《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》第1章 計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)

第一章計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.1計算機的發(fā)展

1.2計算機的類型

1.3計算機基本工作原理及結(jié)構(gòu)

1.4計算機硬件系統(tǒng)的組成

1.5計算機軟件系統(tǒng)

1.6數(shù)據(jù)在計算機中的表示與存儲

2

什么是現(xiàn)代計算機？

R算機是一種無須人工干預(yù)，能對各種信息進(jìn)

行存儲和快速處理的電子設(shè)備。

現(xiàn)代計算機是電子驅(qū)動的，其本質(zhì)特征是存儲

控制，即將事先編好的“程序”（指令和數(shù)

據(jù)）存入“存儲器”中，然后計算機就可以

按照程序步驟自動連續(xù)執(zhí)行。

思考：計算器和計算機的區(qū)別。

3

1.1計算機的發(fā)展

1-1-1早期計算工具的發(fā)展

最早：手指/腳趾：只能記數(shù)、不能存儲、局限于0~20以內(nèi)。

商朝：甲骨文

周朝：算籌

唐朝：算盤

1-1計算機的發(fā)展

CharlesBabbage

ENIACMARKI1833分析機5

1.1.2早期計算機的發(fā)展

計算機是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好

的任務(wù)。

圖靈機是一種思想模型，

它由三部分組成：

一個控制器，一條可以無限延

伸的帶子和一個在帶子上左右

移動的讀寫頭。

為紀(jì)念圖靈對計算機的貢獻(xiàn),

美國計算機博物館于1966年

設(shè)立了“圖靈獎”

1-1計算機的發(fā)展

眼5000次加法/秒

翻體重28噸

福占地170m2

18800只電子管

1500個繼電器

功率150KW

7

1.1計算機的發(fā)展

山?3現(xiàn)代計算機的發(fā)展

計算機發(fā)展的4個時代:

時代年份電路特點

第一代1946~1953電子管磁鼓、磁帶

第二代1954?1963晶體管磁芯、磁盤

第三代1964?1970集成電路終端訪問

大、超大規(guī)模

第四代1971~今個人計算機

集成電路

1.1.4微型計算機的發(fā)展

廠計算機發(fā)展趨勢：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

時代時間位數(shù)代表性芯片

第一代1972年8位Intel8008

第二代1973年8位Intel8085

M6800(Motorola)

Z80(Zilog)

第三代1978年16位Intel8086

M68000(Motorola)

Z8000(Zilog)

第四代1985年起32位Intel80836

Z80000

HP-32

NS-16032

Pentium系歹(J

9

1.1計算機的發(fā)展

L1,4微型計算機的發(fā)展

微處理器集成度發(fā)展示意圖

晶

體

管

數(shù)

目

2

10彼木心上

1.1計算機的發(fā)展

工,4微型計算機的發(fā)展

摩爾定理

單

1975

位

晶.

10MMir.f***600時

體mm)

間

百

管

25萬

執(zhí)

數(shù)

條

行/

100K?押1.0每

秒

的

50如

指

令

數(shù)

11

每18個月芯片能力增長一倍。

1-1.5未來新型計算機

＞超導(dǎo)計算機

＞量子計算機

＞光子計算機

＞生物計算機

＞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機

12

1.2計算機的類型

1.2J1計算機系統(tǒng)的分類

「超級計算機：世界超級計算機500強

/大型計算機J大型集群計算機：浪潮天梭TS10000

〔大型服務(wù)器等：IBM公司eServerz990

，PC微機：Pentium4桌面微機

蘋果微機：蘋果PowerPCG5

微機筆記本微機：迅馳2代筆記本微機

計算機類型/PC服務(wù)器：HPProLiantML150G2

平板微機：東芝dynabookR10

、掌上微機，惠普ipAQh6315ProcketPC

r工業(yè)控制PC：西門子SIMATICIL43工控機

單片機：80c5系列

I嵌入式系統(tǒng)《POS機

ATM機

I其他控制、測量、管理、應(yīng)用系統(tǒng)

1.2計算機的類型

1.2.2微型計算機的類型

1.微機定義的不確定性

2,微機分類（個人計算機PC

蘋果微機（Mac）

i筆記本微機

平板微機（歸bletPC）

〔掌上微機（PDA）

14

1.2.3計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域

■科學(xué)計算

■數(shù)據(jù)處理，如管理信息系統(tǒng)(MIS),資源

規(guī)劃系統(tǒng)(MRP)和電子信息交換系統(tǒng)

(EDI)等。

■自動控制

■計算機輔助工程，如計算機輔助設(shè)計(CAD),

計算機輔助教學(xué)(CAI),計算機輔助制造

(CAM),計算機輔助測試()等。

■人工智能(AI)

15

1.3計算機的基本工作原理及結(jié)構(gòu)

1.3.1計算機的基本工作原理

計算機的基本工作原理是由美籍匈牙利

科學(xué)家馮?諾依曼于1946年首先提出的。

＞采用二進(jìn)制的形式表示數(shù)據(jù)和指令

＞采用存儲程序方式

＞計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、

輸出設(shè)備5大部件組成

16

馮?諾依曼理論要點

存儲程序工作原理

計算機的兩個基本能力：一是能夠

存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。

計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）

來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為

CPU的部件可以依次從存儲器中取出程

序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行,

JohnvonNeumann

直至完成全部指令任務(wù)為止。

馮?諾依曼

17

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)流

操

反控制流

作

饋

命

信

令

號

輸

入

序

程+處理

設(shè)

備

數(shù)

據(jù)

▲

響

請

響

請

應(yīng)

求

應(yīng)

求

信

信

信

信

號

號

號

號

1.3.2指令和指令系統(tǒng)

＞指令：是能被計算機識別并執(zhí)行的二進(jìn)

制代碼，由操作碼與操作數(shù)組成。

A指令系統(tǒng)：即一臺計算機所有指令的集

合，包括數(shù)據(jù)傳送指令、數(shù)據(jù)處理指令、

程序控制指令、輸入、輸出指令和其他

指令。

＞指令執(zhí)行過程

19

指令執(zhí)行過程

馮氏原理：人們預(yù)先編好程序，利用輸入

設(shè)備把程序輸入內(nèi)存，計算機在控制器

控制下，從內(nèi)存中逐條取出程序交運算

器執(zhí)行。把結(jié)果回送入內(nèi)存、或由輸出

設(shè)備輸出。

＞執(zhí)行步驟：取指令、分析指令、執(zhí)行指

令、程序計數(shù)器加1

20

1.3.3微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微型計算機硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲器、各

種輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線組成。

微型機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

微

處AB

理DB

器

CPUCB

主存儲器外存接口輸入輸出接口其他I/O口

軟、硬盤鍵盤、顯

各種外設(shè)

驅(qū)動器示器等21

1.3.4非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計算機

非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)是一種由數(shù)據(jù)而不是

由指令來驅(qū)動執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)。

＞數(shù)據(jù)流計算機

＞歸約計算機

A基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言的計算機

＞智能計算機

22

非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：

＞支持高度的并行操作；

＞與VLSI技術(shù)相適應(yīng)；

＞有利于提高軟件生產(chǎn)力。

缺點：

＞操作開銷太大；

＞不能有效利用以前馮氏計算機累積起來的豐

富資源。

1.4計算機硬件系統(tǒng)的組成

從外觀看，一臺微機由主機和外部設(shè)備組成。在主機

箱內(nèi)有主板（包括CPU和內(nèi)存、總線擴展槽）、外存、輸

入輸出接口電路等，如下圖所示:

24

1.4.1計算機系統(tǒng)的組成

(中央處理器(CPU)虐髓

1內(nèi)存儲器I只讀存儲器(ROM)

硬件L隨機存儲器(RAM)

計［外存儲器——硬盤、軟盤、光盤

算I外部設(shè)圖輸入設(shè)備——鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀

機

系輸出設(shè)備——顯示器、打印機、繪圖儀

統(tǒng)左處弘初/操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)

「系統(tǒng)軟件〈

〔數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序

［文字處理軟件信息管理軟件

〔應(yīng)用軟件《圖形軟件輔助設(shè)計軟件

L種程序包

1.4-2CPU

■控制器和運算器通常做在一個集成電路板上,

是整個計算機的核心，稱為CPU（中央處理

器）。______________

■控制器負(fù)責(zé)讀指令、解釋指〃

、執(zhí)行指令。

?運算器進(jìn)行算術(shù)運算和

邏輯運算。其核心是一

個算術(shù)累加器（ALU）。

114-2CPU

/

S

MS

AE

LM

AB

YL

SE

;CT

NI

27

1.4-2CPU

1.中央處理器CPU：它執(zhí)行對信息的處理與控制，是整個

微型機的核心。

CPU可分為：①針腳式Socket②插卡式Slot

CPU的基本結(jié)構(gòu)：運算器與內(nèi)部控制器；控制邏輯單元；

CPU內(nèi)部總線。

2.微處理器MPU：它是將CPU、時鐘脈沖發(fā)生器和系統(tǒng)控

制器集成在一片或多片大規(guī)模集成電路上而形成的一個獨

立器件。

28

1.4-2CPU

CPU的性能指標(biāo)：

>CPU的字長

即CPU一次所能處理的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)；

CPU字長有8bit,16bit,32bit,64bit等，目

前流行的微機主要采用32bit。

>CPU執(zhí)行指令的速度

即CPU每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)，常用主頻表

示，CPU主頻通常以MH（兆赫）和GH（千兆赫）

為單位，1MH指每秒執(zhí)行1百萬條指令。目

前流行的CPU的主頻均已達(dá)GH數(shù)量級。

>指令本身的功能強弱及復(fù)雜程度。

29

114.3主板

主板是位于主機箱底部的一塊大型印刷電路板，有

CPU插槽/插座、內(nèi)存插槽、局域總線的擴展總線、高速緩

存、時鐘和CMOS主板BIOS、軟/硬盤、串口、并口等外設(shè)

接口、控制芯片等。

擴展插槽

內(nèi)存插槽

30

串行接口

USB接口

32

1.4.4存儲器

--4散型機的存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，存儲器容量的大

小、存取數(shù)據(jù)速度的快慢將直接影響到微型機系統(tǒng)的性能。

隨機存儲器RAM

只讀存儲器ROM

存

可編程只讀存儲器PROM

儲

器可改寫只讀存儲器EPROM

磁盤存儲器：軟磁盤、硬磁盤

光盤存儲器

計算機運行時的程序和數(shù)據(jù)均放在RAM中，一旦掉電,

其中的內(nèi)容將全部丟失。33

MMG

WNI

”,州，fmW

,，■“，

MWn

MUMU

出叫MU

,

ti

NMttm

imM

mmmO

|9<

JtX!

?i'*

；：二

W■底

UHU“U

Mq

工”UM

;

r:汁

mwim

nwim

ilriH

nfmii

:

C,

j

；/

肥㈣IK

凡哼9股

而而而

*r

?1**

、

??

--------

：*7

■■△*

〔■■■

而，

那標(biāo)

71所

U

彈Wlbf

二

=

:s，