[工学]第一章 大学计算机基础.doc

第一章　计算机系统基础1.1　计算机的发展1.1.1 计算机发展历程 1．计算机的发展历史　　1946年，在美国陆军部的主持下，美国宾悉法尼亚大学的艾克特(Ecket)和莫奇里(Mauchley)成功地设计了世界上第一台电子计算机，简称为ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator)，它占地170平方米，重28吨，耗电150kW，使用了18800个电子管，5000个继电器，运算速度为5000次/秒 从1946年第一台电子计算机问世以来，根据表示计算机基本电子元器件的不同，将计算机的发展分成四代 （一）第一代计算机（1946年～1953年）　　它的主要特征如下：　　① 采用电子管作为逻辑开关元件，体积大、耗电量大、成本高，每秒运算速度仅为几千次　　② 程序设计使用机器语言或汇编语言，还没有操作系统　　③ 存储容量小，初期用水银延迟线或静电存储器，容量仅有数千字节(KB)，后期采用磁鼓与磁心，容量有较大提高　　第一代计算机体积庞大，造价很高应用：仅限于军事和科学研究工作　 （二）第二代计算机（1954年～1964年） 　　② 采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，体积减小、重量减轻、能耗降低、速度加快，每秒运算速度达几十万次。

　　② 程序采用汇编、高级语言设计，出现FORTRAN、COBOL、ALGOL等语言 　　③ 存储容量增加，使用磁心作为主存储器，辅助存储器采用磁盘和磁带　　第二代计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理　 （三）第三代计算机（1965年～1970年）　　① 采用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件，从而使体积、重量进一步减小；运算速度和可靠性有了进一步提高，每秒运算速度达几十万次到几百万次 　　② 出现了操作系统软件，高级语言的数量增多　　③ 开始使用半导体存储器，辅助存储仍以磁盘、磁带为主，体积更小，价格更低　　系列化、通用化和标准化，是这一时期计算机设计的基本思想其结果不但降低了计算机的成本，也进一步扩大了计算机的应用范围　 （四）第四代计算机（1971年至今）① 采用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件；使计算机体积、重量、成本均大幅度降低，出现微型机　　② 操作系统不断发展和完善，产生了数据库系统软件　　③ 硬件更新、软件丰富 主存储器采用半导体存储器， 辅助存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘外部设备有了很大发展，采用扫描仪、激光打印机和各种绘图仪等。

1.1.2 当代的计算和计算机 1、计算的概念 （1）手工计算时代 （2）计算机计算时代 （3）网络计算时代2、计算机的计算模型3、计算机体系结构（1） 冯•诺依曼结构1946年，美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出了程序存储式电子数字自动计算机方案，并确定了计算机硬件体系结构的五个基本部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备冯•诺依曼理论的要点是：数字计算机的数字采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行即计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止2）非冯•诺依曼结构非冯•诺依曼结构是一种由数据而不是由指令来驱动程序执行的体系结构 新一代计算机是把信息采集、存储、处理、 通信和人工智能结合在一起的计算机系统，它不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式推理、联想、学习和解释能力，能帮助人类开拓未知的领域和获得新知识　　新一代计算机的系统结构将突破传统的冯•诺依曼机器的概念，实现高度并行处理但至今仍未有突破性进展1.2　计算机系统组成及基本工作原理1.2.1 计算机系统组成 一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

（一）硬件（hardware） 硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备具体地说，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成二）软件（software）　　 软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成特定任务所需的应用软件1.2.2 计算机的基本工作原理计算机问世50年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别，但基本体系结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机 冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：　　① 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据　　② 采用存储程序方式　　③ 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件 1．运算器：完成计算机中的各种算术运算和逻辑运算的装置，由算术逻辑部件(ALU)及寄存器构成 2. 控制器：类似人脑的中枢神经，是计算机的指挥系统，向各部件发出指令，控制计算机有条不紊地协调工作控制器和运算器一起构成CPU （中央处理器）3．存储器：用来存储程序和数据的记忆装置，是计算机中各种信息的存储和交流的中心。

CPU和存储器中的内存一起构成了计算机的“主机” 4. 输入设备 ：键盘、鼠标、扫描仪、话筒等5．输出设备：显示器、打印机、音箱等 1.2.3 指令和指令系统 1、指令一条指令通常由两个部分组成：（1）操作码指明该指令要完成的操作类型或性质，如做加法或输出数据等2）操作数指明操作对象的内容或所在的存储单元地址（地址码）2、指令系统 3、指令执行过程冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化输入设备在控制器控制下输入解题程序和原始数据，控制器从存储器中依次读出程序的一条条指令，经过译码分析，发出一系列操作信号以指挥运算器、存储器等到部件完成所规定的操作功能，最后由控制器命令输出设备以适当方式输出最后结果这一切工作都是由控制器控制、而控制器赖以控制的主要依据则是存放于存储器中的程序人们常说，现代计算机采用的是存储程序控制方式，就是这个意思.1．3计算机硬件系统的组成 微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总线组成1.3.1 主板主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有CPU插槽/插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、时钟和CMOS主板BIOS、软/硬盘、串口、并口等外设接口、控制芯片等。

1.3.2 CPU中央处理器CPU：它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片微处理器MPU：它是将CPU、时钟脉冲发生器和系统控制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独立器件CPU可分为：① 针脚式Socket② 插卡式Slot1.3.3 存储器微型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能存储器又分为内存储器和外存储器1、内存储器①存储容量存储容量是描述计算机存储能力的指标它通常以KB、MB为单位（1KB=1024B= 210B，1MB=1024KB= 220B），例如内存为64MB的微型计算机的实际内存容量为64×1024×1024=67108864字节更大的容量单位是GB(千兆字节)显然，存储容量越大，能够存储的信息越多②ROM和RAM按照存取方式，存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两类随机存储器实际上是是指可读、可写的存储器，这类存储器的缺点是断电后存储的信息就会消失，属于易失存储器它常用来存放正在执行的程序或程序所使用的数据、运算结果等　　只读存储器存储的信息只能读(取出)，不能改写(存入)。

断电后信息也不会丢失，可靠性高常用于存放系统程序或使用频率较高的程序 2、外存储器由于价格和技术方面的原因，内存的存储容量受到限制为了满足存储大量的信息，就需要采用价格便宜的辅助存储器，又称外存常用的外存储器有磁带存储器、磁盘存储器、光盘存储器等外存用来存放“暂时不用”的程序或数据外存容量要比内存大得多，但它存取信息的速度要比内存慢通常外存不与计算机内其他装置交换数据，只与内存交换数据，而且不是按单个数据进行存取，而是以成批数据进行交换　　外存与内存有许多不同之处一是外存不怕停电，磁盘上的信息可保存数年之久二是外存的容量不像内存那样受多种限制，可以很大，如磁盘的容量有10GB、40GB等，光盘容量则更大三是外存价格也较便宜　　由于外存储器设置在计算机外部，所以也可归属计算机外部设备 　（1）硬磁盘　　硬磁盘是由质地较硬的铝合金圆盘组成，表面涂上磁膜构成每个硬盘都由若干个磁性盘片组成，密封在一个金属腔体 　硬盘按盘径大小可分为5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸等数种现在3.5 英寸硬盘使用的多硬盘尺寸小型化是硬盘的发展方向　　与软磁盘相比，硬磁盘具有存储容量大、存取速度快等优点。

随着磁盘记录技术的迅速发展，硬磁盘的存储容量、平均寻道时间和数据传输率等主要技术性能指标均得到了大幅度提高①磁盘术语磁道：以盘片中心为同心圆，每一圆周为磁道虽然各磁道的周长不同，但存储容量相同数据存储在磁道内不同规格的软盘，其磁道数不同，通常为40或80它们由外向内编号，即高密度盘片为 0～79道，低密度盘为0～39　　扇区：每个磁道上划分成若个相等的区域，每个区域称为扇区一般每个磁道上的扇区数有9、15、18或36，扇区编号从1 号开始每扇区容量为512字节一个软盘的存储容量可由下面的公式求出：　　软盘总容量=磁道数×扇区数×磁盘面数×扇区字节数(512B) 　　例：一个双面高密度的3.5英寸软盘的存储容量（80个磁道，每磁道18个扇区）：　　　　80 ×18 × 2 ×512=1440×1024B=1440KB≈1 .44MB　　一个硬盘一般由多个盘片组成，盘片的每一面都有一个读、写磁头硬盘使用时要对盘片格式化，划分成若干磁道，我们称不同盘片对应磁道形成的同心圆柱面为柱面，每个磁道再划分为若干扇区硬盘容量的计算公式为：　　硬盘容量＝512×磁头数×柱面数×每磁道扇区数　　例：一个硬盘由4个盘片组成，一个盘片有306个磁道，每磁道17扇区，则此硬盘的容量为：　　　　　　512 × 8 × 306 × 17=21307192=20（MB）　　常见的硬盘存储容量有：20GB 、40GB、1GB、4GB等多种。

　　硬盘的另一个重要性能指标是存取速度影响存取速度的因素有：平均寻道时间、数据传输率、盘片旋转速度以及缓冲存储器容量等 （2）软磁盘　　软磁盘是一种涂有磁性物质的聚酯塑料薄膜圆盘，在两个表面涂有磁性材料由于盘片质地柔软，故称为软盘为保护软盘不被沾污和磨损，把它封装在一个方形的保护套中，构成一个整体　　在微机中使用的软盘按其尺寸可以分为5.25英寸软盘和3.5英寸软盘两种　　（3）光盘存储器原理：运用光盘盘面的凸凹不平，表示“0”和“1”的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘般面，读取“0”和“1”的信息特点：记录密度高，存储容量大，数据保存时间长类型：①只读型光盘(CD-ROM)，只能读。