1基础知识模块-知识单元1-计算机基础知识

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《大学计算机基础 I》教学指导方案
电子与信息工程学院 计算机公共教学部
模块一 基础知识模块
知识单元 1 计算机基础知识
教学目标
通过本模块的学习,了解计算机的基本概念及特点,了解计算机的应用领域 熟悉计算机的硬件组成,熟悉 PC 机的硬件及功能,熟悉计算机的软件组成与分 类,掌握计算机数据及编码,为学生进一步学习和使用计算机打下必要基础。
1.冯·诺依曼原理: (1)组成计算机的物理设备(硬件)包括运算器、控制器、存储器、输入 设备和输出设备五部分; (2)所有程序和数据都以二进制形式存放在存储器中; (3)计算机系统在程序控制下自动运行。 运算器负责指令的执行;控制器的作用是协调并控制计算机的各个部件按程 序中排好的指令序列执行指令的操作;存储器是具有记忆功能的器件,用于存放 程序、需要用到的数据及运算结果;而输入输出设备则是负责从外部设备输入程 序和数据,并将运算的结果送出。 综上所述,计算机(Computer)是一种能接收和存储信息,并按照存储在其 内部的程序(这些程序是人们意志的体现)对输入的信息进行加工、处理,然后 把处理结果输出的高度自动化的电子设备。 指令:是人对计算机发出的完成一个最基本操作的工作命令,以二进制编码
图 1-3 微型机主板 2.中央处理器(Central Processing Unit,简称 CPU)是一个体积不大而
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集成度非常高、功能强大的芯片,也称为微处理器(Micro Processor Unit,简 称 MPU),是微型机的核心,中央处理器主要包括运算器和控制器两大部件。计 算机的所有操作都受 CPU 控制,所以它的品质直接影响着整个计算机系统的性能。 如图 1-4 所示。
Calculator,称为电子数字积分计算机)1946 年 2 月在美国诞生,不久,美籍 匈牙利科学家冯·诺依曼(Von Neumman)提出了“存储程序式计算机”的模式, 并主持研制了名为 EDVAC 的计算机。该机采用二进制代替十进制,并将指令存 入计算机内部,这也就是现代计算机所采用的工作模式。
项目设计
项目编号 学 时
项目名称
1
4 认识计算机
任务 任务 1:了解计算机体系结构 任务 2:计算机硬件 任务 3:计算机软件 任务 4:计算机硬件组装
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2
2
项目 2:信息在计算 机中的表示
任务 1:数字化信息编码 任务 2:数制及其转换
项目 1:认识计算机
任务 1:了解计算机体系结构 任务 2:计算机硬件 任务 3:计算机软件 任务 4:计算机硬件组装
计算Байду номын сангаас系统
计算机硬件 计算机软件
主机
外部设备 系统软件
运算器 CPU
控制器
内存储器 外存储器
随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM)
输入/出设备
应用软件
图 1-1 计算机系统的组成
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任务 2:计算机硬件 微型计算机也叫 PC 机,即个人计算机。微型计算机的硬件系统采用总线结 构。总线可以单向传输信息,也可以双向传输信息,并能在多个设备中选择唯一 的源地址和目的地址。 目前微型机结构多采用“面向 CPU 或面向内存的双总线结构”。如图 1-2 所 示,在面向主存的双总线结构中,所有的部件和设备均挂在总线上。可以通过总 线交换信息。同时又在 CPU 和主存储器之间增加了一组高速存储总线。这样 CPU 就可以与主存之间直接的进行高速信息交换。
图 1-5 随机存储器 RAM 高速缓冲存储器(Cache): 高速缓冲存储器的特点是速度比 RAM 存储器更快, 属于可读写的存储器,位于 CPU 和 RAM 存储器之间, 主要用来作为 CPU 和 RAM 之 间的一个缓冲,以缓解高速 CPU 与普通速度 RAM 之间的速率差,从而提高计算机 的整体性能。 内存储器(主存)的技术指标主要有:
第三代 1965~1970
几十万~几百万次/秒 工业控制、数据处理

计,实时控制
在规模、超大规模分时、实时数据处理,
第四代 1970~今
几百万~上亿条指令/秒 工业、生活等各方面
集成电路
计算机网络
3.计算机的系统组成 只有硬件的计算机把它叫做裸机,是不能进行任何工作的,必须要有软件的 驱动指挥,硬件才能按要求进行工作。计算机系统是一个整体的概念,无论何种 类型的计算机都是由计算机硬件系统(简称硬件)和计算机软件系统(简称软件) 两大部分组成,如图 1-1 所示:
图 1-2 面向主存储器的双总线系统结构示意图 1.主板 主板也叫系统板或母板,在个人电脑诞生的 20 多年来,主板一直是个人电 脑的主要组成部分。其中主要组件包括:CMOS、基本输入输出系统(BIOS)、高 速缓冲存储器、内存插槽、CPU 插槽、键盘接口、软盘驱动器接口、硬盘驱动器 接口、总线扩展插槽(ISA,PCI 等扩展槽)、串行接口(COM1,COM2)、并行接 口(打印机接口 LPT1)等。如图 1-3 所示。
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小、散热快等。 重量轻:比常规 1.8 英寸硬盘重量轻 20-30 克。 耐用防震:因为全部采用了闪存芯片,这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾
斜的情况下也不会影响到正常使用。 (3)光盘 光盘是利用激光原理进行读写的设备,目前微机上配备 CDROM(只读型光盘)
驱动器。CDROM 容量为 680 MB。最近 DVD 驱动器也开始流行,它的存储容量更 大。
表1-1 计算机发展的四个阶段
代次 起止年份 所用电子元器件 数据处理方式
运算速度
应用领域
第一代 1946~1957 电子管(真空管)汇编语言、代码程序 几千~几万次/秒
国防及高科技
第二代 1958~1964 晶体管
高级程序设计语言 几万~几十万次/秒 工程设计、数据处理
中、小规模集成电结构化、模块化程序设
教学内容
本模块主要介绍计算机的基础理论知识主要包括: 1.计算机的概念及特点。 2.计算机的产生和发展历程。 3.计算机的体系结构。 4.PC 计算机主机箱内部设备。 5.PC 计算机外部设备。 6.计算机中的数制。 7.进制之间的相互转换。 8.信息编码的理论知识。
教学重点与难点
1. 计算机的硬件组成。 2. PC 计算机主机箱内部设备。 3. PC 计算机外部设备。 4. 计算机中的数制。 5. 进制之间的相互转换。 6. 信息编码的理论知识。
图 1-4 中央处理器(CPU) CPU 的主要性能指标: 字长:表示 CPU 一次处理数据的位数。 主频:也叫做时钟频率,以 MHz(兆赫兹)为单位来度量,通常时钟主频越 高,其处理数据的速度相对也就越快。 1978 年 6 月 Intel 公司推出它的第一个 16 位微处理器 8086 以来,经历了 80n86、Pentium(奔腾)、Core(酷睿双核、4 核、8 核等)。计算机技术得到了 飞速发展。 3 内存储器 目前,微型机的内存储器由半导体器件构成。而半导体器件存储器件由只读 存储器 ROM(Read Only Memory)和随机存储器 RAM(Random Access Memory ) 两部分构成。 只读存储器 ROM 的特点是只能读出不能写入信息,在主板上的 ROM 里面固化 了一个基本输入/输出系统,称为 BIOS(基本输入输出系统)。其主要作用是完 成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱 动程序及引导操作系统。 RAM 随机存储器可以进行任意的读或写的操作,它主要用来存放操作系统、 各种应用程序、数据等。数据、程序在使用时从外存读入内存 RAM 中,使用完毕 后在关机前再存回外存中,由于 RAM 是用半导体器件构成,断电时信息将会丢失。 如图 1-5 所示。
【任务描述】
小明作为一名大一新生,根据自己的需求,购置一台主流的 PC 机,他需要 掌握计算机的硬件配置和软件安装。
【任务分析】
根据项目描述,小明首先要掌握计算机的工作原理;其次要清楚微型计算机 硬件及其相关性能指标;最后要理解计算机硬件的运行离不开软件的支持。
【实施方案】
任务 1:了解计算机体系结构 世 界 上 第 一 台 计 算 机 ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And
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形式表示,也称为机器指令。
指令由两部分组成, 格式为:
操作码是指出该指令要完成什么操作 操作数是指参加操作的数据或该数据存放的地址 程序:是为完成某项任务而由人为编写的若干指令的有序集合。 人编写程序的目的就是指挥计算机去工作,所以计算机进行数据处理的过程 就是执行指令的过程。 2.计算机的发展 计算机从诞生发展到今天,已经经历了四个阶段,现正向第五代过渡,具体 如下表 1-1 所示:
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① 存储容量:这个指标是衡量存储器存储信息的能力。主存容量越大,存 放的信息越多,计算机的处理能力也就越强。主存容量通常用字节数(例如主存 容量 64KB),或者单元数位数(例如 64K16 位)表示。
② 存取周期:用来衡量存储器的工作速度,它是指访问一次存储器所需要 的时间。
③ 读写时间:用来衡量存储器的读写速度。 4.外存 在计算机系统中,除了有主存外,一般还有外存储器,用于存储暂时不用的 程序和数据。常用的有软盘、硬盘、光盘和磁带存储器。它们和内存一样,存储 容量也是以字节为基本单位。外存储器与内存储器之间频繁交换信息,而不能被 计系统的其它部件直接访问。 (1)机械硬盘 机械硬盘作为微机系统的外存储器成为微机的主要配置,它由硬盘片、硬盘 驱动电机和读写磁头等组装并封装在一起成为温彻斯特驱动器。硬盘工作时,固 定在同一个转轴上的数张盘片以每分钟数 7200 转甚至更高的速度旋转,磁头在 驱动马达的带动下在磁盘上做径向移动,寻找定位点,完成写入或读出数据工作。 硬盘使用前要经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使用。硬盘的低级 格式化出厂前已完成。从存储容量上目前有 500GB、1TB 等。如图 1-6 所示。
(4)U 盘 便携存储(USB Flash Disk),也称为 U 盘或闪存盘。是采用 USB 接口和非 易失随机访问存储器技术结合的方便携带的移动存储器。特点是断电后数据不消 失,因此可以作为外部存储器使用。具有可多次擦写、速度快而且防磁、防震、 防潮的优点。闪盘采用流行的 USB 接口,无须外接电源,即插即用,实现在不同 电脑之间进行文件交流,存储容量从 16MB~32GB 不等。 5.微型机的系统总线 微机各功能部件相互传输数据时,需要有连接它们的通道,这些公共通道就 称为总线(BUS)。CPU 本身也由若干个部件组成,这些部件之间也是通过总线连 接。通常把 CPU 芯片内部的总线称为内部总线,而连接系统各部件间的总线称为 外部总线或称为系统总线。—次传输信息的位数则称为总线宽度。 总线从功能上分为:数据总线(DB),用于传输数据信息,它是 CPU 同各部 件交换信息的通道。数据总线都是双向的。 地址总线(AB)用来传送地址信息,CPU 通过地址总线把需要访问的内存单 元地址或外部设备的地址传送出去。通常地址总线是单方向的。地址总线的宽度 与寻址的范围有关,即:它决定了寻址的范围,例如寻址 1MB 的地址空间,需要 有 20 条地址线。 控制总线用来传输控制信号,以协调各部件的操作,它包括 CPU 对内存储器 和接口电路的读写信息、中断响应信号等。 目前微型机总线标准中常见的是 ISA 总线,它具有 16 位的数据宽度,工作 频率 8MB/s,最高数据传输率 8MB/s。PCI 总线,32 位数据宽度,传输速率可达 132~264MB/s。 6.微型机的接口 通常,我们把两个部件之间的交接部件称为接口,或称为界面。这里的部件 即可以指硬件,也可以指软件。主机实际上是通过系统总线连接到接口,在通过 接口与外部设备相连接。例如磁盘接口位于磁盘驱动器和系统总线之间,而显示 器通过显示接口(俗称显卡)和系统总线连接。这些接口常以插件形式插在系统 总线的插槽上。各设备公用的接口逻辑如中断控制器、DMA 控制器等往往集成在 主板上。 7.外部设备 (1)键盘 键盘是计算机系统中最基本的输入设备,通过一根电缆线与主机相连接。它 用来键入命令、程序、数据。按键的开关类型看,一般可分为:机械式、电容式、 薄膜式和导电胶皮四种。如图 1-5 所示。 (2)鼠标器 是一种“指点”设备(Pointing Device),现在多用于 Windows 操作系统环
图 1-6 硬盘 (2)固态硬盘 固态硬盘(Solid State Drives):简称 SSD,用固态电子存储芯片阵列而 制成的硬盘,由控制单元和存储单元组成。 存储介质分为两种,一种是采用闪存的,以 FLASH 芯片作为存储介质,另外 一种是采用 DRAM 作为存储介质。目前主流的 SSD 是基于闪存类的。 固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通机械硬盘的完全相 同。在产品外形和尺寸上也完全与普通机械硬盘一致。 与机械硬盘相比较,SSD 固态硬盘有如下优点: 速度快:由于固态硬盘没有普通硬盘的机械结构,因而系统能够在低于 1ms 的时间内对任意位置存储单元完成 (输入/输出)操作。而且,固态硬盘也不存在 机械硬盘的寻道问题。 无噪音:没有机械硬盘的磁盘转动和马达声音,而且闪存芯片较小的发热量
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