文化基础教案(第一章).doc

第1章 计算机的发展一、计算机的发展1.早期计算工具的发展最早的计算工具是手指，但只能从1到20。公元前1300年，甲骨文中有记载，从一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、万这13个数字。算筹起源于周朝，是一根长短和粗细的小棍子，用来记数。算盘起源于宋朝。2.早期计算机的发展计算机发展经历了机械式计算机、机电式计算机和电子计算机3个阶段。1625年，英格兰人威廉 奥特雷发明了能进行6位的加减法的滑动计算尺。1642年，法国数学家帕斯卡设计出能进行8位十进制的加法器。1822年，英国数学家巴贝奇制造出了差分机。3.现代计算机的发展第一代计算机（1946年20世纪50年代末）电子管计算机时代第一代计算机基本都采用了电子管作为计算机的基本元器件，普遍体积庞大、笨重、耗电量大、可靠性差、计算速度慢、维护困难；从软件方面来看，主要都是采用机器语言来进行程序编辑（50年代中期开始逐渐使用汇编语言）。这一代计算机主要服务于军事和科学研究，其中具有代表意义的机器有ENIAC、EDVAC、EDSAC、UNIVAC等，我国的典型机种有“103”、“104”等。第二代计算机（1958年1964年），晶体管计算机时代第二代计算机的电子元器件使用的是半导体晶体管，因为技术的革新而来使计算速度和可靠性都有了大幅度地提高。汇编语言已经普及，在此基础上，逐渐开始使用计算机高级语言（如FORTRAN语言、COBEL语言等）。随着计算机的成本降低，计算机的应用范围开始扩大，由军事、科学领域扩展到数据和事务处理。在这一时期，具有代表意义的机器有IBM 7000系列计算机等。第三代计算机（1964年1972年），集成电路计算机时代在这一代，计算机开始逐渐的普及，主要采用的是集成电路。由于电子器件的微小化使得计算机体积变小，速度变快，价格却更加便宜；存储容量和存取速度上也有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力；系统软件也有了巨大的发展，出现了分时操作系统；在程序设计上采用了结构化的程序设计，简化了软件的开发。在这一时期，具有代表意义的机器有国外的IBM-360，我国的“655”、“709”等。第四代计算机（1972年至今）大规模、超大规模集成电路计算机时代第四代计算机是使用大规模、超大规模集成电路的电子元器件。软件方面，操作系统、数据库系统得到飞速发展，软件行业发展成为现代新兴的热门行业。在这一代计算机中，由于使用了大规模、超大规模集成电路，使得微型计算机异军突起，遍及全球。计算机开始普及，应用领域扩大到了社会的每一个角落。在这一代计算机中，机体积越来越小、功能越来越高、造价便宜，使计算机应用走进了人类的生活之中。典型机种有国外的IBM-307，我国的“银河”、“152”等。4.微型计算机的发展第一台微型计算机发明人爱德华 罗伯茨于1975年设计了牛郎星计算机。1981年8月12日，IBM公司推出了第一台16位个人计算机IBM PC 5150.1983年3月，IBM公司改进机型IBM PC/XT，1984年8月推出了IBM PC/AT微机，支持多用户、多任务，操作系统采用DOS 3.0，1985年6月，长城0520研制成功，中国大陆第一台自行研制的PC兼容微机。二、计算机的类型1.计算机系统的分类2.大型计算机大型计算机包括超级计算机、大型集群计算机、大型服务器等。超级计算机主要用于科学计算、军事领域、以及国家大型项目等。超级计算机有专用设计和集群设计两种方案，目前市场主流是采用集群设计方案（占超级计算机的80左右）。大型集群计算机是利用多台（几台到上万台）独立的计算机，组成一个计算机群，使多台计算机能够像一台超级计算机那样统一管理和并行计算。集群计算机一般采用专用操作系统（80的集群计算机采用Linux）和集群软件实现并行计算，而价格只有专用大型计算机的几十分之一。集群计算机具有可增长的特性，也就是可以不断向集群系统中加入新的计算机。集群计算机提高了系统的稳定性和数据处理能力，绝大部分超级计算机都采用集群技术，大型计算机主要用于大型工程项目。大型服务器一般采用专用的系统结构，一般用于通信、网络、工程计算等项目。3.微型计算机大致可分为个人计算机（PC）、苹果微机（Mac）、笔记本微机、平板微机、掌上微机（PDA）等类型。1） PC系统微机1981年，IBM公司推出个人计算机系统，采用Inter公司CPU作为核心部件，以后，凡是能够兼容IBM PC的微机产品都称为“PC”机。目前大部分桌面微机采用Intel和AMD公司的CPU产品。如果从微机应用范围分类，可以分为台式微机、笔记本微机、PC服务器、平板微机等类（1）台式微机台式微机在外观上有立式和卧式门种类型，它们在性能上没有区别。台式微机主要用于企业办公和家庭应用，因此要求有较好的图形和多媒体功能由于台式微机应用领域文广泛它们的软件也是为丰富的，这类微机有较好的性价比。(2）笔记本微机笔记本微机主要用于移动办公，因此要求机器具有短小轻薄的特点。笔记本微机在硬件上虽然按照PC设计规范制造，但是由于受到体积的限制不同厂商之间的产品是不能互换的。在与台式微机相同的配置下，笔记本微机的性能要低于台式微机，价格也要高于台式微机。笔记本微机屏幕大小有10，12,14,15,17,20英寸儿种类型，重量有Ikg以下，1一2k，3kg左右儿种类型。笔记本微机一般具有无线通信功能。笔记本微机的尺寸虽然小于台式微机，但它的软件系统与台式微机是兼容的(3)PC服务器PC服务器往往采用机箱或机架等形式，机箱式PC服务器体积较大，便于今后扩充硬盘等l/o设备；机架式PC服务器体积较小，尺寸标准化，扩充时在机柜中再增加一个机架式服务器即可，如图1一11所示。PC服务器一般运行在WindowS Server或Linux操作系统下，在软件和硬件上都与其他PC微机兼容。PC服务器硬件配置一般较高。例如它们往往采用高性能的CPU，如Intel至强”系列CPU产品有时甚至采用多CPU结构；内存容量一般较大而且要求具有ECC（错误校验）功能；硬盘一也采用高转速和支持热拔插的SCSI硬盘由于大部分服务器要求不间断工作，因此往往采用冗余电源。它们主要用于网络服务器主机因此对图形和多媒体功能几乎没有要求，但是对数据处理能力和系统稳定性有很高要求。2）苹果系列微机美国苹果公司是早期微机生产厂商之一。苹果公司目前的微机产品有苹果Power Mac G5系列。这些产品在硬件和软上均与PC系列微机不兼容。但是，由于软件与PC机不兼容，所以造成大量PC软件不能在Mac微机上运行。另外，苹果Mac微机没有兼容机，因此，价格偏高，影响了它的普及。苹果微机主要应用于美术设计、视频处理等行业。3）平板微机平板微机是Microsoft公司2002年11月推出的一种新式微机，也称为“Tablet PC。平板微机是一种小型的、方便携带的个人计算机，平板微机最典型的产品是苹果公司的iPad。平板微机在外观上只有杂志大小，现在主要采用苹果和安卓操作系统，它以触摸屏作为基本输入设备，所有操作都通过手指或手写笔完成，而不是传统的键盘和鼠标。平板微机一般用于阅读、上网等。平板微机的应用软件专用性强这些软件不能在台式微机或笔记本微机上运行，普通微机上的软件也不能在平板微机上运行。4.嵌入式系统嵌入式系统的基本组成嵌入式系统是一种为特定应用而设汁的专用计算机系统，或者作为设备的部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。嵌人式系统是一个外延极展的名词，凡是与工业产品结合在一起，并且具有计算机控制的设备都可以称为嵌入式系统。嵌人式系统一般由嵌入式计算机和执行装假组成。嵌人式计算机是整个嵌人式系统的核心；执行装置也称为被控对象，它可以接收嵌人式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微型电机当手机处于震动接收状态时打开；执行装置也可以很复杂，如SONY公司的智能机器狗，它集成了多个微型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。2嵌入式系统的主要特征(l）系统内核小(2）专用性强(3）系统精简(4）固态存储3嵌入式系统的主要应用（1）工业控制（2）交通管理（3）其他应用领域三、计算机的基本工作原理及结构1.计算机的基本工作原理现代计算机的基本工作原理是由美科学家冯 诺依曼于1946年提出来的。提出了程序存储式电子数字自动计算机的方案，并确定了计算机硬件体系结构的5个基本部件：输入、输出设备、控制器、运算器和存储器，从计算机的第1代至第4代一直不有突破。1）冯诺依曼计算机结构模型主要包括5个基本部件：输入、输出设备、控制器、运算器和存储器。（运算器）运算器也你算术逻辑单元，包括算术运算和逻辑运算。在控制器控制下，运算器从存储器中取出数据时行运算，然后将结果写回存储器中。(2)控制器用来控制程序和数据的输入和输出，以及各个部件的协调运行。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和其他控制单元组成。控制器工作时，它根据程序计数器中的地址，从存储器中取出指令送到寄存器中，经译码单元译码后，再由控制器发出一系列命令信号，送到有关硬件部位引起相应动作，完成指令所规定操作。(3）存储器存储器的主要功能是存放运行中的程序，存储器是指内存单元。存储器中有成千上万个存储单，每个存储单元存放一组二进制信息。对存储器的基本的操作是数据的写入或读出。（4）输入设备用来将现实世界中的数据输入到计算机中，第二个功能是由用户对计算机进行操作。（5）输出设备将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式，如数字、文字、图形等2）.采用二进制形式表示数据和指令3）.存储程序2.指令和指令系统（1）指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码和操作数两部分组成。操作码指要完成的操作类型或性质，操作数指明操作对象的内容或所在的存储单元地址。（2）指令系统一台计算机的所有指令的集合称为该计算机的指令系统。（3）指令的执行取指令指令译码指令执行结果写回3.微机系统结构微机系统中1357规则1个CPU、3大芯片（北桥、南桥、BIOS）、5大接口（串行ATA接口、外部硬盘接口、超级输入输出接口、以太网接口、音频接口）、7大总线（FSB前端总线、MB内存总线、PCIE显示总线、IHA南北桥连接总线、PCI外部设备总线、LPC少针脚总线、USB通用串行设备总线）4.未来的新型计算机（1）超导计算机（2）量子计算机（3）光子计算机（4）生物计算机（5）神经网络计算机四、计算机硬件系统的组成1.计算机系统的组成（1）计算机系统2.CPU系统中央处理器（Central Processing Unit）的缩写，即CPU，CPU是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。它负责系统的数值运算和逻辑判断等核心工作，并将运算结果分送内存或其他部件，以控制计算机的整体运作。CPU内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分。CPU的发展历程，也是计算机硬件体系结构和理论的发展历程。CPU是判断计算机性能高低的首要标准，它一般安插在主板的CPU插槽上。主要性能指标：w 主频主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。w 外频外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。w 前端总线(FSB)频率前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。w CPU的位和字长位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是 “0”或是“1”在CPU中都是 一“位”。w 倍频系数倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。w 缓存缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。w CPU扩展指令集CPU依靠指令来自计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。w 制造工艺制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。3.计算机主板主板，又被称作主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。4.存储器系统存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失。存储器的分类w 按存储介质分半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。 磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。 w 按存储方式分随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。 顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。 w 按存储器的读写功能分只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。 随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。 w 按信息的可保存性分非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。 永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。 w 按存储器用途分根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。 为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。 w 名称简称用途特点高速缓冲存储器Cache：高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。主存储器：内存存放计算机运行期间的大量程序和数据 存取速度较快，存储容量不大。 外存储器：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库 存储容量大，制作成本低。内存储器内存储器也称为主存或内存，是微型机的一个重要组成部分。计算机执行的所的程序和操作的数据都要先放入内存，因此其工作速度和存储容量对系统的整体性能、系统所能解决问题的规模和效率都有很大的影响。内存是直接与CPU相联系的存储设备，是微型计算机工作的基础，位于主板上。通常，内存储器分为只读存储器、随机读写存储器和高速缓冲存储器3类。w 只读存储器(Read 0nly Memory，ROM)ROM是指只能读数据而不能往里写数据的存储器。ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在里面的一些程序，使用者不能随意更改。ROM主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入输出控制程序，如存储BIOS参数的()MOS芯片。其特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在。w 随机读写存储器(Random Access Memory，RAM)RAM是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。随机读写的含义是指既能从中读数据，也可以往里写数据。通常所说的128MB内存就是指RAM。该设备主要有两个特点：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时存储器中的内容才被更新；二是存储器中的信息会随着计算机的断电自然消失，所以说RAM是计算机处理数据的临时存储区。要想使数据长期保存起来，必须将数据保存在外存中。目前微机中的RAM大多采用半导体存储器，基本上是以内存条的形式进行组织，其优点是扩展方便，用户可根据需要随时增加内存；常见的内存条根据主板上的内存插槽类型有SDRAM(168线)、DDR(184线)和Rambus内存3种类型，它的存取速度用纳秒(ns)来计算，在内存条上标有-6、-7、-8等字样，该读数越小，说明内存速度越快。存储容量有64MB、128MB和256MB等几种。使用时只要将内存条插在主板的内存插槽上即可。w 高速缓冲存储器(cache)Cache是指在CPU与内存之间设置一级或两极高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器。在计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。设置高缓就是为了解决CPU速度与RAM的速度不匹配问题。通常，Cache的容量在32KB256KB之间，存取速度在l 5ns35ns之间，而RAM存取速度一般要大于80ns。外部存储器外部存储器即外存，也称辅存，是内存的延伸，其主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。常见的外储存器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。硬盘存储器硬盘（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive 简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。硬盘主要包括盘片、磁头、盘片主轴电机、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分。光盘光盘以光信息做为存储物的载体。用来存储数据的一种物品。分不可擦写光盘，如CD-ROM，DVD-ROM等；和可擦写光盘，如CD-RW，DVD-RAM等。即高密度光盘(Compact Disc)是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息,又称激光光盘。由于软盘的容量太小，光盘凭借大容量得以广泛使用。我们听的CD是一种光盘，看的VCD、DVD也是一种光盘。 现在一般的硬盘容量在3GB到3TB之间，软盘已经基本被淘汰，CD光盘的最大容量大约是700MB，DVD盘片单面4.7GB，最多能刻录约4.59G的数据（因为DVD的1GB=1000MB，而硬盘的1GB=1024MB）(双面8.5GB，最多约能刻8.3GB的数据)，蓝光（BD）的则比较大，其中HD DVD单面单层15GB、双层30GB；BD单面单层25GB、双面50GB。闪存盘(u盘)U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”，如图2.16所示。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。USB接口就连到电脑的主机后，U盘的资料可与电脑交换。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”。后来U盘这个称呼因其简单易记而广为人知，而直到现在这两者也已经通用，并对它们不再作区分，是移动存储设备之一。5.总线和接口总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。在微机中总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外部芯片与CPU之间的连线，用于芯片一级的互联；系统总线是微机中各插件板与主板之间的连线，用于插件板一级的互联；外部总线是微机和外部设备之间的连线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行通信，它用于设备一级的互联。内部总线内部总线就是微处理器级总线，也叫前端总线。包括地址总线(Address Bus，AB)、数据总线(Data Bus，DB)和控制总线(Control Bus，CB)，从CPU引脚上引出，用来实现CPU与外围控制芯片(包括主存、Cache等)之间的连接。其中地址总线用来产生访问内存的地址。不同的微处理器，其地址总线的位数(或称总线宽度)不一样。现代微型机CPU的地址总线宽度一般为32位。数据总线用于实现数据的输入和输出。系统总线系统级总线也称为IO通道总线，同样包括地址线(AB)、数据线(DB)和控制线(CB)，用于CPU与接口卡的连接。为使各种接口卡能够在各种系统中实现“即插即用”，系统总线的设计要求与具体的CPU型号无关，而有自己统一的标准，以便按照这种标准设计各类适配卡。常见的总线标准有ISA总线、PCI总线、AGP总线等。外部总线外部总线是指计算机主机与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。当前在微型计算机上常用的接口标准有：IDE(Integrated Drive Electronics，集成驱动器电子标准)、EIDE(Enhanced Integrated Drive Electronics，增强型集成驱动器电子标准)、SCSI(small Computer System Interface，小型计算机系统接口)、USB(echno lo Serial Bus，通用串行总线)和IEEE 1394五种。前三种主要是与硬盘、光驱等IDE设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。6.输入输出设备键盘、鼠标、显示器及显示卡