编程必备基础：计算机组成原理、操作系统、计算机网络

编程必备基础：计算机组成原理、操作系统、计算机网络

计算机科学是现代科技的重要组成部分，其基础知识包括计算机组成原理、操作系统、计算机网络等。本文将从计算机发展历史、微型计算机的发展、计算机的分类、冯诺依曼体系、计算机的层次与编程语言、计算机的速度单位、字符编码集等多个方面，全面介绍计算机科学的基础知识。

计算机发展历史

计算机发展简史

• 1946年：电子管计算机
• 1957年：晶体管计算机
• 1964年：集成电路计算机
• 1980年：超大规模集成电路计算机

第一阶段计算机

第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂（解密德国海军的密文）

• 集成度小，空间占用大
• 功耗幔，运行速度慢
• 操作复杂，切换程序需要接线

第二个阶段：晶体管计算机

• 集成度相对较高，空间占用相对小
• 功耗相对较低，运行速度较快
• 操作相对简单，交互更加方便

第三个阶段：集成电路计算机

• 计算机变得更小
• 功耗变得更低
• 计算速度变得更快

第四个阶段：超大规模集成电路计算机

• 一个芯片集成了上百万的晶体管
• 速度更快，体积更小，价格更低，更能被大众接受
• 用途丰富：文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

第五个阶段：未来计算机

• 生物计算机
• 量子计算机

微型计算机的发展历史

单核CPU

• 1971：500KHz频率的微型计算机（字长8位）
• 1973：高于1MHz频率的微型计算机（字长8位）
• 1978：500MNHz频率的微信计算机（字长16位）
• 1985：高于1GHz频率的微型计算机（字长32位）
• 2000：高于2GHz频率的微型计算机（字长32位）

多核CPU

• 2005：Intel奔腾系列双核CPU、AMD速龙系列
• 2006：Intel酷睿四核CPU
• Intel酷睿系列十六核CPU
• Intel至强系列五十六核CPU

计算机的分类

超级计算机

• 功能最强、运算速度最快、存储容量最大的计算机
• 用于国家高科技领域和顶尖技术研究
• 标记他们运算速度的单位是TFlop/s

大型计算机

• 又称大型机、大型主机、主机等
• 具有高性能，可处理大量数据和复杂的运算
• 在大型机市场领域，IBM占据着很大的份额

迷你计算机（服务器）

• 也称小型机，普通服务器
• 不需要特殊的空调场所
• 具备不错的算力，可以完成较复杂的运算

工作站

• 高端的通用计算机，提供比个人计算机更强大的性能
• 类似于普通台式电脑，体积较大，但性能强劲

微型计算机

• 又称个人计算机时普通的一类计算机

计算机的体系与结构

冯诺依曼体系

将程序指令和数据一起存贮的计算机设计概念结构

• 能够吧需要的程序和数据送至计算机中
• 能够长期记忆程序、数据、中间结果以及最终运算的结果的能力
• 能够具备算数、逻辑运算和数据传输等数据加工处理的能力
• 能够按照要求将处理结果输出给用户

冯诺依曼瓶颈：CPU和存储速率之间的问题无法调和

现代计算机的结构

• 现代计算机在冯诺依曼体积结构的基础上进行修改
• 解决CPU与存储设备之间的性能差异问题

计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

程序翻译

程序解释

• 计算机执行的指令都是L0
• 翻译过程生成新的L0程序，解释过程不生成L0程序
• 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

程序翻译

• C/C++
• Object-C
• Golang

程序解释

• Python
• php
• javascript

翻译+解析

• Java
• C#

计算机的层次和编程语言

硬件逻辑层

• 门、触发器等逻辑电路组成
• 数据电子工程的领域

微程序机器层

• 编程语言是微指令集
• 微指令所组成的微程序直接交由硬件执行

传统机器层

• 编程语言是CPU指令集（机器指令）
• 编程语言和硬件是直接相关的
• 不同架构的CPU使用不同的CPU指令集

操作系统层

• 向上提供了建议的操作界面
• 乡下对接了指令系统，管理硬件资源
• 操作系统层是在软件和硬件之间的适配层

汇编语言层

• 编程语言是汇编语言
• 汇编语言可以翻译成科直接执行的机器语言
• 完成翻译的过程的程序就是汇编器

高级语言层

• 编程语言为广大程序员所接受的高级语言
• 高级语言的类别非常多，有几百种
• 常见的高级语言有：Python，Java，C/C++，Golang等

应用层

• 满足计算机针对某种用途而专门设计

计算机的速度单位

容量单位

• 在物理层面，高低电平记录信息
• 理论上只认识0/1两种状态
• 0/1能够表示的内容太少了，需要更大的容量表示方法

速度单位

网络速度

2. 为什么电信的100M宽带，测试峰值速度只有12M每秒？
   网络常用单位是Mbps，100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s，100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s

CPU速度

• CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率
• CPU的时钟频率的单位一般是赫兹（Hz）
• 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上

计算机的字符与编码集

字符编码集的历史

ASCII码

• 使用7个bits就可以完全表示ASCII码
• 包含95个可打印字符
• 33个不可打印字符（包括控制字符）

Extended ASCII码

• 常见的数学运算符
• 带音标的欧洲字符
• 其他常用、表格符等

字符编码集的国际化

• 欧洲、中亚、东亚、拉丁美洲国家的语言多样性
• 语言体系不一样，不以有限字符组合的语言
• 中国、韩国、日本等的语言最为复杂

中文编码集

GB2312

• 《信息交换用汉字编码字符集——基本集》
• 一共收录了7445个字符
• 包裹了6763个汉字和682个其他符号

GBK

• 《汉字内码扩展规范》
• 向下兼容了GB2312，向上支持国际ISO标准
• 收录了21003个汉字，支持全部的中日韩汉字

中文编码集

• Unicode：统一码、万国码、单一码
• Unicode定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码
• UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码

练习题与答案详解

习题

答案详解

计算机组成与人工智能

• 人工智能的发展依赖于算力的发展
• 交叉学科：自然科学、社会科学、技术科学
• 安全问题、伦理问题

图灵测试

专家系统

神经网络

• 图像识别
• 推荐系统
• 机器人
• 自然语言处理
• 时序序列预测
• 游戏AI

通用人工智能

• 人工智能研究的终极目标
• 弱人工只能处理特定的问题
• 通用人工智能是具备与人类同等智慧或超越人类的人工智能