计算机系统基础知识

1.1 计算机系统的基本组成

​ 计算机系统是由硬件系统和软件系统组成，计算机硬件是物理装置，计算机软件是程序，数据和相关文档的集合。

计算机系统的基本组成：

1. 计算机硬件

​ 基本的计算机硬件系统由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五大部件组成，随着网络技术的发展和应用，通信部件也成为计算机系统的基本组件。

​ 运算器和控制器及其相关部件集成在一起，统称为中央处理元（Center Processing Unit，CPU）。

• CPU是硬件系统的核心，用于数据的加工处理，能完成各种算术，逻辑运算及控制功能。
• 运算器：是对数据进行加工处理的部件，主要完成算术和逻辑运算。
• 控制器：的主要功能则是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件完成指令的功能。
• 存储器：分为内部存储器（Main Memory，MM，简称内存，主存）和外部存储器（简称外存，辅存）
  • 内存：速度快，容量小，用于临时存储计算机运行时所需要的程序，数据及运算结果。
  • 外存：容量大，速度慢，用于长期保存信息。
  • 寄存器：是CPU中的存储器件，用来临时存放少量的数据，运算结果和正在执行的指令。速度最快。
• CPU和主存储器的有机结合称为主机。输入输出位于主机外。

2. 计算机软件

​ 计算机软件是指为管理，运行，维护及应用计算机系统所开发的程序和相关文档的集合。分为：系统软件，中间件和应用软件。

• 系统软件的主要功能是管理系统的硬件和软件资源。
• 应用软件用于解决应用领域的具体问题。
• 中间件是一类独立的系统软件或服务程序，常用来管理计算机资源和网络通信，提供通信处理，数据存取，事务处理，Web服务，安全，跨平台等服务。

3. 计算机分类

• 个人移动设备
• 桌面计算机
• 服务器
• 集群/仓库级计算机
• 超级计算机
• 嵌入式计算机

1.2 数据的表示及运算

1.2.1 计算机中数据的表示

1. 进位计数制及其转换

• 十进制计数法与二进制计数法的相互转换

  将十进制数转换成二进制数时，整数部份和小数部份分别转换，然后再合并。

  十进制整数转换为二进制整数的方法是“除2取余”；十进制小数转换为二进制小数的方法是“乘2取整”

  【例1-1】把175.71875转换为相应的二进制数

  算式	商	余数
  175/2	87	1
  87/2	43	1
  43/2	21	1
  21/2	10	1
  10/2	5	0
  5/2	2	1
  2/2	1	0
  1/2	0	1

  算式	乘积
  0.71875*2	1.43750
  0.4375*2	0.8750
  0.875*2	1.750
  0.75*2	1.50
  0.5*2	1.0

  因此，175.71875 = 10101111.10111

• 八进制计数法与十进制，二进制计数法的相互转换

  十进制转换为八进制数的方法：对于十进制整数采用“除8取余”的方法转换为八进制整数；对于十进制小数采用“乘8取整”的方法转换为八进制小数。

  二进制数转换成八进制数的方法是：从小数点起，每三位二进制位分为一组。在小数点左边时左边补零，在小数点右边时右边补零。

• 十六进制计数法与十进制，二进制计数法的相互转换。

2. 二进制运算规则

3.机器数和码值

各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是采用二进制计数制，数的符号用0，1表示，小数点隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为数得真值。

为了便于计算，带符号的机器数可采用原码，反码和补码，移码等不同的编码方法。

• 原码表示

  最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，其余n-1表示数值。

  [+1]_{原 = 00000001}

  [-1]_{原 = 10000001}

  [+45]_{原 = 00101101}

  [-45]_{原 = 10101101}

• 反码表示

  正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反.

  [+1]_{反 = 00000001}

  [-1]_{反 = 11111110}

  [+45]_{反 = 00101101}

  [-45]_{反 = 11010010}

• 补码表示

  正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末尾加1.

  [+1]_{补 = 00000001}

  [-1]_{补= 11111111}

  [+45]_{补 = 00101101}

  [-45]_{补 = 11010011}

• 移码表示

  只要将补码的符号位取反便可获得相应的移码表示。

  [+1]_{移 = 10000001}

  [-1]_{移= 01111111}

  [+45]_{移 = 10101101}

  [-45]_{移= 01010011}

  4.定点数和浮点数

  1. 定点数（定点数所能表示的数值范围比较小，运算中很容易因结果超出范围而溢出）
  2. 浮点数

  5.十进制数与字符的编码表示

  • 数值，文字和英文字母等都被认为是字符，任何字符被录入计算机后，都必须转换成二进制表示形式，称为字符编码。

  6.ASCII码

  7.汉字编码

  8.Unicode

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  1.2.2 校验码

  1. 奇偶效验码

  奇偶校验码只能发现错误，而不能校正错误。

  • 水平奇偶校验码
  • 垂直奇偶校验码
  • 水平垂直校验码

  2.海明码

  3. 循环冗余校验码

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  1.2.3 逻辑代数及逻辑运算

  称为布尔代数。逻辑变量的取值只有“真”和“假”，通常以1表示“真”，0表示“假”。

  1.基本的逻辑运算

  ​ 在逻辑代数中有3种最基本的运算：

  • “与”运算
  • “或”运算
  • “非”运算
  • “异或”运算

  2. 常用的逻辑公式

  3.逻辑表达式及其简化

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  1.2.4 机器数的运算

  1. 机器数的加减运算

  • 原码加减法
  • 补码加减法

  2.机器数的乘除运算

  3. 浮点运算

  • 浮点加减运算
  • 浮点乘除运算

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  1.3 计算机的基本组成及工作原理

  1.3.1 总线的基本概念

  1. 总线的定义与分类

  2. 系统总线

  1. ISA总线
  2. EISA总线
  3. PCI总线
  4. AGP总线
  5. PCI Express总线

  3. 外总线

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  1.3.2 中央处理单元

  CPU是（Central Process Unit）处理器（Processor）。

  1. CPU的功能

  1. 指令控制
  2. 操作控制
  3. 时序控制
  4. 数据处理

  2. CPU的功能

  1. 运算器
  2. 控制器
  3. 寄存器组
  4. 内部总线

  3. 双核和多核处理器

  推动微处理器性能不断提高的因素主要有两个：

  半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展。

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  1.3.3 存储系统

  1. 存储器的分类

  1. 按存储器所处的位置可分为内存和外存。
  2. 按构成存储器的材料可分为磁存储器，半导体存储器和光存储器
  3. 按工作方式可分为读写存储器和只读存储器
  4. 按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器
  5. 按寻址方式分类可分为随机存储器，顺序存储器和直接存储器

  2. 存储系统的层次结构

  3. 主存储器

  1. 内存的种类
  2. 主存的组成
  3. 主存性能指标
     • 内存容量
     • 存储时间
     • 带宽
     • 可靠性

  4. 高速缓存

  1. 高速缓存的特点

  5. 外存储器

  1. 磁盘存储器
  2. 硬盘
     • 常见的硬盘有固态硬盘（SSD），机械硬盘（HDD）和混合硬盘。
  3. 光盘存储器
  4. USB移动硬盘和USB闪存盘

  6. 云存储

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  1.3.4 输入输出技术

  1. 接口的功能及分类

  2. 主机与外设间的连接方式

  3. I/O接口的编址方式

  4. CPU与外设之间交换数据的方式

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  1.4 指令系统简介

  1. 指令格式

  2. 寻址方式

  3. 指令种类

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  1.5 多媒体系统简介

  1.5.1 数字声音

  1. 声音信号的数字化

  2. 声音的表示

  3. 声音的合成

  4. MIDI

  5.声音文件格式

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  1.5.2 图形与图像

  1. 颜色的基本概念

  2. 分辨率和像素沉度

  3. 真彩色和伪彩色

  4. 图像的获取

  5. 图形图像的转换

  6. 图像的压缩编码及标准

  7. 图像文件格式

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  1.5.3 动画和视频

  1. 实时动画和矢量动画

  2. 二维动画和三维动画

  3. 模拟视频

  4. 数学视频

  5. 视频压缩编码

  6. 视频文件格式