计算机及其基本功能.ppt

1,第二章 计算机及其基本功能,数据处理基础 计算机系统组成,2,第一节 计算机的发展与应用,计算机发展概况 计算机的时代划分 计算机技术的发展趋势,2,3,一、计算机的发展概况,早期计算工具 石子、算盘、计算尺、机械计算器 （Charles Babbage 1833） 差分分析机：输入、存储、运算、控制、输出 冯诺依曼博士（普林斯顿大学） 存储程序计算机 ENIAC第一代电子数字计算机，1946年,3,4,人类追求的计算工具,Charles Babbage,1822 差分机,1833 差分分析机,MARK I,ENIAC,4,5,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,5,6,晶 体 管 数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,6,7,第一代 （19461956） 电子管 5千4万（次/秒）,第二代 （19571964） 晶体管 几十万百万（次/秒）,第三代 （19651970） 集成电路 百万几百万（次/秒）,第四代 （197190年代） 集成电路 几百万几亿（次/秒）,计算机发展的几个阶段,7,8,重要人物和思想,香侬 信息论创始人。1938年 首次用布尔代数进行开关电路分析 并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。 阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则 以二进制实现数字运算，以保证 精度； 利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度； 把计算功能和二进制数更新存储功能相分离的结构。,8,Shannon,9,图灵与图灵机,为纪念图灵对计算机的贡献， 美国计算机博物馆于1966年 设立了“图灵奖”,计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。,图灵机是一种思想模型， 它由三部分组成： 一个控制器，一条可以无限延伸的 带子和一个在带子上左右移动的读 写头。,9,10,计算机世界中的日本,辉煌： 打败Intel的芯片巨人，迫使Intel 于1985年另辟 战场（微处理器） 笔记本电脑的领军人物 失误： 第五代计算机（智能计算机）的开发者 高清晰度模拟电视,10,11,计算机世界中的印度,世界软件产业王国 1985年，印度软件业产值为1000万美元 1994年，印度软件业产值为10亿美元 2000年，印度软件业产值为50亿美元 在软件出口规模和质量与总产值的比例上， 印度居世界第一。,11,12,计算机世界中的中国,1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组 组长 闵大可 电机系教授 1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所 负责人 钱三强 1958年完成第一台电子计算机103 1959年完成大型电子计算机104 1959年中国自行研究的107计算机问世 1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路） 1977年研制成功中国第一台微机DJS050,12,13,二、计算机的应用,科学计算 用于量大、复杂的计算（速度快、精度高） 数据处理 图像处理、声音处理、企业管理 实时控制 无人机、生产线、远程导弹 计算机辅助工程 CAD、CAM、CAI 办公自动化,13,14,三、计算机的类型,巨型机 运算速度可达数百亿次，科研、数值预报 大型机 大容量、高速度 小型机 介于大型机和微机之间，网络服务器，工作站 微型机 办公终端、CAD、多媒体、信息查询等,14,15,四、 计算机的发展,微型化,巨型化,网络化,智能化,ENIAC,15,16,Altair 8800,计算机发展微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。,16,17,CRAY-,计算机发展巨型化,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计 算的高科技领域。,中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”、 “银河2号”和“银河3号” 国家智能计算机中心推出的 “曙光1000”和“曙光200I”,银河,17,18,计算机发展巨型化,中国最快超级服务器：“曙光3000” 运算速度为每秒3800亿次（排名80位） 48小时的精确天气预报数据处理1小时38分钟； 一个月的气候预报仅用15分钟； 1000万人每人每天可以在网上点击800次网页； 1000万人每人每天可以收发7封“电子邮件”。,18,计算机发展趋势,19,计算机发展网络化,计算机网络 计算机技术与通信技术结合的产物。 计算机网络的发展动力 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。 日本1024台计算机利用并行作业管理技术，实现高速操作环境。,19,20,计算机发展智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”： 一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人 机械手（1962年出现） 第二代机器人 具有“感觉”的机器人 第三代机器人 装有启发式计算机的“智能机器人”,20,21,第二节 计算机的数据处理基础,计算机的计数制 计算机的数据单位 计算机的字符编码,21,22,一、计算机的计数制和数据单位,数制的构成 基数、进位规则、运算法则 十进制 基数：0、1、2、39（10个不同的符号） 逢十进一，借一当十 运算法则：加法表 其它数制 已知数制 设计一种数制,22,23,一、计算机的计数制和数据单位,常用数制 二进制 R=2 ，使用0,1 八进制 R=8 ，使用0,1,2,3,4,5,6,7 十进制 R=10，使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 十六进制 R=16，使用0,9,A,B,C,D,E,F 计算机采用二进制的理由 算数运算简单、便于逻辑运算、技术可行 可靠：抗干扰、便于检错和纠错,23,24,24,25,26,一、计算机的计数制和数据单位,数制的规律 基数：R 逢R进一，借一当R 运算法则相同,27,二、计算机的字符编码,位（bit）：度量数据的最小单位,字节（Byte）：最常用的基本单位,8bit=1Byte K（千）字节 1K = 1024 byte M（兆）字节 1M = 1024 K G（吉）字节 1G = 1024 M T（太）字节 1T = 1024 G,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+ 24+ 22+ 20,=149,27,28,司 维 ,29,司 维 ,30,司 维 ,31,司 维 ,32,司 维 ,33,司 维 ,34,第三节 计算机系统的组成,计算机系统结构 计算机性能指标,34,35,一、计算机的结构和硬件、软件,冯.诺依曼计算机 两种能力：存储程序、自动地执行程序 组成：输入、存储、运算、控制、输出、 工作原理：取指令（CPU）、分析指令和执行指令；指令和数据均用二进制表示 例如：颜色的表示、声音的表示,35,36,司 维 ,计算机硬件,输入设备,内存,外存,运算器,输出设备,控制器,37,司 维 ,计算机软件,系统软件 操作系统、程序设计语言、数据库管理系统、诊断程序及系统工具等 保证系统正常工作 应用软件 为满足用户需求所开发的程序 如：Office、Photoshop、Flash、Dreamweare等 决定系统能做什么 软件和硬件相互促进、渗透,38,司 维 ,磁盘，输入/输出,39,程序和指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言 编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,计算机软件概述,39,40,计算机系统结构,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入 设备,输出 设备,运算器,40,41,二、计算机的性能指标,字长 一次读取并处理的二进制数长度 字长：16位、32位、64位 增加字长的好处 提高运算精度 提高处理速度 增大寻址空间 支持更多的指令 提高计算机系统整体性能,41,42,二、计算机的性能指标,主频（时钟频率） 控制器的执行动作按照时钟节拍进行 主频越高计算机运算速度越高 目前计算机主频可达到 运算速度（MIPS） 单位时间（秒）内执行的指令条数（百万） 主频100MHz的CPU执行一条运算指令所需时间为10ns，主频50MHz的CPU需要20ns，前者的运算速度快了一倍。,42,43,二、计算机的性能指标,43,44,二、计算机的性能指标,存储容量 内存：256M、512M、1G、2G、4G、32G 外存：80G、200G、1T、光盘、磁带 存取周期 从内存或取一次数据的平均时间 DDRAM内存可达到25ns DRAM为几十ns,44,45,二、计算机的性能指标,总线位数 数据总线、地址总线、控制总线 决定CPU与外部设备传送数据的能力 16位总线、32位总线、64位总线 其它指标 可靠性：平均无故障时间 兼容性：软、硬件通用性 配置：CPU、内存、OS、应用软件、外设 性价比：综合性能/价格,45,46,第四节 计算机的基本性能,中央处理器 存储器,46,47,一、中央处理器-运算器,作用 负责算数运算、逻辑运算 运算器的组成 加法器：加法运算 输入选择电路：控制来自总线或内存的数据 输出控制器：移位、控制加法器的输出 累加器：存放中间结果 通用寄存器：存放运算要用的数据和地址,47,48,一、中央处理器-控制器,作用 读取并分析指令、发出控制信号 控制器的组成 指令计数器：顺序指向内存中的指令地址 指令寄存器：按照地址读取并保存要执行的指令 译码器：分析操作码 定时部件：发出时序控制信号 控制部件：根据译码结果向执行部件发出指令,49,一、中央处理器-指令系统,逻辑运算指令 与、或、非、比较等（演示函数：AND、IF） 算数运算指令 取数指令：取数并送入运算器 存数指令：将运算结果送入内存 输入/输出指令 测试设备状况、传送数据到相应的设备 转移指令 无条件转移、条件转移、转子程序等,50,一、中央处理器-寻址方式,直接寻址 指令中给出的地址就是操作数的存储器地址 间接寻址 在指令中给出的是操作数的地址的地址 变址寻址 把变址寄存器的内容（通常是首地址）与指令中的地址码之和作为操作数的地址,51,一、中央处理器-寻址方式,相对地址 以指令地址为基准，形成操作数的有效地址 用Excel说明相对地址和绝对地址 立即寻址 指令中的地址内容就是操作数本身 用Excel说明立即寻址、直接寻址和间接寻址,52,一、中央处理器-性能指标,主频 主频越高处理速度越快 多处理器和并行处理 多个CPU组成的处理系统 多个CPU同时处理多条指令 辅助处理器 存储管理、通信等专项工作的执行部件 RISC（简化指令集计算机）,53,总线简介,数据总线（DB） 在CPU、存储器和输入/输出设备之间传送数据 地址总线（AB） 传送存储单元和输入/输出接口地址 控制总线（CB） 发送来自控制器的操作信号 总线的工业标准 ISA总线、MAC总线、EISA总线、PCI总线,54,55,二、存储器-内存,CPU直接访问的存储器 重量轻、体积小、速度快 分为ROM和RAM两大类 ROM的分类 MROM：厂家写入永久记忆 PROM：可编程ROM，用户写入永久记忆 EPROM：可擦可编程（紫外线擦除） EAROM：可擦可编程（电擦除）,55,56,二、存储器-内存,随机存储器（RAM） SRAM（静态）：比DRAM快，用于高速缓存（双稳态触发电路） DRAM（动态）：比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本低、用于内存 SDRAM（同步动态）：与总线速度同步 DDR SDRAM（DDR）：双倍速率同步动态随机存储器 系统内存配置 Windows2000系统： 256M512M Windows XP系统：512M1G Vista系统：1G2G,57,二、存储器-内存,内存的主要技术指标 容量 有效数据位数，16位、32位、64位 存取时间 高速缓存、内存、虚拟内存、外存 容量/价格比,58,二、存储器-外存,软盘 磁表面、磁道、扇区、扇区容量 软盘驱动器：磁道定位、读写磁头 写保护 容量计算,59,二、存储器-外存,硬盘 盘片（多层）：磁道、扇区 读写磁头 驱动装置及控制电路 容量大、可靠、读取速度高于软盘 硬盘的技术指标 盘片数、磁头数（偶数）、扇区数 柱面的概念,60,61,二、存储器-外存,光盘存储器 使用激光技术 容量大、寿命长、便于携带、价格低 类型 只读光盘（CD-ROM） 一次写入光盘（CD-R） 可擦写光盘（CD-RW），激光照射后磁化 指标 纠错性能和稳定性,62,63,64,65,二、存储器-外存,光盘技术 东芝30GB光盘技术（2002年） 轨道间距0.29m 每比特的记录长度为0.0986m 数据传输速度为35Mbit/秒 Sony蓝光光盘技术 8层，容量200GB 日本Optware公司HVD全息通用光盘技术 容量3.9TB,66,第五节 输入输出设备,输入设备（键盘、扫描仪等） 输出设备（显示器、打印机等）,66,67,一、输入设备-键盘,键盘工作原理 触点式 电容式 按下时电容减小高频信号通过 键盘的编码 用硬件测定被按键盘，再转换成ASCII码（淘汰） 用软件查询被按键盘，再转换成ASCII码,67,68,一、输入设备-鼠标,光机电鼠标 灵敏度300到600cpi（每英寸测量次数） 由滚球直径/光栅轴直径、光栅栅格数量决定 光学鼠标 光源、微型摄像头（采样）、图像处理芯片 采样频率达到到5220帧/秒 最快追踪速度37英寸/秒（人手的极限移动速度为30英寸/秒） 漫反射表面、避免表面高度一致,69,CPI（Count Per Inch : 每英寸的测量次数） 光电鼠标的分辨率通常在400800 CPI之间,7