第4章 计算机系统

1、主讲：何宜军主讲：何宜军2022-5-8Management Information Systems（5e）经济与管理系经济与管理系4.1 计算机的发展计算机的发展 计算机的创始与发展（现代史） 1945年, 美国数学家冯冯.诺依曼诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制二进制表达方式和存储程序存储程序控制计算机构想。 1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC,重30吨，耗电150kW，占地170平米，造价40万美元，用电子管18000个，每秒5000次加法。ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑(2000) 电子计算机的发展简史 第一代 电子管时代(19

2、46-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1959-1963) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言、体积小 第三代 中小规模集成电路时代(1964-1979) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1979至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律摩尔定律，集成电路大体上每18个月翻一番。4.1 计算机的发展计算机的发展4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 1.计算机的分类（1） 根据用户需求及一些技术特征 微型计算机 小型计算机

3、主干计算机 根据应用 主干计算机 网络服务器 工作站注意注意微型机计算能可能超过小型机，而某微型机计算能可能超过小型机，而某些小型机的能力超过主干计算机。些小型机的能力超过主干计算机。 计算机的六大分类（2） 巨型机 世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成。Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III。 小巨型机 功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速。美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源。代表产品有IBM360，370，4300等。4.1.2 计算机的分类及应用计算

4、机的分类及应用 2008年，曙光年，曙光5000“魔方魔方”，实现峰值速度实现峰值速度230万亿次万亿次、值值180万亿次。作为面向国民经济建设和社万亿次。作为面向国民经济建设和社会发展的重大需求的网格超级服务器，曙会发展的重大需求的网格超级服务器，曙光可以完成各种大规模科学工光可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。程计算、商务计算。 2009年年10月月29日，中国首台日，中国首台千万亿次千万亿次超级计算机超级计算机“天河一号天河一号”诞生。这台计算诞生。这台计算机每秒机每秒1206万亿次的峰值速度和每秒万亿次的峰值速度和每秒563.1万亿次的实测性能，万亿次的实测性能，使中国成为继美国

5、之后世界上使中国成为继美国之后世界上第二个第二个能够能够研制千万亿次超级计算机的国家。研制千万亿次超级计算机的国家。 “天河一号天河一号”安装了由国防科技大学自安装了由国防科技大学自主研制的主研制的“天河天河”高性能高性能CPU芯片，全系芯片，全系统的整体计算处理能力大幅提升，在信息统的整体计算处理能力大幅提升，在信息安全方面有更强的技术保障。安全方面有更强的技术保障。 我国巨型计算机我国巨型计算机“天河一号天河一号”超级计算机超级计算机 “天河二号天河二号”天河天河2由由16000个浪潮的节点组成，每个个浪潮的节点组成，每个节点有节点有2颗基于颗基于Ive Bridge-E Xeon E5

6、2692处理器和处理器和3个个Xeon Phi,累计共有累计共有32000颗颗Ive Bridge处理器和处理器和48000个个Xeon Phi,总计有总计有312万个计算核心万个计算核心。 世界巨型计算机世界巨型计算机 根据TOP500组织2009年11月18日发布的一年两度的全球最高性能计算机系统榜单，基于AMD六核皓龙处理器的“Jaguar”（美洲豹美洲豹）系统成为全球最强大的超级计算机全球最强大的超级计算机。安置在美国橡树岭国家实验室的关键任务型Cray XT5系统最近从AMD四核皓龙处理器升级到AMD六核皓龙处理器，可提供每秒2.3千万亿千万亿次浮点运算的理论峰值性能，在Linpac

7、k基准测试中可提供每秒1.75千万亿次浮点运算的性能。 由国防科技大学计算机学院研制的我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”名列全球第五、亚洲第一 。“Jaguar”（美洲豹） -Cray XT5系统 世界巨型计算机世界巨型计算机 新华网华盛顿新华网华盛顿2010年年11月月14日电（记者日电（记者 任海军毛磊）任海军毛磊）国际国际TOP500组织组织14日在网站上公布了最新全球超级计算机日在网站上公布了最新全球超级计算机前前500强排行榜，中国首台千万亿次超级计算机系统强排行榜，中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一天河一号号”（天河天河-1A系统系统 ）雄居第一。）雄居第一。 “天河一

8、号天河一号”由国防科学技术大学研制，部署在国家超级由国防科学技术大学研制，部署在国家超级计算天津中心，其实测运算速度可以达到每秒计算天津中心，其实测运算速度可以达到每秒2570万亿次。万亿次。 美国橡树岭国家实验室的美国橡树岭国家实验室的“美洲虎美洲虎”超级计算机此前排名超级计算机此前排名第一，在新榜单中，其排名下滑一位。第一，在新榜单中，其排名下滑一位。“美洲虎美洲虎”的实测运的实测运算速度可达每秒算速度可达每秒1750万亿次。万亿次。 排名第三的是中国曙光公司研制的排名第三的是中国曙光公司研制的“星云星云”高性能计算机，高性能计算机，其实测运算速度达到每秒其实测运算速度达到每秒1270万亿

9、次。万亿次。 新华社称，天津市气象局和中海油新华社称，天津市气象局和中海油(CNOOC)已开始试用已开始试用这台新型超级计算机。这台新型超级计算机。 计算机的六大分类（2） 小型机 可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 工作站 用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 微型机 个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 2.微型计算机及其应用（1）个人计算机（personal computer，PC) 功能特点 价格低、数学

10、运算、CAD、图形、图像、多媒体 应用领域 文字处理 决策支持 数据库管理 绘图 通信 应用开发 工程 个人与家庭使用4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 2.微型计算机及其应用（2）移动计算机 功能特点 便携、体积小、液晶屏、稳定 应用领域 移动办公 PC的功能4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 2.微型计算机及其应用（3）网络计算机(network computer,NC) 功能特点 局域网，只需一台PC，一个键盘、一个屏幕等设备 便于集中管理与更新 应用领域 无盘网吧 企业局域网 证券、保险、财务、零售业4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 2.微型

11、计算机及其应用（4）超级计算机(super computer) 功能特点 精密 功能强大 价格高 并行处理 多CPU 应用领域 科学与军事研究 航空航天 石油 气象预测4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 3.小型计算机及其应用 功能特点 介于主干计算机与微型计算机之间 操作简单，无需专家 应用领域 科学研究 建设系统 工程分析 工业控制 CAM 部门或办公室4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 4.主干计算机及其应用 功能特点 性能比小型机、微型机强 多CPU 处理速度快 应用领域 大规模集团 股市证券 网站服务器 电子商务网站服务器4.1.2 计算机的分类及应用计算

12、机的分类及应用 计算机的应用领域 科学研究计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算 过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制 辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD，建筑CAD，CAE，CAM，CAI 数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总、办公自动化 智能模拟 人工智能、专家系统、自学习4.1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 体积更小 速度更快 性能更强 更可靠 购买和维护成本更低4.1.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势联想最新联想最新ideacentre B5 系列系列“一体机一体机”￥3899 ￥7150 联想最新联想最新ideacentre A

13、6 系列系列“一体机一体机”￥4999 ￥10999 北京时间2010年01月28日凌晨2点，苹果公司在美国旧金山正式推出平板电脑iPad，苹果iPad分别有支持WIFI和支持WIFI+3G两张版本，存储容量分别为16GB、32GB和64GB三种，其中最便宜的WIFI版16GB容量的iPad售价仅为499美元，并于2月后全球销售。 苹果苹果iPad主要参数：主要参数： 1、处理器苹果A4处理器1GHz主频 2、存储空间，分为16G、32G、64GB 3、屏幕9.7英寸IPS显示屏幕 4、机身大小0.5英寸厚(1.27cm)、1.5磅重(680g) 5、电池续航：10小时，最长待机可达1个月 9

14、.7英寸多点触控屏 苹果iPad平板电脑 9.7英寸多点触控屏 苹果iPad平板电脑 9.7英寸多点触控屏 苹果iPad平板电脑￥2800 ￥63004.2 计算机的运算基础计算机的运算基础4.2.1 计算机系统原理计算机系统原理1、冯、冯.诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想 计算机由计算机由运算器运算器、控制器控制器、存储器存储器、输入设备输入设备和和输出输出设备设备五部分组成。五部分组成。 采用采用存储程序存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。由指令组成的程序可以修改。 数据以数据以二进制码二进制码表示。表示。

15、指令由指令由操作码操作码和和地址码地址码组成。组成。 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序替增。 机器以机器以运算器运算器为中心，数据传送都经过运算器为中心，数据传送都经过运算器2、计算机系统基本结构（诺依曼计算机工作原理）、计算机系统基本结构（诺依曼计算机工作原理） “存储程序存储程序” + “程序控制程序控制” 要点：要点： 1以二进制表示数据和指令以二进制表示数据和指令(程序程序) 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行先将程序存入存储器

16、中，再由控制器自动读取并执行输输入入设设备备控制器控制器输输出出设设备备 CPU 存储器存储器运算器运算器ALU4.2 计算机的运算基础计算机的运算基础 计算机系统的功能： 输入 键盘、鼠标、扫描仪、光笔等 数据处理与控制 CPU是核心部件 输出 打印机、显示器等 主存储 主存储器：内存 外存储器：硬盘、光碟、磁带等 通信接口 网卡、modern等4.2 计算机的运算基础计算机的运算基础【例】数32343.43可以分解为： 31042103310241013100410 -1310 -2 数字化信息编码的概念： 信息：数值、文字、语音、图形和图像。 在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二

17、进制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。 数值的构成 一个数值各位数字（数码）表示的值不仅与该数字有关，且与所在位置有关。位权位权位权位权位权位权位权位权位权位权位权位权位权位权4.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 K进制数转换为十进制数 位权展开法【例一】将下列数值转换为十进制数 (101.01)2 (205.4)8 (AF.8)16 解： (101.01)2= 12202112002 -112-2 =(5.25)10 (205.4)8= 28208158 048 1 =(133. 5)10 (AF.8)16= 1016 1 15160816 -1 =(175. 5)10

18、【思考】以下数值中最大的和最小的分别是哪个？ (1234)8 (1234)16 (1234)5 (1234)10 (11011011)2 (219)16 (210)8 (219)10 Windows 自带计算器（科学型）适合于整数部份, 其他进制向十进制转换时，小数部分亦可用计算机求出。4.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 十进制数转换为K进制数4.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 十六进制与二进制相互转换 法则：以小数点为界，每个八进制数对应三位二进制数，每个十六进制数对应四位二进制数。 【注意】小数部分不足之处应补零 【例【例】 (2C1.D)16=(001

19、0 1100 0001. 1101)2 2 C 1 D【例【例】 (71.23)8=( 111 001 . 010 011)2 7 1 2 3 【例【例】 ( 11 0110 1110 . 1101 01)2 = (36E.D4)16 3 6 E D 44.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 二进制数的简单运算（1） 算术运算（加减乘除） 加法：逢2进1 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 （进位） 减法：借1当2 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1（借位） 乘法：加法+移位 0 * 0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 除法：减法+移位 01=0

20、 11=1 例一 1101 + 101 10010 例二 1011 101 110例三 1110 101 1110 1110 1000110例四 110 10 1100 10 100 10 04.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 二进制数的简单运算（2） 逻辑运算 与运算：都是1时才为1，运算符：AB 、AB 或 AB 或运算：都是0时才为0，运算符：AB 、AB 非运算：0变1，1变0， 运算符：A 异或运算：相异为1, 运算符：AB 例：设A=1101，B=1001，求：AB 、 AB、AB、A例一 AB AB 1101 1001 1001 例二 ABAB 1101 100

21、1 1101 例三 ABAB 1101 1011 0110 例四 A A A=00104.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 字符（数码、符号、汉字）编码BCD码（二-十进制编码） 每位十进制数码用4位二进制编码表示 如 25=(0010 0101)BCD 比较: (00100101)2 =(37)10 十进制数用BCD码表示时，不能直接用于运算或位权展开。ASCII码（美国标准信息交换码） 常用西文字符（128个）的二进制编码（P17表1-2） （注：ASCII编码的基本和扩展字符集中共有256个字符。） 每个字符用标准规定的7位二进制数表示，在机内则占一个字节（最高位为0）。

22、 如字符“A”的ASCII码为：(01000001)2 或 6510、1018、4116 字符“0”的ASCII码为：(00110000)2 或 4810、608、3016要求：会比较ASCII字符的大小（按其ASCII码值） 空格09A Z az 会推算同组字符ASCII码值， 如A的ASCII值（十进制）为654.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 字符（数码、符号、汉字）编码汉字编码（由GB2312-80规定，即国标码） 共对6763个常用汉字的二进制编码作了规定。 其中：一级汉字3755个，按拼音排序（最常用字） 二级汉字3008个，按偏旁部首排序（次常用字） 国标码规定

23、每个汉字用两个七位二进制代码表示，在机内则用两个字节表示（每个字节的最高位置为1）。 内码（机内码）与国标码的换算关系： 如汉字“啊”，国标码为： 0110000 0100001（即3021H） 内码则为: 10110000 10100001 （即B0A1H） 外码（输入码）：区位码、拼音码、五笔字型码等 汉字点阵（汉字库，用于汉字的打印或显示）占用字节数的计算： 一个AB点阵的汉字所占的字节数= AB8 点阵越大，显示精度越好。4.2.2 计算机中数据表示方法计算机中数据表示方法 存储估算【例】GB2312-80中一级汉字为3755个，如果每个汉字字模采用1616点阵，并存放在主存储器中，那么将占用存储器容量多少个字节？假设将汉字显示在屏幕上，一屏24行，每行40字，为保持一屏信息，需存储容量多少字节？ 解： （ 16168） 3755=120160字节 （ 16168） 24 40=30720字节【例】设一软盘有300kB可用空间，若使用AS