预备基础知识

预备基础知识 计算机是一种能够按照指令快速而高效地完成信息处理的数字化电子设备 它能按照人们编写的程序对原始输入数据自动加工处理 存储或传送 以便获得所期望的输出信息 从而利用这些信息来提高社会生产率并改善人民的生活质量 计算机科学是对描述和变换信息的算法过程的系统研究 是研究计算机及其应用的学科 计算机系统的定义 1计算机的发展与应用 人类追求计算的工具 加法器 1642Pascal 差分机 1822 1计算机的发展与应用 分析机 1833 ENIAC 1946 1计算机的发展与应用 世界上第一台计算机于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生 取名为电子数字积分计算机 简称ENIAC 因为它首次使用了电子元件来进行运算 因此 ENIAC被公认为电子计算机的始祖 自从1946 艾尼阿克 问世以来 短短几十年的时间 计算机的发展已经使我们的生活发生了翻天覆地的变化 ENIAC1946美国 18000个电子管占地170平方米重达30吨耗电150千瓦保存80个字节每秒5千次加 减法运算采用十进制计算 不能存储程序 ENIAC在更换线路进行新的计算 EDVAC 以 诺 诺依曼 博士提出的 存储程序 模型为基础的电子计算机由五大部件组成采用二进制进行计算现代计算机基本都以此为模型 计算机的发展历史 根据计算机所采用的元器件以及它的性能 体积 应用等 可以将计算机的发展划分为四个阶段 第一代 电子管计算机 约1946 1958年 第二代 晶体管计算机 约1958 1964年 第三代 集成电路计算机 1964 1971 第四代 大规模集成电路和超大规模集成电路 1971年至今 LSI LargeScaleIntegratedCircuit VLSI VeryLargeScaleIntegratedCircuit 1 计算机的发展 电子管及以其为核心构成的计算器件 晶体管及以其为核心构成的计算器件 集成电路图 Intel4004和采用4004的计算器 Apple微型计算机 Apple I Apple II IBMPC系列机 8088CPU IBMPC机 IBMPC AT机 IBMPC XT机 Intel微处理器芯片 2005 02 21 P46XX发布起跳频率为3 2GHz L2Cache2MB 售价为215欧元 返回 Intel386 微型计算机的硬件组成 微型计算机的硬件组成 返回 目前 第五代计算机仍处于研制之中 第五代计算机又称为人工智能计算机 主攻目标 让计算机具有人的听 说 读 写和思维推理能力 目前有各种设想及发展方向 并都取得了一定的进展 神经网络计算机用数据单元模拟人脑的神经元 并利用神经元结点的分布式存储和相互关联来模拟人脑活动生物计算机使用蛋白分子为主要原料制成的生物芯片构成 存储能力巨大 而且以波的形式来传播信息量子计算机 第五代计算机 在推动计算机发展的诸多因素中 电子器件和数学的发展是两个最重要的因素 特别是电子器件的发展是最活跃的因素 从计算机的发展历史来看 大约每隔5 8年 计算机的速度就提高10倍 而成本则降低10倍 这就是著名的 摩尔定律 摩尔博士 Intel公司的创始人 于1964年提出此预言 其原话为 计算机中集成电路上的元件数将以每18个月翻一番的速度增长 计算机第一定律 摩尔定律 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 3 微型计算机的发展 微型计算机作为计算机的一个发展分支 诞生于上个世纪70年代 1971 最早的有影响力的微机是美国苹果公司生产的苹果机 1981年 世界上最大的计算机制造公司IBM公司推出了IBM PC机 PC即PersornalComputer 从此拉开了计算机以难以想像的速度影响和渗透到人们的工作和生活中的序幕 1971年 Intel公司生产了世界上第一台微型计算机MCS 4 1976年 Apple公司生产了早期有具大影响力的Apple 1981年 IBM PC问世 1982年 IBM公司推出286微机 1985年 Inter推出了32位的80386CPU 1989年 Inter推出了32位的80486 1993年 Inter推出了Pentium 计算机的核心部件是CPU 即中央处理器 它是计算机中技术含量最高 对计算机性能影响最大的部件 因此微机的发展与CPU的发展密切相关 我国计算机的发展历程 我国的计算机事业始于上个世纪50年代 1956年我国制定了 1956 1967年科学技术远景规划 将电子计算机选定为重点项目之一 到今天的50多年里 我国也经历了从第一代到第四代计算机的发展过程 1958年 我国第一台电子数字计算机103研制成功 1983年 1亿次的银河计算机问世 1985年 我国成功研制出第一台PC机 长城0520 1997年 国防科大研制的银河 型巨型计算机运算速度已达百亿次 2006年 我国的浪潮巨型机在世界顶级计算机中的排名第40位 我国计算机的发展历程 2008年7月 我国自主开发的 曙光5000A 正式下线 其运算速度达到230万亿次 使我国成为除美国外第二个自主开发出百万亿次计算机的国家 而其速度当时世界排名第十 天河一号 超级计算机系统摘下2010年度世界超级计算机TOP500排名榜第一名 2011年排第二 峰值速度4700万亿次每秒 持续速度 LINPACK实测值 2566万亿次每秒浮点运算 天河二号 2013年6月 国防科技大学研制 峰值计算速度每秒5 49亿亿次 天河二号占地面积720平方米 内存总容量1400万亿字节 存储总容量12400万亿字节 最大运行功耗17 8兆瓦 2013年排名 4 计算机的发展趋向 目前计算机的正朝着以下方向发展 巨型化 更快 更高 更强微型化 无处不在的计算机网络化 实现信息共享智能化 像人一样地学习 工作其它的发展特征多样性平民化多用途 1 2计算机的特点与类型 计算机的特点 运算速度快 计算精度高 现代一些尖端科学技术问题对精确度的要求不断提高 人工计算不可能达到要求有记忆功能且存储容量巨大 计算机可以存储成千上万乃至上亿的原始数据 中间结果 计算机指令等信息 需要时又可以准确无误地取出 具有算术运算和逻辑判断能力 计算机不仅具有加 减 乘 除等算术运算能力 而且能对有关信息进行比较 具有逻辑判断和推理的能力 计算机的逻辑判断和推理能力是其他计算工具所无法比较的 具有自动执行能力 计算机不仅存储数据 还能存储程序 用户可以将编写好的程序输入计算机 由程序控制计算机自动进行工作 不需要人工干预 计算机的分类 计算机按其运算速度 存储容量 软 硬件规模可分为 巨型机小巨型机大中型机小型机工作站微型机 个人计算机 按计算机用途又可分为 专用计算机的通用计算机 1 3计算机的应用领域 1 3计算机的应用领域 总的来说 计算机的应用可以分为以下几个方面 科学计算 早期的计算机主要运用于科学计算 直到今天 科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域 在现代科学和技术工程中常常会遇到复杂的科学技术问题 利用计算机的高速度 大容量和连续运算的能力 可完成人工无法完成的各种科学计算问题 数据处理 也称为信息处理 就是利用计算机来加工 管理和操作任何形式的数据资料 信息处理是目前计算机应用最广泛的领域 计算机辅助系统 计算机辅助设计 CADComputerAidedDesign 计算机辅助制造 CAMManufacturing 计算机辅助测试 CAT 计算机辅助工程 CAEEngineering 计算机辅助教学 CAIInstruction 办公自动化 OA 无纸办公生产自动化 过程检测和控制即自动控制或实时控制 广泛应用于工业生产以及航空 军事等领域 计算机网络通信现代通信技术和计算机技术相结合出现了计算机网络通信 它是以传输信息为主要目的 在广大的物理区域内 将分布在不同地点 不同机型的计算机用通信网络联系起来 组成一个大规模 功能强的计算机群 计算机联网后极大地方便了信息交流 传递 众多的计算机可以共享更多的计算机软 硬件资源 电子商务电子商务是指利用电子网络环境进行的各种商务活动的方式 电子政务 1 4计算机系统的组成 计算机系统的组成 计算机系统的硬件 1 4计算机系统的组成及工作原理 一个完整的计算机系统通常由计算机硬件和计算机软件两部分组成 1 计算机的硬件系统 计算机硬件是组成计算机系统的物理设备 如显示器 主机 键盘等 根据组成计算机各部分的功能来划分 计算机可以分为运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五个部分组成 硬件图示 五个基本组成部分之间的关系 这种计算机模型因为最早由冯 诺依曼提出 因此 又被称为 冯 诺依曼 机 第一代到第四代计算机均主要采用这种计算机结构 在微机中 运算器和控制器被集成在一起 合称CPU CentralProcessingUnit 包括运算器和控制器 事实上 这种模型完全和人类进行计算时的思维是一致的 现代计算机实物模型 现代计算机模型 计算机的基本工作原理 计算机并不具备主动思维的能力 它的所有动作及处理过程都是按人们事先设定好的程序进行的 CPU 例如 假设要计算的题目为3 4 8 2 它在计算机中是如何计算的呢 在右图中 X1 X5均为计算机中的内存单元 其中X1 X4分别存放原始数据 X5用于存放计算时的中间数据和最终结果 计算机中的内存单元 计算机中的内存单元 CPU 计算过程 1 CPU从X1中取出3放入计算器中 2 CPU从X2中取出4 与原来的3进行相乘 并将结果存放到X5 3 从X3中取出8 欲计算的题目 3 4 8 2 4 从X4中取出2 与8相除 5 从X5中取出原来存入的中间结果12 与上一步的结果4相加 并将最终结果存入X5中 CPU进行计算 3 4 CPU进行计算 8 2 CPU进行计算 4 12 1 指令 使计算机完成某个基本操作的一组代码 在计算机中仍为二进制 包括操作码和操作数 2 指令系统 用来规定计算机的各种操作 决定机器功能的全部指令的集合 3 程序 完成特定任务的一组指令序列的组合 4 存储程序原理 其实现的基本工作过程为 1 事先编制程序 2 将程序 包括数据和指令 装入存储器 内存 3 CPU中的控制器和运算器按照存储器中程序的指挥 来自动控制全机协调地完成任务 几个基本概念 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 1 CPU centralprocessingunit 即中央处理器 由于大规模集成电路技术的发展 控制器和运算器等都已经集成在它里面 典型的CPU及其类型 目前市面上CPU的主要由两个厂家生产 Intel和AMDIntel到目前为止 一直是世界上最大的微机CPU生产厂商 现在其生产的CPU主要是Core2 酷睿2 及i系列 i3 i5 i7 与以前的P4相比 除了主频有所提升外 多核技术以及大的Cache是其最大特色 此外 IntelCPU还包括Xeon至强 Celeron赛扬 经济型 核心与同时代的奔腾几乎完全相同 区别在于减少了Cache的容量 AMD的CPU目前主要是以Opteron 皓龙 及Sempron 速龙 为主 两者都是64位的CPU 而后者性能相当于赛扬 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 2 内存储器 又称为计算机的主存储器 它的容量一般不大 分为RAM和ROM RAM randomaccessmemory随机存取存储器 特点是速度快 可读可写 但断电后其中的信息自动消失 ROM readonlymemory只读存储器 特点是其中的信息只能读出不能写入 但不会因断电而消失 一般在主板上 一般说内存时指的是RAM注意 在计算机中 CPU只和内存直接交换数据 程序也必须进入内存才能运行 RAM内存的典型代表 内存条 现在的内存基本上都是DDR2 DDR3内存 DDR内存的第2 3代 同时 性能是上一代的两倍 DDR内存则是早期的SDRAM的升级版 第一个D相当于Double 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 3 外部存储器 又称为辅存 它包括磁盘 软 硬盘 磁带 光盘等 外存的特点是 价格低 容量大 注 外存不能直接与CPU交换信息 里面的信息必须先进入内存 微机常用的外存储器有三种 软盘存储器 硬盘存储器和光盘存储器 1 软盘存储器 存储格式 磁道 同心圆信息记录道 编号由0开始 扇区 sector 磁面软盘的容量 磁面数 磁道数 扇区数 512B写保护 保养 软盘的内部盘片 2 硬盘 微机上用的硬盘由盘片 驱动电机和读写磁头等组装并封装在一起 早期叫温彻斯特驱动器 硬盘作为微机系统的外存储器成为微机的主要配置之一 由多个金属盘片组成 并有多个磁头同时读写目前常用500GB硬盘 主流硬盘转速有5400转 分和7200转 分 硬盘存储器 3 CD光盘存储器CD光盘具有容量大 寿命长 价格低等特点一个CD光盘的容量为650MBCD 只能读CD R 只读 一次写入型CD RW 可擦写型光盘刻录机 COMBO 康宝 4 DVD光盘存储器一个DVD光盘容量为4 7 17GB目前流行16倍速DVD 移动存储设备 U盘 U盘又称为 优盘 闪存 等 其名称来源于它的接口为USB接口 通用串行总线 而其存储技术采用所谓的 FlashMemory 故也被称为 闪存 U盘使用时不需要物理驱动器 也不用外接电源 具有小巧 便携 可靠 抗震性好 易于操作等特点 目前许多在许多便携场合中被广泛应用 如手机存储卡 MP3 MP4等 移动存储设备 移动硬盘 移动硬盘与U盘的工作原理不一样 其核心部件与硬盘相同 因此其抗震性不如U盘 但具有以下优点 容量大 一般在60G以上 远大于目前主流的U盘传输速度高 一般采用USB接口或IEEE1394接口 又被称为Fireware 火线 另外 由于其采用的是硬盘技术 故其工作时的读写速度高于U盘单位容量价格比U盘便宜得多 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 除上述几种存储器外 微机中还有一种特殊的存储器 CACHE 即高速缓冲存储器 简称为 高速缓存 它的作用是解决CPU与内存之间的速度瓶颈 其特点是存取速度非常快 但成本很高 几种存储器的速度比较为 CACHE 内存 硬盘 光盘 软盘 CACHE SSD 固态硬盘 固态硬盘 SolidStateDisk IDEFLASHDISK 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 FLASH芯片 组成 其特点有 1 读写速度快 采用闪存作为存储介质 读取速度相对机械硬盘更快 固态硬盘不用磁头 寻道时间几乎为0 持续写入的速度非常惊人 2 物理特性 低功耗 无噪音 抗震动 低热量 体积小 工作温度范围大 固态硬盘没有机械马达和风扇 工作时噪音值为0分贝 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 4 输入设备 如键盘 鼠标等 2 微型计算机硬件系统 现代微机的实物模型 5 输出设备 如显示器 打印机等 输出设备 显示器的分类 显示器可分为CRT显示器和液晶显示器两种 CRT 阴极射线管LCD 液晶分辨率 一般指每行能显示的点数及共有多少行 越高越好 数据的显示过程是 主机在内存中开辟一片区域 称为显示缓冲区 主机把要输出显示的数据发送到这片内存中 显卡则首先控制从这片内存中取出数据并放到显示内存中 然后再控制把这些数据显示在显示器的屏幕上 一屏有多少个光点 像素 称为显示器的分辨率 光点亮度的深浅变化层次 称为灰度 它可以用颜色来表示 分辨率和灰度决定了所显示图象的质量 例如 显示器的分辨率为1024 768 颜色为256色 因256色时一个像素点需要1个字节 8位 来表示颜色 所以整个屏幕的数据总量就是 1024 768 1个字节 786432字节 786K字节 显示器通过显示器控制卡 简称显卡 与主机相连 显卡主要由显示内存 显存 和控制电路组成 显存存储当前要显示的一屏数据 输出设备 打印机的分类 常见的打印机有三大类针式打印机喷墨打印机激光打印机技术指标 分辨率 PPI pointperinch 搭载主机内硬件的平台 主板 主板侧面的接口 计算机的主要性能指标 字长 即CPU一次能够同时处理的二进制数据的位数 一般而言 字长越长 CPU的处理数据的能力也越强 时钟频率 主频 指CPU在单位时间内 秒 平均要动作的次数 单位为MHz 现在一般为GHz 一般主频越高 运算速度越快 运算速度 指计算机每秒内能够执行的指令条数 单位为MIPS 因为主频决定着运算速度 因此 也常用主频来标称运算速度 内存容量 指计算机中的内部存储器的容量 单位为MB或GB 它反映了计算机的内部存储器存储信息的能力 是影响整机性能的重要因素 注 内存不同于外存 硬盘 容量 计算机系统的软件 计算机的软件系统 如果把计算机硬件看作人的躯体 那么软件就是其思想 或者说是灵魂 没有配备任何软件的计算机称为裸机 计算机的软件和硬件是一个整体 是不可分割的 系统软件 管理 控制和维护计算机以及外部设备 提供用户与计算机之间的界面和支持 开发各种应用软件的程序 其中操作系统是系统软件中的核心部分 1 操作系统 它是计算机中最基本 同时也是最重要的系统软件 其功能主要有两个方面 一是通过对计算机资源的管理 提高计算机的使用效率 二是为用户提供良好的使用环境 具体地说 操作系统有五大功能 进程和处理机管理 存储管理 作业管理 设备管理和文件管理 微机中常用的操作系统有DOS Windows系列 如Windows9X WindowsXP等 UNIX Linux等 操作系统的分类 1 单用户操作系统 如