计算机基础知识学习笔记(计算机二级)

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于 2024-01-23 16:25:20 首次发布

本文概述了计算机从ENIAC到现代的发展历程，介绍了冯·诺依曼体系结构，详细阐述了计算机系统组成，包括硬件、CPU、存储器、输入输出设备、存储单位和字符编码。此外，文章还涵盖了操作系统的发展、进程管理、存储管理和文件管理等内容，以及I/O设备管理在系统中的重要性。

一、计算机的发展

1.ENIAC世界上第一台电子数字计算机，1946年2月14日（20世纪40年代）诞生于美国宾夕法尼亚大学。

2.EDVAC第一台存储程序的计算机，以冯·诺依曼（约翰·冯·诺依曼）为首的研究小组研发出。该计算机为当时运算速度最快的计算机。

3.冯·诺依曼被称为“现代电子计算机之父”。

4.EDVAC原理特点：

用二进制来表示计算机内部的指令和数据。
预先将编好的程序和原始数据存入存储器中，在启动计算机工作。
EDVAC计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成。这种结构体系一直延续到现在。该体系被称为“冯诺依曼结构”

5.计算机发展经历四个阶段

根据物理器件（基本元器件）的不同，可以将计算机的发展分为四个阶段：

第一个阶段（1946-1958）电子管

[1946-20世纪50年代后期]

第二个阶段（1958-1964）晶体管

[20世纪50年代后期-20世纪60年代中期]

第三个阶段（1964-1971）中小规模集成电路

[20世纪60年代中期-20世纪70年代初期]

第四个阶段（1971-至今）大规模、超大规模集成电路

[20世纪70年代初期-现在]

二、计算机系统组成

1.计算机系统包括计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分。

计算机硬件系统是构成计算机所有物理设备的总称，它是计算机工作的物质基础。
计算机软件系统是程序及其数据和相关文档的统称。
计算机软件系统主要分为系统软件和应用软件。

2.计算机主机包括中央处理器和内存存储器。

3.计算机外部设备包括外存储设备、输入设备和输出设备。

4.系统软件是指负责控制和协调计算机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的一类计算机软件。

5.系统软件一般包括操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和网络管理系统等。

6.应用软件有信息管理软件、辅助设计软件、文字处理软件和图形软件等。

三、计算机硬件系统

1、中央处理器

1.中央处理器，也称为CPU。分为控制器和运算器两部分。它主要负责翻译计算机指令和处理计算机软件中的数据，是计算机系统的核心。

CPU主要包括运算器和控制器两大部分。

运算器主要负责完成对各种数据的加工处理，即数据的算术运算和逻辑运算。

控制器主要负责对输人的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成相应的任务，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

2.计算机系统的性能由CPU品质的高低决定，而CPU的品质由主频与字长决定。

主频：即主时钟的频率，主频越高CPU的运算速度就越快。

字长：是指CPU可以同时处理的二进制数据的位数。

3.CPU工作过程

CPU的工作过程主要包括提取指令、解码指令、执行指令和修改程序计数器四个阶段。在这个过程中，需要用到寄存器暂时存储处理的数据，并用总线将控制器和算术逻辑单元连接起来。

提取指令:程序计数器用于记录CPU地址。根据程序计数器中的地址，从内存储器或高速缓冲存储器中取出当前需要执行的指令，并暂存到指令寄存器中。

解码指令:指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解译，将指令中的操作数转换成相应的控制信息。操作数的存放地址由指令中的地址码来确定。

执行指令:在控制信息的作用下，完成指令所规定的各种操作，并将执行阶段的结果以一定的格式简单地写回。一般情况下，该结果会被写回到CPU内部寄存器中，以便快速存取。

修改程序计数器:在执行指令并写回结果后，根据程序的要求修改程序计数器的值。

2、存储器

（1）寄存器

寄存器通常位于CPU内部，用于保存机器指令的操作数。由于其价格昂贵导致其数量有限，又由于存取速度非常快，使其不可或缺。

（2）高速缓冲存储器

简称缓存，是存在于内存与CPU之间的一种存储器，容量小但存取速度比内存快得多。

存在有效地解决了内存与CPU之间速度不匹配的问题。

（3）主存储器

即我们平时所称为内存，通常分为随机存储器(RAM)和只读存储器（ROM）

随机存储器

随机存储器可以随时从一个指定的地址写入或读取信息。通电状态下，数据是完整的；一旦断电，存在其中的数据就会消失且无法恢复。

只读存储器

只读存储器中信息在制造时就被存入其中并永久保存，且这些信息只能被读出，不能被修改。即使在断电情况下，只读存储器中的信息也不会消失。

（4）辅助存储器

即我们平时所称的外存，常见外存有移动硬盘、硬盘、U盘、光碟、机械硬盘、磁盘等。

CPU不能直接访问存在外存中的程序和数据，需要将其调到内存中才能运行。外存的特点有存取速度慢、价格低、容量大。

3、输入设备和输出设备

输入设备

输入设备是指向计算机输入数据或信息的设备，常见的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、手写输入板等。

输出设备

输出设备是指能将计算机数据或信息以某种格式（如图片、字符、声音等）输出给用户的设备常见的输出设备有打印机、显示器、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁盘记录设备。

4、存储单位

数据最小的单位是位。

存储容量的基本单位是字节，用Byte或B表示，8个二进制位称为一个字节。字长是指计算机一次能处理的二进制数的位数，如32位、64位、 128位。

名称	单位	换算
位	bit	-
字节	Byte	8bit=1Byte
千字节	KB	1024B=1KB
兆字节	MB	1024KB=1MB
吉字节	GB	1024MB=1GB
太字节	TB	1024GB=1TB

数制转换

数制也称为计效制，是计算机中用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。数制中，把表示基本数值大小的不同数字称为数码，如一进制中的0 和1;把数制中所使用的数码个数称为基数，如八进制由0到7中的任意数字组成，因此八进制的基数为8;把某一位上所表示的数值大小称为位权，如八进制257，2的位权是8^2，5的位权是8^1，7的位权是8^0。常见的数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。
进制数通常是用括号把基数括起来加下标的形式来表示，如二进制数(1101)B、八进制数(2367)。、十进制(256)D、十六进制(17AE)n,也可以直接表示为(1101)2、 (2367)8、 (256)0、(17AE) $_{}$ 。十六进制的数码由0到15中的任意数字组成，其中数字10到15分别用A、B、C、D、E、F表示。

5.十进制转二进制

$18_{10}$ = $10010_{2}$

$23.25_{10}$ = $10111.01_{2}$

6.非十进制转换为十进制

7.二进制转换八进制

四、西方字符编码

我们常见的文字、控制字符号等信息，都采用二进制编码方式存入计算机。计算机为了区分这些信息，就采用了不同的编码方式。我们常见的编码有西方字符编码和汉字字符编码。

计算机中最常用的字符编码是美国信息交换标准代码，简称ASCII码，有7位码和8位码两种形式通用的是7位码，共有128个字符，ASCII码只对新闻字符进行了编码，其中包括10个数字零跑26个小写字母和26个大写字母等。其中小写字母的码值要比大写字母的码值大32。

重点：控制运算符<数字<大写字母<小写字母

字符编码（Character Encoding）是将字符转换为字符编码的过程。在计算机中，所有的字符都会被转换为二进制数据进行处理。因此，为了在计算机中表示各种字符，需要将字符映射为对应的二进制编码。

常见的字符编码有 ASCII码、UTF-8、UTF-16等。ASCII码是美国标准信息交换码，使用一个字节（8个比特位）来表示一个字符，主要用于英语字符的编码。UTF-8是一种变长编码，使用1到4个字节来表示不同的字符，可以用来表示包括中文在内的全球所有字符。UTF-16也是一种变长编码，使用2个或4个字节来表示字符，适用于表示较多的字符范围。

字符编码的选择要根据实际需要和应用场景来决定。在国际化应用中，通常会使用UTF-8编码，因为它可以表示全球范围内的字符，适用性较广。而在一些特定的应用中，比如英文网站，ASCII码就已经足够满足需求。

ASCII码是一种用来表示文本的编码系统。它由128个字符组成，包括数字、字母、标点符号和控制字符等。每个字符都有一个对应的ASCII码值，这个值是一个整数，范围从0到127。

下面是一些常见字符的ASCII码值：

数字：0-9的ASCII码值分别是48-57
大写字母：A-Z的ASCII码值分别是65-90
小写字母：a-z的ASCII码值分别是97-122
标点符号：常见的标点符号的ASCII码值如下：
句点（.）：ASCII码值是46
逗号（,）：ASCII码值是44
冒号（:）：ASCII码值是58
控制字符：ASCII码值从0到31的字符被称为控制字符，它们用来控制打印机、终端等设备的行为，如换行符（ASCII码值是10）和回车符（ASCII码值是13）等。
注意ASCII表查询网站：https://www.asciim.cn/

五、汉字字符编码

我国于1980年颁布了汉字编码的国家标准，目的是使每个汉字都有一个全国统一的代码，这个二进字代码就叫做汉字国标码。国标码由一个4位16进制数，表示在我国汉字代码标准GB2312-80中规定了6763个常用汉字的二进制编码，每个汉字采用两个字节表示。
国家规定了一个 94×94的方阵，其中每一行叫做一个区，每一列叫做一个位，组合起来就成了区位码，区位码由一个4位的十进制数表示。
汉字机内码简称“内码”是计算机中储存汉字的编码，类似于ASCII码，所以常被人们称为汉字ASCII码。汉字国标码区位码和汉字机内码是汉字编码中非常重要的概念。

重点：汉字机内码=汉字国标码+（8080）H

汉字字符编码是指将汉字字符通过数字编码的方式进行表示。目前常用的汉字字符编码有 GB2312、GBK、GB18030、BIG5、Unicode 等。
GB2312 是中国国家标准简体中文字符集，其中收录了6763个常用汉字和682个非汉字字符，采用两个字节表示一个汉字。
GBK 是在 GB2312 的基础上进行扩展的字符集，其中收录了21886个常用汉字和其他非中文字符。GBK 同样采用两个字节表示一个汉字。
GB18030 是中国国家标准的字符集，收录了27484个汉字和678个特殊符号，采用一至四个字节表示一个字符，可以表示所有的汉字字符。
BIG5 是台湾地区最常用的字符编码，收录了13053个汉字，采用两个字节表示一个汉字。
Unicode 是国际通用的字符编码，收录了世界上几乎所有的字符，包括汉字在内。Unicode 采用不同的编码方式，其中最常用的是 UTF-8 和 UTF-16。UTF-8 是一种可变长度编码，使用一至四个字节表示一个字符，适用于全球范围内的字符表示。UTF-16 则是使用两个或四个字节表示一个字符，适用于较多使用双字节字符的亚洲语言。

六、操作系统

1.操作系统的发展

操作系统的发展的几个阶段

阶段名称阶段特征
手工操作
手工操作就是需要手动来操作计算机工作（没有操作系统）

批处理系统计算机能自动地、成批处理一个或多个用户作业（作业指程序，数据、命令）的系统
多道程序系统同时将多个相互独立的程序放到计算机内存中，在管理程序控制下，使它们相互交叉运行的系统。
分时操作系统分时系统是一个多用户交互的操作系统的。通常采用时间片轮转策略为用户服务。
个人计算机操作系统个人计算机操作系统是联机交互的单用户操作系统。

2.进程管理

进程是指具有一定独立功能的程序关于某个数据集的一次运行活动。进程是程序的执行过程，它具有一定的生命周期，正常情况下，一个进程并不是始终处于运行状态的。所以，根据进程状态的不同，可以将其划分为运行状态、就绪状态、阻塞状态、创建状态和终止状态。

3.存储管理

管理类型	内容及特点
连续存储管理	根据分区的大小是否可以固定，可分为固定分区和可变分区（动态分区）。固定分区管理简单，对硬件要求较低，但容易产生内部碎片。可变分区能有效地避免每一个分区对存储空间利用不充分的问题，但容易产生外部碎片。
分页式存储管理	能有效地解决碎片问题，内存利用率较高，内存的分配和回收算法也比较简单；但增加了硬件成本，同时也降低了处理机的速度。
分段式存储管理	能够有效地解决程序员编程、用户资源共享和信息安全保护等问题。
段页式存储管理	结合了分页式存储管理和分段式存储管理的优点，提高了内存的利用率并实现了段的共享。
虚拟存储管理	是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统，它使得存储系统拥有接近外存的容量和接近内存的访问速度。

4.文件管理

计算机中的数据通常是以文件的形式存储在磁盘或者其他存储介质上，同时计算机要将自身的数据或程序传递给用户，也是以文件的形式来传递的。文件管理主要涉及文件逻辑组织结构、物理组织结构、目录结构的管理。

文件目录是一种数据结构，用来标识系统中的文件及其物理地址。

根据组织结构，文件目录分为单级目录、二级目录、多级层次目录、图状结构目录和无环图状结构目录。

操作系统的文件管理是指操作系统如何组织、访问和管理计算机上的文件资源。文件是计算机存储的基本单位，文件管理则是对计算机上的文件进行创建、删除、读取、写入等操作的管理。

以下是操作系统文件管理的一些重要概念和功能：

文件系统：文件系统是操作系统用于组织和管理文件的一种机制。它定义了文件的结构、命名规则、存储位置和访问权限等。

文件目录：文件目录是用来存储文件和目录信息的数据结构。它通常以树状结构的形式展现，可以通过目录路径来访问文件。

文件操作：包括文件的创建、打开、关闭、读取、写入和删除等操作。操作系统为应用程序提供了一组系统调用来进行文件操作。

文件属性：文件属性是指文件的一些描述信息，如文件名、文件类型、大小、创建时间、修改时间和访问权限等。

文件共享：文件共享是指多个用户可以同时访问和修改同一个文件。操作系统通过锁定机制来保证文件共享的一致性和完整性。

文件保护：文件保护是指对文件的访问权限进行控制和管理。操作系统通过给文件设置访问权限和用户身份验证来保护文件的安全性。

空间管理：文件管理还包括对存储空间的分配和管理。操作系统负责将文件存储在磁盘或其他存储介质上，并进行空间的分配和回收。

文件备份和恢复：操作系统可以提供文件备份和恢复功能，以防止文件丢失或损坏。通过备份文件，可以在文件丢失或损坏时恢复文件的内容。

操作系统的文件管理功能对于计算机用户来说非常重要，它可以提高文件的组织性、安全性和可靠性。

5.I/O设备管理

”I/O“即“输入输出”【Input/Output】

I/O设备管理是指操作系统对输入输出设备的管理和控制。输入输出设备是计算机系统与外部环境交换信息的接口，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

操作系统通过设备管理器来管理和控制输入输出设备。设备管理器负责检测和识别设备、分配和调度设备资源、建立设备驱动程序和设备控制块等。设备驱动程序是连接操作系统和设备的软件接口，负责将来自操作系统的命令转换为设备可识别的指令，同时将设备的响应转换为操作系统可理解的形式。

设备控制块是设备管理的数据结构，用于记录设备的状态、设备队列信息、设备驱动程序地址等。操作系统通过设备控制块来管理和控制设备的使用和访问。

I/O设备管理的主要任务包括设备的初始化、设备的分配和回收、设备的调度和控制等。设备的初始化是指将设备的寄存器和控制器等初始化为特定的状态，以便接收和传输数据。设备的分配和回收是指根据用户的请求分配和回收设备资源，防止多个用户同时访问同一设备造成冲突。设备的调度和控制是指根据设备的特性和需求，对设备的访问进行调度和控制，以提高系统的性能和效率。

总之，I/O设备管理是操作系统中重要的功能之一，通过对输入输出设备的管理和控制，实现计算机系统与外部环境的高效交互和数据传输。

下一章节内容

阶段名称	阶段特征
手工操作	手工操作就是需要手动来操作计算机工作（没有操作系统）
批处理系统	计算机能自动地、成批处理一个或多个用户作业（作业指程序，数据、命令）的系统
多道程序系统	同时将多个相互独立的程序放到计算机内存中，在管理程序控制下，使它们相互交叉运行的系统。
分时操作系统	分时系统是一个多用户交互的操作系统的。通常采用时间片轮转策略为用户服务。
个人计算机操作系统	个人计算机操作系统是联机交互的单用户操作系统。