计算机基础（01）基础知识

1 计算机基础知识

1.1计算机概述

1.1.1 计算机的诞生

• 计算机的诞生是人类对计算工具的需求和早期开发开始的
• 自动化的计算机需要有其赖以生存的基础，由于其工作的复杂性，需要机电方式来自动计算
• 推动计算机发展的重要原因是需求，新的需求决定新的发展方向

1.1.2 计算机的关键人物

图灵的布尔代数，将复杂问题简单化，将专业问题通用化

冯诺依曼的程序存储理念，将自动化运算实现，是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中。然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理，冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是：

• 采用二进制形式表示程序和数据
• 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成
• 程序和数据以二进制形式存放在存储器中
• 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作

1.1.3 计算机的定义与组成

@1 计算机的概念：计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备

@2 计算机的组成：一个完整的计算机系统有硬件系统和软件系统两大部分

• 硬件系统：能够收集、加工、处理数据以及输出数据所需的设备实体，是看得见、摸得着的部件总和，是计算机工作的基础。 从硬件结构上来分：计算机硬件主要分为5个部分：运算器、控制器、存储器以及输入/输出设备。
• 软件系统：相对硬件而言，为了充分发挥硬件系统性能和方便人们使用硬件系统，以及解决各类应用问题而设计的程序、数据、文档总和，它们在计算机中体现为一些触摸不到的二进制状态，存储在内存、磁盘、闪存盘、光盘等硬件设备上。

@3 计算机的组成结构示意图：

1.1.4 计算机的分类

• 按计算机处理的数据分类：数字计算机、模拟计算机、数字模拟混合计算机
• 按计算机用途分类：通用计算机和专用计算机
• 按计算机规模分类：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器、嵌入式计算机

1.1.5 计算机的应用

1. 科学计算：数值的复杂计算、量化
2. 数据处理：属于非数值处理，计算过程比较复杂，但计算方法简单
3. 过程控制：实时对数据进行采集并根据实际情况作出相应的处理
4. 人工智能：计算机模拟人类的智能活动
5. 计算机辅助设计与制造：
   • 计算机辅助设计CAD：利用计算机对系统进行综合分析和模拟仿真，高效解决问题
   • 计算机辅助制造CAM：利用计算机进行生产的控制和管理，实现无图纸加工
   • 计算机辅助教育CBE：包括 计算机辅助教学CAI（利用计算机模拟教师行为进行授课）、计算机辅助测试CAT（通过与计算机交互进行学习和测试学习效果）、计算机管理教学CMI（一套新教学模式和教学方法的管理系统）。
   • 电子设计自动化EDA：利用硬件语言开发可编程芯片，扩展硬件系统功能。
6. 电子商务：通过计算机与网络进行商务活动，从1996年开始，有着广阔前景
7. 文化教育：多媒体的远程教育，使得学习内容和形式更加灵活
8. 娱乐：意味着更高品味的生活与娱乐方式

1.1.6 计算机的特点

1. 运算速度快：每秒处理的指令数量在不断增加
2. 计算精度高：包括对浮点型和整型数的运算精度
3. 存储容量大：存储计算机工作时产生的大量信息，而且提供各种外部存储器
4. 具有逻辑判断能力：布尔代数建立了计算机的逻辑基础，这也是智能化的一个基本条件
5. 按照程序自动运行：按照事先规定的步骤一步一步执行，直到完成所有的工作

1.1.7 计算机历史与发展趋势

@1 计算机的发展历史：

• 1946年，美国宾尼法尼亚大学研制成功，名字为ENIAC(电子数值积分计算机)    
• 第1代计算机：采用电子管作为逻辑器件，速度低，体积大，耗电多    
• 第2代计算机：采用晶体管作为逻辑器件，存储器采用磁芯和磁鼓，速度提高，体积减小，耗电降低
• 第3代计算机：采用中小规模集成电路作为逻辑器件，速度提高，体积减小，耗电降低
• 第4代计算机：采用大规模及超大规模集成电路作为逻辑器件，速度提高，体积减小，耗电降低
• 第5代计算机：将运算器和控制器集成在电路芯片上，体积小，功耗低，可靠性高，对环境要求低

@2 计算机的发展方向：

1. 巨型化：存储容量更大。
2. 微型化：体积越来越小网络化：计算机无处不在，网络接口也无处不在智能化：模仿人类较高层次智能活动的能力。例如对弈系统，专家系统等。

@3 未来计算机：

1. 分子、原子计算机：利用原子、分子作为计算机的导线和器件，并实现纳米寻址和系统结构。
2. 光计算机：利用全光交换器件代替电子计算机的电子器件生物DNA计算机：在逻辑处理方面有着极大的优势。
3. 量子计算机：利用量子物理解决器件向微小发展方向的问题。
4. 微米、纳米流体计算机：利用微纳技术实现逻辑门，主要用于血液检测和药品开发与测试。

1.2 信息的表示与存储

1.2.1 数制的概念

@1 计算机采用二进制，主要是因为：

• 电路设计简单，物理上最容易实现
• 运算规则简单，工作可靠逻辑性强，便于实现逻辑运算和逻辑判断
• 进制的特点：逢N进1；位权表示法

@2 数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。

@3 常用数制 如下：

其中：

• 基数：R进制的基数=R    
• 位权：在数制中，各位数字所表示值的大小不仅与该数字本身的大小有关，还与该数字所在的位置有关，我们称这关系为数的位权。即位权是一个与数字位置有关的常数，位权=Rn

@4 二进制运算：

• 二进制算术运算：类似10进制运算，不过是逢2进1
• 二进制逻辑运算：与(一假则假)，或(一真则真)，非(取反)
• 二进制小数运算：二进制小数的位权依次为2^(1/n)

@5 注意：二进制运算最后都是以加法形式进行，所以加法是计算机运算的基础

1.2.2 数制转换

@1 10进制转2进制：

• 整数部分除以2取余，直至商为0；
• 小数部分乘以2取整，直至小数部分为0或达到所需精度

@2 10进制转8进制：

• 整数部分除以8取余，直至商为0；
• 小数部分乘以8取整，直至小数部分为0或达到所需精度

@3 10进制转16进制：

• 整数部分除以16取余，直至商为0；
• 小数部分乘以16取整，直至小数部分为0或达到所需精度

@4 2进制转8进制：

• 整数部分小数点左边从右向左，每3位一组，转换成8进制
• 小数部分小数点右边从左向右，不足时补0至3位，每3位为一组，转换成8进制

@5 2进制转16进制：

• 整数部分小数点左边从右向左，每4位一组，转换成16进制
• 小数部分小数点右边从左向右，不足时补0至4位，每4位为一组，转换成16进制

@6 2进制转换10进制：

• 利用位权变换，直接得出结果即可

@7 常用数制对照表如下所示：

@8 带符号数的表示方法：

@@8.1 计算机中需要处理的数据分为数值型和非数值型，而这些都需要直接用二进制进行表示。对于整型数有正负，需要用符号位(0表示正数，1表示负数)来表示，对于无符号数没有正负，也就不需要符号位。

@@8.2 机器值与真值：

• 符号被数值化的数据被称为机器数
• 数值的数学表示形式被称为真值

@@8.3 原码，反码，补码：

• 原码：与机器码一致
• 反码：正数的反码与其原码相同；负数的反码是对其原码逐位取反，但符号位除外
• 补码：正数的补码与其原码相同；负数的补码是在其反码的末位加1。

@9 定点数(小数点位置固定)与浮点数(小数点位置不固定)：

@@9.1定点数：小数点完全靠事先约定而隐含在不同的位置

• 根据小数位数是否固定，分为定点数和浮点数
• 根据小数点固定的位置不同，定点数分为定点整数和定点小数两部分：
• 定点整数：若阶码J=0，尾数S为纯整数，此时，小数点固定在数的最低位之后
• 定点小数：若阶码J!=0，通常将小数点固定在最高数据位的左边

@@9.2 浮点数：小数点位置不固定的数，通常将其分为阶码和尾码两部分表示

• 阶码：确定数的范围
• 尾码：确定数的精度

说明：采用浮点数表示的数值范围比定点数要大

1.2.3 信息的存储单位

@1 位(bit)：计算机存储数据的最小单元(0、1)

@2 字节(Byte)：处理数据的基本单位(8bit/Byte)

@3 常用的字节计数单位：

• 1KB＝1024 Byte(2^10 B)        
• 1MB＝1024 KB(2^20 B)
• 1GB＝1024 MB(2^30 B)        
• 1TB＝1024 GB(2^40 B)

@4 字长：CPU一次处理数据的二进制位数。

1.2.4 数值型数据的编码

• 常用的数字型数据编码有BCD码(8421码)，也称为2-10进制编码
• BCD码也是逢10进1，与10进制的运算规则完全相同
• 注意：虽然4位二进制数可以表示16个值，但是后面6个在BCD码中没有用到

1.2.5 非数值型数据的编码

@1 ASCII字符编码(最常用)：分为7位码和8位码

• 对于7位码：最高位不用，一共表示128个不同的字符
• 对于8位码：最高位为奇偶校验位，后面同7位码一致

@2 奇校验与偶校验

• 奇校验：在正确字节里，一个字节中1的个数必须是奇数，否则在最高位补1
• 偶校验：在正确字节里，一个字节中1的个数必须是偶数，否则在最高位补1

@3 汉字编码：

• 国标码(交换码，GB2312)：基本解决了汉字和少数民族文字的使用标准问题
• 机外码：用户通过键盘输入的汉字信息编码，是与计算机交互的第一接口
• 机内码：计算机内部存储，对文字加工时所用的编码，每个汉字用2个机内码表示
• 字形码：文字信息的输出，即字的形和体，人们可以看懂

@4 多媒体编码：计算机中只有0和1，因此多媒体信息也要转换成2进制形式来存储

@@4.1 音频信息数字化：将音频信息量化，需要A/D转换和D/A转换

A/D转换：模拟信号转换成数字信号

• 通过A/D转换，在规定时间内将声音信号按照幅值量化，声音就被数字化了
• 采用频率越高，采集的数据量就越大，越接近原始的模拟信息
• 采样深度越高，采集的每个数据就越精确，越接近原始的模拟信息

D/A转换：数字信号转换成模拟信号

• 通过D/A转换，在规定时间内将数字信息按照音频规定的形式输出，存储的声音就被模拟了

@@4.2 视频信息数字化：

• 视频信息的数字化同音频类似，需要两个指标来衡量，采用频率和采用深度
• 采样频率越高：单位时间内捕获画面帧的数量越多，画面的连续性就越好，动态连续性越好
• 采样深度越高，采集到的每帧画面越清晰，静态上越接近于实际情况

1.3 信息安全

1.3.1 信息安全概述

@1 信息安全是指信息网络的硬件，软件，系统中的数据受到保护，不因偶然或恶意的原因遭到破坏而不正常工作

@2 信息安全是涉及计算机科学、网络、通信技术、密码技术、信息安全技术、应用数学、信息论的综合学科

@3 信息环境污染主要由垃圾信息、有害信息、虚假信息引起

@4 信息安全产生的原因：

• 网络信息传输需要通过很多网络设备，因此信息被截获避免不了
• 网络拥有比较复杂的设备和协议，而复杂系统的缺陷和漏洞是很难避免的

1.3.2 计算机FZ

• 计算机FZ：一种高技术的犯罪手段，随时随地都可以发生
• 计算机FZ手段：系统攻击、网络传播、非法使用资源、盗号窃取机密
• 计算机FZ特点：智能、隐蔽、广域、危害、诉讼困难(找不到证据)、司法的滞后性

1.3.3 防火墙技术

@1 防火墙：内部网络与Internet之间所设置的安全防护系统

@2 防火墙阻止外部网络对内部资源的非法访问，也阻止了内部对外部的不安全访问

@3 防火墙是通过对网络数据包进行解析与过滤的机制实现安全防护

@4 防火墙主要用于实现访问控制、授权认证、安全检查、加密

• 访问控制：企业内部与外部、内部各部门之间实行隔离
• 授权认证：授权不同用户的不同访问权限
• 安全检查：对流入网络中的信息流进行检查和过滤，防止病毒干扰和破坏
• 加密：提供防火墙与用户信息传输方面的安全保证，保证防火墙与防火墙之间的信息安全

@5 防护墙的类型：过滤防火墙、代理防火墙、双穴主机防火墙

• 过滤防火墙：设置在网络层，可以在路由器上实现包过滤
• 代理防火墙：应用层网关防火墙，由代理服务器和过滤路由器组成
• 双穴主机防火墙：利用主机实现安全控制功能，可以有多个网卡，连接不同的网络

1.3.4 计算机病毒及其防治

@1 计算机病毒：人为设计的程序，隐蔽在计算机中，对计算机不定期造成破坏

@2 计算机病毒的产生：开始是由于恶作剧，而后来则因为利益而编写这些类型的程序，获取利益或者报复

@3 计算机病毒历史：(1983年确认，1987年开始得到重视)

• 第1阶段(1986-1989)：传统的单机病毒，具有针对性，但很容易被排查
• 第2阶段(1989-1991)：混合型病毒，更加隐蔽，自我保护措施强，可以变种
• 第3阶段(1992-1995)：多态性/自我变形病毒，病毒的多态性导致多维化发展
• 第4阶段(1996-现在)：网络病毒，利用互联网进行传播，传播速度快、隐蔽性强、破坏性大

@4 计算机病毒表现形式：

• 增加/减少文件长度：产生新文件或改变某些文件的属性
• 使系统异常/瘫痪：删除或改变系统的重要文件或可执行程序
• 改变磁盘分配：写入特定信息，导致对磁盘进度操作时系统崩溃或出现异常
• 存储信息不正常：破坏磁盘目录表和文件分配表FAT等
• 减少可用内存空间：进入内存执行时减少内存空间

@5 计算机病毒的特点：传染性、隐蔽性、潜伏性、破坏性、针对性、不可预见性

@6 计算机病毒分类：

@@6.1 按照破坏性分：

• 良性病毒： 对平时操作有一定影响，但是不影响系统的正常运行
• 恶性病毒：封锁、干扰中断与输入输出，甚至终止系统运行
• 极恶性病毒：造成死机，系统崩溃，删除程序或系统文件，破坏系统配置，甚至无法启动
• 灾难性病毒：破坏分区表信息，主引导程序，分区表，删除数据甚至格式化硬盘

@@6.2 按照传染方式分：

• 引导区型病毒：通过软盘在操作系统中传播，感染引导区直至硬盘中的主引导记录
• 文件行病毒：也称寄生病毒，扩展名为可执行文件，病毒通过运行感染其他文件
• 混合型病毒：具有前两者的特点，即感染引导区又感染文件
• 宏病毒 ：用BASCIC语言编写，寄存在office文档上，容易通过网络以及文件传输扩散

@@6.3 按照连接方式分：

• 源码型病毒：难以编写，主要攻击高级语言编写的源程序，并随程序一起生成可执行文件
• 入侵型病毒：利用自身替代程序中的部分模块和堆栈区，针对性强，不容易清除
• 操作系统病毒：将自身部分加入或替代操作系统的部分功能，危害性比较大
• 外壳病毒：将自身附着在正常程序的开头和结尾，相当于给程序加了一个外壳

@7 计算机病毒的检测与防御：

• 手工检测：利用软件工具来检测系统中是否有病毒，操作难度大，技术复杂，检测效果较好
• 自动检测：通过诊断软件来自动检测系统中是否存在病毒，操作简单，但检测效果不好

@8 新病毒种类以及其变种：

• 互联网蠕虫病毒：利用微软的sql server漏洞进行复制传播，通过内存而非文件进行病毒传播
• 冲击波病毒：利用windows RPC DCOM服务漏洞，这意味着很多用户将成为受害者

病毒预防方法：更新系统。

补丁与安装补丁的方法：补丁即patch，可对软件进行修复；补丁程序安装可定义到官网，也可以自动安装。

@9 国内计算机病毒现状：利用漏洞的病毒增加、病毒向多元化发展、有网络特性的病毒增加、即时通信软件的病毒增加

1.3.5 计算机软件知识产权

目前对计算机软件进行保护的方式主要有：版权法、专利法、商业秘密法以及独立部门。