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第一章计算机系统基础,1.1计算机的起源与发展1.2计算机系统的组成及基本工作原理,本章学习目标,l掌握计算机的概念、特点及其应用领域。l计算机硬件系统组成。l计算机软件系统组成,1.1计算机的起源与发展,1.1.1计算机的起源1.1.2计算机的发展阶段1.1.3微型计算机的发展1.1.4计算机的特点与应用1.1.5计算机的分类,1.1.1计算机的起源,什么是计算机：计算机是一种能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进行加工处理、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。,1.1.1计算机的起源,2、电子计算机的起源世界上第一台电子计算机埃尼克（ENIAC）于1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学。这台电子计算机使用1.88万个电子管,1万个电容,7千个电阻,6千个继电器,机重30吨,占地170平方米,需要150千瓦的电力才能启动。整个计算过程在程序控制下自动执行，中间无需人工干预，每秒可做5000个加法，或500次乘法，或50次除法，工作一小时完成的计算量相当于100个人用手摇计算机计算两个月。埃尼克被认为是电子计算机的始祖，它开创了电子计算机的历史。,1.1.2计算机的发展阶段,第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。,1.1.3微型计算机的发展,第一阶段（19711973）：典型的微型机以Intel4004和Intel4040为基础。微处理器和存储器采用PMOS工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。,1.1.3微型计算机的发展,第二阶段（19741977）：以8位微处理器为基础，典型的微处理器有Intel8080/8085、Zilog公司的Z80及Motorola公司的6800。微处理器采用高密度MOS（HMOS）工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达64KB，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如CP/M）和高级语言。,1.1.3微型计算机的发展,第三阶段（19781981）：以16位和准32位微处理器为基础，如Intel公司的8086、Motorola的68000和Zilog的Z8000。微处理器采用短沟道高性能NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。,1.1.3微型计算机的发展,第四阶段（20世纪80年代）：80年代初，IBM公司推出开放式的IBMPC，这是微型机发展史上的一个重要里程碑。IBMPC采用Intel80 x86（当时为8086/8088、80286、80386）微处理器和Microsoft公司的MSDOS操作系统并公布了IBMPC的总线设计。,1.1.3微型计算机的发展,第五阶段（20世纪90年代开始）：RISC（精简指令集计算机）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。包括INTEL在内的计算机CPU生产商也在逐步加入RISC技术。,1.1.3微型计算机的发展,我国的计算机事业始于20世纪50年代。1952年我国的第一个电子计算机科研小组在中科院数学所内成立。1960年，我国第一台自行研制的通用电子计算机107机问世。1964年，我国研制了大型通用电子计算机119机，用于我国第一颗氢弹研制工作的计算任务。20世纪70年代以后，我国生产的计算机进入了集成电路计算机时期。1974年，我国设计的DJS-130机通过了鉴定并投入批量生产。进入20世纪80年代，我国又研制成功了巨型机。1982年，我国独立研制成功了银河I型巨型计算机，运算速度为每秒1亿次，1997年6月研制成功的银河型巨型计算机，运算速度为每秒130亿次。这些机器的出现，标志着我国的计算机技术水平踏上了一个新的台阶。,1.1.4计算机的特点与应用,计算机之所以能被广泛应用于各个领域，是因为它可以进行自动控制并具有记忆功能，它是现代化的计算工具和信息处理工具。它具有以下特点：1.运算速度快一般计算机的运算速度是每秒几十万次到几百万次。大型计算机的运算速度是每秒几千万次。,1.1.4计算机的特点与应用,2.有较强的记忆能力计算机能自动记忆住进入计算机的数据和程序，记忆的数据可以达到几千万甚至几亿个。3.计算精度高一般电子计算机可以有十几位有效数字，有的在百位以上甚至更高。例如，圆周率值的计算，发明计算机前的1500多年中经过数代科学家的人工计算，其精度只达到小数点后的808位，当第一台计算机诞生后，利用计算机计算就可达到2037位。（最新纪录是小数点后12411亿位）。,1.1.4计算机的特点与应用,4.具有逻辑判断能力，自动化程度高计算机并无自己的意志，它不能自己启动，不会自己寻求问题和制定求解问题的方案，计算机必须接受人的指令。但是，一旦人们把求解问题的一串指令输入机器启动后，计算机就能按照程序自动地进行工作直到完成为止，工作过程中一般不需要的人工干预。它不但能顺序地逐个执行指令，也能按照程序的规定通过逻辑判断选定下一步要执行的指令，还可按照程序的规定使某些指令反复执行若干遍。,1.1.4计算机的特点与应用,计算机的应用1.科学计算世界上第一台计算机的研制就是为解决数值计算而设计的。计算机运算的高速度和高精度是人工计算望尘莫及的，解决了过去无法解决或不能及时解决的问题。例如，宇宙飞船运动轨迹和气动干扰问题的算；高能物理中热反应控制条件及能量计算；电站、桥梁、水坝、隧道最佳设计方案的选择等等。,1.1.4计算机的特点与应用,2.数据处理数据处理是指对大量信息进行加工处理，例如分析、合并、分类、统计等。目前我们常见的企业内部成本核算管理、人事管理、工资管理、财务合同管理以及银行系统的业务管理等等，都属于数据处理范围。,1.1.4计算机的特点与应用,3.自动控制计算机直接作用于生产设备和生产过程，提高自动化水平，提高控制的准备性，从而提高产品质量和成品合格率，减轻劳动强度。在机械、冶金、石油化工、电力、建筑以及轻工业等各个部门广泛应用。计算机辅助设计计算机辅助设计简称CAD，它是近几十年形成的一个主要的应用方向。在飞机、船舶、桥梁、建筑等设计中，CAD能帮助人们缩短设计周期，提高质量，节省人力。,1.1.4计算机的特点与应用,4.其它计算机的应用领域不胜枚举，除以上方面外，还有系统仿真、人工智能、辅助教育、动画制作、游戏娱乐等。,1.1.5计算机的分类,1.巨型机：一般把计算速度在亿次以上的计算机称为巨型计算机，主要用于尖端科学研究国防等国家重点科研机构。2.大/中型计算机这是新发展起来的小型超级电脑或称桌上型超级电脑。这类机器主要用于科学计算、数据处理或做网络服务器。,1.1.5计算机的分类,3.小型机：运算速度在几百万次左右，目前国内一般的科研机构设计院所及普通高校大多配有。4.个人计算机：个人计算机简称PC机或微机，由于价格低、操作方便，学校、企事业单位大多配置这种计算机。,1.2计算机系统的组成及基本工作原理,1.2.1计算机系统的组成1.2.2计算机的基本工作原理1.2.3计算机硬件系统的构成1.2.4计算机软件系统的构成,1.2.1计算机系统的组成,1、计算机系统的基本组成。一个完整的计算机系统由计算机硬件系统及软件系统两大部分构成。计算机硬件是计算机系统中由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机软件是在计算机硬件设备上运行的各种程序及其相关文档的总称。,1.2.1计算机系统的组成,1.2.1计算机系统的组成,2、计算机硬件系统和软件系统的层次关系,1.2.2计算机的基本工作原理,在计算机诞生之时，指挥CPU完成工作的程序还放在计算机之外，通常表现为一叠打了孔的卡片。计算机在工作中自动地一张张读卡片，读一张就去完成一个动作。实际读卡片的事由一台读卡机完成（有趣的是，IBM就是制造读卡机起家的）。采用这种方式，计算机的工作速度必然要受到机械式读卡机的限制，不可能很快。美国数学家冯诺依曼最早看到问题的症结，据此提出了著名的“存储程序控制原理”，从而导致现代意义下的计算机诞生了。,1.2.2计算机的基本工作原理,“存储程序控制”原理的基本内容是：用二进制形式表示数据和指令；将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行，这是“存储程序控制”的基本特点；确立了计算机系统的5大基本部件：存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备，同时也规定了5大部件的基本功能。,1.2.2计算机的基本工作原理,存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。,1.2.2计算机的基本工作原理,冯诺依曼结构图,1.2.3计算机硬件系统的构成,1控制器：是计算机的控制部件，它控制其他部件协调统一的工作，并能完成对指令的分析和执行。2.运算器：用于加工、处理数据的部件，主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。3.存储器：是计算机的记忆装置，主要是存放程序和数据（内存和外存）。4.输入设备：是从计算机外部向计算机内部传送信息的装置。其功能是将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转换为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部。常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。5.输出设备：输出设备是将计算机的处理结果传送到计算机外部供计算机用户使用的装置。其功能是将计算机内部二进制形式的数据信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,1.2.3计算机硬件系统的构成,微型计算机的硬件系统分为两大部分，即主机和外设。主机是微机的主体，微机的运算、存储过程都是在这里完成的（cpu、内存)。主机以外的设备称为外设。从外观上看，一台微型计算机的硬件主要包括主机箱、显示器、常用I/O设备（如鼠标、键盘等）主机箱里包含着微型计算机的大部分重要硬件设备，如CPU、主板、内存、硬盘、光驱、软驱、各种板卡、电源及各种连线。系统主板（简称主板）是微型计算机中最大的一块集成电路板。,1.2.3计算机硬件系统的构成,电池,声卡芯片,PCI插槽,南桥芯片,BIOS芯片,电源线插口,软驱插口,IDE插口,AGP插槽,内存插槽,北桥芯片,CPU插槽,IO接口,1.2.3计算机硬件系统的构成,北桥芯片（NorthBridge）是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，也称为主桥（HostBridge）。北桥芯片的主要功能是控制内存。它是距离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。因为北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也越来越大，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热。,1.2.3计算机硬件系统的构成,一般来说，芯片组的名称就是以北桥芯片的名称来命名的，例如英特尔845E芯片组的北桥芯片是82845E，875P芯片组的北桥芯片是82875P等等。北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型（SDRAM，DDRSDRAM以及RDRAM等等）和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。,1.2.3计算机硬件系统的构成,南桥芯片（SouthBridge）是主板芯片组的重要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说，其数据处理量并不算大，所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式（不同厂商各种芯片组有所不同，例如英特尔的英特尔HubArchitecture以及SIS的Multi-Threaded“妙渠”）与北桥芯片相连。,1.2.3计算机硬件系统的构成,南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等，这些技术一般相对来说比较稳定，所以不同芯片组中可能南桥芯片是一样的，不同的只是北桥芯片。,1.2.3计算机硬件系统的构成,PCI插槽是基于PCI局部总线（PedpherdComponentInterconnect，周边元件扩展接口）的扩展插槽，其颜色一般为乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位宽为32位或64位，工作频率为33MHz，最大数据传输率为133MB/sec（32位）和266MB/sec（64位）。可插接显卡、声卡、网卡、内置Modem、内置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡以及其它种类繁多的扩展卡。PCI插槽是主板的主要扩展插槽，通过插接不同的扩展卡可以获得目前电脑能实现的几乎所有外接功能。AGP(AccelerateGraphicalPort),加速图形接口。,1.2.3计算机硬件系统的构成,CPU（CentralProcessingUnit）的中文名称是中央处理器，微型计算机中的CPU又称为微处理器（Micro-Processor），是利用大规模集成电路技术，把整个运算器、控制器集成在一块芯片上的集成电路。CPU内部可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分。这三大部分相互协调，进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。,1.2.3计算机硬件系统的构成,衡量CPU性能的主要技术参数主频：CPU的性能主要由CPU的字长和CPU主频决定。主频是指CPU的工作频率，单位用MHz或GHz表示计算机执行指令的过程。字长：CPU的字长是指CPU可以同时传送数据的位数，一般字长较长的CPU处理数据的能力较强，处理数据的精度也较高。外频：CPU的基准频率，单位为MHz。外频是CPU与主板之间同步运行的速度。倍频技术就是使外部设备可以工作在一个较低外频上，而CPU主频是外频的倍数。一级高级缓存（L1Cache）：它是封闭在CPU内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，容量单位一般为KB二级高级缓存（L2Cache）：一般与CPU封装在一起，可以提高内存和CPU之间的数据交换频率，提高计算机的总体性能。,1.2.3计算机硬件系统的构成,Intel公司：Pentium4、PentiumIII和Celeron（赛扬）系列AMD公司：Athlon（速龙）XP系列和Duron（毒龙）系列,著名CPU生产厂商,1.2.3计算机硬件系统的构成,存储器主要负责对数据和控制信息的存储，是计算机的记忆单元。位、字节及存储容量位：计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一位，记为bit，表示两种状态，即“0”和“1”。位是计算机中最小的信息单位。用“b”表示。字节：在对二进制数据进行存储时，以八位二进制代码为一个单元存放在一起，称为一个字节，记为Byte，用“B”表示。,存储器(Memory),1.2.3计算机硬件系统的构成,存取容量：一个存储器所包含的存储单元的数量，即指存储器所能存储信息的字节数。常用的容量单位有B、KB、MB、GB，它们之间的关系是：1B=8b1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB,1.2.3计算机硬件系统的构成,内存储器与外存储器,按存储器与CPU之间的关系将其分为内（主）存储器和外存储器。内存的存取速度较快，直接与CPU交换信息，只能在计算机工作时存储信息，造价也较贵。外存储器的容量大，能够永久存放信息。但其存取的速度相对较慢，造价较低。目前计算机上的内存的存储容量通常有512MB、1GB等,1.2.3计算机硬件系统的构成,微机中，内存（ROM）分类,ROM（ReadOnlyMemory）的全名为唯读记忆体，它相当于PC机上的硬盘，用来存储和保存数据。ROM数据不能随意更新，但是在任何时候都可以读取。即使是断电，ROM也能够保留数据。但是资料一但写入后只能用特殊方法或根本无法更改。主板上的BIOS芯片。,1.2.3计算机硬件系统的构成,微机中，内存（RAM）分类,随机存储器RAM(RandomAccessMemory)：信息可以通过指令随时读取和写入，在工作时存放运行的程序和使用的数据，断电后RAM中的内容自行消失。同步动态随机存储器（SynchronousDRAM，SDRAM）双倍速率SDRAM（DualDateRateSDRAM，DDRSDRAM)RDRAM（RambusDRAM）直接总线式动态随机存储器SDRAM和DDR目前使用的用户较多，RDRAM性能非常优良，价格比较贵，被广泛应用于多媒体领域,1.2.3计算机硬件系统的构成,高速缓冲存储器为了解决内存与CPU工作速度上的矛盾，设计者们在CPU和内存之间增设一级容量不大、但速度很高的高速缓冲存储器（Cache）。Cache中存放常用的程序和数据，当CPU访问这些程序和数据时，首先从高速缓存中查找，如果所需程序和数据不在Cache中，则到内存中读取数据，同时将数据回写入Cache中。因此，采用Cache可以提高系统的运行速度。,1.2.3计算机硬件系统的构成,外存不能直接与CPU交换信息，它用来保存暂时不用的信息，待CPU需要加工其中信息时，通过内存与外存的信息交换，暂时调入内存，供CPU使用。常用的外存有：软驱和软盘硬盘光存储器闪存盘（优盘）,1.2.3计算机硬件系统的构成,硬盘存储器硬盘盘片由一个或者多个铝制的碟片组成，这些碟片外覆盖有铁磁性材料。硬盘是集精密机械、微电子电路、电磁转换为一体的电脑存储设备，它存储着电脑系统资源（如操作系统、各种程序、应用软件和工具软件等）和重要的信息及数据。硬盘容量计算公式：硬盘容量=盘面数柱面数扇区数512字节,1.2.3计算机硬件系统的构成,软盘存储器软盘又叫磁盘，现在使用的软盘都是3.5英寸的，通常称为小盘。软盘提供了一种简单的写保护方法，3.5英寸盘是靠一个方块来实现的。拨下去打开方孔(透光)就是写保护了，反之就是打开写保护。光盘驱动器光盘驱动器就是我们平常所说的光驱，是读取光盘信息的设备，是多媒体电脑不可缺少的硬件。光盘存储容量大，价格便宜，保存时间长，适宜保存大量的数据，如声音、图像、动画、视频信息、电影等多媒体信息。,1.2.3计算机硬件系统的构成,CD-ROM光驱CD-ROM光驱又称为只读光盘驱动器，已经成为个人电脑的基本配置。CD-ROM容量大、兼容性强、速度快、盘体成本低、使用方便，是集光、电、机和磁一体化产品，是计算机上很重要的输入设备，安装软件、听CD、看电影等都要用到CD-ROM光驱。往光盘上写入内容就要使用CD-R/RW驱动器，俗称光盘刻录机。CD-R盘片只能进行一次性写入，CD-RW盘片可以进行反复读写光盘。,1.2.3计算机硬件系统的构成,DVD-ROM驱动器DVD全称是DigitalVertileDisk（数字通用光驱），光盘容量大，直径为12厘米的光盘其单面单层存储容量就可达4.7GB，其双面双层的盘片存储容量可以达到17GB。所以DVD光驱也逐渐成为市场上的主流。DVD-ROM除了具备CD-ROM的全部功能外，还可读取DVD电影和数据光盘。DVD+RW驱动器即是DVD刻录机。,1.2.3计算机硬件系统的构成,移动存储设备对于外设而言，移动存储器便于携带，使用简单，速度极快，容量也不断地增大，目前的移动存储设备逐步取代了软盘。移动硬盘优盘与MP3播放器,1.2.3计算机硬件系统的构成,总线任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。按总线的功能可分为：地址总线、数据总线、控制总线。通常所说的总线都包括上述三个组成部分，地址总线用来传送地址信息，数据总线用来传送数据信息，控制总线用来传送各种控制信号。,1.2.3计算机硬件系统的构成,输入输出接口输入输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。I/O接口一般做成电路插卡的形式，所以通常把它们称为适配卡，如软盘驱动器适配卡、硬盘驱动器适配卡(IDE接口)、并行打印机适配卡(并口)、串行通讯适配卡(串口)，还包括显示接口、音频接口、网卡接口(RJ45接口)、调制解调器使用的电话接口(RJ11接口)等。,1.2.3计算机硬件系统的构成,输入设备输入设备是向计算机输入程序、数据和命令的部件，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、数码相机、话筒等。1键盘键盘是计算机必备的标准输入设备，用户的程序、数据以及各种对计算机的命令都可以通过键盘。2鼠标鼠标也是一种输入设备。尤其随着Windo