计算思维导论（第2版）课件：计算平台

计算平台3.1计算机硬件系统概述电脑里都有什么？什么是计算机系统？你用过哪些软件？你丢过U盘吗？你出现过蓝屏现象吗？计算机系统组成计算机系统的物理设备的总称硬件系统1负责运行、管理和维护各种程序、数据和文档的总称软件系统2运算器存储器输入设备输出设备15243控制器语言处理程序面向应用的各类应用程序工具软件应用软件操作系统人用户程序应用程序+软件包语言处理系统操作系统硬件冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构二进制五大部件存储程序01

处理器数据流控制流

存储器运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器微机的主要性能指标微机的主要性能指标指每秒钟所能执行的指令条数等，微型计算机一般采用主频来描述运算速度计算机在同一时间内处理的二进制数反映了计算机即时存储数据的能力运算速度字长内存容量3.2计算机基本工作原理计算机的协调工作靠什么？——五大部件实现各种功能+输入各种指令指令系统指令能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成某种操作。指令系统一台计算机的所有的指令集合。要完成的操作类型或性质，如取数、加法、减法。操作码的位数决定了指令的条数。操作码操作数操作的内容，或所在的地址。操作数多数情况下是地址，也称为地址码。数据传送指令数据处理指令程序控制指令MOV、XCHG、PUSH、POP、LEA、…ADD、SUB、MUL、DIV、…IF、LOOP、CMP、…数据传送指令程序控制指令数据处理指令输入输出指令其他指令输入输出指令INPUT、OUTPUT、…其他指令对硬件的管理、…请求信号输出设备存储器输入设备运算器控制器数据线控制线指令响应信号响应信号请求信号地址指令取数存数运算信号反馈信号入出CPU是由什么构成的？运算器+控制器④控制器①程序计数器1②指令寄存器2③指令译码器3时序控制电路4⑤微操作控制电路5控制器是由什么构成的？控制器的作用从内存中取出指令读写内存步骤控制计算机各部件有序工作，对内存的读写操作由控制器控制分析指令执行指令①②③工作原理计算机工作原理指令系统操作数地址码指令执行过程3.3微型计算机硬件组成主板什么是主板？主板的主要部件主板的功能主板的性能影响因素主板的架构又称为母板、主机板、系统板、逻辑板、底板，是构成复杂电子系统的中心或主电路板。主板：Motherboard不同类型的CPU，需要不同类型的主板与之匹配。好的主板可以让电脑更稳定地发挥系统性能。总线插座电子元器件电路系统接口集成电路芯片电压稳定保护温度过热保护自动开机功能系统休眠功能平衡数据、速度、温度、电流等休眠至内存CPU电压的自动侦测CPU测温和过热保护休眠至硬盘允许按时间自动启动芯片和总线连接各部件BIOS基本输入输出系统电源插口及主板供电为外设提供接口主板功能CPU监控功能高级电源管理核心功能核心、辅助biosBIOS芯片决定主板兼容性好坏。bitsChip元件的选择和生产工艺决定主板的稳定性。功能多少取决于南桥芯片与主板上的专用芯片。时间6.

型号———EATX、WATX，多用于服务器或工作站5.

型号———MicroATX，ATX简化版，多用于品牌机并配小型机箱4.

型号——BTX，未流行，被淘汰1.

型号————AT、Baby-AT，已淘汰2.

型号————ATX，主流产品，4-6个PCI插槽3.

型号———LTX、NLX、FlexATX，ATX变种，国外品牌机型号分为南桥芯片和北桥芯片。南桥芯片：距离CPU较远，主要负责I/O接口控制、IDE设备控制以及高级能源管理等。什么是芯片组？芯片组分类南北芯片功能芯片组芯片组决定了主板的结构及CPU的使用，控制整个主板的运作。北桥芯片：是主板性能的主要决定因素。由于北桥芯片的发热量较高，芯片上会装有散热片或配合风扇进行散热。北桥芯片是主板上离CPU最近的芯片，负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。IDE:IntegratedDeviceElectronics

集成设备电子部件，接口标准南桥芯片：在PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。BIOSCMOS是一组存储在EPROM中的软件，EPROM固化在主板芯片上。BIOS是主板上的核心，由BIOS负责从计算机开始加电开始到完成OS引导之前的各个部件和接口的检测、运行管理。在操作系统引导完成后，由CPU控制完成对存储设备和I/O设备的各种操作、系统各部件的能源管理等。是一种存储BIOS所使用的系统存储器，是主板上的一块可读写的RAM芯片。用来保存当前系统的硬件配置。用户可以利用CMOS对系统参数进行设置。接口主板硬件外设硬件串口并口接口串行接口简称串口，通常指COM接口。是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。IEEE1394接口是苹果公司开发的串行标准，俗称火线接口。支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，支持同步数据传输。通用串行总线（USB）：是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范。USB支持热插拔。最新一代是USB3.1，传输速度为10Gbit/s。连接鼠标和键盘的接口，与USB除外型和引脚不同，其他相同的，如传输格式。串行接口USBIEEE1394PS/2并行接口指数据的各位同时进行传送，数据的宽度可以从1～128位或者更宽。在计算机领域最常用的并行接口是通常所说的LPT，打印终端口。并行接口外设接口时钟频率低时，同时传输，速度快；时钟频率高时，并行导线多，干扰严重，数据校对费时。时钟频率低时，按位传输，速度慢；时钟频率高时，串行导线少，干扰减少，干扰容易控制。并行接口串行接口硬盘接口外设接口硬盘接口硬盘与主机间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。硬盘接口举例：IDE接口。用于家用产品中，目前很少见。SCSI接口。主要用于服务器市场。光纤通道。价格昂贵，用于高端服务器。SATA。主要用于家用市场，是主流。并行接口USB数据线接口总线地址总线控制总线数据总线总线：是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。是由导线组成的传输线束。在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。用来指定在RAM之中储存的数据的地址。将微处理器控制单元的信号，传送到周边设备。一般常见的为USBBus和1394Bus。64位处理器寻址能力：2^64=16*10^18=16EB数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息。PCI插槽是主板的主要扩展插槽。一般为乳白或黑色。位宽为32位或64位。数据传输率常见有133或266MB/s。1AGP插槽又称图形加速端口总线，是在PCI总线基础上专门针对3D图形处理开发的高性能总线。如，AGP8X的传输速率可达到2.1GB/s2PCIExpress插槽是最新的总线和接口标准。数据传输速率高。目前最高可达到10GB/s以上。规格：PCI-Ex1到PCI-Ex163总线扩展槽也称为I/O插槽。主要用于扩展微型计算机的功能，用户可以根据需要在扩展槽上插入各种用途的插卡，如显示卡、声卡等。扩展槽有ISA、AGP、PCI、和PCIExpress等。CPU运算器控制器存储器输入设备输出设备五大部件CPUA什么是CPU？CPU能干什么？CPU由什么构成的？ALU又是什么的？中央处理器（CPU）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。BALU，执行算术运算和逻辑运算算术逻辑部件算术运算：+,-,*,/

逻辑运算：and,or,not,compareto数据来自内存，运算结果又送回内存CPU是由什么构成的？控制器又是干什么的？C控制器的概念从内存中取出指令读写内存步骤控制计算机各部件有序工作分析指令执行指令①对内存的读写操作由控制器控制②③性能指标CPU主频：CPU内核电路工作的时钟频率。CPU在一个时钟周期里面完成的指令数。CPU外频又叫做CPU的总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率。外频越高，CPU与外围设备之间同时可以交换的数据量越大。CPU超频是指通过某些设置更改倍频，使CPU的主频超过固有的频率。超频可以采用跳线设置、BIOS设置或利用超频软件完成，后两种是目前较常见的超频方法。睿频（动态加速频率）指的是应对复杂应用时，处理器可以自动提高运行主频，以符合高工作负载的应用需求。主频=外频*倍频。性能指标核心数量和线程数：核心数量是指一个CPU中集成的物理核心的数量，每个物理核心有独立的电路元件和缓存，可以独立地执行指令。常见的双核、四核、六核、八核、十二核、十六核等。CPU线程数是在同一时刻，可同时运行程序的个数。譬如，双线程指一个核心单元组可以运行两个线程，让计算机认为这个核心有两个虚拟核心。制造工艺：通常用纳米（nm）数字来描述，精度越高表示生产工艺越先进，集成度越高。CPU设计和生产厂商主要有：Intel，AMD等公司。存储器之内存存储器分类主存储器信息交流中心，与主板上各个部件打交道造价相对较高，容量受限制不能长期保存数据内存的存取速度直接影响计算机的速度辅存，磁盘、光盘、U盘等主要用来长期保存暂时不用的程序和数据,容量较大通常只和内存打交道，存取速度相对内存慢内存外存MEMORY内存也称内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。不同标准的内存条，在外观上没有太大区别；但引脚数量和功能不同，互相不能兼容。内存地址：每一个存储单元（一个字节）都有一个地址。地址是计算机访问该内存单元的依据内存地址与寻址0000H0001H0002HFFFFH存储位存储单元（字节）存储体例：向[0001]单元写数据内存地址与寻址地址0001

控制:写1000000000001110110100011100110100101110110100111110100101001110110101011000110101101000110101111110110110000000数据已知一个具有14位地址和8位数据的存储器，回答下列问题：（1）该存储器能存储多少字节的信息？（2）如果存储器由8K×4位RAM芯片组成，需要多少片？（1）该存储器能存储的字节个数是：214=24×210=16KB。（2）该存储器能存储的总容量是16KB，若由8K×4位RAM的芯片组成，需要的片数为：（16K×8）/（8K×4）=4片RAM——————即：随机存取存储器。CPU对它们既可读又可写入数据。12DRAM———————即：动态随机存取存储器。DRAM用电容存储。隔一段时间必须刷新一次。3SDRAM——————即：同步动态随机存储器。SDRAM增加了时钟信号和内存命令。是当前的主流产品。4SRAM——————即：静态随机存取存储器。具有高速和静态的特性。不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据。DRAMSDRAMSRAMDDR-184针DIMM插槽DDR2-240针DIMM插槽DDR2bitDDR24bitDDR内存DDR：双倍速率SDRAM，每个时钟周期预取2bit。DDR38bitDDR416bit内存的主要性能指标一般用存取一次数据的时间来表示。一般而言，内存容量越大越有利于系统的运行。DDR2DDR3DDR4DDR5速度容量类型CPURAMCACHE高速缓存Cache高速缓存CacheCACHEL1L2L3闪存（FlashMemory），具备DRAM快速存储的优点，也具备硬盘永久存储的特性。包括U盘、闪存卡（SD卡、TF卡、CF卡、记忆棒等）优点缺点速度慢擦写次数有极限优缺点半导体工艺生产便宜DRAM、SAM、SDRAM、DDR高速缓存Cache闪存内存的概念地址与寻址存储计算什么是内存？内存的类型外存之硬盘外存储器DOCUMET’sSAVINGPOIUYTREWQLKJHGFDSAMNBVCXZ21固态硬盘混合硬盘机械硬盘3详细说明固态硬盘混合硬盘图解说明21固态硬盘混合硬盘机械硬盘3详细说明硬盘是电脑的主要存储媒介之一，容量大，不易失固态硬盘混合硬盘HDD，HardDiskDrive，是利用磁介质存储数据的机电式产品，盘片由铝质合金和磁性材料组成。混合硬盘固态硬盘混合硬盘利用磁性材料的“剩磁”特性存储数据。如，磁粒子N/S方向表是0/1。剩磁特性：是指铁磁质经磁化后，在外磁场消失的情况下仍保存的磁感应强度。磁头：磁头都附着一个称为驱动器的托架上，由控制器驱动。磁盘盘片：硬盘由金属盘片重叠在一起构成的，每个盘片都划分成同心的磁道。第1部分3详细说明2固态硬盘机械硬盘1机械硬盘硬盘是电脑的主要存储媒介之一，容量大，不易失第1部分机械硬盘HDD，HardDiskDrive，是利用磁介质存储数据的机电式产品，盘片由铝质合金和磁性材料组成。混合硬盘固态硬盘混合硬盘利用磁性材料的"剩磁"特性存储数据。磁粒子N/S方向表是0/1。剩磁特性：是指铁磁质经磁化后，在外磁场消失的情况下仍保存的磁感应强度。磁头：磁头都附着一个称为驱动器的托架上，由控制器驱动。磁盘盘片：硬盘由金属盘片重叠在一起构成的，每个盘片都划分成同心的磁道。详细说明柱面：所有盘面的相同磁盘号的集合称为一个柱面。扇区：磁道被划分成许多区域，每个区域叫一个扇区，每个扇区可以存储512B的信息。磁道：在磁盘的盘面上，每个扇区都被划分成同心的圆圈，即磁道。容量＝磁头数×柱面数×

每磁道扇区数×每扇区字节数技术指标：硬盘容量、数据传输率、

主轴转速、平均寻道时间第1部分机械硬盘混合硬盘固态硬盘混合硬盘详细说明柱面：所有盘面的相同磁盘号的集合称为一个柱面。扇区：磁道被划分成许多区域，每个区域叫一个扇区，每个扇区可以存储512B的信息。磁道：在磁盘的盘面上，每个扇区都被划分成同心的圆圈，即磁道。容量＝磁头数×柱面数×

每磁道扇区数×每扇区字节数技术指标：硬盘容量、数据传输率、

主轴转速、平均寻道时间1固态硬盘机械硬盘混合硬盘详细说明3第1部分固态硬盘机械硬盘固态硬盘1混合硬盘详细说明3机械硬盘固态硬盘没有机械部件，因此抗震性能极佳，工作温度很低。固态硬盘在接口标准和使用方法上，与机械硬盘完全相同。SolidStateDrive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘1混合硬盘详细说明3机械硬盘固态硬盘没有机械部件，因此抗震性能极佳，工作温度很低。固态硬盘在接口标准和使用方法上，与机械硬盘完全相同。SolidStateDrive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘1混合硬盘详细说明3机械硬盘2混合硬盘固态混合硬盘(SSHD:SolidStateHybridDrive)：是把磁性硬盘和闪存模块直接整合到硬盘上。能提供更佳的性能，还可减少硬盘的读写次数，从而使硬盘耗电量降低。外存之光盘光盘是一种可以利用激光将信息写入和读出的高密度存储媒体。光盘用于记录数据。光盘的概念光驱的概念光盘的存储原理对光盘信息进行读写的装置称为光盘驱动器盘（光驱）。光驱用于读取数据。存储原理：光盘中每个沟槽边缘代表数据“1”，其它地方则代表数据“0”。出厂前一次成型，只能读，不能写，如CD-ROM（约650M）、DVD-ROM（约4.7G）。刻录机一次性写入CD-R或DVD-R光盘中。激光照射到盘片记录层的有机染料上产生凹坑。刻录层由银、铟、锑、碲合金构成。刻录时通过改变刻录层物质的分子结构，使合金呈物质呈现不同的反射率，反射率低的相当于凹陷。一次性刻录光盘只读光盘反复读写光盘只读光盘一次性刻录光盘反复读写光盘机械硬盘固态硬盘混合硬盘硬盘光盘输入设备输出设备计算机的目的：接收输入，处理后，输出结果，并将结果应用到各种场合输入设备

作用：接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机可以识别的形式，存放到内存中。常用输入设备：鼠标、键盘、扫描仪、写字板、麦克风等。输出设备作用：将内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的方式。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等。

显示器是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。分类举例：阴极射线管显示器（CRT），等离子显示器PDP，液晶显示器LCD等等主要参数：屏幕尺寸、分辨率、可视角度、……显示器显示器分类主要参数喷墨打印机喷墨打印机使用墨水。耗材便宜，但打印速度慢、打印质量一般。激光打印机3D打印机激光打印机使用硒鼓、碳粉打印，打印质量好、效率高，噪音低、成本低。3D打印机使用ABS/PLA（卷材），光明树脂液体，尼龙粉末，金属粉末，陶瓷粉末，石膏粉末等耗材。采用多种方法成型。工作原理激光打印机3D打印机工作原理输入设备输出设备打印机显示器……键盘鼠标扫描仪…….3.4计算机软件系统系统软件和应用软件控制和维护计算机的正常运行，管理计算机的各种资源，以满足应用软件的需要。完成一个特定的任务，在系统软件的支持下才能运行。应用软件系统软件系统软件硬件人应用软件本地软件和在线软件本地软件：指将软件下载并安装在用户本地的计算机上。在线软件：软件供应商将应用软件统一部署在自己的服务器上，用户通过互联网

即可访问部署了应用软件的服务器。商业软件、免费软件等01商业软件：指被作为商品进行交易的计算机软件030204免费软件：指可以自由、免费使用并传播的软件软件开放软件：指一种源代码可以任意获取的计算机软件自由软件：一种可以不受限制的自由使用、复制、研究、修改和分发的，尊重用户自由的软件终身软件许可证年度软件许可证商业软件许可证自由软件许可证ABCD软件许可证是一种具有法律性质的合同或指导，目的在于规范受著作权保护的软件的使用或散布行为。3.5操作系统的功能和分类操作系统概念ContentsContents操作系统：用于管理和控制计算机所有的硬件和软件资源的一组程序。其性能在很大程度上决定了整个计算机的性能。启动计算机就是把操作系统调入内存。即把操作系统的核心程序及其他需要经常使用的指令从硬盘调入内存。打开电源开关“开始”|“关机”|“重新启动”OS加电自检POST(主板)3456712查找显卡BIOS并自检检测CPU和内存安装配置标准硬件设备检测配置即插即用设备更新CMOSRAM自举查找显卡BIOS并自检安装配置标准硬件设备检测配置即插即用设备更新CMOSRAM自举操作系统分类操作系统分类06分布式操作系统02分时操作系统04单用户操作系统05网络操作系统03批处理操作系统01实时操作系统操作系统举例处理机功能单道：不能超车单道程序系统时间t程序A程序B程序C执行执行执行内存处理机任务：有效地、合理地分配CPU的时间多道程序系统时间t内存程序A程序B程序C执行等待等待执行等待执行等待等待执行等待执行多道：可以超车处理机任务：有效地、合理地分配CPU的时间动态性并发性异步性进程特征独立性进程：是程序的一次执行过程。一个程序被加载到内存，系统就创建了一个进程，程序执行结束后，该进程就消亡了。当一个程序同时被执行多次，系统就创建了多个进程。随着计算机软硬件技术的发展，为了更好地实现并发处理和共享资源，提高CPU的利用率，目前许多操作系统把进程