Java学习笔记系列-入门篇-计算机基础

Java学习笔记

Java学习笔记是一个持续更新的系列，工作多年，抽个空对自身知识做一个梳理和总结归纳，温故而知新，同时也希望能帮助到更多正在学习Java 的同学们。

本系列目录：

入门篇

• 计算机基础
• 编程语言介绍
• 面向对象的编程思想

什么是计算机

计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。

我们现在用的笔记本，台式机，企业用到的服务器都属于计算机，包括一些移动设备（例如手机，平板电脑），也具备了计算机的基本功能。

计算机的发展史

计算工具的演化经历了由简单到复杂、从低级到高级的不同阶段，例如从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘计算尺、机械计算机等。它们在不同的历史时期发挥了各自的历史作用，同时也启发了现代电子计算机的研制思想。

说到计算机的研制思想离不开两个人

• 艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）
  英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父，人工智能之父。

  在第二次世界大战中从事的密码破译工作，在战时服务的机构于1943年研制成功的CO-LOSSUS(巨人)机，这台机器的设计采用了图灵提出的某些概念。它用了1500个电子管，采用了光电管阅读器；利用穿孔纸带输入；并采用了电子管双稳态线路，执行计数、二进制算术及布尔代数逻辑运算，巨人机共生产了10台，用它们出色地完成了密码破译工作，这很有可能才是世界上第一台计算机。

  1936年，图灵在一篇名为《可计算数学》的论文中首次提出了有关计算机的理论，其中 最重要的三点为后世带来了极其深远的影响：计算机的抽象定义、“通用计算机(Universal Machine)”的设想，以及“存在任何计算机都无法解决的问题”的想法。
  之后，“图灵机”（Turing Machine）便诞生了，它的符号记录方法为以后的计算机发展奠定了基础理论，基于此，人类首次产生了符号处理的概念，并开始把研究重点转向了“可改变的编码程序”上，这就是今天软件的前身。
  图灵论文中的“用有限的指令和有限的存储空间可算尽一切可算之物”理论让当时所有的科学家震惊。

  1950年图灵发表论文《计算机器与智能》（ Computing Machinery and Intelligence），为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。

  提出著名的“图灵测试”，指出如果第三者无法辨别人类与人工智能机器反应的差别， 则可以论断该机器具备人工智能。

  为了纪念他对计算机科学的巨大贡献，由美国计算机协会（ACM）于1966年设立一年一度的图灵奖，从设立以来一直都是世界计算机科学领域的最高荣誉，相当于计算机科学界的诺贝尔奖。

  中国只有姚期智院士获得该奖项，他主导并与微软亚洲研究院共同合作的“软件科学实验班”（后更名为“计算机科学实验班”，也被称为“姚班”）在清华成立。

• 冯诺伊曼（John von Neumann）
  美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机，博弈论，核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大科学全才之一，被后人成为计算机之父，博弈论之父。

  1944年夏的一天，正在火车站候车的诺伊曼巧遇戈尔斯坦，并同他进行了短暂的交谈，在交谈中，戈尔斯坦告诉了诺伊曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼为这一研制计划所吸引，他意识到了这项工作的深远意义，之后被戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组，1945年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”–EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写），这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。

  EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。

  1946年冯诺伊曼提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存。 冯诺依曼的理论要点是：数字计算机的数制采用二进制，计算机应该按照程序顺序执行。
  计算机基本工作原理是存储程序和程序控制，实践证明了诺伊曼预言的正确性，冯·诺依曼被称为“计算机之父”。

计算机的基本概念属于图灵，冯诺依曼的基本作用是使世界认识到了由图灵引入的计算机基本概念。
随后计算机进入了高速发展的时代

1946年2月14日，由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学问世了，占地170平方米，耗电150千瓦，造价48万美元，每秒可执行5000次加法或400次乘法运算。共使用了18000个电子管。
1950年，第一台并行计算机EDVAC实现了计算机之父“冯.诺伊曼”的两个设想：采用二进制和存储程序。
1958—1964年，计算机进入晶体管时代，软件方面的操作系统、高级语言及其编译程序应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。
1964—1970年，计算机采用集成电路，主存储器仍采用磁芯，硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。
1970年至今，计算机进入大规模集成电路时代，硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等，1971年世界上**第一台微处理器**在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。
随着物理元、器件的变化，不仅计算机主机经历了更新换代，它的外部设备也在不断地变革。比如外存储器，由最初的阴极射线显示管发展到磁芯、磁鼓，以后又发展为通用的磁盘，现又出现了体积更小、容量更大、速度更快的只读光盘（CD—ROM）。

计算机的构成

计算机是由硬件和软件构成的，所谓硬件就是我们摸得到看得见的物理层面的一些东西，软件则是基于硬件的一系列操作执行任务的指令集，是肉眼不可见的部分。

常用计算机硬件介绍

计算机硬件即肉眼可见的计算机中所有的物理零件，像我们常见的家用台式机，主要有机箱，主板，网卡，电源，硬盘，显卡，内存，处理器，散热器，输入设备，输出设备等等。

中央处理器（CPU）

中央处理器的全称：Central Processing Unit，简称CPU，它是计算机的大脑，从内存中获取指令，然后执行指令，作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

运算：用于完成数值的加减乘除运算和逻辑运算
控制：用于控制核协调其他组件的动作

打开我的电脑，右键属性，即可看到我们自己电脑的中央处理器相关信息，这里以本人笔记本为例：

Intel
是芯片制造商英特尔
Core
是英特尔公司推出的酷睿芯片，此前还有奔腾。
i5
指酷睿i5系列
10210U
前两位是指第十代产品
210是产品型号
U代表低电压
1.60GHz
指的是CPU主频率
2.11GHz
是CPU根据使用需要，可以自动睿频的峰值，使主频达到2.11GHz

主频是什么

每块CPU内核都有一个内部时钟，以固定速度发射电子脉冲，它的速度越快，在指定时间内发送的指令就越多，它的速度计量单位就是赫兹

1Hz相当于每秒1个脉冲，随着CPU处理速度不断提高，目前以GHz(千兆赫)来表述。

赫兹的单位换算

1KHz=1024Hz
1MHz=1024KHz
1GHz=1024MHz

CPU的核心最初只有一个，随着科技发展，现在普遍流行的都是多核处理器，所谓多核，是有两个或者两个以上的独立核心组件。

核是什么

核是处理器中实现指令读取和执行的部分，我们可以通过右键->计算机，打开设备管理器，点击处理器即可看到自己处理器的核心数目，比如我此时使用的笔记本CPU是八核:

内存（RAM）

内存的全称Random-Access Memory,简称RAM，内存是CPU暂时存放指令数据的地方，也是CPU与外部其他存储设备沟通的桥梁，因此内存的运行也决定计算机整体运行快慢的程度
注意：一个程序和它的数据在被CPU执行前必须移到计算机的内存中。

数据如何存储在内存中

计算机诞生初期并不存在内存条的概念。

最早的内存是以磁芯的形式排列在线路上，每个磁芯与晶体管组成的一个双稳态电路作为一比特（bit）的存储器，此时整个计算机就是一系列的电路开关，每个开关存在两种状态即关（off）和开（on），如果电路开，它的值是1，如果电路关，它的值是0。

比特
全称是binary digit，是一种度量单位，也是表示信息量的最小单位，一个0或者一个1存储为一个比特（bit）

计算机中最小存储单位是字节（byte），每个字节由8个比特构成
计算机存储能力是以字节和多字节来衡量的，如下：
千字节（KB）=1024B
兆字节（MB）=1024KB
千兆字节（GB）=1024MB
万亿字节（TB）=1024GB

在内存中数据是由一个有序的字节序列组成，用于存储程序以及程序需要的数据，每个字节都有一个唯一的地址，以便于存储和获取数据。

为什么数据必须放到内存中供CPU调用？

如果把数据放到硬盘中，则CPU执行速度被硬盘读写速度限制，内存存取数据的速度比硬盘存取速度快10倍不止，而CPU比内存更快，因此数据需要先存进内存中，就解决了硬盘数据读取太慢的问题。
但是内存也和CPU一样，是构建在硅半导体芯片上，它需要用电，如果断电，数据就会丢失，因此需要考虑将数据永久保存到存储设备上。

存储设备

存储设备是用于储存信息的设备，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或光学等方式的媒体加以存储。

内存中的信息在断电时会丢失，那么需要考虑将程序和数据永久保存到设备上，当计算机确实需要这些数据时，在移入内存，不仅提高了计算机运行速度，也解决了数据的存储问题。

存储设备的类型

光驱驱动器（CD和DVD）

是一种读取光盘信息的设备
因为光盘存储容量大，价格便宜，保存时间长，适宜保存大量的数据，如声音、图像、动画、视频信息、电影等多媒体信息，所以光驱是多媒体电脑不可缺少的硬件配置。

硬盘驱动器

硬盘驱动器（Hard-Disk Drive）简称硬盘，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，每台计算器至少有一个硬盘，用于永久保存数据和程序

USB闪存驱动器

全称是Universal Serial Bus，通用串行总线而USB闪存驱动器，俗称U盘，是一种使用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。
可以使用USB将一些其他输入输出设备连接到计算机上。

输入输出设备（IO设备）

是数据处理系统的关键外部设备之一，可以和计算机本体进行交互使用。如：键盘、写字板、麦克风、音响、显示器等。因此输入输出设备起了人与机器之间进行联系的作用。

网卡

网卡是一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机硬件。由于其拥有MAC地址，因此属于OSI模型的第1层和2层之间。它使得用户可以通过电缆或无线相互连接

计算机可以通过那些通信设备进行联网？

拨号调制解调器

使用电话线，传输速度可达56000bps（bps：每秒比特）

电缆调制解调器

利用有线电视电缆进行数据传输，通常速度比DSL快。

网络接口卡NIC

将计算机接入局域网LAN的设备，局域网通常用于大学，商业组织和政府组织，速度可达1000Mbps

无线网络

在家庭，商业和学校中极其常见，可通过无线网连接到局域网或者Internet上

计算机软件介绍

软件即一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令集合，有系统软件和应用软件之分。

人们通过软件来控制计算机进行作业，最初的软件交互是命令行方式(Command Line Interface,CLI)，需要一个控制台，输入特定指令，让计算机完成一些操作，较为麻烦，需要记录指令命令。
1964年-1970年，出现了图形化界面（Graphical User Interface ,GUI）的交互方式，简单直观，容易上手操作。

系统软件

系统软件即操作系统（Operating System），为计算机使用提供最基本的功能，也是运行在计算机上的最重要程序，它可以管理和控制计算机的活动。

操作系统的主要作用

• 控制和监视系统的活动
• 分配和调配系统资源
• 调度操作

操作系统和硬件与软件的关系如下图：

我们常用的电脑操作系统有window10，window7，linux，macOS等等

应用软件

应用软件针对某一特定应用领域，根据用户和所服务的领域提供不同的功能，它可以是一个特定的程序，比如一个图像浏览器。也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程序的集合，比如微软的Office软件。

软件开发

软件开发是根据用户要求建造出软件系统或者系统中的软件部分的过程，这是一项包括需求捕捉，需求分析，设计，实现和测试的系统工程。

结语

本章简单记录了计算机的发展史以及计算机常见硬件和软件作用，尤其是对计算机软硬件的充分了解，更有利我们进行软件开发的学习，感谢观看。