第1讲 计算机基础知识.ppt

1 第一讲计算机基础知识 计算机系统概述计算机硬件系统和工作原理计算机软件系统微型计算机硬件组成 2 2 1计算机系统概述 系统软件应用软件 计算机系统 硬件系统 软件系统 硬件 软件 3 计算机系统的组成 输入设备 键盘 鼠标 扫描仪等输出设备 显示器 打印机 音箱等外存 软盘 硬盘 光盘 U盘等 计算机系统 软件 外部设备 系统软件 应用软件 硬件 运算器控制器 主机 内存 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 高速缓冲存储器 Cache 操作系统 DOS Windows Unix Linux语言处理程序 C C Java Basic等实用程序 诊断程序 排错程序等 通用 办公软件 数据库管理系统 专用 各种企业的管理信息系统 4 2 2 1计算机硬件系统 计算机硬件包括主机和外设 2 2计算机硬件系统和工作原理 5 计算机的五大部件 冯 诺依曼思想 二进制表示程序与数据都存放在内存五大模块 演示 计算机的基本结构 6 处理器 7 存储器 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合 每个记忆单元由8个二进制位组成 可读写其中的数据 存储器 存储器通常分为内存储器和外存储器 存放大量信息的外存储器 信息交流中心内存储器 8 存储器 每个记忆单元由8个二进制位组成 1KB 210B 1024B1MB 210KB 1024KB1GB 210MB 1024MB1TB 210GB 1024GB1PB 210TB 1024TB 9 输入设备 常用输入设备 键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪等 常用输出设备 显示器 打印机 绘图仪等 10 2 2 2计算机基本工作原理 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码 完成一种操作 数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令其它指令 IfWhile AndOr 对计算机的硬件进行管理等 指令 结构 分类 操作码 要完成的操作类型或性质操作数 操作的内容或所存放的地址 11 计算机基本工作原理 1 指令的串行执行一条指令的执行过程分为以下3步骤 取指令按照指令计数器中的地址 从内存储器中取出指令 并送往指令寄存器 分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析 由译码器对操作码进行译码 将指令的操作码转换成相应的控制电位信号 由地址码确定操作数地址 执行指令由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息 去完成该指令所要求的操作 一条指令执行完成 指令计数器加1或将转移地址码送入程序计数器 然后回到 演示 指令的执行过程 12 计算机基本工作原理 1 指令的执行依次完成指令的三个部件后 才开始下一条指令的执行 在此过程中在执行某功能部件时 其他两个功能部件是不工作的 2 指令流水线技术指令流水线技术就是使这三个功能部件并行工作 以提高计算机执行指令的速度 现在的计算机一般采用流水线技术 三条指令的并行执行理论速度是串行执行的3倍 13 2 3计算机软件系统 软件是指程序 程序运行所需要的数据 以及开发 使用和维护这些程序所需要的文档的集合 操 统 作 系 语言处理 程序 实用程序 应用软件 系统软件 应用软件 用户 14 2 3 1系统软件 1 操作系统目的 计算机与人交互的接口 不必了解计算机内部结构 合理使用系统内包含的各种软 硬件资源 目前典型的操作系统有 Windows UNIX Linux等 详细介绍见第四章 15 1 机器语言机器语言是由 二进制代码按一定规则组成的 能被机器直接理解 执行的指令集合 例如 计算A 15 10的机器语言程序如下 1011000000001111 把15放入累加器A中0010110000001010 10与累加器A的值相加 结果仍放入A中11110100 结束 停机缺点 编程工作量大 难学 难记 难修改 只适合专业人员使用 由于不同的计算机的指令系统不同 机器语言随机而异 通用性差 是面向机器的语言 优点 程序代码不需要翻译 所占空间少 执行速度快 但是现在已经没有人用机器语言直接编程了 2 程序设计语言与语言处理程序 16 2 汇编语言 将机器指令的代码用英文助记符来表示 代替机器语言中的指令和数据 例如用ADD表示加 SUB表示减 JMP表示程序跳转等等 这种指令助记符的语言就是汇编语言 例如 计算A 15 10的汇编语言程序 MOVA 15 把15放入累加器A中ADDA 10 10与累加器A相加 结果存入A中HLT 结束 停机优点 汇编语言克服了机器语言难读等缺点 保持了其编程质量高 占存储空间少 执行速度快等优点 缺点 还是依赖于机器 通用性差 特点 源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言 常用于 过程控制等编程 17 3 高级语言 高级语言是由表达各种意义的自然语言和数学公式按照一定的语法规则来编写程序的语言 例如 计算A 15 10的BASIC语言程序如下 A 15 10 15与10相加的结果放入A中PRINTA 输出AEND 程序结束优点 通用性强 编程效率高 缺点 源程序要翻译成机器语言 代码不是最优的 18 常用高级语言 Fortran语言1954年推出 适用于科学和工程计算 COBOL语言是面向商业的通用语言 1959年推出 主要用于数据处理 随着数据库管理系统的迅速发展 很少使用 Pascal语言结构化程序设计语言 1968年推出 适用于教学 科学计算 数据处理和系统软件等开发 目前已被C语言取代 C C 语言1972年推出C语言 1983年加入面向对象的概念 改名为C 语言简练 功能强 适用面广 BASIC语言初学者语言 1964年推出 1991年微软推出可视化的 基于对象的VisualBasic开发环境 发展到现在的VB NET开发环境 则是完全面向对象 功能更强大 Java语言一种新型的跨平台的面向对象设计语言 1995年推出 适用于网络应用 TIOBE世界编程语言排行榜 19 20 语言处理程序 在所有的程序设计语言中 除了用机器语言编制的程序能够被计算机直接理解和执行外 其他程序设计语言编写的源程序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的机器语言程序 实现这个翻译过程的工具是语言处理程序 即翻译程序 用非机器语言写的程序称为源程序 通过翻译程序翻译后的程序称为目标程序 翻译程序也称为编译器 针对不同的程序设计语言编写出的程序 有各自专用的翻译程序 互相不通用 21 语言处理程序 汇编程序 汇编程序是将汇编语言编制的程序 源程序 翻译成机器语言程序 目标程序 的工具 汇编程序的具体翻译工作步骤 用机器操作码代替符号化的操作符 用数值地址代替符号名称 将常数翻译为机器的内部表示 分配指令和数据的存储单元 22 语言处理程序 高级语言翻译程序 1 解释方式解释方式的翻译工作由解释程序来完成 这种方式如同 口译 解释程序对源程序进行逐句分析 若没有错误 将该语句翻译成一个或多个机器语言指令 然后立即执行这些指令 若解释时发现错误 会立即停止 报错并提醒用户更正代码 解释方式不生成目标程序 优点 查找错误的语句行和修改方便缺点 执行速度慢 BASIC LISP等语言采用解释方式 23 2 编译方式 翻译工作由编译程序完成 如同 笔译 在纸上记录翻译后的结果 编译程序过程 对源程序编译产生目标程序 连接程序将目标程序和有关程序库组合成可执行程序 C OBJ EXE 优点 执行速度快 修改源程序后都必须重新编译 一般高级语言 C C PASCAL FORTRAN COBOL等 都采用编译方式 24 实用程序 完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 系统设置软件 不必直接修改注册表 慎用 超级兔子软件 Windows优化大师诊断程序 识别并且改正计算机系统存在的问题 控制面板 系统 硬件 设备管理器 备份程序 备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上 附件 系统工具 备份 反病毒程序金山毒霸 卡巴斯基文件压缩 解压程序WinRAR WinZIP 7 ZIP 25 2 3 2应用软件 为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 例如 1 办公软件包 微软Office 金山公司的WPSOffice2 图形和图像处理软件 Photoshop AutoCAD 3DSMAX3 数据库系统 Access MSSQLServer Oracle DB24 Internet服务软件 InternetExplore Outlook5 娱乐与学习软件 26 2 4微型计算机硬件系统 2 4 1主机系统1 微型计算机的诞生1971年Intel的工程师马西安 霍夫 M E Hoff 成功地在一个芯片上实现了中央处理器 第一片4位微处理器 Intel4004 第一台4位微型计算机 MCS 4 2 摩尔定律每18个月 集成度将翻一翻 速度将提高一倍 而其价格将降低一半 27 主机系统 主机的基本组成主板CPU存储器 内存 外存 28 1 主板 主板 MainBoard 也叫母板 MotherBoard 29 主要指标最重要的是前端总线频率和外频频率越高则性能越好芯片组 CPU是大脑 芯片组是心脏 由南桥 北桥组成 主板总线图 30 芯片组 是主板的核心 决定了主板的功能和档次 由北桥和南桥芯片组成 北桥芯片 MemoryControlHub MCH 负责与CPU联系 决定主板支持的CPU和内存的类型等 位置 离CPU和内存插槽最近北桥芯片决定了主板的性能 人们常用北桥芯片的代号来称呼主板 如使用Intel915北桥芯片的主板称为915主板 南桥芯片 I OControlHub ICH 负责与I O总线的通信 如PCI USB IDE SATA等 以及负责管理音频控制器 键盘控制器 时钟控制器 高级电源管理等 位置 离CPU插槽较远的下方 31 主板架构 主板架构概念 是对主板的尺寸 形状 各元器件的布局 排列方式和所使用的电源等制定的标准 所有主板厂商都必须遵循 主要解决散热 噪声等 常见架构ATX 最常见的主板架构 扩展插槽较多 数量在4 6个MicroATX 常说的 小板 扩展插槽较少BTX 新一代主板结构 但未成主流 ATX BTX 32 主频 外频和前端总线频率关系主频 外频 倍频系数外频是系统 总线 的时钟频率前端总线FSB频率的引入 FSB的频率 外频 4FSB是CPU和外界交换数据的唯一通道前端总线数据传输速率 前端总线频率 前端总线数据宽度 8字长和位数通常情况下 CPU位数 CPU的字长 通用寄存器的位数高速缓冲存储器容量越大越好 一般分为两级 核心数量通过提高CPU主频来提高计算机运算能力 在早期主频比较低的时候还可行 随着频率越高 耗电越多 热量越大 问题越多 多核心可以集成多个处理器核心 从而提高性能 制造工艺CPU内电路与电路之间的距离 单位是微米和纳米 1纳米 10 9米现在较先进的是65 45和32纳米 中央处理器CPU 33 主流CPU产品 Intel产品系列 AMD产品系列 龙芯 龙芯1号 龙芯2号 龙芯2号E 汉芯假冒 34 35 36 存储器 内存 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 高速缓冲存储器 Cache 外存 软盘和硬盘光盘CD DVD移动存储设备U盘和移动硬盘 内存储器 主存储器 速度快 容量小 价格较高 可由CPU直接访问 外存储器 辅助存储器 速度慢 容量大 价格低 CPU不可以直接访问 CPU RAM 外存 数据访问 37 RAM的发展 SDRAM 同步动态存储器 DDR 双倍数据速率SDRAM DDR2 DDR3 一个总线时钟周期读写一次数据 一个总线时钟周期读写两次数据 2倍 一个总线时钟周期读写两次数据并行存取两个数据 4倍 一个总线时钟周期读写两次数据并行存取四个数据 8倍 38 ROM 只读存储器 可读 不可写 掉电后数据不会丢失 BIOS BasicInputOutputSystem 即基本输入输出系统 是被固化到主板ROM芯片上的特殊程序 BIOS主要功能 识别各种硬件 包括型号 引导操作系统进行硬件最直接的底层操作 如读文件等 引导操作系统过程自检 检查电脑硬件是否良好 初始化 读取CMOS里设置的参数 对硬件进行设置 引导操作系统 39 Cache 高速缓存 Cache CPU的速度很快而内存速度较慢 怎么办 Cache 集成在CPU内部 高速 容量小 Cache与内存数据交换是以块 页 为单位的 CPU首先从Cache中查找 如果没有找到 再从内存中读取 同时把这个数据所在的数据块调入Cache中 一级缓存L1Cache 容量小 二级缓存L2Cache 容量大 两者主要区别在于CPU查找数据的顺序 一般由SRAM 静态随机存储器 构成 40 外存储器 外存储器大容量 长期保存数据 便宜 外存 磁盘 软盘和硬盘光盘 CD DVD移动存储设备 U盘 移动硬盘 Flash存储器 41 软盘 FloppyDisk 微机使用的软盘直径为3 5英寸 简称为3寸盘 容量为1 44MB 软盘容量太小 单位容量成本高 速度慢且可靠性差 早已被U盘替代 42 硬盘 硬盘 HardDisk PC机中最主要的辅存 容量大 盘片 一个硬盘有多个盘片 每盘片有上 下两个面 都可以保存数据 磁道 盘片上不同半径的同心圆为磁道 扇区 一个磁道被划分为多个扇区 柱面 不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面 存储容量 磁盘面数 磁道 柱面 数 扇区数 每扇区字节数 信息记录可表示为 磁头 盘片 号 磁道 柱面 号 扇区号 43 难点 硬盘接口IDE接口是一种并行接口连接IDE硬盘连接CD或DVD驱动器SATA接口是一种串行接口SATA1 0数据传输率达到150MBpsSATA2 0数据传输率达到300MBpsSATA3 0数据传输率达到600MBps 硬盘接口 44 硬盘种类 笔记本硬盘的直径一般仅为2 5英寸和1 8英寸 移动硬盘 笔记本硬盘 读写控制电路 外部接口 外部接口有USB和IEEE1394 USB2 0速度可达480Mbps IEEE1394速度可达400Mbps固态硬盘 solid statedisk SSD 是运用Flash芯片发展出最新的硬盘 结实耐用 能适应极端的温度或湿度 适合工业或军事用途 但价格高 45 光盘 CD的容量一般为650MDVD的容量为4 7G 50G 因采用更细的激光束 故具有更高的存储密度 光驱 CD ROM光驱 只能读取CD光盘 DVD ROM光驱 可以读取CD和DVD光盘COMBO光驱 集合了CD DVD的读取和CD的刻录 DVD刻录光驱 包括了CD DVD的读取和CD DVD的刻录 光驱的数据读取速率用倍速来表示 CD光驱的1倍速是150KB s DVD光驱的1倍速是1350KB s CD最高为64倍速 DVD为20倍速 46 总线 Bus 是各部件 或设备 之间传输数据的公用通道 共享总线带宽如 USB总线PCI总线 独享总线带宽如 AGP总线PCI E总线 总线 南桥芯片 设备1 设备3 设备2 总线 47 总线 衡量总线的指标是总线带宽总线带宽 总线工作频率 总线位宽 传输次数 8 地址总线 传输地址信息数据总线 传输数据信息控制总线 传输控制信息 内部总线 连接CPU的各个元件 芯片内部 系统总线 连接计算机中各大部件 CPU和内存 外部总线 连接计算机和外部设备 硬盘和光驱 连接对象 传输内容 并行总线 通信速度快 实时性好串行总线 简易 方便 灵活 通信方式 48 微机系统总线 常见的总线有 ISAPCIPCI EAGP 49 PCI PCI是一种32位数据的并行总线 可扩展为64位 总线频率为33MHz或66MHz 最大传输速率 66M 64 8 532MB s 优点是结构简单 成本低 设计容易 缺点是总线带宽有限 总线频率有限 并且多个设备是共享总带宽 50 PCI Express 是一种串行总线 是替代PCI的新总线 有多个通道 Lane 各个通道相互独立 即PCI E的x1 x2 x4 x8 x12 x16和x32等 每个通道单向传输带宽可达250MB s 双向为500MB s 优点是数据传输速率高 而且带宽是各个设备独享的 PCI Ex1取代传统的PCI 而PCI Ex16取代AGP 51 AGP AGP AcceleratedGraphicsPort 图形加速端口 是显卡的专用扩展插槽 在PCI基础上发展而来的 AGP接口也有多个通道的版本 AGP1x AGP2x AGP4x AGP8x AGP4x的数据传输带宽可达1066MB s 52 预计 串行总线将逐渐取代并行总线原因 并行总线在高频率的情况下容易出错串行总线 RS232 PS 2 USB SATA等 串行总线和并行总线 速度 53 USB接口 USB1 1最高传输速率可达12Mbps少见USB2 0传输速率可达480Mbps普遍USB3 0传输速率可达5Gbps新兴 IEEE1394 支持的设备有DV 移动硬盘 音响设备可达400Mbps 将来800Mbps 1Gbps 1 6GbpsPS 2接口串行口并行口 各种接口 54 基本输入和输出设备 键盘 鼠标 触摸屏 显示器