计算机逻辑基础20151013汇编

1、任课老师信息任课老师信息v董红松v办公室：实验大楼208vTel邮箱 : v参考教材：参考教材：v(1)鸟哥的Linux私房菜基础篇-第三版v(2) Linux教程，美Syed Mansoor Sarwar等著，李善平等译，清华大学出版社v(3)Linux管理基础教程（第4版），美Steve Shah等著，高新田译，清华大学出版社The benefitsv计算机等级考试v计算机与农业类专业相结合预期达到的目标预期达到的目标v计算机：辅助人脑的好工具 v主机硬件组件v数据表示方式 v软件程序运作 计算机：辅助人脑的好工具计算机：辅助人脑的好工具学习目标学习目标v了解计算

2、机相关概念v*计算机硬件的五大单元vCPU的种类v接口设备 v*计算机上面常用的计算单位 (容量、速度等)关于计算机关于计算机v什么是计算机(电脑)？v接受使用者输入指令，经由 CPU 的数学与逻辑单元运算处理后， 以产生或储存成有用的资讯。v 只要有输入设备(不管是键盘还是触摸屏)及输出设备(屏幕直接打印出来)，你可以输入数据使该机器产生信息的。v计算机的种类：v 超级电脑(Supercomputer) ：(运算速度达几兆次/秒 )运作速度最快，但是维护、操作费用也最高！主要是用于需要有高速计算的计划中。 例如：国防军事、气象预测、太空科技。.tw/v 大

3、型机(Mainframe Computer) 有数个高速CPU，功能上虽不及超级计算机，但也可用来处理大量资料不复杂运算。例如大型企业的主机、全国性的证券交易所等每天需要处理数百万笔数据的企业机构，或者是大型企业的数据库服务器等。 v迷你计算机(Minicomputer) ：支持多用户，通常用来作为科学研究、工程分析与工厂的流程管理等。 v工作站(Workstation) ：针对特殊用途而设计的计算机。工作站计算机的性能，价格比是所有计算机中较佳的，常用于学术研究和工程分析。 v微电脑(Microcomputer) 又可以称为个人计算机，体积最小，价格最低！又可分为桌上型、笔记型等。计算机硬件

4、的五大单元计算机硬件的五大单元v输入单元：例如滑鼠、键盘、读卡机等等v中央处理器(CPU)：含有算数逻辑、控制、记忆等单元v内存v输出单元：例如显示器、打印机等等 注意：主机部分：这个就是系统单元，被主机机壳保护里面有 CPU 和主存储器等； 实线部分的传输方向，数据是经过主存储器再转出去，数据流进流出内存是CPU所发布控制命令所决定。CPU实际要处理的数据完全来自主存储器 CPUCPU的种类的种类v精简指令集：每个指令运行时间都短，完成动作也单纯，指令执行效能较佳； v复杂指令集： 指令数目多而复杂， 每条指令长度不相同 。CPU内部有一些小指令集，所使用软件都要经过CPU内部微指令集来达成

5、。这些指令集设计主要又被分为两种，目前常见的两种主要CPU种类：精简指令集(RISC)，复杂指令集(CISC)系统 。接口设备接口设备v接口设备v主板：将所有设备连接在一起，所有设备能协调沟通。 主板上面最重要组件是主板芯片组，这个芯片组可以将所有设备汇集在一起 v储存设备：硬盘、软盘、光盘、磁带v显示设备：显卡显示适配器对亍玩3D游戏来说是非常重要的一环，与显示精致度、色彩分辨率都有关系； v网络设备：网卡单有CPU也无法运作计算机，所以计算机还需要其他接口设备能够实际运作。 *计算机上面常用的计算单位计算机上面常用的计算单位 (容容量、速度等量、速度等) 计算机运算能力是由速度决定，而存放

6、在计算机储存设备中的数据容量也是有单位的。 v容量单位 ：计算机依有没有通电来记录信息，所以理论上只认识 0 和1 。0/1 的单位为 bit。但 bit 太小了， 在储存数据时每个简单的数据会使用 8 个 bits 大小来记录，因此定义出 byte 这个单位，关系为： 1 Byte（b) =8 bits 同样，Byte 还是太小，在较大容量下，使用 byte 不容易判断数据大小，举例来说，1000000 bytes 你能够看得出有几个零？所以后来就有一些常见简化单位表示法，例如 K 代表 1024，M 代表 1024K 。 而这些单位在不同进位制下有不同数值表示vv底下就列出常见单位不同进位

7、制对应： 速度单位:CPU指令周期常使用 MHz 或 GHz 为单位，Hz 就是秒分之一。而在网络传输方面，由与网络使用 bit 为单位，因此网络常使用单位为 Mbps 是 Mbits per second，（单位时间内使用的数据量）亦即是每秒多少 Mbit。v视频码率（比特率）：视频文件在单位时间内使用的数据流量(每秒用多少数据量来表示），也称作数据传输速率。也可表示经过编码（压缩）后的音频数据每秒用多少比特表示。单位是bit/s(bit per second)vKbps：首先要了解的是，ps指的是/s，即每秒。Kbps指的是网络速度，也就是每秒钟传送多少个千位的信息（K表示千位，Kb表示的

8、是多少千个位），为了在直观上显得网络的传输速度较快，一般都使用kb（千位）来表示。 单位换算：v1KB/S=8Kbps（1b/s=8bit/s=8bps).ADSL上网时的网速是512Kbps,如果转换成字节，就是512/8=64KB/S(即64千字节每秒）v1kb/s=1024*8b/s=1024*8bpsv常见的160kbps的MP3文件每秒需0.01953125Mv160kbps=160*1024bps=20kb/s=20/1024M/s=0.01953125M主机与硬件组件主机与硬件组件关于计算机关于计算机v主机v指计算机用于放 置主板及其他主要部件的容器（mainframe）。v通常

9、，主机自身已经是一台能够独立运行的计算机系统。服务器等有专门用途的计算机通常只有主机，没有其他外设。 学习目标学习目标v中央处理器（CPU）v内存（RAM）v显卡（VGA card）v硬件与访问设备（hard dish）vPCI适配卡v主板（main board）v电源主板主板主机板主机板芯片集芯片集CPUVGAAPG/PCI-E硬盘硬盘IDE/SATAI/O设备设备网络网络音效音效USB主存主存RAMCPUv计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务v用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件v多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含

10、有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU 个人计算机的CPU主要供货商为Intel与AMD，主流CPU都是双核以上架构， 原本单核CPU仅有一个运算单元，多核心则是在一颗CPU封装中嵌入了两个以上运算核心，就是一个实体CPU外壳中，有两个以上CPU单元。不同CPU型号大多具有不同脚位，能够搭配的主板芯片组也不同 所以想要升级主机时，不能只考虑CPU，还要留意主板上面所支持的CPU型号 频率频率vCPU的速度直接与核心有关v频率：单位时间内运算的次数v外频：CPU与外部接口设备进行数据传输/运算的速度v倍频：CPU内部用来加速工作性能的一个倍数v超频：通过某些工具提高CPU的频率（存在一定风险）C

11、PU内部有微指令集，不同的微指令集会导致CPU工作效率的优劣。除此外， CPU效能比较还有什么？那就是CPU频率v关系：频率=外频*倍频vIntel Core 2 Duo E8400 CPU来说，他的频率是3.0GHz， 而外频是333MHz，因此倍频就是9倍(3.0G=333Mx9) 3232位与位与6464位位vCPU运算数据都是主存储器提供，主存储器与CPU沟通速度靠外部频率，那么每次工作可以传送资料量由总线决定。一般主板芯片组有分北桥和南桥， 北桥总线称为系统总线，因为是内存传输的主要信道，所以速度较快。 南桥就是所谓输入输出(I/O)总线，主要在联系硬盘、USB、网卡等接口设备。外频

12、好比车速，前端总线好比路的宽度，越宽车跑起来越顺畅v前端总线速度(Front Side Bus, FSB)：北桥所支持频率v总线宽度：每次传送位数。v每秒钟可传送最大数据量（内存或北桥的带宽）：FSBx总线宽度v目前常见总线宽度有32/64位（bits）v目前常见总线宽度有32/64位，与总线宽度类似，CPU每次能够处理数据量称为字组大小(word size)， 字组大小依据CPU设计而有32位和64位。现在所称计算机是32还是64位主要是依据 CPU解析的字组大小决定。2009年 INTEL主板架构：前端总线最高速度1600MHz。 内存与北桥带宽为12.8GBytes/s，亦即1600MH

13、z*64bits = 1600MHz*8Bytes = 12800MByes/s = 12.8GBytes/s 内存（内存（RAM）v内存指的就是主板上的存储部件，是CPU直接与之沟通，并用其存储数据的部件，存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，它的物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。 不同型号的内存其频率及带宽之间的关系不同型号的内存其频率及带宽之间的关系总线宽度：每次传送位数。（内存或北桥的带宽）：北桥所支持频率x总线宽度 CPU频率与主存储器的关系 ，理论上，CPU外频与主存

14、储器外频应该相同。显示适配器显示适配器VGA(Video Graphics Array显示器插槽如显示器插槽如图所示，图所示，这张这张主板中提供了主板中提供了两个显示适配两个显示适配器槽，器槽，显示适显示适配器上面会有配器上面会有一个内存容量，一个内存容量，这个显示适配这个显示适配器内存容量将器内存容量将会影响到最终会影响到最终你屏幕分辨率你屏幕分辨率和颜色深度和颜色深度图示：技嘉主板各组件图示：技嘉主板各组件 PCI是是 (外设部件互连标准）外设部件互连标准）v除了显示适配器内存外，现在由于三度空间游戏(3D game)和一些3D动画的流行，因此显示适配器的运算能力越来越重要。 v例题： 假

15、设桌面使用1024x768分辨率，若使用全彩(每个像素占用3bytes容量)，请问你显示适配器至少需要多少内存能使用这样的彩度？ v答： 因为1024x768分辨率中会有786432个像素，每个像素占用3bytes，所以总共需要2.25MBytes以上才行！硬盘与存储设备硬盘与存储设备v计算机总是需要记录与读取数据，所以就需要有储存设备咯。 计算机系统上储存设备包括有：硬盘、软盘、CD、DVD、磁带机、随身碟(闪存)、还有新一代蓝光光驱等，都是可以用来储存数据。而其中最常见是硬盘了！ v硬盘物理组成 ：圆形磁盘、机械手臂、 磁盘读取头和主轴马达 实际数据写在具有磁性物质的磁盘盘上头，读写主要是

16、透过在机械手臂上的读取头(head)来达成 v磁盘盘上的数据 硬盘储存量：header数量 * 每个header负责的磁柱数量 * 每个磁柱所有的扇区数量 * 扇区的容量 Head x Cylinder x Sector x 512 Bytes硬盘选购与运转须知v容量 v缓冲存储器 ：主要可以将硬盘内常使用的数据快取起来，以加速系统的读取效能，通常这个缓冲存储器越大越好，因为缓冲存储器速度要比数据从硬盘盘中被找出来要快的多 v转速 ：硬盘主要是利用主轴马达转动磁盘盘来存取，因此转速的快慢会影响到效能v运转须知 ：有抖动或是脏污在磁头与硬盘盘之间会造成数据损毁或是实体硬盘整个损毁，开机后，不要移

17、动主机，避免抖动到硬盘PCI适配卡适配卡 vPCI适配卡槽就如同上图所示左下方白色槽， 这种PCI槽通常会提供多个给使用者，有相当多的组件使用PCI接口作为传输， 例如网卡、声卡、特殊功能卡等等。由亍各组件价格下降，现在主板上面通常已整合了相当多的设备组件了！ 常见整合到主板的组件包括声卡、网卡、USB控制卡、显示适配器、磁盘阵列卡等等。 主板主板主机板主机板芯片集芯片集CPUVGAAPG/PCI-E硬盘硬盘IDE/SATAI/O设备设备网络网络音效音效USB主存主存RAM 主板是整部主机相当重要的一个部分，因为上面所谈到所有组件都是安在主板上面， 主板上负责沟通各个组件的就是芯片组，如、In

18、tel芯片组图示所示， 图中也可以发现芯片组一般分为北桥南桥！北桥负责CPU/RAM/VGA等的连接，南桥则负责PCI接口和速度较慢的I/O装置。 芯片组功能 v设备I/O地址与IRQ（中断请求）中断信道 ：I/O地址类似每个装置门牌号，每个装置都有自己的地址，不能有两个装置使用同一个I/O地址， 否则系统就会不晓得该如何运作这两个装置。各装置可以透过IRQ中断信道来告知CPU该装置工作情况，以方便CPU迚行工作分配任务。 v CMOS和BIOS（基本输入输出系统）： CMOS记录主板上重要参数， 包括系统时间、CPU电压不频率、各项设备的I/O地址和IRQ。 BIOS为写入到主板上某一块 f

19、lash或 EEPROM 癿程序。可以在开机时候执行，以加载CMOS中的参数。v v连接接口设备的接口 v 主板与各项输出/输入设备的链接主要都是在主机机壳后方，主要有PS/2界面：常见的键盘鼠标接口； USB界面；声音输出、输入和麦克风； 电源供应器电源供应器v 如果主机系统需要 300W 电力，因为电源供应器本身也会消耗掉一部分电力， 因此最好要挑选400W以上的电源供应器。电源供应器出厂前会有一些测试数据，最好挑选高转换率的电源供应器。假如主板用电量为250W， 但是电源供应器其实已使用掉320W电力，则转换率为：250/320=0.78。 这个数值越高表示被电源供应器耗掉的电力越少，那

20、就符合能源效益。选购须知选购须知 （兼容）（兼容）v在购买主机时应该需要进行整体的考虑，很难依照某一项标准来选购。在效能方面并非仅考虑CPU的能力，速度的快慢与整体系统最慢的那个设备有关，在买整套系统时， 请特别留意需要全部接口都考虑进去，尤其是想要升级时，要特别注意这个问题。v事实上，了解每个硬件详细架构比较难，要知道某个硬件制造商是哪家公司时，可以看该硬件上面信息，主板上都会列出这个主板开发商和主板型号，知道这两个信息就可以找到驱动程序。 另外，显示适配器上面有个小小的芯片，上面也会列出显示适配器厂商与芯片信息。 数据表示方式数据表示方式 进制转化进制转化v事实上计算机只认0和1，记录的数

21、据也只能记录0和1而已，所以计算机常用数据是二进制的。 但是我们常用数值运算是十进制，文字方面则有非常多的语言，有英文、中文(又分繁体，简体中文)、日文等。 那么计算机如何记录显示这些数值/文字呢？就得要透过一系列转换！谈谈数值和文字的编码系统！ v早期计算机使用是的利用通电不通电特性的真空管，如果通电就是1，没有通电就是0， 后来沿用至今，称这种只有0/1的环境为二进制，英文称为binary。所谓十进制指的是逢十进一位， 因此在个位数归零而十位数写成1。所以所谓二进制，就是逢二就进一位的意思。如果以十进制来说，3456意义为： 3456 = 3x103 + 4x102 + 5x101 + 6

22、x100 ，将这个原理带入二进制中，1101010数值转为十进制，结果如下： 1101010=1x26 + 1x25 + 0 x24 + 1x23 + 0 x22 + 1x21 + 0 x20 = 64 + 32 + 0 x16 + 8 + 0 x4 + 2 + 0 x1 = 106 十进制转二进制十进制转二进制软件程序运作软件程序运作 v没有软件的运作，计算机功能就无法发挥。有必要了解下软件是什么。v 一般来说，目前计算机系统将软件分为两大类，一个是系统软件，一个是应用程序。先了解一下什么是程序， 尤其是机器程序，之后再探讨为什么现今计算机系统需要操作系统。 v早期想要计算机执行程序就要参考

23、硬件功能函数，学习机器语言才能够撰写程序。同时每次写程序时都必须重新改写，因为硬件与软件功能不一定一致。如能将所有硬件都驱劢， 提供一个发展软件的参考接口来给工程师开发软件，那发展软件就变非常简单，那就是操作系统！ 机器程序与编译程序机器程序与编译程序 v之前谈到计算机只认识0不1而已，而计算机最重要的运算与逻辑判断是在CPU内部， 而CPU其实是具有微指令集。因此，需要CPU帮忙工作时，就得要参考微指令集的内容， 然后撰写让CPU读懂得脚本给CPU执行，这样就能够让CPU运作了。计算机科学家设计出一种使人类看懂得程序， 然后创造一种编译程序来将这些人类能够写的程序转译成为机器能看懂得机器码！

24、目前常见编译程序有C, C+, Java, Fortran等 操作系统的定义操作系统的定义v操作系统(Operating System，OS)是计算机系统软件的重要组成部分，用来控制和管理计算机系统资源，合理地组织计算机工作流程，为用户有效地使用计算机提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境。操作系统是计算机用户与计算机之间进行通信的接口。v操作系统定义如下：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度、方便用户使用的程序的集合。操作系统的功能操作系统的功能v操作系统的功能是管理和控制计算机系统中的硬件、软件资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。 让CPU可以开始判断逻辑与运算数值、 让主存储器可以开始加载/读出数据与程序代码、硬盘可以开始被存取、让网卡可以开始传输数据、 使所有周边可以开始运转等等。 v核心（Kernel）：它是指操作系统最底层的东西，每个操作系统都有