一、计算机的基础知识
（一）计算机的发展
1.1943年美国宾夕法尼亚大学电子工程系教授莫克利及其研究生埃克特提出的采用真空管建造一台通用电子计算机计划被军方采用，莫克利及埃克特开始研制电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC），并于1946年研制成功。
ENIAC本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，电路连线繁琐耗时。因此莫克利和埃克特在不久后开始研制新的机型电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer ,EDVAC）。美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（ENIAC项目研究人员，自己研制的EDVAC运算速度世界第一）在同时于普林斯顿高等研究院研制EDVAC，并归纳了EDVAC的原理要点： A.计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。 B.程序和数据存放在存储器中，即存储程序的概念。计算机执行程序时无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并能得到预期结果。
冯·诺依曼原理决定了计算机必须由输入、存储、运算、控制和输出五个部分组成。今天的计算机的基本结构仍采用冯·诺依曼提出的结构体系，所以人们称这种符合这种设计的计算机为冯·诺依曼机。冯·诺依曼因此被称为“现代电子计算机之父”。
英国人认为英国数学家图灵帮忙设计并于1943年投入使用（用于帮助英国政府破译截获密电）的COLOSSUS是世界上第一台电子计算机。
2.计算机发展历史：
（1）第一阶段（1946-1959）：主机电子器件是电子管，内存使用泵延迟线，外存储器使用穿孔卡片及纸带，每秒可处理几千条指令。
（2）第二阶段（1959-1964）：主机电子器件是晶体管，内存是磁芯存储器，外存储器使用磁带，每秒可处理几万至几十万条指令。
（3）第三阶段（1964-1972）：主机电子器件是中小规模集成电路，内存使用半导体存储器，外存储器使用磁带及磁盘，每秒可处理几十万至几百万条指令。
（4）第四阶段（1972至今）：主机电子器件为大规模、超大规模集成电路，内存为半导体存储器，外存储器使用磁盘、磁带、光盘等大容量存储器。
（二）计算机的类型
1.按照数据处理的类型分为：模拟计算机、数字计算机、数字和模拟计算机。
（1）模拟计算机：其主要特点是参与运算的数值有不间断的连续量表示，其运算过程连续；但受其元器件质量影响，计算精度较低，应用范围较窄，目前较少生产。
（2）数字计算机：其主要特点是参与运算的数值由离散的数字量表示其运算过程按照数字位进行计算，具有逻辑判断能力，又称为电脑。
2.按计算机的用途分为通用计算机（PC）和专用计算机（导弹计算机）
3.按照计算机的性能、规模和处理能力，如体积、运算速递、外部设备和软件配置等，可将计算机分为：巨型机、大型通用机、微型计算机、工作站及服务器等。
（1）巨型机：目前速度最快、处理能力最强的计算机，又称为高性能计算机。目前，日本富士通公司和国家研究所共同研发出超级计算机——K计算机，运算速度近1万万亿次，是目前世界上最快的计算机。
（2）大型通用机：是对一类计算机的习惯称呼其特点为通用性强，具有较高的运算速度，极强的综
合处理能力和极大的性能覆盖，运算速度为每秒100万次至每秒几千万次。主要应用在科研、商业和管理部门。通常人们称大型机为“企业级”计算机。大型机系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。大型机在未来将覆盖“企业”所有的应用领域，
如大型事物处理、企业内部的信息管理与安全保护、大型科学与工程计算等。
（3）微型机
微型机的特点是小、巧、轻、使用方便、价格便宜。
摩尔定律：计算机的CPU性能每18个月集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。（现在周期已缩短到12个月甚至更短）
根据微型机是否由最终用户使用，分为独立式微机（日常使用微机）和嵌入式微机（嵌入式系统，使用者是被嵌入应用系统）；根据结构可分为：单片机、单板机、多芯片机和多片机。单片机：将中央处理器、存储器和输入/输出接口采用超大规模集成电路技术集成到一块硅芯片上。集成度高，ROM、RAM容量有限，接口电路不多，适用于小系统中。
（4）工作站
一种高档的微型计算机，比微型机有更大的存储容量和更的运行速度。配有高分辨率的大屏幕显示器以及容量很大的内部、外部存储器，并具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能，采用开放式系统结构。
主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域，具有很强的图形交互与处理功能，在工程领域特别是计算机辅助设计领域得到广泛应用（专为工程师设计的计算机）。
（5）服务器
服务器作为网络的节点，储存、处理了网络上80%的数据、信息，因此也被称为网络的灵魂。服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机，可提供信息浏览、、文件传输、数据库等多种业务服务。
有以下特点：
A.只在客户机的请求下才为其提供服务。
B.服务器对客户透明。一个与服务器通信的用户面对的是具体的服务，而可以完全不知道服务器采用的是什么机型及运行的什么操作系统。
C.服务器严格说来是一种软件概念，一台作为服务器使用的计算机通过安装不同的服务器无按键，可以同时扮演几种服务器的角。
（三）计算机的应用领域
计算机问世之初主要用于数值计算。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各个领域得到了广泛的应用。
1.科学计算：计算机的“计算”能力提高。
2.数据信息处理：非数值计算。
3.过程控制：利用计算机对生产过程、制造过程或运行过程进行检测与控制，即通过实时监控目标物体的状态，及时调整被控制对象，使被控制对象能够正确地完成目标物体的生产、制造或运行。其优点在于：a.能够代替人在危险、有害的环境中作业。B.能在保证相同质量的前提下连续作业，不受疲劳、情感等因素的影响。C.能够完成人所不能完成的具有高精度、高速度、时间性、空间性等要求的操作。
4.计算机辅助：几乎过去由人进行的具有设计性质的过程都可以让计算机帮助实现部分或全部的工作。
5.网络通信：计算机技术和数字通信技术发展并相融合产生了计算机网络。
6.人工智能：用计算机模拟人类的某些智力活动。
7.多媒体应用：指人和计算机交互进行多媒体信息的捕捉、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为表格、文字、图形、动画、音频、视频等多种视听信息有机结合的表现形式。
8.嵌入式系统：将处理器芯片嵌入应用终端，完成其特定的处理任务。
二、计算机的硬软件
（一）计算机硬件系统
冯·诺依曼模型决定了计算机由输入、存储、运算、控制和输出五个部分组成。
1.运算器（ALU）：计算机小狐狸数据形成信息的加工厂，其汉族要功能为对为二进制数码进行算数运算或逻辑运算，所以也称为算数逻辑部件。
算术运算：数的加减乘除以及乘方开方等数学运算。
逻辑运算：逻辑变量之间的运算，即通过与、或、非等基本操作对二进制数进行逻辑判断。计算机之
所以能完成各种复杂操作，最根本是由于运算器的运行。参加运算的数全部是在控制器的统一指挥下从内存储器中取到运算器里，由运算器完成运算任务，处理后的结果统称送回存储器或者暂存在运算器中。
在计算机里，各种各样运算均可归结为相加和移位这两个基本操作。因此运算器的核心是加法器。为了能将操作数据和运算中间结果短暂保留，运算器还需要若干个寄存数据的寄存器。若一个寄存器既能保存本次运算的数据又参与下次运算，则可称为累加器。
运算器的处理对象是数据，数据的长度和表示方法对于运算器的性能影响极大，计算机字长越大，运算精度越高。处理速度越快。
运算速度：计算机的运算速度通常指每秒钟所能执行的假发制冷的数目，单位为百万次每秒。这个指标能直观反映机器的速度
2.控制器CU（控制器+运算器=CPU）
控制器是计算机的心脏，基本功能是根据指令计数器中指定的地址存内存中去除一条周玲，对其操作码进行译码，再由操作控制部件有序地控制各个部件完成操作码规定的功能。控制器也记录操作中各部件的状态。
从宏观上看，操作器的作用是控制计算机各个部件协调工作。从微观上看，控制器的作用是按一定顺序产生机器指令执行过程中所需要的全部控制信号，这些控制信号作用于计算机的各个部件以便其完成某种功能。
控制器由指令寄存器（保存当前执行或即将执行的指令）、指令译码器（解析额识别IR中所存放的指令的性质和执行方法）、程序计数器（PC总是保存下一条要执行的指令地址）和操作控制器（根据id的译码结果，产生该指令执行过程中所需的全部控制信号和时序信号）4个部件组成。
机器指令：为了让计算机按照人的意识和思维正常运行所设计的一套按照一定格式构成的二进制代码串，由操作码（致命指令所要完成操作的性质和功能）和操作数（指明操作码执行时的操作对象，形式可以是可以是书籍本身也可以是存放数据的内存单元地址或寄存器名称，分为源操作数和目的操作数）两部分组成。
指令执行的过程：
（1）取指令：从存储单元地址等于当前程序计数器PC的内容的那个存储单元中读取当前要执行的指令，并将其存放到指令寄存器IR
（2）分析周玲：指令译码器ID分析该指令（称为译码）
（3）生成控制信号：操作控制器根据指令译码器ID的输入（译码结果），按照一定顺序产生执行该指令所需的所欲控制信号。
（4）执行指令：在控制信号的作用下，计算机给分完成想想呀的操作，实现数据的处理和结果的保存。
（5）重复执行：计算机根据PC中新的指令地址，重复执行上述4个过程，直至执行到指令结束。
时针主频：CPU的时针频率，是微机性能的一个重要指标，其高低一定程度上决定了计算机速度的高低。主频以吉赫兹（GHz）为单位，一般来说主频越高，速度越快。
3.存储器
存储器是存储程序和数据的部件，可以自动完成程序或数据的存取。存储器分为内存（又称主存）和外存（又称辅存）两大类。
内存是主板上的存储不爱见，用来存储当前正在执行的数据、程序和解雇；内存容量小，存取速度快，但是断电后RAM中的信息全部丢失。
外村是磁性介质或光盘等部件，用来寻访各种数据文件盒程序文件等需要长期保存的信息。计算机之所以能够仿佛执行程序或数据，就是由于有存储器的存在。
（1）内存：内存按功能可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）
随机存取存储器（电脑中的内存条）：通常所说的计算机内存容量均之RAM存储容量，即计算机的主存，有可读写性和易失性。RAM分为SRAM和DRAM，计算机内存条采用的是DRAM。DRAM中“动态”的含义是指每隔一个固定时间必须对存储信息刷新一次。因为DRAM是用电容来存储信息的，由于电容存在漏电现象，村相互信息会改变，因此需要设计一个额外电路对内存进行不断刷新。DRAM的功耗低，集成度高，成本低。SRAM使用触发器的状态来存储信息，只要电源正常供电，触发器就能稳定地存储信息，无需刷新，因此SRAM存储区速度比DRAM快，但是SRAM具有集成度低，功耗大，价格贵的缺陷。SDRAM同步动态随机存储器：刷新周期与系统是中国保持同步，使RAM和CPU以相同的速度同步工作，减少数据存储时间。
只读存储器：CPU对ROM只读不存，里面存放的信息一般有计算机制造商写入并经固话处理，一般存放计算机系统管理程序，如剑龙程序、基本输入、输出系统模块BIOS。常用ROM 有可编程制度存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程制度存储器（Erasable PROM，EPROM）、电可擦可编程制度存储器。
高速缓冲存储器：主要是为了解决CPU和主存速度比匹配，提高存储器速度而设计的。Cache 一般用SRAM存储芯片实现，因为SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。Cache产生的理论依据是局部性
原理，指计算机程序从时间和空间上都表现出局部性，即最近已被访问的内存内容和考级当前正在被访问的内存内容（指令或数据）很快还会被访问。
内存读写速度制约了CPU执行指令的效率那么，如何既缓解速度见的矛盾，又节约成本？通过设计一款小型存储器即Cache，使其存储速度及诶经CPU，存储容量小雨内存。Cache 中通常存放CPU最经常访问的指令和数据。根据局部性原理，当CPU存取某一内存单元时计算机硬件自动地将包括该单元在内的临近单元内容都调入Cche.zheyang，CPU存取信息时可以先从Cache中进行寻，若有，则将信息直接传送给CPU；若无，则再从内存中查，同时把含有该信息的整个数据块存内存复制到Cache中。Cache中内容命中率越高，CPU执行效率越快。可以采用各种Cache替换算法（Cache内容和内存内容替换算法）来提高Cache 的命中率。Cache的种类有一级Cache（CPU内部的Cache是CPU内核的一部分，负责在CPU 内部的寄存器与外部的Cache之间的缓冲）、二级Cache（CPU外部相对于CPU独立的部件，主要用于弥补CPU内部的Cache容量过小的缺陷，负责整个CPU与内存之间的缓冲）、三级处理器（少数高端处理器集成，为了读取二级缓存中的数据设计的一种缓存，具有三级缓存的CPU中，之余很少数据从内存中调用，大大提高CPU的效率）。
内存储器的性能指标：主要性能指标有两个：容量和速度。
存储容量：指一个存储器包含的存储单元总数，这一概念反映了存储空间的大小。目前常用的DDR3内存条，存储容量一般为2GB和4GB。好的主板可以到8GB，服务器主板可以达到32GB。
存取速度：一般用存储周期（也称写读周期）来表示，存取周期就是CPU从内存储器中存取数据所需的四件（读出或写入）存储器之间的最小时间间隔。半导体存储器的存取周期一般为60~100ns。
（2）外存
外存可存储大量程序和数据，而且断电后数据不会丢失，唱见外存储器有硬盘、U盘等。1.硬盘 硬盘是微机上主要的外部存储设备。是由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。硬盘具有容量大、存取速度快等优点，操作系统、可运行的程序文件和用户数据文件一般都保存在硬盘上。
（1）内部结构：一个硬盘包含多个盘片，这些盘片被安装在一个同心轴上，每个盘片有上下两个盘片，每个盘片被划分为磁道和扇区。磁盘的读写物理单位是按扇区进行读写。硬盘的每个盘面有一个读写磁头，所有磁头保持同步工作状态，即在任何时刻，所有的磁头都保持在不同盘面的同一磁道。硬盘读写数据是，磁头与硬盘表面时钟保持一个很小的间隙，实现非接触式读写。维持这种微小的间隙，靠的不是驱动器的控制电路，而是硬盘高速旋转时带动的气流。由于磁头很轻，硬盘旋转时气流将始终使磁头漂浮在磁盘表面。因此，硬盘的主要特点是将盘片、磁头、点击驱动部件乃至读写电路等做成一个不饿随意拆卸的整体，并且密封起来。因此防尘型号、可靠性高、对环境要求不高。
（2）硬盘容量：一个硬盘的容量是由一下几个参数决定的：磁头数H（Heads）、柱面数C （Cylinde
rs）、每个扇区的字节数B（Bytes）和每个扇区的扇区数S（Sectors）将以上几个参数相乘，乘积就是硬盘总量。
（3）硬盘接口：硬盘与主盘的连接部分就是硬盘接口，常见的有高级技术附件ATA、串行高级技术附件SATA和小型计算机系统接口SCSI。前两种接口的硬盘主要应用于个人电脑中，最后一种接口的硬盘主要应用在中高端服务器和高档工作站中。硬盘接口的性能指标主要是传输率也就是硬盘支持的外部传输率。
（4）硬盘转速：是硬盘内点击主轴的旋转速度，即硬盘盘片子啊一分钟之内旋转的最大转速。转速快慢是影响硬盘档次的重要指标之一，也是决定硬盘内部传输率的关键因素之一。硬盘的转速单位是RPM
（5）硬盘的容量：目前市面上能买到的最大的硬盘容量是4TB。
2.快闪存储器（U盘）：新型非易失性半导体存储器。他是EEP-ROM的变种，不同之处是能够以固定区块为单位进行删除和重写而不是将整个芯片擦鞋，既有RAM村除外存储快的特点，又有ROM的非易失性（在无电源状态仍能保持片内信息，不需要特殊电压就可以实现片内信息的擦除和重写）。
3.光盘：以光信息作为存储物的载体来存储数据的一种物品。
（1）类型划分：只读性光盘和可记录性光盘。
（2）参数指标：光盘容量（CD700MB、DVD4.7GB8.5GB、蓝光为25GB50GB）倍速（衡量光盘驱动器传输速率的指标叫做倍速。光盘的读取速度以150kbps数据传输率的单倍速为基准现在可达到40倍速甚至更高。）
4.层次结构：为满足计算机对于存取速度、存储容量、存储位价（存储每一位的价格）的同时需求，在计算机系统中通常采用多级存储结构。现代计算机基本采取Cache、主存和辅存三层存储结构。该系统主要分为“Cache——主存”层次和“主存——辅存”层次。前者主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，后者主要解决存储器系统容量问题。在存储结构中CPU可直接访问Cache和主存，辅存则通过主存与CPU交换信息。
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