【Linux】1. 计算机基础概念

这篇笔记的知识点结构目录:

1. 认识计算机: (1)什么是计算机; (2)计算机的发展过程
2. 计算机的构成: (1) 计算机硬件系统; (2) 计算机软件系统
3. 二进制: (1) 为什么用二进制 (2) 二进制的基本概念
4. 计算机的储存单位: 几个计算机存储容量单位及他们之前转换
5. 十六进制: (1)十六进制的概念; (2)二进制,十进制,十六进制的转换对照表

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认识计算机

什么是计算机?

计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。(来自百度百科)

计算机的的发展过程

• 1889年，美国科学家赫尔曼·何乐礼研制出以电力为基础的电动制表机，用以储存计算资料。是电脑的前身。

  • 赫尔曼·何乐礼，1896年，创办了制表机器公司（Tabulating Machine Company），后来成为IBM的前身。

• 1930年，美国科学家范内瓦·布什造出世界上首台模拟电子计算机。

• 第1代计算机：电子管数字机（1946—1958年）

  • 1946年, ENIAC, 世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）. 来自美国军方,为了满足计算弹道需要而研制成的.
  • 1950年,EDVAC, 第一台并行计算机，实现了计算机之父“冯.诺伊曼”的两个设想：采用二进制和存储程序。

• 第2代：晶体管数字机（1954—1964年）

  • 1954年,TRADIC,IBM公司制造的第一台使用晶体管的计算机，增加了浮点运算，使计算能力有了很大提高
  • 1958年, IBM 1401, 这是第二代计算机中的代表，用户当时可以租用。
  • 硬件方的操作系统、高级语言及其编译程序。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。

• 第3代：集成电路数字机（1964—1970年）

  • 硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。
  • 软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。
  • 特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

• 第4代：大规模集成电路机（1970年至今）

  • 硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。
  • 软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。
  • 特点是1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

计算机的构成

计算机是由硬件系统（hardware system）和软件系统（software system）两部分组成的。

计算机的构成.jpg

1. 计算机硬件系统（hardware system）

计算机硬件系统图.jpg

• 计算机的硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是我们所看得见、摸得着的实际物理设备。它包括计算机的主机和外部设备。
• 自第一台计算机ENIAC发明以来，计算机系统的技术已经得到了很大的发展，但计算机硬件系统的基本结构没有发生变化，仍然属于冯·诺依曼体系计算机。计算机硬件系统仍然由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5部分组成
• 输入设备: 将数据、程序、文字符号、图象、声音等信息输送到计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、数字转换器等。
• 输出设备: 将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪和传真机等。
• 存储器: 存储器将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存到存储器中。存储器有两种，分别叫做内存储器和外存储器。
  • 内存储器: 微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。
    • 从使用功能上分，(1) 随机存储器 （Random Access Memory，简称RAM），又称读写存储器. (2)只读存储器（Read Only Memory，简称为ROM）。
  • 外存储器的种类很多，又称辅助存储器。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是其速度与内存相比非常且价格较内存相比非常低廉。
• CPU
  • 运算器: 运算器又称算术逻辑单元。它是完成计算机对各种算术运算和逻辑运算的装置，能进行加、减、乘、除等数学运算，也能作比较、判断、查找、逻辑运算等
  • 控制器: 由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。
    • 控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.
    • 控制器是计算机指挥和控制其它各部分工作的中心，其工作过程和人的大脑指挥和控制人的各器官一样。

2. 计算机软件系统（software system）

计算机软件系统.png

• 软件系统(Software Systems)是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的计算机软件系统，它是计算机系统中由软件组成的部分。
• 计算机软件总体分为系统软件和应用软件两大类：
  • 系统软件:
    • 系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。
    • 系统软件是各类操作系统，如windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序及硬件驱动程序，都是系统软件类。
  • 应用软件:
    • 应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件。它可以是一个特定的程序，比如一个图像浏览器。也可以是一组功能联系紧密，可以互相协作的程序的集合，比如微软的Office软件。也可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统，比如数据库管理系统。
    • 应用软件细分的话种类有很多,如工具软件、游戏软件、管理软件等都属于应用软件类。

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二进制 (Binary Systems)

二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”. 当前的计算机系统使用的基本上是二进制系统，数据在计算机中主要是以补码的形式存储的。计算机中的二进制则是一个非常微小的开关，用“开”来表示1，“关”来表示0。

信号传输小知识点

计算机的核心硬件包括： 中央处理器(CPU), 内存(Memory), 硬盘(Hard disc) ，显卡(Graphics card)。这些硬件互相配合，接收输入的数据，然后进行运算再输出。 这些计算机硬件之间需要通过电平信号来传递数据信息，保存数据.

计算机采用的电平信号,只有两种信号：高电平和低电平。高电平用1表示，低电平用0表示。

-> 电平是电压范围，规定输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。
-> 只有两种信号，精确度就会比较高，不容易因为硬件的故障损耗，产生误差。无论输出了2.5v, 2.6v还是2.9v,这都属于高电平，能保证发出去的信号，别人接收的时候是准确的。不会因为电路硬件问题导致输出的信号变弱，使得接收者接收了错误的信号。

二进制系统(Binary Systems)

因为计算机只能传输和识别高低电平两种信号，所以我们采用了1和0来表示信号，也就产生了二进制。

我们熟悉的十进制，就是满10进1位。那么二进制就是满2进1位。在计算机的世界如果要表示十进制的3，就要用二进制11来表示，十进制的5，就要用 101来表示。

二进制说白了就是满二进一的计数制度。这是根据计算机传输信号的特点而定制的。

计算机基本工作原理是存储程序和程序控制，它是由世界著名数学家冯·诺依曼提出的。他被后人称为“计算机之父”。

• 核心理论: 数字计算机的数制采用二进制,计算机应该按照程序顺序执行
• 1945年3月他在共同讨论的基础上起草了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”--EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写）。这对后来计算机的设计有决定性的影响，特别是确定计算机的结构，采用存储程序以及二进制编码等，至今仍为电子计算机设计者所遵循。
• 简单来说他的精髓贡献是两点：2进制思想与程序内存思想。

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计算机数据的储存单位

计算机只能传送高低电平信号，所以需要采用二进制。那么内存/外存中保存数据的时候，也是要采用二进制的方式来保存的。

计算机要处理的信息是多种多样的，如数字、文字、符号、图形、音频、视频等，这些信息在人们的眼里是不同的。但对于计算机来说，它们在储存器中都是一样的，都是以二进制的形式来表示。

我们通常用字节来作为存储单位。正常情况下一个英文字符，一个整数数字都是占用一个字节。 长整数，浮点数，汉字等占用两个字节。

几个数据的储存单位的概念和换算:

单位	换算	说明
bit (位)	1 bit	数据传输大多是以“位”（bit，又名“比特”）为单位，保存一个二进制数据(0或1)的内存空间称做 “ 位（bit ）”,"bit "只能保存一个二进制数，并且值只有0或者1两种。bit是最小一级的信息单位
byte (字节)	1 byte = 8 bit	数据存储是以“字节”（Byte）为单位.我们规定8位(bit)空间称为一个字节（byte）。字节（byte）是计算机信息技术用于计量存储容量的一种计量单位
KB（Kibibyte）	1KB = 1024Byte	Kibibyte是一种资讯计量单位，代表1024字节，一般简称为KiB。Kibibyte是来自英文 kilo binary byte 的缩写，意思为“千位二进位字节.
MB (MByte)	1MB = 1024KB	读作“兆”, 兆字节（Megabytes）是计算机存储容量的单位，也常用MB来表示。1MB=1024*1024Bytes。
GB	1GB=1024MB	吉字节,GB、Gigabyte，在中国又被称为吉咖字节或京字节或十亿字节, 常简写位G
TB	1TB=1024GB==2^40 byte	太字节（Terabyte），计算机存储容量单位
PB	1PB=1024TB==2^50 byte	拍字节（Petabytes），计算机存储容量单位,般在大数据处理过程中才会用到
EB	1EB=1024PB	艾字节,全称Exabyte，64位计算机系统的可用最大的虚拟内存空间为1EB

计算机额储存单位换算.jpg

小知识点: B与iB
1KiB（Kibibyte）=1024 byte
1KB（Kilobyte）=1000 byte
1MiB（Mebibyte）=1048576 byte
1MB（Megabyte）=1000000 byte
硬盘生产商是以GB（十进制，即10的3次方=1000，如1MB=1000KB）计算的，而电脑（操作系统）是以GiB（2进制，即2的10次方， 如1MiB=1024KiB）计算的，但是国内用户一般理解为1MiB=1M=1024 KB, 所以为了便于中文化的理解，翻译MiB为MB也是可以的。
同样根据硬盘厂商与用户对于1MB大小的不同理解，所以好多160G的硬盘实际容量按计算机实际的1MiB=1024KB算都不到160G，这也可以解释为什么新买的硬盘“缺斤短两”并没有它所标示的那么大。

十六进制

因为计算机采用的是二进制的，但是二进制对人类不太友好，读写都很麻烦： 01011100, 00111100, 10110011...人类看起来是非常费劲的，要换算成十进制才能比较好懂。但是如果转换为十进制，一个是换算麻烦，另外一个是看着不是那么的舒服方便。基于这两个原因，人类又发明了十六进制。

• 十六进制，方便书写每个二进制字节所表示的数字。
• 因为 2^4 = 16 ，这意味这 4 位 二进制数正好可以表示成 1 位 十六进制数。

二、八、十、十六进制基数对照表.gif

• 如上图所示, 在十六进制中, 我们有用到A,B,C,D,E,F几个大写字母,这些用来表示类似十进制的 10, 11,12,13,14,15 。 然后满16进1。这样正好一个字节的8位二进制都可以用两位十六进制来表示了。

  • 再长的二进制数字，都可以分成 4 位一组，然后快速转化为 十六进制数字，又快又好看。
  • 比如： 01001100 这个字节，我们换算十进制比较费劲，我们转成十六进制，就直接写成 4C.
  • 0101, 1111, 1010, 0001 转为 5FA1

• 通过十六进制, 我们再将其转为十进制的话，就相对容易一下。只要知道每一位是前一位的16倍。

  • 比如：BC53的话就是11*4096 + 12*256 + 5*16+ 3 = 45056 + 3072 + 80 + 3 = 48211

十六进制在现实中的应用:

1. 计算机中的网卡地址(就是我们常说的 MAC 地址，就是我们网卡的唯一编号)，经常写成 6 段 12 位 十六进制数， 例如:00:01:6C:06:A6:29
2. 在网页的开发中，HTML语言里面经常用到的颜色设置。比如：#FF0000 这个代表红色
3. 在面向计算机底层的编程语言中，会用到十六进制的指令。比如汇编语言，机器语言等。

Q: CPU、处理器、内存、外存、寄存器、缓存的区别

来源: CSDN:https://blog.csdn.net/chengwangbaiko/article/details/55656816

1、CPU：Central Process Unit中央处理器单元，即CPU属于处理器。
2、CPU中有寄存器，因此寄存器的速度最快！内存、外存统称为CPU的“外存”。
3、高速缓存是存放在CPU中的，它是介于CPU与内存知己的，以缓解它们之间速度不匹配的矛盾，使得内存访问CPU的时候较快。
4、缓存是指在内存中划分出一块区域用于存放常使用的输入输出数据，以缓解CPU与外设处理速度不匹配的问题。
5、CPU与（内存、外存）是不同的概念，CPU是一个独立的概念，而（内存、外存）是指对存储器的划分，内存的速度较外存的速度快，并且内存具有“掉电信息全部消失”的特性，而外存则具有“掉电信息也不会丢失”的特性。

Q:内存与外存的理解

来源: CNDS: https://blog.csdn.net/xmbfd/article/details/6100270

存储器分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。

内存

• 内存指的就是主板上的存储部件，CPU直接与之沟通，并用其存储数据的部件，存放当前正在使用的（即执行中的）数据和程序，
• 它的物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，
• 内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。

外存

• 外存包括软盘、硬盘和光盘，存放在其中的数据靠磁来维持，因此可永久保存数据。

特点：

• 内存处理速度快、存储容量小、断电后信息丢失；
• 外存处理速度慢、存储容量大、信息永久保存；

相关资料:

• 百度百科
• 陈斌老师的程序媛在线教程