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1,第1章 计算机与社会信息化 教学目的和要求: 本章介绍计算机基础知识,主要内容有计算机的发展和应用领域、计算机硬件系统和软件系统的组成及各主要部件的功能、计算机编码和数制。 通过学习,了解计算机的发展和应用领域;了解计算机硬件系统的基本配置、主要性能指标、硬件和软件系统的组成;理解和掌握数制转换和数据编码的概念和方法。,2,第1章 计算机与社会信息化,1.1 计算机发展简介 1.2 信息技术概述 1.3 计算机系统组成 1.4 计算机硬件组成 1.5 计算机软件分类 1.6 计算机工作原理及主要技术指标 1.7 数制及其运算 1.8 文字信息编码形式,3,1.1.1 计算机的发展历程 英国数学家乔治布尔(George Boole,1815-1864)创立逻辑代数,奠定电子计算机的数学理论基础; 英国科学家图灵(Alan Turing, 1912-1954)首次提出逻辑机模型 图灵机。 建立算法理论和提出图灵测试即智能机器; 第一台电子数值积分计算机(1946)ENIAC,4,5,6,7,美籍匈牙利数学家冯诺依曼(John Von Neumann, 1903-1957)提出EDVAC计算机方案。,8,三个基本原则: 计算机基本结构:计算机硬件应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本功能。 采用二进制数:二进制数便于硬件实现,又有简单的运算规则。 存储程序控制:存储程序实现自动计算。 这3个基本原则确定了冯诺依曼型计算机基本结构,9,计算机经历了四代发展历程 : 第一代(1946年1958年)为电子管计算机; 第二代(1958年1964年)为晶体管计算机; 第三代(1964年1970年)为中小规模集成电路 计算机; 第四代(1971年 ) 为大规模、超大规模 集成电路计算机。 以元件作为划分标准。,10,11,12,13,1.1.2 计算机分类 按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多项性能指标划分: 1. 高性能计算机 指目前运算速度最快、处理能力最强的计算机。 2. 微型计算机 个人计算机(PCPersonal Computer)。 3. 工作站 介于微计算机与小型计算机之间的高档微机系统,14,4. 服务器 高性能计算机,用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等 5. 嵌入式计算机 计算机作为一个信息处理部件,嵌入到其他设备中,使其成为智能化和自动化程度更高的设备,15,1.1.3 计算机的主要应用领域 1. 科学计算(Scientific Computing) 2. 数据处理(Data Processing) 3. 过程控制(Procedure Control) 4. 计算机辅助系统(Computer-Aided System) 5. 人工智能(Artificial Intelligence) 6. 信息高速公路(Information Super-Highway) 7. 多媒体技术(Multimedia),16,线框图,实体图,应用举例:计算机辅助设计与制造(CAD/CAM),17,应用举例:生物仿真模拟,18,应用举例:室外建筑效果图,19,应用举例:医学里的应用,用AVS对焦点区域的图象进行分析处理,20,应用举例:油气工业,21,应用举例:天气预报,Bosnia上空九小时天气预报图,FSL用AVS实现的天气图,LAPS用AVS实现的三维局地气象预报实时图,22,1.1.4 计算机发展的趋势,1.人工智能进一步发展 自动装置使用微电脑内核,带有“眼睛” 摄像机,用以完成特定工作。 2.计算机与通信相结合 计算机应用进入网络时代信息技术。计算机与通信网络相互协调、相互补充,融于一体。 3.未来新型计算机 将由磁、光或DNA来制造,即所谓磁计算机、光子计算机、生物计算机和量子计算机。,1.2 信息技术概述 信息技术以计算机技术、通信技术、控制技术为核心,1.2.1 信息与数据 数据是信息的载体和表示形式 信息是数据表达的内涵或解释,1. 信息 客观存在的事物及其运动状态的表征 2. 信息的基本特征 普遍性 寄载性 共享性 时效性 可识别性 可加工性 3. 数据 数据是信息的载体。 4. 信息数字化 将现实世界中的信息转换为计算机能识别、存储和处理的形式,24,1.2.2 现代信息技术 信息技术是利用信息科学的原理和方法,研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术。,1.2.3 信息技术的发展趋势 多学科结合 智能化 多媒体化 高速度、网络化,1.2.4 信息化社会 信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。 信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。,25,1.3,计算机系统组成,26,1.4 计算机硬件组成,冯 诺依曼计算机结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,执行指令,协调控制,存储程序、 数据、结果,输入程序、 数据,输出结果,27,计算机系统的硬件逻辑组成,冯.诺依曼思想: 程序与数据一 样存放在内存,存储器,数据流,控制流,运算器,外存储器,输 出 设 备,内存储器,输 入 设 备,控制器,中央处理器,28,1.4.1 中央处理器 (CPU为控制器和运算器的总称) 1. 运算器 计算机用来进行算术、逻辑运算的部件: 算术逻辑运算单元ALU 执行算数和逻辑运算的装置,核心是加法器 内部总线 运算器和控制器之间的公共信息通道 寄存器组 暂存操作数和中间结果 有:累加、暂存、标志、通用 等,29,1.4.1 中央处理器 (CPU为控制器和运算器的总称) 2. 控制器 控制、协调计算机各部件自动连续地执行指令, 控制整个计算机有条不紊地工作。 主要功能有: 取指令 自动形成指令地址 分析指令 分解成微操作 执行指令 执行微操作命令 改变指令执行顺序 根据判断结果 输入/输出控制 主机与入/出设备间 中断处理 非预期服务,30,控制器由以下部件组成: 程序计数器(PC) 下条指令地址 指令寄存器(IP) 暂存 指令译码器(ID) 分析指令, 分解成微操作 时序控制电路 发出命令 微操作控制电路 实际执行命令,31,1.4.2 存储器 用于存储程序和数据的部件。 两种基本操作: 读操作 写操作,存储容量: 是存储器的重要性能指标。 存储容量单位: bit (位); Byte (字节); KB(千字节) MB(兆字节); GB(千兆字节); 它们之间的换算关系为: 1字节(Byte)8个二进制位(bits) 1KB210 B1024 B 1MB220 B1024 KB 1GB230 B1024 MB,33,位,字,字长,位、字节、字及字长,字节(8位),数 据 存 储 的 组 织 形 式,34, 主存储器(内存)分类: 随机存储器(RAM) SRAM静态 用于Cache DRAM动态 用于内存条 用于CMOS 只读存储器(ROM) BIOS PROM 只能写1次 EPROM可多次擦写,35,2辅助(外)存储设备 外部长久存储区域。常用辅助存储器有: 磁盘存储器硬盘、软盘; 光盘; U盘; 磁带 磁鼓,36,硬磁盘,磁盘信息存储格式 记录面 = 磁头数 磁道:4096 柱面:所有记录面上同一编号的磁道 扇区:每个扇区容量为512字节,磁盘工作原理,37,38,硬盘的存储容量 =磁头数柱面数扇区数扇区容量 例: 若已知磁头数为16,柱面数为4096,扇区数为63,扇区容量512字节,则: 硬盘容量=164096635122.1GB,39,1.4.3 输入输出设备 输入输出(I/O)系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。,输入设备 向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备。 键盘、鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、数字化扫描仪、图像摄像仪、光学字符阅读器、声音识别器等都是输入设备。,2. 输出设备 将计算机处理后的信息,转换成人们能识别的形式 打印机、显示器 、绘图仪 、音箱等,40,1.5 计算机软件分类 软件:是计算机完成一定任务所需的程序、数据和资料,分为两大类:系统软件和应用软件。,1.5.1 系统软件 包括4类: 操作系统 语言处理系统 数据库系统 服务程序,41,操作系统(OS) 为了合理方便地利用计算机系统而对其资源进行管理的软件。 操作系统管理的资源有4类 : 进程管理 存储管理 设备管理 文件管理,42,2. 语言处理系统 通过计算机语言可以编写程序,控制计算机完成预定任务。 计算机语言分为3大类: 机器语言 汇编语言 高级语言,43,3. 数据库管理系统 管理数据库的软件,主要面向解决数据处理的非数值计算问题。,4. 服务程序 完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。,44,1.5.2 应用软件 针对某一应用目的而开发的软件。 分为二大类: 通用应用软件 专用应用软件 通用应用软件支持最基本的应用,广泛地应用于几乎所有专业领域。,45,计算机系统的层次结构,46,1.6 计算机工作原理及主要技术指标 计算机工作过程是执行程序的过程。 程序:为一系列指令的有序集合。,47,计算机的工作过程(1),计算机的工作过程就是执行程序的过程,输入设备,输出设备,内存储器,中央处理器,程序,执行结果,地址/指令/数据,控制命令,控制命令,48,1.计算机的指令系统 指令: 是使计算机完成某个操作所发出的命令;,指令系统: 一台计算机有许多作用不同的指令; 所有指令集合称为该计算机的指令系统;,49,指令和程序,程序: 按一定顺序组织在一起的指令序列。,机器指令: 硬件能够直接识别并执行的指令。,50,一条机器指令由两部分组成:操作码和操作数。 操作码:指明该指令要完成的操作类型或性质,如取数、做加法或输出数据等。 操作数:指明操作对象的内容或所在单元地址。,指令格式:,说明指令的功能,说明指令操作的对象,51,指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码,完成一种操作,数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令,if goto, And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址,52,2.计算机工作原理 计算机执行指令一般分为两个阶段: 第一阶段称为取指周期, 第二阶段称为执行周期。,指令执行的一般过程,取指令 分析指令 读取操作数 执行指令 存放结果,53,计算机的工作过程(2),指令,存取命令,运算命令,输入/输出命令,原始数据 命令/程序,取数,读,结果,存数,写,I/O设备,内存储器,运算器,控制器,数据线: 控制线:,54,计算机执行程序的方式,有两种执行方式: 顺序执行:一条指令执行完了再执行下一条指令。 并行执行:同时执行两条或多条指令。,55,3计算机主要技术指标 字长一次并行处理的二进制数的位数 ; 主频CPU的时钟频率 ; 运算速度每秒执行指令的次数(MIPS); 存储容量 ; 存储周期一次完整存取的操作时间;,56,1.7 数制及其运算 计算机中采用具有两个不同稳态的电子器件表示数,这就是二进制数。为书写和表示方便,引进八进制和十六进制数。,1.7.1 进位计数制 在进位计数制中有基数、位权和数位3
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