计算机基础第1章计算机系统基础

计算机基础第1章计算机系统基础目录计算机系统概述计算机硬件系统计算机软件系统计算机的工作原理计算机的性能指标与评价计算机系统的发展趋势与展望01计算机系统概述计算机是一种基于微处理器的智能电子计算机器，具有高速运算、存储和处理数据的能力。计算机的发展经历了机械计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和超大规模集成电路计算机等五个阶段。随着计算机技术的不断发展，计算机已经广泛应用于各个领域，如科学计算、数据处理、自动控制、计算机辅助设计、人工智能等。计算机的定义与发展硬件系统包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理基础。软件系统包括系统软件和应用软件，是计算机的逻辑基础，用于管理和控制计算机硬件及应用程序。计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机系统的组成在不同的应用领域中，需要不同类型的计算机来完成相应的任务，例如科学计算需要高性能的巨型机或大型机，而数据处理则可以使用小型机或微型机。根据计算机的运算速度、字长、存储容量等指标，可以将计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机和工作站等类型。计算机的应用领域十分广泛，包括科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助设计、计算机网络与通信、人工智能等。计算机的分类与应用领域02计算机硬件系统执行算术和逻辑运算，处理数据。运算器控制器寄存器控制计算机各部分协调工作，保证计算机按程序规定的要求进行操作。暂时存放参与运算的数据和运算结果，具有接收数据、存放数据和输出数据的功能。030201中央处理器直接与CPU相连，存取速度快，但容量有限。内存储器间接与CPU相连，存取速度慢，但容量大，可以长期保存信息。外存储器存储器将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标、扫描仪等。将计算机运算结果转换为人们熟悉的信息形式，常见的有显示器、打印机等。输入输出设备输出设备输入设备连接计算机各部件的一簇公共信号线，是计算机中各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。总线连接计算机与外部设备的桥梁，负责数据的传输和转换。接口总线与接口03计算机软件系统管理和控制计算机硬件及软件资源，提供基本的计算机操作界面和功能，如Windows、macOS、Linux等。操作系统连接和控制系统硬件设备的软件，使得操作系统和应用程序能够使用这些设备，如显卡驱动、打印机驱动等。设备驱动程序用于存储、检索和管理数据的软件系统，如MySQL、Oracle、SQLServer等。数据库管理系统用于维护、优化和修复计算机系统的工具软件，如杀毒软件、系统优化软件等。系统工具软件系统软件办公软件图像处理软件视频编辑软件游戏软件应用软件用于处理文档、电子表格、演示文稿等办公任务的软件，如MicrosoftOffice、WPSOffice等。用于处理和编辑视频的软件，如AdobePremierePro、FinalCutPro等。用于处理和编辑图像的软件，如AdobePhotoshop、GIMP等。用于娱乐和游戏的软件，包括各种电脑游戏和手机游戏。编程语言编程范式算法与数据结构软件开发工具编程语言与程序设计01020304用于编写计算机程序的语言，如C、Java、Python等。程序设计的基本风格和方法，包括面向过程编程、面向对象编程、函数式编程等。程序设计中用于解决特定问题和处理数据的方法和结构，如排序算法、树形结构等。用于辅助程序设计和开发的工具软件，如集成开发环境（IDE）、版本控制工具等。04计算机的工作原理计算机执行某种操作的命令，由操作码和操作数组成。指令一台计算机所有指令的集合，反映了计算机的基本功能和特性。指令系统通常由操作码、地址码等字段组成，用于表示指令的操作性质和操作对象。指令格式指令与指令系统计算机执行程序的过程从存储器中取出要执行的指令，送到CPU的指令寄存器中。对取出的指令进行分析，确定要执行的操作和操作数的地址。根据分析结果，按指令规定的操作执行相应的动作。将执行结果存储到指定的内存单元中。取指令分析指令执行指令存储结果取指周期：CPU从存储器中取出一条指令，并放入指令寄存器中。间址周期：如果指令中的操作数不是立即数，则需要通过间址操作获取操作数的有效地址。执行周期：CPU根据指令的操作码和操作数执行相应的操作。中断周期：在执行程序过程中，如果出现异常情况或需要处理更高优先级的任务，CPU会响应中断请求，并保存当前程序的执行状态，然后跳转到中断处理程序执行。中断处理完成后，再恢复原来程序的执行。CPU的工作流程05计算机的性能指标与评价主频指计算机CPU的时钟频率，它决定了CPU每秒钟可以执行的指令数。主频越高，CPU的运算速度越快。字长指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度和速度。字长越长，计算机处理数据的速度越快，精度越高。存储容量指计算机内存储器中可存储信息的总量，通常以字节（Byte）为单位。存储容量越大，计算机可以处理的数据量越多。字长、主频、存储容量等性能指标MIPS（MillionInstructionsP…即每秒钟执行的百万条指令数，是衡量计算机运算速度的一个重要指标。MIPS值越大，计算机的运算速度越快。要点一要点二MFLOPS（MillionFloatingPoi…即每秒钟执行的百万次浮点运算次数，是衡量计算机浮点运算速度的一个重要指标。MFLOPS值越大，计算机的浮点运算速度越快。MIPS、MFLOPS等性能评价标准是一组用于评估计算机性能的标准测试程序，它们可以模拟各种实际应用场景下的计算负载，从而客观地评价计算机的性能。常见的基准测试程序包括Linpack、SPEC等。基准测试程序以Linpack基准测试程序为例，该程序通过求解线性方程组来评估计算机的浮点运算性能。在测试中，可以通过观察计算机在单位时间内完成的浮点运算次数（即MFLOPS值）来评价其性能。同时，还可以结合其他性能指标如CPU主频、内存容量等进行综合评估。性能评价实例基准测试程序与性能评价实例06计算机系统的发展趋势与展望摩尔定律在一个芯片上集成的晶体管数量每18个月翻一倍，但是由于物理学的限制，集成电路的技术极限已经接近。硬件发展趋势随着光计算、量子计算等技术的发展，未来硬件行业将不再追求更高的效能，而是会强调多元化、专业化、智能化等方向的发展。摩尔定律与硬件发展趋势云计算已经成为软件技术的重要发展方向，它将计算资源集中起来，通过网络以服务的形式提供给用户。云计算人工智能技术的快速发展正在改变软件行业，未来软件将更加注重智能化、自动化和个性化。人工智能随着敏捷开发、DevOps等方法的普及，软件开发过程将更加注重团队协作、快速迭代和持续改进。软件开发方法软件技术的发展趋势展望未来计算机系统将更加注重人性化、智能化和安全性，例如通过自然语言处理、计算机视觉