理论知识点整理大学计算机信息技术教程Word文档格式.docx
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小规模集成电路（SSI）：
小于100电子元件
中规模集成电路（MSI）：
100~3000电子元件
大规模集成电路（LSI）：
3000~10万电子元件
超大规模集成电路（VLSI）：
10万~100万电子元件
极大规模集成电路（ULSI）：
超过100万电子元件
●集成电路的分类
按用途分：
通用集成电路和专用集成电路（ASIC）
按电路的功能分：
数字集成电路和模拟集成电路
按晶体管结构、电路和工艺分：
双极型（Bipolar）电路、金属氧化物半导体（MOS）电路、双极-金属氧化物半导体集成电路等
集成电路的发展趋势
●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，门电路的开关速度越快。
●Moore定律：
单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番（GordonE.Moore,1965年）
IC卡
●IC卡（chipcard、smartcard），又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体
●特点：
存储信息量大
保密性能强
可以防止伪造和窃用
抗干扰能力强
可靠性高
●IC卡的类型（按芯片分类）
存储器卡：
封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。
结构简单，使用方便。
用于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）
CPU卡：
封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统（ChipOperatingSystem），处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。
手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。
●IC卡的类型（按使用方式分类）
接触式IC卡（如电话IC卡）：
表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。
使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据；
用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短
非接触式IC卡（射频卡、感应卡）：
采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题；
操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长；
用于读写信息较简单的场合，如身份验证等
1.3通信技术入门
●通信：
各种信息的传递
●现代通信：
使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等
●通信系统：
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒体的总和
通信的基本原理
●通信系统的简单模型：
至少须有三个要素组成，即信息的发送者（信源）、信息的接收者（信宿）、信息的传输通道（信道）
●通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号（或光信号）才能进行传输
●电（或光）信号强度的变化有两种形式：
连续形式的信号——也叫模拟信号
离散形式的信号——也叫数字信号
●如何远距离传输信号：
高频震荡的信号在长距离通信中能比其它信号传送得更远，可以把这种高频正弦波信号作为携带信息的载波
调制：
利用信源信号去调整（改变）载波的某个参数的过程
解调：
接收方把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号形式的过程
模拟信号的调制方式：
调频、调幅、调相
数字信号的调制方式：
幅移键控、频移键控、相移键控
●怎样减低成本传输信号：
让多路信号同时共用一条传输线进行传输，即多路复用技术
频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）：
将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器（MUX）将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。
抵达接收端之后，借助分路器（DEMUX）把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备
时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）：
各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输；
时分多路复用技术又可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用
模拟通信与数字通信
●模拟通信：
直接传输信源产生的模拟信号或通过用模拟信号对载波调制后进行传输的通信技术
应用：
传统的有线载波电话、无线电广播、电视（卫星电视、数字有线电视除外）
优点：
历史长，技术成熟，结构简单，成本低
缺点：
在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定
趋势：
已经越来越多地被数字通信所取代
●数字通信：
将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信
●数字通信技术的优点：
抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高
灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输
传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理
数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高
数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗
●数字通信系统的主要性能指标
信道带宽（也称为信道容量,bandwidth）：
一个信道允许的最大（高）数据传输速率
数据传输速率（简称数据速率,datarate）：
实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目，计量单位：
位/秒（bps）、千位/秒（kbps）、兆位/秒（Mbps）或千兆位/秒（Gbps）等
误码率（errorrate）：
数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例
端－端延迟（end-enddelay）：
数据从信源传送到信宿所花费的时间。
光纤通信和无线通信
●通信分为有线通信和无线通信两类：
有线通信使用的传输介质有金属导体和光导纤维，金属导体利用电流传输介质，如双绞线、同轴电缆；
光导纤维通过光波传输信息，如光缆；
无线通信是使用电磁波来传输信息，如无线电波、微波、红外线和激光等
●传输介质的类型与特点：
金属导体：
利用电流（电压）传输信息，常见的有双绞线和同轴电缆
双绞线分类：
3类线（10Mb/s）；
5类线（100Mb/s）；
6类线（200Mb/s）
无屏蔽双绞线（UTP）；
屏蔽双绞线（STP）
同轴电缆分类:
基带同轴电缆；
宽带同轴电缆
光导纤维：
光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播
光纤分类：
单模（传输距离远，速率高）；
多模（传输距离近，速率低）
无线通信传输介质：
无线电波；
微波；
红外线；
激光
●光纤通信原理：
光纤主要用于传输数字信号，在发信端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制。
调制后的光信号通过光纤传输到接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出。
为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器。
●波分多路复用（WaveDivisionMultiplexing,WDM）：
在一根光纤中同时传输几种不同波长的光波，以达到增大信道容量的目的。
●无线通信：
模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输
●无线电波按频率分成中波、短波、超短波和微波
中波：
沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信
短波：
具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信
微波：
300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～1mm
●微波通信的三种形式：
地面微波接力通信；
卫星通信；
对流层散射通信
●卫星通信：
利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号所实现的通信
移动通信
●移动通信：
处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等
●优点：
克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息
●蜂窝移动通信原理：
每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号；
所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网；
所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信
●移动通信的发展过程：
第一代模拟移动通信系统：
使用频段——800MHz/900MHz
第二代移动通信系统：
传输的是数字化的语音/文字信号；
使用频段——900MHz/1800MHz
我国使用的2种标准：
GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统）；
CDMA（码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess）
第三代数字移动通信系统：
使用频段——1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz
标准：
WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA（时分-同步码分多址接入）
●第3代移动通信技术（简称3G）的目标：
（1）全球漫游
（2）适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合
（3）提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信
（4）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务
1.4数字技术基础
信息的基本单位——比特（bit）
●比特：
bit，binarydigit的缩写，中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”
比特只有2种取值0和1，一般无大小之分
比特是组成数字信息的最小单位
数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以使用比特来表示
●比特的运算使用逻辑代数，它有3种基本逻辑运算：
逻辑加（也称“或”运算，用符号“OR”、“∨”或“＋”表示）
逻辑乘（也称“与”运算，用符号“AND”、“∧”或“•”表示，也可省略）
取反（也称“非”运算，用符号“NOT”或上横杠“¯
”表示）
●存储容量的计量单位：
在计算器的存储器中存储比特时，以字节为基本单位。
一个字节包含8个比特，字节简记为B。
外存储器容量的计量单位
KB:
1KB=210字节=1024B（千字节）
MB:
1MB=220字节=1024KB（兆字节）
GB:
1GB=230字节=1024MB（吉字节、千兆字节）
TB:
1TB=240字节=1024GB（太字节、兆兆字节）
外存储器容量经常使用10的幂次来计算：
1MB＝103KB＝1000KB
1GB＝106KB＝1000000KB
1TB＝109KB=1000000000KB
●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，传输速率的单位是每秒多少比特，且kilo、mega、giga等也作为10的幂次计算。
常用的传输速率单位如下
比特/秒（b/s）：
也称bps
千比特/秒（Kb/s）：
1Kb/s=103b/s
兆比特/秒（Mb/s）：
1Mb/s=103Kb/s=106b/s
吉比特/秒（Gb/s）：
1Gb/s=103Mb/s=106Kb/s=109b/s
太比特/秒（Tb/s）：
1Gb/s=103Gb/s=106Mb/s=109Kb/s=1012b/s
比特与二进制数
●不同进位制数的表示和含义
十进制数：
每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）
低位与高位的关系是：
逢10进1
各位的权值是10的整数次幂（基数是10）
标志：
尾部加“D”或缺省
二进制数
每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用1个“比特”表示
逢2进1
各位的权值是2的整数次幂（基数是2）
尾部加B
八进制数
每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）
逢8进1
各位的权值是8的整数次幂（基数是8）
尾部加Q
十六进制数
每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F）
逢16进1,基数为16
各位的权值是16的整数次幂（基数是16）
尾部加H
●不同进制数的相互转换
◆十进制数→二进制数：
整数和小数分开转换
整数部分：
除以2逆序取余
小数部分：
乘以2顺序取整
◆二进制数→十进制数：
二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加可得十进制数值
◆八进制→二进制：
把每个八进制数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低位的次序不变
◆二进制→八进制：
整数部分从低位向高位每3位用一个等值的八进制数来替换，不足3位时在高位补0凑满3位；
小数部分从高位向低位每3位用一个等值八进制数来替换，不足3位时在低位补0凑满三位
◆十六进制数与二进制数的互换：
与八、二进制互换的方法类似
●二进制数的运算有2类：
逻辑运算：
∨、∧、NOT，按位进行，不考虑进位
算术运算:
+、-、*、/，从低位到高位逐位进行，需考虑低位的进位（借位）
●二进制数的加法和减法运算规则
●逻辑运算可以用门电路（与门、或门、非门等）实现，算术运算可以表达为逻辑运算，因此二进制数的四则运算同样也可以使用门电路来实现
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，整数又分成带符号的整数和无符号整数两类。
所有的数值都采用二进制表示。
●无符号整数的表示：
采用“自然码”表示，取值范围由位数决定：
8位：
可表示0～255（28-1）范围内的所有正整数
16位：
可表示0～65535（216-1）范围内的所有正整数
n位：
可表示0～2n-1范围内的所有正整数。
●带符号整数的表示：
原码表示法：
最高位作为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数，其余位表示数值部分
与日常使用的十进制表示方法一致，简单直观
加法与减法运算规则不统一，增加了成本；
整数0有“00000000”和“10000000”两种表示形式，不方便
补码表示法：
正数的补码与原码表示方式一样，负数的补码先表示为原码，将每一位取反后在最低位加“1”
加法与减法运算规则统一，没有“-0”,可表示的数比原码多一个
不直观，人使用不方便
●带符号整数在计算机内不采用“原码”而采用“补码”的形式表示！
第2章计算机组成原理
2.1计算机的组成与分类
计算机的发展与作用
●计算机：
又称电脑，是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。
是一种通用的信息处理工具
●计算机的特性：
速度快；
存储容量大；
通用性好
●1946年研制成功第1台数字电子计算机ENIAC（电子数字积分机与计算机）：
●计算机的分代（按使用的元器件）
第1代：
电子管＋磁鼓
第2代：
晶体管＋磁芯
第3代：
中、小规模集成电路
第4代：
大、超大规模集成电路
●计算机应用模式的演变
20世纪50年代～7年代：
大型计算机的“集中计算模式”
20世纪80年代：
个人计算机的“分散计算模式”
20世纪9年代后：
“网络计算模式”
计算机的组成
●计算机系统由硬件和软件两部分组成。
计算机的硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。
计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。
●从逻辑（功能）上讲，计算机硬件包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们之间通过总线相互连接。
输入设备：
用来向计算机输入信息的设备，如：
键盘、鼠标、扫描仪和麦克风等
输入设备的共性：
不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示
中央处理器（运算控制器）
处理器（processor）：
对各种信息进行处理（例如计算、排序、分类、检索）的部件，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，由数字电路组成，结构复杂
微处理器：
将处理器的所有组成部分制作在仅为几个平方厘米的半导体集成电路芯片上
中央处理器（CPU）：
计算机中通常有多个不同的处理器，用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU
多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU
存储器：
储存以二进位形式表示的程序和数据的部件，包括：
内存储器：
存取速度快，容量相对小，直接与CPU连接，用来临时存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据
外存储器：
存取速度较慢，容量相对很大，能长期存放计算机系统中几乎所有的信息，外存中的数据必须先传送到内存，才能被CPU使用
输出设备：
完成输出功能的设备，如:
显示器、打印机和扬声器等
（多数）输出设备的共性：
把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式（文字、符号、图形、声音等）
总线（bus）：
用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路
分类：
CPU总线（或前端总线）：
用于连接CPU和内存的总线
I/O总线：
连接内存和I/O设备（包括外存）的总线
计算机的分类
●按内部逻辑结构分类：
8位/16位/32位/64位
●按性能和价格分类：
巨型计算机（supercomputer）
大型计算机（mainframe）
小型计算机（minicomputer）
个人计算机（personalcomputer）
●个人计算机可以分成：
台式PC（deskbook）
笔记本（notebook,Laptop）
工作站（workstation）
超级便携机UMPC（Ultra-MobilePC）
微处理器和嵌入式计算机
●微处理器（μP）：
使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件。
微处理器是各类计算机的核心组成部分，中央处理器几乎都采用微处理组成
●嵌入式计算机：
把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为单片计算机或嵌入式计算机
2.2CPU的逻辑结构与工作原理
CPU的结构
●迄今为止，计算机都是按照冯•诺依曼提出的“存储程序控制”的原理工作，即：
⏹问题的解算步骤（程序）连同它所处理的数据都用二进位表示，并预先存放在存储器中；
⏹程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。
●CPU的主要任务：
执行指令，按指令的要求完成对数据的运算和处理
●CPU的结构：
CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成
寄存器（GPR）：
存储速度快，用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间（或最后）结果
运算器（ALU）：
用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件（ALU）
参与ALU运算的数据——预先从内存传送到寄存器
无需继续运算的结果——从寄存器保存到内存
控制器：
CPU的指挥中心
指令计数器——存放CPU正在执行的指令的地址，CPU每执行一条指令后它就自动加1
指令寄存器——保存正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制运算器的操作，记录CPU的内部状态
指令与指令系统
●程序：
能完成某个任务的一连串指令。
●指令：
用二进位表示，它用来规定CPU执行什么操作。
指令是构成程序的基本单位。
●指令由两个部分组成：
操作码——指出计算机应执行何种操作
操作数地址——指令所处理的数据或数据所在的位置
●指令在计算机中的执行过程：
取指令：
CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器
指令译码：
指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里
执行指令：
执行单元从存储器取操作数，完成指令所规定的运算或操作
保存结果：
执行单元保存运行结果到寄存器或主存储器，指令计数器自动加1形成下一条指令的地址
●指令系统：
CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统
⏹每一种CPU都有自己独特的一组指令。
⏹同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：
即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。
这样，A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU）上运行，B计算机的程序却能在A计算机上运行
⏹不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们未必互相兼容：
A计算机（使用Intel公司CPU）的程序不能在B计算机（使用IBM公司的PowerPC微处理器）上直接运行，B计算机的程序也不能在A计算机上直接运行
●奔腾4系列的产品发展过程为：
8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔腾D→奔腾至尊→酷睿→酷睿2
●常见的技术术语：
超标量（superscalar）结构：
包含多个ALU，均可同时工作
流水线结构
SSE/SSE2/SSE3指令：
其特点是1条指令可处理128位的数据，因此一条指令中可包含若干个整数或浮点数，从而大大提高了计算速度，有利于完成3D图形、语音识别、图像处理等多媒体应用
超线程（Hyper-Threading,HT）技术：
把硬件模拟成两个处理器芯片，从OS来看就像有两个CPU一样，可同时执行2个线程。
由于不是2个真正的CPU，它们需要共享ALU、cache等资源，当两个线程同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能继续执行，因此超线程的性能达不
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