计算机基础及Python准备

【一】编程和编程语言

【1】什么是编程

编程是指将人类语言翻译成计算机能够识别的语言。

【2】什么是编程语言

编程语言是人与计算机之间交流的媒介。

【3】为什么出现编程语言

为了让人类能够与计算机有效沟通并控制计算机进行工作。

【4】为什么做编程

让计算机按照人类意愿完成工作，提高工作效率。

【二】计算机组成原理

【1】什么是计算机

能够智能批量处理人类的指令和数据的通电机器。

【2】为什么发明计算机

为了节省劳动成本和增加效益

计算机能够执行重复性高、繁琐的任务，解放人类的思维和创造力。

【3】计算机的五大组成部分

（1）控制器

相当于人类大脑，相互协调工作，完成任务。

（2）运算器

相当于大脑进行的逻辑运算和数字运算功能。

• ​ 逻辑运算：根据某个条件是否成立，决定是否要做事情
• ​ 算术运算：数字之间的运算，例如 + - * /

（3）存储器

相当于人类大脑中的海马体，存储记忆。

• ​ 短期记忆：内存 临时存储记忆 断电重启数据消失

• ​ 长期记忆：断电数据不会消失

  • 固态硬盘：存储数据量大，数据读取速度非常快，价格高昂
  • 机械硬盘：存储数据量大，数据读取速度比较慢，价格低

（4）输入设备

输入设备用于将外部信息输入到计算机，让计算机能够处理。

例如鼠标、键盘、麦克风。

（5）输出设备

输出设备将计算机处理后的结果呈现给用户或其他设备。

例如屏幕、打印机。

【4】计算机的三大核心硬件

（1）CPU

• 由控制器和运算器组成。

• 控制整个电脑调度和运算，决定程序执行的顺序和过程。

• 用计算数据，执行程序的指令*。

（2）内存

• 临时存储数据的地方。
• 数据断电消失，安全性低，读取速度极快。

（3）硬盘

• 长期存储数据的地方。
• 数据断电不消失，安全性高，读取速度相对内存较慢。

【5】程序的执行过程

• 数据准备
  • 想用QQ，应该要下载 QQ 的应用程序
  • QQ的文件夹内，你会看到很多的文件数据，这些数据就是QQ的启动程序
• 数据读取
  • 从硬盘中将QQ的数据读取到内存中，进行临时存储
  • 双击QQ的图标，出现QQ登录界面这个操作就是数据从硬盘中读取到内存中的过程
• 数据写入
  • 输入账号和密码，点击登陆进行登陆，
  • 进入到QQ聊天界面的过程就是CPU从内存中将数据读取出来进行调度和运算的过程
• 关闭QQ ，CPU负责调度当前程序进行杀死，杀死过后要释放当前的内内存资源
  • 点击关闭QQ，慢慢的消失
  • CPU将QQ的数据保存到内存中
  • 内存中的数据再写入到硬盘中，进行持久化存储
  • QQ完全退出了

【三】操作系统

【1】操作系统的由来

• 为了简化硬件操作。
• 想要简化一系列操作指令，只能找到这些指令的替代品。

【2】操作系统

• 操作系统其实就是在一堆硬件的基础上实现功能和接口的封装，我们可以通过这些接口和程序进行硬件的调度。

【3】开发一套操作系统

• 开发视频软件

  • 核心业务是播放视频，输出音频
  • 将视频文件数据从硬盘中读取出来放到内存中，再经过播放器进行转码
  • 进行音视频输出
  • 若有另一个人也要开发，需要从零开始

• 于是需要所有开发者遵循共同的一套规范

  • 我们共同研发出一个功能和接口
    • 有一个所但是我们都有要是的副本
  • 我们都遵循一个规范
    • 核心业务就是播放视频，输出音频做成一个公共的

• 下次谁需要这个功能谁就来直接拿着用

【4】常见的操作系统

（1）Windows平台

• Window7
• Windowxp
• Window 8
• Window 10
• Window 11

（2）Mac平台

• IOS系统
• intel

（3）Linux平台

• centos
• 蓝鲸
• ...

（4）Andoraid

（5）IOS

（6）鸿蒙

【5】系统软件和操作软件的区别

（1）什么是系统软件

• 建立在硬件之上的软件，负责调度整个硬件
• Windows、macOS、Linux
• 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。

（2）什么是操作软件

【1】系统软件

• 系统自带的服务 网卡服务、文件管理器。

【2】应用软件

• 就是我们基于Windows系统上安装的其他软件
• QQ、微信等

【6】计算机系统的三层架构

（1）应用层

• 应用层是计算机系统的最上层

• 进行工作开发的软件层

（2）操作系统层

• 操作系统层是计算机系统的中间层

• 硬件调度服务都基于操作系统层

（3）硬件层

• 硬件层是计算机系统的最底层
• 所有操作都基于硬件

【7】平台

• 平台就是你的操作系统 + 你的硬件

• Linux平台

  • 用在服务器上
  • 只需要一个 CPU+显卡+内存+硬盘

• Window平台

  • Window系统 + CPU + ...

• MacOS平台

  • macOS + Mac相关硬件

【四】为什么要学习Python

• 跨平台性非常高，学习成本很低

  • 即使电脑配置很低
  • 可以装Linux系统写代码
    • 不建议尝试

• Window上能用、Linux上也能用 等等

• java需要java虚拟机

【五】编程语言

【1】机器语言

（1）什么是机器语言

• 机器语言就是计算机可以理解的语言，是直接操作硬件的语言。

• 计算机基于电工作，电有高低电频之分，即高电频与低电频（0和1）

• 我们可以通过控制高低电频变化组成一系列指令来操作系统硬件

• 机器语言直接操作系统硬件，是最低级的语言，只有计算机看得懂

（2）机器指令

• 控制高低电频的变化组成一系列的指令就叫做机器指令，可以控制电脑硬件

（3）如何写机器指令

• 首先需要记住计算机的全部指令及核心代码的含义
• 编写机器指令程序时需自己处理每条数据，以及数据随时可可能会发生的意外情况（繁琐且耗费经历）
• 一般发生在源头厂家中，源头厂家调控硬件内部设备的时候会用得到

（4）机器语言的示例

• 机器语言及其繁琐且难以记忆

'''指令部份的示例'''
 0000 代表 加载（LOAD）
 0001 代表 存储（STORE）
 ...
 
LOAD 0000  # 加载寄存器A
STORE 0001 # 存储到寄存器B

'''暂存器部份的示例'''
0000 代表暂存器 A 
0001 代表暂存器 B 
...

'''存储器部份的示例'''
000000000000 代表地址为 0 的存储器
000000000001 代表地址为 1 的存储器 
000000010000 代表地址为 16 的存储器
100000000000 代表地址为 2^11 的存储器

（5）机器语言的优缺点

• 优点
  • 执行效率高
    • 可以直接操作计算机的底层硬件
• 缺点
  • 开发效率低
    • 学习成本高，开发效率慢
  • 跨平台性很差
    • 所以更换系统硬件就会导致机器指令失效
  • 理解原码、反码、补码、位运算（ & | ）

xxxxxxxxxx 底层单位数据的换算​
# 00000001 表示1字节，有256种排列方式，从0到255。​
# 八个字节表示一个 bytes
# 8 字节 = 1 bytes
# 1024 bytes = 1 kB
# 1024 kb = 1 MB 
# 1024 mb = 1GB
# 1024 GB = 1 TB
# 1024 TB = 1 ZB

【2】汇编语言

• 汇编语言也可直接操作底层硬件，但是可以用一个字母或一串单词来声明这串机器指令代表的含义
• 对比机器语言来说，汇编语言一定程度上降低了开发成本，是一种进步

（1）什么是汇编语言

• 汇编语言是用一个英文字母或者一串单词来代表机器语言的语言

（2）汇编语言示例

; hello.asm 
section .data            		; 数据段声明
    msg db "Hello, world!", 0xA ; 要输出的字符串
    len equ $ - msg             ; 字串长度
section .text            		; 代码段声明
    global _start            	; 指定入口函数
_start:                			; 在屏幕上显示一个字符串
    mov edx, len            	; 参数三：字符串长度
    mov ecx, msg            	; 参数二：要显示的字符串
    mov ebx, 1            		; 参数一：文件描述符(stdout) 
    mov eax, 4            		; 系统调用号(sys_write) 
    int 0x80            		; 调用内核功能
                    			; 退出程序
    mov ebx, 0            		; 参数一：退出代码
    mov eax, 1            		; 系统调用号(sys_exit) 
    int 0x80            		; 调用内核功能

（3）汇编语言的优缺点

• 优点
  • 执行效率高
    • 直接操作计算机底层硬件
  • 操作灵活
    • 简化了一些机器指令可以让我们快速实现代码编程
  • 可执行文件很小
• 缺点
  • 开发效率低
    • 仍然需要记住很多指令集
  • 复杂度很高
    • 一串代码可能会用到很多指令集
  • 跨平台性很差
    • 直接操作计算机底层硬件

【3】高级语言

（1）什么是高级语言

• 从人类角度出发，将人的语言转换为计算机可以识别的语言

  • 可以通过人类的指令实现操作计算机的硬件

• 不需要考虑底层硬件，而是直接操作系统

• 更贴近于人类

（2）高级语言分类

• 按照编译方式分为：
  • 编译型语言
  • 解释型语言

（3）编译型语言

【1】什么是编译型语言

• 编译型语言就是将源代码一次性翻译成目标代码，然后生成一个可执行文件

  • 下次直接执行翻译过后的文件即可

• 若代码需要修改和完善，修改完后需要重新编译

【2】优缺点

• 优点：

  • 一次编译处处执行，只需编译一次，下次可以直接用，效率高。

• 缺点：

  • 修改后需重新编译
  • 跨平台性很差
    • Windows上编译出的文件只兼容Windows系统

【3】编译型语言的代表

• C、C++、C#、Java

（2）解释型语言

【1】什么是解释型语言

• 解释型语言就是在执行代码的过程中，不是一次编译而是由解释器逐句编译。
• 修改源代码后，不需要重新编译整个程序，直接执行即可。
• 执行效率较低，但开发效率高，且具有较强的跨平台性。

【2】优缺点

• 优点：

  • 不需要改动后再进行编译，开发效率高
  • 跨平台性很强

• 缺点：

  • 执行效率变低

【3】解释型语言的代表

• GO、Python

【4】各种开发语言对比

（1）执行效率（从高到低）

• 机器语言
• 汇编语言
• 高级语言
  • 编译型语言
  • 解释型语言

（2）开发效率（从高到低）

• 高级语言
  • 解释型语言
  • 编译型语言
• 汇编语言
• 机器语言

（3）跨平台性（从高到低）

• 高级语言
  • 解释型语言
  • 编译型语言
• 汇编语言
• 机器语言

【六】Python语言介绍

【1】创始人

• 吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）。

【2】名字的由来

• Python这个名字，来自Guido所挚爱的电视剧《Monty Python’s Flying Circus》，他希望这个新的叫做Python的语言，能符合他的理想：
• 创造一种C和shell之间，语法能够像shell一样简洁，易学易用、可拓展性强，同时兼顾C的强大功能。

【3】全球语言排行榜

• TIOBE Index - TIOBE


【4】Python语言的应用领域

• 人工智能、数据分析、爬虫、金融量化、云计算、WEB开发、自动化运维/测试、游戏开发、网络服务、图像处理等众多领域。
• 图像处理比如人脸识别
• 数据分析

【5】Python解释器的发展史

• 1989年，Guido开始写Python语言的编译器。

• 1991年，第一个Python编译器诞生。

  • 它是用C语言实现的，并能够调用C语言的库文件。
  • 从一出生，Python已经具有了：类，函数，异常处理，包含表和词典在内的核心数据类型，以及模块为基础的拓展系统。

• Python 2.7 - July 3, 2010

• Python 3.6 - 2016-12-23 发布python3.6.0版

• Python3.10版本我们学

• 最新版本的解释器不稳定存在bug

【7】Python的解释器的种类

（1）Cpython解释器

• 基于C语言开发的解释器版本

• 我们学习使用的解释器就是基于C语言开发出来的CPython解释器

• 底层源码都是C语言，如果从Python代码看源码，看不到C代码

• 从Python解释器的官网 GitHub可以看到源码

（2）jpython

• 基于Java写的Python解释器，没人用

（3）ipython

• 可以进行交互的解释器版本

【七】Python解释器安装（Windows）

【1】访问Python官网

• [https://www.python.org]

【2】选择Windows系统


【3】搜索指定版本

• Window系统
  • ctrl + f
• Macos
  • command + f


分别为64位及32位下载

【4】安装解释器

• 点击安装程序安装

• 自定义安装位置

• Optional Feature 全勾上

• 安装成功

【八】Python解释器安装（Mac）

【1】打开官网

Python Releases for macOS | Python.org

【2】双击安装程序

• .pkg结尾的安装包

  【九】多版本解释器共存

【1】原因

• 电脑系统中存在多个版本的Python解释器
• 例如Python3.10 和 Python3.8

【2】查看电脑的环境变量


【3】系统变量


【4】Python解释器环境变量

• 点击进入系统变量中的Path
• 将Python38解释器版本环境变量上移并保存


每次需要用到其他版本的时候需修改环境变量

【5】修改解释器

• 将原本的Python解释器快捷方式复制一份成副本

• 修改副本的名称编程指定版本的解释器即可

• 系统环境变量中谁在上面 则敲 python 就会先触发谁

【十】书写Python代码

【1】直接在命令行书写代码

• CMD调出命令行窗口，进入到终端 敲 python 进入到解释器环境
• 直接书写代码

如果在终端书写大量的Python代码，不能美化代码样式并且书写起来很费劲，临时的

【2】借助文件

• 桌面上新建一个 txt文档
• 书写Python代码
• 将文件名命名为 以 .py 结尾的文件

修改的是文件的扩展名而不是文件名

• 执行Python代码需要再终端输入 python + py文件路径即可完成调用

【3】方案

• 我们向美化界面并且能持续的书写Python代码
• 需要借助第三方工具
  • sublit 、 pycharm 、 vscode ...
• 我们用pycharm

【4】Python代码执行的顺序及流程

• 读取应用程序并执行的流程

• 写一个带有Python代码的文件保存到了硬盘上

• 首先要将文件里的内容读取到内存中

• CPU需要将数据从内存读取到CPU，CPU去调度执行

  • 需要用到Python解释器
  • 去找Python解释器
  • 找到安装的解释器 python.exe

• 调度解释器去执行代码

【十一】安装pycharm

【1】访问官网

• JetBrains: 软件开发者和团队的必备工具


【2】点击下载


【3】安装

（1）双击安装程序

（2）选择安装位置

• 不要安装在C盘

（3）全选/选jetbrains

（4）安装成功

（5）进入并使用

【十二】pycharm操作

【1】添加解释器环境


【2】添加解释器方式二