第1章计算机系统概述与社会信息化

授课对象：09级本科生理论学时：56学时，14周实验学时：计划16学时+课外30学时学分：4考试形式：平时10+实验10+无纸化考试80考试时间：预计第16周授课教师：李锐E-Mail：[e-mail]•计算机的发展历程、分类及应用；•信息技术概述；•计算机硬件组成及各主要部件的功能；•计算机系统组成；•计算机软件分类；•计算机工作原理及主要技术指标；•数制及其转换；•文字信息编码。本章主要内容•数值型数据的存储；•计算机的算术与逻辑运算；一种可以接受输入、处理数据、存储数据、可编程并能产生输出的一种电子装置。计算机主要特点：计算精度高、处理速度快、存储容量大、自动化程度高、适用范围广和通用性强。1936年英国科学家图灵，首次提出逻辑机模型—图灵机,并建立算法理论,被誉为计算机之父。计算机理论奠基人：图灵的主要贡献：•建立图灵机模型，奠定了可计算理论基础；•提出图灵测试，阐述机器智能概念。图灵奖,创于1966,每年由美国计算机学会(ACM)颁发。计算机最高奖项：19世纪50年代，英国数学家乔治·布尔创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础。1946年2月诞生于美国宾州大学，电子数值积分计算机，ENIAC—ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。第一台计算机的诞生•5000次加法/秒•体重28吨•占地170m2•18800只电子管•1500个继电器•功率150KWENIAC存在明显缺点：•是存储容量很小；•是采用外接线路连接的方法设计计算程序。•存储程序控制：存储程序实现自动计算•采用二进制数：便于硬件实现，又有简单的运算规则。1948年8月，著名美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出EDVAC(electronicDiscreteVariableAutomaticComputer,离散变量自动电子计算机)计算机方案。冯•诺依曼计算机方案：•计算机基本结构：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备冯·诺依曼计算机体系结构计算机发展的4个阶段一代：电子管计算机二代：晶体管计算机三代：中小规模集成电路计算机四代：大规模、超大规模集成电路计算机1946～1958•体积大;•运算速度慢(1万次/秒)；•电子管存储容量(2KB)小；•程序设计为机器语言。1958～1964•晶体管、磁芯存储器，内存储器容量可以达到32KB；•运算速度为300万次/秒；•程序设计有汇编语言、FORTRAN等。1964～1970•小规模集成电路、半导体存储器、磁盘，内存储器容量8MB～256MB；•运算速度1～10亿次/秒；•软件有操作系统、结构化程序设计语言、数据库等。1971年至今•用大规模、超大规模集成电路、半导体存储器、磁盘、磁带、光盘和微处理器，内存储器容量可达256MB～4096MB；•运算速度已经达到10亿次以上/秒；•软件增加专家系统、面向对象开发工具和支撑环境等。•计算机网络技术更加完善计算机的发展趋势一些简单的自动装置（如机械手）将得到广泛应用。它们用微电脑内核，带有“眼睛”(摄像机)，甚至用自然语言与人类进行交流，完成特定的使命。•人工智能进一步发展计算机与通信网络相互协调、相互补充，融于一体；世界范围内的高速宽带网即将建成。将由磁、光或DNA来制造，即所谓磁计算机、光子计算机、生物计算机和量子计算机。•未来新型计算机采用磁场来控制晶体管,能使每平方厘米所容纳的晶体管数量增加近千倍。预计其性能将比目前微处理器性能提高4万倍。磁计算机利用光的高速和无干扰性，使用光学元件(光触发器)构成处理器。光子计算机以生物工程技术产生的蛋白分子为主要原料，具有巨大的存储能力；信息以波的形式传输。生物计算机是利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。量子计算机计算机分类按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多项性能指标划分为：高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器和嵌入式计算机等。•高性能计算机是指运算速度最快、处理能力最强的计算机，传统称之为巨型机或大型计算机。目前，高性能计算机的运算速度可达到35万亿次/秒，峰值运算速度可达到40万亿次/秒。介于微机与小型机之间的高档微机系统，配有高速运算处理部件；有很大虚拟存储空间；人机交互图形接口和网络通信接口,有功能齐全的软件；可达20个CPU。•工作站计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备。软件固化到计算机内部，用户不可修改。•嵌入式计算机•微型计算机发展速度较快，性能／价格比高，应用广泛。也称个人计算机（PC—PersonalComputer）。高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等。分为文件服务器、应用程序服务器和数据库服务器等。•服务器服务器机目前计算机技术正朝着高性能和微型化两个方向发展。计算机的主要应用指信息收集、转换、分类、统计、存储和输出等，从中筛选出有价值数据。也称非数值计算，虽然数据量大，但计算方法简单。主要解决科学研究和工程中数值计算问题。•科学计算•数据处理又称实时控制，是指利用计算机的高速度和善判断特点，将计算机用于实时采集和分析处理数据，根据控制模型进行计算和判断，直接干预生产过程，校正偏差，对所控制的对象进行调整，实现对生产过程的自动控制。•过程控制包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助教学（CAI）等。•计算机辅助系统CAD是以计算机为工具，对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAI是借助课件系统完成教学的方法，课件系统是一类教学软件。CAM用计算机代替人控制和操作设备（如车床）进行生产或加工产品（如零件），它的输入可能是产品工艺图或控制开关信号，输出是对相关设备的控制信号。将人脑演绎推理的思维过程、规则、策略和技巧等编成计算机程序；在计算机中存储一些公理和推理规则，使计算机自动解决问题和推导结论。•人工智能机器人：是一种自动化机器，具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力。专家系统：是模拟专家智能的一类软件。将专家的丰富知识和经验总结出来预先存入计算机，配上相应软件。模式识别：重点研究图形（含符号和图像）识别和语言识别，给机器人装备视觉器官和听觉器官。如：指纹识别。又称假想现实，是指“用计算机及相关设备合成的人工世界”。通过多种传感设备使应用者“投入”到该环境中，实现与环境直接进行交互的目的。信息高速公路（InformationSuper-Highway）的概念源于美国，1991年美国参议员戈尔提出：将美国所有信息库及信息网络连成一个全国性大网，使各种形态的信息在计算机网络中高速传输。。•信息高速公路•虚拟现实多媒体计算机集声音、图像和文字于一体，集电视、录像、光盘存储、电子印刷和计算机通信技术之大成，将计算机应用引入无所不能的广阔领域。•多媒体技术信息技术以计算机技术、通信技术和控制技术为核心客观存在事物及其运动状态的表征。•信息信息的载体，是信息的具体表示形式。•数据学生信息学号姓名性别民族出生日期年级状态21030102张晓伟男汉族1984年6月18日具体学生数据二年听课时效性•信息的基本特征普遍性寄载性共享性可识别性可加工性只要有事物存在或变化，就存在信息。信息寄载于事物上，不能独立于事物之外。信息是一种资源，可以为人类所共享。信息价值因时间或地点不同而发生变化。直接(通过眼、耳和鼻等)和间接识别。从中提炼出有价值的信息。•数据数据是信息的载体。数据包括各种数值数据、字符数据（如英文字母、汉字、标点符号和运算符等）、图形、图像数据和声音数据等。在计算机内，任何形式的数据都用二进制数表示。数据处理通常是指对各种数据进行采集、存储、传送、转换、分类、排序、计算和输出等操作。•信息数字化信息数字化是将事物的信息进一步抽象、提取和规范化，使之成为计算机能够处理的数据。高速度、网络化多媒体化多学科结合智能化信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。现代信息技术信息技术是利用信息科学原理和方法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术，又称信息工程。信息技术由计算机、通信和控制技术构成。信息技术的发展趋势信息化社会信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。硬件系统软件系统外存储器运算器控制器应用软件内存储器输出设备主机外设中央处理器(cpu)ROMRAM系统软件输入设备硬磁盘软磁盘光盘键盘鼠标显示器打印机绘图仪操作系统语言处理程序编辑程序连接程序调试程序、故障检查程序监控程序、诊断程序各种软件包数据库应用程序汇编程序编译程序解释程序扫描仪计算机硬件（Hardware）：是指计算机系统中看得见、摸得着的物理实体。硬件系统的基本功能是执行计算机指令系统中的各种指令。•内存储器和中央处理器构成主机。•在计算机硬件系统中不属于主机的设备都是外部设备，简称外设。•主机和外设合在一起构成计算机硬件系统。•通常将一个仅由硬件组成的计算机称为裸机。计算机硬件组织结构由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5大部件组成。输入数据或程序1231执行运算指令234561输出设备234654各部件运行状态控制流数据流中央处理器•运算器中央处理器是计算机硬件系统的核心，计算机的主要性能取决于CPU。计算机用来进行算术、逻辑运算的部件。算术逻辑运算单元ALU寄存器组内部总线运算器算术逻辑运算单元ALU：执行算术和逻辑运算的装置，其核心是加法器。内部总线：中央处理器内部信息传送的公共通道。寄存器组：用于暂存参加运算的操作数和中间结果。是整个计算机的神经中枢，负责从存储器中取出指令、翻译指令、分析指令，向其他部件发出控制信号（指令），控制、协调计算机各组件自动、连续地执行指令，控制整个计算机有条不紊地工作。控制器的功能：•控制器程序计数器(PC)指令译码器(ID)指令寄存器(IR)控制器时序控制电路微操作控制电路取指令：控制器生成指令地址，发出取指令信号，从存储器中取出指令暂存在指令寄存器中。分析指令：由指令译码器分析指令的操作要求，将指令分解成一系列微操作。执行指令：执行一系列微操作命令，使各部件完成相应的动作。中断处理：用于处理非预期事件。存储器是用于存储程序和数据的部件。存储器基本操作：读操作写操作存储器读操作：从存储器中取出指定内容，存储器中原有内容不变。写操作：将指定的内容存入存储器中。在计算机内部，程序中的指令和数据都以二进制代码形式存储。存储器的基本功能就是存储二进制形式的各种信息。字节（Byte）：在计算机中以字节为单位存储信息,一个字节由8位二进制数组成，简写成大写B。存储容量单位：存储器比特(bit)：1位二进制数为1个比特，简写成小写b。字长：CPU一次能处理的二进制数的位数。……位(bit)字长字节Byte(8位)KB(千字节)MB(兆字节)GB(千兆字节)。其它常用单位：1B＝8b1GB＝1024MB1MB＝1024KB1KB＝1024B换算关系：=210B=220B=230B•外部长久存储区域。•辅助存储器有磁盘、光盘以及U盘等。•半导体材料•访问速度快•暂时性•价高•光、磁材料•访问速度慢•永久性•价低•主存储器（内存）•辅助（外）存储设备内存包含随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。只读存储器（ReadonlyMemory,ROM）:只读存储器在出厂时已写入含有系统初始化程序、操作系统引导程序及多种硬件驱动等程序，并被固化。只能读取，不能写入。系统断电掉电后信息不丢失。•主存储器（内存）随机存储器（RandomAccessMemory,RAM）:保存正在执行的程序和数据，它由记忆元件和电子线路构成，是临时存储区域，系统断电后信息丢失软盘标签读/写保护口轴空索引空磁头读/写窗口软盘存储器•辅助存储器（外存）•硬盘存储器柱面扇区磁道正面背面打开磁头电源口信息口输入输出设备输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。•输入设备向主机输入程序、