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) 計算機硬體系統; (2) 計算機軟體系統
3. 二進位制: (1) 為什麼用二進位制 (2) 二進位制的基本概念
4. 計算機的儲存單位: 幾個計算機儲存容量單位及他們之前轉換
5. 十六進位制: (1)十六進位制的概念; (2)二進位制,十進位制,十六進位制的轉換對照表

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，可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有儲存記憶功能。是能夠按照程式執行，自動、高速處理海量資料的現代化智慧電子裝置。(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為基礎的電動製表機，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），後來成為IBM的前身。

• 1930年，美國科學家範內瓦·布什造出世界上首臺類比電子計算機。

• 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,為了滿足計算彈道需要而研製成的.
  • 1950年,EDVAC, 第一臺平行計算機，實現了計算機之父“馮.諾伊曼”的兩個設想：採用二進位制和儲存程式。
• 第2代：電晶體數字機（1954—1964年）
  • 1954年,TRADIC,IBM公司製造的第一臺使用電晶體的計算機，增加了浮點運算，使計算能力有了很大提高
  • 1958年, IBM 1401, 這是第二代計算機中的代表，使用者當時可以租用。
  • 硬體方的作業系統、高階語言及其編譯程式。應用領域以科學計算和事務處理為主，並開始進入工業控制領域。特點是體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運算速度提高（一般為每秒數10萬次，可高達300萬次）、效能比第1代計算機有很大的提高。
• 第3代：積體電路數字機（1964—1970年）
  • 硬體方面，邏輯元件採用中、小規模積體電路（MSI、SSI），主儲存器仍採用磁芯。
  • 軟體方面出現了分時作業系統以及結構化、規模化程式設計方法。
  • 特點是速度更快（一般為每秒數百萬次至數千萬次），而且可靠性有了顯著提高，價格進一步下降，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書處理和圖形影象處理領域。
• 第4代：大規模積體電路機（1970年至今）
  • 硬體方面，邏輯元件採用大規模和超大規模積體電路（LSI和VLSI）。
  • 軟體方面出現了資料庫管理系統、網路管理系統和麵向物件語言等。
  • 特點是1971年世界上第一臺微處理器在美國矽谷誕生，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

計算機是由硬體系統（hardware system）和軟體系統（software system）兩部分組成的。

1. 計算機硬體系統（hardware system）

• 計算機的硬體是指組成計算機的各種物理裝置，也就是我們所看得見、摸得著的實際物理裝置。它包括計算機的主機和外部裝置。
• 自第一臺計算機ENIAC發明以來，計算機系統的技術已經得到了很大的發展，但計算機硬體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。計算機硬體系統仍然由運算器，控制器，儲存器，輸入裝置和輸出裝置5部分組成
• 輸入裝置: 將資料、程式、文字元號、圖象、聲音等資訊輸送到計算機中。常用的輸入裝置有鍵盤、滑鼠、觸控式螢幕、數字轉換器等。
• 輸出裝置: 將計算機的運算結果或者中間結果列印或顯示出來。常用的輸出裝置有：顯示器、印表機、繪圖儀和傳真機等。
• 儲存器: 儲存器將輸入裝置接收到的資訊以二進位制的資料形式存到儲存器中。儲存器有兩種，分別叫做記憶體儲器和外儲存器。
  • 記憶體儲器: 微型計算機的記憶體儲器是由半導體器件構成的。
    • 從使用功能上分，(1) 隨機儲存器 （Random Access Memory，簡稱RAM），又稱讀寫儲存器. (2)只讀儲存器（Read Only Memory，簡稱為ROM）。
  • 外儲存器的種類很多，又稱輔助儲存器。外存通常是磁性介質或光碟，像硬碟，軟盤，磁帶，CD等，能長期儲存資訊，並且不依賴於電來儲存資訊，但是其速度與記憶體相比非常且價格較記憶體相比非常低廉。
• CPU
  • 運算器: 運算器又稱算術邏輯單元。它是完成計算機對各種算術運算和邏輯運算的裝置，能進行加、減、乘、除等數學運算，也能作比較、判斷、查詢、邏輯運算等
  • 控制器: 由程式計數器、指令暫存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是釋出命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。
    • 控制器是計算機的指揮中心,負責決定執行程式的順序,給出執行指令時機器各部件需要的操作控制命令.
    • 控制器是計算機指揮和控制其它各部分工作的中心，其工作過程和人的大腦指揮和控制人的各器官一樣。

2. 計算機軟體系統（software system）

• 軟體系統(Software Systems)是指由系統軟體、支撐軟體和應用軟體組成的計算機軟體系統，它是計算機系統中由軟體組成的部分。
• 計算機軟體總體分為系統軟體和應用軟體兩大類：
  • 系統軟體:
    • 系統軟體是負責管理計算機系統中各種獨立的硬體，使得它們可以協調工作。系統軟體使得計算機使用者和其他軟體將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬體是如何工作的。
    • 系統軟體是各類作業系統，如windows、Linux、UNIX等，還包括作業系統的補丁程式及硬體驅動程式，都是系統軟體類。
  • 應用軟體:
    • 應用軟體是為了某種特定的用途而被開發的軟體。它可以是一個特定的程式，比如一個影象瀏覽器。也可以是一組功能聯絡緊密，可以互相協作的程式的集合，比如微軟的Office軟體。也可以是一個由眾多獨立程式組成的龐大的軟體系統，比如資料庫管理系統。
    • 應用軟體細分的話種類有很多,如工具軟體、遊戲軟體、管理軟體等都屬於應用軟體類。

二進位制 (Binary Systems)

二進位制是計算技術中廣泛採用的一種數制。二進位制資料是用0和1兩個數碼來表示的數。它的基數為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位制系統，資料在計算機中主要是以補碼的形式儲存的。計算機中的二進位制則是一個非常微小的開關，用“開”來表示1，“關”來表示0。

訊號傳輸小知識點

計算機的核心硬體包括： 中央處理器(CPU), 記憶體(Memory), 硬碟(Hard disc) ，顯示卡(Graphics card)。這些硬體互相配合，接收輸入的資料，然後進行運算再輸出。 這些計算機硬體之間需要通過電平訊號來傳遞資料資訊，儲存資料.

計算機採用的電平訊號,只有兩種訊號：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。 -> 只有兩種訊號，精確度就會比較高，不容易因為硬體的故障損耗，產生誤差。無論輸出了2.5v, 2.6v還是2.9v,這都屬於高電平，能保證發出去的訊號，別人接收的時候是準確的。不會因為電路硬體問題導致輸出的訊號變弱，使得接收者接收了錯誤的訊號。

二進位制系統(Binary Systems)

因為計算機只能傳輸和識別高低電平兩種訊號，所以我們採用了1和0來表示訊號，也就產生了二進位制。

我們熟悉的十進位制，就是滿10進1位。那麼二進位制就是滿2進1位。在計算機的世界如果要表示十進位制的3，就要用二進位制11來表示，十進位制的5，就要用 101來表示。

二進位制說白了就是滿二進一的計數制度。這是根據計算機傳輸訊號的特點而定製的。

計算機基本工作原理是儲存程式和程式控制，它是由世界著名數學家馮·諾依曼提出的。他被後人稱為“計算機之父”。

• 核心理論: 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
• 1945年3月他在共同討論的基礎上起草了一個全新的“儲存程式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，特別是確定計算機的結構，採用儲存程式以及二進位制編碼等，至今仍為電子計算機設計者所遵循。
• 簡單來說他的精髓貢獻是兩點：2進位制思想與程式記憶體思想。

計算機資料的儲存單位

計算機只能傳送高低電平訊號，所以需要採用二進位制。那麼記憶體/外存中儲存資料的時候，也是要採用二進位制的方式來儲存的。

計算機要處理的資訊是多種多樣的，如數字、文字、符號、圖形、音訊、視訊等，這些資訊在人們的眼裡是不同的。但對於計算機來說，它們在儲存器中都是一樣的，都是以二進位制的形式來表示。

我們通常用位元組來作為儲存單位。正常情況下一個英文字元，一個整數數字都是佔用一個位元組。 長整數，浮點數，漢字等佔用兩個位元組。

幾個資料的儲存單位的概念和換算:

小知識點: B與iB 1KiB（Kibibyte）=1024 byte 1KB（Kilobyte）=1000 byte 1MiB（Mebibyte）=1048576 byte 1MB（Megabyte）=1000000 byte 硬碟生產商是以GB（十進位制，即10的3次方=1000，如1MB=1000KB）計算的，而電腦（作業系統）是以GiB（2進位制，即2的10次方， 如1MiB=1024KiB）計算的，但是國內使用者一般理解為1MiB=1M=1024 KB, 所以為了便於中文化的理解，翻譯MiB為MB也是可以的。 同樣根據硬碟廠商與使用者對於1MB大小的不同理解，所以好多160G的硬碟實際容量按計算機實際的1MiB=1024KB算都不到160G，這也可以解釋為什麼新買的硬碟“缺斤短兩”並沒有它所標示的那麼大。

十六進位制

因為計算機採用的是二進位制的，但是二進位制對人類不太友好，讀寫都很麻煩： 01011100, 00111100, 10110011...人類看起來是非常費勁的，要換算成十進位制才能比較好懂。但是如果轉換為十進位制，一個是換算麻煩，另外一個是看著不是那麼的舒服方便。基於這兩個原因，人類又發明了十六進位制。

• 十六進位制，方便書寫每個二進位制位元組所表示的數字。
• 因為 2^4 = 16 ，這意味這 4 位 二進位制數正好可以表示成 1 位 十六進位制數。

• 如上圖所示, 在十六進位制中, 我們有用到A,B,C,D,E,F幾個大寫字母,這些用來表示類似十進位制的 10, 11,12,13,14,15 。 然後滿16進1。這樣正好一個位元組的8位二進位制都可以用兩位十六進位制來表示了。
  • 再長的二進位制數字，都可以分成 4 位一組，然後快速轉化為 十六進位制數字，又快又好看。
  • 比如： 01001100 這個位元組，我們換算十進位制比較費勁，我們轉成十六進位制，就直接寫成 4C.
  • 0101, 1111, 1010, 0001 轉為 5FA1
• 通過十六進位制, 我們再將其轉為十進位制的話，就相對容易一下。只要知道每一位是前一位的16倍。
  • 比如：BC53的話就是11*4096 + 12*256 + 5*16+ 3 = 45056 + 3072 + 80 + 3 = 48211

十六進位制在現實中的應用:

1. 計算機中的網絡卡地址(就是我們常說的 MAC 地址，就是我們網絡卡的唯一編號)，經常寫成 6 段 12 位 十六進位制數， 例如:00:01:6C:06:A6:29
2. 在網頁的開發中，HTML語言裡面經常用到的顏色設定。比如：#FF0000 這個代表紅色
3. 在面向計算機底層的程式語言中，會用到十六進位制的指令。比如組合語言，機器語言等。

Q: CPU、處理器、記憶體、外存、暫存器、快取的區別

1、CPU：Central Process Unit中央處理器單元，即CPU屬於處理器。 2、CPU中有暫存器，因此暫存器的速度最快！記憶體、外存統稱為CPU的“外存”。 3、快取記憶體是存放在CPU中的，它是介於CPU與記憶體知己的，以緩解它們之間速度不匹配的矛盾，使得記憶體訪問CPU的時候較快。 4、快取是指在記憶體中劃分出一塊區域用於存放常使用的輸入輸出資料，以緩解CPU與外設處理速度不匹配的問題。 5、CPU與（記憶體、外存）是不同的概念，CPU是一個獨立的概念，而（記憶體、外存）是指對儲存器的劃分，記憶體的速度較外存的速度快，並且記憶體具有“掉電資訊全部消失”的特性，而外存則具有“掉電資訊也不會丟失”的特性。

Q:記憶體與外存的理解

儲存器分為主儲存器（記憶體）和輔助儲存器（外存）。

記憶體

• 記憶體指的就是主機板上的儲存部件，CPU直接與之溝通，並用其儲存資料的部件，存放當前正在使用的（即執行中的）資料和程式，
• 它的物理實質就是一組或多組具備資料輸入輸出和資料儲存功能的積體電路，
• 記憶體只用於暫時存放程式和資料，一旦關閉電源或發生斷電，其中的程式和資料就會丟失。

外存

• 外存包括軟盤、硬碟和光碟，存放在其中的資料靠磁來維持，因此可永久儲存資料。

特點：

• 記憶體處理速度快、儲存容量小、斷電後資訊丟失；
• 外存處理速度慢、儲存容量大、資訊永久儲存；

相關資料:

• 百度百科
• 陳斌老師的程式媛線上教程