第1章 计算机系统基础

《计算机应用基础教程》

为什么要学？计算机是信息社会必不可少的工具大学乃至终身学习都离不开计算机

怎样学？从兴趣入手。常阅读计算机类杂志报刊，随时掌握最新资讯，走在信息社会的最前端。课余时间多上机，主动培养自己动手处理简单问题的能力。建议全书总纲掌握熟练操作理解

计算机基础知识

微型计算机

WindowsXP操作系统

Word2003字处理系统

Excel2003数据处理系统

PowerPoint2003演示文稿软件计算机网络与安全

多媒体应用基础了解课程安排第一章计算机系统基础3学时第二章操作系统WindowsXP3学时实验4第三章Word2003文字处理4学时实验6第四章Excel2003电子表格处理4学时实验6第五章powerpoint20032学时实验2第六章计算机网络及应用3学时实验4第七章多媒体技术基础3学时实验2复习2学时总共48学时总成绩：笔试、上机考试和平时成绩组成基本知识有关常识、术语和概念（主要笔试）基本技能操作技法、速度和熟练程度（上机考试）基本方法文件、目录、磁盘管理；文档编辑排版；电子表格统计计算（笔试和上机考试）怎样通过这门课程

1.1计算机的发展

1.2计算机的类型

1.3计算机的基本工作原理及结构

1.4计算机硬件系统组成

1.5计算机软件系统组成

1.6数据在计算机中的表示和存储第1章

计算机系统基础计算机的基本工作原理和系统结构计算机硬件基本知识：硬件系统的总线结构图;微机系统五大组成部分及功能;计算机的主要性能指标计算机软件基本知识：语言的概念，系统软件、应用软件的概念，操作系统、汇编程序、编译程序和解释程序的功能本章重点1.1计算机的发展概况1.1.1早期计算机的发展

计算机发展经历了三个阶段：机械式计算机、机电式计算机和电子计算机。

机械式计算机：1625年英格兰人威廉.奥特雷进行6位数加减法计算的滑动计算尺；1642年法国人帕斯卡以齿轮传动装置进行8位计算加法器；1822年英国人巴贝奇自动完成算术运算的差分机。机电式计算机

1941年，德国人朱斯第一台使用二进制数的全自动可编程计算机z-3。电子计算机

1946年2月美国宾夕法尼亚大学的莫克利和埃克特世界上第一台大型通用数字电子计算机ENIAC。

5000次加法/秒体重30吨占地170m218800只电子管

1500个继电器功率150KW

字长12位ENIAC现代计算机的出现

1949英国剑桥大学维尔克斯

EDSAC电子离散时序自动计算机第一台存储程序式计算机

1946年，冯·诺依曼首次提出了电子计算机中存储程序的概念（存储程序和程序控制），并提出了计算机的基本构造—存储器、计算器、控制器、输入设备和输出设备。

第一代（1946~1953）电子管5千~4万(次/秒)第二代（1954~1963）晶体管几十万~百万(次/秒)第四代（1971~）大/超大规模集成电路几亿~几百亿(次/秒)第三代（1964~1970）中小集成电路几千万~几百亿(次/秒)1.1.2现代计算机的发展时代电子元器件存储部件系统软件应用范围1946~1953电子管穿孔卡片磁鼓基本没有，使用机器语言和汇编语言编制程序科学计算1954～1963晶体管磁芯磁盘和磁带高级语言（FORTRAN、COBOL等）管理程序扩展到数据处理、自动控制1964～1970中、小规模集成电路半导体存储器磁盘和磁带高级语言操作系统扩展到文字处理、企事业管理1971年至今大规模和超大规模集成电路半导体存储器光盘、移动存储高级语言网络操作系统、分布式操作系统社会生活的各个领域表计算机发展的四个时代科普知识——秒的单位1,000皮秒=1纳秒1,000,000皮秒=1微秒1,000,000,000皮秒=1毫秒1,000,000,000,000皮秒=1秒

1秒=103毫秒=106微秒=109纳秒

=1012皮秒

计算机常用的存储单位位

bit(比特，BinaryDigits)：存放一位二进制数，即0或1，最小的存储单位。字节

byte：8个二进制位为一个字节(B)。最常用的单位。容量一般用KB，MB，GB，TB来表示，它们之间的关系是：

1KB(Kilobyte千字节)=1024B=210B，

1MB(Megabyte，兆字节，简称“兆”)=1024KB=220B，

1GB(Gigabyte，吉字节，又称“千兆”)=1024MB=230B，

1TB(Terabyte，太字节，或百万兆字节)=1024GB=240B1PB=1024TB

1EB=1024PB

1ZB=1024EB

1YB=1024ZB

1BB=1024YB

中国No.1：天河一号。“天河一号”为我国首台千万亿次超级计算机。“天河一号”超级计算机使用中国芯片

中国No.1：天河一号1206万亿次每秒，这个速度意味着，如果用“天河一号”计算一秒，则相当于全国13亿人连续计算88年。中国No.1：天河一号如果用“天河一号”计算一天，一台当前主流微机得算160年中国No.1：天河一号。“天河一号”的存储量，则相当于4个国家图书馆藏书量之和。中国No.1：天河一号

2010年，国防科学技术大学在“天河一号”的基础上，对加速节点进行了扩充与升级，新的“天河一号A”系统已经完成了安装部署，其实测运算能力从上一代的每秒563.1万亿次倍增至2507万亿次。

2010年11月14日，国际TOP500组织在网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行榜，中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”雄居第一。

世界No.1日本超级计算机"京"

日本理化学研究所与富士通共同研发中的超级计算机“京”以每秒8612万亿次的运算速度在2011年全球超级计算机500强排名中位列第一。

世界No.1日本超级计算机"京"

“京”采用了68544颗SPARC64VIIIfx处理器，主频2.0GHz，每颗八个核心，总计548352个核心，几乎是其它超级计算机的两倍，而且不同于中国天河一号A，它没有采用GPU加速。未来美国将在2012年公布名为“巨人（Titan）”的超级计算机，计算速度可达每秒2万万亿次。美国IBM公司也计划在2012年公布名为“红杉（Sequoia）”的超级计算机，运行速度同样达到每秒2万万亿次。微处理器集成度发展示意图晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片0.13微米芯片10微米芯片摩尔在1965年指出，芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番。原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。1975年，摩尔又修正了摩尔定律，他认为，每隔24个月，晶体管的数量将翻番。这篇文章发表的时候，芯片上的元件大约只有60种，而现在，英特尔最新的Itanium芯片上有17亿个硅晶体管。摩尔定理摩尔定理晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒每18个月芯片能力增长一倍。我国的计算机事业1958年：第一台电子管计算机103机（DJS－1）1965年：第一台晶体管计算机108机1970年：第一台集成电路计算机（DJS－100）1983年：银河－Ⅰ巨型机亿次/S国防科大1984年：长城0520系列（与IBM－PC兼容）1992.11：银河－Ⅱ巨型机10亿次/S国防科大1997.6：银河－Ⅲ巨型机130亿次/S国防科大2000：曙光30003000亿次/S曙光公司2003：曙光4000L百万亿次曙光公司1.1.3微型计算机的发展

1975年，美国业余计算机爱好者爱德华.罗伯茨发明第一台牛郎星Altair8800计算机

1976年，苹果公司推出了微机AppleⅡ引发了个人电脑革命

1981年，IBM公司推出了第一台16位个人计算机IBMPC5150，首次命名为PC（PersonalComputer，个人计算机）

1984年8月，IBM公司推出了IBMPC/AT微机，它支持多任务、多用户。

1985年6月，长城0520微机研制成功，这是中国内地第一台自行研制的PC兼容微机。

20世纪90年代后，每当英特尔公司推出新型CPU产品时，马上会有新型的PC推出。超导计算机耗电量为半导体几千分之一，速度提高十倍。量子计算机

实行并行计算；存储能力大大提高；任意物理系统模拟效率高；发热量小。光子计算机存储量大，抗干扰能力强，容错性好。生物计算机存储量大，具有自我修复能力。神经网络计算机自我判断和自适应能力，并行处理多种数据。未来计算机向着超高速、超小型、并行处理和智能化方向发展。1.1.4未来新型计算机

1.2.1计算机的分类计算机类型大型计算机微型计算机超级计算机：如世界超级计算机500强

大型集群计算机：如浪潮天梭TS10000

大型服务器等：如IBM公司eServerz990PC：如Pentium4桌面微机

苹果机：如苹果PowerPCG5

笔计本：如迅驰2代笔记本

PC服务器：如HPProLiantML150G2

平板机：如东芝dynabookR10

掌上电脑：如惠普iPAQh6315PocketPC工业控制PC：如西门子SIMATICIL43工控机

单片机：如80C51系列单片机

POS机：如电子收款机系统

ATM机：如自动柜员机

其他控制：测量、管理、应用系统嵌入式系统1.2计算机的类型1.2.2微型计算机类型微机按产品范围分：

PC

苹果机笔记本平板机掌上微机1.3计算机的结构及基本工作原理1.3.1计算机的基本结构冯·诺依曼的主要思想可概括为以下3点：

冯·诺依曼计算机结构计算机主要包括：输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器五大组成部分。

采用二进制形式表示数据和指令

冯·诺依曼思想的核心内容是存储程序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自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。

计算机的基本工作原理人们预先编制程序，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中的每一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。所以，计算机的工作原理可以概括为存储程序和程序控制。1.3.2微机系统结构1、早期的微机系统结构微处理器CPU

主存储器外存接口I/O接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等软、硬盘驱动器地址总线数据总线控制总线IBMPC/XT采用ISA系统总线结构，将所有设备挂接在一条ISA总线上。优点：设计简单缺点：易造成系统瓶颈2、目前的微机系统结构3、微机系统的1-3-5-7规则1个CPU：顶层，控制系统运行3大芯片：

北桥芯片（MCH）主要负责内存与CPU的数据交换、显示数据、CPU数据的交换；

南桥芯片（ICH）负责数据的上传与下送；

BIOS芯片（FWH）关系到硬件系统与软件系统的兼容性5大接口：IDE集成驱动器电子设备接口,SATA串行ATA接口,SIO超级输入输出接口,LAN以太网接口,AC97音频设备接口7大总线：FSB前端总线,MB内存总线,PCI-E显示总线,HA南北桥连接总线,PCI外部设备互连总线,LPC少针脚总线,USB通用串行设备总线1.4计算机硬件系统组成1.4.1计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是构成计算机系统的各种物理设备的总称，它包括微机和外部设备两部分。软件系统是运行、管理和维护计算机的各类程序和文档的总称。微型计算机系统

运算器(ALU)

中央处理器(CPU)—

主机—

控制器(TRU)

内部存储器(RAM、ROM)

硬件—

外部存储器硬盘、软盘、光盘)

系统

输入设备键盘、鼠标、扫描仪)

外部设备-

输出设备显示器、打印机、绘图仪)

计算机系统-

其它设备电源等

操作系统(DOS、Windows、UNIX)

系统软件—

编译系统

软件—

数据库管理系统

系统

系统服务程序

应用软件—

专用应用软件

通用应用软件

((()()硬件系统微机的构成：主机，显示器，键盘，鼠标，音箱等。核心设备主机=微处理器CPU+主板+内存+显卡+硬盘+…外部设备=外存储器+输入设备+输出设备

中央处理器简称CPU，是计算机最核心的部分，计算机所发生的全部动作都受CPU的控制。CPU由运算器和控制器构成。1.4.2CPULGA封装的Pentium4CPU芯片外观形状Pentium4CPU内部结构CPU技术性能CPU处理字长：指CPU单位时间内能一次并行处理的二进制数的位数。

16，32，64位CPU主频：指CPU内核电路的实际运行频率。主频越高，主机运算速度越快。CPU线宽：指CPU硅片上各元器件连接线宽度。

目前实际最高精度为45nm。Cache：位于CPU与内存之间高速缓冲存储器

，复制了频繁使用的数据以利于快速访问。

目前core2CPU的Cache采用800MB容量，三级结构。英特尔CPU的类型6代1981年至今

8088/8086--80286--80386--80486--奔腾--奔腾pro/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ-酷睿

2核/4核主流系列酷睿高端★★★★★奔腾主流★★★★赛扬低端

★★★主要区别：主频和缓存缩水了！1.4.3主板系统主板功能：用于传输各种电子信号，部分芯片也负责初步处理一些外围数据。组成：集成电路芯片、电子元器件、电路系统、各种总线插座和接口。主要固定部件:CPU:采用Socket插座。芯片组:北桥芯片,南桥芯片和BIOS芯片推荐品牌:华硕、微星、技嘉CPU插座PCIExpress插槽PCI插槽内存条插糟北桥芯片

主板决定主板性能的指标有：芯片组、总线结构、扩展槽南桥芯片1.4.4存储器

随机存储器RAM存储器内存/主存储器

光盘存储器外存/辅助存储器

磁盘存储器：硬盘、软盘只读存储器ROM静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM优盘特点：直接与CPU相连接并交换信息存储容量小，但存取信息速度快，价格高用来暂时存放当前运行程序的指令和数据分类：

RAM：随机存储器，可读写，断电后数据丢失。

ROM：只读存储器，不可写，预先存入数据，断电后数据不丢失。

Cache：高速缓存，置于CPU与主存之间，存放频繁使用数据，CPU优先读取Cache

中数据。内存内存容量：内存存储单元的总数，单位字节B。

1B=8bit，1KB=1024B，1MB=10242B。内存容量实质上指RAM的容量（因为ROM可存储容量为0)。主流DDRxSDRAM（双倍速率同步固态随机处理器同步动态随机存取存储器）容量2G。内存读写时间：读/写一个字的时间推荐品牌：金士顿、威刚、三星、现代内存条外存特点：通常外存只和内存交换数据存储容量大，存取信息速度慢，价格低用来永久存放“暂时不用”的程序和数据分类：磁盘、光盘、U盘硬盘硬盘片读写磁头柱面

磁道扇区磁盘总容量=磁盘数x扇区数x磁面数x扇区字节数光驱外存类别：硬盘：由多个密封固定磁盘片组成，利用电磁原理读写数据。优点是容量大，存取方速度快，价格低。光盘：利用光盘的凹坑记录数据，通过激光照射以反射强弱读取数据。分为：优盘（或U盘）：用“快闪存储器”作为存储介质，不需另外的硬驱动设备，使用时只要插入微机中的USB插口即可。优点是小巧便携抗震。移动硬盘：通过USB口与主机相连。只读型（CD-ROM、DVD-ROM）一次写入型（CD-R、DVD-R）可擦写型（CD-RW、DVD-RW）

cacheRAM外存：硬、光、U、软速度容量慢快大小各种存储器特点比较CPU1.4.5总线和接口总线总线指微机中各种部件之间共享的一组公共数据传输线路。包括：数据线、地址线、控制线、电源线和地线。性能指标：总线宽度总线频率主机的7大总线：

FSB前端总线（CPU-北桥芯片）

MB内存总线（北桥芯片与内存条）

PCI-E图形显示接口总线

IHA南北桥连接总线

PCI外部设备互连总线

LPC少针脚总线

USB通用串行设备总线I/O接口主机与外设之间的数据交换的输入输出接口。分类：串口，RS232；并口，LPT接口1.4.6输入输出设备显示器，分为CRT和LCD显示器打印机，分为针式、喷墨式和激光打印机绘图仪键盘，主流为107标准键盘鼠标，分为机械式和光电式。扫描仪输入设备输出设备1.4.7微型计算机的主要性能指标字长：计算机一次可并行处理的二进制数码的位数