第1章计算机基础知识教案.docx
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第1章计算机基础知识教案
四川航天职业技术学院
教案首页
授课日期
年级、专业
课题:
第一章计算机基础知识
课型:
讲授
目的要求:
1、了解计算机的特点及应用领域
2、了解计算机的分类及软硬件系统组成
重点:
1、计算机软件系统
2、计算机硬件系统
难点:
1、数制基础
2、微型计算的性能指标与配置
教学方法:
多媒体教学
课外作业:
课后分析:
检查者签字:
年月日
第1章计算机基础知识
1.1 计算机的产生和发展
世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学研制成功,它的名称叫ENIAC。
表1-1计算机的发展阶段
历代
电子器件
起始
年份
结构
应用
我国情况
第一代
电子管
1946年
以CPU为中心
使用计算机语言,速度慢,存储量小,主要用于数值计算
我国于1958年和1959年先后生产了103型(DJS—1型)和104型(DJS—2型)电子管计算机,填补了我国电子数字计算机的空白。
第二代
晶体管
1958年
以存储器为中心
使用高级语言,应用范围扩大到数据处理和工业控制
我国于1964年开始,生产了多种型号的晶体管计算机如109—乙型、108—乙型(DJS—6型)、X—2型、441—B型等电子计算机。
第三代
中小规模集成电路
1964年
以存储器为中心
增加了多种外部设备,软件得到了一定的发展,文字图像处理功能加强
我国于1971年开始,生产了多种型号的集成电路计算机,还研制了DJS—100、DJS—180和DJS—200等计算机系列。
第四代
大规模和超大规模集成电路
1971年
核心部件集成在芯片上
应用更广泛,很多核心部件可集成在一个或多个芯片上,从而出现了微型计算机
我国在发展集成电路方面走了些弯路,目前大规模集成电路和超大规模集成电路与国外水平相比还存在一定差距。
第五代
甚大规模集成电路
1991年
计算机的主要部件集成到一个芯片上
计算机的主要部件集成到一个芯片上,从而出现了单片机
我国在发展甚大规模集成电路与国外水平相比差距更加明显。
从80年代开始,日本、美国和欧洲纷纷进行第五代计算机的研制工作。
目前尚未形成一致结论,有几种可能:
神经网络计算机(模拟人的大脑思维)、生物计算机(运用生物工程技术)、蛋白分子作芯片、光计算机(用光作为信息载体),通过对光的处理来完成对信息的处理。
我国从1956年开始电子计算机的科研和教学工作,1983年研制成功1亿/秒运算速度的“银河”巨型计算机,1992年11月研制成功10亿/秒运算速度的“银河II”巨型计算机,1997年研制了130亿/秒运算速度的“银河III”巨型计算机,2000年我国自行研制成功高性能计算机“神威I”,其主要技术指标和性能达到国际先进水平,它每秒3480亿浮点的峰值运算速度,使"神威I"计算机位列世界高性能计算机的第48位。
2004年我国自主研制成功的曙光4000A超级服务器由2000多个CPU组成,存储容量达到42TB,峰值运算速度达每秒11万亿次。
2010年11月15日,国际TOP500组织在网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行榜,中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”雄居第一。
“天河一号”由国防科学技术大学研制,部署在国家超级计算天津中心,其实测运算速度可以达到每秒2570万亿次。
1.2 计算机的分类
按其本身的特性可以将计算机分为以下几种:
1.巨型机
又称为超级计算机,具有很强的计算和处理数据的能力,主要特点是运算速度快、内存容量大。
主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。
2.大中型机
这类机器通常都安装在机架内,主要特点是大型、通用,具有较快的处理速度和较强的处理能力。
大型机一般作为大型“客户机/服务器”系统的服务器,或者“终端/主机”系统中的主机。
3.小型机
小型机的主要特点是规模小,结构简单,设计试制周期短,便于采用先进工艺,用户不必经过长期培训即可维护和使用。
4.工作站
工作站是20世纪80年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统。
工作站一般采用RISC(精简指令集电脑-reducedinstructionsetcomputer)中央处理器,操作系统采用UNIX分时操作系统,配有图形子系统和高分辩高速大屏幕显示器。
5.微型机
微型计算机又称个人计算机(PersonalComputer,PC)。
1971年Intel公司成功地在一个芯片上实现了中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU)的功能,制成了世界上第一片4位微处理器Intel4004,组装了世界上第一台4位微型计算机——MCS-4,从此揭开了世界微型计算机大发展的帷幕。
随后许多公司(如Motorola、Zilog等)也争相研制微处理器,推出了8位、16位、32位、64位的微处理器。
每18个月,微处算理器的集成度和处理速度提高一倍,价格却下降一半。
微型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点在过去30多年中得到迅速的发展,成为计算机的主流。
今天,微型计算机的应用已经遍及社会的各个领域,从工厂的生产控制到政府的办公自动化,从商店的数据处理到家庭的信息管理,几乎无所不在。
微型计算机的种类很多,主要分成两类:
台式机(DesktopComputer)和便携机(PortableComputer)。
目前非常流行的笔记本(Notebook)电脑和平板电脑属于便携机范畴。
1.3 计算机的特点及应用领域
1.3.1计算机的特点
1.高速、精确的运算能力
IBM的“深蓝”计算机,在对手每走一步棋时,1秒钟内便会有2亿步棋的反映。
所以,计算机可以做那些计算量大、运算复杂的工作。
2.准确的逻辑判断能力
计算机的存储器不但能存放数据和文件,更重要的是能存放用户编制好的程序。
当需要时,又可快速、准确、无误地读取出来。
计算机还具有逻辑判断能力,这使得计算机能解决各种逻辑问题。
3.强大的存储能力
计算机能存储大量数字、文字、图象、声音等各种信息,记忆力大得惊人,它可以轻易地“记住“一个大型图书馆的所有资料,从创刊到今天的《四川日报》,用数张光盘就可以全部存储。
4.具有自动化功能和判断力
计算机可以将预先编好的一组指令(称为程序)先“存”起来,然后自动地逐条取出这些指令并执行,工作过程完全自动化,不需要人的干预。
计算机是你最忠实的朋友,它能一丝不苟地执行你的指令,自动处理好全部问题。
5.网络功能
它可以将几十台、几百台、甚至更多的计算机连成一个网络,将一个个城市、一个个国家的计算机连在一个计算机网上。
如目前最大、应用范围最广的“国际互联网”(INTERNET),联结了全世界150多个国家和地区的数以亿计的计算机。
在网上的所有计算机用户可共享网上资料、交流信息、互相学习,方便得如用电话一般,整个世界都可以互通信息。
1.3.2计算机应用领域
1.数值计算
数值计算就是利用电子计算机来完成科学研究和工程设计中的数学计算,这是计算机最基本的应用。
如人造卫星轨道的计算、气象预报等。
这些工作由于计算量大、速度和精度要求都十分高,离开了计算机是根本无法完成的。
2.信息处理
信息处理是计算机的最大的一个应用领域。
由于计算机的海量存储,可以把大量的数据输入计算机中进行存储、加工、计算、分类和整理,因此它广泛用于工农业生产计划的制定、科技资料的管理、财务管理、人事档案管理、火车调度管理、飞机订票等。
当前我国服务于信息处理的计算机约占整个计算机应用的60%左右,而有些国家达70%以上。
如我国一些银行发行的“牡丹卡”、“长城卡”等信用卡,顾客到全国各地指定商店购物不必带现金,只要将信用卡插入商店计算机的一个终端设备中,即可验明信用卡的真伪,查出存款数目,在自动减去货款后,将信用卡退还顾客。
整个操作可在数分钟内完成。
3.过程控制
也称为实时控制,它要求及时地搜集检测数据,按最佳值进行自动控制或自动调节控制对象,这是实现生产自动化的重要手段。
如用计算机控制发电,对锅炉水位、温度、压力等参数进行优化控制,可使锅炉内燃料充分燃烧,提高发电效率。
同时计算机可完成超限报警,使锅炉安全运行。
计算机的过程控制已广泛应用于大型电站、火箭发射、雷达跟踪、炼钢等各个方面。
4.计算机辅助设计和辅助教学
计算机辅助设计(CAD)就是用计算机帮助人们进行产品的设计,这不仅可以加快设计过程,还可缩短产品的研制周期。
例如,过去设计一架飞机,从确定方案到绘出全套图纸,不仅要花费大量的人力物力,而且要花费2~3年的时间。
采用计算机辅助设计,一般只需3个月,就能设计出一台新型飞机,并能提供全套图纸,而且计算精确。
计算机辅助设计还可用于船舶、汽车、机械产品、服装、大规模集成电路等的设计中。
最近还发展了计算机辅助制造(CAM),如在机械加工中,利用计算机控制各种设备自动完成对零件的加工、装配、包装等过程,可实现无图纸加工。
计算机辅助教学(CAI)用于课堂教学,可将生物、物理、化学课程中的瞬息变化形象地展示出来,使学生通过直观画面就可以很容易理解其中的道理。
5.人工智能
人工智能主要研究如何利用计算机去“模仿”人的智能,使计算机具有“推理”、“学习”的功能。
这是近年来开辟的计算机应用的新领域。
1.4计算机的数据处理方式
1.4.1数制基础
1.进制
计算机采用两个稳态的二值电路。
以高、低电位表示0、1,这决定了计算机内部采用二进制进行数据处理,它具有简、便、廉的特点。
使用二进制的好处:
①可采用二稳态的元件
②四则运算简单
③节省存储设备
④便于采用逻辑代数(与逻辑代数变量取值一致)
但由于人们习惯于十进制数,同时在编程中会用到八进制数和十六进制数,这就提出了几种不同数制间的转换问题。
区分各进制表示的数,常用方法有二种:
●在数的后面加一个大写字母。
B:
二进制数,D:
十进制数,H:
十六进制数,O:
八进制数。
●将要表示的数用小括号括起来,用一个下标表示该数的进制数。
如(10110.101)2表示一个二进制数,而(10110.101)10表示一个十进制数。
2.进制转换
①非十进制数转十进制数
按权展开,求和。
即:
r数制基数,如二进制r=2,八进制r=8
i位序号[小数点后为负值]
ki第i位上的数字符[0~r—1]
ri第i位上的权
m、n最低位和最高位的位序号
例:
将二进制数(1011.101)2转换成等值的十进制数。
(1011.101)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=(11.625)10
②十进制数转非十进制数
整数部分:
除基取余(由低到高);小数部分:
乘基取整。
注意:
十进制小数不一定能准确地转换为其他进制小数!
如0.2。
例:
将十进制数26.8125转换为等值的二进制数。
③二进制数与十六进制数之间的相互转换
方法:
将要转换的二进制数从小数点开始分别向左(整数部分)和向右(小数部分)每4位二进制数码分成一组,在最左或最右不足四位的用0补足。
即每4位二进制数码转换成一位十六进制数码。
反之,每一位十六进制均可以写成4位二进制。
例:
将二进制数11010011010.11101010011转换为等值的十六进制数。
∴(11010011010.11101010011)2=(69A.EA6)16
④二进制数与八进制数之间的相互转换
方法:
将要转换的二进制数从小数点开始分别向左(整数部分)和向右(小数部分)每3位二进制数码分成一组,在最左或最右不足四位的用0补足。
例:
(11110010.1110011)2=(362.714)8
1.4.2计算机中字符的表示
计算机需输入各种原始数据,输出处理结果(可阅读的字符),因此需对各种字符约定相应的编码。
1.ASCII码
ASCII码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)是美国信息交换标准代码的简称。
主要用来对键盘上的信息进行编码。
ASCII码占一个字节,有7位ASCII码和8位ASCII码两种,7位ASCII码称为标准ASCII码,8位ASCII码称为扩充ASCII码。
7位二进制数给出了128个不同的组合,表示了128个不同的字符。
其中95个字符可以显示。
包括大小写英文字母、数字、运算符号、标点符号等。
另外的33个字符,是不可显示的,它们是控制码,编码值为0~31和127。
例如,回车符(CR),编码为13,如表1.2为ASCII码字符编码表。
表1-2ASCII码字符编码表
b6b5b4
b3b2b1b0
000
001
010
011
100
101
110
111
0000
NUL
DLE
SP
0
@
P
`
p
0001
SOH
DC1
!
1
A
Q
a
q
0010
STX
DC2
"
2
B
R
b
r
0011
ETX
DC3
#
3
C
S
c
s
0100
EOT
DC4
%
4
D
R
d
t
0101
ENQ
NAK
&
5
E
U
e
u
0110
ACK
SYN
'
6
F
V
f
v
0111
BEL
ETB
(
7
G
W
g
w
1000
BS
CAN
)
8
H
X
h
x
1001
HT
EM
*
9
I
Y
i
y
1010
LF
SUB
+
:
J
Z
j
z
1011
VT
ESC
;
K
[
k
{
1100
FF
FS
-
<
L
\
l
|
1101
CR
GS
.
=
M
]
m
}
1110
SO
RS
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>
N
^
n
~
1111
SI
US
?
O
_
o
DEL
2.汉字编码
由于汉字数目很多,加上汉字的形状和笔画多少差异极大,因此,不可能用少数几个确定的符号将汉字完全表示出来,或像英文那样将汉字拼写出来。
每个汉字必须有它自己独特的编码。
①国标码
所有汉字编码都应该遵循这一标准,汉字机内码的编码、汉字字库的设计、汉字输入码的转换、输出设备的汉字地址码等,都以此标准为基础。
GB2312—80就是国标码。
该码规定:
一个汉字用两个字节表示,每个字节只有7位,与ASCII码相似。
国标码共有汉字6763个(一级汉字,是最常用的汉字,按汉语拼音字母顺序排列,共3755个;二级汉字,属于次常用汉字,按偏旁部首的笔划顺序排列,共3008个),数字、字母、符号等682个,共7445个。
②区位码
将GB2312—80的全部字符集组成一个94×94的方阵,每一行称为一个“区”,编号为0l~94;每一列称为一个“位”,编号为0l~94,这样得到GB2312—80的区位图,用区位图的位置来表示的汉字编码,称为区位码。
③机内码
为了避免ASCII码和国标码同时使用时产生二义性问题,大部分汉字系统都采用将国标码每个字节高位置1作为汉字机内码。
这样既解决了汉字机内码与西文机内码之间的二义性,又使汉字机内码与国标码具有极简单的对应关系。
汉字机内码、国标码和区位码三者之间的关系为:
区位码(十进制)的两个字节分别转换为十六进制后加20H得到对应的国标码;机内码是汉字交换码(国标码)两个字节的最高位分别加1,即汉字交换码(国标码)的两个字节分别加80H得到对应的机内码;区位码(十进制)的两个字节分别转换为十六进制后加A0H得到对应的机内码。
汉字两字节的机内码和国标码有一个对应关系,国标码+8080(H)=机内码。
例如:
“重”字国标码是3122(H),它的机内码就是3122(H)+8080(H)=B1A2(H)
④汉字的输入码(外码)
汉字是一种拼音、象形和会意文字,本身具有十分丰富的音、形、义等内涵。
经过许多中国人多年的潜心研究,形成了种类繁多的汉字输入码,至今为止,已有好几百种汉字输入码的编码方案问世,其中已经得到了广泛使用的也达几十种之多。
汉字输入码的分类:
按照汉字输入的编码元素取材的不同,可将众多的汉字输入码分为如下四类:
Ø拼音码:
以汉字的汉语拼音为基础,以汉字的汉语拼音或其一定规则的缩写形式为编码元素的汉字输入码统称为拼音码。
Ø拼形码:
以汉字的形状结构及书写顺序特点为基础,按照一定的规则对汉字进行拆分,从而得到若干具有特定结构特点的形状,然后以这些形状为编码元素“拼形”而成汉字的汉字输入码统称为拼形码。
Ø音形码:
这是一类兼顾汉语拼音和形状结构两方面特性的输入码,它是为了同时利用拼音码和拼形码两者的优点,一方面降低拼音码的重码率,另一方面减少拼形码需较多学习和记忆的困难程度而设计的。
音形码的设计目标是要达到普通用户的要求,重码少,易学,少记,好用。
音形码虽然从理论上看很具有吸引力,但在具体设计时尚存在一定的困难。
自然码是一种适应而较广的音形码。
Ø序号码:
这是一类基于国标汉字字符集的某种形式的排列顺序的汉字输入码。
将国标汉字字符集以某种方式重新排列以后,以排列的序号为编码元素的编码方案即是汉字的序号码。
Ø汉字字形码:
为了将汉字在显示器或打印机上输出,把汉字按图形符号设计成点阵图,就得到了相应的点阵代码(字形码)。
全部汉字字码的集合叫汉字字库。
用于显示的字库叫显示字库。
显示一个汉字一般采用16×16点阵或24×24点阵或48×48点阵。
已知汉字点阵的大小,可以计算出存储一个汉字所需占用的字节空间。
例,用16×16点阵表示一个汉字,就是将每个汉字用16行,每行16个点表示,一个点需要1位二进制代码,16个点需用16位二进制代码(即2个字节),共16行,所以需要16行×2字节/行=32字节,即16×16点阵表示一个汉字,字形码需用32字节。
即:
字节数=点阵行数×点阵列数÷8
例:
用24×24点阵来表示一个汉字(一点为一个二进制位),则2000个汉字需要多少kB容量?
(24×24÷8)×2000÷1024=140.7kB≈141kB
1.4.3汉字输入概述
汉字不像西文字符可以直接从键盘上输入,它必须通过专门的输入码或特定输入设备输入(手写板、扫描等)。
常用的汉字输入有拼音和五笔两种。
1.汉字输入方式:
键盘—五笔、拼音、区位;非键盘—音、笔、扫描(如图1-3输入法状态条)
2.汉字输入码:
数字码、拼音码、字形码、音形码
3.汉字输入法中的术语
码长:
每个汉字对应的编码长度
词组输入:
将词组依编码直接输入(不同的输入法编码不同)
重码:
汉字输入时出现若干编码相同的汉字或词组
提示行:
显示输入汉字过程中键入的编码及相应的重码字和词
全角:
一字符占两个字节,对应于键盘上(编码以外)的字符
半角:
一字符占一个字节,对应于汉字字符或国际图形符号
4.常用汉字输入法
智能ABC、微软拼音、极品五笔、智能狂拼、清华紫光等等。
5.输入法状态条
依次为中英文切换钮、输入法显示、全角/半角、中西文标点切换、软键盘。
6.输入法状态切换
中英文切换:
①Ctrl+空格;②单击任务栏上的输入法指示器,在输入法菜单中选择;③单击输入法状态条上的中英文切换钮。
输入法切换:
①Ctrl+Shift;②单击输入法指示器,在输入法菜单中选择;
全角/半角切换:
①Shift+空格键;②单击输入法状态条上的全角/半角切换钮。
7.输入法帮助
右击输入法状态条→“帮助”。
1.5计算机系统组成
计算机由五大部件组成,如图1-4所示。
计算机的工作原理比较复杂,我们现在只有用方框图作一个概要的叙述。
例如我们要计算3+2,首先我们通过输入设备(例如键盘)把3和2输入到计算机里面,再由计算机的控制器把3和2送进存储器存储起来;计算机的运算器从存储器中取出3和2进行加法运算并将运算结果5再存储到存储器中,最后控制器把存储器中的运算结果5送出到输出设备(打印机或显示器)上。
图1-4 计算机组成方框图
一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
计算机硬件系统至少有五个基本组成部分:
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
通常,计算机硬件系统可分为主机和外部设备两大部分。
中央处理器(CPU)包含运算器和控制器两部分,它和存储器构成了计算机的主机。
外存储器和输入、输出设备统称为外部设备。
1.运算器
运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理部件。
运算器是计算机的核心部件,它的技术性能的高低直接影响着计算机的运算速度和性能。
2.控制器
控制器是计算机的控制中心,只有在它的控制之下整个计算机才能有条不紊地工作,自动执行程序。
控制器和运算器一起组成中央处理单元,即CPU(CentralProcessingUnit)。
图1-5计算机系统的基本组成
随着集成电路技术的发展,运算器和控制器通常做在一块半导体芯片上,也称为中央处理器或微处理器。
CPU是计算机的核心和关键,计算机的性能主要取决于CPU。
3.存储器
存储器的主要功能是存放程序和数据。
存储器通常分为内存储器和外存储器。
内存储器简称内存(又称主存),是计算机信息交流的中心。
内存又分随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
内存的存取速度直接影响计算机的运算速度。
随机存储器(RAM)是一种读-写存储器,它的一个明显特征是易散失性,即RAM工作时必须保持电源不中断,一旦电源中断,RAM中存储的数据信息就会丢失。
因此,RAM只能用于暂存数据。
在通电的情况下,RAM中的数据可以反复读写、擦除,通常,微型计算机中的内存就是RAM。
与RAM相反,只读存储器(ROM)中包含不能改变的永久性数据,数据在制造过程中烧结在芯片中,可以从ROM中读取数据,但不能对其写入新数据。
ROM中的数据与通电与否无关,断电后,数据仍然不会丢失。
计算机制造厂商通常将开机检测、系统初始化等程序固化在ROM中。
高速缓存(Cache)
高速缓存介于CPU的寄存器和主存储器之间,其中存放正在运行的一小段程序和数据。
Cache在CPU与主存储器之间不停地进行程序和数据交换,把需要的内容调入,用过的内容返还。
Cache的存储容量很小、存取速度很快、单位价格较高,且存储信息不能长期保留。
设计高速缓存的目的就是在数据存取速度和存储器价格之间取得一个较好的平衡点。
Cache通常采用半导体静态存储器(SRAM)。
存储器的有关术语简述如下:
①位(bit):
存放一位二进制数即0或l。
②字节(Byte):
8个二进制位为一个字节。
为了便于衡量存储器的大小,统一以字节(Byte简写为B)为单位。
容量一般用KB、MB、GB、TB来表示,它们之间的关系是:
1KB=1024B,lMB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB(其中1024=210)。
外存储器设备种类很多,目前微机常用的外存储器是硬磁盘、光盘、优盘(U盘)等.
4.输入设备
输入设备(InputDe
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