计算机复习 · 01｜计算机基础知识

本文属于「计算机复习」系列。第 1～8 章专题页 · 系列目录与阅读说明；文中页码指原教材 PDF 页码，Windows／Office 操作沿用 Windows 7／Office 2010 语境。

原书范围：PDF 第 5—64 页。 本章末尾还混入了信息安全、网络和多媒体概述，分别与第六、七章合并复习。本章程序设计基础见 1.9，卷末编程题还需要结合原书进行实操练习。

1.1 计算机的发展、人物、分类与应用#

ENIAC：1946 年在美国宾夕法尼亚大学诞生，采用电子管，主要用于弹道计算。基础考试通常称其为“第一台电子计算机”；严格历史表述需考虑“电子、通用、数字”等限定。
计算机分代依据是主要电子元器件：第一代电子管；第二代晶体管；第三代中小规模集成电路；第四代大规模、超大规模集成电路。年份划分在教材间略有差异，优先掌握元器件对应。
SSI、MSI、LSI、VLSI：小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路。
冯·诺依曼：存储程序思想和现代计算机体系结构的重要奠基者。图灵：图灵机、图灵测试，计算机科学与人工智能的重要奠基者。巴贝奇：差分机、分析机设计。
【题目补充】EDSAC、EDVAC：本书第 22 页题目以 EDSAC 为最先实现存储程序的计算机；更准确地说，EDSAC 是早期实用存储程序计算机，Manchester Baby 于 1948 年已运行存储程序。不要将 ENIAC、EDVAC、EDSAC 的历史角色混淆。
【题目补充】中国计算机与奖项：1983 年“银河一号”是我国首台亿次巨型计算机；“天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机；图灵奖由 ACM 设立，表彰计算机领域贡献。题源：第 7、8、55 页。
发展方向：巨型化、微型化、网络化、智能化；了解光子、生物、量子计算等新型计算方式，其中量子计算为延伸内容。
按处理信息形式：数字计算机、模拟计算机，延伸有混合计算机；按用途：通用、专用；按规模与性能：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站。PC 是个人计算机，通常属于微型计算机。
特点：运算速度快、精度高、存储能力强、能进行逻辑判断、能够按程序自动工作。它们不等于“永不出错”或“能够预知未来”。

应用领域	识别线索与实例
科学计算／数值计算	弹道、气象预报、工程数值计算；最早应用领域
数据处理／信息管理	人事、财务、铁路订票、资料检索、办公自动化 OA
过程控制／实时控制	工业生产线、自动检测、交通控制
人工智能 AI	专家系统、机器学习、语音识别、人脸识别、智能机器人
计算机辅助	CAD 辅助设计；CAM 辅助制造；CAI 辅助教学；CAT 辅助测试；CIMS 计算机集成制造系统
网络通信	文件传输、信息共享、远程协作
嵌入式应用	家电、汽车等设备内部完成特定控制任务的计算系统

判断应用题的方法：看主要任务；“气象预报”重在数值计算，“工资表”重在数据处理，“控制锅炉温度”重在过程控制。

1.2 数制、进制转换与逻辑运算#

基本概念#

数码是某进制允许使用的数字符号；基数是数码个数；位权是该位置对应的基数幂。
二进制：0、1，基数 2，标记 B；八进制：0—7，标记 O 或 Q；十进制：0—9，标记 D；十六进制：0—9、A—F，标记 H，A—F 对应 10—15。
r 进制逢 r 进一、借一当 r。102B、89O、1GH 均不是合法表示。
采用二进制的主要原因：易用两种稳定物理状态表示，电路简单，运算规则简单，便于逻辑运算，抗干扰能力较好。

四类转换#

任意进制转十进制：各位数字乘位权后相加。整数位从右向左为 r^0、r^1、r^2；小数位从左向右为 r^-1、r^-2。
十进制整数转 r 进制：除 r 取余，余数倒序排列；十进制小数转 r 进制：乘 r 取整，整数部分正序排列。
二进制与八进制：每 3 位二进制对应 1 位八进制；二进制与十六进制：每 4 位对应 1 位。
八进制与十六进制：先转二进制再分组，通常最快。从小数点分别向两侧分组，整数左侧补 0，小数右侧补 0。

例题：

38.25D = 100110.01B；51.5D = 33.8H。
37.125D = 45.1O = 25.2H。
225.75D = E1.CH；54O = 44D = 2CH。
比较不同进制的大小，先统一进制，不能按数字外观判断。
并非所有十进制有限小数都能表示成有限二进制小数，如 0.1D。约分后分母只有质因数 2 时，才可精确写成有限二进制小数。
在没有溢出时，非负二进制整数左移一位相当于乘 2；末尾去掉一个 0 相当于除 2。定长机器运算要另外考虑溢出。

算术运算与逻辑运算#

二进制加法中 1+1=10，1+1+1=11；减法借一当二。算术加法与逻辑“或”不同，逻辑或中 1 OR 1=1。

A	B	A AND B／与	A OR B／或	A XOR B／异或
0	0	0	0	0
0	1	0	1	1
1	0	0	1	1
1	1	1	1	0

NOT／非：0 变 1，1 变 0。按位运算先对齐位数，再逐位计算。
例：1011B AND 1010B = 1010B；1011B OR 1010B = 1011B。
【纠错】 第 14 页将“逻辑与、逻辑或”和符号对应写乱；与通常记为 ∧，或记为 ∨。

1.3 机器数、原码、反码、补码、定点数与浮点数#

真值：数的实际数值；机器数：按规定编码存储的二进制表示。不能脱离位数、是否有符号和编码方式解释位串。
有符号表示通常以最高位表示符号，0 表示非负，1 表示负；无符号数的最高位也是数值位。
正数的原码、反码、补码相同。
负数原码：符号位为 1，其余位表示绝对值；负数反码：原码符号位不变，数值位取反；负数补码：反码加 1。
8 位示例：-24 的原码 10011000，反码 11100111，补码 11101000；-37 的原码 10100101；-61 的原码 10111101，补码 11000011；-19 的补码 11101101。
负补码求真值：对整个位串取反加 1 得绝对值，再加负号；或将位串按无符号数求值 U，再算 U − 2^n。

n 位编码	整数范围	0 的编码
无符号数	0 至 2^n−1	一种
有符号原码／反码	−(2^(n−1)−1) 至 +(2^(n−1)−1)	正零和负零
有符号补码	−2^(n−1) 至 2^(n−1)−1	唯一

8 位无符号数为 0—255；8 位补码为 -128—127。10000000 的补码真值为 -128，不是负零。

补码可以统一加减运算，符号位也参与运算，超出字长的进位丢弃；丢弃进位不意味着一定溢出。同号数相加结果异号，是有符号加法溢出的典型判断。
定点整数约定小数点在末尾；定点小数约定小数点位置固定。小数点一般不单独占存储位。
浮点数 = 尾数 × 基数^阶码：阶码主要决定表示范围，尾数主要决定精度；规格化规则要看所采用的格式。
【延伸】浮点数不等于任意实数的精确表示；有限位数会产生舍入误差。不要把教材中纯小数尾数规则直接套到全部 IEEE 754 表示上。

1.4 BCD、ASCII、汉字编码与字形存储#

BCD 与 ASCII#

8421 BCD：每位十进制数字单独用 4 位二进制编码，只使用 0000—1001。59 的 BCD 是 0101 1001；59 的普通二进制是 111011，两者不同。
ASCII：美国信息交换标准代码。基本 ASCII 使用 7 位，有 128 个编码，通常用 1 字节存储，最高位为 0；包含可打印字符和控制字符。
必背数值：空格 32；'0'=48、'9'=57；'A'=65、'Z'=90；'a'=97、'z'=122。
同一字母小写码值比大写大 32；常见大小关系为：空格 < 数字字符 < 大写字母 < 小写字母。标点各有位置，不能把全部标点一概归到同一段。
数字字符 '6' 的码值是 54，不是数值 6；字母 n 为 110，则 p 为 112。

汉字编码#

名称	作用	例子／要点
输入码／外码	用键盘输入汉字	拼音、五笔、音形码；同字可有多种输入码，也可能有重码
区位码	表示字符在 94×94 编码表中的区、位	区号与位号分别为十进制；不能直接把四位十进制数当成十六进制运算
国标码／交换码	信息交换	本书主要指 GB2312 的双字节七位表示
机内码／内码	计算机内部存储、处理	本书传统 GB2312 双字节内码，每字节最高位为 1
字形码／字模码／输出码	显示、打印汉字形状	点阵或轮廓字形；存储量通常远大于单个字符内码

GB2312 收录 7445 个字符 = 6763 个汉字 + 682 个非汉字字符；一级汉字 3755 个，按汉语拼音顺序；二级汉字 3008 个，按部首、笔画等规则排列。
按本书传统表示：每个字节的国标码 = 区／位值 + 20H；机内码 = 国标码 + 8080H。例如 5E38H → DEB8H。
单色 m×n 点阵字形占 m×n÷8 字节：16×16 为 32B；24×24 为 72B；32×32 为 128B；48×48 为 288B。
2000 个 24×24 点阵汉字：2000×72 = 144000B = 140.625KiB。若题目按十进制 KB 则为 144KB；必须写清换算口径。
【延伸／纠错】“一个汉字一定占 2 字节”只适用于指定的双字节编码情境。 Unicode 是字符编码标准体系；常用汉字的 UTF-8 编码通常为 3 字节，UTF-16 通常为 2 字节，部分字符用 4 字节。ASCII 本身不能表示汉字。

1.5 存储单位与容量计算#

位 bit／b：二进制的一位，是信息量的基本单位；字节 Byte／B：常用存储计量单位；1B = 8b。
本书题目通常采用 1KB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB、1TB=1024GB。严格二进制单位写作 KiB、MiB、GiB、TiB。
存储产品标称容量、网络速率常采用十进制：1GB=10^9B，1Gb/s=10^9bit/s。做题以题设口径为准，不能把 b 和 B 混用。
字：处理器一次处理的一个数据单位；字长：该单位的二进制位数。64 位机的“64”不是字节数，也不是十进制位数。
按字节编址且有 n 根地址线：可寻址空间为 2^n 字节；若按字编址，再乘每字节数。地址范围容量 = 末地址 − 首地址 + 1。
例：2001H—7000H 共 5000H=20480 个地址，按字节编址为 20KiB。+1 不能漏。
【延伸】图像、音频容量见第七章；下载时间见第六章。

1.6 硬件组成、CPU 与总线#

完整计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统；未安装任何软件的计算机叫裸机。
冯·诺依曼体系五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。程序和数据以二进制存储，按指令控制工作；指令可通过转移改变执行顺序。
微机主机主要指 CPU + 内存；硬盘即使装在机箱内，仍属于外存。外设包括输入、输出及外存设备。
CPU：中央处理器，主要由运算器、控制器及寄存器构成；ALU 为算术逻辑单元，不是整个 CPU。
运算器执行算术、逻辑运算；控制器负责取指、译码、发出控制信号，协调部件工作。
PC 程序计数器保存后续要取的指令地址；IR 指令寄存器保存当前指令。题目问“下一条指令的地址”答 PC。第 25 页该题答案存在错位，不能照抄字母。
指令一般包括操作码和操作数／地址等信息；操作码规定“做什么”，地址码指示操作数、结果位置等，不能简单解释成“怎么做”。
时钟周期是时钟振荡的一个周期，T=1/f；指令周期是完成一条指令所需时间，两者不是一回事。【题源：第 243 页第 13 题】
CPU 性能指标：主频 Hz/MHz/GHz、字长、指令执行效率、核心数、缓存等；MIPS 为每秒百万条指令，FLOPS 为每秒浮点运算次数。
主频 = 外频×倍频是教材中的常见计算关系；不同架构 CPU 不能只按主频判快慢。
可靠性常用 MTBF（平均故障间隔时间）衡量；整机性能还取决于内存、磁盘、软件、任务类型等。

总线	传送内容	典型考点
数据总线 DB	数据，也包括编码后的指令内容	通常双向，宽度影响一次传输的数据量
地址总线 AB	内存或接口地址	简化单 CPU 模型中由 CPU 发出；宽度决定寻址能力
控制总线 CB	读写、中断等控制／状态信号	各信号线的方向可能不同

总线还可按位置分片内／内部、系统、外部总线。了解 ISA、EISA、PCI、AGP 等历史名称。USB 是通用串行总线，支持即插即用、热插拔，可供电；不等于所有 USB 设备都不需驱动或独立电源。USB 2.0 理论最高 480Mb/s，USB 3.0 为 5Gb/s，作为延伸记忆。

1.7 存储系统#

类型	是否易失	特点与用途
寄存器	是	CPU 内部，容量小、速度快
Cache	通常是	高速缓存，常用 SRAM，缓解 CPU 与主存速度差异
SRAM	是	静态 RAM，通电保持，无需周期性刷新，成本较高
DRAM	是	动态 RAM，需要周期性刷新，常用于主存
ROM	否	正常工作主要读取；传统掩膜 ROM 内容固化
PROM／EPROM／EEPROM	否	分别是可编程、紫外擦除可编程、电可擦除可编程 ROM
Flash 闪存	否	可电擦写，常见于 U 盘、存储卡和 SSD
硬盘、光盘等外存	否	长期保存数据，经 I/O 系统送入内存供 CPU 处理

常见速度顺序：寄存器 > Cache > 主存 > SSD > 机械硬盘 > 光盘；这是一般情况，设备差异与访问模式会影响结果。
用户可用内存通常指 RAM 容量。断电 RAM、Cache 内容丢失；ROM、Flash 和磁盘内容通常保留。
存储程序需要装入内存后执行；“硬盘版软件直接在硬盘执行”错误。
读盘：外存 → 内存；写盘：内存 → 外存。
机械硬盘结构：盘片、盘面、磁道、扇区、柱面、磁头；同一半径的磁道构成柱面。
教材磁盘容量公式：盘面／磁头数×每面磁道数／柱面数×每道扇区数×每扇区字节数。传统题常用 512B／扇区；现代设备可能采用 4096B 等，不能认定所有扇区均为 512B。
文件系统通常以簇分配磁盘空间，簇不等于扇区；“文件实际大小”和“占用空间”可能不同。
格式化用于建立文件系统结构；不要把“格式化后目录中数据不可见”等同于“所有原始数据均已安全擦除”。
光盘：CD-ROM、DVD-ROM 只读；CD-R 一次写入型，可在未封盘及剩余空间条件下追加，但不能擦除重写；CD-RW、DVD-RW 可重写。常见 CD 650/700MB，DVD 单面单层 4.7GB、双层约 8.5GB。
SSD 通常用闪存，无机械寻道，随机读写快；U 盘也是闪存设备，不能归为磁介质。

1.8 输入输出设备、键盘与软件系统#

输入输出#

输入：键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、数码相机、麦克风、条码阅读器、手写板。
输出：显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音箱。
触摸屏兼具输入与输出；磁盘驱动器、网卡可以双向传输。普通触摸板主要是输入设备。
显示器：CRT、LCD；分辨率用水平像素×垂直像素表示；尺寸通常指对角线英寸；点距可用毫米；刷新率用 Hz。分辨率、像素、点距、色深不能混为一谈。
针式打印机适合多联票据，喷墨适合彩色照片等，激光常用于高速文档输出。“激光在任何用途下一定质量最高”过于绝对。24 针指打印头针数，不是 24×24 根针。
显存的简化容量：像素数×每像素位数÷8；1024×768、256 色需 1024×768×8÷8=768KiB，忽略其他开销。
UPS：不间断电源，用于停电保护和供电保障，不是存储器或网络设备。

键盘#

Backspace 删除插入点左侧字符；Delete 删除右侧字符或选中对象；Shift 上档；Caps Lock 大写锁定；Num Lock 数字小键盘锁定；Tab 制表／切换焦点；Esc 取消或退出当前状态；Enter 确认或换段；Home/End 行首／行尾；Page Up/Down 翻屏。Insert 是否切换插入与改写取决于软件设置。

软件#

软件是程序、相关数据及文档的总称。
系统软件：操作系统、语言处理程序、数据库管理系统等；应用软件：办公、财务、人事、图像处理、通信、游戏等。
数据库管理系统 DBMS 是系统软件；学生成绩管理系统通常是应用软件。 名称带“系统”不代表属于系统软件。
操作系统是管理软硬件资源、提供运行环境的基础软件，也是用户与计算机的接口。
五类管理：处理器／进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。内存分配回收、地址映射、内存保护属于存储管理；进程调度属于处理器管理。
操作系统类型：批处理、分时、实时、网络、分布式、嵌入式；按用户／任务数另有单用户、多用户、单任务、多任务等分类，分类维度不能混用。
分时：时间片轮转，多个用户交互；实时：在规定时间内响应；批处理：成批处理任务。DOS 是传统单用户单任务操作系统，不应直接归为实时系统。
常见系统：Windows、UNIX、Linux、macOS、Android、iOS。Linux 内核开源；macOS 常见于 Mac；本书时代 iPhone/iPad 常以 iOS 为答案，现今 iPad 使用 iPadOS。
【题目补充】程序与进程：程序是静态代码；进程是程序的一次执行活动，含运行状态和资源。进程提高并发性、资源利用率，也带来管理开销。题源：第 53、240 页。

1.9 程序设计与算法基础#

机器语言：二进制指令，可直接执行，依赖指令集；汇编语言：助记符，需汇编程序翻译；高级语言：较接近自然语言和数学表达式，可读性和可移植性较好，需要相应实现处理。
源程序经编译生成目标代码，链接后成为可执行程序；解释执行通常在运行时处理源代码／中间表示。编译程序与解释程序不是同一个概念。
典型语言：C、C++、Java、Python、BASIC、FORTRAN；面向对象强调封装、继承、多态，面向过程强调步骤。Java、VB 不能简单归为“第四代非过程化语言”；SQL 是典型非过程化查询语言。
程序设计步骤：分析问题 → 设计算法 → 编写代码 → 编译／解释与调试 → 测试结果 → 编写文档与维护。
教材经典关系：程序 = 算法 + 数据结构；算法描述处理步骤，数据结构描述处理对象的组织形式。
算法五个特性：有穷性、确定性、有效性、0 个或多个输入、1 个或多个输出。算法不一定要用程序语言写出，也不一定有外部输入。
算法表示：自然语言、流程图、N-S 结构图、伪代码；流程图常用起止框、处理框、判断框、输入输出框、流程线。
三种基本结构：顺序、选择、循环。if…else 选择一条分支；while 先判断可执行 0 次；do-while 先执行至少 1 次；until 型以条件成立结束，不要与 while 的继续条件混淆。
本书理论已介绍算法，但卷末要求实际编程，需另补变量、输入输出、比较与赋值、数组、循环边界、排序、查找等，并结合原书编程题练习。

1.10 信息、信息技术与安全补充#

【题源补充】第 238 页第 52 题涉及正文未系统展开的信息基础：信息是对客观事物状态、特征和变化的反映；数据是信息的载体和符号表达。信息具有价值性、共享性、时效性、可传递性等。信息技术涉及获取、存储、加工、传输、交流、表达；微电子技术是重要基础，计算机与通信技术是核心支撑。

知识产权和信息伦理：尊重软件许可，不能因“复制不损坏原件”就认为不存在侵权；评价软件使用是否合法，要看授权与适用规则。网络信息需要核验来源，发布者对内容负责。病毒、防火墙、备份和安全三要素统一见 7.7。

【大纲补充】第 1 页提及“信息高速公路”和“金字工程”：前者指高速、大容量、覆盖广泛的信息基础设施；早期“三金工程”常指金桥、金卡、金关，分别关联信息网络、电子货币／银行卡应用、海关信息化。属于大纲点名而正文展开不足的低频记忆项。

本章自检：能否完成数制、编码和容量计算，辨清硬件、软件、语言与算法？

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