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大学计算机第章 简明教程

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大学计算机第章简明教程
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第二章 计算机基础知识 2 1 计算机系统概述 2 2 计算机硬件系统和工作原理 2 3 计算机软件系统 2 4 微型计算机硬件组成 1 2 1 计算机系统概述 系统软件 应用软件 计算机系统 硬件系统 软件系统 硬 件 软 件 2 计算机系统的组成 输入设备 键盘 鼠标 扫描仪等 输出设备 显示器 打印机 音响等 外 存 软盘 硬盘 光盘 U盘等 计 算 机 系 统 软件 外部设备 系统软件 应用软件 硬件 运算器 控制器 主机 内存 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 高速缓冲存储器 Cache 操作系统 DOS Windows Unix Linux 语言处理程序 C Pascal VB等 实用程序 诊断程序 排错程序等 办公软件包 数据库管理系统 3 2 2 1 计算机硬件系统 计算机硬件包括主机和外设 主机 外设 输入设备 输出设备 外存设备 网络设备 2 2 计算机硬件系统和工作原理 4 计算机的五大部件 冯 诺依曼思想 二进制 程序与数据一样存放在内存 五大模块 存储器 数据流控制流 运算器 外存储器 输 出 设 备 内存储器 输 入 设 备 控制器 演示 计算机的五大部件 5 处理器 处 理 器 控制器 运算器 控制整个计算机 所有部件的工作 执行算术运算 和逻辑运算 6 存储器 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合 每个记忆单元由8位二进制位组成 可读写其中的数据 存储器 存储器通常分为内存储器和外存储器 存放大量信息 的外存储器 信息交流中心 内存储器 7 存储器 每个记忆单元由8位二进制位组成 1KB 210B 1024B 1MB 210KB 1024KB 1GB 210MB 1024MB 1TB 210GB 1024GB 字节BYTE 7 6 5 4 3 2 1 0 位Bit 8 输入设备 常用输入设备 键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪等 常用输出设备 显示器 打印机 绘图仪等 9 2 2 2 计算机基本工作原理 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码 完成一种操作 操作码 操作数 数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令 If Goto And Or CPU内存 I O设备主机 对计算机的硬件进行管理等 指令 结构 分 类 操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址 10 计算机基本工作原理 1 指令的串行执行 一条指令的执行过程分为以下3步骤 取指令 按照指令计数器中的地址 从内存储器中取出指令 并送 往指令寄存器 分析指令 对指令寄存器中存放的指令进行分析 由译码器对操 作码进行译码 将指令的操作码转换成相应的控制电位信号 由地 址码确定操作数地址 执行指令 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制 信息 去完成该指令所要求的操作 一条指令执行完成 指令计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器 然后回到 演示 计算机基本工作原理 11 计算机基本工作原理 演示 计算机基本工作原理 指令的串行执行是当执行指令的三个部件依次全部完成后 才开 始下一条指令的执行 在此过程中在执行某功能部件时 其他两个 功能部件是不工作的 2 指令的并行执行 指令的并行执行就是使这三个功能部件并行工作 则可提高计算 机执行指令的速度 现在的计算机一般采用流水线技术 则有三条指令的并行执行均理论速度是串行执行的3倍 12 程序 计算机指令的有序集合 13 2 3 计算机软件系统 软件是指程序 程序运行所需要的数据以及开发 使 用和维护这些程序所需要的文档的集合 分为系统软 件和应用软件两大类 操 统 作 系 语言处理程序 实用程序 应用软件 系统软件 用户 14 2 2 1系统软件 1 操作系统 目的 计算机与人交互的接口 不必了解计算机内部结构 合理地使用系统内包含的各种软 硬件资源 提高整 个系统的使用效率和经济效益 目前典型的操作系统有 Windows UNIX Linux等 详 细介绍见第四章 15 机器语言 例如 计算A 15 10 的机器语言程序如下 10110000 00001111 把15放入累加器A中 00101100 00001010 10与累加器A的值相加 结 果仍放入A中 11110100 结束 停机 编编程工作量大 难难学 难记难记 难难修改 只适合专业专业 人员员使 用 由于不同的计算机 其指令系统统不同 机器语语言随机 而异 通用性差 是面向机器的语语言 机器语语言优优点 程序代码码不需要翻译译 所占空间间少 执执行 速度快 现现在已经经没有人用机器语语言直接编编程了 2 程序设计语言与语言处理程序 16 汇编语言 将机器指令的代码用英文助记符来表示 代替机器语言中 的指令和数据 例如用ADD表示加 SUB表示减 JMP表示程 序跳转等等 这种指令助记符的语言就是汇编语言 例如 计算 A 15 10 的汇编语言程序 MOV A 15 把15放入累加器A中 ADD A 10 10与累加器A相加 结果存入A中 HLT 结束 停机 汇编语言克服了机器语言难读等缺点 保持了其编程质量 高 占存储空间少 执行速度快的优点 常用于过程控制 等编程 汇编语言面向机器 使用者需要专业知识 汇编语汇编语 言编编写的程序 必须须翻译译成机器语语言 才能被计计算 机执执行 17 高级语言 高级语言是由表达各种意义的词和数学公式按照一定的语 法规则来编写程序的语言 高级语言使程序员可以完全不 用与计算机的硬件打交道 可以不必了解机器的指令系统 是面向过程的语言 这样 程序员就可以集中精力来解 决问题本身而不必受机器制约 编程效率高 由于与具体 机器无关 因此程序的通用性强 例如 计算 A 15 10 的BASIC语言程序如下 A 15 10 15与10相加的结果放入A中 PRINT A 输出A END 程序结束 18 常用高级语言 u Fortran语言 1954年推出 适用于科学和工程计算 u COBOL语言 是面向商业的通用语言 1959年推出 主要用于数 据处理 随着数据库管理系统的迅速发展 很少使用 u Pascal语言 结构化程序设计语言 1968年推出 适用于教学 科 学计算 数据处理和系统软件等开发 目前已被C语言取代 u C与C 语言 1972年推出C语言 1983年加入面向对象的概念 改名为C 语言简练 功能强 适用面广 u BASIC语言 初学者语言 1964年推出 1991年微软推出可视化的 基于对象的VisualBasic开发环境 发展到现在的VB NET开 发环境 则是完全面向对象 功能更强大 u Java语言 一种新型的跨平台的面向对象设计语言 1995年推出 适用于网络应用 19 语言处理程序 在所有的程序设计语言中 除了用机器语言编制的程序能够 被计算机直接理解和执行外 其他的程序设计语言编写的程 序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的机 器语言程序 实现这个翻译过程的工具是语言处理程序 即 翻译程序 用非机器语言写的程序称为源程序 通过翻译程 序翻译后的程序称为目标程序 翻译程序也称为编译器 针 对不同的程序设计语言编写出的程序 有各自的翻译程序 互相不通用 20 语言处理程序 汇编程序 汇编程序是将汇编语言编制的程序 源程序 翻译成机器语 言程序 目标程序 的工具 汇编语言 源程序 汇编 程序 机器语 言程序 汇编程序的具体翻译工作步骤 用机器操作码代替符号化的操作符 用数值地址代替符号名称 将常数翻译为机器的内部表示 分配指令和数据的存储单元 21 语言处理程序 高级语言翻译程序 1 解释方式 解释方式的翻译工作由解释程序来完成 解释程序对源程序进 行逐句分析 若没有错误 将该语句翻译成一个或多个机器语 言指令 然后立即执行这些指令 若解释时发现错误 会立即 停止 报错并提醒用户更正代码 解释方式不生成目标程序 数据 高级语言 源程序 解释程序 计算结果 22 高级语言翻译程序 编译方式 翻译工作由编译程序完成 如同笔译在纸上记录翻译后的结 果 编译程序对整个源程序经过编译处理 产生一个与源程 序等价的目标程序 目标程序还可能要调用一些其他语言编 写的程序和程序库中的标准子程序 通过连接程序将目标程 序和有关的程序库组合成一个完整的可执行程序 执行速度 快 修改源程序后都必须重新编译 一般高级语言 C C PASCAL FORTRAN COBOL等 都是采用编译方式 目标程序 源程序可执行程序 编译程序连接程序 数据 计算结果 C OBJ EXE 23 实用程序 完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 u 系统设置软件 不必直接修改注册表 超级兔子软件 Windows优化大师 u诊断程序 识别并且改正计算机系统存在的问题 控制面板的系统 u备份程序 备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上 附件 系统工具 的 备份 u反病毒程序 u文件压缩程序 24 2 2 2应用软件 为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 例如 1 办公软件包 2 图形和图象处理软件 3 数据库系统 4 Ineternet服务软件 5 娱乐与学习软件 25 2 4 微型计算机硬件组成 2 4 1 微型计算机概述 1 微型计算机的诞生 1971年Intel的工程师马西安 霍夫 M E Hoff 成功地在 一个芯片上实现了中央处理器 第一片4位微处理器 Intel 4004 第一台4位微型计算机 MCS 4 微处理器的发展 4位 8位 16位 32位 64位 26 2 摩尔定律 每18个月 集成度将翻一翻 速度将提高一倍 而其价格将降低一半 晶 体 管 数 目 4004奔腾 2 300 42 000 000 32 年 P4 3 500 000 晶 体 管 数 10K 100K 1M 10M 100M 1975 19801985199519902000 单 位 时 间 执 行 的 指 令 数 百万条 每秒 0 1 1 10 25 500 4004 Pentium 每2年芯片能力增长一倍 8080 8088 8286 8386 8486 2000年的 微处理器 27 3 微型计算机的发展方向 高速化 处理器主频 超小型化 笔记本电脑和PDA的流行 多媒体化 全新的多媒体处理芯片 多媒体和超媒体系 统的开发和标准化 虚拟现实技术和发展多媒体通信等 网络化 网络计算机 具有联网功能的PDA以及各种类型 的个人计算机等正在飞速发展 隐形化 今后将摆脱显示屏 键盘加主机的传统形像 电视计算机 影音计算机等将大量出现 28 4 微型计算机的分类 1 按组成结构分类 v 单片机 各组成部分集成在一个超大规模芯片上 广泛 用于控制 仪器仪表 通信 家用电器等领域 v 单板机 各组成部分装配在一块印刷电路板上 常用于 过程控制或作为仪器仪表的控制部件 v 多板机 各组成部分装配在多块印刷电路板上 如台式 机 便携式PC 机 单片机及使用单片机芯片构成的仿真系统 有镜像功能的单板机 29 2 按用途分类 笔记本电脑 台式计算机 PDA 30 5 主要性能指标 CPU指标 主要包括CPU位数 时钟频率 运算速度 每秒钟所能执行的指令条数 内存容量 存储数据的能力 存储容量越大 运算速度一般也越快 31 2 4 2 微型计算机硬件系统 主机的基本组成 主板 CPU 存储器 内存 外存 各种接口 资料阅读 主板图解 FLASH演示 微型计算机系统基本结构演示 主板上各器件组装演示 32 板载功能 板载功能一般附加许多原来由各种类型的卡所承担的功能 一般来说 板载功能有 声卡 显示卡 网卡 IEEE1394卡等 PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识 方便识别 1 系统主板 微机中最大的一块集成电路板 微机中各种部件的连接载体 主板主要有 CPU插座控制芯片组BIOS芯片 内存条插槽 AGP总线扩展槽PCI局部总线扩展槽 其它各种接口 33 CPU插座 内存插槽 PCI插槽 串行接口 网络接口 USB接口 AGP插槽 34 2 CPU 1 CPU主要性能指标 CPU的位数 CPU的字长 CPU中通用寄存器的位数 位宽 字 在计算机中 作为一个整体参与运算 处理和传送的一串二进 制数 称为一个 字 字长 组成 字 的二进制数的 位数 称为 字长 通用寄存器的位数 等于字长 例如 32位CPU CPU的字长为32 CPU中通用寄存器为32位 CPU外频 CPU总线频率 CPU主频 CPU的时钟频率 CPU的工作频率 生产工艺技术 通常用微米 m数字来描述 35 2 Intel当前主要微处理器 Pentium 奔腾 系列 Pentium Pentium MMX Pentium 2 Pentium 3 Pentium 4 Pentium 4 普通的CPU 应用于台式电脑 Pentium M 2003年 用于笔记本电脑 即迅驰 支持无线上网 Pentium D 2006年 应用于台式电脑 双核心的 Pentium M Pentium D 当今 主流 CPU 36 Celeron 赛扬 系列 Pentium的廉价版本 核心技术与Pentium相同 主要区别 无一级Cache 但可有二级Cache 目前达到 主频已达到2 80 GHz 256KB二级Cache Itanium 安腾 系列 64位微处理器 Itanium Itanium 2 下一代Itanium 2001年 2002年 400MHz系统总线频率 32KB一级缓存 256KB二级缓存 超大容量的三级缓存 3MB 4MB或6MB 90nm工艺制造 三级Cache达到9MB 37 Xeon 至强 系列 2003年3月推出 用于服务器和工作站的处理器 速度最快 3 06 GHz主频 533 MHz总线频率 512 KB L2 支持超线程技术 Banias 迅驰 系列 迅驰 Centre Neutrino Centrino 移动计算技术由3个部分组成 Pentium M移动式处理器 Intel 915系列芯片组 Intel PRO无线网络芯片 集成的芯片产品命名为Banias 用Centrino技术装备的笔记本电脑 可以方便地进行无线上网 38 3 30多年的CPU发展史 Intel 4004 Intel AMD Cyrix Intel Intel AMD 首款微处理器三足鼎立一家独大 分庭抗礼 39 3 早期使用过的CPU Intel 1971年 4004 4位1972年 8008 8位1978年 8086 16位 1982年 80286 16位 1985年 80386 32位1989年 80486 32位1993年 Pentium32位 1995年 Pentium Pro 32位 1999年 Pentium III 32位2000年 Pentimu 4 32位1997年 Pentium II 32位1996年 Pentium MMX 32位 40 4 国产CPU 龙芯 标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了 零 的突破 打破了我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史 41 3 存储器 程序 数据都是存储放存储器中 内存 ROM RAM 速度快 容量小 价格较高 可由CPU直接访问 ROM 可以读 不可以写 掉电后数据不会丢失 RAM 可以读 也可以写 掉电后数据丢失 外存 磁盘 光盘 优盘 速度慢 容量大 价格低 CPU不可以直接访问 Cache 42 随机存取存储器 Random Access Memory RAM CPU可对它们直接读写 可以读 不可以写 掉电后数据不会丢失 目前主要是采用动态随机存储器DRAM 制作成内存条形式出现 1 内存储器 笔记本电脑内存条 台式机内存条 FLASH演示 存储器写操作演示 存储器读操作演示 43 只读存储器 Read only Memory ROM CPU对它们只可以读 不可以写 断电时信息不会丢失 ROM中一般存放计算机系统管理程序 2 高速缓冲存储器Cache CPU速度快 内存速度慢 为了协调两者的速度设置Cache Cache一般采用静态随机存取存储器SRAM构成 速度约是DRAM的10倍 CPUCacheRAM FLASH演示 Cache工作演示 44 软盘 用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材 料制成 读写软盘时 磁头直接接触盘面 常用软盘容量为1 44MB v 将盘片逻辑地划分成若干个同心圆 每个同心圆称为一个磁道 最外面的一个同心圆为0磁道 v 每个磁道又等分成若干段 每段称为一个扇区 一个扇区一般可存放512B的数据 n 磁盘总容量 磁道数 扇区数 磁面数 扇区字节数 3 外部存储器 45 重要概念 磁道 扇区 柱面 柱面 扇区 磁道 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成 读写硬盘时 磁性圆盘高速旋转产生的 托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面 硬盘容量视具体类型而定 硬盘片 读写磁头 硬盘 资料 硬盘图解 46 特点 容量大 成本低廉 便于携带 保存时间长 类型 只读型光盘CD ROM 一次性可写入光盘CD R 需要光盘刻录机完成数据的写入 可重复刻录的光盘CD RW 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速 一倍速率 150kb s 40倍速光驱数据传输速率可达到40 150kb s 6Mb s 光介质存储器 资料 光驱与光盘 CD R刻录机 47 移动存储产品 a 移动硬盘 通常由笔记本硬盘和带有数据接口电路的外壳组成 数据接口电路有三种 USB 1 1 速度可达每秒12MB USB 2 0 速度可达每秒480MB IEEE 1394 速度可达每秒450MB 48 b Flash存储设备 用Flash Memory芯片构成的存储介质 广泛用于数字摄像机 数码相机 MP3 播放器 PDA等 采用USB的接口 可擦写100万次以上 USB有两个规范 USB 1 1 可达12Mbps USB 2 0 可达480Mbps USB 2 0可以向下与USB1 1兼容 资料 优盘 49 总线 微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路 2 4 3 总线与接口 处理器 存储子 系统 I O子 系统 50 总线分类 地址总线 传输地址信息 数据总线 传输数据信息 控制总线 传输控制信息 内部总线 连接CPU的各个组成部件 芯片内部 系统总线 连接计算机中各大部件 外部总线 连接计算机和外部设备 连 接 对 象 传 输 对 象 并行总线 通信速度快 实时性好 串行总线 简易 方便 灵活 通 信 方 式 51 总线 微 处 理 器 地址总线 数据总线 控制总线 内存插槽外存接口I O接口其他I O 主存储器硬盘等各种外设键盘显示 接口电路 微处理器 总线 存储器 接口电路和外设逻辑关系 52 PCI总线 CPU与外部设备之间一条独立的数据通道 让每种设备都能直接与CPU取得联系 PCI总线的数据传送宽度为32位 可扩展到64位 工作频率为33MHz 数据传输率可达133Mb s 53 2 计算机与外部设备接口 1 串行接口 插座有为9或25个针 插头为孔 早期用于连接鼠标和调制解调器 设备名 COM1 COM2 一次只能传输一位数据 2 并行接口 插座上有25个小孔 插头为针 常用于连接打印机 设备名 LPT1 LPT2 一次并行传送一个字节 3 USB接口 目前外设的主流接口方式 绝大多数外设都能支持USB接口 特点 支持热插拔 传输速率较高 USB 1 1 可达12Mbps USB 2 0 可达480Mbps USB 2 0向下与USB1 1兼容 FLASH演示 串行接口传送演示 并行接口传送演示 54 2 4 4 输入 输出设备 1 输入设备 将输入的数据 程序等转换成二进制 并送入内存 键盘 光电鼠标 扫描仪 光笔 轨迹球 无线鼠标 游戏操纵杆 55 2 输出设备 显示器 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机 将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字 字符 图像 声音等形式显示 打印或播放出来 56 显卡 显示器通过显卡与计算机主机连接 DVI I输出 VGA输出 TV输出 57 3 常用多媒体设备 58 1 声卡 又称音频卡 通常集成在主板上 主要功能 录制与播放 即可以录音和播放 编辑与合成处理 对进行多种特效处理 例如 加入回声 倒放 淡入淡出 单声道放音和左 右声道交叉放音等 MIDI接口 用于外部电子乐器与计算机之间的通信 实现对带MIDI接口的电子乐器的控制和操作 59 2 IEEE 1394卡 速度可达450MB S 用于连接外部设备 如硬盘 打印机 扫描仪 用于连接家电 如数码相机 DVD播放机 视频电话 通常IEEE 1394接口通常有两种 6针槽口可连接至IEEE 1394缆线 4针槽口专门用来直接连接摄像机 60 3 数码相机DC 特点 心脏是电荷耦合器件 CCD 将可见光转换成电信号将可见光转换成电信号 将照片存储在存储卡中 专业数码相机 高级数码相机 中级数码相机 影像影像 照片存储照片存储 在存储卡中在存储卡中 USB 接口 计算机计算机 在计算机上浏览照片在计算机上浏览照片 存储卡 61 4 数码摄像机 特点 数码摄像机的优点是动态拍摄效果好 在拍摄静止图像时的效果不如数码照相机 带有S Video AV DV In Out等接口 DV In Out接口 标准的数码输出 输入接口 一种小型的4针1394接口 专业数码摄像机家用数码摄像机家用数码摄像机 62 将视频输出到计算机 将数码摄像机存储卡上的影像输入到计算机 1394 接口 DV 接口 VCR状态 iLink Firewire 启动采集编辑软件 USB 接口 63 接入电视机 使用RCA线缆 红色代表右边的音频线路 白色代表左边的音频线路 黄色代表视频线路 VCR状态 RCA线缆 64 思 考 题 1 微型计算机的基本结构由哪几部分构成 主机主要包括了哪 些部件 2 微型计算机的发展方向是什么 3 系统主板主要包括了哪些部件 4 衡量CPU性能的主要技术指标有哪些 5 微型计算机的内部存储器按其功能特征可分为几类 各有什 么区别 6 外部存储器上的数据能否被CPU直接处理 7 高速缓冲存储器的作用是什么 8 常用的外存储器有哪些 各有什么特点 9 什么是总线 按总线传输的信息特征可将总线分为哪几类 各自的功能是什么 10 什么是接口 计算机上常见的接口有哪些 65
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