计算机基础

为了心中的理想，再苦再累也值得

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我们通常所说的计算机就是指电子计算机（Electronic Computer），俗称电脑，是一种能自动对各种信息进行高速处理和
存储的电子设备。

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计算机的发展以及经历了4代：
(1)第一代计算机（1946-1958）
第一代计算机采用的电子元件为电子管，使用的是机器语言和汇编语言编制程序，处理速度为几千条指令数，内存只有几千
字节（KB），主要用于科学计算。
(2)第二代计算机（1959-1964）
第二代计算机采用的电子元件为晶体管，处理速度为每秒几百万条指令数，内存达到了几万字节（KB），一些高级语言相继
问世，除了科学计算，计算机还被应用于数据处理、工业控制等方面。
(3)第三代计算机（1965-1971）
第三代计算机电子元件采用中小规模集成电路，微程序设计开始被使用，处理速度到了每秒几千万条指令，内存容量也到了
数兆字节（MB），具有了操作系统。并和通信技术结合起来，被应用到各个领域。
(4)第四代计算机（1971年以后）
第四代计算机电子元件开始采用大规模、超大规模集成电路，系统中除了操作系统，还出现了数据库管理系统，被广泛应用
到各个领域。

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人类正在走向信息化时代，信息资源成为重要的战略资源，就是“现代石油”。
信息技术（Information Technology，IT）是研究信息的获取、传输、处理的技术，由计算机技术、通信技术、微电子技
术结合而成。
数据是人们用于记录事物状况的物理符号。信息是数据中包含的意义。信息是加工处理后的数据，是数据所表达的内容。
信息具有以下特点：普遍存在性；可处理性；可传递性和共享性；信息的传递必须依附于载体。
现代信息技术的特点：
数字化（将信息使用二进制编码的方法加以处理和传输）；
多媒体化；
网络化、高速化（网络使信息传播速度大大提高）；
智能化（人工智能的的应用）。
计算机技术从根本上改变了信息的搜集、分析、加工、处理手段和方法，使人们能够方便、准确、高效地利用信息资源。

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计算机的基本特点：运算速度快；计算精度高；具有很强的记忆和逻辑判断能力；程序控制下自动操作；通用性强。
计算机主要有以下几个方面的应用：
科学计算；
数据处理；
过程控制（机器人）；
辅助技术；
人工智能；
计算机模拟 （VR技术）；

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计算机的工作就是顺序执行存放在内存储存器中的一系列指令。
指令是一组能被计算机识别并执行的二进制数据代码，是让计算机完成某个操作的命令。
一条指令通常由两个部分组成：（前面）操作码+（后面）操作数
操作码指明该条指令要完成的操作，如加、减。操作数是参加运算的数据或数据所在的储存单元地址。

计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
计算机工作原理的示意图：

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计算机硬件系统指构成计算机系统的物理设备，又称机器系统。
按照冯·诺依曼提出的体系结构，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。
控制器和运算器组成中央处理单元(CPU,Central Processing Unit)。
(1)一部计算机的存储器可以被视为一组“细胞”单元。每一个“细胞”都有一个编号，称为地址；又都可以存储一个
较小的定长信息。这个信息既可以是指令（告诉计算机去做什么），也可以是数据（指令的处理对象）。原则上，每一个
“细胞”都是可以存储两者之一的。
(2)控制系统将以上计算机各部分联系起来。它的功能是从存储器和输入输出设备中读取指令和数据，对指令进行解码，
并向ALU 交付符合指令要求的正确输入，告知算术逻辑单元对这些数据做哪些运算并将结果数据返回到何处。控制系统中
一个重要组件就是一个用来保持跟踪当前指令所在地址的计数器。通常这个计数器随着指令的执行而累加，但有时如果指
令指示进行跳转则不依此规则。
(3)运算器，有时候也叫算术逻辑单元(ALU,Arithmetic and Logic Unit)。可以被称作计算机的大脑，它可以做两类运
算。第一类是算术运算，比如对两个数字进行加减法。算术运算部件的功能在ALU中是十分有限的，事实上，一些ALU 根
本不支持电路级的乘法和除法运算，用户只能通过编程进行乘除法运算。第二类是比较运算，即给定两个数，ALU 对其进
行比较以确定哪个更大一些。
(4)存储器负责保存数据。只读存储器(ROM,Read Only Memory),在系统运行时，只能读出，不能写入，电脑上的硬盘；随
机存取储存器(RAM,Random Access Memory)，在系统运行时，根据需要随意地写入或读出，电脑上的内存条；高速缓冲
存储器，起缓冲作用。
(5)输入输出设备是计算机从外部世界接收信息和向外部世界反馈运算结果的手段。对于一台标准的个人电脑，输入设
备主要有键盘和鼠标，输出设备则是显示器、打印机以及其他可连接到计算机上的I/O 设备。
要完成某项工作，必须事先编好相应的程序，通过输入设备把程序和数据导入存储器中，计算机先从存储器中获取指令和
数据，然后执行指令，存储数据，将结果通过输出设备输出，再获取下一条指令。这个过程被反复执行，直至得到一个终
止指令。
注：
①计算机内部采用二进制表示指令和数据。
②指令是能够被计算机识别并执行的二进制代码，他规定看计算机能完成的某一种操作，比如加减乘除。指令一般由两
部分组成:一部分是操作码，指出要完成的具体操作；另一部分是地址码，指出操作对象在存储单元的地址或下一条指令
的地址。
③冯·诺依曼计算机采用的是串行处理，即任何时候只能进行一个操作。现代计算机多采用并行处理技术。
④冯·诺依曼被誉为“现代计算机之父”。

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计算机软件系统
没有安装任何软件的计算机（纯硬件）称为裸机，裸机不能进行任何工作。
如果把硬件看成各种操作的物质基础，软件就是发挥其强大功能的灵魂。
7.1系统软件(System Software)
系统软件负责管理、监控、维护计算机的软、硬件资源，使计算机正常工作。
一般来说，系统软件包括操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、服务型程序等。
(1)操作系统(OS,Operating System)
操作系统是计算机系统指挥调度中心，是一切软件最基本、最重要的软件。
典型的操作系统有DOS、Windows、Mac OS、Linux、Unix、Android、iOS等。
(2)数据库管理系统(Data Management System)
在数据处理系统中，需要处理大量的数据。
将相关的数据以一定组织方式储存起来就成了数据库（DataBase，DB）。
用户通过数据库管理系统来管理、操作数据库，包括建立数据库，编辑、修改、增删数据库以及对数据库中数据的检索、
统计、排序、维护等。
常用的数据库管理系统有Access、FoxPro、MySQL、Sybase、Oracle(甲骨文公司产品，主流使用的数据库)等。
(3)语言处理程序
计算机能直接识别和执行的是机器语言(Machine Lauguage)，机器语言难记忆、难书写、难编程、可读性差还容易出错，
已经很少使用了。
汇编语言(Assembly Language)，汇编语言将机器语言符号化，汇编语言用形象、直观、便于记忆的字母、符号来代替数
字编码的机器指令，汇编语言的语句与机器指令一一对应。
用汇编语言写好的程序称为汇编语言源程序，使用汇编程序汇编（翻译）后成了计算机能够识别的目标程序，就能够被
计算机执行了。同样，汇编语言存在着通用性差、可读性差的缺点，后来被高级语言代替了。
高级语言更接近与自然语言（英语）和数学表达式，数据用十进制表示。
高级语言有很多，如流行的FORTRA，BASIC， C，C++，C#，Pascal，Python，lisp，Delphi，JAVA等。
用高级语言编写的程序不能直接被计算机识别，需要经过编译器对其编译，编译（翻译）成机器语言才能执行。
语言处理程序是将用程序设计语言编写的源程序转换成机器能识别的目标程序（机器语言），以便计算机能够运行。
(4)服务型程序
服务型程序是为系统提供各种服务手段而设置的一组程序，其主要功能是完成对用户程序的装入、连接、编辑、差错和
纠正已经硬件故障诊断工作等，如连接程序Link、编辑软件Editor。
7.2应用软件(Application Software)
应用软件是利为了解决各种实际问题或者为专门应用需求而设计开发的软件。
比如Office办公软件、图像处理软件PhotoShop、游戏软件等。

下面有软件系统层次示意图：
裸机→操作系统→诊断、编译、汇编程序，数据库及数据管理程序→应用程序
(各层次的关系是:上层是下层的支撑，下层不必了解内层细节，只需按照约定使用内层提供的服务。)

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计算机是用二进制形式存储数据
为什么用二进制存储数据？
(1) 二进制状态简单，只有“0”和“1”两个数字，与电子元件的物理状态对应，如逻辑电路天平的“高”和“低”
，开关的“断”和“通”，
发光二级管的“暗”和“亮”等。
(2) 二进制运算规则相对于其他进制简单。
(3) 二进制的“1”和“0”两个状态正好与逻辑运算的两个值“真”和“假”对应，为计算机实现逻辑运算和判断提供
了有利条件。

计算机中储存的数据大小
(1)位(bit)，一个位可以表示两种状态，对应于物理电路的高电压和低电压；
(2)字节(byte)，一个字节由8个二进制数组成，1byte = 8bit，表示为 B；
(3)1 KB = 1024 B; 1 MB = 1024 KB; 1 GB = 1024 MB; 1 TB = 1024 GB;

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计算机只能处理数字，如果要处理文本，就必须先把文本转换为数字才能处理。
最早的计算机在设计时采用8个比特（bit）作为一个字节（byte），所以，一个字节能表示的最大的整数就是255。
最早只有127个字母被编码到计算机里，也就是大小写英文字母、数字和一些符号，这个编码表被称为ASCII编码，比如
大写字母 A的编码是65，小写字母 z 的编码是122。
最早的编码是ASCII码：ASCII码使用指定的7位或8位二进制数组合来表示128或256种可能的字符。

中文字符编码：汉字同样通过编码，在计算机中存储显示。
我国在使用的汉字编码是GBK和Big5（台湾，香港那边使用Big5），但现在新生代的程序员很少使用。
查看网页源代码，前几行总会出现charset=”utf-8”，charset=gb2312 的相关字样。

Unicode码为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的
要求。

Unicode定义了UTF-8，UTF-16，UTF-32 编码，其中最常用的是UTF—8。

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Windows问世于1985年，是美国微软公司开发的具有图形界面的用于个人计算机和服务器的操作系统，有时也被称为“视
窗操作系统”。
2015年正式发布了Windows 10 ，现在大多数新生代用户使用的系统。
(1)Windows 常用快捷键
Ctrl+C 复制
Ctrl+V 粘贴
Ctrl+S 保存
Ctrl+A 全选
Ctrl+X 剪切
Ctrl+W 关闭程序
Alt+Tab 窗口切换（摸鱼专用）
Shift+Delete 彻底删除（这个可以不记）
Ctrl+R 刷新 （或者F5）
Win+M 最小化所有窗口
Win+L 锁定系统
Win+D 桌面
Win +左/右 为移动窗口到屏幕两边，占半屏
Win + 上 为最大化当前窗口，下为恢复当前窗口
(2)命令提示符
“命令提示符”窗口是Windows仿真MS-DOS 环境的一种外壳，主要用于运行DOS命令或程序，也可以启动Windows程序。
在运行窗口输入cmd，回车，进入DOS命令窗口，区别于windows图形化操作界面的字符型操作界面。

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Linux 系统：学习C语言，和数据库的必备系统，也是每个程序员必须熟练操作的系统。
Linux系统是一个开源系统，由全球所有程序员共同维护，相比于windows系统，更加安全，更加可靠。
Linux操作系统诞生于1991 年。
Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU
的操作系统。
它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。
关于Linux系统的快捷键，应专门学习，大家自己上网找资料，还有Linux系统中的文档编辑神器vi、vim也应学习。

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计算机网络是利用通信线路和通信设备，把把分布在不同地理位置的具有独立处理功能的若干台计算机按一定的控制系
统和连接方式互相连接在一起，并在网络软件的支持下实现数据通信和资源共享的计算机系统。
(1)计算机网络的主体是计算机，要组成网络至少要有两台计算机进行互连；
(2)网络中计算机称为主机（Host），也称网络节点。
(3)网络节点可以是计算机的外部设备，也可以是其他通信设备（交换机、路由器等）。
(4)网络中各节点之间的连接需要有一条由传输介质实现物理互连的通道，这条通道可以是有线介质，也可以是无线介质
（电缆、光纤、微波、红外等无线传输介质）。
(5)网络中各节点之间互相通信或交换信息，需要某些规定和规则，这些约定和规则的集合就是网络协议。
(6)计算机网络以实现数据通信和网络资源共享为目的，要实现这一目的，网络中需配备功能完善的网络软件（包括网络
通信协议和网络操作系统等）。
计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物，通信技术为计算机之间的数据传输和交换提供了必要的手段，而计
算机的数字技术又提高了通信技术的性能。

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在网络系统中，为了保证通信设备之间能正确地进行通信，必须使用一种双方都能够理解的语言，这种语言被称为“协议”。
任何一个网络协议至少包括三部分：
语法（如何讲）；
语义（讲什么）；
时序（讲话次序）。
网络协议通常分为多个层次，每层次有一个或多个协议，接收方和发送方同层的协议必须一致，否则一方将无法识别另一方
发出的信息。
按功能划分，每层完成一定的功能，并且只与相邻的上下两层直接通信，每一层都建立在它的下层之上，同时每一层利用
下一层的服务传输信息。
常见的协议有：TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议三种。

补：
OSI参考模型
国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnec
tion/Reference Model）。
它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，
自上而下依次为：
应用层（Application Layer）
表示层（Presentation Layer）
会话层（Session Layer）
传输层（Transport Layer）
网络层（Network Layer）
数据链路层（Data Link Layer）
物理层（Physics Layer）
(1)物理层
物理层是OSI参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。
它主要关心的是通过物理链路从一个节点向另一个节点传送比特流，物理链路可能是铜线、卫星、微波或其他的通讯媒介。
它关心的问题有：多少伏电压代表1？多少伏电压代表0？时钟速率是多少？采用全双工还是半双工传输？总的来说物理层
关心的是链路的机械、电气、功能和规程特性。
(2)数据链路层
数据链路层是为网络层提供服务的，解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元称为数据帧。
数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。
该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。
此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据
而导致缓冲器溢出及线路阻塞。
(3)网络层
网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。
该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，
为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。
当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。
(4)传输层
传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏
蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠
的数据通路。
传输层传送的协议数据单元称为段或报文。
(5)会话层
会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会
话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。
例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。
(6)表示层
表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。
如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。
数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。
(7)应用层
应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发
电子邮件等。
数据发送时，从最上层传到最下层。接收数据则相反。
上三层总称应用层，用来控制软件方面。下四层总称数据流层，用来管理硬件。除了物理层之外其他层都是用软件实现的。

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TCP/IP体系结构中将网络划分为4层，分别是：
应用层
传输层
网络层
网络接口层

TCP/IP协议包括了100多个不同功能的协议，是互联网的公共协议，也是目前最流行的网络协议。
TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的，所以只能用于端到端
的通讯。
IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层的TCP或UDP层，也把
从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。

IP地址
IP是TCP/IP的一个核心概念，IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一
个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

子网
IP地址是以网络号和主机号来表示网络上的主机的，只有在一个网络号下的计算机之间才能“直接”互通，不同网络号的计
算机要通过网关（Gateway）才能互通。但这样的划分在某些情况下显得并不十分灵活。为此IP网络还允许划分成更小的网
络，称为子网（Subnet）。

子网掩码
子网掩码的作用就是用来判断任意两个IP地址是否属于同一子网络，只有在同一子网的计算机才能”直接”互通。