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  1. 🧬计算机应用基础笔记（一）
  2. 🎣计算机应用基础笔记（二）
开始学习前，先来听猫猫唱歌吧！🎶

计算机硬件

计算机基本信息

  1. 现代计算机硬件组成：CPU，内存，外存，输入/输出设备。通过总线相连
    主机：cpu+内存+总线
    外围设备：输入设备+输出设备+外存储器

  2. 磁卡，条形码，IC卡的扫描器/阅读器为输入设备（用于输入文字符号）

    硬盘，U盘，光盘不是输入设备，它们都是外部存储设备

    不论输入设备的信息原始形态如何，输入到计算机的信息都用二进位表示。
    输出设备将计算机中的二进位信息转换成人可识别的形式（文字，图形，符号等）

  3. 现代计算机一般包含有多个（微）处理器，CPU是用与执行系统软件和应用软件的处理器
    但CPU是处理器，’处理器却不一定是CPU’

  4. 存储器:
    功能：储存以二进制形式表示的程序和数据
    存储器分类：CPU能否直接访问

    分类 内存 外存
    存取速度 很快 较慢
    存储容量 较小 很大
    性质 断电后信息消失 断电后信息保存
    用途 存放已经启动运行的程序和
    需要立即处理的数据    		 长期存放计算机系统中
    几乎所有的信息
    与CPU关系 CPU能直接访问 先送内存，然后才能访问

    小结：任何程序，只有在内存中，才能运行

  5. 总线：

    • 功能：

      用于连接CPU，内存，外存控制器和各种I/O设备的控制器并在他们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路

    • 分类：处理器总线（cpu总线），存储器总线，系统总线和外部总线

      系统总线（I/O总线）：连接内存和I/O控制器的总线
      I/O设备通过I/O接口与各自的控制器相连，也通过各自的控制器与I/O总线相连

    • 总线带宽不是总线宽度，带宽是指单位时间内传送的数据量

  6. CPU的逻辑结构：CPU由运算器，控制器，存储器三部分组成
    CPU是运算器和控制器的总称

    • 冯·诺依曼计算机结构与原理："存储程序控制原理" ———也是现代计算机的工作原理
    • 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令
    • 程序和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中

      关于指令
      指令：是构成程序的基本单位。由操作码和操作数组成，其中操作码决定了操作数的数量，操作码必须有，后者可以没有
      指令的执行过程：取指令->指令译码->执行指令->保存
      cpu可执行的全部指令称为cpu的指令系统，所以机器语言就是指令系统
      如何衡量计算机和cpu的性能？
      1. 计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢
      2. 计算机性能由许多因素决定：CPU，内存，硬盘，显卡..CPU通常为主要因素
      3. cpu的性能高低主要表现为cpu的速度（两种方法），详细见下文
      ① 计算每秒可执行的指令数目（单位：MIPS）
      ② PC大多使用软件测试性能

  7. 影响CPU性能的主要因素

    • 字长（位数）:指通用寄存器和定点运算器的宽度（通常为8的倍数:64位）字长越长，运行程序的速度越快

      关于字长 计算机最小的存储单位：Byte（字节）1B=8bit
      若计算机字长为4个字节，泽定点运算器和寄存器为32位

    • 指令系统

    • 逻辑结构

    • 高速缓存（cache）的容量和结构.cache越大，命中率越高，有利于CPU发挥工作效率。

    • 主频（cpu内部时钟频率）单位一般为Hz.主频越高，执行一条指令的时间越少。运行程序的速度越快.

    • CPU总线速率：cpu总线速率越高，CPU等待从内存取指令和数据时间越少。运行程序速度越快。

      小结：提高cpu性能的措施

      扩展CPU的字长:32位->64位
      扩充CPU的指令系统
      提高CPU主频：从1.5Gz提升至3Gz以上，目前最高已接近4Ghz
      加快CPU前端总线的数据传输速率
      增大高速缓存容量，增加cache级数
      改进CPU的内部逻辑结构
      采用多内核结构

集成电路（IC）

  1. 微电子技术的核心是集成电路
  2. 发展与计算机类似：电子管->晶体管->中小规模集成电路->超大规模集成电路
  3. 集成电路的特点：体积小，重量轻，功耗小，成本低，速度快，可靠性高
  4. 摩尔定律：单块集成电路的集成度平均每18-24个月翻一番。摩尔定律不可能永远成立
  5. 集成电路按用途分为：
    • 通用集成电路（cpu芯片，存储芯片等）
    • 专用集成电路（手机芯片，洗衣机芯片，数码相机芯片等）
      集成电路按功能分为：数字集成电路 和 模拟集成电路
      集成电路按晶体管结构，电路和工艺分为： 双极性电路，金属氧化物半导体电路
  6. IC卡：集成电路卡，它把集成电路密封在塑料卡基片内，使其成为存储信息，处理和传递数据的载体
  7. IC卡的分类（按芯片分类）：
    • 存储器卡：信息可长期保存，也可通过读卡器改写。用于安全性要求不高的场合如电话卡，公交卡，医疗卡等
    • cpu卡：处理能力强，保密性能好。常用作证件和信用卡使用（手机的SIM卡就是一种特殊的cpu卡cpu卡自带操作系统
  8. IC卡的分类（按使用方式分类）：
    • 接触式IC卡，如电话IC卡：使用时须将卡插入读卡机；用于信息量大，读写操作复杂的场合。但易磨损，怕脏，寿命较短
    • 非接触式IC卡，如射频卡，公交卡等感应卡；操作方便，快捷，采用全密封胶固化，使用寿命长，一般用于读写信息较简单的场合
    • 双界面卡：同时兼备接触和非接触两种界面通信的多功能卡

PC主机的组成

  1. 主板：又称母板，计算机最重要的部件之一
    作用：安装所有的电子器件,电路与连接件
    组成：一般有BIOS组件，I/O控制芯片，键盘和面板控制开关接口，指示灯连接件等..

  2. 芯片组:是主板电路的核心部件。功能主要是存储控制和I/O控制
    作用：是PC机各组成部分相互链接和通信的枢纽。实现了系统总线功能
    组成：由南桥芯片（I/O控制中心）和北桥芯片（存储控制中心）组成
    cpu的时钟信号由芯片组提供
    主板的功能，性能由芯片组决定。任何有相同芯片组的主板，其功能性能特性大致相同。由于集成电路集成度越来越高，为降低版本，芯片组继承了越来越多的功能（包括网卡，显卡，声卡功能）

  3. BIOS(Basic Input/Output System):中文名“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器ROM芯片中的一组机器语言程序（属于系统软件）
    特点：断电后，保存的信息不会消失
    功能: 诊断计算机故障，启动计算机工作，控制基本外设输入输出操作
    BIOS芯片中包含的程序

    • 加电自检程序（POST） ——用于检测计算机硬件故障
    • 系统自举程序（BOOT） ——从外存中读入引导程序，完成操作系统启动
    • CMOS设置程序
    • 常用外部设备的驱动程序

  4. CMOS
    特点：是易失性存储器RAM，停电后由主板上的纽扣电池供电，否则数据会丢失，只存放一些基本数据，不放程序。

  5. 内存储器

    • DDR内存数据传输率计算： 数据传输率即内存带宽，只单位时间通过内存的数据量。以GB/s表示
    • 计算公式：内存带宽=工作频率 * 位宽/8
    • 内存DRAM种类：SDRAM,DDR SDRAM,DDR2 SDRAM…后者是前者速度的两倍

  6. I/O控制与I/O接口
    输入任务:将输入设备的输入信息送到内存储器的指定区域
    输出任务:将内存储器的指定内容送出到输出设备
    I/O操作特点：I/O操作设备工作速度比CPU慢的多
    因此:
    I/O操作与CPU的运算可同时进行
    多个I/O设备操作也可同时进行工作

    那是当然的喽，不然你键盘鼠标一次只能用一样还得了（笑）

    每类I/O设备都有各自的控制器，独立控制I/O操作全过程

    存储器速度（由快到慢） 寄存器>cache存储器>主存储器>外存储器>后备存储器

    • I/O设备通过I/O接口与主机相连
    • I/O设备通过I/O接口与I/O控制器相连
    • I/O设备通过I/O控制器与总线相连

常用输入设备

  1. 键盘
    有机械式（早期使用）和电容式（目前主流）
    采用的接口类型：PS/2接口，USB接口，无线接口

  2. 鼠标器
    按键功能由正在运行的软件决定
    有机电式鼠标和光电型鼠标（目前主流）
    采用的接口类型：同键盘

  3. 扫描仪
    作用：将原稿（照片，图片，书稿）输入到计算机；输入到计算机的是原稿的"图像"
    在专业排版领域使用最广泛的扫描仪：胶片扫描仪和滚筒扫描仪
    扫描仪主要性能指标：光学分辨率，色彩位数，扫描幅面，与主机的接口类型

  4. 数码相机

  5. 数字摄像头

  6. 笔输入设备

常用输出设备

  1. 显示器
    工作原理:将数字信号转换为光信号，使文字和图像在屏幕上显示出来
    分类：CRT（阴极射线管显示器）,LCD（液晶显示器）

  2. 显卡
    分类：集成显卡还有人用集显打游戏？，独立显卡比如你最喜欢的4090。一般使用PCI-E*16接口

  3. 打印机
    分类：针式打印机（又称击打式打印机）；激光打印机，喷墨打印机（这两又统称为非击打式打印机）

    • 针式打印机：
      工作原理：钢针垂直排列，每次击打打印一个字符的一列（有争议，有观点说是一排）;一般用于银行，证券，邮电，商业等打印存折和票据等
    • 激光打印机：
      工作原理：激光技术和复印技术的结合（❗注：不是打印技术！）一般用于办公室和家庭使用
    • 喷墨打印机

    打印机性能指标：打印精度（分辨率，单位为api），打印速度（页数/分钟，单位ppm），色彩表现能力，打印幅面，打印成本

外存储器（外存）

  1. 硬盘（由磁道和扇区组成）
    功能：长期保存二进制信息
    特点：可读可写，容量很大，可靠性高，成本极低
    分类：机械硬盘，固态硬盘，移动硬盘

    这里有张图片：
    固态硬盘（SSD）
    移动硬盘
    机械硬盘

    机械和固态最主要区别：固态存取速度比机械要快
    接口类型：前些年使用：并行ATA(PATA)接口；当前流行：串行ATA(SATA)接口
  2. U盘，存储卡
    U盘：属于半导体集成电路存储器,采用USB接口说了句废话
    存储卡：原理与U盘相同，采用印刷接口
  3. 光盘存储器
    分类：CD(红外光，650MB)；DVD（红光，大于等于4.7GB）;BD(蓝光，大于等于25GB)

信息在计算机中的表示

  1. 比特（bit）中文译为”二进制数字”，”二进位”简称”位”，用小写字母b表示
    比特只有两种取值0，1（三无：无重量，无颜色，无大小）
    比特是组成数字信息的最小单位

    1KB=2^10B=1024B
    1MB=2^20B=1024KB
    1GB=2^30B=1024MB
    …

    外存储器容量常用10的幂次来计算
    1KB=10^3B=1000B
    1MB=10^6B=1000KB
    1GB=10^9B=1000MB
    …

    比特的传输：传输速率表示每秒钟可传输的二进位数目
    常用单位：比特/秒（b/s），也称”bps”如2400bps(2400b
    /s)
    千比特/秒（kb/s） 1kb/s=10^3b/s=1000b/s

  2. 常用进制

    • 十进制（0，1，2···9），标志：尾部加D或缺省
      例：204.96=2x10^2+0x10^1+4x10^0+9x10^-1+6x10^-2
    • 二进制（0，1），标志：尾部加B
      例：101.01B=1x2^2+0x2^1+1x2^0+0x2^-1+1x2^-2=5.25
    • 八进制（0，1，2…7）,标志：尾部加Q
    • 十六进制（0，1，2…A,B…F）,标志：尾部加H
      例：F5.4H=15x16^1+5x16^0+4x16^-1=245.25
      不同进制间的相互转换

      十进制转二进制：
      整数部分：除以2 逆序取余
      小数部分：乘以2 顺序取整
      十进制转二进制
      二进制转八进制和十六进制，偷个懒直接上图吧
      421和8421法则

  3. 整数编码表示

    • 无符号整数的表示：采用自然码表示，直接二进制展开
    • 取值范围：8位无符号整数的表示范围是0~255（(2^8)-1）

      无符号n位二进制表示范围：0-2^(n-1)
      无符号n位原码表示范围：-2^(n-1)+12^(n-1)-1
      无符号n位补码表示范围：-2^(n-1)      2^(n-1)-1
      无符号n位反码表示范围：-2^(n-1)+1~2^(n-1)-1
      重要规律
      1.若一个十进制数是(2^n)-1,则化成二进制数则是:1…1（n个1）
      2.1000…0（1后面有n个0），其值为2^n
      看晕了？没事，我也晕了；可是这玩意就是很重要233

  4. 原码，反码与补码（符号位为0表示正数，为1表示负数）

    • 原码：正数的原码等于反码等于补码
    • 反码：对正数来说，其反码和原码形式相同；对负数来说，反码为其原码数值部分各位取反，符号位不变
      例：1001的反码:1110（符号位不变，其余位取反）
    • 补码：正数的补码为其本身补码的补码即为原码
      负数如何用补码表示：1.先把绝对值表示为自然码 2.将自然码每一位取反码 3.在最低位加1
      上例子：[-43]用8位补码表示
      ①-43转换成二进制原码为10101011
      ②取反码: 11010100
      ③加一： 11010101
    • 0在原码和反码中有两种表示，在补码中只有一种表示方式。
      0在原码反码补码的表示

      补码运算时要注意的问题：
      1.补码运算时，其符号位与数值部分一起参与运算
      2.补码的符号位相加后，如果有进位出现，要把这个进位舍去（自然丢失）
      3.用补码运算，其结果亦为补码；在转换为真值时，其符号位为0，数位不变；若符号位为1，应将结果求补才是其真值

补充

  1. 二进制的表示逻辑
    真用1表示,假用0表示
    逻辑乘法（逻辑与运算）：运算符（and ^）,运算规则：按位运算，全1为1，否则为0
    逻辑加法（逻辑或运算）：运算符（or v）,运算规则：按位运算，全0为0，否则为1
    逻辑否定（逻辑非运算）：运算符（not -）,运算规则：按位运算，1取反为0，0取反为1
    异或运算：运算符（⊕）,运算规则：相同为0，否则为1
  2. 计算机使用二进制的原因之一是具有2个稳定状态的电子器件比较容易制造
  3. 定点数和浮点数
    • 定点数可以表示整数或小数（由小数点的位置决定）
    • 浮点数纯小数部分(尾部)越长,精度越高
  4. 半导体存储器分为RAM和ROM
    RAM又分为SRAM(静态随机)和DRAM(动态随机)
    SRAM DRAM
    不需要刷新 每10~100ms刷新一次
    读写速度较快 读写速度较慢
    电路相对复杂 电路相对简单
    集成度低 集成度高
    能耗低 能耗高
    成本较高 成本较低
    一般用于cache存储器 一般用于主存
    硬盘的CACHE主要由DRAM组成
  5. 计算机启动顺序：POST->自举程序->引导程序->操作系统
  6. CD: CD-ROM（只读），CD-R(限写一次可写多次),CD-RW（可擦写）
  7. 硬盘中不同磁道上所有扇区能存储的数据量是相同的，存取密度不同
  8. 左移与右移
    • 左移表示扩大，每左移n位就是原来的m^n倍，m为进制基数，逻辑左移与算术左移都是在末尾添0
    • 右移表示缩小，每右移n位就是原来的1/m^n倍，m为进制基数，逻辑右移，右移后左边补0，算术右移，右移后左边补对应符号位
  9. 软件容量的计算：软件容量=磁道数x扇区数x盘面数x每扇区存区数
  10. 内存寻址范围取决于地址线位数的多少（n），可寻址空间为2^n（0也算），所以可寻址范围为0~(2^n)-1
  11. 地址总线的位数直接决定了CPU可直接寻址的空间大小
  12. 硬盘的平均等待时间计算公式=磁盘旋转一圈时间的一半=60/转速
    平均存取时间=寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间
  13. 硬盘上的一个扇区要用三个参数进行定位，分别是：柱面号，磁头号，扇区号
  14. 通信技术主要用于扩展人的神经系统传递信息的功能
  15. 指令计数器：用来存取CPU正在执行指令的地址
    指令寄存器：用来保存当前正在执行的指令
  16. 集成度分类：（由小到极大）SSI,MSI,LSI,VLSL,ULSL
  17. 南桥：I/O控制中心；北桥：存储控制中心
  18. cache中的数据是内存的映射
  19. PC机中，管理I/O设备运行全过程是I/O控制器
  20. 磁道是由里向外的同心圆；每个同心圆是一个磁道
  21. 十进制转二进制无法实现精确转换
  22. USB2.0用4线接口；USB3.0用6线接口
  23. 操作系统管理用户数据的单位是文件