信息学竞赛计算机基础知识讲义-范奂垒

初试 初试全部为笔试 满分初试 初试全部为笔试 满分 100 分 试题由四部分组成 分 试题由四部分组成 1 选择题 选择题 共 20 题 每题 1 5 分 共 30 分 每题有 5 个备选方案 前 10 个题为单选题门每题有且只有一个 正确答案 后 10 题为复选题 即每题有 1 至 5 个正确答案 只有全部选对才得分 试题内容包括计算机基 本组成与原理 计算机基本操作 信息科技与人类社会发展的关系等等 2 问题求解题 问题求解题 共 2 题 每题 5 分 共 10 分 试题给出一个叙述较为简单的问题 要求学生对问题进行分析 找到一个合适的算法 并推算出问题的解 答案以字符串方式给出 考生给出的答案与标准答案的字符串相同 则得分 否则不得分 3 程序阅读理解题 程序阅读理解题 共 4 题 每题 8 分 共 32 分 题目给出一段程序 没有关于程序功能的说明 有时也会 给出程序的输入 要求考生通过阅读理解该段程序给出程序的输出 输出以字符串的形式给出 如果与标准答 案一致 则得分 否则不得分 4 程序完善题 程序完善题 共 2 题 每题 14 分 共 28 分 题目给出一段关于程序功能的文字说明 然后给出一段程序 代码 在代码中略去了若干个语句并在这些位置给出空格 要求考生根据程序的功能说明和代码的上下文 填 出被略去的语句 填对的 则得分 否则不得分 内容与要求 内容与要求 1 计算机的基本常识 计算机的基本常识 计算机和信息社会 信息社会的主要特征 计算机的主要特征 数字通信网络的主要特征 数字化 信息输入输出基本原理 信息交换环境 文字图形多媒体信息的输入输出方式 信息的表示与处理 信息编码 微处理部件 MPU 内存储结构 指令 程序 和存储程序原理 程序的三种基 本控制结构 信息的存储 组织与管理 存储介质 存储器结构 文件管理 数据库管理 信息系统组成及互连网的基本知识 计算机构成原理 槽和端口的部件间可扩展互连方式 层次式的互连结构 互联网络 TCP IP 协议 HTTP 协议 WEB 应用的主要方式和特点 人机交互界面的基本概念 窗口系统 人和计算机交流信息的途径 文本及交互操作 信息技术的新发展 新特点 新应用等 2 计算机的基本操作计算机的基本操作 WINDOWS 和 LINUX 的基本操作知识 联网的基本使用常识 网上浏览 搜索和查询等 常用的工具软件使用 文字编辑 电子邮件收发等 3 程序设计的基本知识 程序设计的基本知识 数据结构 程序语言中基本数据类型 字符 整数 长整数 浮点 浮点运算中的精度和数值比较 一维数组 串 与线性表 记录类型 PASCAL 结构类型 C 程序设计 结构化程序设计的基本概念 阅读理解程序的基本能力 具有将简单问题抽象成适合计算机解决的模型的基本能力 具有针对模型设计简单算法的基本能力 程序流程描述 自然语言 伪码 NS 图 其他 程序设计语言 PASCAL C C 基本算法处理 初等算法 计数 统计 数学运算等 排序算法 冒泡法 插入排序 合并排序 快速排序 查找 顺序查找 二分法 回溯算法 计算机基础知识计算机基础知识 1 计算机的诞生与发展计算机的诞生与发展 第一台电子计算机的诞生 第一台电子计算机的诞生 1946 年世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约 翰 莫克利和工程师普雷斯伯 埃克特领导研制的取名为 ENIAC 的计算机 由于这台计算机使用了电子器 电子管和电子线路 因此其功能在当时确实是出类拔萃 例如 它可以在一秒钟内进行 5000 次加减法运算 3 毫秒便可以进行一次乘法运算 与手工计算相比速度大大加快 但是 它也明显地存在着缺点 它体积庞大 机器中约有 18800 只电子管 1500 个继电器 70000 只电阻及其他各类电气元件 重 30 吨 占地 170 平方米 运行时耗电量很大 存储容量很小 只能存储 20 个字长为 10 位的十进制数 另外 它采用线路连接的方法来 编排程序 因此每次解题都要靠人工改接连线 准备时间大大超过实际计算时间 它没有存储程序的能力 不 具备自动计算功能 计算机发展的四个阶段计算机发展的四个阶段 与计算机相关的几个重要人物 与计算机相关的几个重要人物 艾伦艾伦 图灵 图灵 Alan Turing 英国科学家 他是计算机人工智能技术的鼻祖 1937 年他提出了能思考的计算机 图灵机的概念 推进 了计算机理论的发展 图灵机模型是一种抽象计算模型 用来精确定义可计算函数 是实现机器人的最基本的 一个理论模型 1950 年 艾伦 图灵发表题为 计算机能思考吗 的论文 设计了著名的图灵测验 解决了如 何判定机器人是否具有同人类相等的智力的问题 冯冯 诺依曼诺依曼 John Von Neumann 1945 年 他写了一篇题为 关于离散变量自动电子计算机的草案 的论文 第一次提出了在数字计算机内 部的存储器中存放程序的概念 这成为所有现代计算机的基础理论 被称为 冯 诺依曼结构 如今 各式各 样的电脑无论看起来差别多大 实质上绝大多数是属于冯 诺依曼结构的 1 计算机硬件设备由 存储器 运算器 控制器 输入设备 输出设备构成 2 存储程序 程序控制 把计算过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序 然后把程序和数据一起输 入计算机中 计算机对已存入的程序和数据处理后输出结果 3 采用二进制 高登高登 摩尔 摩尔 Gordon Moore 每过 18 个月 计算机芯片依赖的集成电路由于内部晶体管数量的几何级数的增长 而使性能几乎提高一 倍 同时集成电路的价格也恰好减少为原来的一半 这就是计算机界著名的摩尔定律 他的发明人就是高 登 摩尔 1968 年他与罗伯特 诺伊斯一起率领一群工程师创建了一家叫集成电子的公司 简称 Intel 这就 是当今名震世界的英特尔公司 法国人帕斯卡法国人帕斯卡于 17 世纪制造出的一种机械式加法机 是世界上第一台机械式计算机 算盘是人类最早的手 动计算工具 机械式计算机是在此之后出现的一种用机械技术来实现数学运算的计算工具 英国著名诗人拜伦的女儿 Ada Lovelace 爱达爱达 由于她在程序设计上的开创性工作 Ada Lovelace 被称为世 界上 第一位程序员 世界上第一位软件工程师 董铁宝董铁宝是 中国第一个程序员 董铁宝 1945 年赴美国学习 在伊利诺伊大学学习 研究时 他参与了第 一代电子计算机伊利亚克机的设计 编程和使用 董铁宝于 1956 年回到中国并任教于北京大学 成为王选 计 算数学专业院士 的老师 计算机的发展趋势 2 计算机的应用计算机的应用 1 数值计算 主要应用于弹道轨迹 高能物理等 2 数据和信息处理 其特点是数据量大 但计算相对简单 其中数据泛指计算机能处理的各种数字 图形 文 字 以及声音 图像等信息 数据处理指对数据的收集 存储 加工 分析和传送的全过程 主要应用于企业 管理 物资管理等 3 过程控制 是生产自动化的重要技术内容和手段 是由计算机对所采集到的数据按一定方法经过计算 然后 输出到指定执行机构去控制生产的过程 主要应用于工业自动化控制 卫星飞行方向控制等 4 计算机辅助系统 是指利用计算机帮助人们完成各种任务 包括 CAD 计算机辅助设计 CAM 计算机辅助 制造 CAI 计算机辅助教学 CAT 计算机辅助测试 CAE 计算机辅助工程 CIMS 计算机集成制造系统 5 人工智能 是指用计算机模拟人脑的思维过程 是计算机应用的重要领域 3 计算机分类和性能指标计算机分类和性能指标 1 按规模分 巨型 大型 中型 小型 微型计算机 我们学校和家庭使用的计算机都微型计算机 简称微机 又称个人计算机 或简称 PC 机 2 按用途分 专业计算机 通用计算机 3 按原理分 模拟计算机 数字计算机 1 字长 指计算机能够直接处理的二进制数据的位数 单位为位 BIT 2 主频 指计算机主时钟在一秒钟内发出的脉冲数 在很大程度上决定了计算机的运算速度 3 内存容量 是标志计算机处理信息能力强弱的一向技术指标 单位为字节 BYTE 8BIT 1BYTE 1024B 1KB 1024KB 1MB 4 外存容量 一般指软盘 硬盘 光盘 4 计算机系统组成计算机系统组成 1 1 计算机硬件系统计算机硬件系统 计算机系统由硬件系统和软件系统组成 硬件是软件赖以生存的驱壳 软件却是硬件的灵魂 光只有硬件的裸 机是无法工作的 而软件则必须存放在硬件中 只有硬件没有安装软件的计算机称为 裸机 计算机硬件是指有形的物理设备 它是计算机系统中实际物理设备的总称 由各种元器件和电子线路组成 计 算机硬件系统主要包括运算器 控制器 存储器 分为主存储器 辅助存储器 输入设备 输出设备 并且由 总线将它们连接在一起 其中 运算器是对数据进行运算和加工 完成算术和逻辑运算的部件 控制器是计算机的指挥中心 控制各部分协调 工作 完成对指令的解释和执行 运算器和控制器被集成在一起 统称为中央处理器 简称 CPU Central Processing Unit 是计算机的 中枢神经 中央处理器是计算机的心脏 CPU 品质的高低直接决定了计算 机系统的档次 能够处理数据的位数是 CPU 的一个最重要的品质标志 人们通常所说的 8 位机 16 位机 32 位 机即指 CPU 可同时处理 8 位 16 位 32 位的二进制数据 如 计算机的配置 Intel 奔腾 IV2 8GHz 512M 80GB 50X 每秒运算次数是 2 8 210 210 210 CPU 主存储器构成了计算机的主机 输入 输出设备和辅助存储器则统称为外部设备 简称外设 存储器是记忆部件 用于存放程序和数据 主存储器又称内存或主存 它直接与 CPU 交换信息 是计算机的工作存储器 即当前正在运行的数据和程序都 必须存放在主存内 它的存取速度快但容量较小 容量太大 成本昂贵 主存又可分为随机存储器 RAM Random Access Memory 和只读存储器 ROM Read Only Memory 两类 随机存储器 RAM 中的内容可以进行读写操作 但 断电时 RAM 中的信息会丢失 ROM 的内容只能反复读取 而不能重新写入 因此在 ROM 中存放固定不变的程序 和数据 断电后其内容仍然保留 辅助存储器又称外存 它需要通过内存才能与 CPU 联系 辅助存储器存取速度慢而容量较大 硬磁盘 HDD 容量大 速度快 价格高 软磁盘 FDD 容量小 速度慢 便于携带 价廉 光盘 CD 容量较大 价格 便宜 便于携带 信息的输入和输出要通过输入 输出设备来完成 总线是连接计算机中各组成部件的一组物理信号线及相关的控制电路 总线一般都指系统总线 系统总线上有 三类信号 数据信号 地址信号和控制信号 负责在部件间传输数据的一组信号线称为数据总线 DB 负责 指出数据存放的存储位置的一组信号线 也可标识是哪一个 I O 设备 称为地址总线 AB 在传输与交换数据 时起控制作用的一组控制信号线称为控制总线 CB 由运算器 存储器 控制器 输入 输出设备五大基本部件组成计算机硬件系统 工作流程如图 多级存贮器体系 为提高 CPU 的处理速度 当今计算机中大都配有高速缓冲存储器 cache 也称缓存 实际上是一种特殊 的高速存储器 缓存的存取速度比内存要快 所以就提高了处理速度 多数现代计算机都配有两级缓存 一级缓存也叫做主缓存 或内部缓存 直接设计在 CPU 芯片内部 一 级缓存容量很小 通常在 8KB 64KB 之间 二级缓存也叫外部缓存 不在 CPU 内部而是独立的 SRAM 芯片 其 速度比一级缓存稍慢 但容量较大 多在 64KB 2MB 之间 人们讨论缓存时 通常是指外部缓存 存贮速度最快的而容量最小的要算 CPU 内部的寄存器 当 CUP 需要指令或数据时 实际检索存储器的顺序 是 首先检索一级缓存 然后二级缓存 再往后是 RAM 即寄存器 一级缓存 主存 二级缓存 辅存 2 2 计算机软件系统计算机软件系统 计算机软件又称计算机程序 是控制计算机实现用户需求的计算机操作以及管理计算机自身资源的指令集 合 是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档 是计算机系统中不可缺少的主要组成部分 可分成两大部 分 系统软件和应用软件 一 系统软件 是计算机最基本的软件 它负责实现操作者对计算最基本的操作 管理计算机的软件与硬 件资源 具有通用性 主要由计算机厂家和软件公司开发提供 主要包括操作系统 语言处理程序 数据库管 理系统和服务程序 操作系统 是控制和管理计算机的软硬件资源 合理安排计算机的工作流程以及方便用户的一组软件集 合 是用户和计算机的接口 DOS Windows UNIX 等是操作系统 Windows 是最常用的操作系统 语言处理程序 将用汇编语言和高级语言编写的源程序翻译成机器语言目标程序的程序 数据库管理系统 是对计算机中所存储的大量数据进行组织 管理 查询并提供一定处理功能的大型计 算机软件 服务程序 为计算机系统提供各种服务性 辅助性的程序 二 应用软件 是为解决实际问题所编写的软件的总称 涉及到计算机应用的各个领域 绝大多数用户都 需要使用应用软件 为自己的工作和生活服务 如字表处理软件 WPSoffice Word Excel 等 根据上述软硬件资源的关系 人们通常把一台完整的计算机划分成四个结构层次 称为四个平台 它们从 底层到高层分别为硬件平台 系统平台 应用支持平台和应用平台 与用户直接相关 打交道最多的是应用平 台 三 几个相关概念 指令 指令就是指挥机器工作的指示和命令 程序就是一系列按一定顺序排列的指令 执行程序的过 程就是计算机的工作过程 一条指令包含操作码和地址码两个部分 操作码指示计算机怎么操作 地址码指定操作对象或操作数据在 存贮器中的存放位置 格式 操作码操作数地址 指令 一组二进制代码 是规定计算机执行程序的一步操作 程序 为解决某一问题而设计的一系列指令 指令系统 计算机能识别并能执行的全部指令的集合 把一系列的计算机指令组织起来 用来控制计算机完成每一项任务的指令集合 被称为计算机程序 许多计算机程序 就构成了计算机软件系统 机器语言 机器指令 能直接被计算机接受并执行的指令 机器语言 由全部的机器指令构成的二进制代码语言 机器语言程序 用机器语言编制的程序 机器语言程序可以直接在计算机上运行 缺点 不便于记忆 阅读和书写 汇编语言 汇编语言 用