大学计算机基础ch1

1、1大学计算机基础大学计算机基础栾翠菊栾翠菊 上海海事大学信息工程学院计算机系 办公室电话：2822 办公室地址：信工楼211 Email：前 言2关于计算机课程关于计算机课程n计算机是科学？计算机是科学？/技术？技术？/工具？工具？/玩具？玩具？n计算机课程是主课？计算机课程是主课？/辅课？辅课？n为什么要学习计算机？为什么要学习计算机？34科学方法与科学思维科学方法与科学思维n科学方法科学方法n理论方法、实验方法、计算方法理论方法、实验方法、计算方法n科学思维科学思维n理论思维理论思维n实验思维实验思维n计算思维计算思维n运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、运用计算机科学的基础概

2、念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。思维活动。n抽象，自动化抽象，自动化以数学为基础以数学为基础以物理学为基础以物理学为基础5计算机思维能力的重要性计算机思维能力的重要性n“计算思维计算思维”能力的培育是国家的一项重要战略任务。能力的培育是国家的一项重要战略任务。具备计算思维能力是每个人的基本技能。具备计算思维能力是每个人的基本技能。n计算思维能力计算思维能力n建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解问题建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解问题的可求解性。的可求解性。n问题抽象问题抽象n模型

3、建立模型建立n算法设计算法设计n实现实现6大学生应具备的计算机应用能力大学生应具备的计算机应用能力IV基于网络的终身学习能力能够有效地对信息进行获取、分析、评价和吸收 对计算机的认知能力具有判断和选择计算机工具与方法的能力 III应用计算机解决问题的能力III依托信息技术的共 处能力掌握基于信息技术的团队协作方式自觉遵循并接受信息社会道德规范的约束自觉承担相应的社会责任专业性能力专业性能力非专业性能力非专业性能力对计算环境对计算环境的认知的认知问题求解能力问题求解能力7本课程的学习目标本课程的学习目标n了解计算机的基础知识了解计算机的基础知识n培养初步的计算思维能力培养初步的计算思维能力n掌握

4、未来专业研究所必须的计算机基本应用技能掌握未来专业研究所必须的计算机基本应用技能n理解微型计算机系统的组成和基本工作原理理解微型计算机系统的组成和基本工作原理n初步建立利用计算机进行问题求解的思路和方法初步建立利用计算机进行问题求解的思路和方法n了解计算机求解问题的局限性了解计算机求解问题的局限性n掌握基本的计算机应用技能掌握基本的计算机应用技能8第第1 1章章计算机基础计算机基础9主要内容主要内容n课堂教学内容：课堂教学内容：n微机系统的组成微机系统的组成n主机系统及功能主机系统及功能n输入输出系统输入输出系统n操作系统的基本功能操作系统的基本功能n课外自学习内容：课外自学习内容：n 计算机

5、的发展历程及未来的发展趋势计算机的发展历程及未来的发展趋势n计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域10一、微型计算机系统组成主要内容主要内容n微机系统的概念结构微机系统的概念结构n微机硬件系统的物理构成微机硬件系统的物理构成n主机板主机板11121. 微机系统微机系统n微型计算机系统的三个层次：微型计算机系统的三个层次：n微型计算机系统微型计算机系统(Micro-computer System)n微型计算机微型计算机(Micro-computer)n微处理器微处理器(Micro-processor)从宏观到微观从宏观到微观132. 微机系统的概念结构微机系统的概念结构CPU存储器存储器输入输

6、入/输出接口输出接口总线总线通过通过I/O接口与主接口与主机相连接的设备机相连接的设备系统软件系统软件应用软件应用软件软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱输入设备输入设备输出设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪键盘、鼠标、扫描仪显示器、打印机显示器、打印机存储设备存储设备微机系统微机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机外设外设主机板主机板n芯片芯片nCPUCPUn芯片组芯片组n固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称n系统系统BIOSBIOSn含上电自检、系统初始化、系统设置含上电自检、系统初始化、系统设置n扩展槽扩展槽n内存插槽内存插槽n总线接口插槽

7、总线接口插槽n对外接口对外接口n串行、并行接口串行、并行接口1415BIOSBIOS芯片组（南、北桥）芯片组（南、北桥）内存插槽内存插槽CPUCPU插插座座PCIPCI插槽插槽PCIEPCIE插槽插槽打印机并行接口打印机并行接口USBUSB接口接口ATAATA接口接口SATASATA接口接口16n软件：软件：n为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。能而编写的各种程序的总和及其相关资料。软件系统系统软件系统软件应用软件应用软件软件软件操作系统操作系统系统工具软件系统工具软件17二、主机系统二、主机系统18主机系统

8、主机系统n中央中央处理器（处理器（CPU）n存储器存储器 n总线总线n输入输入/输出接口输出接口191. 中央处理器中央处理器n中央处理器简称中央处理器简称CPU，是计算机的核心。是计算机的核心。n提供运算和控制功能。提供运算和控制功能。n例：例：nIntel 8086、Pentium Pro、P4、Core 2、Core i7nAMD Sempron、Duron、Athlon20中央处理器中央处理器n主要包括：主要包括： 运算器（运算器（ALU） 控制器（控制器（ CU） 寄存器组（寄存器组（Registers）21影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素n时钟频率时钟频率n主频主频nCP

9、U内核工作频率。表示在内核工作频率。表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度内数字脉冲信号震荡的速度 n外频外频n通常为系统总线的工作频率通常为系统总线的工作频率 n前端总线频率前端总线频率nCPU与内存直接数据交换速度。与内存直接数据交换速度。 n字长字长（3232，6464位）位）n缓存容量缓存容量（L1L1、L2L2、L3L3）n指令集指令集（CISCCISC，RISCRISC）222. 存储器存储器n计算机中的记忆装置计算机中的记忆装置n用于存放计算机工作过程中需要操作的用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。数据和程序。内存储器内存储器外存储器外存储器231 1）外存储器外存储器n

10、联机外存联机外存n硬磁盘硬磁盘n脱机外存脱机外存24磁盘管理磁盘管理n记录面或磁头数记录面或磁头数n信息存储，每个磁盘有两个面信息存储，每个磁盘有两个面n磁道磁道n盘面上划分出的不同半径的同心圆盘面上划分出的不同半径的同心圆n扇区扇区n每条磁道上划分出的等分的区段。每条磁道上划分出的等分的区段。硬盘的磁道、扇硬盘的磁道、扇区示意图区示意图扇区磁道磁道0 1 2 i123i25磁盘存储容量磁盘存储容量n硬盘的存储容量硬盘的存储容量 =磁头数柱面数扇区数扇区容量磁头数柱面数扇区数扇区容量n例：例：n若已知磁头数为若已知磁头数为16，柱面数为，柱面数为4096，扇区数为，扇区数为63，每每扇区容量扇

11、区容量512字节，则：字节，则：n硬盘容量硬盘容量=164096635122.1GB262 2）内存储器内存储器n特点特点:n存取速度较快，容量相对较小。存取速度较快，容量相对较小。n分类：分类：n随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）n随机存取，断电后其内部存放的信息随机存取，断电后其内部存放的信息会丢失。会丢失。n只读存储器（只读存储器（ROM）n不能随机存取，断电后其内部存放的信息不能随机存取，断电后其内部存放的信息不丢失。不丢失。27内存储器内存储器n内存按单元组织内存按单元组织n几个概念：几个概念：n内存容量内存容量n内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容n内存的操作内存的操作2

12、8内存容量内存容量n内存所含存储单元的个数，以字节为单位。内存所含存储单元的个数，以字节为单位。n内存容量的大小和内存容量的大小和CPUCPU的能力有关。的能力有关。29内存单元的地址和内容内存单元的地址和内容n每个单元都对应一个地址，以实现对单元每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。内容的寻址。1011011038F04A92H内存地址内存地址单元内容单元内容30内存操作内存操作n读：读：将内存单元的内容取入将内存单元的内容取入CPUCPU，原单元内原单元内 容不改变；容不改变；n写：写：CPUCPU将信息放入内存单元，单元中原来将信息放入内存单元，单元中原来 的内容被覆盖。的内容

13、被覆盖。现代计算机中的存储器是存储器系统现代计算机中的存储器是存储器系统31存储器系统存储器系统n将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法连接起来连接起来 构成存储系统。构成存储系统。n系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近最大的存储器。最大的存储器。32存储器系统存储器系统n在一般计算机中主要有两种存储系统在一般计算机中主要有两种存储系统 Cache存储系统存储系统主存储器主存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器虚拟存储系统虚拟存储系统

14、主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器33Cache存储器系统存储器系统nCache（高速缓冲存储器）（高速缓冲存储器）n速度快，容量小速度快，容量小n主内存：主内存：n速度慢，容量大速度慢，容量大nCache存储系统由硬件系统管理。对程序员存储系统由硬件系统管理。对程序员是透明的。是透明的。n设计目标：设计目标：n提高存取速度提高存取速度CPUCache主存主存虚拟存储器系统虚拟存储器系统n虚拟存储器系统由主内存和部分磁盘存储器虚拟存储器系统由主内存和部分磁盘存储器购成。购成。n虚拟存储系统由操作系统管理，对应用程序虚拟存储系统由操作系统管理，对应用程序员透明。员透明。n设计目标：设计目标：n

15、增加存储容量增加存储容量3435微型机中存储器系统的层次结构微型机中存储器系统的层次结构通用寄存器通用寄存器高高 速速 缓缓 存存主主 存存 储储 器器联联 机机 外外 存存脱脱 机机 外外 存存363. 总线总线n是是一组导线和相关控制、驱动电路一组导线和相关控制、驱动电路的的集合。是集合。是 计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制 信息信息的的通道。通道。37总线分类总线分类CPU总线总线系统总线系统总线外部总线外部总线按层次结构按层次结构地址总线（地址总线（AB）数据总线（数据总线（DB）控制总线（控制总线（CB）按传送信息类型按传送信息类型38

16、多总线结构多总线结构n现代微型机中采用多现代微型机中采用多总线结构总线结构 39总线的主要性能指标总线的主要性能指标n总线位宽（总线位宽（bit）：）： 能同时传送的数据位数能同时传送的数据位数n总线带宽（总线带宽（B/S）：）： 单位时间内总线上可传送的数据量单位时间内总线上可传送的数据量40不同时代常用系统总线代表不同时代常用系统总线代表nISA（8/16位）位）nPCI（32/64位）位）n（Peripheral Component Interconnect），是），是目前目前PC中使用最广泛的总线接口。中使用最广泛的总线接口。 nPCI-E（PCI Express ）n目前最新的系统总

17、线标准，采用串行方式传输数据，目前最新的系统总线标准，采用串行方式传输数据，依靠高频率来获得高性能。依靠高频率来获得高性能。 41外设总线外设总线nSATA（Serial Advanced Technology Attachment ）n硬盘接口硬盘接口nSCSI（Small Computer System Interface ）n服务器硬盘接口服务器硬盘接口nUSB(Universal Serial BUS )424. 输入输入/ /输出接口输出接口n接口是接口是CPUCPU与外部设备间的桥梁与外部设备间的桥梁CPUI/OI/O接口接口外设外设43接口的主要功能接口的主要功能n实现主机与外设

18、间的运行匹配实现主机与外设间的运行匹配n对外设的控制管理对外设的控制管理44接口的分类接口的分类串行接口串行接口 输入接口输入接口并行接口并行接口 输出接口输出接口45三、输入输出系统三、输入输出系统n输入输出系统的特点输入输出系统的特点n基本输入输出方法基本输入输出方法461. 输入输出系统输入输出系统n输入输出系统：输入输出系统：n计算机系统中除计算机系统中除CPU和内存储器之外的部分和内存储器之外的部分I/O系统系统输入输出设备输入输出设备输入输出接口输入输出接口输入输出软件输入输出软件47输入输出系统特点输入输出系统特点n复杂性复杂性n输入输出设备、处理器、操作系统的复杂性输入输出设备

19、、处理器、操作系统的复杂性 n异步性异步性n工作速度和时序不一致工作速度和时序不一致n实时性实时性n控制的时效性控制的时效性n与设备无关性与设备无关性n接口的标准化接口的标准化482. 基本输入输出方法基本输入输出方法n程序控制方式程序控制方式n中断控制方式中断控制方式nDMA方式方式n*通道控制方式通道控制方式了解：了解：哪种方式适用于何种应用场合哪种方式适用于何种应用场合49程序控制方式程序控制方式n适用于简单、低适用于简单、低速外部设备速外部设备READY?READY?与外设进与外设进行数据交换行数据交换检测外设状态检测外设状态YN传送完？传送完？NY结结 束束50中断控制技术中断控制技

20、术n中断：中断：n因某种随机或异常事件，引起因某种随机或异常事件，引起CPU暂停正常运暂停正常运行的一种现象。行的一种现象。中断源中断源51中断控制技术案例中断控制技术案例n当你看录像带时，突然门铃响了，于是你停下来去开当你看录像带时，突然门铃响了，于是你停下来去开门，开完门后还回来继续看录像带，这个过程就叫门，开完门后还回来继续看录像带，这个过程就叫中中断断。n为了保证回来时能立刻找到刚才看的地方，你需要暂为了保证回来时能立刻找到刚才看的地方，你需要暂停播放，这叫停播放，这叫保护现场保护现场；回来时再从原处继续看，就；回来时再从原处继续看，就是是恢复现场恢复现场。门铃响这件事，叫。门铃响这件

21、事，叫中断源中断源。n由于这个中断源来自你的外部，所以叫做外部中断。由于这个中断源来自你的外部，所以叫做外部中断。n如果门铃响的时候电话也同时响了，你就要考虑是先如果门铃响的时候电话也同时响了，你就要考虑是先开门还是先接电话，这就是开门还是先接电话，这就是中断的优先级中断的优先级。52中断控制中断控制n优点：优点：nCPU效率高，实时性好，速度快。效率高，实时性好，速度快。n缺点：缺点：n程序编制较为复杂。程序编制较为复杂。53DMA控制方式控制方式n外设直接与存储器进外设直接与存储器进行数据交换行数据交换 ，CPU不不再担当数据传输的中再担当数据传输的中介者。介者。n可由硬件直接实现数可由硬

22、件直接实现数据的传送。据的传送。CPUMEM I/ODMA控制器控制器54通道控制通道控制n主要用于大型机系统主要用于大型机系统n输入输出由专门的通道机控制输入输出由专门的通道机控制55四、操作系统561. 操作系统的概念操作系统的概念n操作系统（操作系统（OS）是一组控制和管理计算机软、硬是一组控制和管理计算机软、硬件资源、为用户提供便捷使用计算机的程序的集件资源、为用户提供便捷使用计算机的程序的集合。合。n是用户和计算机之间是用户和计算机之间 进行进行“交流交流”的界面的界面计算机硬件系统计算机硬件系统系统调用系统调用 命令命令应用程序应用程序用用 户户通过键盘通过键盘572. 操作系统的

23、作用操作系统的作用n是对硬件系统功能的扩充是对硬件系统功能的扩充 计算机硬件系统计算机硬件系统I/O设备管理设备管理文件管理文件管理窗口软件窗口软件用用 户户数据的输数据的输入输出入输出文件存取文件存取功功能能强强大大的的虚虚拟拟机机58操作系统的作用操作系统的作用n隐藏硬件隐藏硬件nOSOS是是配置在计算机硬件上的第一层软件，是硬件与配置在计算机硬件上的第一层软件，是硬件与其他软件系统的接口；其他软件系统的接口；n使用户不必考虑不同硬件造成的差异使用户不必考虑不同硬件造成的差异n为用户和计算机之间进行为用户和计算机之间进行“交流交流”提供统一的界面；提供统一的界面；n管理系统资源。管理系统资

24、源。593. 操作系统功能操作系统功能存储器管理处理器管理文件管理用户接口文件管理操作系统设备管理设备管理存储器管理存储器管理处理器管理处理器管理用户接口用户接口文件管理文件管理操作系统操作系统601 1）进程管理进程管理n现代计算机，大多采用多道处理，现代计算机，大多采用多道处理，“并行并行”执行多个任务，或执行多个任务，或“进程进程”。n进程：进程：n运行中的程序，是一个动态概念，程序只有载入内存，运行中的程序，是一个动态概念，程序只有载入内存，开始运行，即成为开始运行，即成为“进程进程”。61进程的基本状态进程的基本状态n受资源的制约，进程在其生命周期中有三种基本状态：受资源的制约，进程

25、在其生命周期中有三种基本状态：等待状态等待状态时时间间用用完完获得资源获得资源等待资源等待资源进进程程调调度度执行状态执行状态新进程新进程就绪状态就绪状态终终 止止接纳接纳完成完成在整个生存周期内，进程的状态处于不断变化中在整个生存周期内，进程的状态处于不断变化中nCtrl+Alt+DelCtrl+Alt+Del：启动任务管理器，查看进程。：启动任务管理器，查看进程。多任务执行多任务执行n多道程序在计算机中的执行方式有两种：多道程序在计算机中的执行方式有两种：n顺序执行顺序执行n并发执行并发执行6263 程序的程序的顺序执行顺序执行n顺序，顺序，资源独享，资源独享，可再现可再现程序段程序段1输

26、入输入程序段程序段1计算计算程序段程序段1输出输出程序段程序段2输入输入程序段程序段2计算计算程序段程序段2输出输出64程序的程序的并发执行并发执行程序段程序段1输入输入程序段程序段1计算计算程序段程序段1输出输出程序段程序段2输入输入程序段程序段2计算计算程序段程序段2输出输出程序段程序段3输入输入程序段程序段4输入输入程序段程序段3计算计算程序段程序段4计算计算程序段程序段3输出输出程序段程序段4输出输出n并发执行，并发执行，资源共享，轮流使用资源共享，轮流使用65并发执行例并发执行例n例：例：n程序程序A：每执行一次都要做：每执行一次都要做N=N+1；程序；程序B，每执行一，每执行一次都

27、要做次都要做print(N)，然后使，然后使N=0。设某时刻。设某时刻N=nn执行：执行：n先运行先运行A，再运行，再运行B，得，得N为：为：nn+1,n+1,0n先运行先运行B，再运行，再运行A，得，得N为：为：nn,0, 1n先运行先运行B的的print(N) ，再运行，再运行A，之后运行，之后运行B的的N=0，得得N为：为：nn,n+1,0第第1 1章章 计算机基础计算机基础一、微型计算机系统组成一、微型计算机系统组成二、主机系统二、主机系统n中央中央处理器（处理器（CPU）n存储器存储器 n总线总线n输入输入/输出接口输出接口三、输入输出系统三、输入输出系统四、操作系统四、操作系统存储器管理处理器管理文件管理用户接口文件管理操作系统设备管理设备管理存储器管理存储