计算机与计算机系统

计算机与计算机系统第1页，共56页，2023年，2月20日，星期四计算机的全称一般所说的计算机称为“电子数字通用计算机”数字：计算机采用数字化方式处理信息；一切非数字化的信息，必须首先进行“数字化“通用：采用冯·诺依曼提出的“程序存储式通用计算机”的体系结构和设计方案；能够解决具有“可解算法”的问题第2页，共56页，2023年，2月20日，星期四文化对人类生产、工作、学习及生活方式产生广泛而深刻影响的事物计算机文化当今，计算机已“无处不在”应用的领域广泛已经成为一种文化有这样一句话：在现代社会生活中，没有一个人能离开计算机；也没有一个人真正离开过计算机第3页，共56页，2023年，2月20日，星期四计算机的应用特点与一般的计算设备比较运算速度快精度高信息存储量大有逻辑判断功能，能够自动的工作由计算机的工作原理决定第4页，共56页，2023年，2月20日，星期四眼、耳等手、口等永久保存运算结果笔记本、手册等输入计算题目输出运算结果人，如何进行运算暂时存储数据与计算结果进行运算控制与协调计算的全过程人的大脑应

完成的任务2*362*3=62*3→6第5页，共56页，2023年，2月20日，星期四计算系统的基本构成一个完整的“计算系统”必须解决三个问题一般应具有数据输入、运算、数据存储、数据输出以及运算过程的控制与协调等逻辑功能被运算的数据必须是可被识别和存储的完成运算的“系统”需具备了或可得到有关运算的知识和方法计算机是对人脑的模拟,就必须考虑：用不同的组件模拟人脑的逻辑功能确定数据的表示形式，以便识别不同的数据将运算的知识和方法以特定的方式，事先告诉计算机第6页，共56页，2023年，2月20日，星期四冯∙诺依曼冯·诺伊曼解决了三个问题，提出了计算机的基本结构原理参与设计了世界上的第一台计算机直到今天，普遍使用的计算机仍然是冯·诺伊曼计算机JohnVonNeuman，1903－1957美藉匈牙利人数学家第7页，共56页，2023年，2月20日，星期四冯∙诺依曼3个基本组成原理采用二进制代码表示数据程序存储由运算器存储器控制器和输出输入设备等功能单元组成冯∙诺依曼原理计算机的基本工作原理在计算机内部使用二进制数；即用二进制数码表示数据和指令、程序数据、指令都必须最终转换为二进制数码在物理上，必须使用有两个稳定物理状态的介质，存储记录二进制数码程序存储是诺依曼原理的核心事先确定计算机应进行的操作和该操作所需要的有关数据将数据和处理数据的程序指令共同存入计算机计算机“获得了”运算所需要的“知识”和“方法”计算机将在该程序的控制下，“自动”地工作第8页，共56页，2023年，2月20日，星期四存放数据和程序指令将二进制代码转换

为相应的源信息形

式；输出数据信息存储器输入设备运算器控制器输出设备计算机的5个功能组件识别并分析指令；向相关功能组件发送操作指令；实现程序控制；协调各部工作；是计算机的控制中心将原始数据和程序输入到计算机内部；转换成为二进制代码算术运算逻辑运算比较运算字符运算等等第9页，共56页，2023年，2月20日，星期四冯氏计算机的基本工作原理

将需要在计算机中处理的数据进行二进制“化”；将数据处理的方法和目的按“步骤”写成指令和程序，指令和程序也是二进制的；在计算机中设置存储器；将指令和程序与数据一起存放在存储器中。

机器一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储的程序指令，并自动对相关数据进行运算处理，逐步并自动地由程序所描述的各种工作

-----计算机成为一种自动运行的机器第10页，共56页，2023年，2月20日，星期四磁盘打印机输入程序和原始数据输出运算结果数据流线控制流线键盘2*3662*3外部存储器输出设备冯氏计算机工作原理示意运算器和控制器内部存储输入设备第11页，共56页，2023年，2月20日，星期四程序的执行过程计算机的工作过程就是执行程序的过程程序存储在外部存储器上将程序调入内部存储器各个硬件组件协调，按逻辑顺序逐条执行指令第12页，共56页，2023年，2月20日，星期四中央处理器运算器控制器存储器程序执行过程示意程序程序指令指令第13页，共56页，2023年，2月20日，星期四指令的执行过程开始指令结束指令指令指令取指令分析指令执行指令把取出的指令送指令译码器，

译出对应操作向相关部件发送控制命令，进行并完成操作从内存中取出要执行的指令程序第14页，共56页，2023年，2月20日，星期四指令的执行过程例LOAD005ADD006SUB007STORE008HALTABC数据寄存器累加器运算器000001002003004005006007008AABA+BCA+B-CA+B-CA+B-C控制器LOAD005ADD006SUB007STORE008第15页，共56页，2023年，2月20日，星期四冯氏计算机基本工作原理可总结为使用二进制一切数据信息都需以二进制形式表示程序控制一切操作都由程序控制完成程序存储一切程序都必须存入计算机组件协调工作一切运算都由五个功能组件协调完成第16页，共56页，2023年，2月20日，星期四巨型计算机例国产“神威-II”巨型计算机主机系统有384个CPU峰值运算速度达每秒3840亿次主存储器容量为48GB磁盘存储器容量为2.5TB第17页，共56页，2023年，2月20日，星期四巨型计算机例IBM:ASCIWhite8192个CPU最大运算速度每秒73040亿次第18页，共56页，2023年，2月20日，星期四有消息报告2010年，曙光星云超级计算机，处理速度达到了1.27千万亿次计算世界上最快的计算机，位于美国田纳西州橡树岭国家实验室，去年11月份测定的处理速度是1.75千万亿次在国际权威组织的排名中，中国计算机排名第五在计算机500强排名中，美国有282台入选美国下一步准备继续提高计算机的运算速度，争取达到“亿亿次”的单位级别；此目标希望在2018年到2020年实现第19页，共56页，2023年，2月20日，星期四巨型计算机的用途天气预报、石油地震资料处理、核能开发利用、计算流体力学、基因与蛋白分析、大型机械设计和材料科学等领域“曙光”可以在20秒种内实时完成1万个5000万瓦以上的并网发电机组和22万伏变电站构成的全国电网的电力安全评估；可在10分钟内完成上海证券交易所10年的1000多支股票交易信息的200种证券指数的计算；能在1小时内同时完成关于中国周边、北方大部、北京周边、北京2008年奥运会场馆周边所需要的36小时气象预报的计算，包括风向、风速、温度、湿度等，精度1公里，可精确到每个奥运会场馆第20页，共56页，2023年，2月20日，星期四微型计算机微型计算机是计算机系列中的一个特例遵从普遍的计算机基本结构原理具有自己鲜明的结构特点和应用特点出现于上世纪70年代；首先由美国Intel公司生产体积小、重量轻、价格低、使用方便微型计算机推动了计算机技术发展，使计算机从专家的实验室中，走入了千家万户第21页，共56页，2023年，2月20日，星期四微型计算机的硬件组成主机系统：

主板微处理器内存储器外部设备：外部存储设备输出设备输入设备两部分第22页，共56页，2023年，2月20日，星期四微型计算机功能结构示意第23页，共56页，2023年，2月20日，星期四微型计算机基本硬件结构示意第24页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU及基本结构CPU是计算机的核心主要的功能是控制计算机的操作和处理数据主要组织结构：控制器控制和协调计算机的各功能组件的工作和操作运算器完成各种运算，实现数据处理功能第25页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU芯片图示第26页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU的性能指标__字长CPU的字长：指令一次可处理数据的二进制的位数 字长越长，一条指令可处理的二进制数据的位数就越多，CPU的性能就越高，工作速度就越快，当然内部结构就越复杂

当前流行32和64位机以人为例：若计算5×6，则立即可以得到答案是30；但对于55×66，就不容易立即得到正确的答案，这就是说55或66已超出了人脑的“字长”这时为了得出结果，就必须把复杂的问题分解成易于处理的问题（将55×66可分解为50×60，50×6，5×60，5×6），然后再综合起来，得出结果第27页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU的性能指标_运算速度CPU的运算速度有两个层面的意义CPU主频CPU执行指令的速度第28页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU的性能指标_工作频率CPU外频硬件中有一个组件，为系统提供一个基准时钟频率CPU与外围设备交换传送数据的频率基本单位是：HzCPU主频CPU的实际工作频率远高于外频；主频=外频*倍频系数(典型数据为15倍)早期的主频仅为4.77MHz；目前典型数据为3GHz；CPU的工作速度与主频有密切关系(一般用主频数表述速度；主频越高自然速度越快)第29页，共56页，2023年，2月20日，星期四CPU性能指标_指令的执行速度单位时间内所能执行的指令的条数单位是：

(百万)条/秒早期的计算机每秒只能执行数千条指令由Intel推出的“Pentium4”微处理器芯片，每秒可执行几亿条指令CPU执行一条指令需要若干个时钟脉冲；执行不同的指令，需要的时钟脉冲数不同CPU指令的执行速度与CPU主频有直接关系第30页，共56页，2023年，2月20日，星期四Intel-CPU的类型奔腾Pentium安腾Itanium至强Xeon酷睿Core赛扬Celeron迅驰Centrino第31页，共56页，2023年，2月20日，星期四内部存储器功能：存放程序、指令、数据和中间结果所有要运行的数据、所有要被处理的数据都必须首先从外部存储设备中，调入内部存储器内存的容量总是有限的为提高效率，已经执行结束的程序以及历史数据，应及时从内部存储器中清除第32页，共56页，2023年，2月20日，星期四数据及程序的存储问题存储由“记忆元件”实现“记忆元件”只有两种稳定状态，可以也只能存放二进制数存放8位二进制代码的一组“记忆元件”构成一个“存储单元”存储单元是最基本的存储单位；存储器由多存储单元构成不同的存储单元用不同的地址标记计算机按地址“存入”和“取出”数据存入数据称为“写”，取出数据称为“读”记忆元件激励输出两个稳定状态第33页，共56页，2023年，2月20日，星期四存储器与数据存储●○●○●○●○●○●●●●○○●●○○●●○○○○●●○○●●○○○○○○○○●●●●●●●●…

…20000H20001H20002H20003H20004H20005H●○●○●○●○●○●●●●○○●●○○●●○○○○●●○○●●○○○○○○○○●●●●●●●●…

…CPU送出地址CPU送出操作命令与CPU交换数据第34页，共56页，2023年，2月20日，星期四总线宽度的意义数据总线宽度：一次能够传送的数据的二进制的位数决定了CPU与内存之间的数据交换效率地址总线宽度：使用多少位二进制数表示内存单元的地址反映了CPU对存储单元数量的管理和访问能力例如：1条地址线可以表示0、1两个内存单元2根地址线可以表示00、01、10、11四个内存单元20根地址线可访问和管理的内存单元为：220B=1MB（220=210*210=1024*1024）32根地址线可访问内存的最大单元数为：232B=4GB(232=4×210×210×210）第35页，共56页，2023年，2月20日，星期四只读存储器ROM只读半导体电子记忆元器件构成；非易失存放固定不变的程序和数据；这些程序和数据主要用来启动计算机和监视控制计算机的正常运行这些程序及数据一般由计算机厂家写入，允许用户部分地简单修改ROM：ReadOnlyMomery第36页，共56页，2023年，2月20日，星期四随机存储器RAM既可读出也可写入半导体电子记忆元器件构成；具有易失性每次开启计算机都要对RAM进行重新装配通常所说的内存容量，就是指RAM的容量典型内存容量数据：256M、512M、1G、2G…RAM：RandomAccessMomery第37页，共56页，2023年，2月20日，星期四随机存储器图示第38页，共56页，2023年，2月20日，星期四存储器的主要技术指标在技术性能上要求容量大、体积小、存取速度快两个技术性能指标：存储容量以字节为基本单位（BByte）；KB、MB、GB存取速度（访问时间）从开始到完成某个数据存取操，作所用的时间典型数据为：60-120ns(1ns=10-9s)第39页，共56页，2023年，2月20日，星期四外存储器及种类内存储器的缺陷：因易失而只能暂存、容量受限解决的思路：采用具有更大容量并可以“永久”记忆存储能力的介质磁盘：软磁盘、硬磁盘、移动硬盘光盘：只读光盘、一次性写入光盘、可擦写光盘U盘可移动硬盘第40页，共56页，2023年，2月20日，星期四磁盘磁盘主要由盘片和磁头构成；盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成；磁头用于进行读写操作磁盘的磁性材料被磁头磁化后，取两个稳定的状态，分别存储0或1二进制数据磁盘的存储容量视具体类型而定现常用的磁盘为硬磁盘第41页，共56页，2023年，2月20日，星期四硬磁盘的结构扇区读写磁头柱面磁道各盘片上同一位置的磁道构成一个柱面。磁盘容量：典型容量(360GB)盘面数(读写磁头数)*磁道(柱面数)*扇区数*扇区容量第42页，共56页，2023年，2月20日，星期四硬磁盘的结构第43页，共56页，2023年，2月20日，星期四硬磁盘的读写原理示意第44页，共56页，2023年，2月20日，星期四硬磁盘结构图示第45页，共56页，2023年，2月20日，星期四光盘图示采用铝箔作为基底，上附着热敏材料采用激光技术在材料表面形成“凹凸”状态，实现数据的存储现在微型机上使用的光盘一般分为只读光盘，又称CD-ROM一次性写入光盘可擦写光盘由专门的驱动器读或写；光驱具有不同的读写速度一般光盘容量为：650MB；DVD光盘4.7GB或更大第46页，共56页，2023年，2月20日，星期四闪存盘“闪存盘”、“U盘”，是一种俗称；全称应为“非易失性随机访问存储器”是一种采用USB接口技术和闪存(FlashMemory)技术结合的移动存储器可多次擦写、速度快而且防磁、防震、防潮存储容量从16MB～4GB不等第47页，共56页，2023年，2月20日，星期四微型计算机系统的组成微型计算机硬件系统由主机与外设构成;主机由CPU和内部存储器构成；CPU由运算器和控制器组成；外设由外部存储器、输入设备和输出器构成；输入设备主要包括键盘、鼠标以及扫描仪等；输出设备主要包括显示器、打印机以及绘图仪等；外部存储器主要包括磁盘、光盘、U盘等；微型计算机系统由硬件系统和软件系统构成第48页，共56页，2023年，2月20日，星期四计算机系统示意计算机系统软件系统硬件系统系统软件应用软件主机系统外部设备操作系统语言处理程序服务程序中央处理器内存储器外部存储设备输入设备输出设备用户应用程序与文档运算器控制器第49页，共56页，2023年，2月20日，星期四软件用户应用程序或文档TextTextTextTextTextText软件的3种类型系统软件应用软件用户应用程序或文档系统软件是管理、维护整个计算机系统的软件；保证计算机更有效地协调工作，保证用户应用程序正常运行的软件计算机系统软件包括：语言处理程序；操作系统；各种系统服务程序，各种硬件设备的驱动程序专门解决特定的应用问题，并按一般用户的任务需求编制而成的各种应用程序由专门人员设计编制，提供给普遍的用户使用文字处理软件；杀毒软件；图形图像处理软件；多媒体信息处理和播放软件；浏览器以及其他网络信息服务软件用户应用程序是应用软件的一个特例用户为解决具体问题而自己使用计算机语言编制的程序称为用户应用程序用户使用应用软件创建的数据文件称为文档(Word文档、C程序文档、PPT文档等)第50页，共56页，2023年，2月20日，星期四软件程序语言命令软件语言包含命令和规则机器语言、汇编语言、高级语言程序是一系列命令的有序集合目的是使计算机能自动工作可以使用不同的计算机程序设计语言编写使用非机器指令编制的程序，最终都必须转换为机器指