《计算机应用基础》第1章 计算机系统基础

第一章计算机系统基础

1.1计算机的发展

1.2计算机的类型

1.3计算机基本工作原理及结构

1.4计算机硬件系统的组成

1.5计算机软件系统

1.6数据在计算机中的表示与存储

2

什么是现代计算机？

R算机是一种无须人工干预，能对各种信息进

行存储和快速处理的电子设备。

现代计算机是电子驱动的，其本质特征是存储

控制，即将事先编好的“程序”（指令和数

据）存入“存储器”中，然后计算机就可以

按照程序步骤自动连续执行。

思考：计算器和计算机的区别。

3

1.1计算机的发展

1-1-1早期计算工具的发展

最早：手指/脚趾：只能记数、不能存储、局限于0~20以内。

商朝：甲骨文

周朝：算筹

唐朝：算盘

1-1计算机的发展

CharlesBabbage

ENIACMARKI1833分析机5

1.1.2早期计算机的发展

计算机是使用相应的程序来完成任何设定好

的任务。

图灵机是一种思想模型，

它由三部分组成：

一个控制器，一条可以无限延

伸的带子和一个在带子上左右

移动的读写头。

为纪念图灵对计算机的贡献,

美国计算机博物馆于1966年

设立了“图灵奖”

1-1计算机的发展

眼5000次加法/秒

翻体重28吨

福占地170m2

18800只电子管

1500个继电器

功率150KW

7

1.1计算机的发展

山・3现代计算机的发展

计算机发展的4个时代:

时代年份电路特点

第一代1946~1953电子管磁鼓、磁带

第二代1954〜1963晶体管磁芯、磁盘

第三代1964〜1970集成电路终端访问

大、超大规模

第四代1971~今个人计算机

集成电路

1.1.4微型计算机的发展

厂计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化和智能化。

时代时间位数代表性芯片

第一代1972年8位Intel8008

第二代1973年8位Intel8085

M6800(Motorola)

Z80(Zilog)

第三代1978年16位Intel8086

M68000(Motorola)

Z8000(Zilog)

第四代1985年起32位Intel80836

Z80000

HP-32

NS-16032

Pentium系歹(J

9

1.1计算机的发展

L1,4微型计算机的发展

微处理器集成度发展示意图

晶

体

管

数

目

2

10彼木心上

1.1计算机的发展

工,4微型计算机的发展

摩尔定理

单

1975

位

晶.

10MMir.f***600时

体mm)

间

百

管

25万

执

数

条

行/

100K・押1.0每

秒

的

50如

指

令

数

11

每18个月芯片能力增长一倍。

1-1.5未来新型计算机

＞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

12

1.2计算机的类型

1.2J1计算机系统的分类

「超级计算机：世界超级计算机500强

/大型计算机J大型集群计算机：浪潮天梭TS10000

〔大型服务器等：IBM公司eServerz990

，PC微机：Pentium4桌面微机

苹果微机：苹果PowerPCG5

微机笔记本微机：迅驰2代笔记本微机

计算机类型/PC服务器：HPProLiantML150G2

平板微机：东芝dynabookR10

、掌上微机，惠普ipAQh6315ProcketPC

r工业控制PC：西门子SIMATICIL43工控机

单片机：80c5系列

I嵌入式系统《POS机

ATM机

I其他控制、测量、管理、应用系统

1.2计算机的类型

1.2.2微型计算机的类型

1.微机定义的不确定性

2,微机分类（个人计算机PC

苹果微机（Mac）

i笔记本微机

平板微机（归bletPC）

〔掌上微机（PDA）

14

1.2.3计算机的主要应用领域

■科学计算

■数据处理，如管理信息系统(MIS),资源

规划系统(MRP)和电子信息交换系统

(EDI)等。

■自动控制

■计算机辅助工程，如计算机辅助设计(CAD),

计算机辅助教学(CAI),计算机辅助制造

(CAM),计算机辅助测试()等。

■人工智能(AI)

15

1.3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

计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利

科学家冯・诺依曼于1946年首先提出的。

＞采用二进制的形式表示数据和指令

＞采用存储程序方式

＞计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、

输出设备5大部件组成

16

冯•诺依曼理论要点

存储程序工作原理

计算机的两个基本能力：一是能够

存储程序，二是能够自动地执行程序。

计算机是利用“存储器”（内存）

来存放所要执行的程序的，而称之为

CPU的部件可以依次从存储器中取出程

序中的每一条指令，并加以分析和执行,

JohnvonNeumann

直至完成全部指令任务为止。

冯•诺依曼

17

冯・诺依曼结构框图

数据流

操

反控制流

作

馈

命

信

令

号

输

入

序

程+处理

设

备

数

据

▲

响

请

响

请

应

求

应

求

信

信

信

信

号

号

号

号

1.3.2指令和指令系统

＞指令：是能被计算机识别并执行的二进

制代码，由操作码与操作数组成。

A指令系统：即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。

＞指令执行过程

19

指令执行过程

冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入

设备把程序输入内存，计算机在控制器

控制下，从内存中逐条取出程序交运算

器执行。把结果回送入内存、或由输出

设备输出。

＞执行步骤：取指令、分析指令、执行指

令、程序计数器加1

20

1.3.3微型计算机系统结构

微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各

种输入/输出接口电路以及系统总线组成。

微型机的系统结构图如下：

微

处AB

理DB

器

CPUCB

主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口

软、硬盘键盘、显

各种外设

驱动器示器等21

1.3.4非冯・诺依曼结构计算机

非冯•诺依曼结构是一种由数据而不是

由指令来驱动执行的体系结构。

＞数据流计算机

＞归约计算机

A基于面向对象程序设计语言的计算机

＞智能计算机

22

非冯・诺依曼结构计算机的优、缺点

优点：

＞支持高度的并行操作；

＞与VLSI技术相适应；

＞有利于提高软件生产力。

缺点：

＞操作开销太大；

＞不能有效利用以前冯氏计算机累积起来的丰

富资源。

1.4计算机硬件系统的组成

从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机

箱内有主板（包括CPU和内存、总线扩展槽）、外存、输

入输出接口电路等，如下图所示:

24

1.4.1计算机系统的组成

(中央处理器(CPU)虐髓

1内存储器I只读存储器(ROM)

硬件L随机存储器(RAM)

计［外存储器——硬盘、软盘、光盘

算I外部设图输入设备——键盘、鼠标、光笔、扫描仪

机

系输出设备——显示器、打印机、绘图仪

统左处弘初/操作系统语言处理系统

「系统软件〈

〔数据库管理系统系统服务程序

［文字处理软件信息管理软件

〔应用软件《图形软件辅助设计软件

L种程序包

1.4-2CPU

■控制器和运算器通常做在一个集成电路板上,

是整个计算机的核心，称为CPU（中央处理

器）。______________

■控制器负责读指令、解释指〃

、执行指令。

।运算器进行算术运算和

逻辑运算。其核心是一

个算术累加器（ALU）。

114-2CPU

/

S

MS

AE

LM

AB

YL

SE

;CT

NI

27

1.4-2CPU

1.中央处理器CPU：它执行对信息的处理与控制，是整个

微型机的核心。

CPU可分为：①针脚式Socket②插卡式Slot

CPU的基本结构：运算器与内部控制器；控制逻辑单元；

CPU内部总线。

2.微处理器MPU：它是将CPU、时钟脉冲发生器和系统控

制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独

立器件。

28

1.4-2CPU

CPU的性能指标：

>CPU的字长

即CPU一次所能处理的数据的二进制位数；

CPU字长有8bit,16bit,32bit,64bit等，目

前流行的微机主要采用32bit。

>CPU执行指令的速度

即CPU每秒所能执行的指令条数，常用主频表

示，CPU主频通常以MH（兆赫）和GH（千兆赫）

为单位，1MH指每秒执行1百万条指令。目

前流行的CPU的主频均已达GH数量级。

>指令本身的功能强弱及复杂程度。

29

114.3主板

主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有

CPU插槽/插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓

存、时钟和CMOS主板BIOS、软/硬盘、串口、并口等外设

接口、控制芯片等。

扩展插槽

内存插槽

30

串行接口

USB接口

32

1.4.4存储器

--4散型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大

小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能。

随机存储器RAM

只读存储器ROM

存

可编程只读存储器PROM

储

器可改写只读存储器EPROM

磁盘存储器：软磁盘、硬磁盘

光盘存储器

计算机运行时的程序和数据均放在RAM中，一旦掉电,

其中的内容将全部丢失。33

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