初赛可能会用到的计算机基础理论知识整理

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计算机基础知识

1.1 计算机概述 

    1. 电子计算机的发展

世界上第一台名为ENIAC的数字电子计算机于1946年诞生在美国宾夕法尼亚大学, 在半个世纪的飞速发展过程中经历了4个时代。

计算机

第一代

第二代

第三代

第四代

特 征

采用电子管作为计算机的逻辑元件,运算速度每秒仅几千次,内存容量仅几KB 。

采用晶体管作为计算机的逻辑元件,运算速度每秒达几十万次,内存容量扩大到几十KB。

采用集成电路作为计算机的逻辑元件,运算速度每秒达几十万至几百万次 。

采用大规模和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元件,运算速度每秒达几千万至十万亿次 。

时 间

1946-1958

1958-1964

1964-1970

1971年至今

代表机型

IBM 650、IBM709

IBM7094、CDC7600

IBM360

 

应 用

仅限于军事和科研中的科学计算;用机器语言或汇编语言编写程序。

由科学计算扩展到数据处理和自动控制;出现了FORTRAN等高级语言。

开始广泛应用于各个领域;高级语言有了很大发展,并出现了操作系统和会话式语言。

应用范围已渗透到各行各业,并进入了以网络为特征的时代;操作系统不断完善,应用软件已成为现代工业的一部分。

 

2.微型计算机的发展


1971
年由美国Intel公司的工程师马西安·霍夫(M·E·Hoff)设计了世界上第一台名为MCS-4的4位微型计算机。该机是由一片4位微处理器Intel 4004 、一片320位(40字节)的随机存取存储器、一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器通过总线连接起来的。

微处理器

    第一代

     (8位) 

第二代

(8位) 

第三代

(16位)

第四代

(32位)

时 间

1972年

1973年

1978年

1985年

1993年

1995年

1997年

1999年

代表产品

Intel 8008

Intel 8085

Intel 8086

Intel 80386

Pentium

Pentium Pro

Pentium Ⅱ

Pentium Ⅲ 

 

 

 

 

 

 

3.计算机的分类

 

巨型计算机

可用作系统的服务器

小巨型机

大型机

可用作部门的服务器

小型计算机

工作站

可用作客户机

个人计算机

4.计算机的应用

(1) 科学计算

如:计算量大、数值变化范围大的天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中的复杂运算。

(2) 数据处理

是计算机应用的一个重要方面,如:办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等非数值计算的领域。

(3) 过程控制

如:冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等现代工业生产过程中的自动化控制。

(4) 计算机辅助系统

计算机辅助设计 CAD:如飞机、船舶、建筑、机械、大规模集成电路等的设计。

计算机辅助制造 CAM:用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。

计算机辅助教育 CBE:如计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试 CAT、计算机管理教学 CMI

(5) 人工智能 AI

是计算机应用研究的前沿学科。

(6) 信息高速公路(此即 “国家信息基础设施” NII 的俗称)

我国已建立的大型计算机应用工程 "金"字工程:

金桥工程(全国经济信息网)

金卡工程(金融信息网)

金关工程(外贸海关信息网)

金智工程(教育科研信息网)

(7)电子商务

利用国际互联网Internet 进行网上商务活动,始于1996年,现已发展迅速,全球已有许多企业先后开展了“电子商务”活动。

 

1.2 信息在计算机内的表示 

1. 基本概念

据:是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式,这种特殊的表达形式可以用人工的方式或用自动化的装置进行通信、翻译转换或者进行加工处理。它包括数字、文字、图画、声音、活动图象等。

数据处理 是对数据进行加工、转换、存储、合并、分类、排序与计算的过程。

是对人有用的数据。

是承载信息的载体。包括:感觉媒体、表示媒体、存储媒体、表现媒体、传输媒体。

2. 数制

1) 计算机中常用的几种进制一览表

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

数符

0,1

0,1,…,7

0,1,…,9

0,1,…,9,A,B,C,D,E,F

2i 

8i 

10i 

16i 

形式表示

B

O

D

H

2) 不同进制之间的转换

转换方式

示例

二进制 十进制 

 

八进制  十进制 

十六进制  十进制 

十进制 二进制 

(117.625)D=(1110101.101)B 

整数部分 “除以2取余法” + 小数部分 “乘以2取整法”

十进制 八进制 

(193.12)D≈(301.075)O

整数部分 “除以8取余法” + 小数部分 “乘以8取整法”

十进制 十六进制 

(222.6875)D=(DE.B)H

整数部分 “除以16取余法” + 小数部分 “乘以`16取整法”

八进制 二进制 

(16.3)O=(001 110 . 011)B=(1110.011)B 

十六进制 二进制 

(4C.2)H=(0100 1100 . 0010)B=(1001100.001)B 

二进制 八进制 

(11101.01)B =(011 101 . 010)B=(35.2)O 

二进制 十六进制 

(11101.01)B =(0001 1101 . 0100)B= (1D.4)H 

(3) 计算机中采用二进制码的原因

·二进制码在物理上最容易实现

·二进制数的编码、记数、加减运算规则简单

·二进制码的两个符号“1” 和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否” 相对应,便于计算机实现逻辑运算。

4)二进制数的运算

运算规则一览表

加法

减法

乘法

除法

”运算

”运算

异或”运算

0+0=0

0-0=0

0x0=0

与十进制除法类似

按位进行运算; 两位均为1时, 其结果为1;否则为0 。

运算用符号·表示。

按位进行运算;两位中有一位为1时, 其结果为1;两位均为0时,结果为0 。运算用符号+ 表示。

按位进行异运算;两位不相同时,其结果为1;两位均为0时,结果为0 。

异或运算用符号 ○ 表示。

0+1=1

1-0=1

0x1=0

1+1=10

有进位

1-1=0

1x0=0

1+1+1=11

有进位

0-1=1 有借位

1x1=1

5) 计算机中带符号数的表示

计算机中规定一个数的最高位代表符号,该位为0表示,该为为 1表示

例: 00110100 代表 +52 被称作机器数

10110100 代表 -52

而: +0110100 代表十进制数 +52 被称作机器数的真值,

-0110100 代表十进制数 -52

                        机器数的三种表示法

 

原码

反码

补码

正数表示法 

符号位用0表示

[X]=[X] 

[X]=[X] 

负数表示法 

符号位用1表示

符号位不变,其余各位按位取反

[X]=[X]+1

注意:1 加在最低位上

0表示法

X=+0 [X]=0 0000000

X=-0 [X] 原=1 0000000

X=+0 [X]=00000000

X=-0 [X]=11111111

X=+0 [+0]=00000000

X=-0 [-0]=00000000

引进补码的目的

在二进制的算术运算中,乘法采用加法和移位来完成,除法采用减法和移位来完成。

而在计算机中为节省设备,只设加法器,故引进补码运算来将减法运算转换成加法运算。

计算机中,凡是涉及带符号数都一定是用补码表示的,运算的结果也用补码表示。

6)二进制数的表示范围

 

8位二进制数

16位二进制数

无符号数

0~255 (0 ~FFH)

0~65535 (0 ~FFFFH)

有符号数

(补码)

最大

01111111B → +127 

7FFFH → +32767 

最小

10000000B → -128 

8000H → -32767 

一个0

00000000B → 0 

0000H → 0 

3. 常用的信息编码

二进制编码的由来 由于计算机需要处理各种数据,而它只能识别二进制数,故对字符要用若干位二进制码来表示。

1)二 - 十进制码,又称BCD (二进制编码的十进制)

定义: 用二进制编码来表示十进制数的编码。

特点 保留了十进制的权,而数字用0和1的组合来表示。

最常用的BCD码 是8421码。

8421码:用4位二进制数来表示1位十进制数,且逢十进位。

如:(0110)BCD =(6)D  0001 0101)BCD =(15)D 

命名由来:因4位二进制数中从左至右的各位的权分别为:23=8,22=4,21=2,20=1, 即权重依次为8,4,2,1, 故被称为 8421 BCD码。

注意不能与二进制数混淆起来。

例: 0100 0111)BCD =(47)D 01000111)B =(71)D 

2) 美国标准信息交换码 ASCII

ASCII码是目前计算机中用得最普遍的字符编码。每个字符用7位二进制编码表示,在计算机中用一个字节(8位)来表示一个ASCII码,其第8位除在传输中作奇偶校验用外,一般保持为0。

ASCII码是由128个字符组成的字符集, 其中编码值0~31(0000000~0011111)不对应任何可印刷字符,常称为控制符,用于计算机中的通信控制或对计算机设备的功能控制;编码值32(0100000)是空格字符SP;编码值127(1111111)是删除控制DEL;其余94个字符称为可印刷字符。

3)汉字的编码

数字编码 用一串数字表示一个汉字的输入。常用的有国标区位码(GB3212-80),它将6763个两级汉字分成94个区,每个区94

输入码 位,区码和位码各两位十进制数字,即每个汉字用4位数字表示。

拼音码 以汉语读音为基础的输入方法。如:全拼、双拼

字形编码 以汉字的形状确定的编码。如:五笔字形、表形码

内部码:在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。一般用两个字节(2个8位码)来存放一个汉字机内码,且最高位均为1WIN95中现采用中西文统一编码“Unicode”(2字节编码),支持2万多汉字,我国确定为GB13000。为兼容GB2312,又推出了“国标汉字扩充码”GBK。

字形码:用点阵、矢量函数等方式表示的汉字字形的字模码。由于一个16×16点阵的汉字就要占用32个字节,故字模点阵只能用来构成字库,而不能用于机内存储。

各种代码之间的关系

   

 

 

1.3 计算机系统 

1. 计算机系统的组成

   

 

2. 计算机的基本结构

·诺依曼(美籍匈牙利数学家)对计算机结构提出的设计思想:

(1)计算机应由五个基本部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备;

(2) 采用存储程序的方式,程序和数据存放在同一个存储器中;

(3) 指令在存储器中按执行顺序存放,由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址,一般按顺序递增,但可按运算结果或外界条件而改变;

(4) 机器以运算器为中心,输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

  

  

 

 

由上图可以看出,微机与通用计算机没有本质上的差别,但微机广泛采用了集成度相当高的器件和部件(如:将算术逻辑单元和控制器集成在一个单片上,形成微处理器),并采用了独特的总线结构,任何一个部件只要符合总线标准,就可以挂到采用这种总线标准的系统中去。

3. 计算机工作原理

计算机的工作过程其实就是一个执行指令和程序的过程。

指令的执行过程:第一阶段,计算机将要执行的指令从内存取到CPU,此阶段称之为取指周期;第二阶段,CPU对取入的指令进行分析译码,判断该指令要完成的操作,然后向各部件发出完成该操作的控制信号,完成该指令的功能,此阶段称之为执行周期。

程序的执行过程:就是逐条执行指令的过程。取指令→执行指令→取指令→执行指令……

令:就是让计算机完成某个操作所发出的命令,是计算机完成某个操作的依据。它包括操作码和操作数两部分。

操作码:指明该指令要完成的操作。

操作数:是指参加运算的数或者数所在的单元地址。

指令的分类:包括: 数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、位与位串操作指令、控制转移指令、输入/输出指令、其他指令。

指令系统:指一台计算机的所有指令的集合。不同的计算机其指令系统不一定相同。

序:是由一系列指令构成的有序集合。

4. 计算机的硬件系统

计算机硬件主要由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备和总线等组成。其中:中央处理器、主存储器和总线构成“主机” , 辅助存储器和输入/输出设备构成“外设”。

微机的主机箱内主要有下列部件:

(1) 系统主板 是一块集成电路板,是微机最主要的部件,它包括微处理器模块、内存模块、基本I/O接口、中断控制器、DMA(直接存取存储器)控制器及连接其他部件的总线。

微处理器 CPU :是微机的核心部件,控制计算机的各项工作。

Pentium 处理器主要由执行单元、指令预取部件、指令译码部件、地址转换与管理部件、指令快存(cache)和数据快存(cache)、总线接口部件和控制器等组成。其核心是执行单元(即运算器),它的任务是高速完成各种算术和逻辑运算。

主(内)存储器 用来存放要执行的程序和要使用的数据。系统板上的主存一般都采用 DRAM

目前微机中的半导体存储器主要有三种类型:

动态随机存取存储器DRAM

一般由MOS型电路构成,其中的信息是以电荷形式保存在小电容器(属于无源器件),由于电容器放电,超过一定时间其中的信息就会丢失,需用外部支持逻辑电路来刷新。存放在其中的信息断电后丢失。其特点是:与CPU的接口较SRAM复杂,但功耗低,集成度高,成本低。

静态随机存取存储器SRAM

通过一个双稳态电路来保存其中的信息,只要电源不断,其中的信息就不会丢失,其特点是:与CPU接口简单,使用方便,速度快,但功耗大,成本高。

只读存储器 ROM

存放在其中的信息断电后不丢失,但不可以随便修改。用来存放基本输入/输出系统BIOS(Bios是一组机器语言程序,负责对计算机进行加电后自动检测)。

ROM分类

掩膜 ROM:其中信息由厂家写入,只能读出不能改变。

可编程ROM(PROM):由用户编程写信息,但只能写一次。

用光擦除的可编程ROM(EPROM):可用紫外线照射来重复擦写全部内容。

用电擦除的可编程ROM(EEPROM):通过加擦除电压来重复擦写,可以全部也可以以字节为单位进行擦除和改写。

CMOS存储器: 用来存放用户对计算机的配置参数。存放在其中的信息可以在计算机开机时进行修改,关机后可保持设置不变。其中的信息要依靠小电池来维持,电池放电后,会使其中的信息全部丢失。

I/O总线: 包括传送数据信号的数据总线DB(是双向的)、传送地址信号的地址总线AB(是单向的)、传送控制信号的控制总线CB 。常用的有PCI(外围设备接口)总线、 ISA(工业标准体系结构)总线、EISA(扩展的工业标准体系结构)总线.

通用串行总线(USB):可以连接几乎所有外部设备。

输入/输出接口电路:并行接口、 串行接口、软盘接口、IDE(智能设备电子接口)硬盘接口、键盘接口 

中断控制器、DMA控制器

2) 硬盘驱动器

3) 软盘驱动器

4) 光盘驱动器

5) 电源

6) 显示卡

7) 其他卡(声卡、视卡、网卡、…)

计算机常用的外部设备有:

1) 输出设备:

显示器:常见的有单色CRT(阴极射线管)显示器、彩色CRT显示器、平板显示器。

主要技术指标是:分辨率、彩色数目、屏幕尺寸

打印机:常见的有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机

绘图仪:常见的有平板式绘图仪 、滚筒式绘图仪

音箱

2) 输入设备:

鼠标: 常见的有机械式、光电式和光机式三类鼠标。笔记本电脑上用跟踪球代替鼠标。

键盘: 常见的有101键盘、 104键盘。

扫描仪:常见的有手持式扫描仪、平板式扫描仪。

其他输入设备:数字化仪、条形码读入器、磁卡阅读机、话筒、摄象机等

3)计算机通讯设备 —— 调制解调器(Modem):

Internet 中,微机之间常通过电话线来传送数据,通过电话线传送的信号是模拟信号,而计算机中的信号是数字信号,Modem的作用就是实现这两种信号的转换。

调制:将数字信号转换成模拟信号的过程

解调:将模拟信号转换成数字信号的过程

Modem有外置式、内置式、PC卡式(是专为笔记本电脑设计的)三种。

3. 计算机软件系统

软件:是利用计算机本身提供的逻辑功能,合理地组织计算机的工作,简化或代替人们在使用计算机过程中的各个环节,提供给用户的一个便于掌握操作的工作环境。

不论是支持计算机工作还是支持用户应用的程序都是软件。

1) 计算机软件的发展

机器语言  汇编语言 高级语言 操作系统  网络软件 数据库软件

2)软件分类与简介

几个基本概念:

系统软件:指那些为整个计算机系统所配置的、不依耐于特定应用的通用软件。系统软件可供所有用户使用。

应用软件:指用于解决各种不同具体应用问题的专门软件。它包括定制软件(特定用户使用)和通用应用软件。

裸机:没装任何软件的计算机

虚拟计算机:具有操作系统的计算机

计算机软件

系统软件

操作系统

DOS : 是基于字符界面的单用户单任务的操作系统 

Windows: 是基于图形界面的单用户多任务的操作系统 

UNIX: 是一个通用的交互式的分时操作系统,用于各种计算机 

NetWare: 是基于文件服务和目录服务的网络操作系统 

Windows NT: 是基于图形界面32位多任务、对等的网络操作系统 

语言处理程序

机器语言:计算机能直接执行的、由一串“0”或“1”所组成的二进制程序或指令代码。 是一种低级语言

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