【基础】信息时代与计算机

由于自身情况的特殊性，比其他从事开发的人员理论基础会更薄弱，所以要加倍的学习，不断的学习和巩固。这篇总结的是计算机基础的第一和第二章。

信息与数据

信息在计算机领域的定义

信息，物质材料和能源是当今世界的三大要素，信息是人们对客观世界的描述，可传递知识，而我们熟悉的数据就是信息的具体表现形式，是我们看到的听到的，各种各样的物理符号及其组成，它反映了信息的内容，数据经过加工处理并赋予一定意义后即可成为信息。同时，信息也是有意义的数据，在计算机领域中，数据是信息在计算机内部的表现形式，数据可以在物理介质上记录或传输，并通过外围设备被计算机接收，经过处理得到结果，信息本身被数据化，数据本身也就具有了信息的意义。

信息的主要特征

不灭性，可传递性和共享性，知识性，时效性，依附性，可处理性。

信息资源的基本要素

信息，人，符号和载体是信息资源的基本要素，信息是信息资源的原材料，人是信息资源的生产者和使用者，符号是生产信息资源的媒介和手段，载体是存储和使用信息资源的物质形式。

信息能力和信息素养

信息能力是对各种信息技术的理解和活用能力，即对信息的获取、理解、分析、加工、处理、创造、传递的理解和活用能力。信息素养是一个与信息的获取、理解、评价、交流、应用、生成密切相关的技能、观念、态度和经验的统一体。信息能力是一种基本的信息素养，它是信息素养的重要内容。除了信息能力外，信息素养还包括对信息、信息社会的认识、态度和参与，这也是每个信息社会的成员（称为信息人）所必须具备的素养。

计算机概述

计算机的起源

产生于20世纪，由古老的计算工具步步发展而来，法国物理学家帕斯卡于1642年发明了第一台能进行加减运算的齿轮式加减法器，德国数学家布莱尼兹于1673年改进帕斯卡的设计，增加了乘除法器，19世纪20年代，英国数学家查尔斯·巴比奇（Charles Babbage，1791—1871）最先提出了通用数字计算机的基本设计思想，并于1822年和1834年先后设计了差分机和分析机，试图以蒸汽机为动力来实现，但是受到当时技术和工艺的限制而失败。在现代电子计算机诞生的100多年前，巴比奇就已经提出了几乎是完整的设计方案，真是一个奇迹。1936年美国科学家霍华德·艾肯采用机电方法来实现巴比奇分析机的想法，并于1944年研制成功了MarkⅠ计算机，使巴比奇的梦想变成现实。所以国际计算机界称巴比奇为“计算机之父”。

现代计算机也称为电脑或电子计算机（Computer），是指一种能存储程序和数据，自动执行程序，快速而高效地完成对各种数字化信息处理的电子设备。在现代计算机的发展中，具有突出贡献的代表人物是英国数学家图灵，和美籍匈牙利数学家冯·诺依曼。图灵的主要贡献，一是提出了著名的“图灵机”模型，探讨了计算机的基本概念，证明了通用数字计算机是可以实现的；二是提出了图灵测试（Turing Test），奠定了“人工智能”的理论基础。为了纪念图灵对计算机科学的重大贡献，美国计算机协会（ACM）在1966年设立了图灵奖，奖励每年在计算机科学领域作出特殊贡献的人。冯·诺依曼于1946年则首先提出了在计算机中存储程序的思想，并确定了存储程序计算机的基本组成和基本工作方法。冯·诺依曼的这一设计思想被誉为计算机发展史上的里程碑，标志着计算机时代的真正开始。50多年来，虽然计算机系统从运算速度、工作方式、性能指标等方面与当时的计算机有很大的差别，但冯·诺依曼提出的存储程序的思想和规定的计算机硬件的基本结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。因此，“存储程序”是现代计算机的重要标志。世界上第一台电子计算机ENIAC在美国于1946年2月14日诞生。

计算机的发展

第一代计算机：电子管计算机时代

晶体管计算机时代

中小规模集成电路电子计算机时代

大规模和超大规模集成电路计算机时代

计算机的发展趋势

巨型化，微型化，网络化，多媒体化，智能化和未来计算机。其中巨型化不是指体积而是指存储容量。

计算机的分类

按用途分类：科学与工程计算机，数据处理计算机，工业控制计算机。

按计算机使用范围分类：计算机的规模和处理能力主要是指计算机的大小、存储容量、运算速度、字长、外部设备等多方面的综合性能指标。按计算机的规模和处理能力大体可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器等。

计算机的特点和应用

计算机特点：运算速度快，计算精确度高，有记忆装置，即存储器，具有逻辑判断功能。

计算机的运用：科学计算，信息处理，过程控制，计算机辅助系统，多媒体技术应用，电子商务，计算机通信和网络应用，人工智能。

计算机的工作原理

1946年冯.诺依曼提出存储式计算机，存储程序的工作原理是：在计算机中设置存储器，将程序和数据存放到存储器中，计算机按照指定的逻辑依次取出存储器中的内容进行处理，直到得出结果。由此可见，要利用计算机来处理某些问题时，首先要制订该项任务的解决方案，再将其分解成计算机能够识别并可以执行的基本操作指令，这些指令按一定的顺序排列起来，就组成了程序。计算机按照程序规定的流程依次执行存放在存储器中的一系列指令，最终完成程序所要实现的目标。

所谓指令，是指计算机完成某一种操作的命令。一条指令就是计算机机器语言的一个语句，指令系统是设计一台计算机的基础，它决定了计算机硬件的主要性能和基本功能。一台计算机的指令系统按其功能可以分成以下5类。

① 数据传送类指令：主要用于向寄存器、存储器传送数据。

② 数据处理类指令：主要完成算术运算和逻辑运算等。

③ 程序控制类指令：主要用于控制程序的执行方向。

④ 输入与输出类指令：主要用于实现主机与外部设备之间的信息交换。

⑤ CPU控制和调试指令：主要用于实现系统的控制。

存储程序的工作原理是当代计算机结构设计的基础，它使得计算机的自动运算成为可能，是与其他手动计算工具的根本区别。

计算机系统组成

计算机系统是由计算机硬件和计算机软件组成的，硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂，没有软件，计算机就是“裸机”，裸机只能运行在机器语言源程序中。

- 计算机硬件系统一般由五个部分组成：运算器，处理器，存储器，输入设备和输出设备。通常运算器和处理器同称中央处理器，简称CPU,CPU是计算机硬件的核心部件，计算机性能主要取决于CPU。

- 计算机软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件是指维持计算机系统正常运行和支持用户运行应用软件的基础软件，包括操作系统、语言处理程序、编辑程序与连接装配程序、调试程序、测试程序、诊断程序、监控程序等。应用软件是指用户为了解决各种实际问题而开发和研制的软件，它在系统软件的支持下运行。

计算机中信息的表示

数制：数制（Numbering System）即表示数值的方法，有进位计数制和非进位计数制两种。按照进位的原则进行计数的数制称为进位计数制，简称进制。

进位计数制的基本特点：

- 使用固定个数的数码表示数值的大小

- 逢R进1

- 采用位权表示法

数制的转换

R进制数转换为十进制数

R进制数转换为十进制数非常简单，只要写出该进制数的按位权展开式，进行乘法和加法运算即可。例如：

二进制数11010011 = 1×27 + 1×26 + 0×25 + 1×24 +0×23+0×22 + 1×21 + 1×20 =(211)10

十六进制数a12f.28=a×163 + 1×162 + 2×161 + f×160 +2×16-1 + 8×16-2 =(41263.15625)10

为了区别不同进制的数据，可以在数据后加一个特定的字母来表示它所采用的进制。字母D表示数据为十进制数（也可以省略），字母B表示数据为二进制数，字母O表示数据为八进制数，字母H表示数据为十六进制数。例如1237.17D（十进制数1237.17）、211.211 （十进制数211.211，省略了字母D）、1110.0011B（二进制数1110.0011）、456O（八进制数456）、234a.b5H（十六进制数234a.b5）。

十进制转化为R进制。

将十进制数转换为R进制数需对整数部分和小数部分分别进行转换。

整数部分的转换采用“除基数取余法”，即用基数R多次整除被转换的十进制数的整数部分，直到商为0，每次整除后所得的余数，按倒序排列便是对应R进制数的整数部分，也就是说第一次整除基数所得的余数是该进制数的最低位，最后一次整除基数所得的余数是最高位。

小数部分的转换采用“乘基数取整法”，即用基数多次乘以被转换的十进制数的小数部分，每次相乘后，所得乘积的整数部分按正序排列便是对应R进制数的小数部分，也就是说第一次乘基数所得的整数部分是该进制数的最高位（小数点后第一位），最后一次是最低位。

将一个十进制数的整数部分和小数部分分别转换后再组合，一个完整的转换过程就完成了。

举例：

1,75D=?B

D代表十进制，B代表二进制，由十进制转化为二进制所以基数为2



根据上面的除基数取余和倒序排列可知75D=1001011B

2,0.357D=?B



从上面的乘基数取整法可分析得0.375*2=0.750，整数部分为0，取0，剩余0.375，第二个式子0.750*2=1.500，整数部分为1，取1，剩余0.500，第三个式子0.500*2=1.00,整数部分为1，取1，剩余0，计算结束，由正序排列可知0.357D=0.001B

所以75.375D=1001011.001B

- 信息编码

信息的存储单位：

信息的存储单位有位、字节和字等。

在计算机内，一个二进制的位也称比特，记为bit或b。这是最小的信息单位，用0或1表示。由于1比特太小，无法用来表示出信息的含义，所以又引入了字节。字节也称拜特，记为Byte或B（注意：这里B作为信息量大小的单位，不要与数的表示中表示为二进制数的B混淆），它是信息存储中最常用的基本单位。在计算机中规定，1个字节为8个二进制位（1B

= 8bit）。除字节外，还有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB），拍字节（PB）。它们之间的换算关系是： 1KB = 1024B = 210B 1MB = 1024KB = 210KB = 220B 1GB = 1024MB = 210MB = 220KB = 230B 1TB = 1024GB = 210GB = 220MB = 230KB = 240B 1PB = 1024TB

= 210TB = 220GB = 230MB = 240KB = 250B 计算机中也经常用字表示信息，字常记为Word或W。字是计算机进行信息处理时，CPU能够直接处理的一组二进制位数。一个字由若干个字节构成，通常将组成一个字的位数叫作该字的字长。例如，一个字由4个字节（即32位）组成，则该字字长为32位。字长取决于计算机的类型，常见的字长有32位（如386机、486机）、64位（如586机、Pentium机系列）等。一般情况下，字长越长，运算速度越快，计算精度就越高，处理能力也越强。所以字长是衡量计算机硬件品质优劣的一项重要的技术指标。

带符号位表示：带符号数常采用的编码有原码，反码，补码。

数的定点表示和浮点表示

字符数据的编码