第二章 计算机及其基本功能.ppt

1、1,第二章 计算机及其基本功能,数据处理基础 计算机系统组成,2,第一节 计算机的发展与应用,计算机发展概况 计算机的时代划分 计算机技术的发展趋势,2,3,一、计算机的发展概况,早期计算工具 石子、算盘、计算尺、机械计算器 （Charles Babbage 1833） 差分分析机：输入、存储、运算、控制、输出 冯诺依曼博士（普林斯顿大学） 存储程序计算机 ENIAC第一代电子数字计算机，1946年,3,4,人类追求的计算工具,Charles Babbage,1822 差分机,1833 差分分析机,MARK I,ENIAC,4,5,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒 体重28吨

2、 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,5,6,晶 体 管 数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,6,7,第一代 （19461956） 电子管 5千4万（次/秒）,第二代 （19571964） 晶体管 几十万百万（次/秒）,第三代 （19651970） 集成电路 百万几百万（次/秒）,第四代 （197190年代） 集成电路 几百万几亿（次/秒）,计算机发展的几个阶段,7,8,重要人物和思想,香侬 信息论创始人。1938年 首次用布尔代数进行开关电路分析 并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。 阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则 以二

3、进制实现数字运算，以保证 精度； 利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度； 把计算功能和二进制数更新存储功能相分离的结构。,8,Shannon,9,图灵与图灵机,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”,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。,9,10,计算机世界中的日本,辉煌： 打败Intel的芯片巨人，迫使Intel 于1985年另辟战场（微处理器） 笔记本电脑的领军人物 失误： 第五代计算机（智能计算机）的开发者

4、高清晰度模拟电视,10,11,计算机世界中的印度,世界软件产业王国 1985年，印度软件业产值为1000万美元 1994年，印度软件业产值为10亿美元 2000年，印度软件业产值为50亿美元 在软件出口规模和质量与总产值的比例上， 印度居世界第一。,11,12,计算机世界中的中国,1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组 组长 闵大可电机系教授 1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所 负责人 钱三强 1958年完成第一台电子计算机103 1959年完成大型电子计算机104 1959年中国自行研究的107计算机问世 1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路） 197

5、7年研制成功中国第一台微机DJS050,12,13,二、计算机的应用,科学计算 用于量大、复杂的计算（速度快、精度高） 数据处理 图像处理、声音处理、企业管理 实时控制 无人机、生产线、远程导弹 计算机辅助工程 CAD、CAM、CAI 办公自动化,13,14,三、计算机的类型,巨型机 运算速度可达数百亿次，科研、数值预报 大型机 大容量、高速度 小型机 介于大型机和微机之间，网络服务器，工作站 微型机 办公终端、CAD、多媒体、信息查询等,14,15,四、 计算机的发展,微型化,巨型化,网络化,智能化,ENIAC,15,16,Altair 8800,计算机发展微型化,计算机不再是单一的计算机器

6、，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。,16,17,CRAY-,计算机发展巨型化,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计 算的高科技领域。,中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”、 “银河2号”和“银河3号” 国家智能计算机中心推出的 “曙光1000”和“曙光200I”,银河,17,18,计算机发展巨型化,中国最快超级服务器：“曙光3000” 运算速度为每秒3800亿次（排名80位） 48小时的精确天气预报数据处理1小时38分钟； 一个月的气候

7、预报仅用15分钟； 1000万人每人每天可以在网上点击800次网页； 1000万人每人每天可以收发7封“电子邮件”。,18,计算机发展趋势,19,计算机发展网络化,计算机网络 计算机技术与通信技术结合的产物。 计算机网络的发展动力 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。 日本1024台计算机利用并行作业管理技术，实现高速操作环境。,19,20,计算机发展智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人机械手（1962年出现） 第二代机器人具有“

8、感觉”的机器人 第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”,20,21,第二节 计算机的数据处理基础,计算机的计数制 计算机的数据单位 计算机的字符编码,21,22,一、计算机的计数制和数据单位,数制的构成 基数、进位规则、运算法则 十进制 基数：0、1、2、39（10个不同的符号） 逢十进一，借一当十 运算法则：加法表 其它数制 已知数制 设计一种数制,22,23,一、计算机的计数制和数据单位,常用数制 二进制R=2 ，使用0,1 八进制R=8 ，使用0,1,2,3,4,5,6,7 十进制R=10，使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 十六进制R=16，使用0,9,A,B,C,D,E

9、,F 计算机采用二进制的理由 算数运算简单、便于逻辑运算、技术可行 可靠：抗干扰、便于检错和纠错,23,24,24,25,26,一、计算机的计数制和数据单位,数制的规律 基数：R 逢R进一，借一当R 运算法则相同,27,二、计算机的字符编码,位（bit）：度量数据的最小单位,字节（Byte）：最常用的基本单位,8bit=1Byte K（千）字节1K = 1024 byte M（兆）字节1M = 1024 K G（吉）字节1G = 1024 M T（太）字节1T = 1024 G,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+ 24+ 22+ 20,=1

10、49,27,28,司 维 ,29,司 维 ,30,司 维 ,31,司 维 ,32,司 维 ,33,司 维 ,34,第三节 计算机系统的组成,计算机系统结构 计算机性能指标,34,35,一、计算机的结构和硬件、软件,冯.诺依曼计算机 两种能力：存储程序、自动地执行程序 组成：输入、存储、运算、控制、输出、 工作原理：取指令（CPU）、分析指令和执行指令；指令和数据均用二进制表示 例如：颜色的表示、声音的表示,35,36,司 维 ,计算机硬件,输入设备,内存,外存,运算器,输出设备,控制器,37,司 维 ,计算机软件,系统软件 操作系统、程序设计语言、数据库管理系统、诊断程序及系统工具等 保证系统

11、正常工作 应用软件 为满足用户需求所开发的程序 如：Office、Photoshop、Flash、Dreamweare等 决定系统能做什么 软件和硬件相互促进、渗透,38,司 维 ,磁盘，输入/输出,39,程序和指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言 编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,计算机软件概述,39,40,计算机系统结构,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入 设备,输出 设备,运算器,40,41,二、计算机的性能指标,字长 一次读取并处理的二进

12、制数长度 字长：16位、32位、64位 增加字长的好处 提高运算精度 提高处理速度 增大寻址空间 支持更多的指令 提高计算机系统整体性能,41,42,二、计算机的性能指标,主频（时钟频率） 控制器的执行动作按照时钟节拍进行 主频越高计算机运算速度越高 目前计算机主频可达到 运算速度（MIPS） 单位时间（秒）内执行的指令条数（百万） 主频100MHz的CPU执行一条运算指令所需时间为10ns，主频50MHz的CPU需要20ns，前者的运算速度快了一倍。,42,43,二、计算机的性能指标,43,44,二、计算机的性能指标,存储容量 内存：256M、512M、1G、2G、4G、32G 外存：80G

13、、200G、1T、光盘、磁带 存取周期 从内存或取一次数据的平均时间 DDRAM内存可达到25ns DRAM为几十ns,44,45,二、计算机的性能指标,总线位数 数据总线、地址总线、控制总线 决定CPU与外部设备传送数据的能力 16位总线、32位总线、64位总线 其它指标 可靠性：平均无故障时间 兼容性：软、硬件通用性 配置：CPU、内存、OS、应用软件、外设 性价比：综合性能/价格,45,46,第四节 计算机的基本性能,中央处理器 存储器,46,47,一、中央处理器-运算器,作用 负责算数运算、逻辑运算 运算器的组成 加法器：加法运算 输入选择电路：控制来自总线或内存的数据 输出控制器：移

14、位、控制加法器的输出 累加器：存放中间结果 通用寄存器：存放运算要用的数据和地址,47,48,一、中央处理器-控制器,作用 读取并分析指令、发出控制信号 控制器的组成 指令计数器：顺序指向内存中的指令地址 指令寄存器：按照地址读取并保存要执行的指令 译码器：分析操作码 定时部件：发出时序控制信号 控制部件：根据译码结果向执行部件发出指令,49,一、中央处理器-指令系统,逻辑运算指令 与、或、非、比较等（演示函数：AND、IF） 算数运算指令 取数指令：取数并送入运算器 存数指令：将运算结果送入内存 输入/输出指令 测试设备状况、传送数据到相应的设备 转移指令 无条件转移、条件转移、转子程序等,

15、50,一、中央处理器-寻址方式,直接寻址 指令中给出的地址就是操作数的存储器地址 间接寻址 在指令中给出的是操作数的地址的地址 变址寻址 把变址寄存器的内容（通常是首地址）与指令中的地址码之和作为操作数的地址,51,一、中央处理器-寻址方式,相对地址 以指令地址为基准，形成操作数的有效地址 用Excel说明相对地址和绝对地址 立即寻址 指令中的地址内容就是操作数本身 用Excel说明立即寻址、直接寻址和间接寻址,52,一、中央处理器-性能指标,主频 主频越高处理速度越快 多处理器和并行处理 多个CPU组成的处理系统 多个CPU同时处理多条指令 辅助处理器 存储管理、通信等专项工作的执行部件 R

16、ISC（简化指令集计算机）,53,总线简介,数据总线（DB） 在CPU、存储器和输入/输出设备之间传送数据 地址总线（AB） 传送存储单元和输入/输出接口地址 控制总线（CB） 发送来自控制器的操作信号 总线的工业标准 ISA总线、MAC总线、EISA总线、PCI总线,54,55,二、存储器-内存,CPU直接访问的存储器 重量轻、体积小、速度快 分为ROM和RAM两大类 ROM的分类 MROM：厂家写入永久记忆 PROM：可编程ROM，用户写入永久记忆 EPROM：可擦可编程（紫外线擦除） EAROM：可擦可编程（电擦除）,55,56,二、存储器-内存,随机存储器（RAM） SRAM（静态）：

17、比DRAM快，用于高速缓存（双稳态触发电路） DRAM（动态）：比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本低、用于内存 SDRAM（同步动态）：与总线速度同步 DDR SDRAM（DDR）：双倍速率同步动态随机存储器 系统内存配置 Windows2000系统： 256M512M Windows XP系统：512M1G Vista系统：1G2G,57,二、存储器-内存,内存的主要技术指标 容量 有效数据位数，16位、32位、64位 存取时间 高速缓存、内存、虚拟内存、外存 容量/价格比,58,二、存储器-外存,软盘 磁表面、磁道、扇区、扇区容量 软盘驱动器：磁道定位、读写磁头 写保护 容量计算,59

18、,二、存储器-外存,硬盘 盘片（多层）：磁道、扇区 读写磁头 驱动装置及控制电路 容量大、可靠、读取速度高于软盘 硬盘的技术指标 盘片数、磁头数（偶数）、扇区数 柱面的概念,60,61,二、存储器-外存,光盘存储器 使用激光技术 容量大、寿命长、便于携带、价格低 类型 只读光盘（CD-ROM） 一次写入光盘（CD-R） 可擦写光盘（CD-RW），激光照射后磁化 指标 纠错性能和稳定性,62,63,64,65,二、存储器-外存,光盘技术 东芝30GB光盘技术（2002年） 轨道间距0.29m 每比特的记录长度为0.0986m 数据传输速度为35Mbit/秒 Sony蓝光光盘技术 8层，容量200

19、GB 日本Optware公司HVD全息通用光盘技术 容量3.9TB,66,第五节 输入输出设备,输入设备（键盘、扫描仪等） 输出设备（显示器、打印机等）,66,67,一、输入设备-键盘,键盘工作原理 触点式 电容式 按下时电容减小高频信号通过 键盘的编码 用硬件测定被按键盘，再转换成ASCII码（淘汰） 用软件查询被按键盘，再转换成ASCII码,67,68,一、输入设备-鼠标,光机电鼠标 灵敏度300到600cpi（每英寸测量次数） 由滚球直径/光栅轴直径、光栅栅格数量决定 光学鼠标 光源、微型摄像头（采样）、图像处理芯片 采样频率达到到5220帧/秒 最快追踪速度37英寸/秒（人手的极限移动速度为30英寸/秒） 漫反射表面、避免表面高度一致,69,CPI（Count Per Inch : 每英寸的测量次数） 光电鼠标的分辨率通常在400800 CPI之间,70,一、输入设备-其它,扫描仪