第一章:计算机基础知识

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·审核大大不要给我限流哇(*´д`*)

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目录

一、计算机发展历史

[1.1 计算机的诞生](#1.1 计算机的诞生)

计算机发展代际:

[1.2 中国计算机发展](#1.2 中国计算机发展)

二、计算机系统组成

[2.1 计算机硬件系统](#2.1 计算机硬件系统)

冯·诺依曼体系结构(五大部件):

中央处理器(CPU):

存储器层次结构:

[2.2 计算机软件系统](#2.2 计算机软件系统)

三、数据表示与计算

[3.1 数制转换](#3.1 数制转换)

常用数制:

数制转换方法:

[3.2 数据存储单位](#3.2 数据存储单位)

[3.3 数值编码](#3.3 数值编码)

四、信息与编码

[4.1 字符编码](#4.1 字符编码)

Unicode编码:

汉字编码:

[4.2 多媒体信息编码](#4.2 多媒体信息编码)

图像编码:

音频编码:

视频编码:

五、网络基础

[5.1 网络分类](#5.1 网络分类)

按拓扑结构分类:

[5.2 网络协议](#5.2 网络协议)

TCP/IP协议族:

IP地址:

[5.3 网络安全](#5.3 网络安全)

常见威胁:

安全措施:

六、计算机语言

[6.1 语言分类](#6.1 语言分类)

机器语言:

汇编语言:

高级语言:

[6.2 语言处理过程](#6.2 语言处理过程)

编译方式:

解释方式:

混合方式:

七、计算机应用领域

[7.1 科学计算](#7.1 科学计算)

[7.2 数据处理](#7.2 数据处理)

[7.3 过程控制](#7.3 过程控制)

[7.4 计算机辅助](#7.4 计算机辅助)

[7.5 人工智能](#7.5 人工智能)

八、计算机发展趋势

[8.1 当前热点技术](#8.1 当前热点技术)

[8.2 未来展望](#8.2 未来展望)

学习建议


一、计算机发展历史

1.1 计算机的诞生

第一台电子计算机**ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)**于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生,重达30吨,占地170平方米,使用了约18000个电子管,每秒可执行5000次加法运算。它的诞生标志着人类进入了电子计算机时代。

计算机发展代际:
  • 第一代(1946-1957):电子管计算机,体积庞大、功耗高、可靠性差

  • 第二代(1958-1964):晶体管计算机,体积缩小、功耗降低、可靠性提高

  • 第三代(1965-1970):集成电路计算机,体积进一步缩小、性能大幅提升

  • 第四代(1971至今):大规模集成电路计算机,个人计算机普及,进入网络时代

1.2 中国计算机发展

中国第一台电子计算机"103机"于1958年研制成功,每秒运算30次。1983年,"银河一号"巨型计算机研制成功,标志着中国成为世界上少数能研制巨型机的国家之一。

二、计算机系统组成

2.1 计算机硬件系统

冯·诺依曼体系结构(五大部件):
  • 运算器:执行算术运算和逻辑运算

  • 控制器:控制各部件协调工作

  • 存储器:存储程序和数据

  • 输入设备:键盘、鼠标、扫描仪等

  • 输出设备:显示器、打印机、音响等

中央处理器(CPU):

计算机的核心部件,由运算器和控制器组成,主要性能指标包括主频、字长、核心数等。

存储器层次结构:
  • 高速缓存(Cache):速度最快,容量最小

  • 内存(RAM):临时存储正在运行的程序和数据

  • 外存:硬盘、U盘、光盘等,容量大、速度慢

2.2 计算机软件系统

系统软件:

  • 操作系统:Windows、macOS、Linux等,管理计算机硬件和软件资源

  • 语言处理程序:编译器、解释器,将高级语言转换为机器语言

  • 数据库管理系统:MySQL、Oracle等,管理数据资源

应用软件:

  • 办公软件:Word、Excel、PowerPoint

  • 图像处理软件:Photoshop、CorelDRAW

  • 多媒体软件:Premiere、Audition

三、数据表示与计算

3.1 数制转换

常用数制:
  • 二进制(Binary):基数为2,使用0和1表示

  • 八进制(Octal):基数为8,使用0-7表示

  • 十进制(Decimal):基数为10,使用0-9表示

  • 十六进制(Hexadecimal):基数为16,使用0-9和A-F表示

数制转换方法:
  • 二进制转十进制:按权展开求和

  • 例:(1011)₂ = 1×2³ + 0×2² + 1×2¹ + 1×2⁰ = 8 + 0 + 2 + 1 = 11

  • 十进制转二进制:除2取余,倒序排列

  • 例:11 ÷ 2 = 5 余1,5 ÷ 2 = 2 余1,2 ÷ 2 = 1 余0,1 ÷ 2 = 0 余1 → (1011)₂

3.2 数据存储单位

  • 位(bit):最小的存储单位,表示0或1

  • 字节(Byte):8个二进制位,基本存储单位

  • 千字节(KB):1024字节

  • 兆字节(MB):1024KB

  • 吉字节(GB):1024MB

  • 太字节(TB):1024GB

3.3 数值编码

原码、反码、补码:

  • 原码:最高位为符号位,0表示正数,1表示负数

  • 反码:正数反码与原码相同,负数反码为原码除符号位外按位取反

  • 补码:正数补码与原码相同,负数补码为反码加1

补码的优势:解决了0的表示问题,简化了加减法运算。

四、信息与编码

4.1 字符编码

ASCII码(美国信息交换标准代码):

  • 使用7位二进制数表示128个字符

  • 包括英文字母、数字、标点符号和控制字符

  • 例如:'A'的ASCII码是65(01000001),'a'是97(01100001)

Unicode编码:
  • 统一字符编码标准,支持全球所有语言的字符

  • 常用UTF-8编码,兼容ASCII码,变长编码(1-4字节)

汉字编码:
  • GB2312:中国国家标准,收录6763个汉字

  • GBK:扩展GB2312,收录21003个汉字

  • GB18030:最新国家标准,支持所有汉字

4.2 多媒体信息编码

图像编码:
  • 位图:记录每个像素的颜色信息,文件较大

  • 矢量图:记录图形的数学描述,放大不失真

  • 常见格式:BMP、JPEG、PNG、GIF

音频编码:
  • 采样:将模拟信号转换为数字信号

  • 量化:将采样值转换为二进制数

  • 编码:按照一定格式存储

  • 常见格式:WAV、MP3、AAC

视频编码:
  • 由连续的图像帧组成

  • 利用帧间压缩减少数据量

  • 常见格式:AVI、MP4、MOV

五、网络基础

5.1 网络分类

按覆盖范围分类:

  • 局域网(LAN):覆盖范围小,如家庭、办公室网络

  • 城域网(MAN):覆盖一个城市

  • 广域网(WAN):覆盖范围广,如互联网

按拓扑结构分类:

  • 总线型、星型、环型、树型、网状型

5.2 网络协议

TCP/IP协议族:
  • 应用层:HTTP、FTP、SMTP、DNS等

  • 传输层:TCP(可靠传输)、UDP(不可靠传输)

  • 网络层:IP、ICMP、ARP等

  • 网络接口层:以太网、Wi-Fi等

IP地址:
  • IPv4:32位二进制数,点分十进制表示(如192.168.1.1)

  • IPv6:128位二进制数,解决IPv4地址枯竭问题

域名系统(DNS):将域名转换为IP地址,如"www.baidu.com" (www.baidu.com) → 220.181.38.148

5.3 网络安全

常见威胁:
  • 病毒、木马、蠕虫

  • 黑客攻击、拒绝服务攻击

  • 网络钓鱼、信息泄露

安全措施:
  • 安装杀毒软件和防火墙

  • 定期更新系统和软件

  • 使用强密码,不随意点击不明链接

  • 重要数据定期备份

六、计算机语言

6.1 语言分类

机器语言:
  • 由0和1组成的二进制代码

  • 计算机能直接识别和执行

  • 执行效率最高,但编写困难

汇编语言:
  • 使用助记符代替机器指令

  • 需要通过汇编程序转换为机器语言

  • 与硬件关系密切,执行效率高

高级语言:
  • 接近自然语言,易于学习和使用

  • 需要通过编译或解释转换为机器语言

  • 如C、C++、Java、Python、JavaScript等

6.2 语言处理过程

编译方式:
  • 源代码 → 编译器 → 目标代码(机器语言)

  • 执行时直接运行目标代码

  • 执行效率高,但跨平台性差

  • 代表语言:C、C++

解释方式:
  • 源代码 → 解释器 → 逐行解释执行

  • 执行效率较低,但跨平台性好

  • 代表语言:Python、JavaScript

混合方式:
  • 源代码 → 编译为中间代码 → 虚拟机解释执行

  • 兼顾执行效率和跨平台性

  • 代表语言:Java

七、计算机应用领域

7.1 科学计算

  • 天气预报、地震预测

  • 航空航天、核能研究

  • 生物信息学、药物研发

7.2 数据处理

  • 企业管理信息系统

  • 电子商务、电子政务

  • 大数据分析、人工智能

7.3 过程控制

  • 工业自动化控制

  • 智能家居、物联网

  • 机器人技术

7.4 计算机辅助

  • CAD:计算机辅助设计

  • CAM:计算机辅助制造

  • CAE:计算机辅助工程

  • CAI:计算机辅助教学

7.5 人工智能

  • 机器学习、深度学习

  • 自然语言处理

  • 计算机视觉

  • 智能推荐系统

八、计算机发展趋势

8.1 当前热点技术

云计算:通过网络提供计算资源和服务,按需使用、按量付费

大数据:海量数据的采集、存储、分析和应用

物联网:万物互联,实现智能化识别和管理

人工智能:让计算机模拟人类智能,实现自主学习

区块链:去中心化的分布式账本技术,确保数据不可篡改

8.2 未来展望

量子计算:利用量子力学原理进行计算,处理能力远超传统计算机

生物计算:利用生物分子进行计算,具有并行处理能力

脑机接口:实现人脑与计算机的直接通信

虚拟现实/增强现实:创造沉浸式体验,改变人机交互方式

学习建议

亲爱的同学,计算机基础知识是学习任何计算机相关课程的基石。建议你:

  1. 建立知识体系:理解计算机系统的整体架构,掌握各组成部分的功能和关系

  2. 注重概念理解:不要死记硬背,要理解每个概念的含义和应用场景

  3. 理论联系实际:结合日常使用计算机的经验,加深对理论知识的理解

  4. 关注技术发展:计算机技术更新换代快,要关注最新技术动态

  5. 培养计算思维:学会用计算机的思维方式分析和解决问题


学习计算机知识是一个循序渐进的过程,不要急于求成。

遇到不懂的概念,可以多查阅资料、多思考,也可以和同学讨论。相信通过努力,你一定能够掌握这些基础知识,为后续的学习打下坚实的基础!

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