第1章 计算机系统基础.ppt

1、2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,1,本章概述,本章讲述的是计算机系统的硬件基础和软件基础两方面。但对于大家非常熟悉的内容不再详细罗列，而是进行不同方向的延伸。 包括计算机发展的关键历史事件、未来的预测、基本概念和理论等内容。,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,2,1.1 计算机发展的过去与未来,1.2 计算机硬件基础,1.3 计算机软件基础,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,3,1.1 计算机发展的过去与未来,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,1.1.2 计算机的主要应用领域,1.1.3 计算机的发展趋势和研究热点,返 回,2020年7月28日星

2、期二,大学计算机基础教程,4,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,1.机械计算时代（19世纪以前） 1614：苏格兰、John Napier、计算四则运算和方根运算的精巧装置。 1625：William Oughtred、计算尺。 1642：法国数学家、Pascal、能进行八位计算的计算尺。商品化。 1822：英国、Charles Babbage、差分机和分析机，理论非常超前，类似于百年后的电子计算机，利用卡片输入程序和数据。 1834：Babbage、通用的分析机，1840年将操作数提高到了40位，并基本实现了控制中心（CPU）和存储程序的设想，而且程序可以根据条件进行跳转。 1848：英

3、国数学家George Boole创立二进制代数学。提前一个世纪为现代二进制计算机铺平了道路。 1890：美国人口普查。在1880年的普查，人工用了7年的时间进行统计。Herman Hollerith借鉴了Babbage的发明，用穿孔卡片存储数据，并设计了机器。结果仅仅用了6周就得出了准确的数据（62622250人）。 1896：Herman Hollerith创办了IBM公司的前身。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,5,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,2.电子计算机创造的初期阶段 1906：美国、Lee De Forest、电子管。为电子计算机的发展奠定了基础。也

4、从机械计算时代进入了电子计算时代。 1924年2月：IBM，一个具有划时代意义的公司成立。 1935：IBM推出IBM601机。一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机。1500台。 1937：英国剑桥大学、Alan M.Turing、“图灵机”的数学模型。 1937：BELL试验室、George Stibitz、用继电器表示二进制的装置。第一台二进制电子计算机。 1943年12月：英国、可编程计算机，包括2400个真空管，破译德国的密码，每秒能翻译大约5000个字符，但使用完后不久就遭到了毁坏。 1946：ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Comput

5、er）：第一台真正的电子数字计算机。开始于1943年，完成于1946年。主要用于弹道计算和氢弹的研制。约翰冯诺依曼（John Von Noumann）在这台计算机研制的后期从理论上起了决定性的作用。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,6,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,3.晶体管时期 1947：Bell实验室的William B. Shockley、John Bardeen和Walter H.Brattain.发明了晶体管，开辟了电子时代新纪元。 1949：EDVAC（Electronic Discrete Variable And Computer）：第一台使用磁

6、带的计算机。这是一个突破，可以多次在其上存储程序。 1950：软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro Nakamats发明。其销售权由IBM公司获得。开创存储时代新纪元。 1953：磁芯存储器被开发出来。 1954：IBM的John Backus和他的研究小组开始开发FORTRAN（FORmula TRANslation），1957年完成。是一种适合科学研究使用的计算机高级语言。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,7,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,4.集成电路以后（1/4） 1958年9月12日：Robert Noyce（INTEL公司的创始人）领导发明了集成电路。

7、不久又推出了微处理器。 1959：Grace Murray Hopper开始开发COBOL语言，完成于1961年。 1960：ALGOL：第一个结构化程序设计语言推出。 1964：1964年到1972年的计算机一般被称为第三代计算机。大量使用集成电路，典型的机型是IBM360系列。 1965：摩尔定律、处理器的性能每年提高一倍。后来其内容又发生了改变（约18至24个月提高一倍）。 1965：Douglas Englebart、鼠标器的设想，1983年苹果公司大量采用。 1967：Niklaus Wirth开始开发PASCAL语言，1971年完成。 1968：Robert Noyce和他的几个朋

8、友创办了INTEL公司。 1969：ARPANET计划开始启动，这是现代INTERNET的雏形。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,8,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,4.集成电路以后（2/4） 1970：第一块RAM芯片由INTEL推出，容量1K。标志着大规模集成电路时代的出现。 1970：Ken Thomson和Dennis Ritchie开始开发UNIX操作系统。 1970：Internet的雏形ARPAnet（Advanced Research Projects Agency network）基本完成。开始向非军用部门开放，许多大学和商业部门开始接入。 19

9、71年11月15日：Marcian E.Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004，含2300个晶体管，是个4位系统，时钟频率108KHz，每秒执行6万条指令。从此开始了微机发展的时代。 1972：C语言的开发完成。其主要设计者是UNIX系统的开发者之一Dennis Ritche。这是一个非常强大的语言，用于开发系统软件，特别受人喜爱。 1972：Hewlett-Packard发明了第一个手持计算器。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,9,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,4.集成电路以后（3/4） 1974年4月1日：INTEL发布其8位的微处理器芯片8

10、080。 1975：Bill Gates和Paul Allen创办MicroSoft公司。其最大的突破性发展是在1981年为IBM的PC机开发操作系统。 1976：Stephen Wozinak和Stephen Jobs创办苹果计算机公司。并推出其Apple I计算机。 1978年6月8日：INTEL发布其16位微处理器8086。又推出低价准16位的8088，被IBM的第一代PC机所采用。其可用的时钟频率为4.77、8、10MHz。大约有300条指令，集成了29000个晶体管。 1979：IBM公司决定开发个人计算机，与第三方合作，微软公司就承担了其操作系统的开发工作。 1981年8月12日：

11、IBM发布其个人计算机，售价2880美元。该机有64K内存、单色显示器、可选的盒式磁带驱动器、两个160KB单面软盘驱动器。很成功。同时MS-DOS 1.0、PC-DOS1.0发布，但不支持子目录。 1982：基于TCP/IP协议的INTERNET初具规模。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,10,1.1.1 计算机发展的重要历史回顾,4.集成电路以后（4/4） 计算机世界此后的发展一般的读者是有所了解的，略举几个事件如下： 1983：Borland公司成立。 1985年11月：Microsoft Windows发布。3.0版本之前没有广泛应用。需要DOS的支持，类似苹果

12、机的操作界面。 1988：光计算机投入开发，用光子代替电子，可以提高计算机的速度。 1993：INTERNET开始商业化运行。 1994：Netscape 1.0浏览器发布。 1995年8月23日：Windows 95 发布，可以完全脱离MS-DOS，纯32位的多任务操作系统。取得了巨大的成功。 1996年1月：Netscape 2.0发布。第一个支持JavaScript的浏览器。 1997年4月：IBM的深蓝（Deep Blue）战胜国象世界冠军卡斯帕罗夫。 2001年8月27日，Intel发布主频高达2GHz的P4处理器。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,11,1.

13、1.2 计算机的主要应用领域,1.科学计算（或数值计算） 科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。 拥有超强向量计算能力的巨型计算机特别适合于这类应用，计算机的超强计算能力不只是实现了已有的计算方法，而且能引起计算方法和理论上的变革。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,12,1.1.2 计算机的主要应用领域,2.数据处理（或信息处理） 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、

14、传播等一系列活动的统称。据统计，80以上的计算机主要用于数据处理，这类工作面宽量大，决定了计算机应用的主导方向。 数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是： 电子数据处理（Electronic Data Processing，简称EDP） 它是以文件系统为手段，实现一个简单项目的管理。 管理信息系统（Management Information System，简称MIS） 它是以数据库技术为工具，实现一个复杂系统的全面管理，以提高工作效率。 决策支持系统（Decision Support System，简称DSS） 它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运

15、营策略的正确性与有效性。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,13,1.1.2 计算机的主要应用领域,3.辅助技术 计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。 计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD） 计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简称CAM） 计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。 将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。

16、它的实现将真正做到无人化工厂。 计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，简称CAI） 计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,14,1.1.2 计算机的主要应用领域,4.过程控制（或实时控制） 过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可

17、以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。 5.人工智能（或智能模拟） 人工智能（Artificial Intelligence）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等等。 6.网络应用 计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的核心目的是资源共享和数据通信。 计算机网络改变了现代社会。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,15,1.1.3 未来计算机的发

18、展趋势和研究热点,1.计算机的发展趋势 关于计算机的发展趋势，很多资料上都采用的一种说法就是逐渐趋于巨型化、微型化、网络化、智能化，事实上这些趋势已经是大家所见到的。 2.传统技术的发展极限 关于传统的半导体技术，有人进行了以下的预测： 尽管受到物理极限（0.1微米）的约束，采用硅芯片的计算机的核心部件CPU的性能还会持续增长。作为Moore定律驱动下成功企业的典范，Intel 2001年推出1亿个晶体管的微处理器，并预计在2010年推出集成10亿个晶体管的微处理器，其性能为10万MIPS（1000亿条指令秒），以后还将继续增长，甚至达到每秒100万亿次。并行处理技术将是改进计算机结构、提高计

19、算机运行速度的关键技术。 同时计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供自然的输入手段（如语音输入、手写输入）外，让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术是这一领域发展的集中体现。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,16,1.1.3 未来计算机的发展趋势和研究热点,3.新器件技术（1/2） 未来的计算机可能采用的新器件技术，有人进行了大胆的预测： 新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。 量子计算机 量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它

20、利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。 光子计算机 光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,17,1.1.3 未来计算机的发展趋势和研究热点,3.新器件技术（2/2） 生物计算机（分子计算机） 生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。 纳米计算机 纳米是一个计量单位，一个纳米等

21、于10-9米，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,18,1.1.3 未来计算机的发展趋势和研究热点,4.一些应用领域的热点课题（1/3） 计算机技术的研究热点除了新的器件技术之外，计算机的任何一个组成部分、应用领域或方向都有一些比较热点的研究课题，以下列举几个方面： 移动计算技术与系统平台 无线移动网与互联网是当前发展最为迅猛的通信系统与信息网络，该方向研究这两种网络结合时，为用户提供丰富个性化业务平台的理论基础与关键技术

22、。 情感计算理论与方法研究 目的是要赋予计算机类似于人一样的观察、理解和生成各种情感特征的能力；该方向研究基于多模态情感计算理论问题，期望在理论和关键技术上获得突破。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,19,1.1.3 未来计算机的发展趋势和研究热点,4.一些应用领域的热点课题（2/3） 超宽带高速无线接入技术 超宽带无线通信系统具有高传输速率、抗多径干扰、与现有系统频谱共享、低功耗、易于全数字化等诸多优势，目前已成为中短距离高速数传（100-500Mbps）的首选方案。该方向旨在通过对相关科学问题的研究，争取理论和关键技术的突破，构建超宽带无线通信网络演示系统，为新一代

23、高速移动个人域网的构建奠定基础。 网格计算 网格计算被誉为继Internet和Web之后的“第三个信息技术浪潮”，有望提供下一代分布式应用和服务，对研究和信息系统发展有着深远的影响。网格计算通过共享网络将不同地点的大量计算机相联，从而形成虚拟的超级计算机，将各处计算机的多余处理器能力合在一起，可为研究和其他数据集中应用提供巨大的处理能力。有了网格计算，那些没有能力购买价值数百万美元的超级计算机的机构，也能利用其巨大的计算能力。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,20,1.1.3 未来计算机的发展趋势和研究热点,4.一些应用领域的热点课题（3/3） 嵌入式技术 嵌入式计算机

24、系统就是将用户所需的功能嵌入到产品、装置或大型系统中的计算机系统，通常称为嵌入式系统。据统计，2001年PC处理器只占世界处理器市场总数的6%，而嵌入式微处理器则占94%。所以世界上占大多数的计算机不是PC而是不带键盘、鼠标和显示器的嵌入式系统，是一些隐藏在各类产品中的计算部件或很小的芯片。 中间件技术 中间件最初的定义是位于底层基础平台（操作系统和数据库）和上层应用之间的软件和服务，而且这些软件具有标准的程序接口和协议。目前中间件的范畴已经在软件结构的纵向层次上被大幅度扩展，甚至把除了操作系统、数据库和直接面对用户的系统客户端之外都称作中间件。 外存储系统 在传统的磁、光存储容量继续攀升的基

25、础上，研究新的海量存储技术、信息的永久存储技术（抗干扰、抗高温、防震、防水、防腐蚀）等。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,21,1.2 计算机的硬件基础,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,1.2.2 二进制与数字电路,1.2.3 存储体系与数据的表示,返 回,1.2.4 CPU与指令系统,1.2.5 计算机的基本工作原理,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,22,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,1.计算机的定义 计算机是一种能自动、高速进行科学计算和信息处理的电子设备。它不仅具有计算功能，还具有记忆和逻辑推理的功能，可以模仿人的思维活动，代替人

26、的某些脑力劳动。 数学家冯诺依曼在1945年的一份报告中使用了术语“自动计算系统”，后来被简略为“计算机”或“计算机系统”。并提出了“自动计算系统”的工作原理。基本思想可以概括为三条：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备所组成；程序和数据在计算机中用二进制数表示；计算机的工作过程是由存储程序控制的。根据这一工作原理，将“计算机”定义为一种可以接受输入、处理数据、存储数据并产生输出的装置。 计算机输入是指将信息送入到计算机中。 数据是描述人、事件、事物和思想的符号。计算机以多种方式操纵数据，可以称这种操纵为“处理”。 计算机接受到的数据必须进行存储，计算机存放数据的地方称为存储器。

27、 计算机输出是指计算机生成结果和将结果输出的过程。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,23,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,2.计算机系统中各部件的构成和功能（1/3） 在计算机中，运算器、存储器和控制器是计算机的主要组成部分，合称为主机，其中运算器、控制器合在一起称为中央处理器，也叫CPU。另外，计算机的组成中的输入设备和输出设备合称为外部设备。 输入设备的功能是将数据、程序及其他信息，转换成计算机能接受的信息形式，输入到计算机内部。常见的输入设备有：键盘、鼠标、光笔、数字化仪、图像扫描仪、光学字符识别仪、声音识别输入等。 输出设备则把计算机内部的二进制数据转换

28、成人或其他设备所能接受的信息形式，输出到计算机外部。常见的输出设备有：各类打印机、各类显示器、绘图仪、声音合成输出等。磁盘驱动器既是输入设备，又是输出设备。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,24,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,2.计算机系统中各部件的构成和功能（2/3） 存储器是存放程序和数据的部件。存储器是由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据寄存器和读/写控制电路所组成。存储体包含很多存储单元，每个存储单元都有一个唯一的编号，称为存储单元地址。存储器分为两个层次，即内存和外存，内存速度快、容量小、价格高，直接为CPU提供数据和指令，并存储由运算器送来的数据

29、；外存是内存的延伸和后援，它的速度慢、容量大、价格低，存放暂时不用的数据和程序。外存不能直接同CPU打交道，但外存可直接与内存成批交换信息。硬盘等属于外存储器。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,25,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,2.计算机系统中各部件的构成和功能（3/3） 运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件。任何复杂的数学运算都可转化为算术运算，任何复杂的逻辑关系都可转化为逻辑与、或、非运算。由于运算器能进行算术运算和逻辑运算，使得计算机能够处理任何的数学运算问题和逻辑运算问题。控制器是计算机的控制中心。控制器由程序计数器（IP）、指令寄存器（IR）、指令

30、译码器（ID）和操作控制器所组成。工作时，运算器在控制器控制下，由存储器取得数据，进行由指令所规定的运算，并把结果送到存储器中。计算机对数据的任何处理都是在运算器进行的。 运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备这五大部件是计算机的实体设备称之为硬件，而为了运行、管理、维护和使用计算机所编制的各种程序和技术资料称为软件。硬件和软件相互依存、不可分割，软件无硬件支持无法实现其功能，硬件脱离软件便不能工作，成为一堆废物。软件在很大程度上决定计算机整体功能的发挥。硬件和软件共同组成计算机系统。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,26,1.2.1 计算机系统的基本概念和构成,3

31、.微机系统的结构 微机系统的构成可以使用如图1-1的总线结构来描述，与前面的基本原理相区别的是，计算机的外部设备都是通过I/O接口和主机进行连接的。 总线结构的微机系统构成,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,27,1.2.2 二进制与数字电路,1.二进制 在日常生活中，人们最习惯使用十进制数，在计算机中主要使用二进制数。二进制数的基数是“2”，数位上只有0和1两个数码，计数时逢二进一。 在计算机中采用二进制数主要有三条理由： 二进制数易于表示。二进制数只用0和1两个不同的数码，所以具有两个稳定状态的元件均可用来表示二进制数，如开关的通、断；电路电平的高低；磁性元件不同的磁

32、化方向等。 二进制数运算规则简单，会使运算器的结构变得简单，运算的控制也容易实现。 二进制数适于逻辑运算。二进制数中只有0和1两个数码，可代表逻辑代数中的真和假。逻辑运算是计算机执行任务所必需的。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,28,1.2.2 二进制与数字电路,2.数字电路 计算机内部的大部分部件都是集成电路，通常称之为芯片。 集成电路（IC）就是一个充满了微小的电路器件如电线、半导体、电容和电阻的半导体晶片。通常芯片被封装在陶瓷中，通过引脚与其他计算机部件相连。 在计算机系统内部，芯片安装在一个被称为主板的电路板上。有些芯片是焊接在板上，而另外一些芯片则是插在主板

33、上，是可以取走的。焊接的芯片是永久连接的，而那些可以插拔的芯片则可以进行升级。 在微机中，主板包含了处理器、内存条和处理输入输出的芯片。蚀刻在主板上的电路就像电线一样，为计算机芯片之间传送数据提供了通道。另外，主板还有一些扩展槽用于连接外围设备。 计算机中使用的大部分电路其输入、存储、输出的信号都是数字化的，因此称为数字电路。相反进行模拟信号传输和处理的电路是模拟电路。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,29,1.2.3 存储体系与数据的表示,1.存储器概述 存储器保存数据和程序指令。 现代计算机将程序和数据都存放在存储器中，运算器根据需要对这些程序和数据进行处理。 存储

34、器是计算机的记忆核心，是程序和数据的收发集散地。 存储器的分类方法有很多，其中的核心分类方法是从计算机体系结构角度按照存储器所处的位置及功能的不同进行分类。据此，存储器主要分为内存和外存两类。 早期的计算机系统中没有内存和外存之分，只有单一类型的存储器来完成存储程序和数据的任务。 在现代计算机中将不同类型、不同性能的存储器合理有机地组织起来，形成存储体系，不仅完成记忆程序和数据的任务，还提供更好的性能和系统支持，具有更高的性能价格比。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,30,1.2.3 存储体系与数据的表示,2.内存储器(1/4) 内存储器简称为内存或主存，与CPU直接相

35、连，因此CPU可以直接访问它，进行读和写操作。 现代计算机的内存主要是用半导体元件实现的，即半导体存储器。 内存由许多个存储单元构成，每个存储单元是等长的，它能存储的二进制数据的位数称为存储字长。每个存储单元拥有一个唯一的地址，任何时候的一次读写只能对一个存储单元进行。 一般的讲，读是不会改变存储单元中的内容的，大部分的存储器都是可读写的。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,31,1.2.3 存储体系与数据的表示,2.内存储器(2/4) 随机存储器（RAM） 随机存储器在计算机中主要用于临时保存需要处理器处理的数据。 同时，随机存储器还要保存将要用于处理数据的指令，在将数

36、据存放到磁盘等永久性存储器上之前，都要靠随机存储器来保存数据。 与硬盘和软盘不同，绝大部分的随机存储器都是不可持久的。换句话说，如果计算机关机或者掉电，保存在随机存储器中的数据就会立刻永久丢失。 除了随时存放要处理的数据和相应的软件指令外，随机存储器还存放控制计算机系统基本功能的操作系统指令。这些指令在启动计算机的时候被加载到随机存储器中，一直到关机才消失。 目前随机存储器的存储容量常使用MB来衡量，现在的微机通常都有64 512MB的存储容量。 内存的速度非常重要。处理器工作在很高的速度，但如果它要等待从内存中取数据，会导致速度下降。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,

37、32,1.2.3 存储体系与数据的表示,2.内存储器(3/4) 只读存储器（ROM） 只读存储器一般是用于存放计算机中底层的、永远需要使用的程序指令的芯片。ROM中的指令是永久性存储的，要改变它们只有将它们从主板上取出，使用另外的芯片来替换或使用特殊的技术来进行写入。 当刚刚打开计算机时，中央处理器得到电能，开始准备执行指令，可是由于刚刚开机，RAM中是空的，并没有那些需要执行的指令，所以就需要ROM保存一个称为BIOS的小型指令序列（程序）集合。BIOS非常小，但是对于操作系统确是非常重要的，它告诉操作系统如何访问磁盘驱动器等。当打开计算机的时候，中央处理器从ROMBIOS中一个固定地址开始

38、执行ROMBIOS中的程序来搜索磁盘上的操作系统文件。这样计算机就可以把这些文件调入随机存储器中，进行后面的计算工作。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,33,1.2.3 存储体系与数据的表示,2.内存储器(4/4) CMOS存储器 计算机只有在将操作系统文件从硬盘调入随机存储器中以后，才能准备好处理数据。但是，只有磁盘上有磁盘的格式化信息，计算机才能访问磁盘上的信息。计算机必须知道磁盘上的磁道和扇区数目，以及扇区的大小，否则就不能找到操作系统文件。如果硬盘的信息被永久存储在ROM中，就不能将硬盘进行升级，使用更大容量的硬盘了。因此，必须使用一种灵活的方式来保存引导数据。

39、例如硬盘的柱面数量和扇区大小等，它能够保存得比RAM的时间长久、但又不象ROM那样不可更改。 CMOS存储器只需要极少的电能就可以保持其中的数据。由于耗电极低，它可以使用电池供电，即使在关机后，数据也不会丢失。正因为如此，CMOS保存计算机系统配置等重要数据。当改变了计算机的系统配置后，CMOS中的数据必须进行更新，有些操作系统提供了特殊的工具进行CMOS的设置的更新。现在的很多计算机上都有即插即用特征，可以在安装了新的硬盘后自动更新CMOS。可以通过运行CMOS配置程序手动改变CMOS信息。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,34,1.2.3 存储体系与数据的表示,3.

40、外存储器（1/2） 简称为外存或辅存，不与CPU直接相连，因此CPU不能直接访问它，要访问需要借助于相应的I/O接口电路进行读和写操作。 现代计算机的外存主要是用磁性介质材料制造的，即磁性存储器。因而外存属于永久性存储器。 由于外存的结构与内存不同，除了数据的存储之外，读写主要依赖机械运动完成，所以外存的读写并不是按照存储单元为单位进行的，而是按块进行的，最小的块就是一个扇区。一般的，每个扇区容量规定为512字节。 软盘 软盘是一个圆圆的、柔韧的覆盖了磁粉的聚酯塑料片，放在保护套中。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,35,1.2.3 存储体系与数据的表示,3.外存储器（

41、1/2） 硬盘 硬盘存储器是目前计算机使用的主要的永久存储设备，这是因为它的访问速度比软盘快很多，硬盘盘片一般是铝制的平滑的坚硬的盘片，上面覆盖着磁性涂层。硬盘由读写磁头和一个或多个盘片组成，从名词上硬盘和硬盘驱动器可以互换使用，因为它一般都是固定的。 微机的硬盘盘片直径是3.5英寸，与软盘盘片的直径相同，但是硬盘存储容量远远超过了软盘。另外，它的访问时间也比软盘的访问时间快许多，现在容量一般都是120GB，容量也逐年增长，单次访问时间一般为几个ms。 同软盘一样，硬盘也使用直接存取技术来访问文件。 光盘 所谓光盘（CD）是利用光学原理读写信息和存储器。由于光盘的容量大、速度较快、不易受干扰等

42、特点，光盘的应用愈来愈广泛。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,36,1.2.3 存储体系与数据的表示,4.数据表示（1/5） 数据表示指的是信息表达、操作和记录方式。 计算机中只能存储0和1两个不同的数码。一串二进制代码究竟表示什么含义，只有使用该代码的程序才知道。所有客观事物的数据表达最终都使用0和1的二进制代码表示。 一个数据在计算机内部表示时候可能会有不同的二进制形式，这是因为使用不同的编码方法形成的；同样的，计算机内部的一串二进制代码也可能表示完全不相关的两个数据。 计算机技术需要研究各种有效的存储表达数据的方法，以利于节省存储数据的空间和处理数据的时间，还要尽

43、可能精确而非准确地表示实际问题。这需要在多方面因素上进行折衷考虑。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,37,1.2.3 存储体系与数据的表示,4.数据表示（2/5） 数据表示单位 位（bit）：表示1位二进制代码。 字节（byte）：表示8位二进制代码。 字（word）：表示16位二进制代码。 存储字长：一个存储单元的二进制位数。 其它更大的如KB、MB等。 数值型数据和非数值型数据 数值型数据指具有量的含义的数学中的数据，非数值型数据指的是不具有量的含义的文字类型的数据。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,38,1.2.3 存储体系与数据的表示,4

44、.数据表示（3/5） ASCII码 ASCII码的英文是American Standard Code for Information Interchange，即美国（国家）信息交换标准（代）码，是一种使用7个或8个二进制位进行编码的方案，最多可以给256个字符（包括字母、数字、标点符号、控制字符及其他符号）分配（或指定）数值。 ASCII码于1968年提出，用于在不同计算机硬件和软件系统中实现数据传输标准化，在大多数的小型机和全部的个人计算机都使用此编码。 ASCII码划分为两个集合：128个字符的标准ASCII码和附加了128个字符的扩充ASCII码。,返 回,2020年7月28日星期二,大

45、学计算机基础教程,39,1.2.3 存储体系与数据的表示,4.数据表示（4/5） 国标码（交换码） 国标码指的是GB2312-80汉字编码。 1980年我国颁布了第一个汉字编码的国家标准： GB2312-80信息交换用汉字编码字符集基本集，这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础，也是目前国内所有汉字系统的统一标准。 国标码的每一个符号都用两个字节（16位二进制）代码来表示。每个字节使用对应的128个字符的ASCII字符集中的94个字符代码，理论上可表示9494=8836个符号。一般将第一个字节称为区号、第二个字节称为位号，当用十进制来记录时候就形成了区位码。 国标码共有字符7445个，包括

46、汉字和其他字符。其中一级汉字3755个，按汉语拼音顺序排列；二级汉字3008个，按部首和笔画排列。 其他字符有常用符号、序号、GB1988图形字符集、希腊字符、制表符等，共682个。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,40,1.2.3 存储体系与数据的表示,4.数据表示（5/5） 汉字处理的其他相关编码 由于汉字处理的环节和方式与西文不同，所以涉及到一些特别的概念。 机内码 将汉字字符进行实际存储和加工时候，为了与ASCII码进行区别和共存，将两个字节各自的最高位置成1。 输入编码 由于汉字输入的特殊性，所以不同的汉字输入方法对每个汉字都规定了特定的输入符号序列，这些序列

47、的集合可以称为输入编码。 汉字输入过程就是指将汉字从输入编码换成对应的机内码并存储起来的过程。 字形编码 字形编码指的是汉字字符的输出编码。原始的字形编码采用点阵表示，每个点是一位二进制，所有字形编码的集合称为字库。 GBK编码 如果将机内码的两个字节的可能编码全部使用上的话，即使是保留128个ASCII字符，理论上可表示将近128128=16384个汉字字符。这为表示一些不常用的汉字提供了可能。 实际上的GBK编码中不仅包括了原GB-2312编码，同时也包括了许多简码的繁体码，同时还有许多的符号与不常用汉字。 GBK编码的范围更大，高字节从0 x81到0 xFE，低字节从0 x40到0 xF

48、E，同时不包括0 x7F。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,41,1.2.3 存储体系与数据的表示,5.存储器的详细分类（1/3） 按存储介质分类 用来制作存储信息的物质称为存储介质。 用半导体元件组成的存储器称为半导体存储器。 用磁性材料组成的存储器称为磁存储器，由于是将磁材料涂在金属或塑料表面制成，一般也称为磁表面存储器。 用光学原理制成的存储器称为光存储器。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,42,1.2.3 存储体系与数据的表示,5.存储器的详细分类（2/3） 按存取方式分类 若存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，而且存取时间与存储单

49、元的物理位置无关，则称它们为随机存取存储器（RAM），一般的半导体存储器即属于RAM。其特点是存取速度快，容易与CPU的速度相匹配，一般用于计算机的内存。 若存储器中的内容不能被刷新，各存储单元的内容只能读不能写，则将它们称为只读存储器（ROM）。半导体ROM通常充当内存中存放重要系统程序的存储器。 若存储器只能按某种顺序存取，即存取时间与存储单元的物理位置有关，则称它们为顺序存储器（SAM）。磁带存储器及只读光盘存储器都是典型的顺序存储器。其特点是存储容量大、存取速度慢，但每字节成本较低，一般用作计算机的外存或海量存储器。 若存储器存取数据时不必对存储介质做事先顺序搜索而直接存取信息，则将它

50、们称为直接存储器（DAM），磁盘存储器和部分光盘存储器是典型的DAM。其特点是存储容量大，存取速度介于RAM与SAM之间，一般用作计算机的外存。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,43,1.2.3 存储体系与数据的表示,5.存储器的详细分类（3/3） 按信息和可保护性分类 断电后数据将消失的存储器称为易失性或非永久性存储器。 断电后仍保持信息的存储器称为非易失性存储器，磁盘、磁带存储器是典型的非易失性存储器。 按所处位置及功能分类 按存储器所处的位置及功能可以将它们分为主存（内存、与CPU紧密相联）和辅存（外存）两类。硬盘、光盘、软盘都属于外存。 内存可以被CPU直接访问

51、。由RAM和ROM组成，能快速进行读写操作。 CPU不能直接访问的那些用来存放暂时不用的程序和数据的存储器称为计算机的外存。一般是由容量大、速度较低慢、价格低的磁表面存储器和光存储器等充当。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,44,1.2.3 存储体系与数据的表示,6.存储器的性能指标 一般在评价存储器、存储体系的优劣时重点考虑容量、速度、可靠性、价格等几方面的因素。这些因素直接影响存储器的使用效果好坏，同时也直接影响着计算机系统的整体效率。 存储容量 存储容量就是存储器可以容纳的二进制信息的数量。 1KB=210Byte=1024Byte 1MB=1024KB=220B

52、yte 1GB=1024MB=230Byte 存储器的最大容量可以由存储器地址码的位数确定，若地址码位数为N，即可以产生2N个不同的地址码，存储器的最大容量为2N字节。 访问时间 访问时间是计算机查找存储介质上的数据并读取它的平均时间。 微机上外存储设备的访问时间一般使用毫秒来衡量，而内存的访问时间一般使用纳秒（1ns=10-9s）来衡量。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,45,1.2.3 存储体系与数据的表示,7.高速缓存和虚拟存储器（1/2） 为了使计算机存储系统的性能进一步优化，可以建立起一个由多层性能、价格不同的存储器构成的存储系统，使得在CPU和程序员来看，存

53、储器容量足够的大、速度足够的快、价格尽可能的低。这就是存储体系要研究的任务，相关的技术有很多，主要的有如下两种。 高速缓冲存储器 要进一步加快数据访问的速度，就要在计算机中使用高速缓冲技术。高速缓冲存储器（Cache）是介于CPU和计算机内存之间的特殊存储器，它的速度比内存快很多，接近于 CPU的速度，容量比较小。它依赖于一种特殊的完全的硬件调度算法，总是尽可能将内存中将来可能用到的数据块调度到其中，这样就使CPU获得的大部分数据来源于此，自然提高了CPU的工作速度，也相当于提高了整个存储系统的速度。 由于Cache是完全硬件实现，所以不仅对于软件、甚至对于机器的指令系统而言，Cache都是透

54、明的。 在内存和硬盘之间也可以采用类似的技术。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,46,1.2.3 存储体系与数据的表示,7.高速缓存和虚拟存储器（2/2） 虚拟存储器 现在的微机系统中对应的一个常见词汇就是“虚拟内存”。 现有的操作系统都不会用尽所有的内存，因为它们使用计算机的空闲硬盘空间来扩充内存。计算机使用的磁盘存储器模拟的内存被称为虚拟内存。 虚拟内存技术使得计算机在物理内存较少的情况下可以运行大型程序、操作大型的数据文件和同时运行多个程序。虚拟内存的速度要比内存的速度慢很多，因为磁盘是一个慢速设备，从虚拟内存中取数据要花费更长的时间。 像内存一样，虚拟内存中的数

55、据在电源关闭之后也不存在。其实并不奇怪，虽然磁盘上的数据通常在断电后不会丢失，但事实上，虚拟内存中的数据在断电之后也不会真正丢失，但是在加电之后，计算机再也不能够访问这些数据了。这是因为存储在内存中控制计算机访问虚拟内存的指令在断电之后不存在了。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,47,1.2.4 CPU与指令系统,1.CPU 中央处理单元（CPU）是计算机中的核心部件，完成数据处理和计算机的控制等操作。CPU从内存中接收数据和指令、处理这些指令，将处理结果再送回内存中，结果可以显示和存储起来。 CPU主要由两部分组成：运算器和控制器。两部分各自执行处理数据过程中的特定任

56、务。 运算器执行加减等算术操作以及比较数据是否相等这些逻辑操作。运算器使用寄存器来保存等待处理的数据。在运算中，算术操作或逻辑操作的结果暂时存放在累加器中。 运算器的操作是通过控制器来协调和控制的。控制器顺序从RAM中取出指令，并将它们放到特殊的寄存器指令寄存器中，控制器翻译指令，并根据翻译结果发送信号给数据总线并由它从RAM中取数据，发送信号到运算器进行处理。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,48,1.2.4 CPU与指令系统,2.指令系统 计算机通过执行一系列相对简单和独立的功能来完成一个复杂的任务。这种相对简单和独立的典型功能如加法、减法、逻辑与、条件转移等基本操

57、作，它代表着硬件直接完成的功能单位，是软件人员看到的硬件可以完成的最大功能，也是软件人员可以控制的最小功能。 一般的，用一条指令代表这样的基本功能。一条指令可以分成两部分：操作码和操作数。操作码就是一个类似累加、比较或跳转等操作的命令词，一般非常短。操作数给出了需要处理的数据或数据的地址。 CPU可以执行的指令集合称为指令系统。规模小的指令系统可能只有10余条指令，规模大的指令系统可能有上千条指令。但不论多少，指令集合至少应该是完备的，计算机要执行的任务必须由指令系统中有限的指令进行组合得到。 指令以上的功能由软件完成，它需要硬件来执行一个指令序列即程序。 因此说，指令系统是计算机软件和硬件之

58、间的交界面。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,49,1.2.4 CPU与指令系统,3.主要指标和提高性能的技术（1/2） 制约CPU的速度的因素有：时钟频率、字长、高速缓冲存储器以及指令系统的大小等。 主时钟频率（主频） 计算机有一个系统时钟用来定时发出脉冲以控制所有系统操作的时间。系统时钟与保存日期和时间的“实时时钟”不同。系统时钟决定数据传输和指令执行的速度或频率。 系统时钟的频率决定了计算机执行指令的速度，决定了计算机在一定时间内所能够执行的指令数。衡量时钟频率的常用单位之一是兆赫。最初IBM PC的微处理器时钟频率是4.77MHz，现在的处理器的执行速度可以达到

59、几个GHz以上。 微机中还有外频和倍频之分。主频是CPU内部使用的频率，外频是主板的工作频率，是主板向CPU提供的基准工作频率，倍频指的是以上两个频率之间的倍数。 字长 字长就是中央处理器可以同时处理的数据位数。字长决定于CPU的寄存器和总线的数据宽度。字长较长的计算机在一个指令周期内要比一个字长短的计算机处理更多的数据。最初的微机使用8位处理器，现在都是32位或64位的处理器。,返 回,2020年7月28日星期二,大学计算机基础教程,50,1.2.4 CPU与指令系统,3.主要指标和提高性能的技术（2/2） 指令集的复杂性 随着计算机指令集的扩充，系统设计人员将增加越来越多的复杂的指令，这些

60、指令比较长，需要的执行时间也更多。同时也带来了CPU中控制器的复杂化以及基本指令执行效率的降低。 基于使用复杂指令集CPU的计算机被称为复杂指令集计算机（CISC）。 精简指令集计算机（RISC）的CPU只有一个数量有限的指令集，但是这些指令的执行速度很快。在理论上，RISC计算机要比CISC计算机快。 流水线和并行处理 单处理器计算机串行执行指令，也就是说一个时刻只执行一条指令。通常处理器必须完成指令周期中的四个步骤后才执行下一条指令。使用流水线技术，处理器就可以在完成上一条指令前开始执行另外一条指令。流水线技术加速了处理速度。 多处理器计算机可以同时执行多条指令。并行处理增加了计算机单位时