[第3课]计算机基础ppt课件

.,NOIP辅导之,计算机基础,.,复习回顾,.,1.1信息的数字化表示,计算机中的各种信息用数字代码表示用二进制数字代码表示数值的大小10001001负数表示-9用数字编码表示中、西文字符01000001表示AASCII码41H01000010表示BASCII码42H用数字代码表示图像例：用1表示一个亮点，用0表示一个暗点,.,1.1计算机的基本概念,计算机：是一种能够存储程序，能够自动连续地执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的快速工具。运算分为：算术运算和逻辑运算两大类。计算机采用存储程序工作方式。,ENIAC是世界上第一台电子计算机，它在1946年诞生于美国宾夕法尼亚的费城大学。ENIAC共使用了18800个真空管，重达30吨，占地面积1500平方英尺，每当这个庞然大物工作时都至少需要200KW电力。ENICA的主频为0.1MHz，但这对于完成它的本职工作计算弹道轨迹，已经富富有余。,为了指示计算，ENIAC用了6000多个开关和配线盘。每当进行不同的计算时，科学家们就要切换开关和改变配线（那时科学家看来是个体力活）。后来美国数学家冯诺依曼提出了解决之道，这就是“程序存储方式”。通俗地说“程序存储方式”是把原来通过切换开关和改变配线来控制的运算步骤，以程序方式预先存放在计算机中，然后让其自动计算。在以后的日子中，计算机的发展正是沿着“程序存储方式”这一光辉道路前进的。,.,世界上第一台通用计算机ENIAC,17468个电子管，60000个电阻，10000个电容器，6000个开关组合，耗电150千瓦，占地160m2,重达30吨，耗资45万美元。,.,一.计算机的发展史,.,.,.,.,Pentium4Willamette核心照片,.,二.计算机的特点,1、运算速度快：2、运算精度高：3、通用性强：4、具有记忆和逻辑判断能力：5、自动控制能力：,.,三、计算机的分类,20世纪80年代以前，人们按照功能大小、体积、价格等因素将计算机分为微型机，小型机、大中型机和巨型机。现有人建议，按照CPU的数量来分类，即单机系统，多机系统，大规模并行处理系统。,.,我国的计算机发展情况,我国从1956年开始计算机的科研和教学工作；1960年我国第一台自行设计的通用电子计算机107机诞生；1964年我国研制成大型通用电子计算机119机；1983年每秒运行一亿次的银河巨型计算机在国防科技大学诞生；1992年研制成功每秒运行10亿次的“银河”巨型计算机；1997年又研制成功每秒运行130亿次的“银河”巨型计算机；我国较有名的微型计算机品牌有：“联想”、“长城”、“方正”等；,.,四.与计算机相关的几个重要人物,艾伦图灵（AlanTuring）英国科学家，他是计算机人工智能技术的鼻祖。1937年他提出了能思考的计算机图灵机的概念，推进了计算机理论的发展。图灵机模型是一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数，是实现机器人的最基本的一个理论模型。1950年，艾伦图灵发表题为计算机能思考吗的论文，设计了著名的图灵测验，解决了如何判定机器人是否具有同人类相等的智力的问题。,冯诺依曼（JohnVonNeumann）1945年，他写了一篇题为关于离散变量自动电子计算机的草案的论文，第一次提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念。这成为所有现代计算机的基础理论，被称为“冯诺依曼结构”。如今，各式各样的电脑无论看起来差别多大，实质上绝大多数是属于冯诺依曼结构的。,.,五.与计算机相关的几个重要人物,高登摩尔（GordonMoore）“每过18个月，计算机芯片依赖的集成电路由于内部晶体管数量的几何级数的增长，而使性能几乎提高一倍，同时集成电路的价格也恰好减少为原来的一半。”这就是计算机界著名的摩尔定律，他的发明人就是高登摩尔。1968年他与罗伯特诺伊斯一起率领一群工程师创建了一家叫集成电子的公司，简称“Intel”，这就是当今名震世界的英特尔公司。,专家们预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，半导体晶体管将不再可靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个40年继续有效。不过，纳米材料、相变材料等新进展已经出现，有望应用到未来的芯片中。到那时，即使“摩尔定律”寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。,.,六.存储程序工作方式,冯诺依曼计算机的核心思想：采用二进制代码表示数据和指令采用存储程序工作方式，即事先编制程序，实现存储程序，自动连续地执行程序。由存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备等五大部件组成计算机硬件系统。,事先编制程序事先存储程序自动、连续地执行程序,（现在编程时，通常合二为一）,.,六.存储程序工作方式,计算机中的信息可以分为控制信息、数据信息。控制信息流：随着程序的逐步执行，依次取出的指令代码序列，以及在此基础上产生的微命令等，就成为控制信息流。它们是控制计算机工作的有关信息。数据信息流：依据指令要求依次取出的数据，以及运算处理的结果等，成为数据信息流。它们是计算机加工处理的对象。,.,七.计算机系统的硬、软件组成,计算机系统,硬件,软件,运算器控制器存储器（内存储器、外存储器）输入设备（如：键盘、鼠标、扫描仪等）输出设备（如：打印机等）,中央处理器CPU,主机,系统软件（操作系统、编译、解释程序）,应用软件,外设,.,.,7.1CPU概述,CPU（CentralProcessingUnit）即中央处理器，是硬件系统的核心部件，负责读取并执行指令。运算器：进行指定的算术或逻辑运算，结果送回主存储器或暂存在CPU内的寄存器中。控制器：控制整个系统工作。,.,7.1.2CPU主流产品,1.INTEL公司赛扬（Celeron）奔腾（Pentium）酷睿（Core）至强（Xeon）安腾（Itanium）2.AMD公司（超威电子）皓龙（Opteron）羿龙（phenom）速龙（Athlon64）炫龙（Turion64）闪龙（Sempron64）,.,7.1.3CPU的重要性能指标主频电脑的脉搏,主频:也叫时钟频率，单位是Hz，用来表示CPU的运算速度电脑中有许许多多的半导体芯片，每个芯片都是在特定的时钟频率下进行工作的。时钟发生器提供给芯片的时钟信号是一个连续的脉冲信号，而脉冲就相当于芯片的脉搏，每一次脉冲到来，芯片内的晶体管就改变一次状态，让整个芯片完成一定任务。所以，主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度.频率用f表示，基本单位为“1次秒”，记做Hz（赫兹）。1Hz就是每秒一次，10Hz是每秒10次(图1)。不过，Hz这个单位在电脑里面太小了，因此通常以KHz、MHz或GHz来表示信号频率。随着频率的攀升，若干年以后恐怕需要使用THz作为频率的单位了简单的说：主频表示了这个CPU一秒钟能执行多少条指令。那么，主频越大，表示这台计算机的运算能力越_?EG1:奔腾/166表示CPU的型号为（奔腾），工作时的时钟频率为（166MHz），即一秒钟内发出（166*10242）次振荡脉冲。,频率过低造成设备性能低下，相反，如果频率过高则会造成设备工作不稳定，甚至彻底罢工。平时我们在对显示芯片和显存进行超频之后，显示画面出现花屏就属于典型案例,EG2:IntelP4C2.4GHz,以上数据中，2.4GHZ代表了这个CPU的_,.,7.1.4、CPU的字长,字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节，字节是一种存储容量单位。而，字长是CPU处理能力的一种标准，字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。,1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，字长4位，四位微处理器.1978年，英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器1985年,英特尔生产出32位字长处理器80386目前：市场上主流的cpu的字长几乎都达到了64位。如,.,7.1.5高速缓存CacheCPU的办公桌,缓缓冲，缓解作为核心的CPU处理数据的速度极快，内存跟不上，怎么办？缓存来帮忙缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说，CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。缓存的作用：1.预读取；2.临时存储数据；3.暂存运算结果,EG:在“奔腾”机主板上的Cache存储器的作用是（）A提高硬盘与主存之间的传送速度B提高软盘与主存之间的传送速度C提高CPU与显示器之间的传送速度D提高CPU与主存之间的传送速度,.,为什么CPU能够控制一个庞大而复杂的电脑系统呢？这是因为cpu中集成了的指令集。所谓指令集，就是cpu中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的cpu在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集cisc和精简指令集risc两部分，,7.1.6指令集CPU的帅令,4下列说法中，错误的是()。A)程序是指令的序列，它有三种结构：顺序、分支和循环。B)地址总线决定了中央处理器CPU所能访问的最大内存空间的大小。C)中央处理器CPU内部有寄存器组，用来存储数据。D)不同厂家生产的CPU所能处理的指令集不一定相同。E)数据传输过程中不可能会出错。,.,7.2存储器概述,存储器：具有记忆功能的物理器件，用于存储信息。存储器分为内存和外存内存是半导体存储器(主存）：它分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)和高速缓冲存储器（Cache)；ROM:只能读，不能用普通方法写入，通常由厂家生产时写入，写入后数据不容易丢失，也可以用特殊方法（如紫外线擦除（EPROM)或电擦除(EEPROM_)存储器)；RAM:可读可写，断电后内容全部丢失；Cache:因为CPU读写RAM的时间需要等待，为了减少等待时间，在RAM和CPU间需要设置高速缓存Cache,断电后其内容丢失。外存：磁性存储器软盘和硬盘；光电存储器光盘，它们可以作为永久存器；存储器的两个重要技术指标：存取速度和存储容量。内存的存取速度最快(与CPU速度相匹配)，软盘存取速度最慢。存储容量是指存储的信息量，它用字节(Byte)作为基本单位，,.,7.2.1内存储器,2、主存储器用半导体存储器构成，工作速度较高，有一定的存储容量。用来存入需要执行的程序及需要处理的数据，能由CPU直接读出和写入。划分为许多单元，通常每个单元存入8位，称为一个字节。每个单元都有一个相应的编号，称为地址。,20000H,01000001,地址码,程序或数据,.,7.2.2外存储器,3、外存储器用来存放那些需要联机存放，但暂不执行的程序和数据，当需要运行它们时再由外存调入主存。容量大，速度要求比主存低。按照文件进行组织，一个文件常分解为若干数据块。,.,7.2.3存储器分级,快速而强大的CPU需要快速轻松地存取大量数据才能实现最优性能。如果CPU无法获得所需要的数据，则只能停下来等待这些数据。运行速度约为1GHz的现代CPU可以处理大量的数据每秒处理的数据有望达到数十亿字节。然而，计算机设计者所面临的难题是能够匹配1GHz的CPU的存储器非常昂贵而这些大量昂贵存储器的费用远非人们可以负担。聪明的计算机设计者采用“分级”存储器的方法解决了这一成本问题使用少量的昂贵存储器并辅以大量较便宜的存储器。存储器的分级可示意为:CPU-Cache-内存-硬盘存储对不同层级的储存器,CPU有着不同的访问速度:L1缓存（10纳秒）L2缓存（大约20到30纳秒）主存储器（大约60纳秒）硬盘（大约12毫秒）,.,各存储器速度比较,综上所述速度从快到慢次序为：寄存器（与CPU主频相同）高速缓存（CACHE，内存的一种）内存（RAM和ROM）硬盘光盘软盘,例：CPU访问内存的速度比访问下列哪个存储设备要慢（）A）寄存器B）硬盘C）软盘D）磁带E）光盘（第九届初赛试题）,.,7.3I/O设备,输入/输出设备计算机系统大多配备了键盘、鼠标、显示器、打印机等常规输入/输出设备，有的系统还配备了图形及声音输入设备。输入设备用来将计算机外部的信息输入计算机。输出设备将计算机的处理结果以我们能看得懂的形式输出。显示器被称为软拷贝设备。（关机后显示信息将丢失）打印机被称为硬拷贝设备。（信息打印后可长期保存）,.,7.4总线通信通道,总线总线：是指一组能为多个部件分时共享的信息传输线。将CPU、主存、多台I/O设备连接成整机系统。分时共享（某一时刻只能有一个部件或设备向总线发送数据，但总线上的数据可以同时向几个部件发送。）系统总线可以分为三组：地址总线、数据总线、控制总线。,.,7.5接口,在系统总线与I/O设备之间设置一些逻辑部件，约定它们之间的界面，这种逻辑部件叫做I/O接口。（在微型计算机中有称为适配卡，使标准的系统总线与各种类型的设备相连接。）,.,7.4常见计算机硬件系统结构,系统总线,CPU,主存,I/O设备,接口,I/O设备,接口,.,八.计算机软件系统,软件就是程序，它规定着计算机如何去完成某个任务，是某种算法的体现。系统软件（一组使计算机良好运行而编制的基础软件，是计算机系统的一部分）1、操作系统：负责管理和控制计算机系统硬、软资源及运行的程序，它合理地组织计算机的工作流程，是用户与计算机之间的接口，为用户提供软件开发环境和运行环境。如：WINDOWS、Netware、Unix、linux等）,.,八.计算机软件系统,2、编译、解释程序机器语言：机器内部使用、用数字代码表示的指令代码，面向某一特定的机型。可有硬件直接识别并执行。汇编语言：是一种用符号表示的，面向某一特定机型的程序设计语言，它的指令语句与机器指令一一对应。高级程序设计语言：是面向用户与特定机器属性想分离的程序设计语言，具有通用性。语言的处理方式有两种类型：解释、编译。,.,2、编译、解释程序解释方式是边解释边执行，如BASIC语言，支持人机对话方式的程序设计，可以边执行边修改，所需主存空间较小，但执行速度较慢。编译方式是将源程序代码输入计算机后，先启动执行相应的编译程序，将源程序全部翻译成机器语言的指令序列，称为目标程序（目标代码），执行时，计算机将直接执行目标程序，不再需要源程序与翻译程序。执行速度快。汇编和反汇编、编译和反编译将一种程序设计语言的源程序转换为不同机器语言的目标程序，需要不同的编译程序或解释程序。（在Pentium上与在Alpha上使用需要使用不同的C语言的编译程序。）,八.计算机软件系统,.,3、各种软件平台为了方便用户，常将在开发及运行过程中所需的各种软件集成为一个综合的软件系统，称之为软件平台。数据库管理系统、多媒体制作平台、中文处理软件平台等应用软件用户在各自应用领域中为解决各类问题而编写的程序。是直接面向用户需要的一类软件。科学计算类、工程设计类、数据处理类、信息管理类、自动控制类等。,八.计算机软件系统,.,从功能角度而言，系统软件是负责系统调度管理，提供系统开发环境和运行环境，向用户提供各种服务的一类软件；而应用软件是用户在各自应用领域中为解决各类问题所编写的程序。从配置角度而言，系统软件是用户购置的系统资源之一，而应用软件是用户自身开发的，直接面向应用需要的程序。,八.计算机软件系统,.,九.影响计算机性能的重要指标,运算速度（1）CPU时钟频率与主频计算机中有一个震荡器，它的输出经整形后形成全机最基本的脉冲序列。主频脉冲分频后形成时钟脉冲序列。主频是时钟脉冲的整数倍。绝大多数微机采用主频值作为速度指标。主存储器容量（1）字节数,.,1.4数字计算机的特点与性能指标,1.4.2计算机的性能指标外存容量一般指联机的外存容量，以字节数表示。配置的外围设备及其性能外围设备的配置情况也是影响系统性能的重要因素。一般在系统的技术说明书中给出允许配置及典型配置的规格。除了要考虑系统的性能外，还要考虑自己的需要和支付能力，以求二者之间的最佳结合。系统软件配置理论上计算机可以无止境地扩充其软件，但购置系统软件时需要考虑所需的硬件支持。,.,1.5计算机的发展与应用,1.5.2计算机应用举例科学计算信息管理中的数据处理科技工程中的数据处理自动控制计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），计算机模拟，计算机辅助教学（CAI）人工智能,.,实例1,1、美籍匈牙利数学家冯诺依曼对计算机科学发展所做出的贡献是（）。提出理想计算机的数学模型，成为计算机科学的理论基础。是世界上第一个编写计算机程序的人。提出存储程序工作原理，并设计出第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC。采用集成电路作为计算机的主要功能部件。指出计算机性能将以每两年翻一番的速度向前发展。（第十届全国青少年信息学奥林匹克联赛初赛试题普及组Pascal语言）,.,实例2,3、图灵(AlanTuring)是()。A)美