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.信息学竞赛基础知识第一章 计算机的概念、诞生与发展、应用、分类一、计算机的概念：是一种能迅速而高效的自动完成信息处理的电子设备，它能按照程序对信息进行加工、处理、存储。 阶段 时间 逻辑器件 应用范围 第一代 19461958 真空电子管 科学计算、军事研究 第二代 19591964 晶体管 数据处理、事物处理 第三代 19651970 中小规模集成电路 包括工业控制的各个领域 第四代 1971至今 大规模或超大规模集成电路 应用到了各个领域 三、计算机的主要特点1、惊人的运算速度；2、很高的计算机精度；3、超强的存储能力；4、准确的逻辑判断能力；5、自动控制能力。 四、计算机的主要应用：1、数值计算：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。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。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，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助教学(CAI)等。CAD：即 Computer Aided Design 的缩写，名称为：计算机辅助设计。CAM：即 Computer Aided Manufacturing 的缩写,名称为：计算机辅助制造。CAI：Computer Aided Instruction 的缩写，名称为：计算机辅助教学。CAT：即 Computer Aided Testing 的缩写，名称为：计算机辅助测试。CAE：即 Computer Aided Engineering 的缩写，名称为：计算机辅助工程。 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。五、计算机分类：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。六、微型机的主要技术指标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=1MB4、外存容量：一般指软盘、硬盘、光盘。七、微型计算机时代1、第一代微型计算机通常把 IBM-PC/XT 及其兼容机称为第一代微型计算机。2、第二代微型计算机286 AT 机及其兼容机被称为第二代微型计算机。3、第三代微型计算机 386 微机被称为第三代微型计算机。4、第四代微型计算机486 微机被称为第四代微型计算机。5、第五代微型计算机1993 年 Intel 公司推出了 Pentium 芯片。八、多媒体计算机1984 年，苹果公司推出第一台多媒体计算机时，人们并不在意，现在世界各地举行的大大小小的计算机展览会上，多媒体总是最受庞的“公主”。90 年代初盛行的多媒体技术，已成为世界高技术竞争的焦点。多媒体，互联网络，信息高速公路是信息浪潮中出现最多的三个名词。多媒体与信息高速公路构成了第三次信息革命的核心。专家们称，80 年代是个人计算机时代，90 年代是多媒体时代。什么是多媒体技术？以前的个人电脑只能处理文字和数字，这就是单媒体。现在，个人电脑不仅能处理文字和数字，而且还能处理图像，文本，音频，视频等多种媒介，这就是多媒体。多媒体是将计算机，电视机，录相机和游戏机等技术融为一体，形成电脑与用户之间可以相互交流的操作环境。它可以接收外部图像，声音，各种媒体信息，经计算机加工处理后以图片，文字，声音，动画等多种方式输出，实现输入输出方式的多元化，计算机只能输入输出文字，数据的局限，计算机开始能说会唱起来。.一台标准多媒体计算机包括主机，带音频视频功能的显示器，声像输入输出装置，通信与控制端口，只光盘驱动器，多媒体操作系统及应用软件。多媒体计算机与现代通信技术的结合构成了多媒体通信。二、计算机的诞生与发展1、诞生：1946 年，美国为计算弹道轨迹而研制成功了世界第一台计算机，名字叫 ENIAC（埃尼阿克）。在宾西法尼亚大学诞生。2、发展：第二章 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。一、 冯·诺依曼式的计算机体系结构1、存储程序式计算机：先将解题步骤用计算机语言写好，存储到计算机的存储器中，然后在控制器的控制下按步骤执行。2、集中顺序过程控制：由控制器集中控制，严格按照程序的次序执行。二、 硬件系统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：1、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；2、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。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。 3、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 R.OM 中存放固定不变的程序和数据，断电后其内容仍然保留。4、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。 5、输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、数码相机（DC）、数码摄相机（DV）等向计算机输入数据与指令的设备。1） 文字输入设备：键盘、磁卡阅读机、条形码阅读机、纸带阅读机、卡片阅读机等； 2） 图形输入设备：光笔、鼠标器、数字化仪、触摸屏等；3） 图像输入设备：扫描仪、数字式照相机、摄像头等； 4） 音频处理设备：声卡。6、输出设备：显示器、打印机、音箱等向操作提供输出结果的设备。1） 显示设备：分辨率：如 800×600 像素（pixel）；显示适配器（显卡）；2） 打印设备：击打式：如点阵（针式）打印机；非击打式：如喷墨式打印机、激光打印机； 7、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 IO 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：三、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。第三章 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：用助记符号表示二进制代码的语言，是机器语言的符号化。汇编语言程序：用汇编语言编制的程序，汇编语言程序不能直接在计算机上运行。汇编过程：执行汇编程序，将汇编语言程序翻译成机器语言程序的过程。特点：容易记忆、便于阅读和书写，克服了机器语言的缺点。. 高级语言高级语言：是同自然语言和数学语言比较接近的计算机程序设计语言。同样，用高级语言编制的程序也不能直接在计算机上运行，必须将其翻译成机器语言程序才能为计算机所理解并执行。如：PASCAL、BASIC、C 语言。将高级语言编写的程序翻译成机器语言程序，其翻译过程有编译和解释两种方式。、编译：是将用高级语言编写的源程序整个翻译成目标程序，然后将目标程序交给计算机运行，编译过程由计算机执行编译程序自动完成。解释：是对用高级语言编写的源程序逐句进行分析，边解释、边执行并立即得到运行结果。解释过程由计算机执行解释程序自动完成，但不产生目标程序。特点：高级语言容易被人们掌握，用来描述一个解题过程或某一问题的处理过程十分方便、灵活。由于它独立于机器，因此具有一定的通用性。例如，字长 16 位的双地址指令：01100000 10000100第 1512 位为操作码，0110 表示“加”操作；第 116 位为操作数之一地址码，000010 代表示存储器“B”；第 50 位为目标操作数地址码，000100 代表示存储器“A”。该指令在运行时，执行将存储器 A 中的内容与存储器 B 中的内容相加，结果存放在存储器 A 中。机器语言形式：0110000010000100汇编语言形式：ADD B，A高级语言形式：A = A + B第四章 计算机的配置1、中央处理器 CPU：CPU 的英文全称是“Central Processor Unit“，翻译.成中文就是“中央处理器单元“。它在 PC 机中的作用可以说相当于大脑在人体中的作用。所有的电脑程序都是由它来运行的。CPU 是把运算器和控制器都集成在一起的、一块大规模集成电路。它的体积很小，表面积只有几个平方厘米，但它的金属引脚（金手指）却多达几十到几百根。选购 CPU 要确定的是型号和主频，主频是 CPU 运算速度的标志。、主板：因为在电脑系统中，CPU、RAM、存储设备和显示卡等所有部件都必须通过主板相结合，主板性能和质量的好坏将直接影响整个系统。、内存条：内存条是计算机的主存中的 RAM 部分，因其形状呈条状而得名。电脑中可插条，每条的容量通常有 16MB、32MB、64MB、128MB、256MB、512MB 多种。4、显示器：目前主要有阴极射线管（CRT）显示器与液晶（LCD）显示器。5、显示卡：又称显示适配器，它插在主板扩展槽内，负责将 CPU 送来的电信号转化为显示器能显示的可视信号，传给显示器械。它有自己的数据处理器与显示内存。通过对显卡的参数调整，可改变显示器的分辨率。现在一般使用的分辨率是 800×600、1024×768 等。6、硬盘：硬盘是计算机主要的外存设备，几乎所有的计算机软件都存贮在硬盘上。7、软驱：软驱驱动软盘高速运转，其内部有磁头向软盘读出或写入信息。目前软驱只有 1.44MB 一种型号。8、光驱：光驱驱动光盘高速运转，其内部有一激光头，可从光盘上读取数据。其中 CD-ROM 只能读取信息，不能写入数据。CD-RW 光驱才能既可读，又能向可录写光盘上写入数据。9、声卡：它是将计算机内电信号转换为音箱发声电信号的设备。10、网卡：网卡，也称做 NIC(Network Interface Card,网络接口卡），作为局域网中最基本的部件之一，是局域网连接的重要部分。按其传输速度划分，可分为 10M 网卡，10/100M 自适应网卡以及 1000M(千兆)网卡这三种。应用最广泛的应属第二种。调制解调器（Modem）：它的作用是对计算机的数字信号与电话线上的模拟信号相互转化，将计算机与互联网相连。将计算机数字信号转化为电话线上的模拟信号的过程称为调制，反过来的过程称为解调。人们称这两个过程为模数转换或 A/D 转换。11、机箱电源：12、鼠标、键盘和音箱：13、打印机：有点阵打印机、喷墨打印机和激光打印机。1) 点阵打印机分 9 针和 24 针打印机两种，24 针打印机比 9 针打印机打印质量高。优点：耗材便宜。缺点：打印速度慢，噪声大，打印质量差。.2) 喷墨打印机优点：设备价格便宜，打印质量高于点阵打印机，可彩色打印，无噪声。缺点：打印速度慢，耗材贵。3) 激光打印机优点：打印速度快，打印质量最好，无噪声。缺点：设备价格高，耗材贵。打印成本最高。第五章 原码、反码、补码我们已经知道计算机中，所有数据最终都是使用二进制数表达。我们也已经学会如何将一个 10 进制数如何转换为二进制数。不过，我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。对有符号数而言，符号的“正”、“负”机器是无法识别的，但由于“正”、“负”恰好是两种截然不同的状态，如果用“0”表示“正”，用“1”表示“负”，这样符号也被数字化了，并且规定将它放在有效数字的前面，这样就组成了有符号数。把符号“数字化”的数叫做机器数，而把带“十”或“”符号的数叫做真值。一旦符号数字化后，符号和数值就形成了一种新的编码。在运算过程中，符号位能否和数值部分一起参加运算？如果参加运算，符号位又需作哪些处理？这些问题都与符号位和数值位所构成的编码有关，这些编码就是原码、补码、反码和移码。比如，假设有一整型的数，值为 5，那么，我们知道它在计算机中表示为：00000000 00000000 00000000 000001015 转换成二制是 101，不过整型的数占用 4 字节（32 位），所以前面填了一堆 0。现在想知道，-5 在计算机中如何表示？在计算机中，负数以其正值的补码形式表达。什么叫补码呢？这得从原码，反码说起。原码：一个整数，按照绝对值大小转换成的二进制数，称为原码。比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5 的原码。反码：将二进制数按位取反，所得的新二进制数称为原二进制数的反码。取反操作指：原为 1，得 0；原为 0，得 1。（1 变 0; 0 变 1）。比如：将 00000000 00000000 00000000 00000101 每一位取反， 得 11111111 11111111 11111111 11111010。称：11111111 11111111 11111111 11111010 是 00000000 00000000 00000000 00000101 的反码。反码是相互的，所以也可称：11111111 11111111 11111111 11111010 和 00000000 00000000 00000000 00000101 互为反码。补码：反码加 1 称为补码。也就是说，要得到一个数的补码，先得到反码，然后将反码加上 1，所得数称为补码。.比如：00000000 00000000 00000000 00000101 的反码是：11111111 11111111 11111111 11111010。那么，补码为：11111111 11111111 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011所以，-5 在计算机中表达为：11111111 11111111 11111111 11111011。转换为十六进制：0xFFFFFFFB。再举一例，我们来看整数-1 在计算机中如何表示。假设这也是一个整型，那么：1、先取 1 的原码：00000000 00000000 00000000 000000012、得反码： 11111111 11111111 11111111 111111103、得补码： 11111111 11111111 11111111 11111111可见，1 在计算机里用二进制表达就是 11111111 11111111 11111111 11111111。16 进制为：0xFFFFFF。第七章 计算机常用的单位计算机内的所有数据都是以二进制形式存贮，所以，一位二进制数的 0 或 1 就占用一个最小的数据单位，我们称这个单位为 1 位，记作 bit。但是计算机里里最常用（最基本）的数据单位却是字节（byte)，每字节含8 位，即有1byte=8bit通常情况下，1 字节的空间能存贮一个英文字符的编码，而需 2 字节才能存贮一个汉字的编码。随着计算机技术的发展，字节这个单位用来描述计算机内的数据大小或存贮空间的容量，实在太小，于是出现了千字节、兆字节和吉字节等数据单位。且这些单位因与二进制关系密切，而具有与其它单位不同的换算关系，即又一种意义上的：1 千1000，而是：1 千=210=1024。请注意观察下面换算关系：1 千字节（KB）=1024 字节（Bytes)1 兆字节（MB）=1024 千字节（KB）1 吉字节（GB）=1024 兆字节（MB）现在计算机的内存容量已达到几十到几百兆字节的容量，硬盘达到几十到几百吉字节的容量，光盘一般能达到几百兆字节的存贮容量。目前使用的软盘大都是 1.44MB 容量这一种型号。如果用这样的软盘来贮存纯文字，即不带排版格式的文本文件的话，大约能存贮 70 多万汉字的内容。磁道（track）、扇区（secter）与磁盘容量：磁盘上的信息并非均匀地分布在磁盘上。通常，磁盘上使用前要经过格式化操作，将磁盘的磁介质划分成磁头容易对准的许多同心圆，称为磁道，并从外向内顺序编号，其中 0 磁道是最大的同心圆。同时又把每个磁道划分成等长的若干段，每个段称为一个扇区，每个扇区存贮相同的字节数。这样，每个扇区的弧长不同，但存贮的数据相同，即不同磁道的数据的密度不同。例如，常用的软磁盘，从外到内为 0-79 共 80 个磁道，每个磁道分为 0-18共 19 个扇区，每扇区存贮 512 个字节，磁盘两面共存贮（2×80×19×512）bytes=1.44MB。.而硬磁盘是由多个同轴的磁盘片和夹在各磁盘片之间的多个磁头共同组成的，各磁盘片的同一磁道组成该磁盘的一个柱面。又因硬盘容量较大，读写时常常将几个连续扇区作为一个基本数据单位，称为簇（cluster）。硬盘的几个数据单位的关系如下：硬盘容量=512×磁头数×柱面数×每磁道扇区数（单位为字节）。第六章 汉字编码系统1、汉字编码系统主要是解决在汉字处理过程中的各个环节中汉字的编码问题。汉字编码常指汉字的国家标准信息码、汉字机内码、输入编码和字型编码。（1）汉字交换码概念：汉字交换码是计算机与其他系统或设备间交换汉字信息的标准编码。1981 年 5 月，信息交换用汉字编码字符集·基本集（代号 GB2312-80），该字符集共收录了 6763 个汉字和 682 个图形符号。6763 个汉字按其使用频率和用途，又可分为一级常用汉字 3755 个，二级次常用汉字 3008 个。其中一级汉字按拼音字母顺序排列，二级汉字按偏旁部首排列。采用两个字节对每个汉字进行编码，每个字节各取七位，这样可对 128×12816384 个字符进行编码。 区位码： 国家标准码先把汉字排列在一个 94 行×94 行的方阵（二维表格）中，在此正方形矩阵中，每一行称为“区”，每一列称为“位”，这样组成了一个共有 94 区，每个区有 94 位的字符集。由这个字符集矩阵表，引出了表示汉字的两种编码，一种称这区位码，另一种被称为国标码。这两种编码都是由两个字节组成，高字节表示“区”的代码，低字节表示“位”的代码。区位码是用十进制数表示一个汉字或图形符号在字符集中的位置。二维表中，每一行称为一个区，用汉字编码的第一个字节表示，称为区码。每个汉字在一行中的位置用第二个字节表示，称为位码。国标码通常用十六进制表示。 （2）汉字输入码 概念：也称外码，是为了将汉字输入计算机而编制的代码，它是代表某一汉字的一级键盘符号。 种类：流水码：根据汉字的排列顺序形成汉字编码，如区位码、国标码、电报码等。 音码：根据汉字的“音”形成汉字编码，如全拼码、双拼码、简拼码等。形码：根据汉字的“形”形成汉字编码，如王码五笔、郑码、大众码等。 音形码：根据汉字的“音”和“形”形成汉字编码，如表形码、钱码、智能 ABC 等。 不论是哪一种汉字输入方法，利用输入码将汉字输入计算机后，必须将其转换为汉字机内码才能进行相应的存储和处理。