计算机基础知识：走近科学（一）

ゝ一世哀愁。 2023-01-05 14:23 456阅读 0赞

# 计算机基础知识：走近科学（一） #

> 结合程序员教程，计算机组成原理，计算机应用基础积累和总结的知识点，用来初次学习或复习计算机基础知识，利用休闲时间可以学习一下，适用于计算机一级考试、初级软考。以下仅供参考。

### 文章目录 ###

*  计算机基础知识：走近科学（一）
 *   *  1. 各种进制及其换算
     *   *  1.1 各种数制
         *  2.2 进制换算
         *   *  2.2.1 R进制转十进制
             *  2.2.2 十进制转R进制
             *  2.2.3 二进制转R进制
             *  2.2.4 R进制转二进制
         *  2.3 数据编码
         *   *  2.3.1 ASCII码，汉字与Unicode编码
             *  2.3.2 浮点数编码
         *  2.4 原码，反码，补码以及移码
         *   *  2.4.1 定义
             *  2.4.2 机器数的运算
         *  2.5 校验码
         *   *  2.5.1 奇偶校验码（Parity Codes）
             *  2.5.2 海明码（Hamming Code）
             *  2.5.3 循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）
     *  2. 计算机基本结构
     *   *  2.1 硬件系统
         *   *  2.2.1 CPU（Central Processing Unit）
             *  2.2.2 存储器
             *  2.2.3 输入输出系统
         *  2.2 软件系统
         *   *  2.2.1 系统软件
             *  2.2.2 应用软件

## 1. 各种进制及其换算 ##

### 1.1 各种数制 ###

> R进制，逢R进1，可以用到的数为R个，分别是0，1，2，…，R-1

1.  二进制，基数为2，逢2进1，有2个字符0-1，通常在二进制后面加字面B或下标2表示二进制。如(110)2或110B；
2.  八进制，基数为8，逢8进1，有7个字符0-7，通常在八进制后面加字面O或下标8表示八进制。如(746)8或746O；
3.  十进制，基数为10，逢10进1，有10个字符0-9，通常在十进制后面加字面D或下标10表示十进制。如(199)10或199D；
4.  十六进制，基数为16，逢16进1，有16个字符0-9，A-F，通常在十六进制后面加字面H或下标16表示十六进制。如(9FF)16或9FFH。

**注：B是二进制的英文Binary system的首字母；O是八进制的英文Octal system的首字母；D是十进制的英文Decimal system的首字母；H就是十六进制的英文Hexadecimal的首字母。**

### 2.2 进制换算 ###

#### 2.2.1 R进制转十进制 ####

> 一个R进制，它的每一位数值等于该位的数值乘以该位的权数。权数由Rk表示，k与该位和小数点之间的距离有关。当该位位于小数点左边，k值是该位和小数点之间数码的个数，而当该位位于小数点右边，k值是负值，其绝对值是该位和小数点之间数码的个数加1。

1.  二进制110110.01B，其数值如下：110110.01B=1x25\+1x24\+1x22\+1x21\+1x2\-2=54.25；  
    ![二进制转十进制][20210119191640923.jpg]
2.  八进制746O，其数值如下：748O=7x82\+4x81\+6x80=486；
3.  十六进制9AFH，其数值如下：9x162\+10x161\+15x160=2479。

**注：十进制886.886D，其数值如下：886.886=8x102\+8x101\+6x100\+8x10\-1\+8x10\-2\+6x10\-3。**

#### 2.2.2 十进制转R进制 ####

> 十进制整数转化为R进制利用“除以R取余数法”，然后将余数从下往上排序。

1.  十进制66转二进制，通过除2余几，然后将余数从下往上排序即可，二进制为1000010B；  
    ![除R取余法][R]
2.  十进制86转八进制，通过除8余几，然后将余数从下往上排序即可，八进制为126O；
3.  十进制68转十六进制，通过除16余几，然后将余数从下往上排序即可，十六进制为44H。

**注：十进制小数0.625转化为二进制，通过乘2取整，然后将整数从上往下排序即可，二进制小数为0.101B。**

#### 2.2.3 二进制转R进制 ####

> 二进制转化为R进制，二转八进制，遇三归一；二转十进制，按位值乘权数求和；二转十六进制，遇四归一。

1.  二进制110110转八进制，遇三归一，转换为对应的八进制为66O；
2.  二进制110110转十进制，110110=25\+24\+22\+21=54，转换为对应的十进制54；
3.  二进制11001100转十六进制，遇四归一，转换为对应的十六进制为CCH。

#### 2.2.4 R进制转二进制 ####

> R进制转二进制，八转二进制，遇一分三；十六转二进制，遇一分四。

1.  八进制746O转二进制，遇一分三，转换为对应的二进制为111100110B；
2.  十六进制F9H转二进制，遇一分四，转换为对应的二进制为11111001B。

### 2.3 数据编码 ###

#### 2.3.1 ASCII码，汉字与Unicode编码 ####

1.  [ASCII码][ASCII]，一般采用7位二进制表示，占一个字节。例如，字符0的ASCII码值为011  
    0000（25\+24=48）；
2.  [汉字编码][Link 1]，一个汉字国际码占2个字节；
3.  [Unicode编码][Unicode]，一般常用的有UTF-8，UTF-16和UTF-32等，用于传输和保存。

ASCII码表见此文章：[C语言基础：菜鸟如何养成程序猿（一）][C]

#### 2.3.2 浮点数编码 ####

> 一个含小数点的二进制数N可以表示为更一般的形式：N=2ExF（E表示阶码，F为尾数）。

工业标准[IEEE 754][] 规定浮点数格式如下：

S+P+M（S为符号位，P为阶码，M为原码）

浮点数又分为单精度和[双精度浮点数][Link 2]，现将数192.625表示为[单精度浮点数][Link 3]，步骤如下：

1.  将十进制192.625换成二进制1100 0000.101；
2.  二进制1100 0000.101=1.100 0000 101x27，并将尾数扩展为所规定的23位100 0000 1010 0000 0000 0000；
3.  已知符号位为0，指数为7（即0000 0111），偏移值为127（即0111 1111），阶码=指数+偏移值=134（即1000 0110)；
4.  单精度浮点数为：0 10000110 10000001010000000000000。

**注：  
a. 符号位，为0时表示正数，为1时表示负数；  
b. 阶码=指数+偏移值，偏移值=2指数-1\-1。**

### 2.4 原码，反码，补码以及移码 ###

#### 2.4.1 定义 ####

> 关于带符号数，最高位为符号位，0表示正号，1表示负号，其他位则表示数值。

1.  X=+0110，则\[X\]原=0 0110，X=-0110，则\[X\]原=1 0110；
2.  X=+0.1011，则\[X\]原=0 1011，X=-0.1011，则\[X\]原=1 1011；
3.  Y=+0001，则\[Y\]反=0 0001，X=-1100，则\[X\]反=1 0011；
4.  Y=+0.1111，则\[Y\]反=0.1111，Y=-0.0111，则\[X\]反=1.1000；
5.  当机器字长为8时，若Z=+127，则\[Z\]补=0 1111111，X=-1，则\[X\]补=1 1111111；
6.  Z=+0.5，则\[Z\]补=0.1000000，X=-0.5，则\[X\]补=1.1000000；
7.  M=+0，则\[+0\]移=1 0000000，M=-0，\[-0\]移=1 0000000；
8.  M=+1，则\[+1\]移=1 0000001，M=-1，\[-1\]移=0 1111111。

**注：  
a. 在原码中，数0对应两种形式：\[+0\]原=0 0000000，\[-0\]原=1 0000000；  
b. 在反码中，数0对应两种形式：\[+0\]反=0 0000000，\[-0\]反=1 1111111；  
c. 在补码中，数0有唯一的编码：\[+0\]补=0 0000000，\[-0\]补=0 0000000；  
d. 正数：符号位为0，原码=反码=补码；  
e. 负数：符号位为1，反码为其绝对值按位取反；补码为反码末尾+1；  
f. 移码将补码的符号位取反。**

#### 2.4.2 机器数的运算 ####

1.  原码加减法，当两个相同符号的原码值相加时，只需要将数值部分直接相加；如果两个不同符号的原码相加，则进行相应减法运算。例如，\[-1010\]原与\[+1001\]原进行相加，通过运算得出1 0001。
2.  补码加减法，进行加法时和的补码等于补码求和，即\[A+B\]补=\[A\]补\+\[B\]补；进行减法时差的补码等于被减数的补码加上减数取负后的补码，即\[A-B\]补=\[A\]补\+\[-B\]补。
3.  溢出，只有当两个同符号的数进行相加（或者不同符号的数进行相减）时，运算结果才有可能发生溢出现象。
4.  浮点数的乘除运算，浮点数相乘，其积的阶码等于两乘数阶码相加，积的尾数等于两乘数的尾数相乘；浮点数相除，其商的阶码等于被除数的阶码减去除数的阶码，商的尾数等于被除数的尾数除以除数的尾数。

逻辑运算见此文章：[C语言基础：菜鸟如何养成程序猿（二）][C 1]

**注：由\[B\]补求\[-B\]补的方法是\[B\]补的各位取反（包括符号位），然后末尾加1。例如，\[+10\]补=01010与\[-10\]补=10110。**

### 2.5 校验码 ###

#### 2.5.1 奇偶校验码（Parity Codes） ####

> 通过在编码中增加一个校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），从而使码距变为2，它可以检测代码中奇数位出错的编码，但不能发现偶数位出错的情况。

常用的[奇偶校验码][Link 4]分为3种：水平奇偶校验码，垂直奇偶校验码和水平垂直校验码。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>校验码</th> 
   <th>范例</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>水平奇校验</td> 
   <td>1101 0101<font><u>0</u></font></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>水平偶校验</td> 
   <td>1101 0101<font><u>1</u></font></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>垂直奇校验</td> 
   <td>1101<br>0101<br><font><u>0111</u></font></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>垂直偶校验</td> 
   <td>1101<br>0101<br><font><u>1000</u></font></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**注：  
a. 它是最简单有效的校验方法，只能发现错，而不能校正错；  
b. 码距就是两个码字之间不同的比特数，例如，1100与1010的码距为2。**

#### 2.5.2 海明码（Hamming Code） ####

> 海明码也是利用奇偶性来检错和纠错的校验方法，在数据位之间插入k个校验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

对于8位的数据位，进行海明校验需要4个校验位。校验位设到2i位置，P1对应H1，P2对应H2，P3对应H4，P4对应H8。一共有12位海明码，4位校验位，8位数据位。  
![海明码][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjk1OTcw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

#### 2.5.3 循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC） ####

> [循环冗余校验码][Link 5]由两部分组成的，左边为信息码（数据），右边为校验码。若信息码占k位，则校验码就占n-k位。n为CRC码的字长，所以又称为（n，k）码。

校验码是由信息码产生的，校验码位数越长，该代码的校验能力就越强。在求CRC编码时，用的模2运算。

数据位（信息码）+校验位

[模2加减运算][2]的规则是：按位运算，不发生借位和进位。如0+0=0，1+0=1，1+1=0，0-0=0，1-0=1，0-1=1，1-1=0。  
**注：模2加减运算，相同为0，不同为1。**

## 2. 计算机基本结构 ##

> 现代大多数计算机是基于[冯·诺依曼结构][Link 6]。计算机按照处理数据的形态分为数字计算机，模拟计算机和混合计算机3类，按性能分为巨型机，大型机，小型机，微型机，按功能分为通用计算机和[嵌入式计算机][Link 7]。应用在科学计算，实时控制，信息管理，计算机辅助系统（计算机辅助设计CAD，计算机辅助制造CAM，计算机辅助测试CAT，计算机辅助教学CAI），办公自动化，人工智能，网络等领域。

计算机硬件的基本组成包括运算器（又称为算术逻辑单元，ALU），控制器（又称为控制单元，CU），存储器，输入设备和输出设备五大部分，软件的基本组成包括系统软件和应用软件。  
![计算机组成][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjk1OTcw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 2.1 硬件系统 ###

#### 2.2.1 CPU（Central Processing Unit） ####

> CPU主要是由运算器（ALU），控制器（CU），各种寄存器（包括[累加器][Link 8]，标志寄存器，通用寄存器等）和CPU内部总线组成。

[CPU][]中的部件由[CPU内部总线][CPU 1]连接起来，而CPU，存储器，和I/O设备则通过[系统总线][Link 9]连接起来。 控制器主要由程序计算器（PC），指令寄存器（IR），译码器，状态/条件寄存器（又称为标志寄存器，PSW），时序部件和微操作形成部件组成。

1.  运算器（ALU）主要用于完成算术运算（加减乘除运算）和逻辑运算（与，或，非等逻辑运算），以及求补，移位操作；
2.  累加器（ACC）主要用于暂存运算结果以及向运算器（ALU）提供运算对象；
3.  指令寄存器（IR）主要用于保存当前正在执行的指令的寄存器；
4.  标志寄存器（PSW）主要用于保存指令执行结果的寄存器。

**注：[总线][Link 10]分为芯片内部总线，元件级总线，系统总线，外总线（通信总线）。**

#### 2.2.2 存储器 ####

> 存储器又分为内存和外存。

1.  内存（又称为主存），内存一般由[RAM][]（随机存取存储器，又称为随机读写存储器）和[ROM][]（只读存储器）两种方式组成。内存可以直接和CPU交换数据，速度非常快。
2.  外存主要包括磁盘存储器，硬盘，光盘，U盘。外存主要用来存放操作系统，应用程序，用户数据等长期存储的数据，速度比内存慢。  
    ![分页存储管理][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjk1OTcw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

**注：  
a. RAM的特点是存储的信息易于丢失，比如，一旦断电，数据就会丢失；  
b. ROM的特点是信息非易丢失的，具体又分为ROM（只读式），PROM（一次写入式），EPROM（可重复擦除式）和EEPROM（用电可重复擦除式）；  
c. [高速缓冲存储器（Cache）][Cache]是指存取速度比一般RAM快的一种随机存取存储器。**

#### 2.2.3 输入输出系统 ####

> 输入/输出（Input/Output，I/O）系统是计算机与外界进行数据交换的通道。用于连接主机与I/O设备的这个转换机构就是I/O接口电路，简称为I/O接口。

1.  接口按数据传输格式分为[并行接口][Link 11]和[串行接口][Link 12]，并行接口适用于近距离，速度较高的场合；串行接口适用于远距离，速度较低的场合，最大优点是支持即插即用和热插拔，比如USB和IEEE1394；
2.  主机与外部设备的连接方式：总线型，星型，通道方式和I/O处理机方式等；
3.  CPU与外部设备之间交换数据的方式：直接程序控制，[中断方式（Interrupt）][Interrupt]，[直接存储器存取方式（DMA）][DMA]，通道控制方式。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center"></th> 
   <th align="center">中断方式</th> 
   <th align="center">DMA方式</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">需要CPU干预</td> 
   <td align="center">需要</td> 
   <td align="center">不需要</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">保护执行现场</td> 
   <td align="center">需要</td> 
   <td align="center">不需要</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">核心</td> 
   <td align="center">CPU</td> 
   <td align="center">存储器</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">数据传输单位</td> 
   <td align="center">字节</td> 
   <td align="center">数据块</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">传输速度</td> 
   <td align="center">一般</td> 
   <td align="center">快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">并行性</td> 
   <td align="center">一般</td> 
   <td align="center">更好的并行性</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">响应突发事件能力</td> 
   <td align="center">强</td> 
   <td align="center">比中断差</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**注：热插拔计术就是在指在系统正常运行的状态下，对故障配件进行更换，或者添加新的配件。最早用于服务器硬盘的更换以保证服务器不间断运行。U盘在插入或拔下时不用关闭整个电脑，则不支持热拔插的普通IDE接口的硬盘需要关闭电脑。**

### 2.2 软件系统 ###

> 计算机软件分为系统软件和应用软件两类。

#### 2.2.1 系统软件 ####

> 系统软件主要包括操作系统（Operating System，OS），语言处理系统，[系统性能检测][Link 13]和实用工具软件等。

1.  操作系统有Windows（图形化），Liunx（图形和命令行操作模式），Macintosh（苹果操作系统），DOS（磁盘操作系统），UNIX等；
2.  [语言处理系统][Link 14]分为编译型，解释型和混合型三类；
3.  实用工具软件包括音频，视频，图像工具软件，文件上传，下载工具，实时通信工具以及浏览器等。

#### 2.2.2 应用软件 ####

> 应用软件主要包括办公软件，多媒体处理软件，Internet工具软件。

1.  办公软件又分为Word，Excel，PowerPoint。
2.  多媒体处理软件主要包括音频处理软件，图像处理软件，视频制作软件等。  
    a. 常见的声音文件有MIDI（.mid，非波形采样点音乐文件），WAV（波形文件），MP3（MPEG1-Layer3，压缩音频文件），RA（.ra，Real Audio，流式音频文件）等；  
    b. 常见的图像文件有JPEG（.jpg，有损压缩），PNG（无损压缩，位图文件），PCX（无损压缩），TTFF（.tif，位图文件），BMP（位图文件），GIF（静，动态图），MPG（动态图），WMF（矢量图），DIF（矢量图）等；  
    c. 常见的视频文件有AVI（高清视频），RealVideo（.rm/.rmvb，流式视频文件），MPEG（.mpeg/.mpg/.dat/.mp4，压缩视频文件）等。
3.  Internet工具软件包括Web服务软件，Web浏览器，文件传送工具FTP，远程访问工具Telnet，下载工具迅雷，网络即时通讯工具等。  
    ![声音信号的数字化][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjk1OTcw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
    **注：声音信号的数字化（将模拟信号变为数字信号）需要经过3个步骤：采样，量化，编码。**

***——>以上内容是关于计算机入门的基础知识，希望对初学者或再次学习者有所帮助，基础打扎实，不怕风吹雨打！ 如果以上内容有错误或者内容不全，望大家提出！我也会继续写好每一篇博文！***

*待续未完  
——文优*

欢迎观看和提问！！！

[20210119191640923.jpg]: /images/20221119/84296a40eb964c6fa01caf05cef7999e.png
[R]: /images/20221119/904e314fdb2448f691018b904143862c.png
[ASCII]: https://baike.baidu.com/item/ASCII
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E6%B1%89%E5%AD%97%E7%BC%96%E7%A0%81
[Unicode]: https://baike.baidu.com/item/Unicode%E7%A0%81
[C]: https://blog.csdn.net/qq_40695970/article/details/106729298
[IEEE 754]: https://baike.baidu.com/item/IEEE%20754
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%8C%E7%B2%BE%E5%BA%A6%E6%B5%AE%E7%82%B9%E6%95%B0
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%95%E7%B2%BE%E5%BA%A6%E6%B5%AE%E7%82%B9%E6%95%B0
[C 1]: https://blog.csdn.net/qq_40695970/article/details/107384218
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E5%A5%87%E5%81%B6%E6%A0%A1%E9%AA%8C%E7%A0%81
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[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AA%E7%8E%AF%E5%86%97%E4%BD%99%E6%A0%A1%E9%AA%8C%E7%A0%81
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[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E5%86%AF%C2%B7%E8%AF%BA%E4%BE%9D%E6%9B%BC%E7%BB%93%E6%9E%84
[Link 7]: https://baike.baidu.com/item/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA
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[Link 8]: https://baike.baidu.com/item/%E7%B4%AF%E5%8A%A0%E5%99%A8
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[CPU 1]: https://baike.baidu.com/item/CPU%E6%80%BB%E7%BA%BF
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