然界、人类社会和人类思维活动中普遍存在的一切物质和事物的属性
  • 数据:是指存储在某种媒体上可以加以鉴别的符号资料,数据是信息的具体表现形式,是信息的载体,信息的符号化就是数据.信息是对数据进行加工得到的结果,他可以影响到人们的行为,决策,或对客观事物的认知

• 信息社会也称信息化社会,是继工业化社会以后,以信息活动为社会发展的基本活动的新型社会形态

• 信息技术是指人们获取、存储、传递、处理、开发和利用信息资源的相关技术

计算机技术概论

• 计算机的起源与发展

  • 计算机起源:1946年2月在美国的宾夕法尼亚大学投入运行的ENIAC(十进制)

  1	最先实现存储的电子计算机是Edvac

  • 计算机的发展:根据计算机采用的元器件的不同,将发展分为四代p3

    • 第一代:1946~1956电子管,机器语言、汇编语言,军事领域、科学计算
    • 第二代:1956~1964晶体管,高级语言,数据处理、工业控制
    • 第三代:1964~1971中小规模集成电路,操作系统、会话式语言,文字处理、图形处理
    • 第四代:1971~至今大规模、超大规模集成电路,数据库计算机网络,社会各个方面

  • 计算机思想:英国数学家查尔斯·巴贝奇最先提出通用数字计算机的基本设计思想,在设计一种基于计算自动化的程序控制的分析机时提出了几乎是完整的计算机设计方案,被称为”计算机之父”

• 计算机的特点及分类

  • 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
    • 工作自动化
    • 通用性强

  • 分类

    • 处理对象

      • 模拟计算机
      • 数字计算机
      • 混合计算机

    • 规模

      • 巨型机(重点)
      • 微型机(重点)
      • 大型机
      • 小型机
      • 微型机
      • 工作站

    • 用途

      • 专用计算机
      • 通用计算机

  • 应用领域

    • 科学计算
    • 数据处理

  • 计算机辅助系统

    • 计算机辅助设计(CAD)

    • 计算机辅助制造(CAM)

    • 计算机辅助测试(CAT)

    • 计算机辅助教育(CBE)

      • 计算机辅助教学(CAI)
      • 计算机管理教学(CMI)

    • 计算机集成制造系统(CIMS)

计算机中信息的表示

• 在计算机中,不管是什么样的数据都用二进制编码形式表示和处理

• 数制:用进位的原则进行计数称为进位计数制,又称进制

• 基数:数码是一组用来表示某种数值的符号,数制所使用的数码个数就称为”基数”或”基”

• 位权:数码在不同位置上的权值称为位权

• 常用进位计数制

  • 十进制(D),逢十进一,借一当十数码:0-9
  • 二进制(B),逢二进一,借一当二数码:0-1
  • 八进制(O),逢八进一,借一当八数码:0-7
  • 十六进制(H),逢十六进一,借一当十六数码:0-9A-F

• 进制转换

  • R进制(二进制、八进制、十六进制)转10进制

    • 标指数
    • 按权展
    • 和相加

  • 十进制转二进制

    • 整数除二取余法,余数倒排
    • 小数乘2法,乘积的整数部分正排

  • 二进制转八进制,一组三个,421法

  • 二进制转十六进制一组四个,8421法

• 二进制运算和规则

  • 末地址-首地址+1=存储单元数量

  • 算数运算规则

    • 加法规则

      • 0+0=0
      • 0+1=1
      • 1+0=1
      • 1+1=10

    • 减法规则

      • 0-0=0
      • 10-1=1
      • 1-0=0
      • 1-1=0

    • 乘法规则

      • 0*0=0
      • 0*1=0
      • 1*0=0
      • 1*1=1

    • 除法规则

      • 0/1=0
      • 1/1=1

    • 百分号运算%

    • 幂运算^

  • 逻辑运算规则

    • 逻辑与(AND)都为1取1,否则为0
    • 逻辑或(OR)都为1取1,否则为0
    • 逻辑非运算(NOT),0变1,1变0
    • 逻辑异或(XOR)一个为0一个为1时,结果为1,其他为0

  • 信息存储单位

    • 位是计算机存储信息的最小单位(Bit,b)
    • 字节是计算机中用来表示存储空间大小的最基本单位(Byte,B)
      • 1KB=2^10^B=1024B
      • 1MB=2^20^B=1024KB
      • 1GB=2^30^B=1024MB
      • 1TB=2^40^B=1024GB
    • 字通常取字节的整倍数,是计算机进行数据存储和处理的运算单位

  • 数值的表示

    • BCD码:十进制数的每一位用二进制(4位)代码表示,这种编码方法简称BCD码又称8421法

    • 机器数:就是将十进制数值的符号,最高位用0(正),1(负)表示

      1	例(-1)=二进制:1(最高位)000 0001

    • 真值:就是带+-(正负号)

      1 2	将最高位1写成了负号,这就是真值的书写形式 真值:-000 00001或(-1)

    • 机器数的表现形式:原码、补码、反码、移码

      • 原码:符号位加上真值的绝对值,即用最高位表示符号,余位表示值0为正,1为负

        1 2 3

        (1) = 0 000 0001 (-1) = 1 000 0001 符号位 数值位

      • 反码:正数的反码是其本身,负数的反码是在其源码的基础上,符号位不变,其余各位取反

        1 2 3 4 5 6

        1-1 = 1 + (-1) [0000 0001](原码) [1000 0001](原码) [0000 0001](反码:正数不变) [1111 1110](负数数值位取反) =[1111 1111](反码+反码=反码) =[1000 0000](将其转换为原码) =-0(真值)

        

      • 补码:正数的补码就是其本身,负数的补码是在其反码的基础上符号位不变,其余各位取反,最后一位+1(即在反码的基础上最后一位+1)

        1 2	补码=反码+1 -1反码:[1111 1110]+1=[1111 1111]补码

      • 移码:又称增码或偏码,常用于表示浮点数中的阶码移码=补码符号位取反

        1	如:(-1)(真值)=[1111 1111](-1补码)--->(符号位取反)[0111 1111](移码)

  • 信息的编码

    • ASCII码又称西文字符

      • 标准的ASCII码采用7位二进制编码,因此一个字符在计算机内实际使用一个字节8位表示
      • A:65,a:97,0:48,空格:32.空格<数字<大写<小写,十进制大小相差32,十六进制大小相差20H
      • 在ASCII码中控制符号的字符是无法打印或显示出来的
      • 正常情况下,最高位为0在需要奇偶校验时,这一位可用于存放奇偶校验的值,此时称这一位为校验位

    • 汉字编码

      • 汉字交换码:又称国标码汉字编码的国家标准,代号为GB2312-80(80为1980年颁布的)

      1	一个汉字占两个字节,最高位均为0

      • GBK:国标扩展码

      • 汉字机内码:汉字被计算机系统内部处理和存储而是用的编码,一个国标码占两个字节,一个汉字占两个字节

        1 2 3 4

        一个汉字的机内码两个字节的最高位均为1 机内码=是将国标码的最高位0变成1,其他位不变 00101101 01001011 10101101 11001011

      • 汉字区位码(唯一无重码的输入码):为了方便查询和使用.把国标码排列在一张94行(区)94列(位)的二维表中

        1	区位码+2020H--->国标码+8080H--->机内码(十六进制)

        • 如果机内码反求区位码,切记,一定要转换为十进制

        1 2 3 4 5 6 7 8 9

        区位码:最早的汉字编码,解决汉字的编排问题 区码为行(01-94),位码位列(01-94) 高位为区码,低位为位码 例"啊"高位就是16,低位是01 区位码转换成十六进制区位码 1601(4位十进制数组成一个区位码) 16D=10H 01D=01H =1001H(区位码)

        

      • 汉字字形码又称汉字字模,用于在显示屏显示或打印机输出,表示方式:点阵和矢量

      1	存储空间字节数的计算方法:行点数*列点数/8

计算机系统

• 计算机工作原理

指令是指示计算机执行某种操作的命令,他由一串二进制数码组成,这串二进制数码包括操作码和地址码,所有指令的集合称为计算机指令系统

• “存储程序”原理

“存储程序”原理又称冯·诺伊曼原理,其基本思想是存储程序与程序控制

计算机硬件系统

• 硬件指的是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备
• 裸机:未配置任何软件的计算机
• 主机是由内存储器和CPU构成的
• 中央处理器(CPU)

控制器和运算器合称为中央处理器(CPU),时间:1971年.他是计算机的核心部件(硬件),有了CPU后才有了微机

• 运算器由算术逻辑单元(ALU)和寄存器等组成,主要对二进制进行算术运算和逻辑运算

• 控制器是整个计算机系统的控制中心

• 内存储器简称内存又称主存储器
  内存是CPU可直接访问的存储器

  • 只读存储器(ROM)常用于存放固定>的程序和数据,并且断电后仍能长期保存,一般存放系统的基本输入输出系统(BIOS)

  • 随机存储器(RAM)CPU可以从RAM中既可读出信息又可写入信息,但断电后所存的信息就会丢失,微机中的内存一般指随机存储器(RAM)

    • 静态随机存储器(SRAM),状态稳定,速度快,不需要刷新,不断电不会丢失数据(适合用作Cache的存储器芯片)
    • 动态随机存储器(DRAM),数据易丢失需定时刷新

• 同步动态随机存储器(SDRAM)

• 高速缓冲存储器(Cache)断电消失是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片,是CPU和RAM之间的桥梁,用于解决他们之间的速度冲突问题

• 互补金属氧化物半导体(CMOS)集成在PCH芯片内部的RAM中,掉电丢失数据,用于保存BIOS的配置信息
  CMOS与BIOS的区别:CMOS RAM是系统参数存放的地方,BIOS中系统程序设置程序是完成参数设置的方式(手段)

• 基本输入输出系统(BIOS)是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序,它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序,它可从CMOS中读写系统设置的具体信息.

  • 内存是CPU可直接访问的存储器

• 微处理器包括若干个寄存器,寄存器可用来暂存指令、数据和地址

• 存储器分类

  • 外存储器简称外存又称辅助存储器

    • 外存不能和CPU直接交换数据

      • CD-RW:可重复录写光盘
      • CD-R:一次写入永久读
      • CD-ROW:只读
      • 软盘,磁性物质,容量1.44MB,写保护只读不写

• 输入输出设备

  • 外存和输入输出设备构成了计算机的外部设备(外设)

计算机软件系统

• 计算机是通过执行程序所规定的各种指令来处理数据的

• 软件是指使计算机运行所需的程序、数据和有关文档的总和

• 程序:解决某一具体问题的指令序列

• 系统软件是管理、监控和维护计算机资源(包括硬件和软件)、开发应用软件的软件

  • 操作系统
  • 语言处理程序
  • 系统支撑和服务程序
  • 数据库管理系统

• 应用软件是为了解决计算机各类应用问题而编写的软件

• 程序设计语言机器语言与汇编语言统称为低级语言

  • 第一代:机器语言,是机器唯一能够直接执行的语言

  • 第二代:汇编语言,采用一定的助记符来代替机器语言中的指令和数据

  • 第三代:高级语言

    常见的高级程序设计语言:FORTRAIN,BASIC,PASCAL,C,C#,JAVA,Python

    • 编译:将高级语言所编写的源程序翻译成等价的用机器语言表示的目标程序
    • 解释:解释程序对源程序是一边翻译、一边执行,不产生目标程序

• 算法

  算法是指解题方案的准确而完整的描述,是一系列解决问题的清晰指令,算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制.也就是说,能够对一定规范的输入,在有限的时间内获得所要求的输出.如果一个算法有缺陷,或不适合与某个问题,执行这个算法将不会解决这个问题.不同的算法可能用不同的世界、空间或效率来完成同样的任务.一个算法的优劣可以利用空间复杂度和时间复杂度来衡量

  • 五大特性

    • 输入:在算法中可以有零个或者多个输入
    • 输出:在算法中至少有一个或者多个输出
    • 有穷行:在执行有限的步骤之后,自动结束不会出现无限循环并且每一个步骤在可接受的时间内完成
    • 确定性:算法的每一个步骤都具有确定的含义,不会出现二义性
    • 可行性:算法的每一步都必须是可行的,也就是说,每一步都能够通过执行有限的次数完成

  • 指令

    算法中的指令描述的是一个计算,当其运行时能从一个初始状态和(可能为空的)初始输入开始,经过一系列有限而清晰定义的状态,最终产生输出并停止于一个状态.一个状态到另一个状态的转移不一定是确定的.随机化算法在内的一些算法,包含了一些随机输入

• 数据结构

  • 线性结构/线性表—>两种特殊的线性表

    • 堆栈/栈:FILO(先进后出)
    • 队列:FIFO(先进先出)

  • 树/层次

  • 物理数据结构

    • 顺序结构
    • 链接结构

微型计算机

• 微型计算机的主要性能指标

  • 主频即时钟频率,是指计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数,单位是赫兹(Hz)字长越长主频越高速度越快
  • 字:CPU一次存取加工和传送的数据称为一个字
  • 字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数,字长越长,计算精度越高
  • 内核数指CPU内执行指令的运算器和控制器的数量,多核是多个运算器
  • 内存容量是指内存储器中能存储信息的总字节数
  • 运算速度其单位由MIPS(每秒10的6次方条指令百万级别)和BIPS(每秒10的9次方条指令十亿级别)存取周期越短速度越快

• 总线(BUS)是计算机各功能部件之间传送信息的公共通信干线

  • 数据总线:传输数据,数据总线的宽度决定了字长
  • 地址总线:数据地址,地址总线决定了可寻址的内存容量,一根地址线代表一个位(bit)几位宽度的地址总线可寻址的范围是2的n次方地址单元

• 通用串行总线(USB总线)连接简单快捷、热插拔、成本低、速度快、外设供电、设备数量多(串口理论可以连接127个设备)

新一代信息技术

• 云计算

  • 概念:一种按照使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络,服务器,存储,应用软件,服务等),这些资源能够给被快速提供,只需要投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互

  • 特点

    • 按需服务
    • 极其廉价
    • 规模大
    • 虚拟化
    • 可靠性高
    • 通用性强
    • 可伸缩性(可扩展性)

  • 服务模式

    • 基础架构即服务(IaaS)将云计算机的内存、I/O设备、存储、计算能力整合成一个虚拟的资源池,为用户提供所需的存储资源和虚拟化服务器等服务例如:云存储,云主机,云服务器,位于云计算服务的最底端
    • 平台即服务(Paas)将软件研发的平台作为一种服务,例如:云数据库,位于云计算服务的中间
    • 软件即服务(SaaS)指通过互联网就直接能够使用软件应用,不需要本地安装例如:阿里云的短信服务,邮件推送,是最常见的云计算服务,位于云计算服务的顶端

  • 部署模型

    • 公有云:对公众开放的云服务,目前最为主流和受欢迎的云计算部署模式.
    • 私有云:组织结构建设的仅供自己使用的云平台,不对公众提供服务.
    • 混合云:由私有云和公有云混合组成,使用混合云计算模式,机构可以在公有云上运行非核心的应用程序,在私有云上支持其核心程序以及内部敏感数据.

  • 关键技术

    • 数据中心相关技术:数据中心相当于云计算的大脑.在这个系统中占有核心地位,其稳定运转对整个系统的意义不言而喻.
    • 虚拟化技术:虚拟化技术具有资源分享、定制以及细粒度资源管理的特点虚拟机快速部署技术和虚拟化在线迁移技术是它的两项关键技术.
    • 海量数据存储与处理技术:海量数裾的存储和处理是云计算的关键能力,需要考虑系统的I/O性能等技术参数.
    • 资源管理与调度技术:云计算平台有庞大的数据交互、海量的数据存储和处理.这给平台的资源管理和调度带来了巨大的挑战.
    • 服务质量保证机制:确保服务的高可靠.
    • 安全与隐私保护技术:用户将数据存在在云计算平台上,如何保证用户数据的安全隔离,保证用户敏感数据的安全性是云计算需要考虑的问题.

• 大数据

  • 概念:一种规模大到,在获取、存储、管理、分析等方面,都远远超出了传统数据库软件等工具的能力范围的数据集合,具有海量的数据规模、快速的数据流转,多样的数据类型和价值密度低等四大特征.

  • 大数据的特征可以用4个V来总结

    • 数据量巨大(Volume)
    • 数据类型繁多(Variety)
    • 处理速度快(Velocity)
    • 价值密度低(Value)

  • 大数据处理技术基础

    大数据是技术的合集

    • 数据产生技术
    • 数据获取与存储技术
    • 数据处理技术
    • 数据呈现技术

  • 数据处理的思维和方法的特点

    • 不是抽样统计,而是面向全体样本
    • 允许不精确和混杂性
    • 不是因果关系,而是相互关系

  • 大数据计算模式

    • 批处理计算:针对大规模数据的批量处理
    • 流计算:针对流数据的实时计算
    • 图计算:针对大规模图结构数据处理
    • 查询分析计算:大规模数据的存储管理和查询分析

• 物联网

  • 物物相连的互联网,即物联网

  • 物联网的关键技术

    • RFID技术
    • 传感技术
    • 嵌入式技术
    • 位置服务技术
    • IPv6技术

  • 物联网四大支撑技术

    • RFID
    • 传感网
    • M2M:基于移动端的移动互联网模式
    • 两化融合

  • 物联网典型体系架构

    • 感知层
    • 网络层
    • 应用层

  • 物联网的应用

    • 智能家居
    • 智能交通
    • 智能医疗
    • 智能物流等

• 人工智能

  • 它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学

  • 人工智能应用领域

    • 智能机器人

    • 模式识别系统

      • 染色体识别
      • 图形识别
      • 图像识别
      • 语音识别
      • 机器人视觉识别

    • 自然语言处理程序

    • 智能检索系统

• 区块链

  • 区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式

    • 区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式结构

  • 基础技术

    • 哈希运算(hash)(sha-256单向加密)
    • 数字签名
    • P2P网络
    • 共识算法
    • 智能合约

  • 特性

    • 透明可信
    • 防篡改可追溯
    • 去信任
    • 系统高可靠
    • 去中心化
    • 匿名性
    • 开放共识

  • 分类

    • 共有链
    • 私有链
    • 联盟链

  • 应用领域

    • 数字金融
    • 物流
    • 数字版权
    • 数字货币

• 虚拟现实

  • 虚拟现实( Virtual Reality,简称VR)又称作虚拟环境,是一种利用计算机模拟产生的一个虚拟的三维世界,为用户提供关于视觉、触觉、嗅觉等感官的模拟,使用户可以即时地感知虚拟世界并与之交互.

  • 特征

    • 沉浸式
    • 交互式
    • 构想性
    • 多感知性

  • 关键技术

    • 环境建模技术
    • 立体声合成和立体显示技术
    • 触觉反馈技术
    • 交互技术

  • 典型应用

    • 教育应用
    • 工程设计领域
    • 医学领域
    • 影视娱乐
    • 军事领域
    • 商业领域

  • 其他相关技术

    • 增强现实

许可协议

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