计算机系统基础

大学计算机

“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材1第1章

计算机系统基础1.1计算机的发展1.2计算机的类型1.3计算机的基本工作原理及结构1.4计算机硬件系统的组成1.5数据在计算机中的表示1.6计算机软件的类型21.1计算机的发展什么是计算机？计算机是一种处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。信息处理工具智能化信息存储、传送、加工31.1.1早期计算工具的发展古代甲骨文数字（约公元前1500年）41.1.1早期计算工具的发展算筹（起源于周朝，公元前1000年）51.1.1早期计算工具的发展算盘（可能起源于唐朝，流行于宋朝，公元800年左右）61.1.2早期计算机的发展帕斯卡加法器（1642年，法国数学家）71.1.2早期计算机的发展巴贝奇分析机模型（1822年，英国数学家）81.1.2早期计算机的发展第一台现代电子数字计算机ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）91.1.2早期计算机的发展阿塔纳索夫计算机设计三原则：（1）以二进制的方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；（2）利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；（3）采用计算功能与存储功能相分离的结构，以简化计算机设计。101.1.2早期计算机的发展1946年，冯·诺伊曼等人提出了《电子计算机装置逻辑结构初探》设计报告。1949年，英国剑桥大学研制成功EDSAC（电子离散时序自动计算机）。至此，开始了现代计算机的发展时期。111.1.3现代计算机的发展现代计算机发展的4个时代分代时间主要元件技术特点第一代1946~1953电子管穿孔卡片，机器语言和汇编语言第二代1954~1963晶体管磁盘，高级语言，科学计算，中小型计算机第三代1964~1970中小规模集成电路大型化，集中式计算，远程终端第四代1971至今大规模和超大规模集成电路超大型化，微机化，嵌入式，图形用户界面，多媒体，网络通信121.1.4微型计算机的发展1975年，第一台微机

Altair8800（牛郎星）131.1.4微型计算机的发展“牛郎星”微机的意义：微型化的设计方法OEM（原始设备生产厂商）生产方式开放式设计思想硬件与软件分离DIY（自己动手做）141.1.4微型计算机的发展苹果公司的AppleII微机（1977年）CPU：6502系列，主频4MHz

内存：64KB可扩展至128KB

外存：2个5.25‘软驱

视频：80x25行字符输出151.1.4微型计算机的发展个人计算机IBMPC5150（1981年）CPU：Intel8088，工作频率4.77MHz内存：16KB外存：160KB5.25”软盘显示器：11.5”单色操作系统：MS-DOS1.0价格：3045美元。161.2计算机的类型计算机主要组成部件：半导体集成电路芯片机电部件计算机主要产品：大型计算机微型计算机嵌入式系统171.2.1计算机系统的分类181.2.2大型计算机超级计算机设计方案专用设计集群设计（占80%左右）集群计算机：利用多台独立的计算机，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。191.2.2大型计算机2012年6月，美国IBM公司生产的“红杉”超级计算机荣获世界最快计算机桂冠。“红杉”超级计算机性能：占地318平方米96个机柜，160万个处理器，1.6TB内存持续测试达到：每秒16324万亿次运算峰值运算速度：每秒20132万亿次201.2.2大型计算机超级计算机集群“红杉”（Sequoia）211.2.2大型计算机我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机，2010年11月排名世界500强计算机第1名“天河1号”计算机性能：2560个计算节点，6144个3.0GHz的IntelXeon处理器，2560片显卡，内存总容量为98TB点对点通信带宽：40Gbit/s峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。221.2.2大型计算机“天河1号”计算机集群231.2.3微机PC系列微机（1）台式微机（PC）241.2.3微型计算机（2）笔记本微机（PC）251.2.3微型计算机（3）PC服务器261.2.3微型计算机苹果系列台式微机271.2.3微型计算机苹果系列笔记本微机281.2.3微型计算机平板微机291.2.4嵌入式系统嵌入式系统的基本组成嵌入式系统是为特定应用而设计的专用计算机系统，或者作为设备的一部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。301.2.4嵌入式系统

嵌入式计算机311.3计算机的基本工作原理及结构

1.3.1计算机的基本工作原理冯·诺依曼计算机设计思想采用二进制表示数据和指令采用存储程序方式计算机由5大部分组成冯·诺伊曼计算机模型的五大部分：输入设备，输出设备，存储器，控制器，运算器32冯·诺依曼结构框图数据流控制流取数存数地址指令存储器控制器运算器输出设备输入设备程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号331.3.2指令和指令系统指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令组成：操作码+操作数指令系统：一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令，数据处理指令，程序控制指令，输入/输出指令和其他指令。341.3.2指令和指令系统指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”，“指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成，这个过程不断重复进行。351.3.3微机系统结构微机采用以CPU为核心的控制中心分层结构。361.3.3微机系统结构1-3-5-7规则:（1）1个CPU（2）3大芯片（MCH，ICH，FWH）（3）5大接口（SATA，eSATA，SIO，LAN，HDA（4）7大总线（FSB，MB，PCI-E，IHA，PCI，LPC，USB等）。“1-3-5-7”是指主要结构而言，实际产品会有一些增减。371.3.4未来的新型计算机摩尔定理：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒381.3.4未来的新型计算机超导计算机量子计算机光子计算机生物计算机神经网络计算机391.4计算机硬件系统组成计算机硬件系统CPU系统主板系统内存系统显示系统外存系统音频系统网络系统辅助系统等401.4.1计算机系统组成冯·诺依曼411.4.1计算机系统组成微机硬件的基本组成421.4.2CPU系统CPU（中央处理器）是计算机中最重要的一个部件。CPU工作频率越高，工作速度越快。Intel（英特尔）公司是CPU技术领头人，其他厂商有AMD（超微）公司，IBM（国际商业机器）公司，ARM（安媒）公司等。431.4.2CPU系统CPU的组成441.4.2CPU系统英特尔公司CPU产品酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本微机。至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。451.4.2CPU系统CPU技术性能系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。处理字长CPU内部运算单元一次处理二进制数据的位数。目前微机CPU绝大部分为64位产品。工作频率CPU每一秒钟工作的周期数，单位Hz（赫兹），例如1GHz=10亿个计算周期。461.4.3主板系统主板组成集成电路芯片，电子元器件，电路系统，各种总线插座和接口组成。主板的主要功能传输各种电子信号，部分芯片也负责初步处理一些外围数据。47南桥芯片北桥芯片PCI总线PCI- E总线CPU插座SIO接口内存条插座主板电源插座SATA插座音频芯片网络芯片时钟芯片SIO芯片48安装孔CMOS电池电压芯片信号线电容电感电阻PCB音频接口491.4.4存储器系统内部存储器能够直接与CPU进行数据交换外部存储器与CPU间接交换数据的存储器501.4.4存储器系统511.4.4存储器系统内存技术指标内存中每个存储单元可存放1位（bit）二进制数据，8个存储单元称为一个字节（Byte）。内存容量单位：KB、MB、GB、TB。8bit（比特）=1Byte（字节）1024B＝1KB1024KB＝1MB1024MB＝1GB1024GB=1TB521.4.4存储器系统内存的类型随机存储器（RAM）静态随机存取存储器（SRAM）动态随机存取存储器（DRAM）计算机运行时的程序和数据均放在RAM中，一旦掉电，其中的数据将全部丢失。只读存储器（ROM）目前ROM一般做在微处理器芯片内部外部ROM一般采用可读写的“闪存”芯片531.4.4存储器系统内存条541.4.4存储器系统外存：容量大，停电可以保存数据，不能与CPU直接交换数据。CPU、内存、外存之间的关系：CPU外存内存交换数据交换数据不能直接交换551.4.4存储器系统（1）闪存采用半导体快闪存储器为存储介质。如：U盘，固态硬盘（SSD），存储卡等SD存储卡U盘561.4.4存储器系统（2）硬盘机械硬盘和电子硬盘（SSD）571.4.4存储系统机械硬盘和电子硬盘的比较581.4.4存储器系统硬盘容量320GB，500GB，1TB，2TB或更高。硬盘尺寸3.5英寸、2.5英寸等。硬盘接口串行接口（SATA），USB接口等。591.4.4存储器系统（3）光盘和光驱光盘类型CD-ROM（容量为650MB）DVD-ROM（容量为4.7GB-17GB）BD（蓝光光盘，容量为23GB/27GB）光盘读写DVD-ROM（只读光盘）DVD-R（一次写入光盘）DVD-RW（可擦写光盘）601.4.4存储器系统光盘和光驱611.4.5总线和接口总线是微机中各种部件之间共享的一组公共数据传输线路。总线功能数据总线用来在设备之间传输数据和指令地址总线用于指定数据来源与去向控制总线用来控制数据的访问与使用621.4.3主板系统线宽PCI-Ex16总线插座PCI总线插座PCI-Ex1总线插座SATA接口插座631.4.5总线和接口计算机总线结构示意图：

微处理器CPU

主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等硬盘驱动器AB地址DB数据CB控制总线641.4.5总线和接口总线性能总线宽度：总线一次并行传输的二进制位数。有8位、16位、32位、64位等。总线频率：描述总线的速度，有33MHz、66MHz、100MHz、133MHz、200MHz、400MHz、800MHz、1066MHz等。651.4.5总线和接口PCI总线总线功能：用于安装功能扩展卡总线宽度：32位工作频率：33MHz总线带宽：132MB/s661.4.5总线和接口PCI-E总线高速串行总线采用点对点连接总线接口长短不同每条单独通道（X1）有4GB/s带宽PCI-EX16总线用于安装显示卡671.4.5总线和接口接口两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。接口功能在各个组成部件之间进行数据交换。常见接口硬盘/光驱接口：SATA音频接口：LineOut、MIC等网络接口：RJ-45681.4.5总线和接口微机线路连接691.4.6输入/输出设备键盘701.4.6输入/输出设备鼠标711.4.6输入/输出设备显示器类型LCD（液晶显示器）CRT（阴极射线管）显示器接口DVI（数字视频接口）主要技术参数屏幕尺寸点距：0.20、0.25、0.26、0.28（mm）等显示分辨率：（水平像素点）×（垂直像素点）721.4.6输入/输出设备LCD(液晶显示器)CRT(阴极射线显示器)731.4.6输入/输出设备打印机3D打印机激光打印机741.4.7计算机的主要技术指标1.性能指标性能可以通过基准测试软件进行测试。微机的主要性能指标CPU字长时钟频率内存容量外部设备配置751.4.7计算机的主要技术指标2.功能指标微机提供服务的类型。3.可靠性指标在规定工作环境下稳定运行的能力。4.兼容性指标产品符合某一技术规范的特定要求，两个不同厂商的产品，如果能够在同一环境下应用。761.5数据在计算机中的表示信息有数值、文字、声音、图形、图像、视频等形式。771.5.1常用数制的表示方法1、十进制数十进制数是人类最早使用的数制十进制数运算规则：逢十进一，借一当十数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9为了便于区分，十进制数用下标或在数字尾部加D表示，例：[23]10或23D。781.5.1常用数制的表示方法2、二进制数计算机内部采用二进制数进行存储、传输和计算。用户输入的各种信息，由计算机软件和硬件自动转换为二进制数，数据处理完成后，再由计算机自动转换为用户熟悉十进制数或其他信息。数字符号：0和1运算规则：逢二进一，借一当二二进制数用下标或在数字尾部加B表示791.5.1常用数制的表示方法3.十六进制数数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。运算规则：逢16进1，借1当16为了便于区分，十六进制数用下标或在数字尾部加H表示。例：[18]16或18H。801.5.1常用数制的表示方法811.5.1常用数制的表示方法4.任意进制数的表示方法对任意R进制数，基本数字符号为R个，任意进制的数可用下式表示：An…A1A0A－1…A－m(R)＝AnRn-1＋…＋A2R1＋A1R0＋A－1R－1＋A－2R－2＋…＋A－mR－m【例】10101B=24+22+1=21D【例】101AH=163+16+10＝4106D821.5.2常用数制之间的转换1.二进制数与十进制数之间的转换按照十进制数的运算规则，将二进制数各位的数码乘以对应的权再累加起来。【例1-4】：将[1101.101]2转换成十进制数。解：[1101.101]2＝[23＋22＋20＋2－1＋2－3]10＝[8＋4＋1＋0.5＋0.125]10＝[13.625]10831.5.2常用数制之间的转换2.十进制数与二进制数之间的转换十进制转化成r进制时，整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列。841.5.2常用数制之间的转换【例1-5】：将十进制的18.8765转换为二进制数时，运算结果为：[18.8765]10=[10010.111]2851.5.2常用数制之间的转换3.二进制数与十六进制数之间的转换【例1-6】：将[111101.010111]2=[00111101.01011100]2=[3D.5C]1600111101.010111003D.5C861.5.2常用数制之间的转换4.十六进制数与二进制数之间的转换【例1-7】：[4B.61]16=[01001011.01100001]2=[1001011.01100001]24B.6101001011.01100001871.5.3字符数据的表示1.英文字符的ASCII编码字符数据包括西文字符（字母、数字、各种符号）和汉字字符。每个字符对应一个惟一的二进制数，这个二进制数称为字符编码。

ASCII（美国标准信息交换码）是目前使用最为广泛的字符编码。881.5.3字符数据的表示编码形式：7位二进制数表示编码个数：128个编码次序：空格、数字、大写、小写表示对象：字符（如A，1，NUL等）表示方法：A=01000001(一个字节)【例1-9】：利用ASCII对字符“book”编码。查ASCII表可知，book的ASCII为：0110

00100110

11110110

11110110

1011

book891.5.3字符数据的表示2.中文字符的编码GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，也称“国标码”GB2312-80规定：一个汉字用两个字节表示，每个字节只使用低7位，最高位（第8位）为0。