『Linux基礎 - 1』計算機基礎概念

這篇筆記的知識點結構目錄:

1. 認識計算機: (1)什麼是計算機; (2)計算機的發展過程
2. 計算機的構成: (1) 計算機硬件系統; (2) 計算機軟件系統
3. 二進制: (1) 爲何用二進制 (2) 二進制的基本概念
4. 計算機的儲存單位: 幾個計算機存儲容量單位及他們以前轉換
5. 十六進制: (1)十六進制的概念; (2)二進制,十進制,十六進制的轉換對照表

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認識計算機

什麼是計算機?

計算機（computer）俗稱電腦，是現代一種用於高速計算的電子計算機器，能夠進行數值計算，又能夠進行邏輯計算，還具備存儲記憶功能。是可以按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。(來自百度百科)

計算機的的發展過程

• 1889年，美國科學家赫爾曼·何樂禮研製出以電力爲基礎的電動製表機，用以儲存計算資料。是電腦的前身。
  • 赫爾曼·何樂禮，1896年，創辦了製表機器公司（Tabulating Machine Company），後來成爲IBM的前身。

• 1930年，美國科學家範內瓦·布什造出世界上首臺模擬電子計算機。

• 第1代計算機：電子管數字機（1946—1958年）
  • 1946年, ENIAC, 世界上第一臺電子計算機「電子數字積分計算機」（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）. 來自美國軍方,爲了知足計算彈道須要而研製成的.
  • 1950年,EDVAC, 第一臺並行計算機，實現了計算機之父「馮.諾伊曼」的兩個設想：採用二進制和存儲程序。
• 第2代：晶體管數字機（1954—1964年）
  • 1954年,TRADIC,IBM公司製造的第一臺使用晶體管的計算機，增長了浮點運算，使計算能力有了很大提升
  • 1958年, IBM 1401, 這是第二代計算機中的表明，用戶當時能夠租用。
  • 硬件方的操做系統、高級語言及其編譯程序。應用領域以科學計算和事務處理爲主，並開始進入工業控制領域。特色是體積縮小、能耗下降、可靠性提升、運算速度提升（通常爲每秒數10萬次，可高達300萬次）、性能比第1代計算機有很大的提升。
• 第3代：集成電路數字機（1964—1970年）
  • 硬件方面，邏輯元件採用中、小規模集成電路（MSI、SSI），主存儲器仍採用磁芯。
  • 軟件方面出現了分時操做系統以及結構化、規模化程序設計方法。
  • 特色是速度更快（通常爲每秒數百萬次至數千萬次），並且可靠性有了顯著提升，價格進一步降低，產品走向了通用化、系列化和標準化等。應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。
• 第4代：大規模集成電路機（1970年至今）
  • 硬件方面，邏輯元件採用大規模和超大規模集成電路（LSI和VLSI）。
  • 軟件方面出現了數據庫管理系統、網絡管理系統和麪向對象語言等。
  • 特色是1971年世界上第一臺微處理器在美國硅谷誕生，開創了微型計算機的新時代。應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步走向家庭。

計算機的構成

計算機是由硬件系統（hardware system）和軟件系統（software system）兩部分組成的。

1. 計算機硬件系統（hardware system）

• 計算機的硬件是指組成計算機的各類物理設備，也就是咱們所看得見、摸得着的實際物理設備。它包括計算機的主機和外部設備。
• 自第一臺計算機ENIAC發明以來，計算機系統的技術已經獲得了很大的發展，但計算機硬件系統的基本結構沒有發生變化，仍然屬於馮·諾依曼體系計算機。計算機硬件系統仍然由運算器，控制器，存儲器，輸入設備和輸出設備5部分組成
• 輸入設備: 將數據、程序、文字符號、圖象、聲音等信息輸送到計算機中。經常使用的輸入設備有鍵盤、鼠標、觸摸屏、數字轉換器等。
• 輸出設備: 將計算機的運算結果或者中間結果打印或顯示出來。經常使用的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀和傳真機等。
• 存儲器: 存儲器將輸入設備接收到的信息以二進制的數據形式存到存儲器中。存儲器有兩種，分別叫作內存儲器和外存儲器。
  • 內存儲器: 微型計算機的內存儲器是由半導體器件構成的。
    • 從使用功能上分，(1) 隨機存儲器 （Random Access Memory，簡稱RAM），又稱讀寫存儲器. (2)只讀存儲器（Read Only Memory，簡稱爲ROM）。
  • 外存儲器的種類不少，又稱輔助存儲器。外存一般是磁性介質或光盤，像硬盤，軟盤，磁帶，CD等，能長期保存信息，而且不依賴於電來保存信息，可是其速度與內存相比很是且價格較內存相比很是低廉。
• CPU
  • 運算器: 運算器又稱算術邏輯單元。它是完成計算機對各類算術運算和邏輯運算的裝置，能進行加、減、乘、除等數學運算，也能做比較、判斷、查找、邏輯運算等
  • 控制器: 由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操做控制器組成，它是發佈命令的「決策機構」，即完成協調和指揮整個計算機系統的操做。
    • 控制器是計算機的指揮中心,負責決定執行程序的順序,給出執行指令時機器各部件須要的操做控制命令.
    • 控制器是計算機指揮和控制其它各部分工做的中心，其工做過程和人的大腦指揮和控制人的各器官同樣。

2. 計算機軟件系統（software system）

• 軟件系統(Software Systems)是指由系統軟件、支撐軟件和應用軟件組成的計算機軟件系統，它是計算機系統中由軟件組成的部分。
• 計算機軟件整體分爲系統軟件和應用軟件兩大類：
  • 系統軟件:
    • 系統軟件是負責管理計算機系統中各類獨立的硬件，使得它們能夠協調工做。系統軟件使得計算機使用者和其餘軟件將計算機看成一個總體而不須要顧及到底層每一個硬件是如何工做的。
    • 系統軟件是各種操做系統，如windows、Linux、UNIX等，還包括操做系統的補丁程序及硬件驅動程序，都是系統軟件類。
  • 應用軟件:
    • 應用軟件是爲了某種特定的用途而被開發的軟件。它能夠是一個特定的程序，好比一個圖像瀏覽器。也能夠是一組功能聯繫緊密，能夠互相協做的程序的集合，好比微軟的Office軟件。也能夠是一個由衆多獨立程序組成的龐大的軟件系統，好比數據庫管理系統。
    • 應用軟件細分的話種類有不少,如工具軟件、遊戲軟件、管理軟件等都屬於應用軟件類。

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二進制 (Binary Systems)

二進制是計算技術中普遍採用的一種數制。二進制數據是用0和1兩個數碼來表示的數。它的基數爲2，進位規則是「逢二進一」，借位規則是「借一當二」. 當前的計算機系統使用的基本上是二進制系統，數據在計算機中主要是以補碼的形式存儲的。計算機中的二進制則是一個很是微小的開關，用「開」來表示1，「關」來表示0。

信號傳輸小知識點

計算機的核心硬件包括： 中央處理器(CPU), 內存(Memory), 硬盤(Hard disc) ，顯卡(Graphics card)。這些硬件互相配合，接收輸入的數據，而後進行運算再輸出。 這些計算機硬件之間須要經過電平信號來傳遞數據信息，保存數據.

計算機採用的電平信號,只有兩種信號：高電平和低電平。高電平用1表示，低電平用0表示。

-> 電平是電壓範圍，規定輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。
-> 只有兩種信號，精確度就會比較高，不容易由於硬件的故障損耗，產生偏差。不管輸出了2.5v, 2.6v仍是2.9v,這都屬於高電平，能保證發出去的信號，別人接收的時候是準確的。不會由於電路硬件問題致使輸出的信號變弱，使得接收者接收了錯誤的信號。

二進制系統(Binary Systems)

由於計算機只能傳輸和識別高低電平兩種信號，因此咱們採用了1和0來表示信號，也就產生了二進制。

咱們熟悉的十進制，就是滿10進1位。那麼二進制就是滿2進1位。在計算機的世界若是要表示十進制的3，就要用二進制11來表示，十進制的5，就要用 101來表示。

二進制說白了就是滿二進一的計數制度。這是根據計算機傳輸信號的特色而定製的。

計算機基本工做原理是存儲程序和程序控制，它是由世界著名數學家馮·諾依曼提出的。他被後人稱爲「計算機之父」。

• 核心理論: 數字計算機的數制採用二進制,計算機應該按照程序順序執行
  
• 1945年3月他在共同討論的基礎上起草了一個全新的「存儲程序通用電子計算機方案」--EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的縮寫）。這對後來計算機的設計有決定性的影響，特別是肯定計算機的結構，採用存儲程序以及二進制編碼等，至今仍爲電子計算機設計者所遵循。
• 簡單來講他的精髓貢獻是兩點：2進制思想與程序內存思想。

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計算機數據的儲存單位

計算機只能傳送高低電平信號，因此須要採用二進制。那麼內存/外存中保存數據的時候，也是要採用二進制的方式來保存的。

計算機要處理的信息是多種多樣的，如數字、文字、符號、圖形、音頻、視頻等，這些信息在人們的眼裏是不一樣的。但對於計算機來講，它們在儲存器中都是同樣的，都是以二進制的形式來表示。

咱們一般用字節來做爲存儲單位。正常狀況下一個英文字符，一個整數數字都是佔用一個字節。 長整數，浮點數，漢字等佔用兩個字節。

幾個數據的儲存單位的概念和換算:

單位	換算	說明
bit (位)	1 bit	數據傳輸大可能是以「位」（bit，又名「比特」）爲單位，保存一個二進制數據(0或1)的內存空間稱作 「 位（bit ）」,"bit "只能保存一個二進制數，而且值只有0或者1兩種。bit是最小一級的信息單位
byte (字節)	1 byte = 8 bit	數據存儲是以「字節」（Byte）爲單位.咱們規定8位(bit)空間稱爲一個字節（byte）。字節（byte）是計算機信息技術用於計量存儲容量的一種計量單位
KB（Kibibyte）	1KB = 1024Byte	Kibibyte是一種資訊計量單位，表明1024字節，通常簡稱爲KiB。Kibibyte是來自英文 kilo binary byte 的縮寫，意思爲「千位二進位字節.
MB (MByte)	1MB = 1024KB	讀做「兆」, 兆字節（Megabytes）是計算機存儲容量的單位，也經常使用MB來表示。1MB=1024*1024Bytes。
GB	1GB=1024MB	吉字節,GB、Gigabyte，在中國又被稱爲吉咖字節或京字節或十億字節, 常簡寫位G
TB	1TB=1024GB==2^40 byte	太字節（Terabyte），計算機存儲容量單位
PB	1PB=1024TB==2^50 byte	拍字節（Petabytes），計算機存儲容量單位,般在大數據處理過程當中纔會用到
EB	1EB=1024PB	艾字節,全稱Exabyte，64位計算機系統的可用最大的虛擬內存空間爲1EB

小知識點: B與iB
1KiB（Kibibyte）=1024 byte
1KB（Kilobyte）=1000 byte
1MiB（Mebibyte）=1048576 byte
1MB（Megabyte）=1000000 byte
硬盤生產商是以GB（十進制，即10的3次方=1000，如1MB=1000KB）計算的，而電腦（操做系統）是以GiB（2進制，即2的10次方， 如1MiB=1024KiB）計算的，可是國內用戶通常理解爲1MiB=1M=1024 KB, 因此爲了便於中文化的理解，翻譯MiB爲MB也是能夠的。
一樣根據硬盤廠商與用戶對於1MB大小的不一樣理解，因此好多160G的硬盤實際容量按計算機實際的1MiB=1024KB算都不到160G，這也能夠解釋爲何新買的硬盤「缺斤短兩」並無它所標示的那麼大。

十六進制

由於計算機採用的是二進制的，可是二進制對人類不太友好，讀寫都很麻煩： 01011100, 00111100, 10110011...人類看起來是很是費勁的，要換算成十進制才能比較好懂。可是若是轉換爲十進制，一個是換算麻煩，另一個是看着不是那麼的舒服方便。基於這兩個緣由，人類又發明了十六進制。

• 十六進制，方便書寫每一個二進制字節所表示的數字。
• 由於 2^4 = 16 ，這意味這 4 位 二進制數正好能夠表示成 1 位 十六進制數。

• 如上圖所示, 在十六進制中, 咱們有用到A,B,C,D,E,F幾個大寫字母,這些用來表示相似十進制的 10, 11,12,13,14,15 。 而後滿16進1。這樣正好一個字節的8位二進制均可以用兩位十六進制來表示了。
  • 再長的二進制數字，均可以分紅 4 位一組，而後快速轉化爲 十六進制數字，又快又好看。
  • 好比： 01001100 這個字節，咱們換算十進制比較費勁，咱們轉成十六進制，就直接寫成 4C.
  • 0101, 1111, 1010, 0001 轉爲 5FA1
• 經過十六進制, 咱們再將其轉爲十進制的話，就相對容易一下。只要知道每一位是前一位的16倍。
  • 好比：BC53的話就是11*4096 + 12*256 + 5*16+ 3 = 45056 + 3072 + 80 + 3 = 48211

十六進制在現實中的應用:

1. 計算機中的網卡地址(就是咱們常說的 MAC 地址，就是咱們網卡的惟一編號)，常常寫成 6 段 12 位 十六進制數， 例如:00:01:6C:06:A6:29
2. 在網頁的開發中，HTML語言裏面常常用到的顏色設置。好比：#FF0000 這個表明紅色
3. 在面向計算機底層的編程語言中，會用到十六進制的指令。好比彙編語言，機器語言等。

Q: CPU、處理器、內存、外存、寄存器、緩存的區別

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

一、CPU：Central Process Unit中央處理器單元，即CPU屬於處理器。
二、CPU中有寄存器，所以寄存器的速度最快！內存、外存統稱爲CPU的「外存」。
三、高速緩存是存放在CPU中的，它是介於CPU與內存知己的，以緩解它們之間速度不匹配的矛盾，使得內存訪問CPU的時候較快。
四、緩存是指在內存中劃分出一塊區域用於存放常使用的輸入輸出數據，以緩解CPU與外設處理速度不匹配的問題。
五、CPU與（內存、外存）是不一樣的概念，CPU是一個獨立的概念，而（內存、外存）是指對存儲器的劃分，內存的速度較外存的速度快，而且內存具備「掉電信息所有消失」的特性，而外存則具備「掉電信息也不會丟失」的特性。

Q:內存與外存的理解

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

存儲器分爲主存儲器（內存）和輔助存儲器（外存）。

內存

• 內存指的就是主板上的存儲部件，CPU直接與之溝通，並用其存儲數據的部件，存放當前正在使用的（即執行中的）數據和程序，
• 它的物理實質就是一組或多組具有數據輸入輸出和數據存儲功能的集成電路，
• 內存只用於暫時存放程序和數據，一旦關閉電源或發生斷電，其中的程序和數據就會丟失。

外存

• 外存包括軟盤、硬盤和光盤，存放在其中的數據靠磁來維持，所以可永久保存數據。

特色：

• 內存處理速度快、存儲容量小、斷電後信息丟失；
• 外存處理速度慢、存儲容量大、信息永久保存；

相關資料:

• 百度百科
• 陳斌老師的程序媛在線教程