大学基础计算机 6

3.1计算机硬件系统计算机发展史上的两位伟人阿兰•图灵冯·诺依曼计算机科学之父人工智能之父电子计算机之父博弈论之父图灵机理论模型图灵机基本思想

灵感来源：让机器来模拟人用纸笔进行数学运算的过程。

计算过程是：计算者（可以是人或机器）针对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和（或）1，依据程序指令逐步改变纸带上的0和（或）1，经过有限步骤后，得到一个满足预设条件的符号。图灵机装置和原理示意图灵机理论模型图灵机理论模型

图灵机理论上能处理可计算的任何问题，是计算能力最强的计算模型，是可计算性理论的基石，用于定义和研究可计算函数和问题的可解性。

结论：从理论上证明了通用计算机存在的可能性，创立了通用计算机理论。冯•诺依曼计算机二进制思想：计算机指令和数据均以二进制编码的形式存储。存储程序的思想：把程序和处理问题所需的数据以二进制编码形式顺序存放到存储器中，计算机运行时从存储器中依次取出指令后分析执行。冯•诺依曼计算机基本思想冯•诺依曼计算机（a）以运算器为中心的结构（b）以存储器为中心的结构冯•诺依曼计算机基本结构冯•诺依曼计算机（a）以运算器为中心的结构冯•诺依曼计算机基本结构（a）图所示的是早期以运算器为中心的计算机结构。此结构以运算器为中心，由控制器集中控制。冯•诺依曼计算机（b）以存储器为中心的结构冯•诺依曼计算机基本结构（b）图所示的是以存储器为中心的计算机结构。运算器只负责进行运算，输入输出数据或程序不经过运算器，存储器支持运算器和I/O设备并行工作。冯•诺依曼计算机运算器控制器存储器输入设备输出设备冯•诺依曼计算机五大组成部分早期的计算机都是大型设备装置冯•诺依曼计算机五大部件主要功能：①运算器：进行各种算术运算和逻辑运算。

（厨师长）②控制器：协调计算机各部件正常、有序工作。（总经理）③存储器：存储程序、数据。

（库房员）④输入设备：提供计算机运行需要输入的程序、

数据及各种信息。

（采办员）⑤输出设备：显示或打印计算机输出的信息。

（服务员）冯•诺依曼计算机五大组成部分微机的硬件系统

微型计算机的硬件系统由主机和外设两大部分组成。主机主要由中央处理器和内存组成。

微机是以微处理器为基础，配置内存和输入输出设备及辅助电路总路线等组成的体积较小的电子计算机。微处理器

微处理器是由大规模或超大规模集成电路组成运算器和控制器两大功能的部件，简称中央处理器,简称CPU。运算器控制器高速缓冲存储器CPU微处理器－运算器

运算器由算术逻辑运算单元（简称ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态寄存器组成。

主要完成计算机的各种算术运算和逻辑运算。

控制器是计算机指挥和控制中心。控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成。微处理器－控制器

高速缓冲存储器（又称Cache）是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量小但速度快，随着时代的技术进步现在都集成在CPU内部。

高速缓冲存储器一般包含Cache存储体、地址转换部件、替换部件三部分组成。微处理器－Cache微处理器发展微处理器按照其处理信息的字长可分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及现阶段常用的64位微处理器。微机的发展与微处理器的发展是分不开的，可分为多个阶段。存储器－内存

内存按存储功能可将内存分为：随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）

存储器是计算机系统内的记忆装置。

存储器分为内存（又称主存）和外存（又称辅存）两大类。存储器-外存

外存容量一般都比较大，可以永久保存数据。外存大部分可以移动，便于不同计算机之间进行信息交流。

常见外存有机械硬盘、固态硬盘、闪存、光盘等。存储器－层次结构

现代计算机通常采用缓存、主存、辅存三级存储系统。

存储器由下而上，速度越来越快，容量越来越小，制造成本越来越高。计算机存储系统的层次结构输入设备输入设备：向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置字符输入设备定点输入设备扫描输入设备音频输入设备图像输入设备根据接受数据的方式不同可分为：输入设备－字符输入设备

键盘是最常用也是最主要的字符输入设备，通过将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。输入设备－定点输入设备

定点输入设备主要用于对计算机显示画面上显示的图标或指针等进行操作，控制光标的位置。主要有鼠标、游戏杆、触摸板、光笔、感应笔等。输入设备－扫描输入设备

扫描输入设备主要是以图像或条形码以及芯片预存的信息为输入方式的设备，通过图像还原、条形码读取等方式获取数据。主要有图像扫描仪、传真机、二维码阅读器、字符和标记识别设备等。输入设备－音频输入设备

音频输入设备主要是将声音输入到计算机中，转化为计算机可识别的信号，一般都是通过麦克风或专业的录音设备等实现。输入设备－图像输入设备

图像输入设备主要将信息以图像的形式输入到计算机中进行识别处理。主要有：数码相机和数字摄像机、触摸屏、绘图板等。输出设备

输出设备是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。常见输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音响、磁记录设备等。显示器针式打印机激光打印机3D打印机微机主板

微机主板也称为主机板、系统板、母板等。主板安装在机箱内部，它集成了组成计算机的主要电路系统、BIOS芯片、I/O控制芯片、机箱面板控制开关接口、指示灯插接件、扩展插槽等元件。主板组成主板的主要组成部件CPU插槽内存插槽芯片组总线扩展插槽主板接口

硬盘接口、USB接口、SATA接口、网络接口、音频接口、HDMI、VGA、、DVI接口等总线

总线（Bus）:是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。①数据总线②地址总线③控制总线分类：多计算机系统由多台独立计算机通过网络互连和软件协调形成，广泛应用于工程设计、自动化、能源勘探、医学、军事及基础科学研究等领域。应用场景多计算机系统从早期的同构并行计算平台演化为异构并行计算平台，再到分布式异构的网格计算系统。发展历程多计算机系统能够提高计算效率，满足复杂任务的需求，但同时也面临着任务分配、资源管理等挑战，需要不断优化以提高性能。优势与挑战多计算机系统并行计算是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，通过将问题分解成若干部分，各部分由独立的处理器分别计算处理。概念根据使用的CPU差异性，并行计算系统分为同构并行计算系统和异构并行计算系统。分类并行计算广泛应用于科学计算、数据分析、图像处理等领域，能够有效提高计算效率，加速复杂问题的求解过程。为科学研究和工程实践提供强大的计算支持。应用并行计算系统同构并行计算系统由多个相同的处理器或计算机通过网络连接构成，处理器之间具有相同的架构和性能，便于统一管理和调度。处理器与网络01传统的同构并行计算系统通常使用一种并行编程模型，针对某一问题进行计算，但不能满足具有多种并行性的应用需求，存在一定的局限性。编程模型02同构并行计算系统在处理适合其执行的并行任务时性能较好，但如果任务分配不合理，会产生大量额外开销，导致性能下降，因此需要优化调度以提高计算效率。性能与优化03同构并行计算系统异构并行计算系统由一组异构机器通过高速网络连接构成，包括不同的处理器、操作系统和编程环境，能够支持多种内在并行应用。系统组成异构并行计算系统根据计算任务的并行性类型，将具有相同类型的代码段划分到同一子任务中，再分配到最适合执行的计算资源上处理。任务分配异构并行计算系统能够提高应用程序实际执行性能与其理论峰值性能的比值，充分发挥不同计算资源的优势，实现高效的并行计算。性能优势异构并行计算系统01网络计算系统是通过汇集全球各地的计算资源，为研究者提供强大的运算能力，主要包括网格计算平台和云计算平台。网络计算的概念02网络计算系统能够实现资源共享和协同工作，提高计算资源的利用率，降低计算成本，为大规模计算任务提供支持。网络计算的优势03网络计算系统广泛应用于科学研究、商业领域和公共服务，如气象预测、基因测序、云计算服务等领域。网络计算的应用网络计算系统01网格计算平台通过系统软件，将分布在不同地理位置的计算资源集成和管理起来，为开发人员提供单一系统映像。资源集成02网格计算平台提供全局一致、安全友好的编程接口，方便开发人员进行应用开发和任务调度，提高开发效率。编程接口03网格计算平台在科学研究、工程设计等领域得到了广泛应用，通过网格计算平台实现了全球范围内的数据处理和分析。应用场景网格计算平台01云计算是将计算和数据资源迁移到Web上，以云服务的形式提供应用程序、编程工具、计算能力、存储容量等IT资源。云计算概念02云计算平台能够减少企业对IT设备的成本支出，同时具有弹性扩展、高可用性和安全性等优点，满足不同用户的需求。云计算的优势03云计算平台广泛应用于企业办公、在线教育、电子商务等领域，如亚马逊AWS、微软Azure等便捷高效的云计算服务。云计算的应用云计算平台随着技术的不断发展，多计算机系统出现更多新型架构，如量子计算与传统计算的融合、新型网络拓扑结构等新的途径。新型架构智能调度技术将得到广泛应用，通过机器学习和人工智能算法，实现任务的自动分配和资源的动态调度，提高系统的整体性能和资源利用率。智能调度在多计算机系统的发展中，安全与隐私保护将成为重要研究方向，通过加密技术、访问控制和安全协议等手段，确保用户数据的安全和隐私。安全与隐私保护多计算机系统的创新发展3.2计算机软件系统计算机软件系统

计算机软件系统是为计算机运行、管理和维护编制的各种程序、数据及相关文档的总称。

软件按功能分为：系统软件、支撑软件、应用软件三类。（传统计算机软件系统分为两类：系统软件和应用软件）

软件是人们事先编制的具有各类特定功能的计算机程序组成，一般存放于主存或辅存内。系统软件操作系统输入/输出管理程序

系统软件是指控制和协调计算机各个部件，支持应用软件开发和运行的各种程序的集合。

系统软件的主要功能是调度、监控和维护计算机系统，管理计算机资源，提供用户交互友好的操作界面等。系统软件按功能可分为以下几类：通信传输、控制处理程序计算机系统诊断、监控、故障处理程序支撑软件计算机语言和语言处理程序软件开发环境

支撑软件是支持其它软件的编制和维护的软件。支撑软件介于系统软件和应用软件之间，提供应用软件设计、开发、测试、评估、运行检测等功能，有时也称中间件。早期属于系统软件的一部分。主要包括：数据库管理系统网络软件应用软件游戏软件网络工具软件其它软件

应用软件是针对具体应用而开发的各种软件的总称。应用软件分为应用软件包和用户程序。应用软件涉及范围广、种类繁多。常用软件：数值计算软件办公软件多媒体软件操作系统的定义

操作系统（OperatingSystem，简称OS）是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，为用户使用计算机提供接口的系统软件（或程序集合）。操作系统的定义软件观点从以下三个方面理解操作系统的定义

从软件观点出发，操作系统是最基本、最重要的系统软件。操作系统直接运行在硬件“裸机”上，是所有软件的核心，其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统的定义系统观点

操作系统实现了计算机软件、硬件资源的控制、管理，从而使计算机系统中各个组成部分能相互配合、协调一致地工作，以便充分合理地利用它们，使整个计算机系统能高效的运行。操作系统的定义用户观点

操作系统向用户提供了接口。操作系统位于硬件和用户之间，是用户和计算机硬件之间的桥梁。合理地组织计算机功能流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便和有效地使用计算机。按功能和结构分类

批处理操作系统分时操作系统实时操作系统嵌入式操作系统网络操作系统分布式操作系统微内核操作系统操作系统的分类按用户和任务数量分类单用户单任务单用户多任务多用户多任务操作系统的分类单用户操作系统多用户操作系统一台计算机在同一时间允许多个用户同时使用系统的全部硬件和软件资源。一台计算机在同一时间只能由一个用户独自享用系统的全部硬件和软件资源。并发性共享性异步性虚拟性操作系统的特征1234操作系统的特征

并发性是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内执行。

程序的并发执行能够消除各部件之间的相互等待，从而有效地提高系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。

并行性是指两个或多个事件在同一时刻执行，即在物理上这些事件是同时发生的。并发属于并行的一种。并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。1.并发性操作系统的特征共享是指操作系统中的资源（包括软件、硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的进程共同使用。共享方式可分为互斥共享和同时访问两种方式。互斥共享指一段时间之内只允许一个进程访问资源。同时共享指一段时间以内允许多个进程“同时”访问资源。并发和共享是操作系统最基本的两个特征，两者相互依存。2.共享性操作系统的特征操作系统的异步性特征是指系统中各程序的执行过程有着各自的起始和终止，彼此是以不同的步伐行进的。异步性又称随机性。每个程序如何执行、多个程序间的执行顺序、各程序完成所需的时间等都是不确定的、不可预知的。在多道程序环境中，因受到共享资源的限制，并发程序是以走走停停的方式执行的。3.异步性操作系统的特征虚拟性是指通过虚拟技术将一个物理实体映射成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是虚的，是用户感觉上的东西。一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU（虚拟处理机）。类似地，通过虚拟技术，也可以实现虚拟内存、虚拟外部设备等。4.虚拟性处理机管理

处理机是计算机系统中的核心资源，所有程序的运行都需要处理机来完成。

处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效地管理。

正在运行的程序，称为进程。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的。因此，处理机管理可归结为进程管理。

处理机管理主要是对进程的控制、调度和通信三个方面的管理。处理机管理存储管理存储器管理可使多个用户、多个进程能够共同使用内存、共享程序和数据。协调管理计算机内存的分配、保护和扩充。根据用户的不同请求，按照一定的策略进行存储资源的分配和回收。保证内存中不同程序和数据彼此隔离、互不干扰。保证数据不被破坏和丢失。问题核心：内存的容量是有限的！存储管理内存保护内存扩充地址变换内存分配存储管理

存储器管理的主要功能包括内存分配、地址变址、内存保护和内存扩充。虚拟内存技术该技术是指在磁盘上开辟一个临时存储器来虚拟内存，用来存放暂时不运行的程序和数据。存储管理

设备管理是指操作系统对计算机系统的外部设备的有效管理，包括外部存储器、输入设备、输出设备等。

如显示器、键盘、鼠标、硬盘、网卡、打印机、扫描仪等。这些外部设备的性能、工作原理和操作方式都不一样，因此，要求操作系统提供良好的设备管理功能，使用户方便的使用设备，提高设备利用率和处理效率。

设备管理

硬件设备的管理功能由操作系统的设备管理程序来实现，设备管理程序通常具有以下功能：（1）建立设备管理数据记录。（2）设备分配。（3）缓冲区管理。（4）实现I/O操作。（5）设备无关性。

设备管理文件系统是指管理和操作文件的系统。文件系统具有如下功能：组织和管理文件。实现文件的“按名存取”操作机制。实现文件的创建、存储、检索、删除、修改、复制等操作。提供文件的保护、保密及共享措施。文件管理文件和文件系统文件是按一定格式建立在存储设备上的一组相关信息的有序集合。文件是操作系统存储和管理信息的基本单位。文件可以存放数值数据、文本、图像、图形、声音、视频和程序等信息。文件管理

每个文件都必须有一个标识，称为文件名。用户或操作系统可以通过文件名来存取文件。

主文件名表示该文件具体的名字，一般由数字、字母或下划线组成；主文件名与扩展名之间用“.”间隔；扩展名则表示文件的类型，扩展名不是必需的，可省去。主文件名.扩展名文件和文件系统文件管理文件类型扩

展

名可执行文件.exe（可执行文件）、.bat（批处理文件）、.com（命令文件）文本文件.txt（文本文件）图片文件.bmp、.jpg、.gif、.tiff源程序文件.c（C语言源程序）、.cpp（VC++源程序）、.java（Java源程序）音频文件.wav、.mp3视频文件.avi、.rm、.mpeg压缩文件.rar、.zip

Windows操作系统常见的扩展名类型文件管理

命令接口是指由操作系统提供的供用户使用和管理计算机应用程序的命令控制界面。

根据操作命令的形式命令接口分为以下几种：以命令行方式为用户提供操作计算机的界面以窗口、图标、菜单、对话框等方式为用户提供图形操作界面通过语言、肢体动作等方式向计算机发出操作命令的新形式联机命令界面图形用户界面智能用户界面用户接口

程序接口是操作系统提供给编程人员的“程序与操作系统”的接口，又称应用程序接口API。用户接口Windows10的磁盘管理窗口“命令提示符”窗口常用操作系统简介1.Windows操作系统

Windows操作系统是由微软公司开发的一种基于图形用户界面的多任务操作系统。

进入20世纪90年代后，微软公司开发的操作系统逐渐更替为Windows。Windows操作系统使得计算机的操作大为简化，因此在个人计算机上得到广泛使用。常用操作系统简介Windows是系列产品，它在发展过程中不断推出新的版本。常用操作系统简介2.Linux操作系统

Linux最初是由芬兰赫尔辛基大学计算机系的学生LinusTorvalds开发的一个类UNIX操作系统内核程序，可免费使用和自由传播。

Linux操作系统有很多发行版本，较流行的有：RedHatLinux、DebianLinux、RedFlagLinux等。常用操作系统简介3.MacOS操作系统

MacOS操作系统是美国Apple公司推出的操作系统。MacOS是全图形化界面和操作方式的鼻祖。MacOS操作系统具有较好的图形处理能力，拥有全新的窗口系统、强有力的多媒体开发工具和操作简便的网络结构，但与Windows缺乏较好的兼容性。该操作系统主要用在桌面出版和多媒体应用等领域。常用操作系统简介4.麒麟操作系统

麒麟操作系统是闭源服务器国产操作系统。

银河麒麟2.0操作系统完全版共包括实时版、安全版、服务器版三个版本。它有以下几个特点：高安全、高可靠、高可用、跨平台、及强大的中文处理能力。

此操作系统是中国自主知识产权的服务器操作系统，打破了国外操作系统的垄断。常用操作系统简介5.EulerOS操作系统

EulerOS（欧拉操作系统）是华为开发的一款商用Linux发行版本，主要针对企业应用环境。其开源社区版本为openEuler，被华为捐赠给开放原子开源基金会，成为一个活跃的开源项目。常用操作系统简介6.Android操作系统

Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统，主要应用于便携设备。在我国一般将其翻译为“安卓”。Android操作系统最初由安迪·鲁宾(AndyRubin)开发，最初主要支持手机。2005年由Google公司收购注资，并组建开放手机联盟开发改良，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。常用操作系统简介7.鸿蒙操作系统

鸿蒙操作系统是一款基于微内核、面向5G物联网、全场景的分布式操作系统。鸿蒙操作系统的英文名是HarmonyOS，意为和谐。

在传统的单设备系统能力的基础上，鸿蒙操作系统提出了基于同一套系统能力、适配多种终端形态的分布式理念，能够支持手机、电脑、平板、电视、智慧屏、工业自动化控制、车机设备、智能穿戴等多种终端设备。常用操作系统简介2019年8月，华为正式发布操作系统鸿蒙操作系统1.0。2020年9月，鸿蒙系统升级至2.0版本。2021年10月，美的发布了美的物联网操作系统1.0，是首个基于鸿蒙的全场景智能家居操作系统。7.鸿蒙操作系统3.3计算机工作原理计算机工作过程－指令与指令系统计算机的工作过程就是