计算机与信息处理电子讲稿.docx
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计算机与信息处理电子讲稿
计算机与信息处理
▪信息定义
▪信息是指事物运动的状态及状态变化的方式,是认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用
——认识主体立场
信息技术(InformationTechnology)
▪信息技术:
用来扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。
▪人的信息器官及功能:
•感觉器官(眼耳鼻舌身)——获取信息
•神经网络——传递信息
•思维器官(大脑)——处理信息并再生信息
•效应器官(手脚)——施用信息
基本信息技术
▪感知与识别技术——扩展感觉器官功能,提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度
▪通信技术与存储技术——扩展神经网络功能,消除人们交流信息的空间和时间障碍
▪计算处理技术——扩展思维器官功能,增强人们的信息加工处理能力
▪控制与显示技术——扩展效应器官功能,增强人们的信息控制能力
▪现代信息技术中的三大领域:
•微电子技术
•通信技术
•数字技术(计算机技术)
▪当代电子信息技术的基础有两项:
微电子与光纤技术和数字技术
▪现代信息技术的主要特征:
以数字技术为基础,以计算机为核心。
微电子技术简介
▪微电子技术:
以集成电路为核心的电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。
▪微电子技术是信息技术领域中的关键技术,是发展电子信息产业和各项高技术的基础。
电子线路使用的基础元件的演变
▪真空电子管(第一代)
在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机
▪晶体管(第二代)
1948年发明,再加上印制电路组装技术的使用,使电子电路在小型化方面前进了一大步,产生了第二代计算机
▪集成电路(IntegratedCircuit,简称IC)
20世纪50年代出现,以半导体单晶片作为材料,经平面工艺加工制造,将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上,构成一个微型化的电路或系统。
(中小规模集成电路,第三代;超大规模集成电路,第四代)
现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si),也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等
集成电路的分类
▪按晶体管数目分为:
•小规模(SSI):
小于100个电子元件
•中规模(MSI):
100~3000
•大规模(LSI):
3000~10万
•超大规模(VLSI):
10万~100万
•极大规模(ULSI):
大于100万
▪按结构、工艺分为:
•双极型(bipolar)
•金属-氧化物-半导体(MOS)型
•双极-MOS型(bi-MOS)
▪按功能分为:
•数字集成电路
•模拟集成电路
▪按用途分为:
•通用集成电路
•专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)
微处理器和存储器芯片都属于通用集成电路。
集成电路的发展趋势
▪集成电路特点:
体积小、重量轻、可靠性高
▪集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸,晶体管的尺寸越小,其极限工作频率越高,门电路的开关速度就越快。
芯片上电路元件的线条越细,相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多,功能就越强,速度也越快。
Moore定律:
单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻一番(Intel公司创始人GordonE.Moore,1965年)
集成度是有极限的,因此,Moore定律不可能永远成立。
接收信息的一端
通信技术基础
通信三要素:
信源(信息的发送者)
信宿(信息的接收者)
信道(信息的载体与传播媒介)
调制与解调
调制(Modulation):
将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形。
(将数字信号转换成模拟信号)
解调(Demodulation):
将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基带数字信号波形。
(将模拟信号转换成数字信号)
基本调制方法:
调幅(幅移键控法ASK),调频(频移键控法FSK),调相(相移键控法PSK)
多路复用
为了提高线路利用率,总是设法在一条传输线路上,传输多个模拟信号(例如,语音信息)或数字信号,这就是多路复用。
多路复用技术通常有:
频分复用,时分复用,波分复用
频分多路复用:
将传输线路的频带分成N部分,每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。
这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送,而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。
频分制通信又称载波通信,它是模拟通信的主要手段。
时分多路复用:
把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。
把N个话路设备接到一条公共的通道上,按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。
当轮到某个设备时,这个设备与通道接通,执行操作。
与此同时,其它设备与通道的联系均被切断。
待指定的使用时间间隔一到,则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。
时分制通信也称时间分割通信,它是数字电话多路通信的主要方法,因而PCM通信常称为时分多路通信。
波分多路复用:
在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波,使得数据传输速度和容量获得倍增。
有线通信系统
有线载波通信:
采用的传输介质:
对称电缆,同轴电缆
光纤通信
利用光纤传导光信号进行通信的一种技术。
光线
包层
发端:
实现信号的电-光转换;每隔一定距离接入光中继器;收端:
实现信号的光-电转换。
光纤通信可靠性好,保密性强。
波分复用技术可以提高传输速度和容量。
全光网(AON)不进行光-电、电-光转换,速度提高,成本降低,它是信息高速公路的基础。
优点:
传输频带非常宽,通信容量大(速度最快);抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强;无串音干扰,保密性强,不易被窃听或截取数据;传输损耗小,通讯距离长
缺点:
精确连接两根光纤比较困难
无线通信系统
微波通信
微波是一种具有极高频率的电磁波(介于无线电波与光波之间,频率300MHz~300GHz,波长1m~1mm)。
微波不能沿地面绕射传播(中波),也不能经电离层反射传播(短波)。
远距离微波通信方式:
地面微波接力通信、卫星通信、对流层散射通信
H
微波通信容量大、建设费用省、抗灾能力强。
卫星通信
卫星轨道有两种:
中、低轨道卫星:
相对于地面是运动的,覆盖范围小,地面天线必须跟踪卫星。
但损耗小、延时少。
36000公里
地面站2
同步定点卫星:
位于赤道上空大约36,000公里,相对于地面固定不动,覆盖范围大,三颗卫星几乎可以覆盖地球全部面积。
卫星通信的特点:
通信距离远,频带宽,容量大,干扰小,较稳定。
但造价高、技术复杂,有一定延时。
移动通信系统
移动通信是指处于移动状态的对象之间的通信,它包括蜂窝移动、集群调度、无绳电话、寻呼系统和卫星系统。
第一代移动通信采用模拟技术。
第二代移动通信广泛采用数字技术(GSM,CDMA)。
第三代移动通信实现目标:
全球漫游;适应多种环境;提供高质量多媒体业务;提供大容量、高保密性和优质服务
移动通信系统组成:
移动台:
是移动的通信终端,是接收无线信号的接收机,包括手机,呼机,无绳电话等。
基站:
是与移动台联系的一个固定收发机,它接收移动台的无线信号,每个基站负责与一个特定区域(10km~20km的区域)的所有的移动台进行通信。
移动交换中心:
与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息,移动交换中心再与公共电话网进行连接。
每个基站的有效区域既相互分割,又彼此有所交叠,整个移动通信网就像是蜂窝,所以也称为“蜂窝式移动通信”。
数字技术基础
二进制基础
位(bit,比特):
表示信息的最小单位
字节(Byte):
最常用的信息基本单位。
二进制信息的存储计量
字节(B)(Byte)1B=8bit
千字节(KB)(千,KiloByte)字节1KB=1024Byte=210Byte
兆字节(MB)(兆,MegaByte)字节1MB=1024KB=220Byte
千兆字节(GB)(京,GigaByte)字节1GB=1024MB=230Byte
兆兆字节(TB)(垓,TeraByte)字节1TB=1024GB=240Byte
二进制数(Binary)
数字符号:
0、1
进位方法:
逢二进一
算术减法借位:
借一当二
计算机中采用二进制表示信息,三点原因:
(1)实现方便、电路简单可靠
(2)二进制运算规则简单
(3)可进行逻辑运算
逻辑运算基础
二进制有两个逻辑值:
1(逻辑真),0(逻辑假)
三种基本的逻辑运算:
(1)与(逻辑乘,∧)运算:
当A和B均为真时,结果为真,否则结果为假
(2)或(逻辑加,∨)运算:
当A和B均为假时,结果为假,否则结果为真
(3)非(取反,¯)运算:
将A的值取反
按位逻辑运算
例:
已知A=10110101,B=01100010,求A∧B
10110101
∧)01100010
00100000
所以A∧B=00100000
八进制数(Octal)
为方便二进制数的读写和记忆而引入,并不在计算机中实际使用。
二进制转化为8进制:
以小数点为基点,整数部分向左、小数部分向右分组,把二进制数分成三位一组,不足三位,补0,凑齐三位。
然后分别转化。
特点:
逢八进一
十六进制数(Hexidecimal)
为方便二进制数的读写和记忆而引入,并不在计算机中实际使用。
二进制转化为16进制:
以小数点为基点,整数部分向左、小数部分向右分组,把二进制数分成四位一组,不足四位,补0,凑齐四位。
然后分别转化。
特点:
逢十六进一
常用数制(各种进制对应关系)
进制运算规律的总结:
逢R进一,借一当R。
R可以是2,8,10,16进制。
R进制→十进制转化规律:
乘权求和。
十进制→2进制转化规律:
小数部分乘2取整,整数部分除2取余。
十进制→R进制转化规律:
整数部分除R取余,小数部分乘R取整。
整数部分和小数部分分别转换,再合成一个数
原码、反码、补码(假定8位)
(1)原码
[X]原=0XX≥0+7:
00000111+0:
00000000
1|X|X≤0-7:
10000111-0:
10000000
原码范围:
-127~+127
(2)反码
[X]反=0XX≥0+7:
00000111+0:
00000000
1|X|X≤0-7:
11111000-0:
11111111
(3)补码
[X]补=0XX≥0+7:
00000111+0:
00000000
1|X|+1X<0-7:
11111001-0:
00000000
补码范围:
-128~+127
2.计算机组成原理
计算机的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
硬件系统遵循冯诺依曼体系结构,由五部分构成:
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
外存储器接口
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等。
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。
计算机分类
按内部逻辑结构(字长)分为:
16位机、32位机或64位计算机等。
按计算机的性能、用途和价格分为:
巨型计算机(Supercomputer):
采用大规模并行处理的体系结构,CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成,有极强的运算处理能力,速度达到每秒万亿次以上,大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。
大型计算机(Mainframe):
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机,CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。
为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理,作为主服务器(企业级服务器)。
小型计算机(Minicomputer):
为多个用户执行任务,但它没有大型机的高性能,支持的并发用户数目比较少。
小型机的典型应用是帮助中小企业(或大型企业的一个部门)完成信息处理任务,如库存管理、销售管理、文档管理等。
个人计算机(PersonalComputer):
以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。
价格便宜,使用方便,软件丰富,性能不断提高,适合办公或家庭使用。
通常只用来处理一个用户的任务,可独立使用,也可与其他计算机互连。
工作站(Workstation):
具有高速运算能力和强大的图形处理功能,通常运行UNIX操作系统,特别适合于工程与产品设计使用。
SGI,SUN,HP,IBM等公司都有此类产品。
CPU的内部结构
运算器(执行单元):
对数据进行各种算术运算和逻辑运算。
控制器:
取指令,解释指令的含义(指令译码)产生控制其它部件的操作控制信号,记录内部状态。
内存储器
寄存器组:
临时存放参加运算的数据和得到的中间结果,由几十个寄存器组成。
指令和指令系统的基本概念
操作数
指令是对计算机进行程序控制的最小单位。
指令用二进制位表示,规定计算机执行什么操作。
CPU所能执行的所有的指令的集合称为计算机的指令系统或指令组(instructionset)。
指令系统中有数以百计的不同的指令。
指令系统分为两类:
CISC、RISC。
新型号的CPU可以通过增加指令集功能的方法来提高CPU的运算速度。
由于每种类型的CPU都有自己的指令系统,因此,某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行,这个问题称之为计算机指令系统的“兼容性”问题。
同一公司的CPU产品通常“向下兼容”— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。
不同公司生产的CPU各有自己的指令,它们未必互相兼容。
PentiumvsPowerPc
指令执行过程
(1)CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。
(2)指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应该进行何种操作、操作数在哪里。
(3)根据操作数的位置从存储器取得操作数。
(4)运算器按照指令操作码的要求,对操作数完成规定的运算处理,并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。
(5)把运算结果保存到指定的寄存器,需要时把结果从寄存器保存到内存单元。
(6)修改指令计数器,决定下一条指令的地址。
主板(母板)主要部件
CPU插座
主板上安装:
CPU插座、芯片组、第2级高速缓存(有些已做在CPU中)、内存储器插座(SIMM或DIMM)、总线插槽、BIOSROM芯片、CMOS芯片、时钟、电池、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件
芯片组(Chipset)
芯片组集中了主板上几乎所有的控制功能,把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内,是构成主板电路的核心。
一定意义上讲,它决定了主板的级别和档次。
芯片组的组成:
芯片组一般有两片:
存储控制器:
连接CPU总线、存储器总线,AGP图形显示接口
I/O控制器:
连接存储控制器、I/O总线、USB接口、硬盘接口、局域网接口、5.1数字环绕立体声接口、BIOSROM芯片
BIOS(BasicInput/OutputSystem)
基本输入/输出系统,是存放在主板上只读存储器芯片(ROM)中的一组机器语言程序,具有启动计算机工作,诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。
是操作系统的最底层部分的可执行程序代码。
由于BIOS存放在主板上只读存储器芯片(ROM)中,一般称该芯片为BIOS芯片。
BIOS包含4部分的程序,一般情况下是不能被修改的
(1)POST(PowerOnSelfTest,加电自检)程序(检测计算机故障)
(2)系统自举(装入)程序(启动计算机)
(3)CMOS设置程序
(4)基本外围设备的驱动程序(实现常用外部设备输入输出操作的控制程序)
CMOS芯片(互补金属氧化物半导体存储器)
存放用户对计算机硬件所设置的一些参数(称为“配置信息”),包括当前的日期和时间等。
CMOS是一种半导体存储器芯片,使用电池供电,是非易失性存储器,只要电池供电正常,即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。
CMOS设置
在启动过程中,若按下Del键(或其他键),进入CMOS设置程序,允许用户修改系统硬件的部分配置信息。
一般来说,在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置:
(1)PC机组装好之后第一次加电
(2)系统增加、减少或更换硬件或I/O设备
(3)CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改
(4)用户希望更改或设置系统的口令
(5)系统因某种需要而调整某些设置参数
计算机存储器体系结构
外存储器
半导体存储器芯片的类别
(BIOS存储器)
高速缓冲存储器Cache
Cache是使用SRAM芯片组成的一种高速缓冲存储器,简称缓存。
由于CPU运算速度很高,而内存的运算速度相对较慢,于是在CPU与内存之间增加一个硬件设备Cache,缓解速度不匹配的矛盾。
主存储器
DRAM
CPU直接访问Cache,进行频繁读写,而只有当访问不到所需数据时,才去访问内存。
(访问局部性原理)
Cache分为一级缓存和二级缓存,应用的早期一级缓存被设计在CPU内部,二级缓存被设计在主板上,随着集成电路制造工艺的改进,现在一级缓存和二级缓存都被设计在CPU内部。
二级缓存的容量要大于一级缓存的容量。
一级缓存(L1Cache)(容量:
几KB~几十KB)
二级缓存(L2Cache)(容量:
128KB~1MB)
主存储器
一般使用DRAM芯片组成,速度大约比CPU慢10倍。
存储容量
含义:
指存储器所包含的存储单元的总数
单位:
MB(1MB=220字节)或GB(1GB=230字节)
每个存储单元(一个字节)都有一个地址,CPU按地址对存储器进行访问
存取时间
含义:
在存储器地址被选定后,存储器读出数据并送到CPU(或者是把CPU数据写入存储器)所需要的时间
单位:
ns(1ns=10-9秒)
内存带宽
最高读写速率(带宽)=数据通路宽度×有效时钟频率
常见内存条规格
单列直插式内存条(SingleIn-lineMemoryModules,SIMM):
72线,数据线宽度32位
双列直插式内存条(DoubleIn-lineMemoryModules,DIMM):
SDRAM,168线,数据线宽度64位
DDRSDRAM,184线,数据线宽度64位
Rambus内存条(RambusIn-lineMemoryModules,RIMM):
184线,不能与DDRSDRAM互相替换
I/O操作
将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域,或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备
I/O操作特点:
(1)多数I/O设备在操作过程中包含机械动作,其工作速度比CPU慢得多。
为了提高系统的效率,I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的。
(2)多个I/O设备必须能同时进行工作
I/O操作过程
(注:
图中的2个主存储器实际上是同一个)
I/O操作过程中的若干控制部件:
CPU——负责I/O操作的启动
I/O控制器——负责在I/O操作期间对I/O设备进行全程控制
DMA(DirectMemoryAccess直接存储器存取)控制——负责数据传输的控制
程序中断——负责向CPU报告I/O操作完成的情况,实现CPU处理与I/O操作之间的同步与通信
I/O操作是由许多部件协同完成的
I/O总线
总线(bus):
计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线。
系统总线:
包括CPU内部总线、存储器总线和I/O总线。
是使用Pentium系列CPU的PC机所采用的多总线结构。
存储器总线和I/O总线互相独立。
I/O总线(主板总线):
是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线,物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡(I/O控制器)直接连接。
I/O总线上的信号类别:
数据信号、地址信号、控制信号
I/O总线上线路类别:
数据线、地址线、控制线
总线控制器:
位于主板的芯片组中,协调与管理I/O总线操作
I/O总线的标准
总线名称
推出时间
工作频率(MHz)
传输率(MB/S)
数据宽度(位)
带外设能力
特点
ISA
1985
8
8
16
8
CPU与总线时钟分离,用于IBM-AT机主板,将被淘汰
PCI
1993
33
133
32/64
10
PCI总线独立于CPU,支持Intel80×86及PowerPC,为新一代标准
I/O总线的带宽(总线的数据传输速率)
单位时间内总线上可传送的数据量(字节数)
计算公式:
总线带宽(MB/s)=(数据线宽度/8)×总线工作频率(MHz)
I/O接口(I/Oport)
计算机中用于连接输入/输出设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性。
I/O接口分类
从数据传输方式来分:
串行接口(一次只传输1位):
COM1,COM2
并行接口(8位或者16位、32位一起进行传输):
LTP1
从是否能连接多个设备来分:
总线式(可连接多个设备,被多个设备共享,例如,USB接口)
独占式(只能连接1个设备)
从是否符合标准来分:
标准接口(通用接口,例如USB)
专用接口(专用接口例如VIDEO视频口)
USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)接口
特点:
(1)高速、可连接多个设备、串行传输
(2)使用4线连接器,体积小,符合即插即用规范(Plug&Play,即PnP)
(3)使用“USB集线器”扩展机器的USB接口,最多连接127个设备
(4)可通过USB接口由主机向外设提供电源(+5V,100~500mA)
(5)支持热拔插
USB的两个版本:
1.1版,2.0版
传输速率:
USB1.1版:
1.5Mb/s和12Mb/s
USB2.0版:
480Mb/s(60MB/s)
IEEE-1394(i.Link或FireWire)接口
主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。
数据传输速度特别快(高达400MB/s),连接器共有6线,采用级联方式连接外部设备,在一个接口上最多可以连接63个设备,设备间以菊花链方式进行转接。
速度高于USB接口。
常用输入设备
键盘
作用:
可以将字符或命令等输入到计算机中。
工作原理:
当用户按下一个按键时,键盘内的控制电路根据该键的位置就把该字符信号转换为二进制码(键扫描码),通过电缆送给主机。
键的个数:
104键盘(台式PC机普遍采用),108键盘。
与主机的接口:
PS/2接口,USB接口,无线接口(用于无线键盘)
鼠标器
作用:
一种指示设备(pointingdevice),能方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处,并通过按钮完成各种操作或发出命令。
组成:
左键、右键、滚轮等
机械式鼠标工作原理:
当鼠标器在桌面上移动时,小球与桌面摩擦转动,带动鼠标器内两个光盘转动,产生脉冲,测出X-Y方向的相对位移量,从而反映出屏幕上鼠标的位置。
(机械式鼠标价格便宜,但故障率较高,要经常清洗)
分
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