計算機科學基礎

1、1,大學計算機基礎,計算中心 許迅文,2,第 1 章 引論第 2 章 數(shù)據(jù)表示及邏輯基礎第 3 章 計算機硬件第 4 章 操作系統(tǒng)第 5 章 算法基礎第 6 章 語言、程序和軟件第 7 章 數(shù)據(jù)庫第 8 章 網(wǎng)絡第 9 章 高級主題第10章 信息社會,3,第 1 章 引論,有關計算機及其相關的基本知識,4,計算機是什么數(shù)據(jù)處理機

2、模型現(xiàn)代計算機模型計算機系統(tǒng)信息系統(tǒng)因特網(wǎng)和萬維網(wǎng) 計算機文化和計算思維,概要,5,一個專業(yè)術語一個寬泛的概念涵蓋了計算機的方方面面計算機科學的基本概念作為科學的計算機作為工具的計算機,計算機科學 (Computer Science),6,1.1 計算機是什么,17世紀時 英文Computer 一詞是指從事計算工作的人。20世紀時 計算機已被公認為人類發(fā)展史上發(fā)展最快、影響最

3、大的新學科。Computer ScienceComputer TechnologyComputer EngineeringInformation Technology，IT,7,1.1 計算機是什么,今天的計算機從技術上，體積越來越小，功能越來越強從用途上，由專業(yè)設備變成消費類電子產(chǎn)品,8,1.1 計算機是什么,計算機和計算計算數(shù)學的基礎計算機的基礎最初對計算機的期望 能夠實現(xiàn)數(shù)學意義上的“自動計算”?，F(xiàn)

4、實狀況 認識到計算機的巨大潛能，客觀世界的許多形態(tài)都能夠被“數(shù)字化”，能夠被計算機存儲和處理。,9,1.1 計算機是什么,計算機素養(yǎng) 即計算思維（ Computation Thinking）知道計算機能夠做什么知道計算機是如何做到的對客觀世界（自己專業(yè)）中的問題進行抽象表示，再由計算機處理,10,1.1 計算機是什么,計算機是什么 計算機是一種現(xiàn)代化的信息處理工具，它對信息進行處理

5、并提供結果，其結果（輸出）取決于所接收的信息（輸入）及相應的處理算法?！队嬎銠C科學技術百科全書》核心詞匯：信息、處理、算法,11,1.1 計算機是什么,計算機科學與技術 其核心包括計算機的設計、制造，以及運用計算機進行信息的獲取、表示、存儲、處理、控制等的相關理論、原則、方法和技術。計算機科學 研究現(xiàn)象和揭示其規(guī)律。計算機技術 研制計算機和使用計算機進行信息

6、處理的方法和手段。,12,1.2 數(shù)據(jù)處理機模型,Data Processor —— Computer處理數(shù)據(jù)（Data），得到信息（Information）。Data —— 原材料Information —— 制成品數(shù)據(jù)處理機模型黒盒模型帶有程序功能的處理機模型,13,1.2 數(shù)據(jù)處理機模型,黒盒模型 不考慮計算機的內(nèi)部結構，從功能上看，計算機就是處理數(shù)據(jù)的機器。（圖 1-1）輸入相同的數(shù)據(jù)，能

7、夠重現(xiàn)輸出結果輸入不同的數(shù)據(jù)，輸出結果會發(fā)生改變 幫助普通（非計算機專業(yè)）用戶理解計算機，不能反映出計算機的復雜性、靈活性等數(shù)據(jù)處理能力。,14,1.2 數(shù)據(jù)處理機模型,具有程序能力的數(shù)據(jù)處理機（圖 1-2）程序（Program）預先制定的完成特定工作的步驟程序是處理數(shù)據(jù)的算法的具體實現(xiàn)計算機的輸出取決于程序（復雜性）相同的數(shù)據(jù)，相同的程序，結果一定相同相同的數(shù)據(jù)，不同的程序，結果一般不同不

8、同的數(shù)據(jù)，不同的程序，結果可能相同,15,1.2 數(shù)據(jù)處理機模型,具有程序能力的數(shù)據(jù)處理機計算機的靈活性能夠按照“程序”進行工作程序是事先編制好并存放在計算機內(nèi)部的程序原理 只要讓計算機執(zhí)行不同的程序，就可以得到期望的數(shù)據(jù)處理結果。,16,1.3 現(xiàn)代計算機模型,馮·諾依曼計算機不但給出了計算機的功能，還定義了計算機內(nèi)部的結構。,17,1.3 現(xiàn)代計算機模型,計算機的五個組成部分輸入設備 I

9、nput —— 輸入數(shù)據(jù)和程序。運算器 Arithmetic Logic Unit —— 執(zhí)行各種算術運算和邏輯運算。存儲器 Memory —— 存儲程序、原始數(shù)據(jù)、中間結果和最終結果?？刂破?Controller —— 控制計算機所有部件，協(xié)調整個系統(tǒng)有條不紊地工作。輸出設備 Output —— 輸出程序的執(zhí)行結果。,18,1.3 現(xiàn)代計算機模型,計算機的五個組成部分查

10、爾斯·巴貝奇（Charles Babbage，1792 — 1871） 被稱作計算機之父，他設計的差分機的原理為 IPOS（Input，Processing，Output and Storage），現(xiàn)代計算機原理也源于 IPOS。,19,1.3 現(xiàn)代計算機模型,計算機的五個組成部分ALU 和 Controller 被稱為 CPU現(xiàn)代計算機由三個子系統(tǒng)組成處理器子系統(tǒng)（CPU）存儲器子系統(tǒng)（Mem

11、ory）輸入／輸出子系統(tǒng)（I/O）,20,1.3 現(xiàn)代計算機模型,程序存儲原理現(xiàn)代計算機模型要求（程序存儲原理）程序在執(zhí)行前存放到存儲器中程序和數(shù)據(jù)采用同樣的格式解決了計算機能自動執(zhí)行程序的難題程序的“重用” 編程效率,21,1.4 計算機系統(tǒng),計算機系統(tǒng)是一個大的概念由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成還包括所處理的數(shù)據(jù)和使用計算機的用戶,22,1.4 計算機系統(tǒng),23,1.4 計算機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)計算機物理設備叫做硬件（Har

12、dware）第一臺現(xiàn)代計算機 1946 年的 ENIAC（Electronic Numeri-cal Integrator And Computer，電子數(shù)字積分計算機）,24,1.4 計算機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)計算機硬件史第一代 1946 ～ 1958 電子管第二代 1959 ～ 1963 晶體管第三代 1963 ～ 1975 集成電路（IC）第四代 1975 ～

13、 大規(guī)模集成電路（LSIC）個人計算機（PC）在這個時期得以發(fā)展。,25,1.4 計算機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)計算機的類型按計算機的規(guī)模及銷售價劃分巨型計算機（ Supercomputer）大型計算機（ Mainframe Computer）小型計算機微型計算機（ PC）嵌入式系統(tǒng)（高檔家電、智能手機）,26,1.4 計算機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)硬件的三個子系統(tǒng)處理器系統(tǒng)單個處理器芯片多核處理器芯片（芯片上集成了多個處理

14、器）存儲器系統(tǒng)內(nèi)存或主存（半導體材料，直接連處理器）外存或輔存（磁盤、光盤等，外置的獨立部件）,27,1.4 計算機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)硬件的三個子系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)輸入設備包括鍵盤、鼠標等輸出設備包括顯示器、打印機等,28,1.4 計算機系統(tǒng),計算機軟件與計算機相關的文檔、程序、語言等都歸類為軟件軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：服務于計算機本身的軟件應用軟件：解決特定問題的軟件軟件的進化從專業(yè)發(fā)展成為產(chǎn)業(yè),29,1.4 計算機系統(tǒng)

15、,計算機是如何運行的通電后CPU 執(zhí)行啟動程序 BIOS操作系統(tǒng)從外存被調入內(nèi)存執(zhí)行BIOS 引導完成后計算機由操作系統(tǒng)進行管理和控制,30,1.5 信息系統(tǒng),信息系統(tǒng)是一個基于計算機的復雜系統(tǒng)，其基本功能是為需要者提供特定的信息，支持用戶迅速、有效地輸入、存儲、處理和獲取信息。,31,1.5 信息系統(tǒng),信息系統(tǒng)的 6 個要素：硬件軟件數(shù)據(jù)／信息人／用戶（People or User）以計算機為職業(yè)的專業(yè)人員（約

16、5%）使用計算機的應用人員（約95%）過程／處理通信,32,1.6 因特網(wǎng)和萬維網(wǎng),兩臺以上的計算機互連就可以成為一個網(wǎng)絡（ Network），世界上最大的網(wǎng)絡就是因特網(wǎng)（Internet）。,33,1.6 因特網(wǎng)和萬維網(wǎng),因特網(wǎng)以資源共享為目的網(wǎng)絡的網(wǎng)絡網(wǎng)中所有機器都是“平等”的具有開放的特性虛擬社會,34,1.6 因特網(wǎng)和萬維網(wǎng),萬維網(wǎng)World Wide WebWWW，簡稱為 Web，中文名為萬維網(wǎng)Inter

17、net 的一種應用（技術）Link and Webpage and Website因特網(wǎng)提供的最大的服務現(xiàn)實：Internet 的代名詞,35,1.7 計算機文化和計算思維,計算機從裝置成為學科再發(fā)展為“文化”計算機文化（Computer Literacy）能夠理解計算機是什么它如何被作為資源使用計算思維（Computational Thinking）運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、人類行為理解等涵蓋計算

18、機科學之廣度的一系列思維活動本質是抽象和自動化,36,1.7 計算機文化和計算思維,計算思維的特征,37,第2章 數(shù)據(jù)表示及邏輯基礎,介紹計算機中數(shù)據(jù)的表示方法及相關的基本知識,38,數(shù)制及其轉換計算機中的數(shù)（數(shù)值）編碼（非數(shù)值）與文本多媒體數(shù)據(jù)邏輯基礎,概要,39,2.1 概述,計算的對象是數(shù)計算機中數(shù)（值）的表示各種現(xiàn)實世界對象的“數(shù)據(jù)”的表示數(shù)的表示延伸到了數(shù)據(jù)的表示不同的數(shù)據(jù)類型對應不同的處理方式數(shù)值 ——

19、 科學計算文本 —— 排版、增刪、……圖像 —— 縮放、旋轉、壓縮、……音頻 —— 混音、壓縮、……,40,2.1 概述,統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示方法基本形態(tài)都是二進制（0 和 1）有“數(shù)制”和“碼制”兩類形式,41,2.2 數(shù)制,Number System“計數(shù)（或記數(shù)）體制”多位數(shù)中每一位的構成方法以及實現(xiàn)從低位到高位的進位規(guī)則，也叫做進制數(shù)學家們研究數(shù)制的規(guī)則和規(guī)律計算機科學中將數(shù)制規(guī)則和規(guī)律通過電路實現(xiàn)常用的有二進制

20、、十進制、八進制、十六進制,42,2.2 數(shù)制,常用數(shù)制R進制R個數(shù)碼，數(shù)碼從 0 到R-1其值：每位數(shù)碼和該位的權系數(shù)的乘積權系數(shù)也叫做冪次或叫做權重（Power Weight）逢R進1計數(shù)規(guī)則,43,2.2 數(shù)制,常用數(shù)制十進制 Decimal System0～9，逢十進一二進制 Binary System位（比特，bit）是計算機處理的最小單位0和1兩個數(shù)碼，被組合成各種序列以適應計算機的運算和處理的

21、數(shù)據(jù)類型選擇二進制最直接的理由是它容易被物理器件實現(xiàn),44,2.2 數(shù)制,常用數(shù)制十進制 Decimal System0～9，逢十進一二進制 Binary System二進制起源于中國 —— 八卦可以用十進制的多項式表示一個二進制數(shù)101011012= 1×27+0×26+1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20,45

22、,2.2 數(shù)制,常用數(shù)制八進制 Octal System8 個數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、78 = 23 1 位八進制對應于 3 位二進制十六進制 Hexadecimal System16 個數(shù)碼：0 ? 9 ，A、B、C、D、E、F字節(jié)（Byte，8 個二進制位，2 位十六進制）16 = 24： 1 位十六進制對應 4 位二進制,46,2.2 數(shù)制,二進制的基本運算二進制加法0 + 0 = 00

23、 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 10（Here Carry）,二進制乘法0 ? 0 = 00 ? 1 = 01 ? 0 = 01 ? 1 = 1,47,2.3 數(shù)制轉換,二進制數(shù)和十進制數(shù)的轉換二進制數(shù)轉換為十進制數(shù)按 2 的冪次（權）展開1101.012 = 1?23 + 1?22 + 0?21 + 1?20 + 0?2-1 + 1?2-2 = 8 + 4 + 0

24、+ 1 + 0 + 0.25 = 13.25 10十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)整數(shù) —— 除以 2，取其余小數(shù) —— 乘以 2，取其整,48,2.3 數(shù)制轉換,二進制數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)的轉換 二進制與八進制數(shù)、十六進制數(shù)都存在著對應的冪次關系。二進制數(shù)和八進制數(shù)轉換 257.0648 = 10 101 111 . 000 110 12,49,2.3 數(shù)制轉換,二進制

25、數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)的轉換 二進制與八進制數(shù)、十六進制數(shù)都存在著對應的冪次關系。二進制數(shù)和十六進制數(shù)轉換 10110101.001012 = B5.2816,50,2.3 數(shù)制轉換,十進制數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)的轉換 采用與十-二進制數(shù)轉換相同的方法，數(shù)制轉換方法可以用數(shù)學方法加以證明，而在計算機中，數(shù)制轉換可通過執(zhí)行程序來完成。表 2-1 十進制數(shù)、二進制數(shù)、八進制

26、數(shù)、十六進制數(shù)轉換表Windows 的計算器應用程序（“程序員”模式）,51,2.4 計算機中的數(shù),定義符號位0 表示正數(shù)1 表示負數(shù) ＋1011 01011 －1011 11011 真值 機器數(shù),52,2.4 計算機中的數(shù),定義運算數(shù)原碼（Original Code）反碼（One’s Complemen

27、t）補碼（Two’s Complement）按不同的運算使用不同的碼和不同的運算方法來設計運算器,53,2.4 計算機中的數(shù),原碼、反碼和補碼原碼 即機器數(shù)，簡單、直觀，方便乘法運算。反碼 正數(shù)的反碼與原碼相同；負數(shù)的反碼符號位為 1，其余按位取反。用于求補碼。補碼 正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼等于其反碼加 1。用于減法運算。,54,2.4 計算機中

28、的數(shù),定點數(shù)和浮點數(shù)定點數(shù)固定小數(shù)點有定點純小數(shù)和定點純整數(shù)兩種對硬件的要求簡單，數(shù)的表示范圍受限浮點數(shù)小數(shù)點位置浮動，來源于科學計數(shù)法對硬件的要求復雜，數(shù)的表示范圍大、精度高,55,2.5 編碼和文本,除代表“量”之外，數(shù)還能用來“編碼”編碼標記特定的對象，便于記憶和查找設計編碼的規(guī)則稱為“碼制”（Code System）重要概念位模式常用編碼：ASCII碼、漢字編碼、多媒體數(shù)據(jù),56,位模式用 0 和 1

29、組成的二進制位序列及其組合規(guī)則稱為“位模式”（bit pattern）用位模式來表示數(shù)據(jù)，就是編碼位模式的二進制位序列長度取決于被編碼對象的數(shù)量,2.5 編碼和文本,57,文本和文檔文本（Text）文本中每一個符號（字母、標點），都以一個唯一的二進制位序列（編碼）表示文本在計算機中就是一長串位模式對應的二進制數(shù)最基礎的文本編碼是 ASCII 碼（American Standard Code for Information

30、Interchange）,2.5 編碼和文本,58,文本和文檔文檔（Document）是帶有格式的文本，是文本格式的擴展文檔中還包含許多特征碼，如字體格式、段落格式等記事本 —— 純文本文件,2.5 編碼和文本,59,ASCII 碼美國標準信息交換代碼被 ISO 確定為國際標準 ISO 646ASCII 碼字符集包含 128 個字符，需采用 7 位二進制數(shù)編碼，從 0000000 到 11111118 位的擴展 ASCI

31、I 碼用于給特殊字符、外來語字母和圖形符號編碼,2.5 編碼和文本,60,Unicode 編碼（ISO 10646）通用多文種字符集可表示幾乎世界上所有書寫語言的字符編碼標準 —— 被稱為“統(tǒng)一碼”、“單一碼”、“萬國碼”ISO 采用的是 32 位模式，可支持超過百萬個字符的編碼用于世界范圍各種語言文字的文本形式的字符集，也收集了漢字,2.5 編碼和文本,61,漢字編碼 中國于 1981 年頒布的《信息

32、交換用漢字編碼字符集·基本集》，稱為國家標準信息交換用漢字編碼，簡稱為國標碼（國家標準代號為 GB 2312 - 80）。,2.5 編碼和文本,62,漢字編碼國標碼國際字符集收入兩級共 6763 個常用漢字一級漢字 3755 個，按漢語拼音順序排列；二級漢字 3008 個，按偏旁部首順序排列。其中還包括 692 個符號字符集中每個字符都被指定了一個雙 7 位的二進制編碼,2.5 編碼和文本,63,漢字編碼漢字輸入

33、碼音碼類 — 全拼、微軟拼音、智能 ABC形碼類 — 五筆字型、鄭碼漢字機內(nèi)碼漢字國標碼 機內(nèi)碼 中 1010110 1010000 11010110 11010000 華 0111011 0101010 10111011 10101010,2.5 編碼和文本,64,漢字編碼漢字字形碼 漢字字形點陣漢字地址碼

34、 漢字在字庫中的相對位移地址，和機內(nèi)碼有簡明的對應轉換關系。,2.5 編碼和文本,65,漢字編碼港澳臺地區(qū)使用繁體漢字 BIG 5 碼1995 年的 GBK 擴展?jié)h字編碼標準是 GB2312–80 的擴展收錄了 2.1 萬多個漢字GBK 支持ISO 10646 中的全部中、日、韓漢字,2.5 編碼和文本,66,漢字編碼2001 年的 GB 18030 漢字編碼標準是 GBK 的升級編碼空間為 160

35、 萬碼位，目前納入漢字約為 2.6 萬個,2.5 編碼和文本,67,2.6 多媒體數(shù)據(jù),多媒體是指文本、圖形、音頻、視頻等多種數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式今天的計算機和網(wǎng)絡都支持多媒體數(shù)據(jù)處理，但相關技術仍不夠成熟,68,圖形和圖像圖形（Graphics）通過繪圖軟件繪制的由直線、圓、圓弧、任意曲線等組成的畫面，以矢量圖形文件形式存儲矢量圖文件中存儲的是一組描述各個圖元的大小、位置、形狀、顏色、維數(shù)等屬性由“輪廓”和“填充”兩部分組成,2.6

36、 多媒體數(shù)據(jù),69,圖形和圖像圖形（Graphics）進行縮放操作時不失真，占用存儲空間小,2.6 多媒體數(shù)據(jù),70,圖形和圖像圖像（Image）掃描儀、數(shù)碼相機等捕捉的真實場景畫面產(chǎn)生的映像，數(shù)字化后以位圖（Bitmap）文件形式存儲位圖文件中存儲的是構成圖像的每個像素點的亮度、顏色等屬性,2.6 多媒體數(shù)據(jù),71,圖形和圖像圖像（Image）縮放后圖像會失真，占用的存儲空間大,2.6 多媒體數(shù)據(jù),72,音頻音頻（Au

37、dio）包括聲音（Voice）和音樂（Music）復雜的聲波由許多具有不同振幅和頻率的正弦波組成,2.6 多媒體數(shù)據(jù),73,音頻聲波的屬性振幅 A：波形相對基線 的最大位移， 反映音量振動周期 T：波形中兩個相鄰的波峰（或 波谷）間的距離頻率 f：周期的倒數(shù)，單位為赫茲（Hz）,2.6 多媒體數(shù)據(jù),74,音頻模擬信號的數(shù)字化音

38、頻、圖像等都是模擬信號，是連續(xù)性的要用計算機對音頻信息進行處理，就必須將它轉換成數(shù)字信號,2.6 多媒體數(shù)據(jù),75,音頻MP3高質量的音效需要大量的音頻數(shù)據(jù)存儲大尺寸數(shù)據(jù)需要采用數(shù)據(jù)壓縮技術MP3是一種音頻壓縮技術，其全稱是動態(tài)影像專家組音頻層 3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）壓縮比為 1:12,2.6 多媒體數(shù)據(jù),76,視頻 是將一幅幅

39、獨立圖像（稱為幀，F(xiàn)rame）組成的序列按照一定的速率連續(xù)播放，利用視覺暫留現(xiàn)象在人的眼前所呈現(xiàn)出的連續(xù)運動的畫面。動畫 是連續(xù)播放的獨立圖形所呈現(xiàn)出的連續(xù)運動的畫面。,2.6 多媒體數(shù)據(jù),77,邏輯“與”—— 基本邏輯關系 只有決定結果的條件全部滿足，結果才成立。,2.7 邏輯運算,邏輯與運算,邏輯與的真值表,78,邏輯“或” —— 基本邏輯關系 決定結果的條件中只要任何一個滿

40、足，結果就成立。,2.7 邏輯運算,邏輯或運算,邏輯或的真值表,79,邏輯“非” —— 基本邏輯關系結果對條件的“否定”。,2.7 邏輯運算,邏輯非運算,邏輯非的真值表,80,邏輯“異或”—— 復合邏輯關系兩者不可兼得。,2.7 邏輯運算,邏輯異或的真值表,81,2.7.2 邏輯代數(shù)（略） 也稱布爾代數(shù)，運用代數(shù)學的方法研究邏輯關系，通過變換、簡化或組合等方法進行邏輯設計。2.7.3 門電路（略）

41、 實現(xiàn)基本邏輯關系的電路是邏輯電路中的單元電路，稱為門（Gate）電路。,2.7 邏輯運算,82,邏輯設計按照給出的具體問題，由真值表得到邏輯表達式；再根據(jù)邏輯定律進行必要的化簡、變換，設計出最優(yōu)的邏輯表達式；最后用邏輯電路加以實現(xiàn)。,2.8 邏輯設計基礎（略）,83,第3章 計算機硬件,以微型計算機（PC）為例介紹計算機硬件，認識計算機的組成結構及原理,84,硬件概述處理器存儲器 輸入 / 輸出系統(tǒng)

42、系統(tǒng)連接和 USB,概要,85,計算機系統(tǒng)結構研究的是計算機硬件的原理、組成結構計算機有多種類型，但其硬件組成并無本質上的差異本章以微型計算機（PC）為例,計算機系統(tǒng)結構,86,計算機硬件由處理器、存儲器、輸入/輸出三個子系統(tǒng)構成連接這三個子系統(tǒng)的是總線（見 3.5 節(jié)）,3.1 概述,87,PC 的基本配置為主機、鍵盤、鼠標、顯示器等,3.1 概述,88,主機箱內(nèi)安放了主板（包括處理器、內(nèi)存等），磁盤、光盤等可根據(jù)需要增加打

43、印機、話筒、攝像頭及音箱，或其他設備主機箱后面是連接輸入輸出設備的端口（見 3.4 節(jié)）,3.1 概述,89,PC 的功能電路安裝在主機箱內(nèi)部的一個主板（Main board）上，其邏輯結構：,3.1 概述,90,PC 的主板,3.1 概述,91,處理器系統(tǒng)可以是單一的 CPU 芯片可以是多個 CPU 芯片組成的陣列PC 的處理器即 CPU，是一個可以插在主板 CPU 插座上的集成電路芯片CPU 包括計算機的運算器和控制器

44、,3.2 處理器,92,目前主要的 CPU 廠商有 Intel、IBM、AMD、Motorola 等公司。,3.2 處理器,93,處理器芯片和結構處理器芯片第一臺 PC 所用的處理器芯片 Intel 8088,3.2 處理器,94,處理器芯片和結構處理器芯片集成電路按摩爾法則發(fā)展半導體材料單位面積內(nèi)集成的電路數(shù)目不會無限增長集成電路設計從芯片平面轉向立體：在一個芯片上集成多個處理器 —— 多核,3.2 處理器,95,處理器芯

45、片和結構處理器的結構模型在功能上，CPU是運算器和控制器的集合。從邏輯上分為 5 個部分運算器數(shù)據(jù)寄存器指令代碼寄存器,3.2 處理器,控制電路地址電路,96,處理器芯片和結構處理器的結構模型,3.2 處理器,97,內(nèi)部總線總線（BUS）是一組導線，是計算機各部件（或設備）之間傳輸數(shù)據(jù)的公用通道在主板范圍內(nèi)的總線叫做內(nèi)部總線，它是 CPU 與存儲器及輸入 / 輸出控制電路進行數(shù)據(jù)交換的通路,3.2 處理器,98,內(nèi)

46、部總線連接CPU與存儲器及其他電路的三總線數(shù)據(jù)總線（Data Bus）地址總線（Address Bus）控制總線（Control Bus）,3.2 處理器,99,處理器的性能指標主頻：反映 CPU 運行速度的參數(shù)集成度：芯片內(nèi)晶體管數(shù)目，反映處理器 制造技術的先進程度和復雜性字長：一次所能處理的二進制數(shù)的位數(shù)協(xié)處理器：在 CPU 的協(xié)調下完成復雜任 務，如處理浮點運算、圖

47、形處理等內(nèi)部高速緩存器（Cache）,3.2 處理器,100,CISC 和 RISC 采用完全相反設計方法的兩類處理器系統(tǒng)，主要區(qū)別是處理器所擁有的指令數(shù)量不同，其設計目的都是提高計算機的性能。,3.2 處理器,101,CISC 和 RISCCISC（復雜指令集計算機） 使用較多數(shù)量和種類的指令，典型的 CISC 有 300 條以上的指令，程序設計比較容易。RISC（簡單指令集

48、計算機） 只包含常用指令，一般使用的指令數(shù)目在 100 條以內(nèi)，簡化程序控制邏輯，提升處理器的速度。,3.2 處理器,102,用以實現(xiàn)計算機的記憶功能保存程序代碼和數(shù)據(jù)的物理載體具有復制性 —— 其存放的數(shù)據(jù)被取出后，原數(shù)據(jù)依然存在，因此可以被反復取用,3.3 存儲器,103,存儲模式和存儲容量存儲模式存儲單元以字節(jié)（Byte）為單位，1 個字節(jié)由 8 個二進制位組成存儲器由若干字節(jié)組成，每個字節(jié)都有

49、一個唯一的標識 —— 存儲單元地址存儲單元地址用二進制的位模式來標識,3.3 存儲器,104,存儲模式和存儲容量存儲容量 存儲器中存儲單元的總數(shù)，即字節(jié)數(shù)，或稱為地址空間。千字節(jié)（KB）：1 KB = 1024 B = 210 B兆字節(jié)（MB）：1 MB = 1024 KB = 220 B吉字節(jié)（GB）：1 GB = 1024 MB = 230 B太字節(jié)（TB） ：1 TB = 102

50、4 GB = 240 B,3.3 存儲器,105,內(nèi)存 位于主板上，經(jīng)內(nèi)部總線與 CPU 連接。用于存放被執(zhí)行程序的指令代碼和運行數(shù)據(jù)，也稱為主存儲器（簡稱主存）。 由半導體存儲器組成，運行速度快、容量小、體積小。有 RAM 和 ROM 兩種類型。,3.3 存儲器,106,內(nèi)存RAM（Random Access Memory，隨機存儲器）體積小，存取速度快，具有易失性動態(tài) RA

51、M（Dynamic RAM）靜態(tài) RAM（Static RAM）,3.3 存儲器,107,內(nèi)存ROM（Read Only Memory，只讀存儲器）用于存放 BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）斷電后所存儲的數(shù)據(jù)不會丟失PROM：一次性寫入數(shù)據(jù)后不能改寫 EPROM：其中的數(shù)據(jù)可以改寫EEPROM：可以對部分單元進行重寫,3.3 存儲器,108,磁盤 根據(jù)電磁學原理，用涂敷在圓盤表面的磁性材料的極化狀態(tài)表

52、示二進制數(shù)據(jù)，能在關機或斷電狀態(tài)下保存數(shù)據(jù)，磁盤屬于外存。 磁盤盤片被劃分為多道同心圓結構的磁道，磁道又被劃分為若干個扇型的區(qū)域 —— 扇區(qū)（Sector）用于存儲數(shù)據(jù)。 轉速和容量是硬盤的重要指標。,3.3 存儲器,109,光盤 光盤（CD，Compact Disc）是使用激光技術存儲和讀取數(shù)據(jù)的一種外存。 燒錄光盤時，激光在涂有有

53、機染料的基板上直接燒錄成一個個的 “坑”，有 “坑” 和無 “坑” 的狀態(tài)就形成了 0 和 1 的信號，再通過反射率的不同進行數(shù)據(jù)的讀取。 光盤是的光道是一條由內(nèi)到外的螺旋線。 表 3-2 常見的光盤類型和指標,3.3 存儲器,110,固態(tài)存儲器 固態(tài)存儲器（SSD，Solid State Disk）的結構為全電路，采用半導體材料 EPROM，體積小。沒有機械

54、部件，直接通過 USB 接口由主機供電，速度快，被稱為 U 盤或 “閃存”（Flash Memory）。 有 CF 卡、MMC 卡、SD 卡、SM 卡等多種類型。,3.3 存儲器,111,存儲器的主輔結構 計算機存儲器系統(tǒng)使用高速的半導體存儲器作為主存儲器，使用較低速的磁盤、光盤作為輔助存儲器，是系統(tǒng)在性能、功能和價格之間進行取舍的結果。,3.3 存儲器,112,存儲器的主輔結構功

55、能 主存運行程序，輔存保存程序和數(shù)據(jù)。性能 輔存的永久性和主存的易失性互補，輔存慢、主存快。價格 主存貴、輔存便宜。,3.3 存儲器,113,存儲器的主輔結構,3.3 存儲器,114,存儲器的主輔結構 主存儲器和輔助存儲器在協(xié)調控制機構的作用下交換數(shù)據(jù)，其原理是：所有的程序和數(shù)據(jù)都存儲在輔存中，被執(zhí)行的程序從輔存調入主存運行，運行結束后程

56、序和數(shù)據(jù)被重新存回輔存。,3.3 存儲器,115,PC 的存儲器內(nèi)存容量的大小取決于處理器的地址空間。CPU 內(nèi)部的 L1 緩存和與主存之間的 L2 緩存直接影響系統(tǒng)的運行效率。虛擬內(nèi)存（Virtual Memory）技術，是在磁盤上開辟和內(nèi)存單元相同結構的區(qū)域，其地址與內(nèi)存的地址一一對應，將數(shù)據(jù)映射到虛擬內(nèi)存中，可以有效地提升系統(tǒng)的運行效率。,3.3 存儲器,116,PC 的存儲器,3.3 存儲器,117,I/O 系統(tǒng)又稱人機交

57、互系統(tǒng)（Human and Computer Interface, HCI）,3.4 輸入輸出系統(tǒng),118,端口 端口（Port）又稱接口（Interface）是連接 I/O 設備的物理接插件。PC 一般有 6 種端口,3.4 輸入輸出系統(tǒng),119,端口 端口（Port）又稱接口（Interface）是連接 I/O 設備的物理接插件。I/O 設備的數(shù)據(jù)傳輸模式并行：一次傳輸 8

58、位數(shù)據(jù)（字節(jié)模式）串行：一次傳輸 1 位數(shù)據(jù)（位模式），其 標準是 USB。,3.4 輸入輸出系統(tǒng),120,輸入設備 用戶向計算機系統(tǒng)發(fā)出操作命令、輸入操作數(shù)據(jù)的裝置。 鍵盤和鼠標器是 PC 的標準配置設備。,3.4 輸入輸出系統(tǒng),121,輸入設備鍵盤兩種規(guī)格的端口：PS/2 和 USB兩種鍵盤標準：101 鍵和 104 鍵,3.4 輸入輸出系統(tǒng),12

59、2,輸入設備鍵盤工作原理每一次按鍵使該鍵的機械開關閉合，產(chǎn)生一個信號鍵盤內(nèi)置的處理電路對該按鍵信號編碼（ASCII 碼）并輸入到計算機中計算機中的程序接收到按鍵代碼后進行相應的處理操作,3.4 輸入輸出系統(tǒng),123,輸入設備鼠標兩種規(guī)格的端口：PS/2 和 USB工作原理移動鼠標指針并按下鼠標鍵，其在顯示器上的位置數(shù)據(jù)就會被捕捉到程序根據(jù)鼠標指針的位置信息對按鍵動作進行響應,3.4 輸入輸出系統(tǒng),124,輸出設備

60、 把計算結果對應的數(shù)據(jù)或信息，以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來的裝置。 顯示器是 PC 的標準配置設備，常見的還有打印機等。,3.4 輸入輸出系統(tǒng),125,輸出設備顯示器主要有 LCD 和 CRT 兩類主要技術指標是分辯率,3.4 輸入輸出系統(tǒng),126,輸出設備打印機 主要有激光打印機、噴墨打印機和針式打印機幾種。,3.4 輸入輸出系統(tǒng),127

61、,其他輸入/輸出設備數(shù)碼相機數(shù)碼攝像機攝像頭語音話筒游戲操作桿光電閱讀器POS 機,3.4 輸入輸出系統(tǒng),光筆讀卡器掃描儀傳真機觸摸屏專業(yè)的音頻/視頻設備繪圖儀,128,外設和主機連接，需要解決的問題設備和主機采用何種數(shù)據(jù)傳輸模式設備如何在主機的控制下進行工作主機和外設交換數(shù)據(jù)的速度如何匹配解決的方法采用并行數(shù)據(jù)或串行數(shù)據(jù)模式設置外部總線標準接口機制實現(xiàn)速度匹配,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,12

62、9,系統(tǒng)總線標準外設通過一組導線的接插件端口與主機連接外部設備的總線標準規(guī)定連線的排列方式及其功能、性能（數(shù)據(jù)位寬度、數(shù)據(jù)傳輸速率）是否有和主機通信的請求響應信號，以及使用何種端口等,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,130,系統(tǒng)總線標準PCI 總線 —— 適合 PC 的多種機型PCMCIA —— 適合筆記本電腦,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,131,USB通用串行總線（Universal Serial BUS）

63、 由 Intel 發(fā)起并制定的一種總線標準（一種技術）。USB 設備無須配備電源，通過 USB 就可以從主機獲得電源,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,132,USB端口規(guī)格 有 A 型和 B 型兩種，分別連接計算機和外設。USB 自動配置設備 支持熱插拔（Hot-Plugging），可連接多達 127 個設備。,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,133,接口和輸入/輸出

64、方式（略）接口是一個使高速主機和低速外設實現(xiàn) “速度匹配” 的 “機制” 接口包括兩個部分一部分通過內(nèi)部總線連接計算機的 CPU 和存儲器另一部分通過外部總線連接外設,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,134,接口和輸入/輸出方式（略）接口 接口是在高速主機和低速外設之間的緩沖，從而實現(xiàn)了主機和外設交換數(shù)據(jù)速度的匹配。,3.5 系統(tǒng)連接和 USB,135,接口和輸入/輸出方式（略）輸入/輸出方式程