大学信息技术基础：第二章 计算机系统-硬件与软件

第二章计算机系统-硬件与软件[本章要点]从历史走向未来–计算机的发展史计算机硬件系统计算机软件系统2.1从历史走向未来－计算机的发展史

计算机是信息处理的主要工具。计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机软件包括系统软件和应用软件两大类。计算机软件技术的发展将呈现平台网络化、技术对象化、系统构件化、产品领域化、开发过程化、生产规模化。

2.1.1现代计算机的“史前”时代（-1946）中国东汉发明的十进位计数法；宋朝发明了珠算盘。1617年，苏格兰发明家约翰·奈皮尔（JohnNapier）用骨制工具进行除法、减法以及加法和乘法的混合运算，发明了计算尺。1622年英格兰的威廉·奥特雷得（WilliamOughtred）发明了滑动计算尺。现代计算机的前身是帕斯卡在1642年建造的第一台机械式的计算机，后来，巴贝奇在1822年建造了机械式的数字微分机，这些都是在现代电子计算机诞生前，人类创造计算工具的重要实践。2.1.1现代计算机的“史前”时代（-1946）1937年，德国的康拉德·朱斯（KonradZuse,1910-1995）建造了Z-1机电式计算机；1941年11月5日，Z-3研制成功，这是完全由程序控制的机电式计算机，全部使用继电器，所有材料耗资25000马克（当时合6500美元）。1944年5月，美国哈佛大学的应用数学教授霍华德·阿肯建成了"哈佛IBM自动序列控制计算机"，后来称为"马克1号"，它的元件还是继电器。

2.1.2

第一台电子计算机的诞生

1946年2月5日，是人类文明历史上的重要转折。美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC"研制成功了。它用电子管代替继电器和其他半机械式装置，使运行速度一下子可以提高数千倍。“ENIAC"共用了18000多只电子管，耗电150千瓦，占地170平方米。为了给这个庞然大物散热，专门为它配备了一台重约30吨的冷却装置。第一台电子数字积分计算器ENIAC1946年2月5日诞生ENIAC是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的。2.1.3

现代电子计算机结构和工作原理美国普林斯顿大学研究院的匈牙利籍科学家冯.诺依曼提出了计算机的工作原理：

“存贮程序,顺序控制”他提出了现代电子数字计算机的基本结构；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。世界上第一台电子计算机“存贮程序顺序控制”原理的基本内容：(1)采用二进制形式表示数据和指令；

(2)将程序（数据和指令序列）预先存放在主存贮器中，使计算机在工作时能够自动取提取指令并执行，循环进行；

(3)由运算器、存贮器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机系统，并规定了这五大部件的基本功能。计算机的工作原理世界上第一台电子计算机信号系统10011001

10010110输出信号：输入信号：第一台”存储程序”计算机——EDVAC冯·诺依曼摩尔定律高登.摩尔是Intel的创始人之一，他于1965年提出了著名的摩尔定律：单位平方英寸芯片的晶体管数目每过18个月就将增加一倍。1971年23002004年4200万个集成电路IC，是将多种电子元器件（晶体管、电阻、电容）集成到一片硅片上。集成度指单块芯片上所容纳的元件数目。2.1.4现代计算机发展的四个阶段采用电子管计算机的第一代计算机（1946—1957）采用晶体管的第二代电子计算机（1958—1964）采用集成电路的第三代计算机（1965—1970）使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年至今）①第一代计算机（1946年～1957年）采用电子管作为基本元件，主存储器采用汞延迟浦线，其特点是主存存储器容量小、速度慢、机器体积大、重量大、功耗大、成本高。②第二代计算机（1958年～1964年）采用晶体管作为基本元件，主存储器采用磁芯存储器其特点是主存储器容量加大、运算速度加快、减小了体积、重量、功耗及成本，提高了计算机的可靠性。

③第三代计算机（1965年～1971年）基本电子元件是中、小规模集成电路（几十至几百个/mm2），其特点是功能进一步增强，体积功耗进一步降低。④第四代计算机（1971年至今）是大规模、超大规模集成电路（几万至几千万个/mm2），主存采用半导体存储器，容量大大增加，外存主要有磁盘、光盘，运算速度可达几亿次/秒，计算机开始向标准化、模块化、系列化、多元化的方向前进。

在第四代计算机出现之后，计算机朝着巨型化、微型化、网络化和智能化等方向发展。乔布斯APPLEII（8位机）中国的热潮1981年，美国IBM公司推出了个人计算机PC机（16位机）

，80年代进入中国，计算机开始深入到工作的各个方面。TRADIC1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。IBM3601964年美国第一个采用集成电路，通用计算机系统IBM360系统研制成功。该系统的总设计师布鲁克斯获得了计算机界的最高荣誉－－图灵奖。银河-Ⅱ（10亿次

1992年）曙光1000（1995年200亿次）发展方向之二——巨星机

【要快？要”巨“？多处理器，并行计算，矢量机】到2010年世界最快的计算机天河-1A系统是由国防科技大学研制的每秒可进行2.5千万亿次计算部分它采用了国防科技大学自主研制的“银河飞腾－１０００”芯片，数量约占全部ＣＰＵ的七分之一。2.1.5计算机有智能吗？---关于第五代计算机

下一代计算机，即第五代电子计算机也被称为“智能计算机”。究竟什么是”智能计算机”，到目前为止人们还有不同的理解图灵1950年发表了《电脑能思考吗》，其中提出了著名的“图灵测试”。

图灵测试：一个人在一间房子里，向另外一间房子里的人或机器提问，但这个人不知道回答问题的是人还是机器，如果这个人根本无法判断出是人还是计算机在回答问题，那么就可以认识计算机具有同人相当的智力。

图灵测试首先提出了“机器思维”这个概念，为计算机科学又开创了一个新的研究领域（AI）。左为国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫右为“深蓝”的现场操作者人机对弈1958:第一台电子数字计算机DJS-11983：“银河”-Ⅰ(1亿次)1992:“银河”-Ⅱ(10亿次)1995：曙光2000-Ⅰ(200亿次）1999：曙光2000-Ⅱ(1000亿次)2003:曙光4000A（10万亿次）我国计算机技术的发展概况2.2

计算机系统计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大块组成。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，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子的有关说明资料,说明书、用户指南、操作手册等。

2.2.1微型计算机系统微型机具有体积小、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，特别是高档微型机的性能已经超过了一般小型机，数量也最多。微型机分为台式机和便携式两类。微型计算机系统组成：几个概念（1）CPU：中央处理器，由运算器和控制器组成。（2）存储器分为内存（也称主存储器）、外存。（3）总线（BUS）是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 总线又可分为数据总线、控制总线、地址总线，各司其职。（4）接口

接口，是计算机与各种设备联接的端口。它其实是一组电气联接和信号交换标准。在信号中，有一部分是数据信号，其余是控制信号，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。一种是用几条线来同时传送数据，这种叫并行传输接口。

（5）主机与主板：：CPU和内存又称主机，而外存、输入设备与输出设备合称外部设备。主机放在主板上，主板的作用之一就是将微机的各个部件组合成一个整体。主板联想KD7主板面板示意图主板：又称母板。有CPU、内存插槽、ROM和某些专用芯片、I/O扩展槽。内存插槽硬盘接口软驱接口北桥芯片南桥芯片AGP插槽PCI插槽CPU插槽USB接口1——卡槽2——EDC芯片：校验芯片3——金手指：内存和插槽的接触部分4——内存芯片5——SPD（EPROM）：存储内存的性能指标及序列号2.2.4

内存内存的每个单元都有一个编号，称地址。CPU的寻址范围由地址总线的根数决定。对存储器的操作有:读和写。写入新信息会覆盖掉原信息。存储器的计量单位：Byte、KB、MB、GB、TB。①内存内存是计算机用于直接存取程序和数据的地方，因此计算机在执行程序前必须将程序装入内存中。内存的速度远远高于外存，它速度高、但容量小、每位价格较高。主存储器主要又分为：A)只读存储器（ROM

）ROM(ReadOnlyMemory)存放的内容只能读，不能改变或擦除，由计算机产商在生产时写入。B)随机访问存储器（RAM）RAM（RandomAccessMemory）可读可写存储器。目前，内存多采用半导体存储器。除了ROM，还有EPROM(ErasableProgrammable可擦除可编程）、FlashROM（闪存）等

2.2.5

外存储器

外存储器一般有软盘、硬盘、光盘和U盘等。软盘与硬盘一般由磁性材料构成。●硬盘硬盘是由若干片硬盘片组成的盘片组，一般被固定在计算机机箱内。与软盘相比，硬盘的容量要大得多，存取信息的速度也快得多。目前生产的硬盘容量一般在40GB以上，甚至达到几百GB。在使用硬盘时，应保持良好的工作环境，如适宜的温度和湿度、防尘、防震等，不要随意拆卸。磁盘阵列RAID0,RAID1,…,RAID5非易失随机存储器NVRAM:U盘、SD卡。硬盘软盘软盘软盘的一般尺寸为3.5i，容量为1.44MB。在3.5i软盘的一个角上有一个滑动块，如果移动该滑动块而露出一个小孔（称为写保护孔），则该软盘上的信息只能被读出而不能再写入。在使用软盘时也应注意防潮、防磁与防尘，并且对软盘不要重压与弯曲，当软盘在驱动器中正在进行读写时，不要做插拔操作。存储容量磁道数×扇区数×字节数/扇区×面数×磁盘片数Ex：80×18×512×2×1＝1.44MB●光盘用于计算机系统的光盘主要有3类：只读性光盘、一次写入性光盘与可擦写性光盘。目前在微机系统中使用最广泛的是只读性光盘。只读性光盘（CD-ROM）只能读出信息而不能写入信息。光盘上已有的信息是在制造时由厂家根据用户要求写入的，写好后就永久保留在光盘上。CD-ROM中的信息要通过光盘驱动器才能读取。目前，CD-ROM的存储容量约为650MB，适合于存储如百科全书、文献资料、图书目录等信息量比较大的内容。在多媒体计算机中，CD-ROM已成为基本配置。光盘驱动器是读取光盘信息的设备。是多媒体电脑不可缺少的硬件配置。光盘驱动器主要有三种，CD−ROM、CD−R和CD−RW。CD−ROM是只读光盘驱动器；CD−R只能写入一次，以后不能改写；CD−RW是可写、可读光盘驱动器。目前一些高档机型已配置DVD驱动器。DVD盘片的容量为4.7GB，相当于CD−ROM光盘（650Ｍ）的7倍。光盘只读光盘CD--ROM一次性写入光盘WORM可抹性光盘倍速CD:150KB/SDVD:1.3MB/S

2.2.8输入设备

输入设备是人们和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。计算机输入设备在不同时代是不相同的。在DOS（一种过时的操作系统）时代，键盘几乎是唯一的输入设备；到了Windows时代，鼠标大行其道，成了与键盘并驾齐驱的重要输入设备；到了多媒体时代，扫描仪、光笔、压感笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置、数码相机、数码摄相机、光电阅读器等都成为常用的输入设备。

在输入设备中，数码相机、数字摄像机、扫描仪等大多采用了一种叫CCD器件（电荷耦合器件）。这是一种半导体成像器件，感光芯片，相当于传统相机的胶片。当光线或图像射到CCD表面时，产生电流，转换成数码资料。显示器键盘2.2.9输出设备

输出设备的作用是把计算机处理的中间结果或最终结果用人所能识别的形式(如字符、图形、图像、语音等)表示出来，它包括显示设备、打印设备、语音输出设备、图像输出设备等。EpsonLQ－1600型针式打印机

Canon佳能I6500喷墨打印机

HP惠普LaserJet彩色激光打印机

返回目录小结与复习：先看主机与外设2.3计算机软件系统

2.3.1软件的性质及发展史

现在，被普遍接受的软件定义是：计算机软件是在计算机上运行的各种程序、要处理的各类数据以及有关文档的总称。其中程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。文档是软件的”质”的部分，程序则是文档代码化的表现形式。相对于计算机硬件而言，软件是计算机的无形部分，但它的作用是很大的。2.3.2

软件系统的分层结构

操作系统层实用软件层应用软件层计算机硬件层windows98QBASICC语言……字（表格）处理软件财务软件……裸机2.3.3软件的性质及发展史

软件性质包括以下4个方面：抽象的表现形式手工作坊式的开发形式维护困难复杂性和规模不断增加2.3.3

软件技术的进化史

计算机的数学理论基础是图灵于1937年提出的图灵机模型，而现代电子计算机的体系结构及实际计算模型则是来自冯.诺依曼1946年提出的“程序放入内存，顺序执行”的思想，因此，现在的计算机通常被称为冯.诺依曼计算机。计算机语言的发展历程也从此正式开始，计算机语言发展经历机器语言、汇编语言、高级语言。机器语言：就是二进制代码语言，由0和1构成，它是能直接被计算机识别并执行的语言。

汇编语言：用助记符号表示二进制代码形式的机器语言。如求F0A0与6801之和的汇编语言程序：

MOVAX,F0A0HADDAX,6801H

汇编语言程序必须经翻译成机器语言才能在计算机上运行。

高级语言：主要的有BASIC（VisualBasic、VB.Net)C语言(C#，VisualC);Pascal语言，FORTRAN语言等。高级语言程序也必须经翻译成机器语言才能被计算机识别与执行。

将高级语言翻译成机器语言有两种方法编译是将用高级语言编写的源程序整个翻译成目标程序，然后将目标程序交给计算机运行。编译过程由编译自动完成。

解释是对用高级言编写的源程序逐句进行分析，边解释、边执行并立即得到运行结果。解释过程由解释程序自动完成。

第四代计算机语言(Fourth－GenerationLanguage,以下简称4GL)，这一类语言由于具有“面向问题”、“非过程化程度高”等特点，向用户提供了功能强大的非过程化问题定义手段，用户只需告知系统做什么，而无需说明怎么做，因此可大大提高软件生产率。一般认为4GL具有简单易学，用户界面良好，非过程化程度高，面向问题，只需告知计算机“做什么”，而不必告知计算机“怎么做”，目前4GL主要面向基于数据库应用的领域，我们将在第五章中学习SQL语言。

盖茨出生于1955年，1973年考进哈佛大学.在校期间为第一台微型计算机MITSAltair开发了BASIC编程语言的一个版本。大三盖茨离开哈佛并把全身心投入到自己创建的微软公司中。目前比尔.盖茨是微软公司主席和首席软件架构师。微软公司在个人计算和商业计算软件、服务和互联网技术方面都是全球范围内的领导者。目前微软公司的收入达300亿美元，在78个国家和地区开展业务，全球的员工总数超过50,000人。比尔盖茨

软件技术发展的中期（20世纪80年代）AppleLisa、Macintosh（Apple公司）－－1983年

Windows1.0（Microsoft公司首次引入GUI界面－－1985年Windows2.1（增加层叠、多任务虚拟机技术）－－1987年Windows3.0（Windows386增强模式）1990年Windows3.11992年Windows3.21993年Windows95支持PnP技术1995年Windows98Windows95的升级版1998年Windows20002000年WindowsmeWindosXPWindows2003

这一时期形成了OOA、OOD、OOP完整的软件开发方法2.3.2软件技术的进化史

网络计算时代的开始（20世纪90年代至今）C/S模式(Client/Server客户机和服务器）。B/S模式（Browser/Server浏览器和服务器）

C/S模式：这种结构由两部分组成，即客户机和服务器，当信息系统的用户向系统提出请求时，如果客户机可以满足请求就直接将结果反馈给用户，否则，就将用户的请求提交给服务器来处理。服务器在后台对用户的请求进行处理，然后把结果返回给客户机，客户机再将其显示给用户。

C/S模式的优点是许多重要的资源都存储在服务器上，可以保证数据的完整性和一致性缺点是：开发和维护成本高。随着C/S软件的不断升级，也对硬件不断提出要求，造成开发成本高的后果。同时，由于每个客户机都需要安装相应的应用程序，在系统升级或维护时，每个客户机都要更新，日常工作比较繁琐。兼容性差较难推广B/S模式以WEB技术为基础，随着Internet的发展，这种模式越来越多地被应用于大型的信息系统中。B/S模式的结构。B/S模式由浏览器、WEB服务器、数据库服务器三部分组成。这种结构的核心是WEB服务器，它的工作主要是接受远程或本地的查询请求，然后到数据库服务器去获取相关的数据，并把结果以HTML以及各种页面描述语言的形式传送给用户。用户使用一个浏览器来提交请求和获得结果，而不再需要各种各样的应用软件

优点：对客户端要求低。客户端只需要安装浏览器，用户只要会使用浏览器软件就可以上网操作，对用户的培训非常简单。维护费用低。由于客户端只是一个浏览器方便地接入Internet2.3.4操作系统

系统软件是直接控制计算机和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程，以及方便用户的软件集合。计算机用户操作系统DOS操作系统Windows操作系统UNIX2.3.4操作系统（OSOperatingSystem,简称OS）

操作系统的五大功能：

处理器的管理存储管理（内存管理）设备管理文件管理进程及作业管理返回目录

处理器管理主要解决对对处理器（CPU）的分配调度策略、分配实施和资源加收等问题的管理。中断处理:中断指CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应，即CPU暂停正在执行的程序，保留现场，自动转去执行相应的程序，处理完成后返回“断点”继续执行被打断的程序。硬件负责捕捉中断事件并产生中断信号。

进程与作业管理

（1）进程概念：进程是正在运行的程序。每运行一个程序，就启动了一个进程。windows是单用户多任务操作系统。即同时可以运行多个程序，所以，某个时刻可能有多个进程。实例操作：查看计算机的进程：运行任务管理器，可以看到记事本、画图程序的进程。进程有三个状态：就绪态：进程已具备运行条件，但CPU被其他进程占用，只能等待分配CPU执行态：当前进程已分配到CPU，程序正在运行。等待态：因等待某件事件发生而暂不能运行。操作系统通过进程控制块PCB对进程进行管理和控制。PCB中记录了进程的状态、优行级、CPU使用时间等详细信息。(2)线程概念：线程是CPU中运行的最小单位。在Windows

98/NT下，每个进程可以启动几个线程，比如每下载一个文件可以单独开一个线程。进程与线程的关系：一个进程可以有多个线程，但一个线程只能属于一个进程。

处理器调度归结为对进程与线程的管理。

存储器管理主要管理内存资源，根据用户程序的要求给它分配内存，保护用户存放在内存中的程序和数据不被破坏，同时存储管理还解决内存的扩充问题。

虚拟存储器是由操作系统提供的一个将硬盘上的一块空间映射为存储器，达到扩大内存的目的。

设备管理是指对所有外部设备的管理。它是操作系统中用户和外部设备之间的接口，主要负责分配、回收外部设备及控制外部设备的运行。

文件管理是操作系统对计算机系统中软件资源的管理，通常由操作系统中的文件系统不定期完成这一功能，支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题。文件：是在逻辑上具有完整意义并赋有名称的信息集合体。可以是程序，数据，文字材料、图片等。文件管理实现文件的建立、读写、修改、共享和保护等操作，还负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。对文件的管理采用文件夹、树形结构，如资源管理器的管理方式。

2.3.4.6操作系统的分类按照系统功能进行分类（1）单用户单任务操作系统如早期的DOS（2）单用户多任务如windows98/2000/xp（3）多用户多任务如Unix,Linux等(4)网络操作系统如Unix,WindowsNT(5)分时操作系统（6）实时操作系统等2.3.5应用软件指用于解决各种不同具体应用问题的专门软件，也可以是用户自己开发的程序。如字表处理软件、图形图像处理软件、网络应用软件等。如：字表处理软件Word、Excel图形图像软件Flash、CAD、Photoshop网络应用软件InternetExplorer、OutlookExpress数据库软件MSSQLServer2000、Oracle、VisualfoxPro科学和工程计算软件MALTAB等课堂思考题世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于上世纪()年代。

A)

30

B)

40

C)

50

D)

60

第四代计算机采用的基本电子器件是（

）。

A)

电子管

B)

晶体管

C)

集成电路

D)

大规模集成电路“存储程序原理”的现代计算机基本结构又称为()体系结构。

A)香农B）图灵C）冯.诺依曼D）摩尔

微处理器由主要包括运算器、控制器和（

）等部件。

A)

寄存器

B)

存储器

C)

加法器

D)

逻辑运算器

下列设备中不属于输入设备的是（

）。

A)

键盘

B)

鼠标

C)

扫描仪D)

绘图仪

下面设备中不包括CCD（电耦合器件）的设备是（

）。

A)

数码相机

B)

数码摄像机

C)

扫描仪

D)

显示器

下面关于软件性质的描述中，正确的是（

）。

A)

由于软件在使用过程中存在磨损和老化，所以软件会被淘汰。

B)

计算机软件就是在计算机上运行的各种程序的集合。

C)

D