计算机基础

前言

本文围绕计算机的发展以及计算机中信息的表示形式对计算机进行简述。

一.何为计算机（Computer）

在剑桥词典中，关于computer的词条是如此解释的：

一种电子机器，用于存储、组织和查找单词、数字和图片，进行计算和控制其它机器。

实际上，这是计算机最早的含义。自1946年以来，第一台通用电子计算机ENIAC诞生，计算机技术获得了迅猛发展。而计算机的含义也在不断扩大和丰富。

以下是不同的词条对计算机进行的解释：

在查询了不同的含义之后，我们发现计算机主要就是我们平常使用的电脑这一类的机器。

计算机是一门科学，也是一种自动、高速、精确地对信息进行存储、传送与加工处理的电子设备。它也是作为现代生活的刚需而存在的一种电子机器。

实际上我们现在看到的电脑已经是第四代计算机的成熟体，在这之前还有三代计算机。我们之所以能够使用当今如此迅速的计算机，能够拥有极高性能的显卡，实际上都离不开前人在计算机的发展商耗费的不知多少心血。

二.了解计算机的发展

计算机的发展可分为电子管计算机、晶体管计算机、中小规模集成电路计算机以及大规模及超大规模集成电路计算机四个阶段。

计算机的发展历史：

第一代：电子管计算机

起止年份：1946-1957

主要元器件：电子管

主存储器：泵延迟线或磁鼓

主要应用：科学计算（计算机最基本的应用）

第二代：晶体管计算机

起止年份：1958-1964

主要元器件：晶体管

主存储器：磁芯

主要应用：科学计算、工业控制

第三代：中小规模集成电路计算机

起止年份：1965-1970

主要元器件：中小规模集成电路

主存储器：半导体

主要应用：科学计算、文字处理、图形图像处理

第四代：大规模及超大规模集成电路计算机

起止年份：1971至今

主要元器件：大规模及超大规模集成电路

主存储器：集成度更高的半导体

主要应用：渗透到社会各个领域

计算机的发展趋势

实际上，计算机随着不断地进步和迭代，主要的进步体现在体积不断减小、价格越来越低、集成度不断提高、运算速度越来越快、也在逐渐走近日常生活中。

三.计算机的基本结构与工作原理

现代计算机基本结构的奠基人——冯·诺伊曼，对于计算机的基本结构拥有详细的解释。主要是以下三点：

1.计算机采用二进制为基础，而不是使用十进制

2.“存储程序控制”思想：鉴于二进制的基础，程序设计者需要将程序和数据以二进制的形式存放在计算机的存储器中，让计算机自动执行程序，从而完成预定工作。

虽然计算机技术发展很快，但存储程序原理至今仍然是计算机内在的基本工作原理。自计算机诞生的那一天起，这一原理就决定了人们使用计算机的主要方式——编写程序和运行程序。

3.计算机的硬件体系结构由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。它们也分别具备不同的功能：

运算器：执行指令以进行算术运算和逻辑运算。

控制器：作用是控制和调整计算机各部件协调地工作。运算器和控制器统称为中央处理器也就是CPU。

存储器：存放运行中的程序和数据，分为内存储器和外存储器两种。

输入设备：将数据输入到计算机中或由用户对计算机进行操作控制。

输出设备：将计算机处理的结果转换为用户熟悉的形式。

下图是计算机硬件体系结构以及工作流程图：

大致的工作流程可以类比为人类的行为流程：

人类用感觉器官感受到信息并接受信息至大脑，那么为了理解信息大脑就会进行运算和感知，当理解完成后又会通过说话或表情等一系列表达方式来进行输出。

而冯诺依曼体系结构的工作流程与其大同小异。

首先输入设备接收程序放入存储器中，

从存储器中取出程序指令送到控制器去识别分析其含义，

紧接着控制器发出指令要求运算器对程序进行运算，

当解码完成之后再传回存储器，存储器再由输出设备输出人类所能理解的形式的信息。

四.计算机的构成

计算机系统由硬件和软件两大组件构成。

1.硬件

A.主板

主板又称母板，是计算机其他组件的载体。主板主要由CPU插座、总线和总线扩展槽、输入输出接口等组成。

B.CPU

CPU作为“center processing unit”的缩写，中文名称为中央处理器。它包括运算器和控制器两部分，是计算机最核心的组成部分。CPU的速度主要取决于主频、核心数和高速缓存容量。这三个的指数越高，CPU性能就越好。

C.内存储器

也称为主存储器，注意，实际上电脑的内存储器是在主机板上的BIOS芯片中的，是区别于硬盘等外存储器的。

分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM

我们常说的内存指的就是RAM。它具有可读可写的特点，用于临时存储程序和数据，关机后数据就会自动消失

ROM

特点是只读取信息不写出信息，它通常用于存储信息从而使得信息永久保存而不受断电影响。

区分随机存储器和只读存储器只需要看所占的大小，一般所占容量小的是RAM，所占容量大的是ROM。比如手机的3GB+64GB、4GB+64GB、6GB+128GB，前者都是内存后者都是存储（闪存）；电脑也是如此，8GB+120GB、16GB+240GB（+3TB）。

D.外存储器

外存储器也称辅存储器，它实际上是由外界接入计算机的存储器。包括硬盘、光盘、U盘和移动硬盘等等。

硬盘

硬盘是固定在主机箱内的最主要的外存储器，计算机中大多数文件都存储在硬盘中。

硬盘主要有机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）两种类型。

机械硬盘主要采用磁性碟片存储数据，特点是存储容量大但读写速度慢，容量有1TB、2TB、4TB等

固态硬盘主要采用闪存颗粒存储数据，特点是存储容量小但读写速度快，容量有256GB、512GB、1TB等等。

我们现在买硬盘一般都是买的固态硬盘，因为够用而且读写速度够快。、

可移动存储设备

U盘和移动设备等属于可移动的存储设备，它们的特点就是方便可移动。

光盘和光驱

光盘用来存储需要移动或备份的数据。光驱用来读取或写入光盘数据。光盘和光驱实际上是40年前诞生的高密度存储介质，如今实际上已经被U盘等一系列可移动存储设备给取代了。

区分：

如何区别外存储器和内存储器呢？实际上内存储器和外存储器的主要区别在于其访问速度和存储容量。内存储器（RAM）是计算机用来临时存储数据和程序的地方，它具有快速的读写速度，但容量较小。外存储器（硬盘、固态硬盘、光盘等）用于长期存储数据和程序，其容量通常比内存储器大得多，但访问速度较慢。而且一般手机上只有内存储器而不具备硬盘磁盘等这些外存储器。

E.输入设备和输出设备

输入设备就是用户向计算机输入各种信息的设备。包括键盘、鼠标等等。

输出设备就是用于将计算机的各种计算结果转换为用户能够识别的形式并输出的设备。包括显示器、打印机等等。

2.软件

软件是指为计算机运行和工作服务的各种程序、数据及相关资料的总和。实际上硬件的存在是为了运行软件，而软件的存在是为了满足用户的需求。

计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。

A.系统软件

系统软件是管理和控制计算机软硬件资源的软件。它的存在使得硬件能够被带动和运行以支持计算机的使用，同时也是驱动计算机软件具备它所应该具有能力的原动力。系统软件又被分为以下几类

(1)操作系统

管理和控制计算机软硬件资源的平台。当我们第一次拥有了一台电脑的时候，肯定会感到疑惑它要如何运行的，其实就是在操作系统的帮助下，用户才无需直接操作计算机的硬件，从而实现操作；另一方面，计算机中所有的软件都是基于操作系统的基础才得以安装与服务。我们常见的操作系统有Windows、Linux、UNIX等等。

(2)数据库管理系统

数据库管理系统（DBMS）是一个软件，它允许用户创建、访问和管理数据库，它可以提供数据的存储、检索、更新和删除等功能。而数据库是一个存储和管理数据的系统，通常用于存储和管理大量的结构化数据。常见的数据库管理系统有MySQL、Visual FoxPro等等。

(3)语言处理程序

人们利用计算机解决具体问题，通常是需要通过程序实现，而计算机理解的一般并非我们人类所说的语言，而是有独特的计算机语言以便于它们的理解，包括机器语言、汇编语言和高级语言等等，常见的计算机语言有C++、C#和java等等。

B.应用软件

我们平常使用的app等就是应用软件。它是运行在操作系统之上，为了解决用户实际问题而编制的程序及相关资源的集合，QQ是通讯软件、office是办公软件等等。

其实还有需要注意的是，软件并不只是包括可以在计算机（这里的计算机是指广义的计算机）上运行的电脑程序，与这些电脑程序相关的文档一般也被认为是软件的一部分。

五.计算机的特点

1.运算速度快

举个简单的例子：一台现代计算机可以在一秒内执行数十亿次甚至数百亿次的计算，而人类在进行普通的心算时可能需要几秒钟或更长的时间。

实际上计算机最初的作用就是用于计算。那么如果要说它的特点，第一个肯定就是为了方便计算，那么运算速度必然也就要迅速了。

2.运算精度高

计算机的运算精度取决于机器的字长。，一个字中的二进制位的位数称为字长。计算机的底层进制就是二进制，也就是说它在进行运算时都是使用二进制的机制来进行，所以字长越长，运算精度就会越高。我们常说的8位、16位、32位、64位说的就是字长。

3.存储功能强

计算机能存储各个形式的数据，像数字、图像、音频等等。

4.具有逻辑判断能力

计算机底层的运行逻辑就是算法，然而算法实际上就是逻辑的一种体现。所以计算机能对信息进行识别、比较和判断也都是取决于计算机本身的逻辑判断能力。

5.自动化程度高

计算机内部的运算都是基于程序的控制以及代码的运行。操作者仅仅需要编写正确的程序，计算机就会根据现有的编程语言和知识来进行任务的完成。

六.计算机的分类

A.根据规模大小和功能强弱

1.巨型计算机

2.大型计算机

3,小型计算机

4.微型计算机：最常用的计算机，分为单片机、单板机、个人计算机（PC）等类型，个人计算机就是我们平常使用的台式、笔记本等等。

B.根据处理数据类型

1.数字

2.模拟

3.混合式

七.计算机的应用

1.科学计算（数值计算）

作为计算机最早的应用领域，科学计算解决的大多是公式复杂、难度极大的一些数学性计算类问题。在日新月异的时代，为了提高效率和准确度，科学计算是计算机不可或缺的一个重要功能

2.数据处理（信息处理）

计算机具有收集、加工、检索和管理各种数据的作用，我们使用的office、wps实际上也是基于数据处理的作用而衍生的软件。

3.自动控制

该应用大大促进了工业生产自动化技术的普及和提高。像工业机器人，流水线等一系列自动化的产品都是基于计算机的自动控制和程序的运行。

4.计算机辅助系统

(1)CAD（计算机辅助设计）

(2)CAM（计算机辅助制造）

(3)CAI（计算机辅助教学）

5.人工智能

人工智能作为近年来最火热的话题之一，实际上也是基于计算机的运算机制。它主要指用计算机软硬件系统来模拟人类某些智能行为，如感知、判断、学习、理解、解决问题等

chatgpt很牛，对吧？但如果它不是基于计算机的平台，它依旧是无法运行的。

6.多媒体应用

计算机可以结合问文本、图像等等多媒体来达到创新、提效、优化的作用。

7.计算机网络（Internet）

计算机网络是现代计算机技术与通信技术高度发展和密切结合的产物。在一个计算机网络中人们实现互联互通，达到通讯或者是资源共享等目的。具体介绍可见文章：计算机网络简述-CSDN博客