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
- 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
数 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。
信 息: 是对人有用的数据。
媒 体: 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 |
权 |
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 |
“与”运算 |
“或”运算 |
“异或”运算 |
0+0=0 |
0-0=0 |
0x0=0 |
与十进制除法类似 |
按位进行与运算; 两位均为1时, 其结果为1;否则为0 。 与运算用符号∧或·表示。 |
按位进行或运算;两位中有一位为1时, 其结果为1;两位均为0时,结果为0 。或运算用符号∨或 + 表示。 |
按位进行异或运算;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表示正,该为为 1表示负。
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]反=[X]原 |
[X]补=[X]原 |
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]补=[X]反 +1 注意:1 加在最低位上 |
数0表示法 |
X=+0 [X]原=0 0000000 X=-0 [X] 原=1 0000000 |
X=+0 [X]反=00000000 X=-0 [X]反=11111111 |
X=+0 [+0]补=00000000 X=-0 [-0]反=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码 (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1。WIN95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
冯·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……
指 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。
程 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。 |
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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。 |
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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 等
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):
在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 |
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UNIX: 是一个通用的交互式的分时操作系统,用于各种计算机 |
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NetWare: 是基于文件服务和目录服务的网络操作系统 |
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Windows NT: 是基于图形界面32位多任务、对等的网络操作系统 |
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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 以上是关于初赛可能会用到的计算机基础理论知识整理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章 |