大学信息技术基础（第三版）第2章

第2章信息处理机器：计算机系统,主要内容：2.1从历史走向未来计算机的发展史2.2微型计算机硬件系统2.3外部存储设备2.4输入/输出子系统本章小结思考与练习,2.1从历史走向未来计算机的发展史,2.1.1现代计算机的“史前”时代（1946）中国古代普遍采用的一种计算工具“算筹”。更为先进的计算工具是两千年前中华民族发明的算盘，这是人类借助于工具进行数字计算的开端。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-1中国古老的计算工具：算筹（左）与算盘（右）,19世纪和20世纪前半叶，是计算机发展史上不寻常的时代。如果按时间序列划分，在近代对计算机的发展史做出贡献的重要的人物和事件有：1.1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)发明了一个用齿轮运作的加法器。2.1674年，德国数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。3.1812年，为现代计算机的发明做出过重要贡献的英国数学家查尔斯巴贝奇(CharlesBabbage，17921871)开始考虑设计机械操纵的计算机。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,4.1847年，英国科学家乔治布尔(GeorgeBoole)创立了逻辑代数，亦称布尔代数。5.1925年左右，美国马萨诸塞理工学院制成了一台大型的模拟计算机，他们用齿轮的旋转角度来表示所要计算的量。6.1936年，英国科学家图灵(A1anM.Turing)，提出了可计算计算机的概念，后来人们称他描述的计算机为“图灵机”。7.1943年1月，霍华德艾肯（HowardH.Aiken）在哈佛大学研制成功名为“ASCCMarkI”的世界上第一台通用计算机。8.1943年，美国宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀埃克特(J.PrespcrEckert）博士和物理学家约翰莫克利(JohnMauchly)博士开始着手研制“埃尼阿克”。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,2.1.2冯诺依曼型计算机的基本结构冯诺依曼提出计算机工作原理可概括为：“存储程序，顺序控制”。其基本思想是：(1)计算机可以使用二进制；(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。冯诺依曼提出的“存储程序原理”，导致现代意义的计算机的诞生。主要由5部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,2.1.3第一台现代电子数字计算机的诞生1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折点。世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC”研制成功了（图2-4）。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-4工作人员在ENIAC计算机上编程（1946）,ENIAC的计算速度比以前的计算工具有了显著的提高，每秒钟可作5000次加法或400次乘法。2.1.4现代计算机发展的四个阶段1.采用电子管计算机的第一代计算机（19461957）在20世纪50年代左右，第一代计算机都采用电子管(或称为真空管)元件（图2-5）。第一代计算机不具有现在所熟悉的操作系统。每个应用程序的操作指令是为特定任务而编制的，要包含输入、输出和处理各个方面所必须的各种指令。另外，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。2.采用晶体管的第二代电子计算机（大约19581965）,2.1从历史走向未来计算机的发展史,导电性能介乎于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体，这类物质最常见的便是由硅（Silicon）（或锗）材料制成(图2-6、图2-7)。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-51904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生,图2-6电子芯片、晶体管和LED都是由半导体材料制成,图2-7硅和锗在元素周期表中的表示,2.采用晶体管的第二代电子计算机（19581964）在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，以单词、语句和数学公式代替了晦涩难懂的二进制机器码，使计算机编程更容易。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-8IBM公司于1959年生产的IBM7090型是采用晶体管的第二代电子计算机,3.采用集成电路的第三代计算机（19651970）1964年4月IBM360系统问世，使它成为使用集成电路的第三代电子计算机的里程碑式的产品（图2-10）。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-10用于美国航空和航天局(NASA)的IBM360计算机（1964）,4.使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今）目前超大规模集成电路(VLSI)可在硬币大小的芯片上容纳上千万个乃至更多的元器件，如此高的集成度使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断得到增强。在20世纪80年代发生的特别重要事件是个人计算机（PC）的问世与普及。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,图2-11世界上第一台个人计算机IBMPC(1981),图2-12Apple公司生产的iMac计算机,2.1.5超级计算机超级计算机（Supercomputer）又称高性能计算机，是指计算能力（尤其是计算速度）为世界顶尖的电子计算机。超级计算机的创新设计在于把复杂的工作细分为可以同时处理的工作并分配于不同的处理器。超级计算机通常由数千个甚至更多的处理器（机）组成，能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂任务。,2.1从历史走向未来计算机的发展史,2.2微型计算机系统,微型计算机系统（微型机）是一种能自动、高速、精确地处理信息的现代化电子设备。微型机具有算术运算和逻辑判断能力，并能通过预先编好的程序来自动完成数据的加工处理。微型机具有体积小、重量轻、维护简单方便、价格低廉、软件丰富和操作简便等优点。微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可分为台式机和便携式两类。,2.2微型计算机硬件系统,2.2.1微型计算机系统的基本组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图2-13所示。硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。一般而言，微型计算机硬件系统由主机（包括中央处理器CPU、主存储器）和外部设备子系统组成。,2.2微型计算机硬件系统,计算机软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源，控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等。,2.2微型计算机硬件系统,2.2.2CPU给你一颗奔腾的“芯”CPU（centralprocessingunit:中央处理单元)是微型计算机的最重要的一个子系统，在微型计算机中又常称为微处理器(Microprocessor)或处理器(Processor)。CPU作为计算机系统的核心，其内部结构可以分为控制器、运算器和寄存器三个部分，如图2-14所示。人们常常用二进制位的位数(bit)来表示CPU的字长。从信息传送的角度来看，CPU为了进行数据传递和通信，设置了内部总线，用于各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，以传递数据信息、地址信息和控制信息。,2.2微型计算机硬件系统,2.2微型计算机硬件系统,图2-14CPU主要由控制器、运算器和寄存器组成,图2-15计算机的总线结构,数据总线用来传送数据信息，是双向的。未来的微处理器性能的提高主要来自于芯片上处理器核数量的增加，而不仅是依赖于单处理器速度的提高。因为处理器的实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。,2.2微型计算机硬件系统,图2-16多核处理器的结构,2.2.3主存储器1.基本概念主存储器(mainmemory)是计算机内部的主要存储器，所以又简称为主存或内存，用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的存储器，如图2-19所示。在计算机主存储器中存放二进制位的电路称为存储单元(cell)，是可管理的最小存储单位。一个典型的存储单元的容量是8位(8bit)，即一个字节(by-te)。,2.2微型计算机硬件系统,当数据块、指令、程序和计算结果被存放到内存时，它们会被存放到一个或多个连续的地址中，这取决于数据的大小。,2.2微型计算机硬件系统,图2-19CPU可直接访问主存储器,图2-20系统目录表提供了内存中每个程序和数据块的第一个数据的起始地址和所占用的地址数目,2.存储器容量的标识计算机主存储器中存储单元的总数是2的方幂，主要原因是方便设计。存储容量的大小通常以210（1024）个存储单元为度量单位。常用的存储容量标识单位如表2-1所示。,2.2微型计算机硬件系统,3.主存储器的分类主存储器从存取功能上可分为只读存储器(ROM，即ReadOnlyMemory)和随机存储器(RAM，即RandomAccessMemory)两大类。只读存储器（ROM）中的内容在任何时候都可以读取，但是不可擦写和更改，数据和程序将会被永久地保存在其中，即使是关闭计算机，ROM的数据也不会丢失，也就是说，它是非易失性的。随机存储器（RAM）是可读写存储器，即可对其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不再保存，再次开机需要重新装入，也就是说，RAM中的数据是易失性的。,2.2微型计算机硬件系统,2.3外部存储设备,2.3.1外部存储系统的基本概念1.存储系统的组成所有的存储系统都包括两个物理部分：一个是存储设备，另一个是存储介质。2.固定存储系统与移动存储系统存储系统可以分为固定存储系统与移动存储系统，在固定存储系统中，存储设备通常安装或配置在计算机系统内部，相关的存储介质在计算机读/写之间必须插入存储设备中，例如硬盘驱动器与光盘驱动器。外部存储系统一般是独立的、可移动的，通过专用接口与计算机相连，典型的设备如U盘、光盘等。,2.3外部存储设备,3.易失性与非易失性存储器易失存储器就是指那些断电后数据就会失去的存储器，例如RAM。相对于非易失存储器，非易失存储器就是指那些断电后数据仍然能保留的存储器。2.3.2磁存储系统1.硬盘存储系统硬盘存储系统是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上（图2-22）。,2.3外部存储设备,2.3外部存储设备,2.磁盘冗余阵列RAID独立磁盘冗余阵列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks）简称磁盘阵列，简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术，称为RAIDLevel，而每一level代表一种技术，目前业界公认的标准是RAID0RAID5。RAID系统常被用在服务器电脑上，并且常使用完全相同的硬盘作为组合。,2.3外部存储设备,2.3外部存储设备,2.3外部存储设备,2.3.3光盘存储系统对光存储介质最基本的要求，就是存储单元的某种性质可以用某种方法改变以代表被存储的数据，同时这种性质可用光的方法检测出来。光盘存储介质具有存储容量大、保存时间长等优点。蓝光光盘（Blu-rayDisc，简称BD）是DVD之后的下一代光盘格式之一，用以储存高品质的影音以及高容量的资料储存。,2.3外部存储设备,2.3.4非易失性存储器非易失性存储器中，依内存内的资料是否能在使用电脑时随时改写为标准，可分为两大类产品，即ROM和Flashmemory。,CD光盘的表面的存储位（凹痕）,DVD光盘的表面的存储位（凹痕）,图2-26光盘表面上的物理凹痕用来存储和表示0和1信号,2.3外部存储设备,2.3.5存储系统的数据校验方法1.“奇偶校验”法这种方法是在每一字节中加上一个奇偶校验位，用来指示之前的数据中包含奇数个1还是偶数个1的检验方式，即每个字节发送位数据。奇校验时，校验位按如下规则设定：假如每字节的数据位中“1”的个数为奇数，则校验位为“0”，若为偶数，则校验位为“1”，即使得包括校验位“1”的总数为奇数，其计算过程如表22所示。而偶校验是在每个字节后增加一个附加位，使得“1”的总数为偶数。,2.奇偶校验在RAID中的应用一些冗余磁盘阵列（RAID）使用奇偶校验块实现冗余。如果阵列中的一块磁盘出现故障，工作磁盘中的数据块与奇偶校验块一起来重建丢失的数据。如图2-27所示。,2.3外部存储设备,2.3外部存储设备,如果第2块磁盘出现故障，A2将不能被访问，但是可以通过A1、A3与Ap数据的异或进行重建，其过程如表2-3所示：,2.3外部存储设备,2.4输入/输出子系统,2.4.1计算机输入设备输入设备可以将外部信息（如文字、数字、声音、图像、程序、指令等）转变为数据输入计算机中，以便加工、处理。1.键盘通过键盘可以将信息转换为数据，输入计算机中。2.鼠标3.扫描仪扫描仪是继键盘和鼠标之后的又一个重要的计算机输入设备。,2.4输入/输出子系统,三维扫描仪(3Dscanner)是一种用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）的新型输入设备。4.触摸屏触摸屏是一种附加在显示器上的辅助输入设备。5.手写输入设备手写输入系统由书写板和输入笔组成，系统先读取书写板上的笔迹信息，分析笔画特征，在识别字库中找到这个字，再把识别的汉字显示在编辑区中。6.图像与视频输入设备,2.4输入/输出子系统,2.4.2计算机输出设备1.显示器2.打印机打印机是将计算机处理结果输出为可见的字符和图像。按打印方式分，主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机等。按用途分，有通用打印机、网络打印机和专用打印机。按色彩分，有单色打印机和彩色打印机。按打印维度分，有二维平面打印机和三维物体打印机。,2.4输入/输出子系统,3.绘图仪绘图仪也是比较常用的一种图形输出设备，它可以在纸上或其他材料上画出图形。绘图仪在绘图时接受主机发来的命令，这些命令放在一个存储器中，由控制器根据命令发出水平方向、垂直方向、抬笔或者落笔等动作命令。2.4.3外部设备接口微型计算机的CPU为了和外部设备进行信息交换，必须和种类千差万别的外围设备达到速度匹配。接口是设备与计算机或其他设备连接的端口，是一组电气连接和信号交换标准。,2.4输入/输出子系统,接口主要用来传送电气信号，在信号中，有一部分是数据信号，其余是控制信号或状态信号，它们都是为传输数据服务的。数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线（或一对线）用来传送数据，这种叫串行传输接口。在计算机行业中最早出现的串行接口标准是RS232标准，这个标准直到现在还在计算机上使用，如COM1，COM2接口。如果用几条线来同时传输数据，这就叫作并行接口（ParallelPort）(图2-33)。,2.4输入/输出子系统,USB(UniversalSerialBus)是一种通用串行总线接口，USB2.0接口标准被称为高速USB，其理论传输速度为480Mbps。,2.4输入/输出子系统,计算机是信息处理的主要工具。从世界上第一台电子计算机问世至今，计算机技术得到了飞速的发展，计算机成为人类走向信息时代的最锐利的武器。本章力图能够反映出这些变化和进展。计算机是今天社会生活中的一个标志性的科学工具。它的发展历史也是半个多世纪人类科学技术进步的一个具有典型意义的缩影。在认识计算机发展过程中也能够认识到计算机的组成及其原理。把计算机的程序存放在主存储器里的思想称为存储程序概念，它已经成为今天所使用的标准方法。如果今天人们仍不知道这个概念的话，那么计算机科学的发展可能还在原地踏步。尽管几十年来，从计算机原理的角度看，计算机并没有特别大的变化，但实现这个原理的技术却飞速发展。,本章小结,通常所说的计算机，实际上是指一个计算机系统。所谓计算机系统是指由计算机硬件和计算机软件构成的一个完整的系统。硬件和软件是相辅相成的，缺一不可，它们共同构成计算机系统。计算机硬件系统是主机、存储器、输入、输出等物理设备的集成，这些设备完成输入、处理、存储和输出数据和信息的功能。,本章小结,一、思考题.计算机发明的历史进程中发生了哪些重大事件，从中我们能得到哪些启示？.计算机的发展经历了哪几个阶段？其划分的依据是什么？现在普遍使用的台式计算机、笔记本及平板电脑等属于第几代计算机？3.请简述冯诺依曼所提出的现代存储程序式计算机的基本结构和工作原理。4.微型计算机硬件系统包括哪几个主要部分？5.CPU由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？6.什么是多核心处理器？它是如何提高计算机处理器性能的？7.简述计算机各总线的作用。8.为什么RAM中的数据具有易失性？.非易失性存储器是一个新概念，它与静态随机存储器、动态存储器有何区别？10.磁介质为何能存储信息？11.计算机主存储器与硬盘相比，在存储方面有什么特点？12.什么是RAID？RAIDLevel分为几