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省一级考点材料
第1章信息技术概述
考点:
1.信息、信息技术的概念
2.二进制及其特点
3.信息在计算机中的表示方法
4.集成电路的分类
5.集成电路的发展趋势
1、信息与信息技术
(1)信息
客观事物立场上的信息概念:
信息是指事物运动的状态及状态变化的方式。
认识主体立场上的信息概念:
信息是指认识主体所感知或所表达的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。
构成客观世界的三大要素:
信息、物质和能量
1信息功能:
信息是极其普遍和广泛的,它作为人们认识世界、改造世界的一种基本资源,与人类的生存和发展有着密切的关系。
2信息处理:
信息的收集、加工、存储、传递和施用
(2)信息技术
信息技术指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。
人们的信息器官主要有感觉器官、神经网络、思维器官及效应器官。
基本的信息技术包括:
①扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术,如雷达、卫星遥感。
②扩展神经系统功能的通信技术,如电话、电视、因特网。
③扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术,如计算机、机器人。
④扩展效应器官功能的控制与显示技术。
(3)信息处理系统
用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统,可以通称为信息处理系统,它能为人们更多更好地获得和使用信息服务。
现代信息技术的主要特征是以数字技术为基础,以计算机为核心,采用电子技术(包括激光技术)进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制,它包括通信、广播、计算机、微电子、遥感遥测、自动控制、机器人等诸多领域。
2、二进制及其特点
数字技术是电子信息技术的基础。
(1)什么是比特
数字技术的处理对象是“比特”,其英文为“bit”,它是binarydigit的缩写,中文意译为“二进位数字”或“二进位”,简称“位”。
比特只有两种状态(取值):
或者是数字0,或者是数字1。
比特是计算机与其他数字系统处理,存储和传输信息的最小单位,一般用小写的字母“b”表示。
而稍大些的数字信息的计量单位是“字节”,用大写字母“B”,一个字节包含8个比特,顺序排列如下:
b7
b6
b5
b4
b3
b2
b1
b0
其中,每个bi代表一个比特(二进位),b7是字节的最高位,b0是其最低位。
比特是组成信息的最小单位。
比特在不同应用中有不同含义,有时候使用它表示数值,有时候使用它表示文字和符号,有时候使则表示图象,有时候还可以表示声音。
(2)比特的存储
用具有两种稳定状态的器件存储(开关、继电器、电容器等等)
存储容量经常使用的单位:
千字节1KB=210字节=1024B
兆字节1MB=220字节=1024KB
吉字节1GB=230字节=1024MB
太字节1TB=240字节=1024GB
有些计算机设备(如磁盘)制造商也采用1MB=1000KB,1GB=1000000KB。
这些差异已经带来了误解和混淆,需要引起注意。
(3)比特的传输
在数据通信和计算机网络中传输二进制信息时是一位一位串行传输的,传输速率的度量单位是“每秒比特”。
比特/秒(b/s),也称“bps”,如:
2400bps就表示2400b/s。
常用的传输速率单位:
比特/秒(b/s)也称bps,如2400bps(2400b/s)
千比特/秒(kb/s)1kb/s=103比特/秒=1000b/s
兆比特/秒(Mb/s)1Mb/s=106比特/秒=1000kb/s
吉比特/秒(Gb/s)1Gb/s=109比特/秒=1000M/s
太比特/秒(Tb/s)1Tb/s=1012比特/秒=1000G/s
(4)比特的运算
最基本的逻辑运算有三种:
逻辑加(也称“或”运算,用符号"0R"、“∨”或“+”表示)、逻辑乘(也称“与”运算,用符号“AND”、“∧”或“•”表示)以及取反(也称“非”运算,用符号“NOT"或“一”表示)。
它们的运算规则如下:
逻辑加(或):
0011
∨0∨1∨0∨1
0111
逻辑乘(与):
0011
∧0∧1∧0∧1
0001
取反(非)运算最简单,“0”取反后是“1”,“1”取反后是“0”。
两个多位二制数进行逻辑运算时,按位独立进行,相邻位之间不发生关系。
(5)比特与二进制数
①十进制数与二进制数
日常生活中我们所使用的十进制数,是使用十个不同的符号(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)来表示的。
这些符号处于十进制数中不同位置时,其权值各不相同。
例如:
1998.888代表的实际值是
1x103+9x102+9x101+8x100+8x10-1+8x10-2+8x10-3
一般地说,一个十进制数S可以用符号表示为:
KnKn-1······K1K0.K-1K-2...K-m
其中,Kj(j=n,n-1,…,1,0,-1,-2,…,-m)是0,1,2,3,4,5,6,7,8,9这十个数字中的任何一个。
S的实际数值是:
S=Knx10n+Kn-1x10n-1+…+K1x101
+K0x100+K-1x10-1+K-2x10-2+…+K-mx10-m
在十进制计数制中,“10”称为基数,它表示在这种计数制中,一共使用十个不同的数字符号,低位计满10之后就要向高位进一,即日常所说的“逢十进一”。
二进制和十进制相仿,但它的基数是“2”,只使用两个不同的数字符号,即0和1,而且二进制数是“逢二进一”。
例如,二进制数(10101)2代表的实际值是
(10101)2=1x24+0x23+1x22+0x21+1x20
例如,(101.01)2的实际数值是
(101.01)=1x22+0x21+1x20+0x2-1+1x2-2=(5.25)10
一般地说,一个二进制数
S=KnKn-1······K1K0.K-1K-2...K-m
所代表的实际数值是
S=Knx2n+Kn-1x2n-1+…+K1x21
+K0x20+K-1x2-1+K-2x2-2+…+K-mx2-m
其中Kj(j=n,n-1,…,1,0,-1,-2,…,-m)只可以是0和1两种不同的数字。
二进制数与十进制数之间的转换分为三种情况:
Ø二进制数转换成十进制数
只需将二进制数的每一位乘上其对应位的权值,再累加起来。
例如
111.001)2=(1x22+1x21+1x20+0x2-1+0x2-2+1x2-3)10=(7.125)10
Ø十进制整数转换成二进制整数
十进制整数转换成二进制整数可以采取“除以2取余法”。
例如,将十进制数57转换成二进制:
余数
257………1(低位)
228………0
214………0
27………1
23………1
21………1
20………1(高位)
所以,(57)10=(111001)2
Ø十进制小数转换成二进制小数
十进制小数转换成二进制小数,可以采取“乘以2取整法”,把给定的十进制小数不断乘以2,取乘积的整数部分作为二进制小数的最高位,然后把乘积小数部分再乘以2,取乘积的整数部分,得到二进制小数的第二位,不断重复,就可以得到希望的位数,有时得到的是近似值。
下面的两个不同的例子。
1)将(0.875)10转换成二进制小数。
0.875×2=1.75整数部分=1(高位)
0.75×2=1.5整数部分=1
0.5×2=1整数部分=1(低位)
所以,(0.875)10=(0.111)2。
2)将(0.63)10转换成二进制小数。
0.63×2=1.26整数部分=1(高位)
0.26×2=0.52整数部分=0
0.52×2=1.04整数部分=1
0.04×2=0.08整数部分=0(低位)
所以,(0.63)10=(0.1010)2(近似值)。
②二进制数的运算
和十进制数一样,对二进制数可以进行算术运算,简单的算术运算是两个一位数的加法和减法,它们的基本运算规则是这样的。
加法:
0 0 11
+0 +1 +0+1
0 1 110
(向高位进1)
减法:
0 011
-0 -1—0-1
0110
(向高位借1)
两个多位二进制数的加、减法可以从低位到高位按上述规则进行,但必须考虑进位和借位的处理。
③八进制数与十六进制数
从十进制和二进制的概念出发,可以进一步推广到更一般的任意进位制的情况。
最常用的有八进制和十六进制两种。
八进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7八个符号,逢八进一。
例如:
(365.2)8=3x82+6x81+5x8o+2x8-1=(245.25)10
十六进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个符号,其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制的10、11、12、13、14、15。
在十六进制数中,低位逢十六进一,高位借一当十六。
例如:
(F5.4)16=15x161+5x160+4x16-1=(245.25)10
八进制数转换成二进制数的方法很简单,只要把每一个八进制数字改写成等值的三位二进制数即可,且保持高低位的次序不变。
八进制数字与二进制数的对应关系如下:
(0)8=000
(1)8=001
(2)8=010(3)8=011
(4)8=100(5)8=101(6)8=110(7)8=111
下面是八进制数转换成二进制数的例子。
①将(0.754)8转换成二进制数。
(0.754)s=(000.111101100)2=(0.1111011)2
②将(16.327)8转换成二进制数。
(16.327)8=(001110.011010111)2=(1110.011010111)2
二进制数转换成八进制数,整数部分从低位向高位方向每三位用一个等值的八进制数来替换,最后不足三位时在高位补0凑满三位;小数部分从高位向低位方向每三位用一个等值的八进制数来替换,最后不足三位时在低位补0凑满三位。
例如
1)(0.10111)2=(000.101110)2=(0.56)8
2)(11101.01)2=(011101.010)2=(35.2)8
十六进制数转换成二进制数的方法与八进制数转换成二进制数的方法类似,只要把每一个十六进制数字改写成等值的四位二进制数即可,且保持高低位的次序不变。
十六进制
数字与二进制数的对应关系如下:
(0)16=0000
(1)16=1001
(2)16=0010(3)16=0011
(4)16=0100(5)16=0101(6)16=0110(7)16=0111
(8)16=1000(9)16=1001(A)16=1010(B)16=1011
(C)16=1100(D)16=1101(E)16=1110(F)16=1111
下面是十六进制数转换成二进制数的例子。
(4C.2E)16=(01001100.00101110)2=(1001100.0010111)2
二进制数转换成十六进制数,整数部分从低位向高位方向每四位用一个等值的十六进制数来替换,最后不足四位时在高位补0凑满四位;小数部分从高位向低位方向每四位用一个等值的十六进制数来替换,最后不足四位时在低位补0凑满四位。
例如
(11101.01)2=(00011101.0100)2=(1D.4)16
必须注意,计算机只使用二进制一种计数制,并不使用其它计数制。
但是二进制数太长,书写、阅读、记忆均不方便;而八进制、十六进制却像十进制数一样简练,易写易记,且与二进制相互间的转换非常直观、方便。
为了开发程序、调试程序、阅读机器内部代码时的方便,人们经常用八进制或十六进制来等价地表示二进制数,所以大家也必须熟练地掌握八进制和十六进制。
(4)整数(定点数)的表示
计算机中的数值信息分成整数和实数两大类,它们当然都是用二进制表示的,但表示方法有很大差别。
整数不使用小数点,或者说小数点始终隐含在个位数的右面,所以整数也叫做“定点数”。
计算机中的整数分为两类:
不带符号的整数(unsignedinteger),此类整数一定是正整数;
带符号的整数(signedinteger)此类整数既可表示正整数,又可表示负整数。
不带符号的整数常常用于表示地址、索引等正整数,它们可以是8位、16位、32位甚至位数更多。
8个二进位表示的正整数其取值范围是。
0~255(28-1),16个二进位表示的正整数其取值范围是0~65535(216-1),32个二进位表示的正整数其取值范围是0~232-1。
带符号的整数必须使用一个二进位作为其符号位,一般总是最高位(最左面的一位),“0”表示“+”(正数),“1”表示“-”(负数),其余各位则用来表示数值的大小。
例如
00101011=+43
10101011=-43
可见,8个二进位表示的带符号整数其取值范围是-127~+127(-27+1~+27-1),16个二进位表示的带符号整数其取值范围是-32767~+32767(-215+1~+215-1),32或64个二进位表示的带符号整数其取值范围也可类似地推算出来。
上面的表示法称为“原码”,它虽然与我们日常使用的方法比较一致,但在进行加法和减法运算的时候,需要使用不同的逻辑电路来完成,就增加了CPU的成本。
因此,数值为负的整数在计算机内不采用原码表示,而采用“补码”的方法进行表示。
负数使用补码表示时,符号位也是“1”,但绝对值部分却是原码的每一位取反后再在末位加“1”所得到的结果。
例如:
(-43)原=10101011
绝对值部分每一位取反后为:
11010100
末位加“1”得到:
(-43)补=11010101
43、-43的原码、反码、补码表示如下所示:
(43)原=00101011(-43)原=10101011
(43)反=00101011(-43)反=11010100
(43)补=00101011(-43)补=11010101
这里我们可以看出,正整数无论采用原码、反码还是补码表示,其编码都是相同的,并无区别。
表7-1整数原码和反码表示
有趣的是,采用原码表示时,有“-0"(表示为“1000…00”)与“+0"(表示为"0000…00”)之分,而在补码表示法中,“-0"与“+0”并无区别,它们都表示为全“0”。
正因为如此,相同位数的二进制补码,可表示的数的范围比原码多一个数。
如表7-1所示。
(5)实数(浮点数)的表示
实数是既有整数部分又有小数部分的数,整数和纯小数只是实数的特例。
例如56.721、-1894.0456、0.0034567、872等都是实数。
任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积,例如:
56.725=102x(0.56725)
-1894.0456=104x(-0.18940456)
0.0034756=10-2x(0.34756)
872=103x(0.872)
其中乘幕中的指数部分用来指出实数中小数点的位置,括号括出的是一个纯小数。
二进制数的情况完全类同,例如:
1001.011=2100x(0.1001011)
-0.0010101=2-10x(-0.10101)
-111001010=21001x(-0.111001010)
可见,任意一个实数,在计算机内部都可以用“指数”(称为“阶码”,是一个整数)和“尾数”(这是一个纯小数)来表示,这种用指数和尾数来表示实数的方法叫做“浮点表示法”。
所以,计算机中实数也叫做“浮点数”,而整数则叫做“定点数”。
浮点数的长度可以是32位、64位甚至更长。
一般说来,位数越多,可表示的数的范围越大,精度也越高。
小结
由于用比特来存储信息的诸多优点,所以在计算机、通信和其他信息系统中采用数字技术。
一、比特只有0和1两个符号,使用有两个稳定状态的电路就可以表示和存储二进位信息,而制造双稳态的电路要比制造有多个稳定状态的电路容易得多,并且很容易实现高速处理。
二、二进位的运算规则很简单,通过一些基本的门电路就能把二进制数的算术运算和非数值信息的逻辑运算联系在一起,实现统一的处理。
三、使用二进位不仅能表示数值信息,而且能表示文字、符号、图像、声音等多种不同形式的信息。
四、信息使用比特表示以后,可以通过多种方法进行“数据压缩”,即使用更少的比特来表示同样的文字、声音或影像等信息,从而大大降低信息传输和存储的成本。
3、微电子技术简介
(1)微电子技术与集成电路
微电子技术是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术,它以集成电路为核心。
现代集成电路使用的半导体材料通常是硅,也可以是化合物砷化镓等。
1.集成电路(InegratedCircuit,简称IC)是上个世纪50年代出现的,它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。
2.集成电路根据它所包含的电子元件(如晶体管、电阻等)数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。
1SSI(小规模集成电路):
集成度小于100个电子元件
2MSI(中规模集成电路):
100~3000个电子元件
3LSI(大规模集成电路):
3000~10万个电子元件
4VLSI(超大规模集成电路):
10万~100万个电子元件
5ULSI(极大规模集成电路):
超过100万个电子元件
现在PC机中使用的微处理器、芯片组、图形加速芯片等都是超大规模和极大规模集成电路。
目前计算机中所用的元器件都是超大规模和极大规模集成电路。
3.按所用晶体管结构、电路和工艺的不同,主要分为:
双极型集成电路、金属氧化物半导体集成电路、双级—金属氧化物半导体集成电路。
4.按功能分为:
数字集成电路(如门电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等)和模拟电路(又称为线性电路,如信号放大器、功率放大器等)。
5.按用途分为:
通用集成电路(如微处理器和存储器芯片等)和专用集成电路。
微处理器和存储芯片等都属于通用集成电路,而专用集成电路是按照某种应用的特定要求而专门设计定制的集成电路。
(2)集成电路的制造
集成电路的制造工序繁多,从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序,工艺复杂且技术难度非常高,有一系列的关键技术。
许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成,生产、控制几测试设备也异常昂贵,动辄数千万元一台。
目前,兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿以上。
(3)集成电路的发展趋势
集成电路的特点是体积小、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。
因此,人们一直在缩小门电路面积上下功夫。
线宽在微米级
Intel公司的创始人之一摩尔1965年在《电子学》杂志上曾发表论文预测,单块集成电路的集成度平均每18~24个月翻一番,这就是著名的Moore定律。
●12英寸晶元,0.18um
●14英寸晶元,0.09um
●18英寸晶元,0.07~0.05um
●纳米芯片技术
●光电子集成
(4)IC卡
IC卡是“集成电路卡”的缩写,(chipcard或smartcard)。
它把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部,使其成为能存储、处理和传递数据的载体。
与磁卡相比,它不受磁场影响,能可靠地存储数据。
IC卡按功能可分为三大类:
●存储器卡:
电话卡、公交卡、医疗卡、水电费卡等
●带加密逻辑的存储器卡
●CPU卡:
信用卡、手机卡、身份证
IC卡按使用方式分为:
接触式IC卡和非接触式IC卡,又叫射频卡、感应卡
第2章计算机组成原理
考点:
1.计算机硬件的组成及其功能
2.CPU的结构
3.指令与指令系统
4.CPU的性能指标
5.PC的主板
6.BIOS
7.存储器
8.I/O设备接口
9.常用输入设备
10.常用输出设备
11.常用外存储器
1、计算机硬件的组成及其功能
计算机系统由硬件和软件两部分组成。
计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等,它们通过系统总线互相连接。
CPU、内存储器、总线等组成了计算机的“主机”。
(1)输入设备:
向计算机输入数据和信息的设备统称为“输入设备”。
(2)中央处理器:
能高速执行指令,完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件被称为处理器。
体积较小的处理器称为“微处理器”。
现代计算机中一般包含有多个(微)处理器,它们各有不同的分工和任务,用于执行系统软件和应用软件的处理器称为中央处理器(CPU),CPU是计算机必不可少的核心组成部件。
通常个人计算机通常只有1个CPU;现在,大部分PC机虽然仍只有1个CPU芯片,但其内部却包含有2个、4个或6个CPU(多核)
还有些计算机可以包含多个CPU(2个、4个、8个甚至几百个、几千个),以实现超高速处理(并行处理)。
(3)内存储器(内存)
内存是计算机中重要的部件之一,它是与CPU进行沟通的桥梁。
计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的,因此内存的性能对计算机的影响非常大。
内存的作用是用于暂时存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
只要计算机在运行中,CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,内存的运行也决定了计算机的稳定运行。
内存储器的特点是:
速度快价格贵,容量小,断电后内存内数据会丢失。
(4)外存储器
外存通常是磁性介质或光盘,像硬盘,软盘,磁带,CD等,能长期保存信息,并且不依赖于电来保存信息,但是由机械部件带动,速度与CPU相比就显得慢的多。
外存储器的特点是:
单位价格低,容量大,速度慢,断电后数据不会丢失。
内存与外存的本质区别在于:
能否与CPU直接交换数据,外存的数据不能直接被CPU处理,必须先调入内存。
(5)输出设备
输出设备是计算机的终端设备,用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。
也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。
常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
(6)系统总线与I/O接口
①系统总线
用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件称为总线。
把用于连接CPU和内存的总线称为系统总线(或CPU总线、前端总线),把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为I/O总线。
②I/O接口
I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起。
常用的I/O接口有并行口、串行口、视频口、USB接口等。
2、计算机的分类
(1)根据计算机的内部逻辑结构分类
按计算机的内部逻辑结构进行分类,可以分为单处理机与多处理机,16位机、32位机或64
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