网站 后台 模板,宁德市区哪里好玩,网站开发尺寸,什么网站排名做的最好计算机基础知识#xff08;1#xff09;-- 概论背景篇
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计算机系统结构#xff1a;介绍计算机硬件组成和系统级编程的基础知识。操作系统1-- 概论背景篇
计算机概论是计算机科学领域的一门基础课程它旨在介绍计算机的基本概念、原理和应用。通常包括以下主题
计算机系统结构介绍计算机硬件组成和系统级编程的基础知识。操作系统介绍操作系统的基本概念和功能如进程管理、存储管理和文件系统。数据结构和算法介绍数据结构和算法的基本概念如数组、链表、树和图等。编程语言和编译器介绍编程语言的基本概念和语法以及编译器的工作原理。软件工程介绍软件开发的基本流程和方法如需求分析、设计、实现和测试等。计算机网络介绍计算机网络的基本概念和技术如TCP/IP协议、域名系统和网络安全等。
通常涵盖了计算机科学领域的基本概念和知识现主要从以下的几个方面进行表述也是主要学习理解的部分。
计算机的发展简史计算机的分类计算机的体系结构计算机的层次与编程语言计算机的计算单位计算机的字符与编码集
从以上的六个方面对计算机概论背景进行知识点的整理。
1.计算机发展简史
计算机的发展简史主要是分为以下的四个阶段以及第五个阶段未来的计算机。
1.1第一个阶段电子管计算机 第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂英国为了解密德国海军的密文 战争使用了飞机和火箭打得准则需要计算射击参数射击参数需要几千次运算才能计算出来没有计算机前需要人手算18000多个电子管运行耗电量150千瓦重量达30吨占地1500平方英尺集成度小空间占用大功耗高运行速度慢操作复杂更换程序需要接线
1.2第二个阶段晶体管计算机
贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管
4k内存每秒200,000指令配备512x512的显示器 集成度相对较高空间占用相对小功耗相对较低运行速度较快操作相对简单交互更加方便
1.3第三个阶段集成电路计算机
德州仪器的工程师发明了集成电路(IC)
计算机变得更小功耗变得更低计算速度变得更快
计算机具备进入千家万户的条件
1.4第四个阶段超大规模集成电路计算机 一个芯片集成了上百万的晶体管速度更快体积更小价格更低更能被大众接受用途丰富文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用
1.5第五个阶段未来的计算机
以蛋白质分子作为主要原材料的生物计算机
体积小效率高不易损坏生物级别的自动修复不受信号干扰无热损耗
遵循量子力学的物理计算机
2013年5月谷歌和NASA发布D-Wave Two2017年5月中国科学院宣布制造出光量子计算机2019年1月IBM展示了世界首款商业化量子计算机腾讯在2017年就组建了量子实验室 阿里巴巴在2017年成立了达摩院
1.6 微型计算机的发展历史
单核CPU — 受限于性能 多核CPU — 摩尔定律
集成电路的性能每18-24个月就会提升一倍
2.计算机分类
2.1超级计算机 功能最强、运算速度最快、存储容量最大的计算机 多用于国家高科技领域和尖端技术研究 标记他们运算速度的单位是TFlop/s 1TFlop/s每秒一万亿次浮点计算 Intel® Core™ i7-6700K CPU 4.00GHz 44.87 GFlop/s 44.87 GFlop/s 0.04487TFlop/s 世界前三截止2018年11月 名字 制造商 处理器 峰值速度 Summit IBM美国 2,397,824 200,795 TFlop/s 神威 太湖之光 中国 10,649,600 125,436 TFlop/s Sierra IBM美国 1,572,480 119,193 TFlop/s 中国前三截止2018年11月 名字 制造商 处理器 峰值速度 神威 太湖之光 国家并行计算机工程 技术研究中心 10,649,600 125,436 TFlop/s 天河二号 国防科大 3,120,000 33,862 TFlop/s 天河一号 国防科大 202,752 2,566 TFlop/s 2.2大型计算机 又称大型机、大型主机、主机等 具有高性能可处理大量数据与复杂的运算 在大型机市场领域IBM占据着很大的份额 COBOL编程语言 NASA 最后一台大型机 Red Hat Enterprise Linux 大型机造价高昂 去”IOE“ 是阿里巴巴提出的概念 代表了高维护费用的存储系统 不够灵活伸缩性弱
2.3迷你计算机服务器
也称为小型机普通服务器不需要特殊的空调场所具备不错的算力可以完成较复杂的运算
2.4工作站 高端的通用微型计算机提供比个人计算机更强大的性能类似于普通台式电脑体积较大但性能强劲
2.5微型计算机 又称为个人计算机是最普通的一类计算机 麻雀虽小、五脏俱全 从构成的本质上来讲个人计算机与前面的分类无异
3.计算机的体系与结构
3.1冯诺依曼体系
冯诺依曼体系是计算机科学中最重要的体系结构之一它的设计基于以下原则
存储程序计算机中的指令和数据都存储在同一个存储器中可以在程序运行时动态加载和执行。中央处理器CPUCPU是计算机的核心它执行指令和进行数据处理。算术逻辑单元ALUALU是CPU的一部分负责执行算术和逻辑操作。存储器计算机中的数据和指令都存储在存储器中可以在程序运行时随时读取和写入。输入输出设备计算机可以通过输入设备如键盘和鼠标向程序输入数据通过输出设备如显示器和打印机向用户输出结果。
冯诺依曼体系结构被广泛应用于现代计算机系统中它提供了一种简单、高效和灵活的方式来组织和执行计算机程序。
现代计算机都是冯诺依曼机将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。
冯诺依曼机所具备的特点
必须有一个存储器必须有一个控制器必须有一个运算器必须有输入设备必须有输出设备
冯诺依曼机所具备的优势
能够把需要的程序和数据送至计算机中能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力能够具备算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力能够按照要求将处理结果输出给用户
3.2冯诺依曼瓶颈
冯诺依曼瓶颈是一种计算机体系结构中的性能瓶颈其中主要指的是处理器在同一时间只能处理一条指令而不能同时处理多条指令的情况。这意味着处理器必须等待下一条指令被发送到它的寄存器中才能继续执行因此在某些情况下处理器的效率会受到限制。这种情况可以通过多处理器计算机系统的使用来解决其中多个处理器可以同时处理不同的指令从而提高整个系统的性能。
CPU相对存储器的运行速率更快导致经常出现空转的现象。
3.3现代计算机的结构
现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行修改解决CPU与存储设备之间的性能差异问题
3.4 现代计算机结构和冯诺依曼结构的主要区别
现代计算机结构和冯诺依曼结构的主要区别在于
现代计算机结构包括多核心、多处理器和并行处理等技术而冯诺依曼结构仅限于单一处理器和串行处理。现代计算机结构通常采用存储程序技术允许程序和数据在内存中自由移动而冯诺依曼结构仅限于存储程序中指令的数据流。现代计算机结构通常采用更先进的总线技术和缓存技术以提高计算机的性能和效率。现代计算机结构通常采用更灵活的处理器架构和多核心技术以满足不同的应用需求。
总的来说现代计算机结构比冯诺依曼结构更加高效、灵活和多样化。
4.计算机的层次与编程语言
4.1程序翻译与程序解释
程序翻译是将一种计算机程序源代码翻译成另一种计算机程序的过程。它可以将源代码从一种计算机程序语言翻译成另一种计算机程序语言以便于在不同的计算机系统上运行。程序翻译通常是由一个计算机程序来实现的它将源代码翻译成目标代码并在目标系统上执行翻译后的代码。
程序解释是一种将计算机程序源代码逐行解释执行的过程。程序解释器会将源代码转换成目标代码并在目标系统上执行。相对于程序翻译程序解释是一种逐行执行的过程不需要将整个源代码翻译成目标代码。程序解释通常比程序翻译更容易理解和调试但运行速度较慢。 以下实例中较为高级的计算机语言L1、较为低级的计算机语言L0
计算机执行的指令都是L0翻译过程生成新的L0程序解释过程不生成新的L0程序解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序
4.2计算机的层次与编程语言
计算机的层次通常包括以下几个方面
硬件层计算机硬件层是指计算机的物理部分包括处理器、内存、硬盘、输入输出设备等。这些硬件组成了计算机的基础结构。操作系统层操作系统层是指计算机上的操作系统它是控制和管理计算机硬件资源的软件系统。操作系统的主要作用是提供给用户和应用程序一个友好的接口以及管理和协调各种硬件资源。应用程序层应用程序层是指各种应用程序如办公软件、游戏、图形图像处理软件等。应用程序通过操作系统提供的接口来使用计算机硬件资源。编程语言层编程语言层是指人类使用的各种编程语言如C、Java、Python等。编程语言提供了一种抽象的方式使程序员可以通过语法来描述计算机应该执行的操作从而实现各种应用程序。
编程语言的类型通常分为低级语言和高级语言。低级语言包括机器语言和汇编语言它们直接控制计算机的硬件资源。高级语言包括各种类型的面向对象编程语言、函数式编程语言等它们更接近人类的自然语言并且提供了更高级别的抽象和封装使得程序员可以更加专注于解决问题而不需要关注计算机的底层细节。 硬件逻辑层 门、触发器等逻辑电路组成属于电子工程的领域 微程序机器层 编程语言是微指令集微指令所组成的微程序直接交由硬件执行 传统机器层 编程语言是CPU指令集机器指令编程语言和硬件是直接相关不同架构的CPU使用不同的CPU指令集 操作系统层 向上提供了简易的操作界面向下对接了指令系统管理硬件资源操作系统层是在软件和硬件之间的适配层 汇编语言层 编程语言是汇编语言汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言完成翻译的过程的程序就是汇编器 高级语言层 编程语言为广大程序员所接受的高级语言高级语言的类别非常多由几百种常见的高级语言有Python、Java、C/C、Golang等 应用层 满足计算机针对某种用途而专门设计
5.计算机的计算单位
5.1容量单位 在物理层面高低电平记录信息理论上只认识0/1两种状态0/1能够表示的内容太少了需要更大的容量表示方法 0/1称为bit比特位
字节1Byte8bits
1000000000Bytes
bitByteKBMBGBTBPBEB名字 比特位 字节 千字节 兆字节 吉字节 太字节 拍字节 艾字节 比例 - 8bits 1024B 1024KB 1024MB 1024GB 1024TB 1024EB 常见设备 门电路 - 寄存器 高速缓存 内存/硬盘 硬盘 云硬盘 数据仓库 1024 2 10 10242^{10} 1024210
1G内存可以存储多少字节的数据可以存储多少比特数据
1G 1024^3Bytes 1024^3*8bits
为什么网上买的移动硬盘500G格式化之后就只剩465G了
这里的100M并不是指容量
5.2速度单位 网络速度 100M 100M/s 为什么电信拉的100M光纤测试峰值速度只有12M每秒 网络常用单位为(Mbps) 100M/s 100Mbps 100Mbit/s 100Mbit/s(100/8)MB/s12.5MB/s CPU速度 CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率CPU的时钟频率的单位一般是赫兹(Hz)主流CPU的时钟频率都在2GHz以上Hz其实就是秒分之一并不是描述计算机领域所专有的单位它是每秒中的周期性变动重复次数的计量
6.计算机的字符与编码集
6.1字符编码集的历史 ASCII码 使用7个bits就可以完全表示ASCII码包含95个可打印字符33个不可打印字符包括控制字符 Extended ASCII码 常见数学运算符带音标的欧洲字符其他常用符、表格符等 字符编码集的国际化 欧洲、中亚、东亚、拉丁美洲国家的语言多样性语言体系不一样不以有限字符组合的语言中国、韩国、日本等的语言最为复杂
6.2中文编码集
《信息交换用汉字编码字符集——基本集》一共收录了 7445 个字符包括 6763 个汉字和 682 个其它符号
GB2312 《汉字内码扩展规范》向下兼容GB2312向上支持国际ISO标准收录了21003个汉字支持全部中日韩汉字 GBK Unicode统一码、万国码、单一码Unicode定义了世界通用的符号集UTF-*实现了编码UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码 兼容全球的字符集Unicode Windows系统默认使用GBK编码 编程推荐使用UTF-8编码
