单元课程设计.docx
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单元课程设计
第一单元
一、教学目的
通过本单元的学习,主要了解计算机的有关概念、计算机的发展及应用概况、计算机的特点、系统构成及各组成部分的作用、计算机内数制的表示及各种数制的相互转换。
二、教学要求
1、了解计算机的有关概念、计算机的工作原理和分类、计算机的发展及应用概况、计算机的特点、计算机内数制的表示、计算机系统的构成及各组成部分的作用。
2、掌握各种数制的相互转换。
三、教学重点
1、计算机的相关概念
2、计算机系统的硬件和软件的构成及其作用;
3、计算机内数制的表示及数制之间的相互转换。
四、教学时间
4学时
五、教学内容
第1章计算机基础知识
1.1概述
1.1.1计算机与信息处理
理解以下几个概念:
1、计算机:
是一种能够自动地、高速地、精确地进行信息处理的现代化的电子设备。
简单说计算机就是一种信息处理机。
强调:
计算机是一种数字电子计算机,其内部只能处理二进制的数字化信息,即用0和1表示的代码串。
2、信息:
广泛用于人们的生活、学习和工作中的消息、情报、资料、信号、指令、数据等内容。
其主要表现形式为数值、字符、声音、图像等,这是信息的直接表达方式。
而将这些信息数字化后用“0”和“1”组成的代码串来表示。
就成为信息的间接表达方式。
计算机处理的信息可分为两大类:
数据和程序,数据指的是被计算机处理的对象,而程序指的是控制计算机工作的一系列指令。
3、信息处理:
又称为信息加工,指对信息的编码、存储、转换、转输、检测等。
目前计算机能进行加工处理的信息有数值、文字、字符、图形、图像、声音等。
图1.1作为信息处理机的计算机
4、信息技术:
指信息在获取、存取、传输、变换及利用中使用的技术。
包括感测、计算机、通信、微电子、控制、智能等技术,其核心是计算机和计算机技术。
1.1.2计算机的工作原理和分类
1、计算机的工作原理
工作原理:
存贮程序、逐条执行。
该原理由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼提出并付之实现。
计算机从问世到现在,尽管经历了四代,目前也在研制第五代、第六代计算机,但无论计算机如何更新换代,都是基于冯·诺依曼提出的“二进制和程序存储”的设计思想,并采用他确立的计算机的基本结构(存储器、运算器和控制器)和顺序执行程序指令的工作方式。
这个工作原理包含两层含义:
①依靠程序工作,实现自动控制和高速运算。
随着计算机的更新换代,自动化程度越来越高,运算速度越来越快!
②可以通过改变程序的方法来改变计算机的行为。
——这就是计算机和其它信息处理机的根本区别。
2、计算机的分类(P3-4)
计算机在不同的场合有不同的应用,不同的应用领域就有不同的计算机类型,这就是计算机的分类。
1)信息的表示和处理方式分为——数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算机。
数字计算机(只能处理用二进制代码串表示的数字化的信息);
模拟计算机(只能处理用连续变化的摸拟量表示的信息);
数字模拟混合计算机(同时能处理数字和模拟信号);
2)计算机用途分为——专用计算机和通用计算机。
3)按计算机规模与性能分为——巨型机、大型机、中型机、小型机与微型机五大类。
而国际流行的分类是分为六类:
巨型机、小巨型机、大型主机、小型机、工作站和微型机六类。
目前普遍使用的是数字式的通用型微型计算机,其主要特征为使用微处理器、结构紧凑、体积小、价格低、升级换代快、性能好、功能强。
其主要性能指标已达到:
字长64位、内存容量几百兆、主频几G,总体达到或超过小型机的水平。
1.1.3计算机的发展与应用
1、计算机发展简况
首台计算机于1946年问世,至今有50多年历史,计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四代,并朝着第五代的方向发展。
可见,不同时代的计算机是以使用不同层次的电子器件来划分的,每一代计算机跨越的时间段和硬、软件及应用状况见P4的介绍。
2、计算机的特点
计算机以惊人的速度更新换代,又以极快的速度普及到各个领域,以极大的诱惑力深入到家庭。
究竟是什么原因呢?
这就是因为计算机具有五个重要特点。
(详见P4-5)
1.1. 运算速度快
2.2. 精确度高
3.3. 具有记忆(存储)能力
4.4. 具有逻辑判断功能
5.5. 高度自动化与灵活性
3、计算机的应用领域
详见P5—7
(1)--(7)点,即:
科学计算;
实时控制;
数据处理;
辅助设计、制造及教学(分别简称为CAD、CAM及CAI)
文字处理和办公自动化;
人工智能;
网络应用。
1.2计算机的数制与编码(P7-11)
1.2.1数制
数制:
指表示数的方法和规则,目前均采用进位计数制,其含义是用有限多个符号表示无限多个数。
1.进位计数制
凡是按进位方式计数的数制,都称为进位计数制,简称进位制。
常见的有二进制、十进制、十二进制、六十进制等,各种计数的表示方法及特点为:
⑴十进制数
有0,1,2,……,9,共10个数码,低位向高位进位是“逢十进一”,基数为10。
任何一个十进制整数都可以用一个多项式来展开。
例如:
976=9×102+7×101+6×100
⑵二进制数
仅有0、1两个数码,低位向高位进位是“逢二进一”,基数为2。
任何一个二进制数也可以用一个多项式展开。
例如:
1101=1×23+1×22+0×21+1×20=13
二进制是计算机内部采用的主要数制,这主要是基于两个原因:
一是物理上容易实现,计算机由电子元器件组合而成,元器件的两个相反的物理状态(如电位的高低、开关的通断等)正好用二进制表示;二是二进制的运算规则比其它数制简单:
加法:
0+0=01+0=10+1=11+1=10
乘法:
0×0=01×0=00×1=01×1=1
从而使得计算机的结构得以简化。
但是,用二进制表示比用十进制表示所用位数要多,这又是二进制数的缺点。
⑶八进制数——有0,1,2,……,7共八个数码,低位向高位进位是“逢八进一”,基数为8。
任何一个八进制整数可以用一个多项式展开。
1101=1×83+1×82+0×81+1×80=577
⑷十六进制数——有0,1,2,……,9,A,B,C,D,E,F共16个数码,低位向高位进位是“逢十六进一”,基数为16。
任何一个十六进制整数可以用一个多项式展开。
3A4F=3×163+10×162+4×161+15×160
这里为什么从10开始用字母表示呢?
原因是键盘上只有0,1,……,9这10个数码,超过9以后就用A,B,……F表示了。
这里我们介绍了四种数制,难道计算机都要与这四种数制打交道?
这确实是要回答的问题。
由于人们日常使用的都是十进制数,而计算机处理的却是二进制数,输入时就涉及到一个“十换二”的问题,输出时,又要把二进制数通过“二换十”转换成十进制数,人们才看得懂。
由于使用二进制表示数时位数较多,不便阅读、识别和记忆,因此有时将二进制数表示为八进制或十六进制数。
P8表1.1列出了几种常用进制数在16以内的数值对照,请参阅。
几种常用进位制数制对照表
十进制
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
二进制
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
八进制
0
1
2
3
4
5
6
7
10
11
12
13
14
15
16
17
十六进制
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
*2.数制间的转换
(1)各种进制数转换为十进制数
方法:
按多项式展开并计算结果。
例:
将二进制数1101.01转为十进制数
(1101.01)2=1*23+1*22+0*21+1*20+0*2-1+1*2-2=8+4+1+0.25=(13.25)10
其它进制数转换为十进制的方法类拟,如:
(635)8=6×82+3×81+5×80=(413)10
(9BF)16=9×162+11×161+15×160=(2495)10
(2)十进数转换为其它(用X表示)各种进制数
方法:
逐次相除取余数,结果为由后至前排列的余数。
例子见P8。
①十进制数转换成二进制数——逐次除以2取余数,余数按逆序排列。
余数
283
241…………………1
220…………………1
210…………………0
25…………………0
22…………………1
21…………………0
0…………………1余数逆序排列
所以,(83)10=(1010011)2
②十进制数转换成八进制数——逐次除以8取余数,余数按逆序排列。
余数
8125
815…………………5
81…………………7
0…………………1余数逆序排列
所以,(125)10=(175)8
③十进制数转换成十六进制数——逐次除以16取余数,余数按逆序排列。
余数
16397
1624…………………D
161…………………8
0…………………1余数逆序排列
所以,(397)10=(18D)16
十进制小数转换成二进制、八进制、十六进制方法:
以十进制小数转换成二进制为例:
逐次乘以2取整数,整数按顺序排列。
而十进制小数转换成八进制、十六进制方法是类似。
本书不作为要求。
(3)二进制与八进制数的相互转换
二-->八:
采用三位并一法,即以小数点为基准,向左右方向每三位并为一组用一个八进制数表示,不足三位用0补齐(整数部分0补前,小数部分0补后)。
例:
(1001011110.11101)2=(1136.72)8
八-->二:
采用一分为三法,将八进制数的每位数用三位的二进制数表示。
例:
(7642.15)8=(111110100010.001101)2
(4)二进制与十六进制数的相互转换
二-->十六:
采用一分为四法,即以小数点为基准,向左右方向每四位并为一组用一个十六进制数表示,不足四位用0补齐(整数部分0补前,小数部分0补后)。
十六-->二:
采用四位并一法,将十六进制数的每位数用四位的二进制数表示。
例子见P11。
1.2.2ASCⅡ码
我们知道计算机所能处理的是0、1代码串形式的二进制信息,那么各种信息依据什么方法和规则表示成0、1代码串就呢?
这就是关于计算机的编码问题。
这里仅讨论数值型数据和字符型数据的编码和运算法则。
编码:
将各种信息(如数值、字符、文字、图形、图像、声音等)表示为用0和1组成的二进制代码串的方法和规则。
数值型数据(如十进制数)可直接转为二进制代码而不必编码。
非数值型数据(如键盘中的英文字母、标点符号、特殊符号、作为符号使用的数字和控制符等),统称为“字符”,必须经过编码才可转为二进制代码,编码方法采用ASCII码。
ASCⅡ码:
是一种将字符(包括英文字母、数字、标点符号、运算符号、通用符号、控制符号等共128个)转为二进制代码的编码标准,用7位二进制代码表示,其全称为美国信息交换标准代码。
为什么采用七个二进制位呢?
因为标准键盘有10个数字码、52个英文字母、32个通用符号和34个动作控制符共128个字符。
而27=128,因此七个二进制位的不同组合,恰好可以表示128个字符。
七个二进制位不够一个字节,为了整齐不跨字节,就在高位补0,即一个ASCII码字符在计算机中用一个字节表示,也就是说,ASCII的编码是使用7位二进制代码,而组成则是使用8位二进制代码(即一个字节)。
各种字符与其对应的ASCⅡ码(二进制数表示)对照表见P311附录1。
其中部分字符的ASCⅡ码值范围为:
0000000(0)10~0011111(31)1032个控制字符,含义见P311。
0110000(48)10~0111001(57)1010个十进制数字(0~9)。
1000001(65)10~1011010(90)1026个大写英文字母(A~Z)。
1100001(97)10~1111010(122)1026个小写英文字母(a~z)。
其余编码为运算符、标点符、专用符号对应的代码,但不连续。
计算机对于非数值数据的排序,是根据字符的ASCII码值的大小来进行,按照ASCII码的编码规律,各种常用字符的排列(从小到大)依次为:
空格等特殊符号-->标点及运算符号(部分)-->数字字符-->标点及运算符号(部分)-->大写字母-->小写字母
1.2.3汉字编码
字符的编码标准为ASCⅡ码,采用七位二进制代码进行编码。
由于汉字的数量非常大,所以我国的汉字编码标准采用国标码,其全称为《信息交换用汉字编码字符集》,代号为GB2312-80,总共包括字符和汉字7445个:
其中汉字6763个(一级汉字3755个,以汉语拼音为序;二级汉字3008个,以部首笔画为序),常用字符682个。
1.国标码
(1)含义:
是用0、1代码串表示汉字,在汉字系统和通信系统之间交换信息用的汉字编码标准,又称交换码,用两字节双七位二进制码表示,为读写方便,通常表示为十六进制数,如:
汉字第1字节第2字节十六进制数
啊011000001000013021(H)
(2)构成:
将GB2312-80字符集中的所有字符和汉字划分为94行*94列的矩阵,每行和每列均用七位二进制数编号,行号(作为第1节)和列号(作为第2节)合并即构成一个汉字的国标码,见P12图1.2。
2.区位码
(1)区位码的含义和表示方法
是国标码的另一种表示形式,其表示方法为将GB2312-80字符集划分为94区,每区94位,区位号均用十进制数表示,区号和位号合并即构成一个汉字或字符对应的区位码。
如:
汉字“啊”的区位码为1601。
常用字符及一级汉字的区位码见P309附录2,其中1-8区为常用字符,16-54区为一级汉字。
(2)区位码转为国标码的方法
将区位码的区号和位号分别由原来的十进制数转为十六进制数,再加2020H。
如:
“并”字的区位码为1802,转为十六进制数为1202H,加2020H,得到国标码为3222H。
又如:
“船”2012(区位码)140CH加2020H342CH(国标码)
(3)使用区位码输入汉字具有唯一性,即一个编码仅对应一个汉字。
但由于难以记忆众多的编码,因此一般很少使用。
3.机内码
(1)机内码的含义和表示方法
是机内实际用以表示汉字的代码,视不同计算机系统而不同,微机是采用两字节双八位二进制代码表示,并以国标码为依据经一定转换得到。
(2)国标码转为机内码的方法
将十六进制数表示的国标码加8080H,使机内码每个字节的最高位为1,以构成八位二进制代码,与七位的国标码相区别。
如:
“大”2083(区位码)1453H(区位码)加2020H3473H(国标码)加8080HB4F3H(机内码)
1.3计算机的基本运算
计算机中的计算分两大类:
1、数值计算,如函数计算、方程求解、微积分、概率统计等,通过四则运算实现;
2、非数值计算,如比较、排序、查找、逻辑推理等,通过比较和逻辑运算实现。
1.3.1四则运算
四则运算即加、减、乘、除四种运算,其中最基本的运算是加法运算,其它几种运算均可转换为加法予以实现。
二进制数的四则运算结果也是用0和1表示的二进制数,详见P11-12。
1.3.2比较运算
比较运算符:
>、<、=、>=、<=、<>
操作数:
可以是数值、字符、汉字、日期型的数据
比较运算结果:
是一种逻辑值(即真或假),若比较成立,用逻辑值“真(True)”或“1”表示;若比较不成立,用逻辑值“假(False)”或“0”表示。
比较运算规则:
数值的大小由其值的大小决定;
字符和汉字的大小由其对应的ASCII码值的大小决定;
日期的大小由其日期值的大小决定,即昨天小于今天,过去小于现在。
例:
5>3比较成立,结果为逻辑值“真”
#>!
比较成立,结果为逻辑值“真”A>a比较不成立,结果为逻辑值“假”
2004/9/10<2004/9/20比较成立,结果为逻辑值“真”
1.3.3基本逻辑运算(P11-13)
基本逻辑运算有三种:
与、或、非
逻辑运算符:
与—AND、或—OR、非--NOT
操作数:
逻辑型数据,用“1”或“0”表示
逻辑运算结果:
用“真”或“假”表示的逻辑值
逻辑运算规则:
与运算(AND)—参与操作的操作数均为1,结果才为1
或运算(OR)—参与操作的操作数有一个为1,结果就为1
非运算(NOT)—结果为操作数的相反数
与运算和或运算是二元运算,即参与操作的数据是两个,而非运算是一元运算,参与操作的数据只有一个。
逻辑运算规则详解见P13表1.2。
1.4计算机的系统组成
计算机系统由硬件和软件系统两部分组成,光有硬件系统而没有软件系统,它就像一尊木偶,什么也不会做;如果只有软件而没有硬件,软件也就没有运行的条件,无法发挥作用。
因此说,硬件系统是计算机的躯体,而软件系统则是计算机的灵魂。
1.4.1计算机的硬件系统
硬件:
构成计算机系统的所有实体部件,是软件存放和执行的物理空间,由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成,具体内容及其层次关系为:
---运算器
---中央处理器
---主机-----控制器
---随机存储器RAM
----内存储器
计算机硬件----只读存储器ROM
----输入设备:
键盘、电传打字机、扫描仪、光笔
---外部设备------输出设备:
显示器、打印机、绘图仪
----外存储器:
软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带机
硬件系统的构成及各部件的连接见P16图1.3。
硬件系统各部件及其层次关系见P17图1.4。
各个部件及其作用简述如下:
1.主机
(1)中央处理器(CPU)
由运算器和控制器组成,用于进行算术和逻辑运算,发布控制命令,协调全机工作。
(2)内存储器
用于存储计算机在工作状态下要处理的程序和数据,它是计算机的数据交换中心,CPU仅与内存交换数据,存放在外部存储器(如磁盘、光盘)中的信息都必须调入内存才能被CPU处理。
根据内存储器所存储的信息不同而将其分为随机存储器和只读存储器两类。
1)随机存储器(RAM)
用于存储用户的程序和数据,可读可写,断电则丢失所有信息,具有易失性。
通常说的“内存”或“主存”一般是指随机存储器。
所有的程序必须调入RAM后才能运行。
2)只读存储器(ROM)
用于存储计算机工作必用的程序,如监控程序、编辑程序等,只可读不可写,断电不会丢失所有信息,具有非易失性。
2.外部设备
(1)输入设备
用于将各类信息转换成二进制代码输入到计算机存储器的设备。
其种类很多,常用的有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、光笔、触摸屏、电传打字机、驱动器等。
(2)输出设备
用于把计算机处理过的信息由机器内部码(数字代码)转换成人们熟悉的形式输出的设备。
例如将处理过的信息以十进制数据、字符、图形、图表或图像的形式打印出来,常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音箱、驱动器等。
注意:
驱动器既是输入设备,也是输出设备。
(3)外存储器
用于存储大量的暂时不用的数据和程序,常用的外存有软盘、硬盘、光盘等。
有关存储器的一些概念:
1)存储单元:
指存储器存储信息的基本单位,一个存储单元可存储一个字节的信息(一个8位二进制数或一个ASCⅡ字符)。
2)存储地址:
对每个存储单元的一个编号。
3)存储容量:
所有存储单元的总存储数量,通常用字节(B)或千字节(KB)或兆字节(MB)或千兆字节(GB)表示。
一般内存容量为几十MB~几百MB、软盘容量为1.44MB、硬盘容量为几十GB~几百GB或更大、光盘容量为几百MB~几GB。
4)存储器的基本单位是字节,通常有如下几种衡量指标:
1字节=8个二进制位。
(位是计算机表示信息的最小单位,而字节是计算机存储信息的最小单位。
)
1千字节=1024B,简称1KB。
1兆字节=1024KB,简称1MB。
1千兆字节=1024MB,简称1GB。
(1GB=1024*1024*1024=1.0737*109B)
1.4.2PC的硬件组成
PC:
即个人计算机,是微型计算机中的一种,其系列产品有IBMPC、IBMPC/XT、IBMPC/AT、PC/286/386/486、PC/PII/PIII/P4及其兼容机等。
组成:
由主机(CPU、内存)和外设(外存、输入和输出设备)构成。
外观:
见P18图1.5。
一、主机与主机箱
主机是一块上面布有很多连接线路和器件的电路板,称为主板或系统板,其中的主要器件有CPU和内存。
主机箱是一个装有主板、接口卡、电源及磁盘驱动器(包括软、硬、光盘)的箱体。
(1)主板
外观见P18图1.6。
主板上安插有CPU、内存、扩充插座及附属电路(含总线、寄存器、控制线路等)。
总线是CPU内部各单元之间数据传送、CPU与外部交换信息的通道。
寄存器是临时存放数据或指令的存储单元。
控制线路是传输控制信号的通道。
①CPU
CPU的作用:
进行运算,控制协调全机工作。
外观:
P16图1.6
CPU的两个重要指标:
1)字长:
反映CPU同时处理的数据长度,即精度。
2)主频(时钟频率):
反映机子的工作速度。
CPU是PC机最核心的部件,它决定了PC机的速度和性能。
不同级别的CPU达到的指标为:
PⅡ:
字长32位、外部数据总线64位、主频600M以上
PⅢ:
字长32位、外部数据总线64位、主频800M以上
PIV:
字长32位、外部数据总线64位、主频1.5G以上
②关于内存
作用:
前已述。
外观:
P19图1.7
分类:
1)随机存储器RAM:
是PC的主存,用于存放用户的数据和程序,容量随PC的不同档次而不同,一般有32M、64M、128M、256M及以上。
2)只读存储器ROM:
用于存放计算机工作必须使用的程序,如引导程序、开机自检程序、监控程序等,容量在40—128K之间。
3)高速缓存Cache:
奔腾级以上的PC才配置,主要用于解决CPU与内存速度不同步问题,是一种存储速度快但价格也高的随机存储器,安插在CPU与内存之间,配有Cache的CPU,其速度将提高30%左右。
③总线:
是CPU内部各单元之间数据传送、CPU与其他部件之间传送信息的公共通道,根据传送的信息不同,分为数据、地址和控制总线三种:
数据总线(DB):
用于CPU与内存、CPU与I/O接口之间传送数据,其宽度等于计算机的字长。
地址总线(AB):
用于CPU访问内存或外设时,传送相关地址,其宽度决定CPU的寻址能力。
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