计算机系统基础知识课件

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1、1,第1章 计算机系统基础知识,1.1 概述 1.2 计算机系统的组成及基本工作原理 1.3 计算机硬件系统 1.4 计算机软件系统 1.5 计算机系统的多级层次结构 1.6 计算机系统的选购,2,1.1 概述,1.1.1 计算机的发展史 图灵、香农 1936年，英国数学家图灵（Alan M Turing）提出了一种描述计算步骤的数学模型。 机器需要： 存储器，用于贮存计算结果； 一种语言，表示运算和数字； 扫描，得到输入的内容； 计算意向，即在计算过程中下一步打算做什么； 执行下一步计算。,3,1.1 概述,1938年后，美国数学家香农证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造

2、计算机，为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。,4,1.1 概述,2. ENIAC 1946年，美国陆军军械部和宾夕法尼亚大学合作设计成功了世界上第一台电子计算机，简称为ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator)，它占地170平方米，重达30吨，由18800个电子管和5000个继电器组成，功率150Kw，运算速度5000次/秒。,5,第一台计算机：1946，ENIAC,重达30吨 启动电力150千瓦 18000个电子管 保存

3、80个字节 占地170平方米,6,1.1 概述,3。计算机发展的四代 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 大规模集成电路计算机,7,计算机发展史,第一代 （19461956） 电子管 5千4万（次/秒）,第二代 （19571964） 晶体管 几十万百万（次/秒）,第三代 （19651970） 集成电路 百万几百万（次/秒）,第四代 （1971 ） 大规模集成电路 几百万几亿（次/秒）,8,1.1 概述,1.1.2 微型计算机的发展史 第一阶段：19711973年，微处理器有4004、4040、8008。 第二阶段：19731977年，微处理器有8080、8085、M6800、Z80等。

4、 第三阶段：19781983年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器有8086、8088、80186、80286、M68000、Z8000等。 第四阶段：从1983年开始至今，这一阶段为32位微型计算机的发展阶段。 2003年开始有相关厂商推出了采用64位处理器的电脑，到了2005年后，64位处理器的生产技术日趋成熟且性价比大幅下降，因此当今社会正步入64位机时代。,4位机 8位机 16位机 32位机 64位机,9,1.1 概述,1.1.3 计算机在中国的发展情况 第一台国产电子计算机JS-1 银河系列计算机 曙光 系列计算机 联想系列计算机 浪潮系列计算机,10,1.1 概述,1.1.4 计

5、算机的分类和特点（分类） 按数据的表示形式分类 电子模拟计算机 电子数字计算机 按计算机的用途分类 专用计算机 通用计算机 按计算机的规模分类 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（微机）和单片机等类型,11,1.1 概述,1.1.4 计算机的分类和特点(特点）, 运算速度快, 精确度高, 有记忆能力, 有逻辑判断能力, 能在程序控制下自动进行工作,12,1.1 概述,1.1.5 计算机的应用 科学计算 信息处理 过程控制 计算机辅助工程 计算机辅助设计 （CAD） 计算机辅助制造 （CAM） 计算机辅助教学（CAI） 人工智能 计算机网络和电子商务 智能家电 虚拟现实,13,计算机与信息技

6、术的发展和展望,信息技术（Information Technology，简称IT）主要包括计算机技术、通信技术、微电子技术、传感技术、多媒体技术、网络技术、无线电技术。其中通信技术、微电子技术、计算机技术是信息技术的核心。21世纪，计算机和网络技术在社会的各方面得到广泛应用，并改变着人们的工作、学习和生活方式。,14,信息技术的发展趋势及展望,1电话网、有线电视网，计算机网（主要指因特网）“三网合一”将成为信息技术发展的必然。 2数字化将是21世纪的核心任务。 321世纪的管理模式将会主要演变为网上管理模式。 4教育体制即将发生革命性的改变。 5在21世纪，信息技术的发展将进入后PC时代。 即

7、：将微电子技术、微处理器技术等应用到所有的家用电器上。,15,未来新型计算机,摩尔定律,每18-24个月芯片能力增长一倍。,16,未来新型计算机,计算机问世50多年来，运算速度已提高了约10亿倍。在最新一代芯片中，晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.18微米，是人发的1500。按照摩尔定律，芯片制造商大约每18个月就会把挤在指甲壳那么大的硅片里的晶体管数量增加一倍。但是物理学定律认为，这种成倍增长的速度不会永远持续下去。 科学家预言，除了用电子器件构成计算机外，还可用其它器件来制成计算机，未来将出现光计算机、生物计算机、超导计算机、量子计算机和神经计算机等。,17,1.2 计算机系统的

8、组成及工作原理,1.2.1 计算机系统的组成,18,1.2 计算机系统的组成及工作原理,1.2.2 计算机的基本工作原理,19,1.2 计算机系统的组成及工作原理,1.2.2 计算机的基本工作原理 基于冯诺依曼体系结构的计算机的特点 采用二进制的表示形式表示数据和程序； 采用存储程序方式； 计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成，以运算器为中心，数据的运算、输入输出设备与存储器之间的数据传送都通过运算器进行。,20,1.2 计算机系统的组成及工作原理,构成计算机的五大部件： 运算器：是计算机的执行部件，通过完成算术运算、逻辑运算，实现对数据的加工和处理。 控制器：是计算

9、机的指挥和控制中心，用于控制计算机的各个部件的协调工作。 存储器：是计算机的存储部件，用于存放程序和数据 输入设备：将各种不同类型的外部信息转换成一定的数据格式后送入主机系统的设备 输出设备：将计算机的处理结果转换成外部世界可以接收的形式的设备。,21,1. 指令 让计算机完成某个操作发出的命令。,操作码,操作数,2. 程序 有序的指令集合。 3. 指令的执行 取指周期：,内存,指令,执行周期：,控制信号,有关部件动作,CPU译码,CPU,4. 程序的执行 CPU不断地取指令，执行指令。,返回,1.2 计算机系统的组成及工作原理,22,1.2 计算机系统的组成及工作原理,1.2.3 指令和指令

10、系统 指令是指挥机器工作的指示和命令，一系列指令按一定顺序排列就构成了程序 ,指令是由操作码和地址码两部分组成； 操作码是用来指明该指令所要完成的操作,其位数反映了机器的操作种类,其长度可固定也可不固定。 地址码用来指出该指令的源操作数的地址、结果的地址以及下一条指令的地址 指令字长取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。不同机器的指令字长是不相同的,23,1.2 计算机系统的组成及工作原理,1.2.3 指令和指令系统 指令的分类与寻址方式 算术逻辑运算指令 浮点运算指令 位操作指令 其他指令,24,1.2 计算机系统的组成及工作原理,1.2.3 指令和指令系统 指令系统 一台

11、计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令系统的优化设计有两个截然相反的方向，即CISC和RISC。 RISC指令系统是CISC指令系统的改进，主要特点是： 指令条数少； 指令长度固定，指令格式和寻址种类少； 只有取数存数指令访问存储器，其余指令的操作均在寄存器之间进行。,25,1.3 计算机硬件系统,微机基本结构：显示器、键盘和主机,26,1.3 计算机硬件系统,CPU运算器控制器 主机CPU主存储器总线输入/输出接口 计算机系统中广泛采用总线将五大部件联系起来。 将各种不同类型的外部信息转换成一定的数据格式后送入主机系统的设备称做输入设备 将计算机的处理结果转换成外部世界

12、可以接收的形式的设备称做输出设备。,27,1.3 计算机硬件系统,主机的内部构造 机箱和电源 主板 CPU 存储器,28,1.3 计算机硬件系统,1.3.1 机箱和电源,29,1.3 计算机硬件系统,1.3.2 主板,30,1.3 计算机硬件系统,1.3.3 CPU（运算器和控制器）,31,1.3 计算机硬件系统,1.3.4 存储器,8位(bit)一个字节(Byte)，每个字节都有地址。 换算关系为： 1B=8b 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB,32,1.3 计算机硬件系统,1.3.4 存储器,33,1.3 计算机硬件系统,1.3.4 存储

13、器,内部存储器 访问速度快 信息暂时性 相对价格高 存储容量小,外部存储器 访问速度慢 信息永久性 相对价格低 存储容量大,34,1.3 计算机硬件系统,1.3.4 存储器,1 内部存储器 （1）随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) RAM通常指计算机主存，使用动态随机存储器，制作成内存条形式出现。 CPU对它们既可读出又可写入数据。 （2）只读存储器(Read only Memory，简称ROM) CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。 （3）高速缓冲存储器Cache 是介于CPU和内存之间的一种可

14、高速存取信息的芯片，用于解决它们之间的速度冲突问题，,35,1.3 计算机硬件系统,2外部存储器 （1）软盘 用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成 读写软盘时，磁头直接接触盘面。 常用软盘容量为1.44MB 新型磁盘具有100MB250MB容量,36,1.3 计算机硬件系统,2外部存储器 （2）硬盘 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成 读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面 硬盘容量视具体类型而定,37,1.3 计算机硬件系统,2外部存储器 （3）光盘 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速率= 150KB/秒 常用： 只读型光盘CD-ROM 一次性可写

15、入光盘CD-R，需要光盘刻录机完成数据的写入 后继产品DVD-ROM，DVD-ROM一倍速率是1.3MB/秒,普通光盘,刻录光盘,38,1.3 计算机硬件系统,2外部存储器 （4）优盘 优盘是一种使用FLASH芯片作为存储介质的一种移动存储设备，通常使用USB接口连接，并且不需要长期安装在计算机上，只是在需要的时候插入到相应的USB接口就是，具有容量大，重量轻，体积小，稳定性好的特性。,39,1.3 计算机硬件系统,1.3.5 总线和接口 总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质 按传输方式分为并行传输总线和串行传输总线 按总线使用范围可分为计算机总线、测控总线、网络通信总线等

16、按照其功能及传输信息的种类可分为：数据总线、地址总线和控制总线 按照总线所连部件的不同，可分为：片内总线、系统总线、通信总线。,40,1.3 计算机硬件系统,微型计算机三总线结构图,41,1.3 计算机硬件系统,1.3.5 总线和接口,42,1.3 计算机硬件系统,1.3.5 总线和接口,扩展插槽,43,1.3 计算机硬件系统,1.3.5 总线和接口,I/O接口(a),44,1.3 计算机硬件系统,1.3.5 总线和接口,I/O接口(b),45,1.3 计算机硬件系统,1.3.6 计算机的输入/输出设备,输入设备,输出设备,处理结果,数字、字符、图像、声音,46,1.3 计算机硬件系统,1. 输出设备 计算机的输入设备按功能可分为下列几类： 字符输入设备：如键盘； 光学阅读设备：如光学标记阅读机，光学字符阅读机； 图形输入设备：如鼠标器、操纵杆、光笔； 图像输入设备：如摄像机、扫描仪、传真机； 模拟输入设备：如语言