信息学奥赛基础知识1.docx
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信息学奥赛基础知识1
§1计算机概述
世界第一台电子数字式计算机于1946年美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它的名称叫ENIAC（埃尼阿克），是电子数值积分计算机的缩写。
它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方，重30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。
被西方人誉为“计算机之父”的美籍匈牙利科学家、数学家冯·诺依曼于1945年发表了一个全新的"存储程序通用电子计算机方案"—EDVAC。
EDVAC方案提出了著名的“冯·诺依曼体系结构”理论：
（1）采用二进制形式表示数据和指令
在存储程序的计算机中，数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。
从存储器存储的内容来看两者并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。
计算机在读取指令时，把从计算机读到的信息看作是指令；而在读取数据时，把从计算机读到的信息看作是操作数。
数据和指令在软件编制中就已加以区分，所以正常情况下两者不会产生混乱。
有时我们也把存储在存储器中的数据和指令统称为数据，因为程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。
（2）采用存储程序方式
这是冯·诺依曼思想的核心内容。
如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序（包含指令和数据）存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。
这是计算机能高速自动运行的基础。
计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。
计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。
冯·诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流（指令流）驱动方式。
即按照指令的执行序列，依次读取指令，然后根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。
因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。
为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程序（指令）计数器PC（ProgramCounter），让它存放当前指令所在的存储单元的地址。
如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。
如果程序将转移到某处，就将转移的目标地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。
所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，就是指示控制流的形成。
虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。
由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。
（3）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。
上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，即冯·诺依曼型计算机体制。
计算机的发展过程
发展阶段
发展时间
组成元件特征
第一代
（1946-1957）
电子管
第二代
（1958-1964）
晶体管
第三代
（1965-1971）
中小规模集成电路
第四代
（1972-...）
大规模、超大规模集成电路
计算机的发展方向：
巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化
计算机的特点：
1.运算速度快：
最快可以达到上万亿次/s。
2.精确度高：
微型机可达到十几位有效数字。
3.存储功能（有记忆功能）：
能存储程序和数据。
4.能进行逻辑运算。
5.在程序的控制下能自动工作。
计算机的主要应用：
1、科学计算：
密码破译，天气预报，地质勘探，
卫星轨道计算
2、数据处理：
数据库管理，企业信息管理，
统计汇总、办公自动化
3、自动控制：
机器人以及各种自动化装备
4、计算机辅助设计/分析/制造/教学：
机械CAD，建筑CAD，计算机辅助教学CAI
5、智能模拟：
人工智能、专家系统、自学习
6、电子商务：
7、休闲娱乐：
计算机分类：
1、按规模分：
巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机
2、按用途分：
专用机、通用机
3、按处理方式分：
模拟计算机、数字计算机以及数字模拟混合计算机
4、照其工作模式分：
服务器、工作站
计算机的主要性能技术指标
1.字长
字长是计算机运算部件一次能处理的二进制数据的位数。
字长愈长，计算机的处理能力就愈强。
早期的微型计算机的字长为16位，如：
80286等。
现在的微型计算机的字长为32位，如80386，
80486，PIV等。
对于数据，字长愈长，运算精度愈高；对于指令，字长愈长，则功能愈强，而寻址的存储空间也愈大。
2.速度
不同配置微型计算机按相同的算法执行相同的任务所需要的时间可能是不同的，这和微型计算机的速度有关。
微型计算机速度指标可以用主频和运算速度来评价。
主频也称时钟频率，是指CPU工作时的频率。
主频是衡量微型机运行速度的主要参数，主频越高，执行一条指令的时间就越短，因而速度就愈快。
主频一般以兆赫兹（MHz）为单位。
目前的微机的主频在500MHz左右，高的可达1000MHz左右，甚至更高。
运算速度是以每秒百万指令数（MIPS）为单位。
这个指标较主频更能直观的反映微型计算机的运算速度。
速度是一个综合指标，影响微型计算机速度的因素还有许多，如存储器的存取时间系统总线的时钟频率等。
3.存储系统容量
存储系统主要包括主存储器（也称内存）和辅助存储器（也称外存）。
内存储器容量是指为计算机系统所配置的内存总字节数，CPU可直接访问的大部分存储空间。
存储容量以字节（B）为单位，一个字节由8位二进制位组成。
用KB，MB，GB，TB
等表示，具体换算公式为：
目前，软件系统的体积越来越大，对存储空间要求也越来越高，很多复杂的软件，要有足够大的硬盘空间才能装得下，要有足够大的内存空间才能运行。
4.系统可靠性
计算机的可靠性以平均无故障时间（MTBF）表示：
其中：
Ti：
第i次无故障时间；N：
故障总次数。
MTBF愈大，系统性能愈好。
5.系统可维护性
计算机的可维护性以平均修复时间（MTTR）表示：
其中：
Ti：
第i次故障修复时间;
M：
修复总次数。
MTTR愈大，系统性能愈好。
6.性价比
性价比是用来衡量计算机产品优劣的概括性指标。
性：
指性能，代表计算机的使用价值，它包括计算机的运算速度、存储器容量、存取周期。
通道信息流量速率、输入输出设备的配置和计算机的可靠性。
价：
指价格，代表计算机的售价。
性价比愈大，表明计算机系统愈好。
§2计算机系统的基本组成
完整的计算机系统系统包括：
硬件系统和软件系统。
两个部分又由若干个部件组成（如图）。
硬件系统是计算机的“躯干”，是物质基础。
而软件系统则是建立在这个“躯干”上的“灵魂”。
（一）计算机硬件
计算机硬件系统由五大部分组成：
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
（如下图所示）
*中央处理器（CPU——CentralProcessingUnit）
CPU由运算器、控制器和一些寄存器组成；
1.运算器 运算器是计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件，通常由算术逻辑运算部件（ALU）、累加器及通用寄存器组成。
2.控制器 控制器用以控制和协调计算机各部件自动、连续地执行各条指令，通常由指令部件、时序部件及操作控制部件组成。
运算器和控制器是计算机的核心部件，这两部分合称中央处理单元（CentreProcessUnit，简称CPU），如果将CPU集成在一块芯片上作为一个独立的部件，该部件称为微处理器（Microprocessor，简称MP）。
运算器进行各种算术运算和逻辑运算；控制器是计算机的指挥系统；
CPU的主要性能指标是主频和字长。
字长表示CPU每次计算数据的能力。
如80486及Pentium系列CPU一次可处理32位二进制数据。
时钟频率主要以MHz为单位来度量，通常时钟频率越高，其处理速度也越快。
目前的主流CPU的时钟频率已发展到500MHz以上甚至达２GHz以上。
*存储器
存储器的主要功能是用来保存各类程序的数据信息。
存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。
①主存储器（也称内存储器），属于主机的一部分。
用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器。
①辅助存储器（也称外存储器），它属于外部设备。
用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。
存储器与CPU的关系可用（图1）来表示。
（1）内存储器
一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位。
实际上，常将每8位二进制位组成一个存储单位，简称字节（Byte）。
字节是数据存储的基本单位。
为了能存取到指定位置的数据，给每个存储单元编上一个号码，该号码称为内存地址。
度量内存主要性能指标是存储容量和存取时间。
存储容量是指存储可容纳的二进制信息量，描述存储容量的单位是字节。
存取时间指存储器收到有效地址到在输出端出现有效数据的时间间隔。
存取时间用纳秒
为单位。
时间愈短，其性能愈好。
内存储器按其工作方式可分为随机存储器（RandomAcessMemory，简称RAM）和只读存储器（ReadOnlyMemory，简称Rom）两类。
①RAM RAM在计算机工作时，既可从中读出信息，也可随时写入信息，所以，RAM是一种在计算机正常工作时可读/写的存储器。
在随机存储器中，以任意次序读写任意存储单元所用时间是相同的。
目前所有的计算机大都使用半导体随机存储器。
半导体随机存储器是一种集成电路，其中有成千上万个存储单元。
根据元器体结构的不同，随机存储器又可分为静态随机存储器（StaticRAM，简称SARM）和动态随机存储器（DynamicRAM，简称DRAM）两种。
静态随机存储器（SARM）集成度低，价格高。
但存取速度快，它常用作高速缓冲存储器（Cache）。
Cache是指工作速度比一般内存快得多的存储器，它的速度基本上与CPU速度相匹配，它的位置在CPU与内存之间（如图2所示）。
在通常情况下，Cache中保存着内存中部分数据映像。
CPU在读写数据时，首先访问Cache。
如果Cache含有所需的数据，就不需要访问内存；如果Cache中不含有所需的数据，才去访问内存。
设置Cache的目的，就是为了提高机器运行速度。
动态随机存储器使用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示“0”和“1”的，因为保存在分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐步消失，所以需要周期性的给电容充电，称为刷新。
这类存储器集成度高、价格低、存储速度慢。
随机存储器存储当前使用的程序和数据，一旦机器断电，就会丢失数据，而且无法恢复。
因此，用户在操作计算机过程中应养成随时存盘的习惯，以免断电时丢失数据。
（图2）
②ROM 只读存储器（ROM）只能做读出操作而不能做写入操作。
只读存储器中的信息是在制造时用专门的设备一次性写入的，只读存储器用来存放固定不变重复执行的程序，只读存储器中的内容是永久性的，即使关机或断电也不会消失。
目前，有多种形式的只读存储器，常见的有如下几种：
PROM：
可编程的只读存储器。
EPROM：
可擦除的可编程只读存储器。
EEPROM：
可用电擦除的可编程只读存储器。
CPU（运算器和控制器）和主存储器组成了计算机的主机部分。
（2）外存储器
外存储器大都采用磁性和光学材料制成。
与内存储器相比，外存储器的特点是存储容量大，价格较低，,而且在断电的情况下也可以长期保存信息，所以称为永久性存储器。
缺点是存取速度比内存储器慢，常见的外存储器有以下几种：
磁盘磁盘是微型计算机系统中最重要的外部存储器,同时定它又是重要的输入输出设备，它即可作为输入设备，又可作为输出设备。
它一般包括软磁盘存储器和硬磁盘存储器。
磁盘属于磁表面存储设备。
它的信息存储是一种电磁转换过程，它是通过磁头与磁盘片的相对运动来实现。
软盘驱动器
软盘驱动器简称软驱。
软驱是数据和程序进入微型计算机的门户。
软驱所用的软盘直径通常有3.5英寸和5.25英寸两中.现在的微型计算机一般都配置3.5英寸驱动器一个，其容量为1.44MB，盘符为“A：
”。
软盘存储信息是按磁道和扇区组织存储的，软盘在使用前必须进行格式化。
格式化就是对软磁盘划分磁道和扇区。
格式化时将磁盘面划分成若干个同心圆,每个同心圆称为一个磁道，3.5英寸的软盘有80个磁道，磁道的编址是由外向内的编号的，最外层的一个同心圆为0号磁道，最内层的同心圆为第79磁道，每个磁道又被划分为若干区域，每个区域称为扇区（如图3所示），目前常用的软盘都划分为18个扇区，每个扇区可存放512个字节，每张盘片又可分为A、B两面。
因此，可以得出
512*80*18*1=1474560（B）=1.44（MB）
（图3）
软盘在格式化后会产生四个区:
引导区（BOOT）、文件分配表（FAT）、文件目录表和数据区。
引导区用于存放引导程序。
文件分配表用于描述文件在磁盘上存放的位置以及整个软盘扇区的使用情况。
文件目录表区用来存放软盘根目录下所有子目录文件文件属性、文件在软盘上的存放的开始位置、文件长度以及文件建立和修改的日期和时间。
数据区是存放文件内容的区域。
引导区和文件分配表这些供系统使用和管理软盘的重要信息存放在软盘的0磁道上，所以如果磁盘的0磁道损坏会导致整个软盘无法使用。
软盘的特点是成本低，重量轻，价格便宜，便于携带，缺点是存储容量小，且软盘容易损坏。
硬盘 硬盘也称固定盘。
硬盘的存储容量，读/写速度均比软盘高得多。
磁盘是按柱面磁头号和扇区的格式组织存取信息的，（如图4所示）的柱面由一组盘片的同一磁道在纵向上所形成的同心圆柱面构成。
柱面从外想内编号，同一柱面上的各个磁道和扇区的划分与软盘基本相同。
数据在硬盘上的位置通过柱面号，磁头号和扇区号三个参数来确定的，硬盘与硬盘驱动器固定在一起，硬盘格式化后，其使用方式与软盘一样，也是通过盘符标识符来确认。
硬盘的盘符通常为“C：
”，若系统配有多个硬盘或将一个物理硬盘划分为多个逻辑硬盘，则盘符可依次为“C：
”、“D”、“E”、“F”等。
（图4）
目前微型计算机中普遍使用了3英寸和5英寸硬盘，大都采用温切斯特（wenchester）技术，所以有时称这类硬盘为温盘。
硬盘的特点是可靠性高，存储容量大，读写速度快，对环境要求不高。
缺点是不便于携带，切工作时应避免振动。
光盘 光盘是用光学的方式制成的，光盘盘片上有一层可塑材料。
写入数据时，永高能激光束照射光盘片，可在可塑层上灼出极小的坑，并以有无小坑表示数字“0”和“1”，当数据全部写入光盘后，再在可塑层上喷涂一层金属材料，这样光盘就不能再写入数据。
再读出数据时，永低能激光束入射光盘，利用盘表面上的小坑和平面处的不同反射来区分“0”和“1”。
目前微型计算机中大都配有只读式光盘（COMPACTDISKREADONLYMEMORY，简称CD-ROM），每张关盘容量可达650MB，可存放程序，文本，图象，音乐和电影等各种信息。
光盘需要语光盘驱动器配合使用。
光盘驱动器（简称光驱）是多媒体电脑的重要输入设备。
光驱的盘符一般为紧邻着硬盘盘符后的那一个英文字母来表示。
根据使用方式及性能不同，光盘分为三类：
①只读式关盘（CD-ROM）：
用户只能读取而无法修改其中的数据。
②一次性写入光盘（WriteOnceReadManytime,简称WORM）：
用户可以写入一次，但可多次读取。
③可擦除光盘：
用户可以像用软盘一样对其进行多次读/写操作。
④光盘的特点:
1）存储容量大,价格低;
2）不怕电磁干扰,存储密度高,可靠性高;
3）存取速度在不断增高。
＊输入设备
键盘（Keyboard）：
104、107键盘
鼠标（Mouse）:
机械和光电鼠标两种
手写笔触摸屏麦克风扫描仪（Scanner）
视频输入设备条形码扫描
＊输出设备显示器：
CRT和液晶显示器。
打印机：
针式、喷墨、激光打印机。
绘图仪音箱
＊总线
计算机总线是一组连接各个部件的公共通信线。
计算机中的各个部件是通过总线相连的，因此各个部件间通信关系变成面向总线的单一关系（如图所示）。
但是任一瞬间总线上只能出现一个部件发往另一个部件的信息，这意味着总线只能分时使用，而这是需要加以控制的。
总线使用权的控制是设计计算机系统时要认真考虑的重要问题。
总线是一组物理导线，并非一根。
根据总线上传送的信息不同，分为地址总线、数据总线和控制总线。
①地址总线
地址总线传送地址信息。
地址是识别信息存放位置的编号，主存储器的每个存储单元及I/O接口中不同的设备都有各自不同的地址。
地址总线是CPU向主存储器和I/O接口传送地址信息的通道，它是自CPU向外传输的单向总线。
②数据总线
数据总线传送系统中的数据或指令。
数据总线是双向总线，一方面作为CPU向主存储器和I/O接口传送数据的通道。
另一方面，是主存储器和I/O接口向CPU传送数据的通道，数据总线的宽度与CPU的字长有关。
③控制总线
控制总线传送控制信号。
控制总线是CPU向主存储器和I/O接口发出命令信号的通道，又是外界向CPU传送状态信息的通道。
我们通常用总线宽度和总线频率来表示总线的特征。
总线宽度为一次能并行传输的二进制位数，即32位总线一次能传送32位数据，64位一次能传送64位数据。
总线频率则用来表示总线的速度，目前常见的总线频率为66MHZ，100MHZ，133MHZ或更高。
总线在发展过程中已逐步标准化，常见总线标准有ISA总线PCI总线、EISA总线和AGP总线。
·ISA（IndustryStandardArchiitecture，工业标准）总线是一种16位的总线结构，适用范围广，因为很多的接口卡都是根据ISA标准生产的。
·PCI（PeripheralComponentInterconnection，外部设备互连）总线是一种32位的高性能总线，可扩展到64位，与ISA总线兼容。
目前，高性能微型机主板上都设有PCI总线。
该总线标准性能先进，成本较低，可扩充性好，特别是对于微软提出的“即插即用”方案的很好支持，现已成为奔腾级以上普遍采用的外设接插总线。
·AGP（AcceleratedGraphicsport，图形加速接口）总线是随着三维图形的应用而发展起来的一种总线标准。
三维图形对计算机速度提出了很高的要求，使得PIC总线传送速度变得很紧张，AGP在图形与内存之间提供了一条直接的访问途径。
·EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture，扩展工业标准结构）总线是对ISA总线的扩展。
（二）计算机软件
计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类。
·系统软件：
系统软件是计算机必备的，用以实现计算机系统的管理、控制、运行、维护，并完成应用程序的装入、编译等任务的程序。
系统软件与具体应用无关，是在系统一级上提供的服务。
常用的系统软件：
操作系统、编译程序、语言处理程序和数据库管理系统等。
例如：
操作系统：
DOS、Windows95/98/2000、Unix、Linux、WindowsNT；
编译系统：
机器语言，汇编语言和高级语言
数据库系统：
Foxpro，Access，Orale，Sybase，DB2和Informix
·应用软件：
应用软件是为了解决计算机应用中的实际问题而编制的程序。
它包括商品化的通用软件和实用软件，也包括用户自己编制的各种应用程序。
按照应用软件的应用领域与开发方式，可以把应用软件分为三类：
①定制软件
定制软件是针对某些具体应用问题而研制的软件。
这类软件完全按照用户自己的特定需求而专门进行开发的，应用面相对较窄，运行效率较高。
如:
股票分析软件、工资管理软件、学籍管理软件和企业经营管理软件等。
②应用软件包
在某个应用领域中有一定通用性的软件，称为应用软件。
应用软件包可能不能满足该领域内的所有用户的需要，通常用户购买这类软件后，需要经过二次开发后才能投入实际使用。
如财务管理软件包、统计软件包和生物医用软件包等。
③流行应用软件
在一些相对广泛使用的领域中有着相当多用户的流行应用软件，这些软件不断推出新的版本，不断改进其功能，效率和使用的方便性。
如：
文字处理软件、电子表格软件和绘图软件等。
§3信息数字化
＊进位计数制的基本概念
将数字符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位的进位方式计数表示数值的方法，称作进位计数制。
1.十进制
十进制计数制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个数字符号组成。
相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满十就向高位进一，即“逢十进一”。
如：
555.5可以表示成
555.5＝5×100+5×10+5×1+5×（1/10）
一个任意的十进制数都可以表示成：
2.八进制
八进制计数制由0、1、2、3、4、5、6、7共8个数字符号组成。
相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满八就向高位进一，即“逢八进一”。
如：
（555.5）8可以表示成
（555.5）8＝5×16+5×8+5×1+5×（1/8）
一个任意的十进制数都可以表示成：
3.二进制
二进制计数制由0和1共2个数字符号组成。
相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满二就向高位进一，即“逢二进一”。
如：
（1011.1）2＝1×8+0×4+1×2+1×1+1×（1/2） 一个任意的二进制数都可以表示成：
4.其他进制
在日常生活和日常工作中还使用其他进制数如：
十二进制数、十六进制数、百进制数和千进制数等。
无论哪种进制数，表示的方法都是类似的。
如：
十六进制数由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E和F共十六个符号组成，“逢十六进一”。
不同的是用A、B、C、D、E和F分别表示10、11、12、13、14和15六个数字符号。
5.基数与权
某进制计数制允许选用的基本数字符号的个数称为基数。
一般而言，J进制数的基数为J，可供选用的基本数字符号有J个，分别为0到J－1，每个数位计满J就向高位进一，即“逢J进一”。
某进制计数制中各位数字符号所表示的数值表示该数字符号值乘以一个与数字符号有关的常数，该常数称为“位权”（简称“权”）。
位权的大小是以基数为底，数字符号所处的位置的序号为指数的整数次幂。
十进制数允许使用十个基本数字符号，所以基数为10，每位数字符号代表的位数的大小是以10为底，数字符号所处位置的序号为指数的整数次幂。
（如图所示）给出了任意进制数（K2K1K0K-1K-2），当J分别为：
2，8，10和16时各位权值对照。
＊数制之间的转换：
计算机内部使用的数字符号只有“0”和“1”两个。
也就是说计算机内部使用的是二进制数所有的数值数据和非数值数据，都是由“0”和“1”这两个数字符号加以组合而成的，我们称之为“二进制代码”。
1．为什么要采用二进制
尽管二进制数不符合人们的习惯。
但是计算机内部仍采用二进制表示信息，主要原因有以下几点：
1）容易实现
计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两种状态。
例如：
开关的接通与断开，电压电平的高与低等。
这两种状态正好用来表示二进制数的两个数码0和1。
2）工作可靠
两个状态代表的两个数码在数字传输和处理中不容易出错，因而电路更加稳定可靠。
3）简化运算
二进制运算法则简单。
两个一位二进制数的求和、求积运算组合仅有三种，即0＋0＝0，0＋1＝1，1＋0＝1，1
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