第1章计算机基础

第1章计算机基础1.1计算机系统的组成5个比较重要的发展阶段。1.1.1.1大型机阶段（20世纪50~60年代）1946年，第一台数字电子计算机在美国宾夕法尼亚大学问世。大型机经历了第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代中小规模集成电路计算机、第四代超大规模集成电路计算机的发展过程。最早批量生产的大型主机是UNIVAC1.1.1.2小型机阶段（20世纪60~70年代）1.1.1.3微型机阶段（20世纪70~80年代）这一时期，微型机得到了发展，它比小型机更小。1981年，IBM公司推出了第一台PC，从此PC得到了快速的发展。1.1.1.4客户机/服务器阶段（20世纪80~90年代）早期的局域网一般采用对等网的结构，如今则一般采用客户机/服务器模式，即某些计算机是服务器，其余则是客户机。早期的服务器主要是为其他客户机提供资源共享的磁盘服务器和文件服务器，后来的服务器主要是数据库服务器和应用服务器等。1.1.1.5互联网阶段（20世纪90年代至今）1969年美国国防部研发的ARPANET是互联网的前身。1983年TCP/IP（传输控制与网际互联协议）正式成为阿帕网的标准协议。1991年我国每一条与国际连接的专线建成，实现者是中国科学院的高能物理所。1994年我国才实现了采用TCP/IP的国际互联网的全功能连接。我国于1958年研制成功第一台电子管计算机—103机，1959年研制成功通用大型电子管计算机—104机。1.1.2计算机系统的结构计算机由硬件和软件两部分组成。计算机的硬件主要包括运算单元、存储单元、控制单元和I/O接口单元（即输入设备和输出设备），这些单元通过总线传递信息。控制器和运算器组成了我们常说的CPU，即中央处理器。控制器控制各基本单元之间的数据交流。运算器进行算术运算和逻辑运算。计算机通过存储在存储器中的程序完成工作，存储器包括内存和外存。内存速度比外存快，但是价格比外存高。Cache是解决CPU与内存间的速度差。计算机软件分为系统软件和应用软件，比如Windows是操作系统，属于系统软件；Excel是电子表格软件，属于应用软件。应用软件又可以分为通用软件和专用软件两种。1.1.3计算机的分类传统分类将计算机分成6类：大型主机、小型计算机、个人计算机、工作站、巨型计算机和小巨型计算机。现实分类把计算机分成服务器、工作站、台式机、便携机和手持设备等5种类型。1.1.4计算机的指标计算机的技术指标包括位数、速度、容量、数据传输率和可靠性。1.1.4.1位数计算机有8位、16位、32位和64位之分，这里的位(bit)数不是指十进制数，而是指二进制数。位是指CPU能够存储多少位的数据，位数越多，CPU一次能够处理的信息量就越大。通常，我们称8位是一个字节(Byte)，16位是一个字(Word)，因此32位是一个双字长，64位是两个双字长。奔腾芯片已经是32位，用于服务器的Alpha芯片和安腾芯片是64位。二进制数只有0和1两个数字，按逢二进一的规律计数。例如，A表示为1010，B表示为1011(1010+1)，C表示为1100(1011+1)，以此类推可计算出其他字母的二进制数。一条指令CD21可以表示为1100110100100001。1.1.4.2速度衡量CPU处理速度的指标主要有两个：MIPS和MFLOPS。CPU处理速度的快慢可以用每秒钟处理的指令数来表示。MIPS(MillionInstructionPerSecond)表示单字节长定点指令的平均执行速度。用MFLOPS(MillionFloationInstructionPerSecond)来表示单字节浮点指令的平均执行速度即（百万）。此外，由于运算快慢与微处理器的时钟频率紧密相关，所以人们也用主频来表示CPU的处理速度。1.1.4.3容量存储容量的单位是字节，常用B代表。KB表示千字节，MB表示兆字节，GB表示吉字节。存储器除了容量这个指标外，还有些指标也比较重要，如平均寻道时间、平均等待时间、数据传输速率等。1.1.4.4数据传输率数据传输率也称为带宽，它反映计算机的通信能力。单位是bps，表示每秒传输的位数或比特数。常用的单位还有kbps、Mbps、Gbps等。1.1.4.5可靠性表示系统的可靠性的两个指标：平均无故障时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)。MTBF(MeanTimeBetweenFailure)是一段时间内系统发生相邻两次故障的平均间隔时间。MTTR(MeanTimeToRepair)指修复一次故障所需要时间的平均值。1.2计算机硬件组成1.2.1CPU芯片的发展历史早期的CPU都是8位机，如Intel8080，它是第一台微型计算机的CPU。当时的8位芯片还有摩托罗拉的6800和Zilog公司的Z80。近期的CPU则是32位的，如Intel公司的奔腾芯片，它的诞生是计算机史上的一大革命，它为运行大型应用软件提供了重要的硬件平台，此时其他公司的芯片有AMD公司的K6、Cyrix公司的MⅡ及IDT公司的WinChip芯片等。CPU已经进入了64位时代，如AMD公司的速龙64芯片。1.2.2.1超标量技术超标量技术的实质是牺牲空间换取时间，它通过内置多条流水线同时执行多个处理。奔腾的多条流水线由U指令流水线和V指令流水线，以及一条浮点指令流水线组成1.2.2.2超流水线技术超流水线技术的实质是牺牲时间换取空间，它在一个机器周期内完成一个或者多个操作。即细化流水。1.2.2.4双Cache的哈佛结构哈佛结构的特点是CPU有两个缓存：一个用于缓存指令，另一个用于缓存数据。这就大大提高了访问Cache的命中率，从而不必搜寻整个存储器，就能得到所需的指令与数据。哈佛结构对于保持流水线的持续流动有重要意义。1.2.2.6增强的64位数据总线虽然我们说奔腾是32位的，这是因为它的内部总线是32位的。但是它与存储器之间的外部总线却是64位的，这大大提高了其处理数据的能力。1.2.2.8采用局部总线技术局部总线技术有两个标准，一个是PCI标准，另一个是VESA标准。奔腾采用了PCI标准，采用该标准能容纳较先进的硬件设计，能支持多处理、多媒体及数据量很大的应用。1.2.3安腾芯片技术特点从奔腾到安腾(Itanium)，标志着英特尔体系结构从IA-32向IA-64推进。两者的区别在于：奔腾是32位芯片，主要用于台式机和笔记本电脑;而安腾是64位芯片，主要用于服务器和工作站。286、386采用传统的CISC技术，奔腾采用RISC技术，安腾采用了EPIC技术，即简明并行指令计算技术。1.2.4.1主板的组成主板是计算机主机的主要部件，由5部分组成：CPU、存储器、总线、插槽和电源。CPU是最重要的部分，控制着整个机器的运行；存储器用来存储临时数据和一些需要执行的程序；总线则负责各个部件之间信息的传递；插槽用来扩展计算机的功能；电源则为各个部件提供能源。1.2.4.2主板的分类主板的分类方法有很多，下面介绍几种常用的分类方法。（1）按CPU芯片分类，如386主板、PⅡ主板、PⅢ主板、P4主板等。（2）按CPU插座分类，如Socket7主板、Slot1主板等。（3）按主板的规格分类，如AT主板、BabyAT主板、ATX主板等。（4）按芯片集分类，如TX主板、LX主板、BX主板等。（5）按数据端口分类，如SCSI主板、EDO主板、AGP主板等。（6）按是否即插即用分类，如PnP主板、非PnP主板等。（7）按扩展槽分类，如EISA主板、PCI主板、USB主板等。1.2.4.3网卡网卡又叫网络适配器，它的主要功能包括：实现与主机总线的通信连接，解释并执行主机的控制命令；实现数据链路层的功能，如形成数据帧、差错校验、发送、接收等；实现物理层的功能，如对发送信号的传输驱动、对进来信号进行侦听与接收、对数据的缓存及串行或并行转换等。1.3计算机软件组成计算机系统是由硬件和软件组成的。计算机软件包括系统软件和应用软件。1.3.1.1按照用途分类按照用途的不同，软件可以分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是贴近硬件的低层软件，应用软件是运行在系统软件之上的高层软件。系统软件中最核心的部分是操作系统，特别是支持网络技术的网络操作系统。网络操作系统运行于服务器端的称为服务器操作系统；运行于客户端的称为客户机或工作站操作系统。应用软件按照具体用途的不同，可分为数据库软件、字处理软件、搜索引擎软件、压缩软件、防病毒软件、多媒体软件等。这些都是通用的应用软件。针对具体的工程项目开发的软件则是特殊的应用软件。1.3.1.2按照授权分类按照软件的授权方式，可以分为商业软件、共享软件和自由软件三大类。（1）商业软件（Commercial-ware）：顾名思义，必须购买才能使用，称为正版软件，例如Windows、MicrosoftOffice等；如果复制，则为盗版软件。（2）共享软件（Shareware）：软件作者保留版权，但允许他人自由复制试用。Internet上有许多共享软件，大多数有日期限制和功能限制，有的还限制用户只能安装一次，删除后重新安装无效。试用后再决定是否注册或购买，如一些杀毒软件、ACDSee软件等。（3）自由软件（Freeware）：版权虽然仍属于原作者，但使用者可以自由复制、自由修改，如著名的Linux操作系统。1.3.2软件开发程序由指令序列组成，告诉计算机如何完成一个具体任务。文档是软件开发、使用和维护的必备资料。软件的生命周期可以分为三大阶段，即计划阶段、开发阶段和运行阶段。1.3.2.1计划阶段计划阶段分为问题定义和可行性研究两个子阶段。计划阶段主要是设定软件系统的目标，确定研制要求，提出可行性分析，对各种可能方案做出成本效益分析，作为使用单位是否继续该项工程的依据。1.3.2.2开发阶段在开发初期分为需求分析、总体设计、详细设计3个阶段。在前期必须完成软件需求说明书和软件设计规格说明书。软件设计规格说明书包括反映系统总体结构的软件结构图，该图反映该结构中每个模块的内部过程和详细结构。在开发后期分为编码、测试两个子阶段。在编码子阶段，要选定编程语言，将模块的过程性描述变成程序。在测试子阶段，要发现并排除上一个阶段所产生的各种错误。后期必须形成的文档有产品发布的批准报告、有效性审查报告、项目小结报告、经过严格审查的一整套用户文档、安装手册、测试报告及资料清单。1.3.2.3运行阶段运行阶段的主要任务是软件维护。为了排除软件系统中仍然可能隐含的错误，适应用户需求及系统操作环境的变化，继续对系统进行修改和扩充。1.3.3编程语言编程语言可以分为三大类，即机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言编写的程序能被计算机直接执行，它是由0、1等能被计算机识别的符号组成的。机器语言因为不需要翻译，所以其执行速度快，但是这种语言难记难学。汇编语言则用人们熟悉的英文助记符和十进制数代替二进制码。汇编语言和机器语言都属于低级语言，但计算机不能识别英文助记符和十进制数，所以计算机不能直接执行汇编语言，必须通过汇编程序把汇编语言翻译成机器语言，计算机才能执行。高级语言和自然语言差不多，计算机不能直接执行，必须通过解释程序翻译成机器语言才能执行。1.4多媒体、超媒体和流媒体1.4.2多媒体硬件系统特征具有以下特征的硬件系统，可以称为多媒体硬件系统：（1）具有光驱CD-ROM，这是多媒体硬件系统的一个重要标志。（2）具有模数转换和数模转换功能，能让语音的模拟信号和数字信号相互转换，从而使多媒体硬件系统有高质量的数字音响功能。（3）具有清晰度比较高的显示器。（4）具有数据压缩与解压缩的硬件支持。1.4.3数据压缩与解压缩技术1.4.3.1压缩方法的种类按照压缩前后图像的差别可分为：无损压缩和有损压缩。无损压缩是可逆的，而有损压缩是不可逆的。有损压缩会产生一些失真，但它有比较大的压缩比，只要误差在一定范围内，仍然能满足某些具体的应用。按照压缩的原理可分为：熵编码（无损压缩）、源编码（有损压缩）和混合编码。（1）信息熵编码法（EntropyCoding）：它根据信息熵理论，编码时