Day1 計算機基礎

計算機發展史、基本組成、軟體硬體知識、工作原理四大部分

一、初識計算機

• 什麼是計算機：

計算機是一種用於高速計算的電子計算機器，可以用於數值計算、又可以進行邏輯計算，還有儲存記憶功能。是能按照程式執行，自動、高速處理海量資料的現代化智慧電子裝置。

• 計算機的發展過程：

計算機深遠來源：工具+規則。數手指、算盤、奧斯卡轉輪、奧斯卡步進輪、萊布尼茲二進位制（受八卦影響哈哈）、編織機？？傑卡德自動編織機、巴貝奇差分機（將複雜的運算轉化為加減運算，三大部分：儲存庫、運算室、控制器）、馬克1號。

二戰期間，原子彈投放錯誤，為了提高計算精確度，美國組織研究計算機

1984年，美國軍方制定世界上第一臺電子計算機“電子數字積分計算機”，美國賓夕法尼亞大學

馮諾依曼理論的要點：數字計算機的數制採用二進位制，計算機應該按照程式順序執行。

1946年-1957年 電子管時代

1958年-1964年 電晶體時代

1971年-至今 大規模超大規模積體電路時代

• 計算機構成：

硬體系統和軟體系統

硬體系統：五大裝置：運算器（負責算數運算與邏輯運算，與控制器共同組成了中央處理器CPU），控制器（負責傳送和接受指令），儲存器（用於儲存正在執行的程式，將要進行程式的資料及剛處理完的資料）、輸入裝置（如鍵盤、掃描器）、輸出裝置（如顯示器、音響）。除了五大裝置，還有主機板，主機板上安裝了組成計算機的主要電路系統

軟體系統：為了完成某一特定工作而開發的程式。分為系統軟體和應用軟體。系統軟體是指控制和協調計算機及外部裝置支援應用開發和執行的系統。

二、資料概述

• 認識資料的思想及意義：

大資料是高科技時代的產物。大資料的價值：1.對大量消費者提供產品或服務的企業可以利用大資料進行精準營銷；2.做小而美模式的中長尾企業可以利用大資料做服務轉型；3.面臨網際網路壓力之下必須轉型的傳統企業需要與時俱進充分利用大資料的價值。

• 什麼是資料：

資料是事實或觀察的結果，是對客觀事物的邏輯歸納，是用於表示客觀事物的未加工的原始素材。

在計算機系統中，資料以二進位制資訊單元0 1 的形式表示。在計算機系統中，各種字母、數字符號的組合、語言、圖形、影象等統稱為資料，資料經過加工後就成為資訊。

• 資料的表現形式：

在計算機系統中，資料以二進位制資訊單元0 1的形式表示。可劃分為數字資料（阿拉伯數字符號構成）和模擬資料（某個取件產生的連續值，如視訊、影象、文字、聲音等）

• 計算機資料中的數字表現：

進位制：數碼（集合包含元素數量的多少）和位權（數制中每一固定位置對應的單位值）。

二進位制：技術實現簡單（邏輯電路，開關兩個狀態）、簡化運算規則、適合邏輯運算（真假）、易於進行轉換

八進位制：書寫和閱讀不簡單，小型機中引入八進位制。

十六進位制

• 機器數與真值：

機器數：一個數在計算機中的二進位制表示形式叫做這個數的機器數。在計算機用一個數的最高位存放符號，正數為0，負數為1。

真值：因為第一位是符號位，所以機器數的形式值就不等於真正的數值。將帶符號位的機器數對應的真正數值稱為機器數的真值。

• 原碼、反碼及補碼：

原碼、反碼及補碼都是有符號的用二進位制表示數的方法，均由符號位和數值位構成。

原碼：符號位加上真值的絕對值。 八位的原碼，只能表示2^8-1個數，即255

反碼：正數的反碼是其本身，負數的反碼是在原碼的基礎上，符號位不變，其餘位各取反。

補碼：正數的反碼是其本身，負數的補碼是在原碼的基礎上，符號位不變，其餘位各取反加1。

在計算機系統中，數值一律用補碼來表示（儲存）。使用補碼，可以將符號位和其他位統一處理；減法可以按照加法來處理。

三、編碼與網路七層模型：

七層協議，網際網路協議按照功能不同分為OSI五層（七層）：應用層（應用層、表示層、會話層）、傳輸層、網路層、網路介面層（資料鏈路層、物理層）。

物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓（電訊號），高電壓對應1，低電壓對應0。物理層由來：計算機之間必須完成組網。例如：光纜、電纜、雙絞線、無線電波。

資料鏈路層功能：定義了電訊號的分組。由來：單純的電訊號0和1沒有任何意義，必須規定高低訊號多少位一組，每組什麼意思。例如：乙太網協議ethernet。Ethernet規定：一組電訊號構成一個數據包，叫做’幀’，每一資料幀分成：報頭head和資料data兩部分。head是18個位元組，包含傳送者/源地址6個位元組，接收者/目標地址6個位元組，資料型別6個位元組。data最短46位元組，最長1500位元組，裡面是具體內容。head長度+data長度=最短64位元組，最長1518位元組，超過最大限制就分片傳送。mac地址：head中包含的源和目標地址由來：Ethernet規定接入Internet的裝置都必須具備網絡卡，傳送端和接收端的地址便是指網絡卡的地址，即mac地址。每塊網絡卡出廠時都被燒製上一個世界唯一的mac地址，長度為48位2進位制，通常有12位16進位制數表示，前六位是廠商編號，後六位是流水線號。廣播：ethernet採用最原始的方式，廣播的方式進行通訊。

網路層：引入一套新的地址用來區分不同的子網，這套地址即網路地址。網路層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的傳送方式，世界上的計算機就可以彼此通訊了，但是不同區域網之間的PC端進行通訊過於混亂，所以必須找出一種方法區分哪些計算機屬於同一區域網，若是同一區域網，採用廣播的方式傳送，如果不是，就採用路由的方式向不同區域網/子網分發資料包。IP協議：規定網路地址的協議叫IP協議，它定義的地址成為ip地址，它規定網路地址由32位2進製表示，範圍0.0.0.0-255.255.255.255。ip地址一般分為兩個部分：網路部分（標識子網）和主機部分（標識主機）。單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，從網路部分或主機部分都無法分辨一個ip所處的子網。總結，IP協議的作用有兩個：一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網路。ip資料包也分為head和data部分，無需為ip包定義單獨的欄位，直接放入乙太網包的data部分。若ip資料包的長度超過了乙太網資料包的長度，需要分割成幾個乙太網資料包分開發送。ARP協議功能：廣播的方式傳送資料包，獲取目標主機的mac地址。由來：計算機通訊靠廣播，所有上層的包   通訊是基於mac的廣播方式實現，計算機在發包時，獲取自身的mac是容易的，如何獲取目標主機的mac就需要通過ARP協議。工作方式：每臺主機ip都是已知的。首先通過ip地址和子網掩碼區分出自己所處的子網，分析目標和自己是否處於同一網路，若是統一子網，目標mac是廣播mac（FF.FF.FF.FF），獲得目標主機mac，若是不同子網，目標ip變是閘道器ip，通過ARP協議獲得閘道器mac。所以不同網路之間的通訊是通過閘道器mac進行的。

傳輸層：建立埠到埠的通訊。傳輸層由來：網路層的ip幫我們區分子網，乙太網層的mac幫我們找到主機，然後大家使用的都是應用程式，通過埠標識這臺主機上的應用程式，埠即應用程式與網絡卡關聯的編號。tcp協議與udp協議，socket抽象層對兩個協議做了封裝。

一條資訊要傳送出去，通過應用層、傳輸層、網路層一步步封裝，化為0與1進行傳播，接收者再一層層地解析。這真是個0與1的時代。