第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)第一章第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)u 信息信息u 計(jì)算工具的發(fā)展歷史計(jì)算工具的發(fā)展歷史u 計(jì)算機(jī)工作原理計(jì)算機(jī)工作原理u 計(jì)算機(jī)硬件組成計(jì)算機(jī)硬件組成 u 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 信息：信息：有幫助的、能影響人們行為的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)：數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音等 1.1 1.1 信息信息信息處理信息處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)新信息、知識新信息、知識u信息的表示和采集u信息的存儲u信息的傳輸和檢索基于計(jì)算機(jī)基于計(jì)算機(jī)的信息處理的信息處理第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；第七章 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)第六章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第二章 信息在計(jì)算機(jī)中的表示 帕斯卡及其發(fā)明的加法器 萊布尼茲及其發(fā)明的乘法器器 巴貝奇及

2、分析機(jī)1.2.1 計(jì)算工具的發(fā)展歷程計(jì)算工具的發(fā)展歷程喬治布爾 邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)l所有可能出現(xiàn)的數(shù)只有0和1兩個(gè)l基本運(yùn)算只有“與”、“或”、“非”三種圖靈及其設(shè)想的圖靈機(jī)仙農(nóng)首次闡述了如何將布爾代數(shù)運(yùn)用于邏輯電路 ENIAC-電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生 5000 5000次加法次加法/ /秒秒 體重體重2828噸噸 占地占地170m170m2 2 18800 18800只電子管只電子管 1500 1500個(gè)繼電器個(gè)繼電器 功率功率150KW150KW馮馮諾依曼設(shè)計(jì)思想諾依曼設(shè)計(jì)思想 計(jì)算機(jī)包括運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件設(shè)

3、備五大基本部件 計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù) 采用存儲程序方式存儲程序方式，計(jì)算機(jī)勿需操作人員干預(yù)，自動逐條取出指令和執(zhí)行指令 馮諾依曼 第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī) 電子管電子管 第二代計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī) 晶體管晶體管 第三代計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī) 集成電路集成電路 第四代計(jì)算機(jī)第四代計(jì)算機(jī) 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 計(jì)算機(jī)發(fā)展方向計(jì)算機(jī)發(fā)展方向微型機(jī)微型機(jī)巨型機(jī)巨型機(jī)美國美國“美洲豹美洲豹” 中國中國 “天河一號天河一號”超級計(jì)算機(jī)超級計(jì)算機(jī) 1 1嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù) 將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一種技術(shù)。將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件

4、，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中的一種技術(shù)。系統(tǒng)和功能軟件固化起來，類似系統(tǒng)和功能軟件固化起來，類似BIOS的工作方式。的工作方式。家用家用 辦公辦公 商用商用 醫(yī)用醫(yī)用 軍用軍用 工業(yè)工業(yè)2 2網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算 把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的超級計(jì)算機(jī)，充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)。 全球目前有多個(gè)分布式計(jì)算項(xiàng)目，涉及自然科學(xué)、生命科學(xué)、自然科學(xué)、生命科學(xué)、密碼系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、金融、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、謎題、游戲密碼系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、金融、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、謎題、游戲等領(lǐng)域，用于加速人類的科學(xué)進(jìn)程。 SARS病毒：病毒：圖5- D2OL在志愿者計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行界面1.3 計(jì)算機(jī)工作原理計(jì)算機(jī)工作原理【例

5、例】以計(jì)算以計(jì)算4+5的任務(wù)為例說明計(jì)算機(jī)的主要工作過程。的任務(wù)為例說明計(jì)算機(jī)的主要工作過程。指令：指令：是對計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位，例如CPU從內(nèi)存中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，或者是邏輯判斷等，都屬于一條指令的操作。1.4 計(jì)算機(jī)硬件組成計(jì)算機(jī)硬件組成CPUCPU存儲器存儲器主板主板.1中央處理器（中央處理器（CPUCPU）此為CPU內(nèi)核，被封裝在陶瓷或有機(jī)物的電路基板上，便于運(yùn)輸及性能保障（c）主板上的 CPU插座（a）CPU正面 （b）CPU反面控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器中中央央處處理理器器CPU控制控制整個(gè)計(jì)算機(jī)所有部件的工作寄存器寄存器u加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算

6、算術(shù)運(yùn)算u與、或、非等邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算暫存中間結(jié)果CPUCPU的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)* 外頻外頻：總線頻率，：總線頻率，決定著整塊主板的運(yùn)行速度。 例如：酷?？犷6300 主頻1860（1.86GHZ）= 外頻外頻 266 *倍頻7 倍頻技術(shù)倍頻技術(shù)使CPU內(nèi)部工作頻率變?yōu)橥獠款l率的倍數(shù)，使外部外部設(shè)備可以工作在一個(gè)較低外頻上設(shè)備可以工作在一個(gè)較低外頻上，而CPU主頻是外頻的倍數(shù)。J主頻主頻 指提供基準(zhǔn)時(shí)間信號的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器每秒發(fā)出的脈沖信號的數(shù)目。例如：酷睿酷睿2 E6750主頻高達(dá)2.66GHz J高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器CacheCache 介于CPU和內(nèi)存之間的一種可高速存取信息

7、的芯片，用于解決它們之間的速度沖突問題。 Cache90的命中率CPU的性能指標(biāo)CPU的性能指標(biāo)J字長字長 指計(jì)算機(jī)一次能夠并行處理的二進(jìn)制代碼的位數(shù)，如32位、64位等，字長越長精度越高，速度越快。.J 生產(chǎn)工藝ENIAC：5厘米；（1972年）4004微處理器芯片10微米；（1974年）8080微處理器芯片6微米；（1979年）8086微處理器芯片3微米；（1985年）80386微處理器芯片1.5微米；（1990年）80486微處理器芯片0.8微米；（1993年）80586微處理器芯片0.6微米；（1995年）“奔騰”0.5微米突破0.2微米的記錄英特爾：淘汰一代65納米納米酷睿（Core

8、）處理器-45納米納米的“酷睿酷睿2”處理器過渡-20112012年開始啟用22納米技術(shù) Intel：30 多多 年年 的的 發(fā)發(fā) 展展 歷歷 程程摩爾定律摩爾定律: :每每1818個(gè)月，集成度翻一翻，速度提高一倍，而其價(jià)格將降低一半個(gè)月，集成度翻一翻，速度提高一倍，而其價(jià)格將降低一半生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝10微米0.2微米32納米2,3003,500,0002億晶體管數(shù)晶體管數(shù)4004Pentuim奔騰奔騰Core23.0GHz108KHz Core2CPUCPU存儲器存儲器主板主板1.3.3 計(jì)算機(jī)的存儲系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的存儲系統(tǒng)存儲器（存儲器（Memory）內(nèi)部存儲器內(nèi)部存儲器訪問速度快訪問速度快信

9、息暫時(shí)性信息暫時(shí)性相對價(jià)格高相對價(jià)格高外部存儲器外部存儲器訪問速度慢訪問速度慢信息永久性信息永久性相對價(jià)格低相對價(jià)格低隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器 RAMRAM只讀存儲器只讀存儲器ROMROM（1）隨機(jī)存取存儲器（）隨機(jī)存取存儲器（RAM）：）：隨機(jī)存儲，斷電內(nèi)容消隨機(jī)存儲，斷電內(nèi)容消失失。1.1.內(nèi)存內(nèi)存RAM 程序通常存儲在外存(如硬盤)上 程序執(zhí)行后被加載到 RAM 中 CPU 從內(nèi)存中獲取并執(zhí)行程序 存儲單元每個(gè)記憶單元由每個(gè)記憶單元由8 8位二進(jìn)制位位二進(jìn)制位組成，按組成，按“地址地址”進(jìn)行存取。進(jìn)行存取。內(nèi)存地址內(nèi)存地址字節(jié)字節(jié)ByteByte7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit

10、1011011038F04H單元內(nèi)容單元內(nèi)容存儲器的容量單位存儲器的容量單位u 一個(gè)Gif圖片圖片文件大小為10KBu 一首周杰倫的 雙節(jié)棍雙節(jié)棍.avi（現(xiàn)場版）視頻文件視頻文件為12MBu 內(nèi)存內(nèi)存容量一般有1GB、 2GBu 硬盤硬盤的容量有320GB、1TB等u CD光盤光盤的容量約為650MBu DVD光盤光盤的容量約為4.7GBu 藍(lán)光光盤藍(lán)光光盤的容量為24GB1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB1TB=1024GB字節(jié)字節(jié)ByteByte7 6 5 4 3 2 1 0位位BitBit存儲器的讀操作存儲器的讀操作ReadRead任務(wù)任務(wù)1：讀出內(nèi)存地址為

11、44H的單元中存放的數(shù)據(jù)54，并送給CPU任務(wù)任務(wù)2：將內(nèi)存地址為48H的單元中的數(shù)據(jù)改寫為35存儲器的寫操作存儲器的寫操作WriteWrite內(nèi)存內(nèi)存（2）只讀存儲器只讀存儲器(ROM) ROM中存放BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）（基本輸入輸出系統(tǒng)），其信息用戶無法修改。斷電時(shí)信息不會丟失。（3）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS 主板上可讀寫的隨機(jī)存取芯片，保存系統(tǒng)的硬件(如CPU、硬盤驅(qū)動器、顯示器、內(nèi)存等)配置情況；用戶對某些參數(shù)的設(shè)定，比如操作系統(tǒng)的啟動順序、系統(tǒng)日期、開機(jī)口令、超頻等。 CMOS已集成到主板芯片組的南橋（4）高速緩沖存儲器）高速緩沖存儲器Cache 介于

12、CPU和內(nèi)存之間和內(nèi)存之間的一種可高速存取信息的芯片可高速存取信息的芯片，用于解決它們之間的速度沖突問題。 CPUCacheRAM90的命中率的命中率Cache的命中率的命中率總結(jié)歸納：內(nèi)存儲器總結(jié)歸納：內(nèi)存儲器 RAMCacheROM中文名稱 存儲介質(zhì) 特點(diǎn) 2. 外存外存 存儲大本營：硬盤存儲大本營：硬盤(Harddisk) (Harddisk) M硬盤片由涂有磁性材料的鋁合金構(gòu)成M讀寫硬盤時(shí)，磁頭懸浮在盤面上l控制磁頭在盤片上高速工作的“手”是硬盤主軸上的馬達(dá) 解密硬盤工作：http:/ 磁道中存有文件分配表（FAT）信息u扇區(qū)：扇區(qū)：512Bu簇簇:簇是空間分配和回收的基本單位，一個(gè)文

13、件總是占用若干個(gè)整簇(FAT32系統(tǒng)一簇對應(yīng)8個(gè)邏輯相鄰的扇區(qū) ) IDE接口接口并行并行接口連接IDE硬盤/DVD數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)133MBps串行串行接口 SATA 3.0 數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)600MBpsSATA接口硬盤接口硬盤接口 IDE SATA 連接線更窄（連接線更窄（7芯），可為芯），可為1米長；米長； 有效減小干擾；有效減小干擾；數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率600MB/SPK硬盤的參數(shù)硬盤的參數(shù) 容量：容量：一般用G或T來做單位，如1TB。 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：指磁盤式硬盤在工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，較高的轉(zhuǎn)速可縮短硬盤的平均尋道時(shí)間和實(shí)際讀寫時(shí)間，從而提高硬盤的讀寫速度，如7200轉(zhuǎn)/分。擴(kuò)展擴(kuò)展-磁性存儲原理磁

14、性存儲原理 磁技術(shù)磁技術(shù)通過磁化磁盤或者磁帶表面上細(xì)小的粒子來存儲數(shù)據(jù)。硬盤、軟盤的存儲技術(shù)可歸類為磁存儲磁存儲。在存儲數(shù)據(jù)之前，磁表面上的粒子方向是隨機(jī)的磁盤驅(qū)動器的讀寫頭磁化磁表面的粒子。粒子的正極指向讀寫頭的負(fù)極磁表面讀寫頭聚酯盤讀寫頭可以翻轉(zhuǎn)磁表面粒子的磁向。磁表面粒子的磁向排列表示了數(shù)據(jù)讀寫頭：讀寫頭：利用特定的磁粒子磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性磁粒子的不同極性-不同的電脈沖信號不同的電脈沖信號-計(jì)算機(jī)可以使用的數(shù)據(jù)。 磁盤格式化磁盤格式化:重新劃分磁道重新劃分磁道/扇區(qū)扇區(qū)低級格式化低級格式化：將空白的磁盤劃分出柱面和磁道，再將磁道劃分為若干個(gè)扇區(qū)

15、高級格式化：高級格式化：僅僅是清除硬盤上的數(shù)據(jù)，生成引導(dǎo)信息，初始化FAT表，標(biāo)注邏輯壞道等。 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)：容量、倍速、讀寫時(shí)間只讀光盤只讀光盤CDROM一次性刻錄光盤一次性刻錄光盤CDR可擦寫光盤可擦寫光盤CDRWDVD數(shù)字視盤數(shù)字視盤今日輝煌今日輝煌光驅(qū)和光盤光驅(qū)和光盤 光盤的種類光盤讀寫原理光盤讀寫原理把數(shù)據(jù)存儲為細(xì)小的亮點(diǎn)（凸區(qū)）和黑點(diǎn)（凹區(qū)），光存儲設(shè)備使用低功率的激光來讀取存儲在光盤上的數(shù)據(jù)。CD和DVD存儲技術(shù)被劃分為。IT前沿：光儲存之王-藍(lán)光降臨 普通的光盤普通的光盤-紅激光紅激光 現(xiàn)代藍(lán)光光盤現(xiàn)代藍(lán)光光盤-使用藍(lán)激光使用藍(lán)激光 （1）移動硬盤）移動硬盤 移動硬

16、盤直接由臺式電腦硬盤或者由筆記本電腦硬盤改裝而成，這類產(chǎn)品性價(jià)比非常好，使用USB接口類型。 移動存儲產(chǎn)品移動存儲產(chǎn)品 （2）Flash存儲設(shè)備存儲設(shè)備 (閃存閃存) 用Flash Memory芯片構(gòu)成的存儲介質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3 播放器、數(shù)字錄音機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理和計(jì)算機(jī)等方面。移動存儲產(chǎn)品移動存儲產(chǎn)品 禁用系統(tǒng)的自動播放功能自動播放功能，防止病毒從U盤盤、移動硬盤、MP3等移動存儲設(shè)備進(jìn)入到計(jì)算機(jī)。 在運(yùn)行中輸入 gpedit.msc 后回車，打開組策略編輯器，依次點(diǎn)擊：計(jì)算機(jī)配置管理模板系統(tǒng)關(guān)閉自動播放自動播放已啟用所有驅(qū)動器確定?？偨Y(jié)歸納：外存儲器 硬盤硬盤光盤

17、光盤U盤盤組成 容量 特點(diǎn) 主要硬件CPUCPU存儲器存儲器主板主板探訪秘密基地：主板探訪秘密基地：主板 CPU 底座 內(nèi)存插槽 芯片組，運(yùn)算量大， 因此安裝散熱片 各種接口 PCI 插槽 ROM CMOS 電池 硬盤、光驅(qū)等 設(shè)備的 SATA 接口 PCI-E X16 顯卡插槽 PCI-E X1 插槽 主板上的芯片組主板上的芯片組:如如Intel 865/875/925系列系列 南橋芯片：南橋芯片：主要負(fù)責(zé)I/O接口控制、IDE設(shè)備（硬盤等）控制以及高級能源（硬盤等）控制以及高級能源管理等；北橋芯片：北橋芯片：負(fù)責(zé)與CPUCPU的聯(lián)系并控制內(nèi)存、的聯(lián)系并控制內(nèi)存、PCIPCI數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在北橋內(nèi)

18、部傳輸，由于北橋芯片的發(fā)熱量較高，所以芯片上會裝有散熱片。 CPU 前端總線 FSB 顯卡 SATA 適配卡 外設(shè) A 內(nèi)存 PCI-E USB 等接口 硬盤 PCI 十大主板品牌榜中榜十大顯卡品牌榜中榜（詳見第九章）總線總線微機(jī)的硬件由微機(jī)的硬件由CPU、存儲器存儲器、輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備構(gòu)成；構(gòu)成；輸入輸入/輸出設(shè)備通過輸出設(shè)備通過I/O接口接口與系統(tǒng)相連；與系統(tǒng)相連； 各部件通過各部件通過總線總線連接。連接。存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設(shè)設(shè)備備I/O接接口口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設(shè)設(shè)備備CPU總線分類總線分類地址總線地址總線

19、: :傳輸?shù)刂沸畔鬏數(shù)刂沸畔?shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線: :傳輸數(shù)據(jù)信息傳輸數(shù)據(jù)信息控制總線控制總線: :傳輸控制信息傳輸控制信息內(nèi)部總線：連接內(nèi)部總線：連接CPU的各個(gè)組成部件（芯片內(nèi)部）的各個(gè)組成部件（芯片內(nèi)部）系統(tǒng)總線：連接計(jì)算機(jī)中各大部件系統(tǒng)總線：連接計(jì)算機(jī)中各大部件:PCI/AGP/PCI-E:PCI/AGP/PCI-E外部總線：連接計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備外部總線：連接計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備連連接接對對象象傳傳輸輸對對象象總線工作示意圖總線工作示意圖1.CPU通過控制總線控制總線發(fā)出讀（讀（R R）信號）信號2.當(dāng)CPU需要存儲在內(nèi)存地址位為M1的數(shù)據(jù)時(shí)，它就通過地址總線發(fā)出請求地址總線發(fā)出請求3. 存

20、儲器將內(nèi)存地址存地址M1M1的數(shù)據(jù)取的數(shù)據(jù)取出4. 總線將各位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送到數(shù)據(jù)總線傳送到CPUCPU請結(jié)合內(nèi)存的“讀”和“寫”操作加深對總線的理解系統(tǒng)總線PCI插槽PCI（外設(shè)部件互連）常用于圖形卡、聲卡、網(wǎng)卡。最大數(shù)據(jù)傳輸率為 266MB/s PCI-E（3GIO），是由英特爾提出的，代表下一代I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。最大數(shù)據(jù)傳輸率為 10GB/s PCI-E插槽主板上的接口部分主板上的接口部分連接數(shù)碼攝像機(jī)和外部硬盤等掃描儀、硬盤驅(qū)動器、CD- ROM 驅(qū)動器、磁帶備份設(shè)備等鼠標(biāo)或調(diào)制解調(diào)器打印機(jī)、外接CD- ROM 驅(qū)動器、外接硬盤驅(qū)動器、磁帶備份設(shè)備等串行串行DB-9并行并行DB-25M鼠標(biāo)、鍵盤、閃存、鍵盤、游戲桿等USBIEEE 1394VGA DB-15SCSI C-50F顯示器電源插口鍵盤端口DB-9串行端口MIDI/操縱桿端口網(wǎng)絡(luò)端口顯