計算機基礎

為了心中的理想，再苦再累也值得

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我們通常所說的計算機就是指電子計算機（Electronic Computer），俗稱電腦，是一種能自動對各種資訊進行高速處理和
存盤的電子設備，

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計算機的發展以及經歷了4代：
(1)第一代計算機（1946-1958）
第一代計算機采用的電子元件為電子管，使用的是機器語言和匯編語言編制程式，處理速度為幾千條指令數，記憶體只有幾千
位元組（KB），主要用于科學計算，
(2)第二代計算機（1959-1964）
第二代計算機采用的電子元件為晶體管，處理速度為每秒幾百萬條指令數，記憶體達到了幾萬位元組（KB），一些高級語言相繼
問世，除了科學計算，計算機還被應用于資料處理、工業控制等方面，
(3)第三代計算機（1965-1971）
第三代計算機電子元件采用中小規模集成電路，微程式設計開始被使用，處理速度到了每秒幾千萬條指令，記憶體容量也到了
數兆位元組（MB），具有了作業系統，并和通信技術結合起來，被應用到各個領域，
(4)第四代計算機（1971年以后）
第四代計算機電子元件開始采用大規模、超大規模集成電路，系統中除了作業系統，還出現了資料庫管理系統，被廣泛應用
到各個領域，

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人類正在走向資訊化時代，資訊資源成為重要的戰略資源，就是“現代石油”，
資訊技術（Information Technology，IT）是研究資訊的獲取、傳輸、處理的技術，由計算機技術、通信技術、微電子技
術結合而成，
資料是人們用于記錄事物狀況的物理符號，資訊是資料中包含的意義，資訊是加工處理后的資料，是資料所表達的內容，
資訊具有以下特點：普遍存在性；可處理性；可傳遞性和共享性；資訊的傳遞必須依附于載體，
現代資訊技術的特點：
數字化（將資訊使用二進制編碼的方法加以處理和傳輸）；
多媒體化；
網路化、高速化（網路使資訊傳播速度大大提高）；
智能化（人工智能的的應用），
計算機技術從根本上改變了資訊的搜集、分析、加工、處理手段和方法，使人們能夠方便、準確、高效地利用資訊資源，

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計算機的基本特點：運算速度快；計算精度高；具有很強的記憶和邏輯判斷能力；程式控制下自動操作；通用性強，
計算機主要有以下幾個方面的應用：
科學計算；
資料處理；
程序控制（機器人）；
輔助技術；
人工智能；
計算機模擬 （VR技術）；

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計算機的作業就是順序執行存放在記憶體儲存器中的一系列指令，
指令是一組能被計算機識別并執行的二進制資料代碼，是讓計算機完成某個操作的命令，
一條指令通常由兩個部分組成：（前面）操作碼+（后面）運算元
操作碼指明該條指令要完成的操作，如加、減，運算元是參加運算的資料或資料所在的儲存單元地址，

計算機系統由硬體系統和軟體系統組成，
計算機作業原理的示意圖：

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計算機硬體系統指構成計算機系統的物理設備，又稱機器系統，
按照馮·諾依曼提出的體系結構，硬體系統由運算器、控制器、存盤器、輸入設備、輸出設備組成，
控制器和運算器組成中央處理單元(CPU,Central Processing Unit)，
(1)一部計算機的存盤器可以被視為一組“細胞”單元，每一個“細胞”都有一個編號，稱為地址；又都可以存盤一個
較小的定長資訊，這個資訊既可以是指令（告訴計算機去做什么），也可以是資料（指令的處理物件），原則上，每一個
“細胞”都是可以存盤兩者之一的，
(2)控制系統將以上計算機各部分聯系起來，它的功能是從存盤器和輸入輸出設備中讀取指令和資料，對指令進行解碼，
并向ALU 交付符合指令要求的正確輸入，告知算術邏輯單元對這些資料做哪些運算并將結果資料回傳到何處，控制系統中
一個重要組件就是一個用來保持跟蹤當前指令所在地址的計數器，通常這個計數器隨著指令的執行而累加，但有時如果指
令指示進行跳轉則不依此規則，
(3)運算器，有時候也叫算術邏輯單元(ALU,Arithmetic and Logic Unit)，可以被稱作計算機的大腦，它可以做兩類運
算，第一類是算術運算，比如對兩個數字進行加減法，算術運算部件的功能在ALU中是十分有限的，事實上，一些ALU 根
本不支持電路級的乘法和除法運算，用戶只能通過編程進行乘除法運算，第二類是比較運算，即給定兩個數，ALU 對其進
行比較以確定哪個更大一些，
(4)存盤器負責保存資料，只讀存盤器(ROM,Read Only Memory),在系統運行時，只能讀出，不能寫入，電腦上的硬碟；隨
機存取儲存器(RAM,Random Access Memory)，在系統運行時，根據需要隨意地寫入或讀出，電腦上的記憶體條；高速緩沖
存盤器，起緩沖作用，
(5)輸入輸出設備是計算機從外部世界接收資訊和向外部世界反饋運算結果的手段，對于一臺標準的個人電腦，輸入設
備主要有鍵盤和滑鼠，輸出設備則是顯示幕、列印機以及其他可連接到計算機上的I/O 設備，
要完成某項作業，必須事先編好相應的程式，通過輸入設備把程式和資料匯入存盤器中，計算機先從存盤器中獲取指令和
資料，然后執行指令，存盤資料，將結果通過輸出設備輸出，再獲取下一條指令，這個程序被反復執行，直至得到一個終
止指令，
注：
①計算機內部采用二進制表示指令和資料，
②指令是能夠被計算機識別并執行的二進制代碼，他規定看計算機能完成的某一種操作，比如加減乘除，指令一般由兩
部分組成:一部分是操作碼，指出要完成的具體操作；另一部分是地址碼，指出操作物件在存盤單元的地址或下一條指令
的地址，
③馮·諾依曼計算機采用的是串行處理，即任何時候只能進行一個操作，現代計算機多采用并行處理技術，
④馮·諾依曼被譽為“現代計算機之父”，

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計算機軟體系統
沒有安裝任何軟體的計算機（純硬體）稱為裸機，裸機不能進行任何作業，
如果把硬體看成各種操作的物質基礎，軟體就是發揮其強大功能的靈魂，
7.1系統軟體(System Software)
系統軟體負責管理、監控、維護計算機的軟、硬體資源，使計算機正常作業，
一般來說，系統軟體包括作業系統、資料庫管理系統、語言處理程式、服務型程式等，
(1)作業系統(OS,Operating System)
作業系統是計算機系統指揮調度中心，是一切軟體最基本、最重要的軟體，
典型的作業系統有DOS、Windows、Mac OS、Linux、Unix、Android、iOS等，
(2)資料庫管理系統(Data Management System)
在資料處理系統中，需要處理大量的資料，
將相關的資料以一定組織方式儲存起來就成了資料庫（DataBase，DB），
用戶通過資料庫管理系統來管理、操作資料庫，包括建立資料庫，編輯、修改、增刪資料庫以及對資料庫中資料的檢索、
統計、排序、維護等，
常用的資料庫管理系統有Access、FoxPro、MySQL、Sybase、Oracle(甲骨文公司產品，主流使用的資料庫)等，
(3)語言處理程式
計算機能直接識別和執行的是機器語言(Machine Lauguage)，機器語言難記憶、難書寫、難編程、可讀性差還容易出錯，
已經很少使用了，
匯編語言(Assembly Language)，匯編語言將機器語言符號化，匯編語言用形象、直觀、便于記憶的字母、符號來代替數
字編碼的機器指令，匯編語言的陳述句與機器指令一一對應，
用匯編語言寫好的程式稱為匯編語言源程式，使用匯編程式匯編（翻譯）后成了計算機能夠識別的目標程式，就能夠被
計算機執行了，同樣，匯編語言存在著通用性差、可讀性差的缺點，后來被高級語言代替了，
高級語言更接近與自然語言（英語）和數學運算式，資料用十進制表示，
高級語言有很多，如流行的FORTRA，BASIC， C，C++，C#，Pascal，Python，lisp，Delphi，JAVA等，
用高級語言撰寫的程式不能直接被計算機識別，需要經過編譯器對其編譯，編譯（翻譯）成機器語言才能執行，
語言處理程式是將用程式設計語言撰寫的源程式轉換成機器能識別的目標程式（機器語言），以便計算機能夠運行，
(4)服務型程式
服務型程式是為系統提供各種服務手段而設定的一組程式，其主要功能是完成對用戶程式的裝入、連接、編輯、差錯和
糾正已經硬體故障診斷作業等，如連接程式Link、編輯軟體Editor，
7.2應用軟體(Application Software)
應用軟體是利為了解決各種實際問題或者為專門應用需求而設計開發的軟體，
比如Office辦公軟體、影像處理軟體PhotoShop、游戲軟體等，

下面有軟體系統層次示意圖：
裸機→作業系統→診斷、編譯、匯編程式，資料庫及資料管理程式→應用程式
(各層次的關系是:上層是下層的支撐，下層不必了解內層細節，只需按照約定使用內層提供的服務，)

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計算機是用二進制形式存盤資料
為什么用二進制存盤資料？
(1) 二進制狀態簡單，只有“0”和“1”兩個數字，與電子元件的物理狀態對應，如邏輯電路天平的“高”和“低”
，開關的“斷”和“通”，
發光二級管的“暗”和“亮”等，
(2) 二進制運算規則相對于其他進制簡單，
(3) 二進制的“1”和“0”兩個狀態正好與邏輯運算的兩個值“真”和“假”對應，為計算機實作邏輯運算和判斷提供
了有利條件，

計算機中儲存的資料大小
(1)位(bit)，一個位可以表示兩種狀態，對應于物理電路的高電壓和低電壓；
(2)位元組(byte)，一個位元組由8個二進制陣列成，1byte = 8bit，表示為 B；
(3)1 KB = 1024 B; 1 MB = 1024 KB; 1 GB = 1024 MB; 1 TB = 1024 GB;

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計算機只能處理數字，如果要處理文本，就必須先把文本轉換為數字才能處理，
最早的計算機在設計時采用8個位元（bit）作為一個位元組（byte），所以，一個位元組能表示的最大的整數就是255，
最早只有127個字母被編碼到計算機里，也就是大小寫英文字母、數字和一些符號，這個編碼表被稱為ASCII編碼，比如
大寫字母 A的編碼是65，小寫字母 z 的編碼是122，
最早的編碼是ASCII碼：ASCII碼使用指定的7位或8位二進制陣列合來表示128或256種可能的字符，

中文字符編碼：漢字同樣通過編碼，在計算機中存盤顯示，
我國在使用的漢字編碼是GBK和Big5（臺灣，香港那邊使用Big5），但現在新生代的程式員很少使用，
查看網頁源代碼，前幾行總會出現charset=”utf-8”，charset=gb2312 的相關字樣，

Unicode碼為每種語言中的每個字符設定了統一并且唯一的二進制編碼，以滿足跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的
要求，

Unicode定義了UTF-8，UTF-16，UTF-32 編碼，其中最常用的是UTF—8，

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Windows問世于1985年，是美國微軟公司開發的具有圖形界面的用于個人計算機和服務器的作業系統，有時也被稱為“視
窗作業系統”，
2015年正式發布了Windows 10 ，現在大多數新生代用戶使用的系統，
(1)Windows 常用快捷鍵
Ctrl+C 復制
Ctrl+V 粘貼
Ctrl+S 保存
Ctrl+A 全選
Ctrl+X 剪切
Ctrl+W 關閉程式
Alt+Tab 視窗切換（摸魚專用）
Shift+Delete 徹底洗掉（這個可以不記）
Ctrl+R 重繪 （或者F5）
Win+M 最小化所有視窗
Win+L 鎖定系統
Win+D 桌面
Win +左/右 為移動視窗到螢屏兩邊，占半屏
Win + 上 為最大化當前視窗，下為恢復當前視窗
(2)命令提示符
“命令提示符”視窗是Windows仿真MS-DOS 環境的一種外殼，主要用于運行DOS命令或程式，也可以啟動Windows程式，
在運行視窗輸入cmd，回車，進入DOS命令視窗，區別于windows圖形化操作界面的字符型操作界面，

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Linux 系統：學習C語言，和資料庫的必備系統，也是每個程式員必須熟練操作的系統，
Linux系統是一個開源系統，由全球所有程式員共同維護，相比于windows系統，更加安全，更加可靠，
Linux作業系統誕生于1991 年，
Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix作業系統，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多執行緒和多CPU
的作業系統，
它能運行主要的UNIX工具軟體、應用程式和網路協議，
關于Linux系統的快捷鍵，應專門學習，大家自己上網找資料，還有Linux系統中的檔案編輯神器vi、vim也應學習，

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計算機網路是利用通信線路和通信設備，把把分布在不同地理位置的具有獨立處理功能的若干臺計算機按一定的控制系
統和連接方式互相連接在一起，并在網路軟體的支持下實作資料通信和資源共享的計算機系統，
(1)計算機網路的主體是計算機，要組成網路至少要有兩臺計算機進行互連；
(2)網路中計算機稱為主機（Host），也稱網路節點，
(3)網路節點可以是計算機的外部設備，也可以是其他通信設備（交換機、路由器等），
(4)網路中各節點之間的連接需要有一條由傳輸介質實作物理互連的通道，這條通道可以是有線介質，也可以是無線介質
（電纜、光纖、微波、紅外等無線傳輸介質），
(5)網路中各節點之間互相通信或交換資訊，需要某些規定和規則，這些約定和規則的集合就是網路協議，
(6)計算機網路以實作資料通信和網路資源共享為目的，要實作這一目的，網路中需配備功能完善的網路軟體（包括網路
通信協議和網路作業系統等），
計算機網路是通信技術和計算機技術相結合的產物，通信技術為計算機之間的資料傳輸和交換提供了必要的手段，而計
算機的數字技術又提高了通信技術的性能，

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在網路系統中，為了保證通信設備之間能正確地進行通信，必須使用一種雙方都能夠理解的語言，這種語言被稱為“協議”，
任何一個網路協議至少包括三部分：
語法（如何講）；
語意（講什么）；
時序（講話次序），
網路協議通常分為多個層次，每層次有一個或多個協議，接收方和發送方同層的協議必須一致，否則一方將無法識別另一方
發出的資訊，
按功能劃分，每層完成一定的功能，并且只與相鄰的上下兩層直接通信，每一層都建立在它的下層之上，同時每一層利用
下一層的服務傳輸信息，
常見的協議有：TCP/IP協議、IPX/SPX協議、NetBEUI協議三種，

補：
OSI參考模型
國際標準化組織（ISO）在1978年提出了“開放系統互聯參考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnec
tion/Reference Model），
它將計算機網路體系結構的通信協議劃分為七層，
自上而下依次為：
應用層（Application Layer）
表示層（Presentation Layer）
會話層（Session Layer）
傳輸層（Transport Layer）
網路層（Network Layer）
資料鏈路層（Data Link Layer）
物理層（Physics Layer）
(1)物理層
物理層是OSI參考模型的最低層，它利用傳輸介質為資料鏈路層提供物理連接，
它主要關心的是通過物理鏈路從一個節點向另一個節點傳送位元流，物理鏈路可能是銅線、衛星、微波或其他的通訊媒介，
它關心的問題有：多少伏電壓代表1？多少伏電壓代表0？時鐘速率是多少？采用全雙工還是半雙工傳輸？總的來說物理層
關心的是鏈路的機械、電氣、功能和規程特性，
(2)資料鏈路層
資料鏈路層是為網路層提供服務的，解決兩個相鄰結點之間的通信問題，傳送的協議資料單元稱為資料幀，
資料幀中包含物理地址（又稱MAC地址）、控制碼、資料及校驗碼等資訊，
該層的主要作用是通過校驗、確認和反饋重發等手段，將不可靠的物理鏈路轉換成對網路層來說無差錯的資料鏈路，
此外，資料鏈路層還要協調收發雙方的資料傳輸速率，即進行流量控制，以防止接收方因來不及處理發送方來的高速資料
而導致緩沖器溢位及線路阻塞，
(3)網路層
網路層是為傳輸層提供服務的，傳送的協議資料單元稱為資料包或分組，
該層的主要作用是解決如何使資料包通過各結點傳送的問題，即通過路徑選擇演算法（路由）將資料包送到目的地，另外，
為避免通信子網中出現過多的資料包而造成網路阻塞，需要對流入的資料包數量進行控制（擁塞控制），
當資料包要跨越多個通信子網才能到達目的地時，還要解決網際互連的問題，
(4)傳輸層
傳輸層的作用是為上層協議提供端到端的可靠和透明的資料傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題，該層向高層屏
蔽了下層資料通信的細節，使高層用戶看到的只是在兩個傳輸物體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設定的、可靠
的資料通路，
傳輸層傳送的協議資料單元稱為段或報文，
(5)會話層
會話層主要功能是管理和協調不同主機上各種行程之間的通信（對話），即負責建立、管理和終止應用程式之間的會話，會
話層得名的原因是它很類似于兩個物體間的會話概念，
例如，一個互動的用戶會話以登錄到計算機開始，以注銷結束，
(6)表示層
表示層處理流經結點的資料編碼的表示方式問題，以保證一個系統應用層發出的資訊可被另一系統的應用層讀出，
如果必要，該層可提供一種標準表示形式，用于將計算機內部的多種資料表示格式轉換成網路通信中采用的標準表示形式，
資料壓縮和加密也是表示層可提供的轉換功能之一，
(7)應用層
應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶與網路的介面，該層通過應用程式來完成網路用戶的應用需求，如檔案傳輸、收發
電子郵件等，
資料發送時，從最上層傳到最下層，接收資料則相反，
上三層總稱應用層，用來控制軟體方面，下四層總稱資料流層，用來管理硬體，除了物理層之外其他層都是用軟體實作的，

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TCP/IP體系結構中將網路劃分為4層，分別是：
應用層
傳輸層
網路層
網路介面層

TCP/IP協議包括了100多個不同功能的協議，是互聯網的公共協議，也是目前最流行的網路協議，
TCP是面向連接的通信協議，通過三次握手建立連接，通訊完成時要拆除連接，由于TCP是面向連接的，所以只能用于端到端
的通訊，
IP層接收由更低層（網路介面層例如以太網設備驅動程式）發來的資料包，并把該資料包發送到更高層的TCP或UDP層，也把
從TCP或UDP層接收來的資料包傳送到更低層，

IP地址
IP是TCP/IP的一個核心概念，IP地址是IP協議提供的一種統一的地址格式，它為互聯網上的每一個網路和每一臺主機分配一
個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異，

子網
IP地址是以網路號和主機號來表示網路上的主機的，只有在一個網路號下的計算機之間才能“直接”互通，不同網路號的計
算機要通過網關（Gateway）才能互通，但這樣的劃分在某些情況下顯得并不十分靈活，為此IP網路還允許劃分成更小的網
絡，稱為子網（Subnet），

子網掩碼
子網掩碼的作用就是用來判斷任意兩個IP地址是否屬于同一子網路，只有在同一子網的計算機才能”直接”互通，