计算机基础知识
1、计算机的发展历史、发展趋势
1）查尔斯.巴贝奇（计算机之父，英国）：设计了差分机和分析机。
2）图灵（计算机科学的奠基人，英国）：建立图灵机（TM）的理论模型，奠定了计算机理论基础；提出了定义机器智能的图灵测试，奠定了人工智能的理论基础。
3）冯.诺依曼（计算机之父，美籍匈牙利）：冯.诺依曼计算机，有着存储程序的计算机成了现代计算机的重要标志。
4）第一台电子计算机（ENIAC）：美国，电子数值积分计算机，不能存储程序，使用十进制数，在机外用线路连接方法来编排程序，使用了电子管和电子线路大大提高了运算速度。
5）第一台具有内部存储程序功能的计算机（EDVAC）：电子离散变量自动计算机，二进制编码，存储器，硬件系统由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入设备、输出设备。
6）第一台实现内存储程序式的电子计算机（EDSAC）：电子延迟存储自动计算机
7）按电子计算机采用的主要物理元器件的不同，将电子计算机的发展分为四代
（1）第一代电子计算机（电子管计算机，主要用于数值计算）
主要电子元件：电子管。
特点：硬件方面：采用电子管为基本逻辑电路元件，主存储器采用延迟线或磁鼓（后采用磁芯），外存储器采用磁带存储器。
软件方面：采用机器语言，后采用汇编语言。
结构上以CPU为中心，以运算器为中心。
应用上仅限于军事和科学研究领域。
（2）第二代计算机（晶体管计算机）
主要电子元件：晶体管。
特点：硬件方面：采用晶体管为基本逻辑电路元件，主存储器采用磁芯存储器，外存储器采用磁鼓和磁带存储器。
软件方面：创立高级语言，提出多道程序设计、并行处理、可变微程序设计思想。
系统结构以存储器为中心。
（3）第三代电子计算机（集成电路计算机）
主要电子元件：集成电路。
特点：硬件方面：采用集成电路为基本逻辑电路元件，这个时期集成电路是小规模集成电路SSI和中规模集成电路MSI，主存储器从磁芯存储器逐步过渡到半导体存储器。
软件方面：高级程序设计，出现了操作系统和会话式语言。
（4）第四代电子计算机
主要电子元件：大规模集成电路。
计算机逻辑器采用大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI。
（5）第五代电子计算机
发展中的智能计算机。
8）未来计算机的发展趋势
（1）5种发展趋势：巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化。
（2）朝着非冯.诺依曼结构模式发展
创建新的程序语言
在计算机元件方面提出新设想
光子计算机：利用光子取代电子进行数据运算、存储、传输。
生物计算机（分子计算机）：采用了生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。
量子计算机：利用处于多现实态下的原子进行计算的计算机，多现实态是量子力学的标志。
9）计算机的分类
（1）按规模分类：巨型机（超级计算机）、小巨型机（桌面型超级计算机）、大型主机、小型机、工作站、个人计算机。
（2）按用途分类：通用机、专用机。
（3）按应用类型分类：科学计算、数据处理、电子商务、过程控制、多媒体技术、人工智能、CAD/CAM/CIMS。
10）计算机的特点：运算速度快、运算精度高、具有记忆能力、具有逻辑判断能力、存储程序
11）计算机应用模式的变迁
（1）单主机计算模式（终端+主机）
特征：单台计算机构成一个系统
应用方式：编程计算
应用领域：大型科学计算、大量数据处理、工程中的过程控制
（2）客户机/服务器计算模式
（3）网络计算模式
2、信息技术基本知识
1）信息与数据
（1）信息：对各种事物的变化和特征的反映，是事物之间相互作用和联系的表征。
（2）数据：信息的载体，数值、文字、语言、图形、图像等是数据的不同表现形式。
2）信息技术
（1）信息基础技术：信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。
（2）信息系统技术：指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统技术，包含信息获取、处理、传输、控制、存储技术。
（3）信息应用技术：针对各种使用目的而发展起来的技术群类。
3）信息化社会特征
（1）建立完善的信息基础设施
（2）采用先进的信息技术
（3）建立广泛的信息行业
（4）拥有高素质的信息人才
（5）构建良好的信息环境
3、计算机的应用领域及特点
（1）制造业：CAD、CAM、CIMS
（2）商业：零售业、电子商务
（3）银行和证券业：电子货币、ATM、网上银行、证券市场信息化
（4）交通运输业：交通监控系统、售票系统、全球卫星定位系统、地理信息系统
（5）办公自动化与电子政务
（6）教育：校园网、远程教育、CAI
（7）医学：医学专家系统、远程医疗系统
（8）科学研究：科技文献的存储与检索、科学计算、计算机仿真
（9）艺术与娱乐
4、计算机系统的基本理论
1）计算机系统的组成
（1）硬件系统：组成计算机系统的各种物理设备的总称。
CPU（运算器、控制器、寄存器：为了处理数据，暂时存储结果或间接寻址）---运算和控制中心
存储器（只读存储器ROM、随机存储器RAM）
输入设备
输出设备
（2）软件系统：为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据、文档的总称。
系统软件
应用软件
（3）硬化（固化）：软件实现的功能可以用硬件来实现。
（4）硬件软化：硬件实现的功能可以用软件来实现。
2）冯.诺依曼原理
五大部分通过系统总线完成指令传达的操作，当计算机接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存储，再由控制器将所需参加运算的数据传送到运算器，再由运算器进行处理，处理后的数据通过输出设备输出。
（1）运算器（算术逻辑单元ALU）
功能：算术运算、逻辑运算。
（2）控制器：由指令寄存器、指令译码器、时序电路、控制电路组成。
作用：控制整个计算机的各个部件有条不紊的工作。
功能：从内存取指令和执行指令。
（3）存储器（外存储器、内存储器）
地址：整个内存被分成若干个存储单元，为有效存储该单元所存储的内容，每个存储单元必须唯一的编号（地址）来标识。
位（bit）：存放一位二进制数即0或1，最小存储单位。
字节（byte）：8个二进制位为一个字节，常用的存储单位。
（4）指令：计算机能识别并执行的二进制代码，规定了计算机能完成的某个操作。
指令是计算机完成某个操作的依据。
指令系统：所有指令的集合，反映了计算机的基本功能。
程序：指令的有序集合。
计算机执行指令：第一阶段：将要执行的指令从内存取到CPU中-----取指周期。
第二阶段：CPU对取得的指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，向各部门发出该操作的控制信号，完成该指令的功能----执行周期。
5、数制及数据在计算机中的表示
1）在计算机内部，用来传送、存储的数据或指令都是以二进制码形式进行的。
优点：易于物理实现、二进制运算简单、机器可靠性高、通用性强。
2）进位计数制
基r数值（r称为该数制的基数）：使用r个基本符号表示数值。
权：数制中每一固定位置对应的单位值。
| 进位制 | 二进制 | 八进制 | 十进制 | 十六进制 |
| 规则 | 逢二进一 | 逢八进一 | 逢十进一 | 逢十六进一 |
| 基数 | r=2 | r=8 | r=10 | r=16 |
| 权 | 2i | 8i | 10i | 16i |
| 表示形式 | B/2 | O/8 | D/10 | H/16 |
3）十进制数转换成r进制数
整数部分转换成r进制数时，采用除r取余；小数部分转换成r进制数时，采用乘r取整。
4）二进制的逻辑运算
（1）逻辑变量取值：真假、对错、是非、有无
（2）一元运算：逻辑运算作用在1位上
逻辑非（NOT）：对位进行取反操作，0→1，1→0。
（3）二元运算：逻辑运算作用在2位上
逻辑与（AND）：当且仅当2位都是1时，结果为1，否则为0。
逻辑或（OR）：当且仅当2位都是0时，结果为0，否则为1。
逻辑异或（XOR）：当且仅当2位都相同时，结果为0，否则为1。
| x,y | NOT x | x AND y | x OR y | x XOR y |
| 0,0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0,1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1,0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1,1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
5）机器数：数值在计算机中的二进制表示形式
特点：符号位数值化：计算机内用最高位来表示数的符号，0表示正，1表示负。
例：+(0010010)→(00010010) -(0010010)→(10010010)
计算机中通常只表示整数或纯小数，所以小数点位置一般隐含在某个位置，不再占用1个数位。
计算机能处理的二进制位数受到计算机的限制，把计算机能表示的二进制位数称字长。
一台计算机的字长是固定的，决定了机器数的范围。
6）真值：带有符号位的机器数对应的数值。
7）无符号数：当计算机字长中所有二进制位都用来表示数值。
8）为简化计算机对机器数的算术运算，提高运算速度，出现的编码方法
（1）原码：最高位0表示正，1表示负，用[x]原表示。
[+1]原=00000001
[-1]原=10000001
[+0]原=00000000
[-0]原=10000000
[+127]原=01111111
[-127]原=11111111
（2）反码：正数的反码与原码相同，对于负数，符号位为1，数值位为x的绝对值按位取反，用[x]反表示。
[+1]反=00000001
[-1]反=11111110
[+0]反=00000000
[-0]反=11111111
[+127]反=01111111
[-127]反=10000000
（3）补码：正数的补码与原码相同，对于负数，符号位为1，数值位为x的反码加1，用[x]补表示。
[+1]补=00000001
[-1]补=11111111
[+0]补=00000000
[-0]补=00000000
[+127]补=01111111
[-127]补=1000001
[-128]补=10000000
9）定点数和浮点数
（1）定义：定点数：小数点隐含在某一固定位置上。
浮点数：小数点位置可以任意浮动。
（2）定点数表示法：定点整数也称纯整数，指小数点位置在机器数的最低位之后。
| 符号位 | 数值部分 | 小数点 |
定点小数也称纯小数，指小数点位置在机器数的符号位之后，有效值部分最高位之前。
| 符号位 | 小数点 | 数值部分 |
（3）浮点数表示法：浮点数由尾数和阶码两部分组成。
阶码即指数，阶码的位数决定数的范围。
尾数即有效小数位数，尾数的位数决定数的精度。
| 符号位 | 阶码 | 尾数 |
底数不在机器数中出现。
用来表示特别大或特别小的数。
任意二进制浮点数的表现形式：N=±d*2p
d---尾数，用定点小数表示
±---以数符表示，0或1
p---阶码，用定点数表示
为了规格化浮点数的表示，在IEEE754标准中规定，尾数用原码表示，最高数字位总是1，IEEE754标准将这个1缺省存储。
IEEE754规定了单精度浮点数用4字节存储，双精度浮点数用8字节存储。
单精度格式：阶码占8位，尾数占23位，符号位1位。
双精度格式：阶码占11位，尾数占52位，符号位1位。
特点：浮点数表示数值范围比定点数大
运算过程中及时对中间结果进行规格化处理，不易失去有效数字，提高运算精度。
所需硬件复杂，成本较高。
10）西文字符在计算机中的表示
西文字符编码方式：ASCⅡ（用7个二进制位来表示128个符号），ANSI（用8个二进制位来表示256个符号），EBCDIC，Unicode
11）中文字符在计算机中的表示
（1）输入码（外码）：与某种汉字编码方案相应的汉字代码。
（2）GB2312-80：国家标准汉字交换码（国标码），所规定的内码作为统一标准。
所有汉字与符号分配在一个94行94列表格中，每一行称一个区，每一列称一个位，区号和位号4个阿拉伯数字为区位码（前区后位）。
（3）机内码：在计算机中表示一个汉字的编码，表示一个汉字需要占两个字节，分别称为高位字节和低位字节。
高位字节=区码+20H+80H（高位字节=区码+A0H）---H表示前两位数字为十六进制数
低位字节=位码+20H+80H（低位字节=位码+A0H）
机内码=区位码+A0A0H
（4）汉字字形码
点阵式汉字：将汉字字符的字形分解成若干点组成的点阵，点阵中每个点可以有黑白两种颜色，有字形的点用黑色（二进制1），反之，用白色（二进制0）。
矢量字库：汉字的矢量表示法将汉字看作是由笔画组成的图形。
