算机系统基础讲稿

第一章计算机系统基础教学目的：通过本次讲课使学生，了解计算机发展历史，了解计算机分类及应用，了解散微型计算机的结构，掌握计算机结构及基本工作原理，了解微型计算机硬件系统，了解微型计算机软件系统，理解并掌握数据在计算机中的表示与存储。教学内容：计算机的发展2计算机的分类计算机的基本工作原理及结构计算机硬件系统组成计算机软件系统6数据在计算机中的表示与存储教学重点：计算机嘉构及基本工作原理，数据在计算机中的表示与存储教学时间：2-3个学时教学过程：大家好！这学期，这门课，就有我给大家讲！（自我介绍，联系方式）。大家从全国四面八方来到这个学校，来到了这个班级，还能一块来上课，咱们之间呀，这个缘份不小。希望大家能够珍惜这份缘份，珍惜大学时光，同学们之间应互相理解、互相帮助、互相支持。咱们这们课呢，给大家介绍计算机一些相关的基础知识，可能呀，咱们中间的一些同学对在以前呀，就对计算机比较感兴趣，学习了解过一些计算机方面的知识，那么学校为我们开这门课，就是让大家有一个机会，更系统的了解和学习计算机基础，并能理解和掌握•些重要的知识。好，现在来介绍第一章的内容。1 计算机系统基础本章章主要介绍计算机系统的基本知识，包括计算机的发展与应用、计算机系统的组成、计算机的工作原理、计算机中数据的表示与存储等。计算机的发展历史计算机技术发展的历史是人类文明史的•个缩影。计算机的发展与主类社会的发展是息息相关的。计算机的发展要从计数和计算说起。计算机史前史在远古时代，人们采用石块、贝壳等进行简单的计数，到了唐代，中国人发明击算盘进行计算。在欧洲：中世纪就发明了计算器、分析机等。1822年巴贝奇设计了新的差分机和分析机（程序控制），其中设计的理念很先进、超前，类似于百年后的电子计算机，特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人所采用。过入20世纪，一些机电加数器的发明（机电时代）。现代计算机的发展1946年2月，美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台大型通用数字电子计算机ENIAC（爱尼亚克）。18000个电子管、1500个继电器、重30T、占地面积约170m2、每秒5000次加、减运算是手工计算机的20万倍。30个操作台，耗电量150千瓦。时代时间基本电子元件技术特点一1946——1953电子管穿孔卡片和磁鼓，使用机器语言和汇编语言二1954——1963晶体管主存储器采用磁芯存储器，磁鼓和磁盘开始用于辅助存储器，使用高级语言，主要使用于科学计算，中、小型计算机开始大量生产三1964——1970中小规模集成电路大型晔，集中式计算，远程终端四1970——现今大规模和超大规模集成电路超大型化，微机化，嵌入式，图形用户界面，多媒体，网络通信，网格计算微型计算机的发展笔麟?TOC\o"1-5"\h\z-Hf1箕编程i_*iID图形Ln♦多媒体-Windows-f1•■即插即用.-*1-3D图物［ 无我通彼卜＞XT微机 AT微机 386微机 486微机 PentiumPentiumUPentium41981 1984 1986 1990 1995 1998 2003 年在计算机的发展历程中，微型机的出现开辟了计算机的新纪元。微型机因其体积小，结构紧凑而得名。它的一个重要特点是将中央处理器(CPU)制作在一块电路芯片上，这种芯片习惯上称作微处理器。根据微处理器的集成规模和处理能力，又形成了微型机的不同发展阶段，它以2〜3年的速率迅速更新换代。1.第一代微型机(1971〜1972年)1971年美国Intel公司首先研制成4004微处理器，它是-一种4位微处理器，随后又研制出8位微处理器Intel8008o由这种4位或8位微处理器制成微型机都属于第一代。2.第二代微型机(1973〜1977年)第二代微型机的微处理器都是8位的，但集成有了较大的提高。典型产品有Intel公司的8080,Motorola公司的6800和Zilog公司的Z80等处理器芯片。以这类芯片为CPU生产的微型机，其性能较第一代有了较大提高3.第三代微型机(1978〜1981年)1978年Intel公司生产出16位微处理器8086,标志着微处理器进入第三代，其性能比第二代提高近10倍。典型产品有Intel8086、Z8000.M68000等。用16位微处理器生产出的微处理器支持多种应用，如数据处理和科学计算。4.第四代微型机(1981年至今)随着半导体技术工艺的发展，集成电路的集成度越来越高，众多的32位高档微处理器被研制出来，典型产品有Intel公司的Pentium系列；AMD公司的AMD公司的AMDK6、AMDK6-2；Cyrix公司的6X86等。用32位微处理器生产的微型机，一般将归于第四代，其性能可与20世纪70年代的大，中型计算机相媲美1.1.4未来新型计算机超导计算机超导是指导体在接近绝对零度时，电流在某些介质中传输时所受的阻力为零的现象。量子计算机现在一般的计算机一个存储单元只能存储一一位二进制数据，非。即1。一个量子位可以是0或1,也可以既存储0又存储1。光子计算机以光子代替电子，光互连代替导线互连。生物计算机生物计算机的运算过程是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。神经网络计算机神经网络计算机是模仿人的大脑神经系统，具有判断和适应能力，具有并行处理多种数据功能的计算机。1.2计算机的分类自从现代计算机诞生以来，信息技术产业的发展一直非常迅速，新的计算机不断涌现，因此对计算机进行分类是很有必要的。而计算机的快速发展，导致了计算机类型的一再分化。先来看看现代计算机的待点再了解计算机的分类。现代计算机的特点处理速度高、运算精度高、记忆能力强、具有逻辑判断能力、具有友好的人机交互界面。计算机的分类早期是按计算能力进行分类，可划分为巨型计算机、大型机、中型机、小型机、微机。（巨、大、中、小、微）按目前市场分布情况：高性能计算机、微型计算机、嵌入式系统和工作站。高性能计算机包括超级计算机、大型集群计算机、大型服务器等。超级计算机主要用于宇航工程、空间技术、石油勘探、人类遗传基因等现代学技术和国防尖端技术的研究。大型集群计算机主要用于大型工程项目。大型服务器•般采用专用的系统结构，主要用于通信、网络、工程计算等项目。微型计算机简称微机，包括PC系列微机、苹果系列微机（美术设计、视频处理、出版等）、笔记本微机、PC服务器、掌上微机（PDA个人数字助理，手机，无线数据传输、发送和接收）等。嵌入式系统包括工业控制PC、单片机、POS机（电子收款机系统）、ATM机（自动柜员机）等系统。工作站包括图形工作站（如HPXW9300）、视频工作站（如SUNBlade2500）、多媒体工作站（如SGIO2+）等。工作站是--种高档微机，具有较强的数据处理能力与图形处理功能。计算机的主要应用领域科学计算、数据处理、自动控制、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）,人工智能、网络应用1.3计算机的基本工作原理及结构计算机的基本工作原理现代计算机的基本工作原理是由科学家冯•诺伊曼于1946年首先提出来的。冯•诺伊曼计算机结构模型运算器也称算术逻辑单元（ALU）,是计算机进行算术运算和逻辑运算的部件。控制器主要用来控制程序和数据的输入/输出，以及各个部件之间的协调运行。在现代计算机中，往往将运算器和控制器集成在•个集成电路芯片内，这个受片称为CPU（中央控制单元）。CPU性能的高低，往往决定了一台计算机性能的高低。存储器主要功能是存放运行中的程序和数据。（在冯•诺伊曼计算机模型中，存储器是指内存单元。对存储器的基本操作是数据的写入或读出，这个过程称为“内存访问”。）输入设备用来将现实世界中的数据输入到计算机，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。输出设备将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式。常见的输出设备有：显示器、打印机、硬盘、音箱、网卡等。各部分的协作流程：图采用二进制形式表示数据和指令指令和数据在代码形式上并无区别，都是有0和1组成的二进制代码序列，只是各自约定的含义不同。在计算机中采用二进制，使信息数字化容易实现，并可以用二值逻辑元件进行表示和处理。存储程序存储程序意味着事先将编制好的程序（包含指令和数据）存入计算机存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。指令和指令系统指令指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某…种操作。指令通常由两个部分组成：操作码和操作数。操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。操作码的位数决定了一个机器操作指令的条数。操作数指明操作对象的内容或所在的存储单元地址（地址码），操作数在大多数情况下是地址码。指令系统指令系统是指一台计算机的所有指令的集合。指令系统都应具有以下功能的指令：数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传送数据处理指令：数据进行算术、逻辑或关系运算。程序控制指令：控制程序中指令的执行，如条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、停机等。输入/输出指令：用来实现外部设备与主机之间的数据传输。其他指令：对计算机的硬件进行管理。指令的执行过程在冯•诺伊曼的思想下，计算机的工作过程为：预先编制程序，利用输入设备将程序输入到计算机内，同时转换成二进制代码，计算机在控制器的控制下，从内存中逐条取出程序的每一个指令交给运算器去执行，并将运算结果送回存储器指定的单元中，当所有的运算任务完成后，程序执行结果利用输出设备输出。换言之，计算机的工作过程实际上是快速执行指令的过程。有两种信息在执行指令的进程中流动：数据流和控制流。数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，指挥各部件协调地工作。指令的执行过程可分为以下4个步骤：1取指令：按照程序计数器的地址，从内部存储器中取出指令，并送往指令寄存器。2分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号，由地址码确定操作数地址。3执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。4循环：程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到步骤1。1.4计算机硬件系统组成计算机系统计算机系统由软件系统和硬件系统组成，硬件系统由主机和外部设备组成，主机主要由以下设备组成：CPU、主板、内存、显卡、外存、声卡、网卡、辅助（电源、机箱等）。CPU中央处理器CPU：它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片。CPU包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分。主板主板由集成电路芯片、电子元器件、电路系统、各种总线插座和接口组成。传输各种电子信号，部分芯片也负责初步处理一些外围数据。存储器系统微型机的存储器用来存放程序和数据I 随机存储器RAM存储密I•:存储器

(内存)只读存储器存储密I•:存储器

(内存)只读存储器ROM可编程只读存储器PROM外存储器।辅助存储器,一可改写只读存储器EPROMr—磁盘存储淤：软磁盘、硬磁盘一光盘存储器内存：又称为主存储器，能够直接与CPU进行数据交换。硬盘：磁道、柱面与扇区软盘：光盘：CD-ROM、DVD-ROM：只读型光盘。CD-R、DVD-R：是一次性刻录光盘，可以利用光刻录机将数据写入，数据写入后不能修改。CD-RW、DVD-RW：一种可擦写光盘，可以反复读写，但需要专用软件进行操作。微机总线和接口总线(Bus)是微型计算机中用于连接CPU、存储器、输入/输出接口等部件的一组信号线和控制电路，是系统内各种部件之间共享的一组公共数据传输线路。微型计算机中的总线一般分为：内部总线、系统总线、外部总线内部总线位于微处理器的内部，也称芯片内部总线，用于在运算器(ALU)、控制器和各种寄存器之间的相互连接及信息传送。系统总线是指主板上连接微型计算机中各功能部件之间的总线。系统总线分为3个功能组：地址总线AB(AddressBus)、数据总线DB(DataBus)、控制总线CB(ControlBus)。外部总线是微型计算机和外部设备之间的总线，微型计算机作为一种设备，通过该总线和其它设备进行信息与数据交换。接口是指计算机系统中，在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。接口的功能是在各个组成部件之间进行数据交换。主机与外部设备之间的接口称为DO接口。从数据传送的方式看，接口可分为串行接口(简称串口)和并行接口(简称并口)两大类。微机系统的接线可以分为信号线与电源线，信号线的布置应当尽量避免干扰信号源，如电视机、音响设备，电源线应当注意安全性。所有接线都应当接触良好，便于维护。微机设备的接线集中在主机后部，每个插座上都标记了不同的色彩，将插头对色入座就行。输入/输出设备键盘与鼠标、扫描仪、显示器、打印机、微型计算机的主要性能指标技术指标的好坏由硬件和软件两方面因素决定。性能指标CPU字长：CPU能够同时处理二进制数据的位数。时钟频率：在单位时间内(s)发出的脉冲数，通常以兆赫兹(MHz)为单位。内存容量、外部设备配置。功能指标3D图形功能、多媒体功能、网络功能、无线通信功能等。可靠性指标是指微机在规定工作环境下和恶劣工作环境下稳定运行的能力。往往只能通过产品的工艺质量、产品的材料质量、厂商的市场信誉来衡量。兼容性指标产品符合某一技术规范的特定要求，两个不同厂商的产品，如果能够在同一环境下应用，通常说它们是兼容的。1.5计算机软件系统计算机软件包括程序与程序运行时所需的数据，以及与这些程序和数据有关的文档资料。软件可以分为系统软件和应用软件。系统软件系统软件用于计算机管理、监控、维护和运行的软件。操作系统：操作系统是对计算机硬件资源和软件资源进行控制和管理的大型程序。网络服务：提供大型的网络后台服务数据库系统：数据库系统(DBS)系统主要由数据库(DB)和数据库管理系统(DBMS)组成。数据库是按一定方式组织起来的相关数据的集合。数据库管理系统是对数据库进行有效管理和操作的软件。程序设计语言：机器语言：是计算机唯一能直接识别和执行的语言。汇编语言：将机器语言用便于记忆的符号表示出来。高级语言：便于阅读、修改及调试,而且移植性强。语言处理程序：解释方式、编译方式。应用软件应用软件也可以分为两类：第一类是针对某个应用领域的具体问题而开发程序，它具有很强的实用性、专业性。第二类是一些大型专业软件公司开发的通用型应用软件。1.6数据在计算机中的表示与存储数值数据的表示计算机内部使用的是什么数据?为什么？二进制数，二进制数在电子元件中容易实现、容易运算。常用进制有：十进制；二进制；八进制；十六进制（举例，怎么用符号表示）各种进制数如何区别？B表示二进制数制；0表示八进制数制；D或不带字母表示十进制数制；H表示十六进制数制。r进制数的展开和式：十进制转换为二、八、十六进制：十进制整数r进制数：除以r取余数，直到商为0时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。十进制小数r进制数：乘以r取整数，直到余数为0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位。（举例）二进制与八、十六进制间的转换二进制与八进制间的转换已小数点为中点，三位为一单位进行转换。不足三位补零。二进制与十六进制间的转换已小数点为中点，四位为一单位进行转换。不足四位补零。计算机中数的相关概念数的长度：在计算机中，数的长度按“比特”（bit）来计算。但因存储容量常以“字节”（byte,等于8bi