第1章 计算机系统基础

大学计算机（第4版）“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材北京邮电大学出版社主编：蒋加伏1第1章计算机系统基础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计算机硬件系统的组成1.5数据在计算机中的表示1.6计算机软件的类型21.1计算机的发展什么是计算机？计算机是一种处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。信息处理工具智能化信息存储、传送、加工31.1.1早期计算工具的发展古代甲骨文数字（约公元前1500年）41.1.1早期计算工具的发展算筹（起源于周朝，公元前1000年）51.1.1早期计算工具的发展算盘（可能起源于唐朝，流行于宋朝，公元800年左右）61.1.2早期计算机的发展帕斯卡加法器（1642年，法国数学家）71.1.2早期计算机的发展巴贝奇分析机模型（1822年，英国数学家）81.1.2早期计算机的发展第一台现代电子数字计算机ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）91.1.2早期计算机的发展阿塔纳索夫计算机设计三原则：（1）以二进制的方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；（2）利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；（3）采用计算功能与存储功能相分离的结构，以简化计算机设计。101.1.2早期计算机的发展1946年，冯·诺伊曼等人提出了《电子计算机装置逻辑结构初探》设计报告。1949年，英国剑桥大学研制成功EDSAC（电子离散时序自动计算机）。至此，开始了现代计算机的发展时期。111.1.3现代计算机的发展现代计算机发展的4个时代分代时间主要元件技术特点第一代1946~1953电子管穿孔卡片，机器语言和汇编语言第二代1954~1963晶体管磁盘，高级语言，科学计算，中小型计算机第三代1964~1970中小规模集成电路大型化，集中式计算，远程终端第四代1971至今大规模和超大规模集成电路超大型化，微机化，嵌入式，图形用户界面，多媒体，网络通信121.1.4微型计算机的发展1975年，第一台微机Altair8800（牛郎星）131.1.4微型计算机的发展“牛郎星”微机的意义：微型化的设计方法OEM（原始设备生产厂商）生产方式开放式设计思想硬件与软件分离DIY（自己动手做）141.1.4微型计算机的发展苹果公司的AppleII微机（1977年）CPU：6502系列，主频4MHz内存：64KB可扩展至128KB外存：2个5.25‘软驱视频：80x25行字符输出151.1.4微型计算机的发展个人计算机IBMPC5150（1981年）CPU：Intel8088，工作频率4.77MHz内存：16KB外存：160KB5.25”软盘显示器：11.5”单色操作系统：MS-DOS1.0价格：3045美元。161.2计算机的类型计算机主要组成部件：半导体集成电路芯片机电部件计算机主要产品：大型计算机微型计算机嵌入式系统17集成电路：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统。集成电路是微电子技术的核心。小规模集成电路超大规模集成电路摩尔定理：微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番。晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒19计算机应用领域1.科学计算又称为数值计算，是计算机的传统应用领域。如：气象预报、导弹卫星发射、生物领域的晶体结构分析和计算等2.数据处理又称为信息处理，特点是：数据量大、输入输出频繁、时间性强。如：情报检索、统计、生产管理、办公自动化等3.过程控制又称为实时控制，是指计算机实时的进行对象数据采集、检测和处理。如：数控机床、流水线操作、核反应堆等4.计算机辅助工程以计算机为工具，辅助人们高效、高质地完成特定任务。如：CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAI（计算机辅助教学）、EDA（电子设计自动化）等5.人工智能用计算机模拟人的智慧，代替和模拟人脑对问题的学习、分析、求解和处理等过程，辅助人类进行决策。如：人机博弈——“深蓝”和“更深的蓝”、机器人、定理证明、模式识别、专家系统、自然语言处理、机器翻译、智能检索等6.电子商务、政务7.数据库应用8.计算机模拟、计算机仿真9.娱乐IC卡：IC卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体。特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高IC卡的类型（按芯片分）：存储器卡——信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便，用于安全性要求不高的场合。例如：电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等CPU卡——封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有操作系统(ChipOperatingSystem)，处理能力强，保密性更好。例如：证件卡（第二代身份证）、信用卡、手机SIM卡等IC卡的类型（按使用方式分）：接触式IC卡——表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点，使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短。非接触式IC卡——采用电磁感应方式无线传输数据，解决了卡中无电源和免接触问题。操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长，用于读写信息较简单的场合，如身份验证等。未来的新型计算机超导计算机量子计算机光子计算机生物计算机神经网络计算机27遵守计算机职业道德规范1.知识产权2.计算机安全3.网络行为规范4.商业机密5.个人信息保护计算机病毒计算机病毒的定义：“在编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或者破坏数据，影响计算机使用，并能自我复制的一组计算机指令或者程序代码。”例如：电子邮件病毒蠕虫病毒（熊猫烧香）……计算机病毒的特征：（1）破坏性（2）传染性（3）寄生性（4）隐蔽性计算机病毒的症状：（1）计算机不能正常启动（2）运行速度降低（3）内存可用空间迅速减小（4）文件内容和长度的改变（5）经常出现“死机”现象（6）外设工作异常计算机病毒的防治：防治特点：“预防为主”“治理总是滞后于病毒的出现”病毒防治措施：（1）从硬件和软件两方面进行保护（2）加强思想认识上的防范和建立健全相关法制制度（3）养成良好的防毒、杀毒习惯1.2.1计算机系统的分类321.2.2大型计算机超级计算机设计方案专用设计集群设计（占80%左右）集群计算机：利用多台独立的计算机，组成一个计算机群，使多台计算机能够像一台超级计算机那样统一管理和并行计算。331.2.2大型计算机2012年6月，美国IBM公司生产的“红杉”超级计算机荣获世界最快计算机桂冠。“红杉”超级计算机性能：占地318平方米96个机柜，160万个处理器，1.6TB内存持续测试达到：每秒16324万亿次运算峰值运算速度：每秒20132万亿次341.2.2大型计算机超级计算机集群“红杉”（Sequoia）351.2.2大型计算机我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机，2010年11月排名世界500强计算机第1名“天河1号”计算机性能：2560个计算节点，6144个3.0GHz的IntelXeon处理器，2560片显卡，内存总容量为98TB点对点通信带宽：40Gbit/s峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。361.2.2大型计算机“天河1号”计算机集群371.2.3微机PC系列微机（1）台式微机（PC）381.2.3微型计算机（2）笔记本微机（PC）391.2.3微型计算机（3）PC服务器401.2.3微型计算机苹果系列台式微机411.2.3微型计算机苹果系列笔记本微机421.2.3微型计算机平板微机431.2.4嵌入式系统嵌入式系统的基本组成嵌入式系统是为特定应用而设计的专用计算机系统，或者作为设备的一部分。“嵌入”是将微处理器设计和制造在某个设备内部的意思。441.2.4嵌入式系统嵌入式计算机451.3计算机的基本工作原理及结构1.3.1计算机的基本工作原理冯·诺依曼计算机设计思想采用二进制表示数据和指令采用存储程序方式计算机由5大部分组成冯·诺伊曼计算机模型的五大部分：输入设备，输出设备，存储器，控制器，运算器46冯·诺依曼结构框图数据流控制流取数存数地址指令存储器控制器运算器输出设备输入设备程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号471.3.2指令和指令系统指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令组成：操作码+操作数指令系统：一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令，数据处理指令，程序控制指令，输入/输出指令和其他指令。481.3.2指令和指令系统指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”，“指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成，这个过程不断重复进行。491.3.3微机系统结构微机采用以CPU为核心的控制中心分层结构。501.3.3微机系统结构1-3-5-7规则:（1）1个CPU（2）3大芯片（MCH，ICH，FWH）（3）5大接口（SATA，eSATA，SIO，LAN，HDA（4）7大总线（FSB，MB，PCI-E，IHA，PCI，LPC，USB等）。“1-3-5-7”是指主要结构而言，实际产品会有一些增减。511.4计算机硬件系统组成计算机硬件系统CPU系统主板系统内存系统显示系统外存系统音频系统网络系统辅助系统等521.4.1计算机系统组成冯·诺依曼531.4.1计算机系统组成微机硬件的基本组成541.4.2CPU系统CPU（中央处理器）是计算机中最重要的一个部件。CPU工作频率越高，工作速度越快。Intel（英特尔）公司是CPU技术领头人，其他厂商有AMD（超微）公司，IBM（国际商业机器）公司，ARM（安媒）公司等。551.4.2CPU系统CPU的组成561.4.2CPU系统英特尔公司CPU产品酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本微机。至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。571.4.2CPU系统CPU技术性能系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。处理字长CPU内部运算单元一次处理二进制数据的位数。目前微机CPU绝大部分为64位产品。工作频率CPU每一秒钟工作的周期数，单位Hz（赫兹），例如1GHz=10亿个计算周期。581.4.3主板系统主板组成集成电路芯片，电子元器件，电路系统，各种总线插座和接口组成。主板的主要功能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。59南桥芯片北桥芯片PCI总线PCI-E总线CPU插座SIO接口内存条插座主板电源插座SATA插座音频芯片网络芯片时钟芯片SIO芯片60安装孔CMOS电池电压芯片信号线电容电感电阻PCB音频接口611.4.4存储器系统内部存储器能够直接与CPU进行数据交换外部存储器与CPU间接交换数据的存储器621.4.4存储器系统631.4.4存储器系统内存技术指标内存中每个存储单元可存放1位（bit）二进制数据，8个存储单元称为一个字节（Byte）。内存容量单位：KB、MB、GB、TB。•8bit（比特）=1Byte（字节）•1024B＝1KB•1024KB＝1MB•1024MB＝1GB•1024GB=1TB641.4.4存储器系统内存的类型随机存储器（RAM）•静态随机存取存储器（SRAM）•动态随机存取存储器（DRAM）•计算机运行时的程序和数据均放在RAM中，一旦掉电，其中的数据将全部丢失。只读存储器（ROM）•目前ROM一般做在微处理器芯片内部•外部RO