第一章 计算机系统基础

大学计算机基础高等教育21世纪课程教材主编：蒋加伏沈岳主审：邹逢兴大学计算机基础课程简介《大学计算机基础》课程是新生入校的第一门计算机课程，是大学本科各学科专业学生必修的公共基础课程，是学习其他计算机相关技术课程的基础课。通过本课程的学习，使学生从计算机的硬件结构与组成原理、操作系统、办公软件、网络、数据库、多媒体技术等多个角度对计算机有一个比较全面的认识，了解相关概念，并掌握计算机的基本应用技能。本学期教学要求与考核方式1.本课程共56学时，其中理论32学时，上机24学时。2.中途安排一次操作测试，包括打字速度、WORD操作、EXCEL操作、PowerPoint操作。3.要求交一次学期大作业，具体要求将在第12周公布。4.上机课按学号座，要求带齐理论教程和实践教程两本书。5.要求每讲完一章，做课后习题为平时作业，直接做在书上，学期中将不定期抽查。6.考核成绩：期末70分，平时30分，包括出勤情况(2分)、平时抽查（8分）、大作业（10分）及操作测试（10分）。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计算机的基本工作原理及结构1.4计算机硬件系统组成1.5计算机软件系统1.6数据在计算机中的表示与存储什么是现代计算机？计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。手指、石块、贝壳算筹、算盘加法计算器、差分机、分析机电子计算机现代计算机1.1计算机的发展1.早期计算工具及计算机的发展理论计算机的奠基人：阿兰·图灵（AlanMathisonTuring）1936年英国数学家A·M·图灵设计出了第一个理论计算模型--------图灵机。用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程图灵机由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子一个在带子上左右移动的读写头。比如做一个以1的个数表示数值的加法运算,在磁带上的数据是0000001110110000,就是3+2的意思（规定两个数据之间只能间隔一个0）有如下操作定义：0,0-0,0R0,1-1,1R1,0-10,1R1,1-1,1R10,0-11,0L10,1-10,1R11,0-E11,1-0,0Sxx,y-aa,bc中xx是當前狀態,y是當前格子的值,aa是程序下一步的狀態,b是當前格的修改值.R就是向右移動一格,L就是向左移一格,E是錯誤,S是停機.机器初始状态为0。1946年2月，为精确测算炮弹的弹道特性，在美国陆军部的主持下，美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台真正能自动运行电子数字的计算机ENIAC(爱尼亚克)。世界上第一台数字电子计算机ENIAC5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW2.现在计算机的发展第一代：1946年~1953年电子管时代特征：采用电子管为主要逻辑元件；使用机器语言编制程序。第二代：1954年~1963年晶体管时代特征：用晶体管代替电子管；存储器革命，发明磁芯存储器。开始使用计算机高级语言。第三代：1964年~1970年中小规模集成电路时代特征：用中、小规模集成电路代替分立元件晶体管；出现了操作系统和编译系统。并与通讯技术结合。第四代：1971年至今大规模、超大规模集成电路时代特征：大规模集成电路和超大规模集成电路，半导体存储器，计算机体系结构和软件都有了极大的发展。现代计算机发展的四代：摩尔定理晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒每18个月芯片能力增长一倍。3.微型计算机的发展第一台微型计算机中国研制的第一台微型计算机1975年，美国，爱德华.罗伯茨“牛郎星”1985年，长城05201.1.5未来的新型计算机现代计算机发展迅速面临的问题影响芯片集成度，计算机运行速度超导计算机量子计算机光子计算机生物计算机神经网络计算机发展方向：超高速、超小型、并行处理、智能化芯片发热1.2计算机的类型按计算能力分：巨型机、大型机、中型机、小型机、计算机（微机、笔记本、掌上电脑等）从市场分布情况看：计算机奠基人——冯诺依曼1.3计算机的基本工作原理及结构JohnvonNeumann冯诺依曼冯·诺依曼结构：程序存储硬件核心由五部分组成采用二进制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，直至完成全部指令任务为止。运算器——也称算术逻辑单元(ALU)，是计算机进行算术运算和逻辑运算的部件。控制器——主要用来控制程序和数据的输入/输出，以及各个部件之间的协调运行。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和其他控制单元组成。在现代计算机中，往往将运算器和控制器集成在一个集成电路芯片内，这个芯片称为CPU(中央控制单元)。CPU性能的高低，往往决定了一台计算机性能的高低。存储器——主要功能是存放运行中的程序和数据。注：在冯·诺伊曼计算机模型中，存储器是指内存单元。对存储器的基本操作是数据的写入或读出，这个过程称为“内存访问”。内存按字节编号，这个编号称为内存地址。CPU通过内存地址对相应的存储单元进行访问输入设备——用来将现实世界中的数据输入到计算机，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。输出设备——将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式。常见的输出设备有：显示器、打印机、音箱等。软盘、硬盘、网卡既是输入设备又是输出设备。冯·诺依曼计算机结构模型数据流控制流取数存数地址指令（内）存储器控制器运算器输出设备输入设备程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号1234567891011121314注意：其中5-10是个重复的过程冯·诺依曼结构缺点：诺依曼瓶颈（CPU与主存之间，只有一条每次只能交换一个字的数据通路）程序+数据处理结果输入设备存储器输出设备CPU地址指令操作命令反馈信号请求信号响应信号响应信号请求信号集成运算器和控制器后的冯·诺依曼结构框图非冯·诺依曼计算机结构非冯·诺依曼结构：是由数据而不是由指令来驱动程序执行例：数据流计算机归约计算机基于面向对象程序设计语言的计算机智能计算机1.3.2指令和指令系统指令是对计算机进行程序控制的最小单位。指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）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注意：(1)所有指令的集合称为计算机的指令系统。(2)不同类型的计算机指令系统有所不同。3、指令的执行计算机中一条指令的执行过程：写回取指令译码执行IP:指令寄存器地址总线数据总线取指令(IF)指令译码(ID)译码实际上就是将二进制指令代码翻译成为特定的CPU电路微操作，然后由控制器传送给算术逻辑单元。指令执行(IE)浮点处理单元(FPU)算术逻辑单元(ALU)结果写回(WB)……………内存储器程序计数器PC（0100H）操作码地址码译码器操作控制线路累加器算术、逻辑运算部件运算器控制器指令寄存器…………程序区数据区07地址内容0100H070740H0101H0740H数据自动加10740程序计数器PC（0101H）例：指令070740H的执行过程：1.3.3微型计算机系统结构1、早期的微机系统结构ISA总线系统结构优点：设计简单缺点：是各个设备都使用一条总线，容易造成系统瓶颈。2、目前的微机系统结构存储器控制Hub(MCH)I/O控制Hub(ICH)固件控制Hub(FWH)以CPU为核心的控制中心分层结构3、微机系统的1-3-5-7规则“1-3-5-7”是指主要结构而言，实际产品会有一些增减。1个CPU3大芯片5大接口7大总线计算机系统CPU系统主板系统存储器系统总线和接口输入/输出设备微机的主要技术指标1.4计算机硬件系统组成1、计算机系统完整的计算机系统包括：硬件系统和软件系统硬件系统：是构成计算机的各种物理设备的总称，是看得到、摸得着的实实在在存在的东西。如：键盘、显示器、鼠标、硬盘、内存等软件系统：计算机上除硬件之外的所有东西，是为运行、管理和维护计算机而编制的程序和文档的总和，可以扩大计算机的功能，提高计算机的效率。其中，程序就是指令的集合。如：操作系统、数据库管理系统、应用软件等硬件是躯体，软件是灵魂；两者相辅相成，缺一不可。硬件系统软件应用软件1.4.1计算机系统组成应用软件：办公、多媒体、辅助设计、应用、网络、安全、工具、娱乐CPU系统：CPU、散热片、风扇计算机系统硬件存储设备——优盘、刻录机、SM存储卡外设输入设备——手写笔、数码摄像头、扫描仪、电视卡输出设备——打印机、投影仪、MIDI键盘软件系统软件：操作系统、网络服务、数据库系统、程序设计语言电源设备——UPS、净化电源、电源盒计算机主板系统：主板、信号线内存系统：DRAM、BIOS显示系统：显示卡、显示器外存系统：硬盘、光驱、软驱音频系统：声卡、音箱、话筒网络系统：网卡、Modem辅助系统：电源、机箱、键盘、鼠标从外观看，微机的基本配置：主机箱、显示器、键盘和打印机。在主机箱内有主机板、多功能卡、显示卡、硬软盘和驱动器等，如下图所示：2.微机硬件的基本组成主机的外部与内部组成CPU系统中央处理器CPU：它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片。1.4.2CPU系统字长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。工作频率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高速缓存（cache)（128KB～2MB)CPU技术性能：高速CPU低速内存高速CPU和低速内存的速度不匹配，如何解决？高速缓存主板是计算机中重要的部件。主要功能是传输电子信号。计算机的性能、功能、兼容性都取决于主板设计。目前主板的系统结构为控制中心结构。主流产品是ATX主板。1-3-5-7三大芯片北桥芯片－决定主板性能高低南桥芯片－决定主板功能多少BIOS芯片－决定主板兼容性好坏1.4.3主板系统ATX主板组成图内存插槽扩展插槽1.4.4存储器系统微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。光盘存储器随机存储器RAM存储器主存储器（内存）软磁盘、硬磁盘外存储器（辅助存储器）静态随机存取器SRAM动态随机存取器DRAM可编程只读存储器PROM可改写只读存储器EPROM优盘存储器（FlashMemory)移动硬盘只读存储器ROM磁盘存储器：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。内存是能够直接与cpu进行数据交换的存储器，又称为主存储器，用于存放计算机进行数据处理所必须的原始数据、中间结果、最后结果以及指示计算机工作的程序。1.内存内存地址RAM在实际存储的时候被分成为许多等长的存储单元，在微机中一般按照字节存储，即按字节来分存储单元。比如，如果有内存１kB，则被分为1024个存储单元。每个存储单元将被赋予一个编号即内存地址。FFFFH0002H0001H0000H注意区分内存地址和内存地址中的内容。内存主要技术指标：1）内存容量存储单元中的字节数。1Byte(字节)=8bit（位）1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB2）读写时间从存储器读一个字或向存储器写入一个字所需的时间。2.外存储器之一：硬盘驱动器硬盘的磁道、柱面与扇区硬盘容量的计算：总容量＝512B×磁面数×柱面数×扇区数一般一个扇区内可以存储512B的用户数据硬盘工作原理图平均寻道时间