计算机基础

(一)编程语言和编程

（1）什么是语言？

• 语言是一种人与人之间交流沟通的媒介，例如：英语、汉语。

（2）什么是编程语言？

• 编程语言是人与计算机之间沟通交流的媒介。

（3）为什么会出现编程语言？

• 编程语言的出现是为了让人能够与计算机进行有效的沟通。
• 计算机在编程者的控制下按照指定的逻辑执行任务，从而实现自动化。

出现编程语言是人为了奴役计算机，让计算机按照人的思维逻辑自发地去工作，从而解放人力，节约成本

（二）计算机组成原理

（1）什么是计算机？

• 计算机是一种通电的智能设备，被称为电脑，拥有处理数据、执行指令的能力，是现代化科技和信息社会的重要工具。

电脑又可以理解为通电的大脑
电脑二字蕴含了人类对计算机的终极期望，希望它能真的像人脑一样去工作，实现自动化，提高工作效率，解放人力。

(2)为什么要发明计算机？

• 计算机的发明是为了解决人类在处理大量数据和复杂计算时的困难，提高工作效率，减轻人力负担，实现自动化。
• 计算机能够执行重复性、繁琐的任务，从而解放人类的思维和创造力，让人们能够更专注于创新和发展。
• 世界由聪明的懒人统治，计算机作为一种工具，能够满足人们对高效、精确、持续工作的需求，是现代社会不可或缺的技术支持。

（3）计算机的五大组成部分

• 计算机是由五大组成部分构成的，这些部分相互协作，完成各种任务。
• 我们可以将这五大组成部分类比为人类的各种器官，以更好地理解其功能。

（1）控制器

• 功能：控制器相当于人的大脑，负责指挥和协调其他部件的工作。
• 类比：相当于人的大脑，负责指挥身体各部分协同工作。

（2）运算器

• 功能：运算器执行各种算数和逻辑运算，实现计算机的计算功能。

  1. 算数运算：数字之间的运算，例如：+-*/等
  2. 逻辑运算：根据某个条件是否成立，决定是否要做事情。

• 类比：相当于人的大脑皮层，负责思考和计算的任务。

（3）存储器

• 功能：存储器用户存储计算机运行时所需的数据和指令。
• 类比：人的记忆系统，分为短期记忆(内存)和长期记忆（外存）。

(1)内存

• 功能： 内存是计算机用于临时存储数据和程序的地方，是CPU能够直接访问的存储介质。
• 类比： 相当于人的短时记忆，用于存储当前正在进行的任务和运行的程序。
• 特点：
  • 断电数据丢失：内存是一种易失性存储器，断电后存储在其中的数据将丢失。
  • 读取速度快：由于内存是直接与CPU相连的，因此读取速度非常快。
• 作用： 在运行程序时，数据必须先加载到内存中，CPU才能够快速访问和处理这些数据。

(2)外存

• 功能：外存用于永久存储数据，即使在断电的情况下数据也不会丢失。

• 类比：相当于人的长时记忆，用于存储更为持久的信息，如文件、照片等。

• 特点：

  • 断电数据不会丢失：外存是一种非易失性存储器，数据在断电后依然保持。
  • 读取速度慢：与内存相比，外存的读取速度较慢，因为需要通过外部设备进行读取。

• 形式： 包括磁带、光盘、U盘、硬盘等形式。

  内存的读取和存取速率远远大于外存。
  存储器如内存、磁盘等，既是输入设备又是输出设备，痛陈为IO设备。
  

（4）输入设备（input）

• 功能：输入设备用于将外部信息输入道计算机，让计算机进行处理。
• 类比：相当于人的感官，如眼睛、耳朵、用于感知外界信息；如键盘、鼠标等。

（5）输出设备（output）

• 功能：输出设备将计算机处理后的结果呈现给用户或其他设备。
• 类比：人的口鼻，人说的话，写出的文章，用于表达和输出信息；如显示器、打印机等。

（6）小结

• CPU是人的大脑，负责控制全身和运算
• 内存是人的记忆，负责临时存储
• 硬盘是人的笔记本，负责永久存储
• 输入设备是耳朵或眼睛或嘴巴，负责接收外部的信息存入内存
• 输出设备是你的脸部(表情)或者屁股，负责经过处理后输出的结果
• 以上所有的设备都通过总线连接，总线相当于人的神经

（4）三大核心硬件（重点）

• 程序在计算机中运行时涉及道CPU、内存和硬盘等核心硬件的协同工作。

（1）CPU（中央处理器）

• CPU=控制器+运算器
• 用于计算数据，执行程序指令。
• 负责控制计算机的操作。
• 相当于计算机的大脑，决定程序执行的顺序和过程。

（2）内存

• 读取速度很快，但是居于电工作。
• 用于临时存储正在运行的程序和临时数据。
• 断电后数据会立即丢失，是一种易丢失数据的存储器。
• 作为CPU之间访问的存储媒介，提供高速的数据读写能力。

（3）硬盘

• 读取速度相对较慢。

• 用于永久保存数据，包括操作系统、应用程序和用户数据等。

• 断电后数据不会丢失，是一种非易丢失的数据存储器。

• 作为长期存储数据的设备，其容量通常较大。

TB,PB, Eb, Zb, YB 
1B= 8bit 1KB=2(10)B=1024B;括号中的数字为2的指数(即多少次方)  
1MB=2(10)KB=1024KB=2(20)B
1GB=2(10)MB=1024MB=2(30)B
1TB=2(10)GB=1024GB=2(40)B  
1PB=2(10)TB=1024TB=2(50)B  
1EB=2(10)PB=1024PB=2(60)B  
1ZB=2(10)EB=1024EB=2(70)B  
1YB=2(10)ZB=1024ZB=2(80)B 

(5)程序执行过程

• 加载阶段：程序首先存放在硬盘中。
• 加载到内存：在运行时，操作系统将程序从硬盘加载到内存中，以便CPU能够直接访问。
• CPU执行：CPU从内存中读取程序的指令，进行相应的计算和操作。
• 运算过程：运算器进行算术和逻辑运算，控制器负责指令的执行流程。
• 结果返回：计算结果可能被存储回内存，最终可能被写回硬盘以保持数据的持久性。

程序最先是存放与硬盘当中的
程序的运行是先从硬盘中把代码加载到内存中，然后CPU从内存中读取指令运行。
执行速度CPU>内存>d硬盘

（三）操作系统

（1）操作系统的由来

（1）操作系统出现的目的

• 操作系统的出现是为了简化硬件操作，提供统一的接口供应用程序使用。
• 在开发应用程序时，不同开发者无需重复编写控制硬件的底层代码，而是调用操作系统提供的接口。
• 这样，开发者能够专注于应用程序的业务逻辑，提高开发效率。

（2）说明

• 如果没有操作系统，每个应用程序都需要自行编写控制硬盘读写的代码、控制内存的代码、管理输入输出设备的代码等。
• 这将导致大量的重复劳动，而且每个程序员都需要深入了解硬件的底层细节，这是一项繁琐且容易出错的任务。

（3）小结

• 综上，对于不同公司的开发者来说，应用程序的业务逻辑各不相同，但硬件的控制程序都大致相同，为了避免所有程序员做重复劳动，以及不用再耗费精力去了解所有硬件的运行细节，有公司专门跳出来承担起控制程序的开发任务，这里所说的控制程序指的就是操作系统。
• 操作系统的功能就是帮我们把复杂的硬件的控制封装成简单的接口，对于开发应用程序来说只需要调用操作系统提供给我们的接口即可。

（2）操作系统的主要功能

• 硬件管理： 控制和管理计算机的硬件，包括CPU、内存、硬盘、输入输出设备等。
• 文件系统： 提供文件和目录的管理，让应用程序能够方便地读取和存储数据。
• 进程管理： 管理运行在计算机上的各个进程，确保它们有序、安全地运行。
• 内存管理： 分配和释放内存，以及虚拟内存的管理。
• 设备驱动程序： 提供硬件设备的驱动程序，使应用程序能够通过操作系统与硬件交互。
• 用户界面： 提供用户与计算机交互的界面，如图形用户界面（GUI）或命令行界面。

（3）常见的操作系统

（1）客户端（PC）

• Windows（微软）
• macOS（苹果）
• Linux（服务器）

（2）移动端（APP）

• 安卓
• iOS
• 鸿蒙

（4）系统软件与应用软件

（1）系统软件(操作系统)

• 操作系统是一种系统软件，作为计算机硬件和应用软件之间的中介，负责协调、管理、控制计算机硬件与应用软件资源的控制程序。
• 其主要功能包括硬件管理、文件系统、进程管理、内存管理、设备驱动程序、用户界面等。
• 常见的操作系统有Windows、macOS、Linux等。

（2）应用软件(应用软件)

• 应用软件是为了满足用户特定需求而开发的软件，通过操作系统运行。
• 它包括各种各样的程序，涵盖了几乎所有计算机用户可能需要的功能。
• 例如：
  • QQ： 一款即时通讯软件，用于文字、语音、视频通话以及文件传输等功能。
  • 微信： 一款综合性社交平台软件，除了即时通讯外，还包括朋友圈、小程序等功能。
  • Word： 一种文字处理软件，用于创建、编辑文档，处理文本内容。
• 这些应用软件通过操作系统提供的接口与硬件交互，使用户能够方便地完成各种任务。
• 应用软件的种类丰富多样，涵盖了各个领域，满足了用户的不同需求。

（5）计算机系统的三层架构

• 我们开发应用程序本质是在控制硬件，但是我们直接打交道的是操作系统，应用程序都是通过操作系统来间接地操作硬件的，所以一套完整的计算机系统分为三层

（1）应用层

• 在计算机系统的顶层是应用层，这是用户直接交互的层面。
• 我们的主要关注点通常是在这个层次上。
• 在这里，我们编写和设计各种应用程序，包括但不限于网页应用、桌面应用、移动应用等。
• 编写代码的目标是实现用户需求，而这些应用程序通过操作系统提供的接口来与底层硬件进行通信。

（2）操作系统层

• 操作系统层是连接应用层和硬件层的桥梁。
• 它提供了一系列的系统调用和服务，使应用程序能够在硬件上运行。
• 这一层包括操作系统的内核，负责管理系统资源、进程调度、文件系统等。
• 不同操作系统有不同的特性，例如Linux、Windows等，以及它们在开发中的影响。

（3）硬件层

• 硬件层是计算机系统的最底层，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等。
• 在这个层次上，我们关注计算机体系结构、指令集架构、存储器层次结构等概念。
• 理解硬件层对于优化应用程序性能和解决一些底层问题至关重要。

（4）图片总结

(6)平台的概念

（1）什么是平台

• 应用程序都是运行于操作系统（系统软件）之上
  • 而操作系统则是运行于硬件之上的，
  • 所以承载应用程序的是一台运行有操作系统的计算机，称之为应用程序的运行平台
    • 即：硬件 + 系统软件 == 平台

（2）常见的平台

• windows系统+某款硬件
• linux系统+某款硬件
• ubuntu+某款硬件等

（3）跨平台性的优势

• 在开发应用程序时，考虑跨平台性是至关重要的。
• 这意味着无论用户使用的是Windows、Linux还是其他操作系统，应用程序都能够在不同平台上运行。
• 这为开发者提供了更广泛的用户群体，减少了开发和维护的成本，同时增加了应用程序的灵活性。

（4）编程语言的选择

• 决定应用软件的跨平台性的确关键因素之一是选择合适的编程语言。
• 不同的语言在这方面有着不同的表现。
• Python作为一种解释型语言，具有卓越的跨平台性，这是因为Python解释器本身可以在各种操作系统上运行，而且许多Python库和框架也是跨平台的。

（5）Python的跨平台性

• Python的设计理念之一就是"Write once, run anywhere"，即一次编写，到处运行。
• 这得益于Python解释器的能力，使得开发者无需担心底层平台细节，只需专注于编写高级代码。
• 这对于培训零基础小白来说，降低了学习和开发的门槛，使他们更容易进入开发领域。