第1章 计算机基础知识.ppt

第1章计算机基础知识 1 1概述1 1 1计算机发展简史1 1 2计算机的特点与分类1 1 3计算机的分类1 2电脑系统的组成1 2 1电脑的硬件系统1 2 2电脑的软件系统 1 1 1计算机发展简史1 1 2计算机的特点与分类1 1 3计算机的分类 1 1概述 1 1 1计算机发展简史 过去的计算工具 随着生产的发展和社会的进步 计算工具的发展过程从简单到复杂 从低级到高级计算工具相继出现了如 算盘计算尺手摇计算器电动计算器 我国研制第1颗原子弹时使用的飞鱼牌手摇计算机 契克卡德机械式计算机 这是最早的机械式计算机 1623年 它能够进行六位数的整数加减运算 而且在数位溢出时候 还能够以响铃的方式进行报错 帕斯卡的加法机 1642年 法国数学家B Pascal用钟表元件制造了一种能够做两个十进制数加法的机器 并且可以逢十进位 莱布尼茨的机械式计算机 莱布尼茨改进了帕斯卡的加法机 使之成为可进行加减乘运算的计算机械 并且莱布尼茨还指出 二进制也许更适合机械进行数学运算 从此奠定了现代计算机科学的理论基础 巴贝奇差分机 1822年巴贝奇制造了人类历史上第一台可以编程的计算机 差分机 这台机器共分为三个部分 堆栈 控制器和运算器 这几乎就是现代计算机的简化翻版 它可以处理3个不同的5位数 计算精度达到6位小数 上世纪30年代的机械式计算器 电动式计算器 1930 手摇式计算器 电子管的诞生 1904年11月16日 英国科学家弗莱明为自己发明的电子管弗莱明 阀 申请了专利 它标志着人类历史上第一只电子管的诞生 世界也从这里迈向电子时代 高压屏极 栅极 阴极 第1代数字电子计算机 时间 约1946 1958使用的元器件 电子管 速度 几十 几万次 秒 内存 磁鼓 千字 外设 磁带 机器语言或汇编语言编程 美国于20世纪50年代生产的IBM704型电子管计算机 磁鼓存储器 第1台数字电子计算机诞生 1946年美国宾州大学应美国军方要求研制成功第1台数字电子计算机 ENIAC 用于计算炮弹弹道 Photo vanPeltLibrary UPenn 18000电子管 6000开关占地面积 150m2重量 30吨功耗 140KW运算速度 5000次 s平均无故障时间7min外部程序控制 旋风1号 WhirlwindI 数字计算机 WhirlwindI数字计算机 当时的售价是1750万美元 美国国防部使用 我国第1台数字电子计算机 1956年 华罗庚受命筹建中国科学院计算技术研究所 1958年中国第一台计算机103型机研制成功 中国科学院计算所与北京有线电厂共同研制 字长31位 内存容量为1024字 运算速度每秒450次 1958年8月1日该机可以表演短程序运行 标志着我国第一台电子计算机诞生 该机在738厂开始小量生产 改名为103型计算机 共生产38台 我国第1台大型电子计算机 1959年4月104机完成调试 第一道题目是 五一 节天气预报 9月交付用户使用 无故障稳定运行时间达到2小时该机有22个机柜 占地200平方米 全机共用4200个电子管 4000个晶体二极管 字长39位 容量4K 每秒运算1万次 第2代数字电子计算机 时间 约1959 1965使用的元器件 晶体管 速度 几十万次 秒 内存 磁芯 十万字 外设 磁盘 高级语言编程应用领域扩展到数据 事务管理和过程控制 第2代计算机的内存 磁芯存储器 右图是容量为32x32 1024 bit的一块磁芯存储板 王安于1948年发明 原理 每个磁芯都有XY互相垂直的两个方向的导线穿过 这些线组成阵列 XY分别做两个不同方向的寻址 磁芯在导线上流过一定电流下会被磁化而改变原先的磁化方向 这就可以作为0和1的状态来记录数据 上世纪50年代末安装在美国宇航局的IBM7090计算机 价格 290万美元 内存容量 128KB 存取周期 2微妙 我国的第2代电子计算机 1964年我国华北计算所先后研制成功108乙机 DJS 6 121机 DJS 21 和320机 DJS 6 并在738厂等五家工厂生产 哈军工 国防科大前身 研制成功441B全晶体管计算机 小批量生产了40多台 当时我国研发出的计算机 仅有小批量生产 由国家分配到各个科研院所使用 研发和生产计算机的单位 全部是军工企业 第3代数字电子计算机 时间 约1965 1971使用的元器件 中小规模集成电路速度 几十万次 几百万次 秒内存 半导体存储器软件 高级编程语言操作系统 数据库 第3代计算机 1965年IBM推出的System360大型主机 被美国航天局用于首次载人登月任务 上世纪60年代的存储容量为5MB的硬盘 27Kg重 上世纪70年代我国的集成电路计算机 DJS 180系列超级小型计算机 天津DJS130小型机参展 1975年广交会 第4代数字电子计算机 时间 从1971年至今使用的元器件 大规模和超大规模集成电路 VLSI 速度 几百万次 亿次 秒内存 半导体存储器软件工程 分布式处理等 第1 4代计算机的对比 计算机的发展趋势 由于大规模 超大规模集成电路技术的发展和微处理器的出现 计算机各方面性能均得到极大提高 性能不断提高体积不断变小功耗不断降低价格越来越便宜软件越来越丰富使用越来越容易应用领域越来越普遍计算机数量不断增加 上述趋势不仅仍在继续 且节奏进一步加快已不再沿用 第x代计算机 的说法 正在研究开发智能化的计算机系统 它以知识处理为核心 可以模拟或部分替代人的智能活动 具有自然的人机通信能力 未来可能的新型计算机 目前计算机用的几乎都是半导体集成电路 但现在人们也在努力研究基于其他材料的计算机 如 量子计算机 建立在量子力学基础上 可以同时使用多个不同的量子态来处理和存储信息光学计算机 以光子代替电子 光互连代替导线互连 光硬件代替计算机中的电子硬件 光运算代替电运算 生物计算机 蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程 计算机的转换开关由酶来充当 而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来 预计10 20年后 DNA计算机将进入实用阶段 1 1 2计算机的特点与分类 现代计算机的特点 1 运算速度快 可达几百亿次 秒 2 运算精度高 可精确到小数点后几百位甚至更高 3 存储容量大 可轻松存储海量数据 4 具有逻辑判断功能 5 自动持行预设程序 6 计算机与人之间 计算机之间具有互连 互通和互操作的能力 1 1 3计算机的分类 计算机的分类 1 按内部逻辑结构分类8位 16位 32位 64位单CPU 多CPU 按性能和价格分类巨型计算机 supercomputer 大型计算机小型计算机 服务器 个人计算机 personalcomputer 台式PC笔记本PC平板电脑等嵌入式计算机 巨型计算机 Supercomputer 也称超级计算机 有极强的运算处理能力 速度达到每秒运算数万 数十万亿次以上采用大规模并行处理的结构 由数以千计的CPU共同完成系统软件和应用软件运行任务大多使用在军事 科研 气象预报 石油勘探 飞机设计模拟 生物信息处理 破解密码等领域国际上 美国IBM公司的Gene L系统 运算速度为280 6万亿次 秒日本NEC公司的 地球模拟器 我国 中科院计算所 曙光 巨型计算机国防科技大学 银河 巨型机 天河一号 千万亿次 秒联想集团公司 深腾 巨型机 神威巨型计算机 巨型计算机 续 IBMBlueGene Lsupercomputer Cray巨型计算机 银河巨型计算机 天河1号A 峰值性能4700万亿次 持续速度2566万亿次 有14000个通用处理器和上万个图形加速处理器 内存总容量98TB 磁盘总容量2PB 安装在天津国家超级计算中心 2010 11 17国际超级计算机TOP500组织正式发布第36届世界超级计算机500强排名中 中国 天河一号 和 曙光星云 分别位列第1和第3名 天河1号A TH 1A 巨型计算机 140个机柜 在700平方米的机房内整整齐齐排成13排 每小时耗电4040度部分采用了自主研制的飞腾 1000中央处理器 运行自主研制的麒麟操作系统 关于 服务器 服务器的英文名是 server 指的是在计算机网络中专门用于为其他计算机提供服务和资源 数据 存储空间 处理能力 软件等 的一类计算机原理上任何计算机都可以作为服务器使用巨型机和大型机可以作为企业级服务器专用的服务器可作为部门级服务器一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器由于需要大量服务器 一些计算机厂家专门设计制造了称为 服务器 的一类计算机产品 取代了传统的小型计算机 其特点是 存储容量大 存取速度快 网络通信功能强 可靠性好 例 HP公司的ProLiant服务器 关于 个人计算机 台式个人计算机 卧式 台式个人计算机 立式 便携式 笔记本 个人计算机 关于嵌入式计算机 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 用途举例 内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置 例如数码相机 MP3播放器 手机 计算机外设 汽车 机顶盒等产品举例 全球市场份额最大的是英国ARM公司的ARM处理器 现在大部分手机和平板电脑使用的都是采用ARM技术的微处理器 包括苹果公司的iPad 第2代iPad平板电脑 采用双核CPU芯片 增加了双摄像头 陀螺仪 加速感应器 指南针相互配合 游戏操控更方便 厚度比之前薄了33 重量减轻了15 个人计算设备走向多元化 eBook 电子书 TabletPC 平板式电脑 1 2计算机系统的组成 计算机是一个复杂系统 计算机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 计算机是一个复杂的系统复杂性 硬件由数以亿计的元器件组成 软件由数以亿计的指令组成多样性 硬件与光 机 电 声等有关 软件与数学 逻辑 等有关层次性 分层 hierarchical 结构 计算机硬件的逻辑结构 经典计算机的逻辑结构 冯 诺依曼计算机 注 逻辑结构意指概念上 即功能上 的结构 中央处理器CPU CentralProcessingUnit 1 输入设备 输入 input 的双重含义 1 把信息送入计算机的过程 2 向计算机输入的内容输入设备 inputdevices 功能 用来向计算机输入信息常见输入设备 键盘 输入文字 符号和命令扫描仪 输入图片鼠标器 输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令输入设备的共性 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 2 中央处理器 运算控制器 什么是处理器 processor 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 特点是 由数字电路组成 结构非常复杂所有电路都制作在大规模集成电路芯片上 仅几个平方厘米 称为 微处理器 microprocessor Intel4004chip Intel8080chip 关于 微 处理器和中央处理器 CPU 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CPU CPU是计算机必不可少的核心组成部件完成其它功能的处理器举例 显卡包含的绘图处理器GPU 用于加速图形绘制 声卡包含的DSP 用于数字声音信号的处理 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 内核 目的是提高系统性能 CPU的任务 CPU的主要任务是执行指令 它按指令的规定对数据进行操作 3 存储器 功能 储存以二进位形式表示的程序和数据分类 内存储器 外存储器 存储单元 4 输出设备 输出 output 的双重含义 1 把信息送出计算机的过程 2 从计算机输出的内容输出设备 outputdevices 功能 从计算机输出信息输出设备有多种 例如 显示器 输出文字 符号和图形打印机 打印文字 符号和图形扬声器 输出声音 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