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1,第二章計(jì)算機(jī)及其基本功能,數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,2,第一節(jié)計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用,計(jì)算機(jī)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)的時(shí)代劃分計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),,2,3,一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況,早期計(jì)算工具石子、算盤、計(jì)算尺、機(jī)械計(jì)算器（CharlesBabbage1833）差分分析機(jī)：輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算、控制、輸出馮?諾依曼博士（普林斯頓大學(xué)）存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)ENIAC第一代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，1946年,3,,4,人類追求的計(jì)算工具,CharlesBabbage,1822差分機(jī),1833差分分析機(jī),MARKI,ENIAC,4,,5,第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）,5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個(gè)繼電器功率150KW,5,,6,晶體管數(shù),每18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍。,計(jì)算機(jī)第一定律——摩爾定律,6,,7,第一代（1946~1956）電子管5千~4萬(wàn)（次/秒）,第二代（1957~1964）晶體管幾十萬(wàn)~百萬(wàn)（次/秒）,第三代（1965~1970）集成電路百萬(wàn)~幾百萬(wàn)（次/秒）,第四代（1971~90年代）集成電路幾百萬(wàn)~幾億（次/秒）,計(jì)算機(jī)發(fā)展的幾個(gè)階段,7,,8,重要人物和思想,香儂信息論創(chuàng)始人。1938年首次用布爾代數(shù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)電路分析并證明布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算可以通過(guò)繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。阿塔納索夫提出了計(jì)算機(jī)的三條原則以二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，以保證精度；利用電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制、邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，以保證計(jì)算速度；把計(jì)算功能和二進(jìn)制數(shù)更新存儲(chǔ)功能相分離的結(jié)構(gòu)。,,8,Shannon,,9,圖靈與圖靈機(jī),為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)，美國(guó)計(jì)算機(jī)博物館于1966年設(shè)立了“圖靈獎(jiǎng)”,計(jì)算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來(lái)完成任何設(shè)定好的任務(wù)。,圖靈機(jī)是一種思想模型，它由三部分組成：一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀寫頭。,9,,10,計(jì)算機(jī)世界中的日本,輝煌：打敗Intel的芯片巨人，迫使Intel于1985年另辟戰(zhàn)場(chǎng)（微處理器）筆記本電腦的領(lǐng)軍人物失誤：第五代計(jì)算機(jī)（智能計(jì)算機(jī)）的開(kāi)發(fā)者高清晰度模擬電視,10,,11,計(jì)算機(jī)世界中的印度,世界軟件產(chǎn)業(yè)王國(guó)1985年，印度軟件業(yè)產(chǎn)值為1000萬(wàn)美元1994年，印度軟件業(yè)產(chǎn)值為10億美元2000年，印度軟件業(yè)產(chǎn)值為50億美元在軟件出口規(guī)模和質(zhì)量與總產(chǎn)值的比例上，印度居世界第一。,,11,12,計(jì)算機(jī)世界中的中國(guó),1952年在清華大學(xué)成立中國(guó)第一個(gè)計(jì)算機(jī)三人研究小組組長(zhǎng)閔大可電機(jī)系教授1954年小組經(jīng)擴(kuò)充和調(diào)整，并入中科院近代物理研究所負(fù)責(zé)人錢三強(qiáng)1958年完成第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)1031959年完成大型電子計(jì)算機(jī)1041959年中國(guó)自行研究的107計(jì)算機(jī)問(wèn)世1965年中國(guó)開(kāi)始研制第三代計(jì)算機(jī)（集成電路）1977年研制成功中國(guó)第一臺(tái)微機(jī)DJS050,,12,13,二、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,科學(xué)計(jì)算用于量大、復(fù)雜的計(jì)算（速度快、精度高）數(shù)據(jù)處理圖像處理、聲音處理、企業(yè)管理實(shí)時(shí)控制無(wú)人機(jī)、生產(chǎn)線、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈計(jì)算機(jī)輔助工程CAD、CAM、CAI辦公自動(dòng)化,13,,14,三、計(jì)算機(jī)的類型,巨型機(jī)運(yùn)算速度可達(dá)數(shù)百億次，科研、數(shù)值預(yù)報(bào)大型機(jī)大容量、高速度小型機(jī)介于大型機(jī)和微機(jī)之間，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，工作站微型機(jī)辦公終端、CAD、多媒體、信息查詢等,14,,15,四、計(jì)算機(jī)的發(fā)展,微型化,巨型化,網(wǎng)絡(luò)化,智能化,,,,,ENIAC,15,,16,Altair8800,計(jì)算機(jī)發(fā)展——微型化,計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是一種信息機(jī)器，一種個(gè)人的信息機(jī)器。,16,,17,CRAY-Ⅱ,計(jì)算機(jī)發(fā)展——巨型化,運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)1975年世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“Cray-I”超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì)算的高科技領(lǐng)域。,中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)：國(guó)防科技大學(xué)研制的“銀河1號(hào)”、“銀河2號(hào)”和“銀河3號(hào)”國(guó)家智能計(jì)算機(jī)中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”,銀河Ⅱ,17,,18,計(jì)算機(jī)發(fā)展——巨型化,中國(guó)最快超級(jí)服務(wù)器：“曙光3000”運(yùn)算速度為每秒3800億次（排名80位）48小時(shí)的精確天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理1小時(shí)38分鐘；一個(gè)月的氣候預(yù)報(bào)僅用15分鐘；1000萬(wàn)人每人每天可以在網(wǎng)上點(diǎn)擊800次網(wǎng)頁(yè)；1000萬(wàn)人每人每天可以收發(fā)7封“電子郵件”。,,18,計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì),19,計(jì)算機(jī)發(fā)展——網(wǎng)絡(luò)化,,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動(dòng)力使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。日本1024臺(tái)計(jì)算機(jī)利用并行作業(yè)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速操作環(huán)境。,,19,20,計(jì)算機(jī)發(fā)展——智能化,“總有一天，人類會(huì)造出一些舉止跟人一樣的‘沒(méi)有靈魂的機(jī)械’來(lái)”?！芽枺?637）,人類第一個(gè)“工業(yè)機(jī)器人”：一頭在紡織機(jī)上挑紗的“驢”（1742年）第一代機(jī)器人機(jī)械手（1962年出現(xiàn)）第二代機(jī)器人具有“感覺(jué)”的機(jī)器人第三代機(jī)器人裝有啟發(fā)式計(jì)算機(jī)的“智能機(jī)器人”,20,,21,第二節(jié)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)單位計(jì)算機(jī)的字符編碼,,21,22,一、計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,數(shù)制的構(gòu)成基數(shù)、進(jìn)位規(guī)則、運(yùn)算法則十進(jìn)制基數(shù)：0、1、2、3……9（10個(gè)不同的符號(hào)）逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十運(yùn)算法則：加法表其它數(shù)制已知數(shù)制設(shè)計(jì)一種數(shù)制,,22,23,一、計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,常用數(shù)制二進(jìn)制R=2，使用0,1八進(jìn)制R=8，使用0,1,2,3,4,5,6,7十進(jìn)制R=10，使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十六進(jìn)制R=16，使用0,……,9,A,B,C,D,E,F計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制的理由算數(shù)運(yùn)算簡(jiǎn)單、便于邏輯運(yùn)算、技術(shù)可行可靠：抗干擾、便于檢錯(cuò)和糾錯(cuò),23,,24,,24,25,26,一、計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,數(shù)制的規(guī)律基數(shù)：R逢R進(jìn)一，借一當(dāng)R運(yùn)算法則相同,27,二、計(jì)算機(jī)的字符編碼,,位（bit）：度量數(shù)據(jù)的最小單位,字節(jié)（Byte）：最常用的基本單位,8bit=1ByteK（千）字節(jié)1K=1024byteM（兆）字節(jié)1M=1024KG（吉）字節(jié)1G=1024MT（太）字節(jié)1T=1024G,b7b6b5b4b3b2b1b0,10010101,=27+24+22+20,=149,27,,28,司維siwei@,29,司維siwei@,30,司維siwei@,31,司維siwei@,32,司維siwei@,33,司維siwei@,34,第三節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)性能指標(biāo),,34,35,一、計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和硬件、軟件,馮.諾依曼計(jì)算機(jī)兩種能力：存儲(chǔ)程序、自動(dòng)地執(zhí)行程序組成：輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算、控制、輸出、工作原理：取指令（CPU）、分析指令和執(zhí)行指令；指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制表示例如：顏色的表示、聲音的表示,,35,36,司維siwei@,計(jì)算機(jī)硬件,,,輸入設(shè)備,內(nèi)存,外存,運(yùn)算器,輸出設(shè)備,控制器,,37,司維siwei@,計(jì)算機(jī)軟件,系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、診斷程序及系統(tǒng)工具等保證系統(tǒng)正常工作應(yīng)用軟件為滿足用戶需求所開(kāi)發(fā)的程序如：Office、Photoshop、Flash、Dreamweare等決定系統(tǒng)能做什么軟件和硬件相互促進(jìn)、滲透,38,司維siwei@,磁盤，輸入/輸出,39,程序和指令,指令是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。,程序是為完成一項(xiàng)特定任務(wù)而用某種語(yǔ)言編寫的一組指令序列。,機(jī)器執(zhí)行什么操作,執(zhí)行對(duì)象（具體數(shù)、存放位置）,計(jì)算機(jī)軟件概述,39,,40,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（外）存儲(chǔ)器,（內(nèi)）存儲(chǔ)器,中央處理器（CPU）,控制器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,,,,,,運(yùn)算器,,,40,,41,二、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),字長(zhǎng)一次讀取并處理的二進(jìn)制數(shù)長(zhǎng)度字長(zhǎng)：16位、32位、64位增加字長(zhǎng)的好處提高運(yùn)算精度提高處理速度增大尋址空間支持更多的指令提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能,41,,42,二、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),主頻（時(shí)鐘頻率）控制器的執(zhí)行動(dòng)作按照時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行主頻越高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越高目前計(jì)算機(jī)主頻可達(dá)到運(yùn)算速度（MIPS）單位時(shí)間（秒）內(nèi)執(zhí)行的指令條數(shù)（百萬(wàn)）主頻100MHz的CPU執(zhí)行一條運(yùn)算指令所需時(shí)間為10ns，主頻50MHz的CPU需要20ns，前者的運(yùn)算速度快了一倍。,,42,43,二、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),,43,44,二、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),存儲(chǔ)容量?jī)?nèi)存：256M、512M、1G、2G、4G、……32G外存：80G、200G、1T、光盤、磁帶存取周期從內(nèi)存或取一次數(shù)據(jù)的平均時(shí)間DDRAM內(nèi)存可達(dá)到2~5nsDRAM為幾十ns,,44,45,二、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),總線位數(shù)數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線決定CPU與外部設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的能力16位總線、32位總線、64位總線其它指標(biāo)可靠性：平均無(wú)故障時(shí)間兼容性：軟、硬件通用性配置：CPU、內(nèi)存、OS、應(yīng)用軟件、外設(shè)性價(jià)比：綜合性能/價(jià)格,,45,46,第四節(jié)計(jì)算機(jī)的基本性能,中央處理器存儲(chǔ)器,,46,47,一、中央處理器-運(yùn)算器,作用負(fù)責(zé)算數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算運(yùn)算器的組成加法器：加法運(yùn)算輸入選擇電路：控制來(lái)自總線或內(nèi)存的數(shù)據(jù)輸出控制器：移位、控制加法器的輸出累加器：存放中間結(jié)果通用寄存器：存放運(yùn)算要用的數(shù)據(jù)和地址,47,,48,一、中央處理器-控制器,作用讀取并分析指令、發(fā)出控制信號(hào)控制器的組成指令計(jì)數(shù)器：順序指向內(nèi)存中的指令地址指令寄存器：按照地址讀取并保存要執(zhí)行的指令譯碼器：分析操作碼定時(shí)部件：發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)控制部件：根據(jù)譯碼結(jié)果向執(zhí)行部件發(fā)出指令,49,一、中央處理器-指令系統(tǒng),邏輯運(yùn)算指令與、或、非、比較等（演示函數(shù)：AND、IF）算數(shù)運(yùn)算指令取數(shù)指令：取數(shù)并送入運(yùn)算器存數(shù)指令：將運(yùn)算結(jié)果送入內(nèi)存輸入/輸出指令測(cè)試設(shè)備狀況、傳送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的設(shè)備轉(zhuǎn)移指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)子程序等,50,一、中央處理器-尋址方式,直接尋址指令中給出的地址就是操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址間接尋址在指令中給出的是操作數(shù)的地址的地址變址尋址把變址寄存器的內(nèi)容（通常是首地址）與指令中的地址碼之和作為操作數(shù)的地址,51,一、中央處理器-尋址方式,相對(duì)地址以指令地址為基準(zhǔn)，形成操作數(shù)的有效地址用Excel說(shuō)明相對(duì)地址和絕對(duì)地址立即尋址指令中的地址內(nèi)容就是操作數(shù)本身用Excel說(shuō)明立即尋址、直接尋址和間接尋址,52,一、中央處理器-性能指標(biāo),主頻主頻越高處理速度越快多處理器和并行處理多個(gè)CPU組成的處理系統(tǒng)多個(gè)CPU同時(shí)處理多條指令輔助處理器存儲(chǔ)管理、通信等專項(xiàng)工作的執(zhí)行部件RISC（簡(jiǎn)化指令集計(jì)算機(jī)）,53,總線簡(jiǎn)介,數(shù)據(jù)總線（DB）在CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)地址總線（AB）傳送存儲(chǔ)單元和輸入/輸出接口地址控制總線（CB）發(fā)送來(lái)自控制器的操作信號(hào)總線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISA總線、MAC總線、EISA總線、PCI總線,54,55,二、存儲(chǔ)器-內(nèi)存,CPU直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器重量輕、體積小、速度快分為ROM和RAM兩大類ROM的分類MROM：廠家寫入永久記憶PROM：可編程ROM，用戶寫入永久記憶EPROM：可擦可編程（紫外線擦除）EAROM：可擦可編程（電擦除）,55,,56,二、存儲(chǔ)器-內(nèi)存,隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）SRAM（靜態(tài)）：比DRAM快，用于高速緩存（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路）DRAM（動(dòng)態(tài)）：比靜態(tài)RAM集成度高、功耗低，從而成本低、用于內(nèi)存SDRAM（同步動(dòng)態(tài)）：與總線速度同步DDRSDRAM（DDR）：雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)內(nèi)存配置Windows2000系統(tǒng)：256M~512MWindowsXP系統(tǒng)：512M~1GVista系統(tǒng)：1G~2G,57,二、存儲(chǔ)器-內(nèi)存,內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)容量有效數(shù)據(jù)位數(shù)，16位、32位、64位存取時(shí)間高速緩存、內(nèi)存、虛擬內(nèi)存、外存容量/價(jià)格比,58,二、存儲(chǔ)器-外存,軟盤磁表面、磁道、扇區(qū)、扇區(qū)容量軟盤驅(qū)動(dòng)器：磁道定位、讀寫磁頭寫保護(hù)容量計(jì)算,59,二、存儲(chǔ)器-外存,硬盤盤片（多層）：磁道、扇區(qū)讀寫磁頭驅(qū)動(dòng)裝置及控制電路容量大、可靠、讀取速度高于軟盤硬盤的技術(shù)指標(biāo)盤片數(shù)、磁頭數(shù)（偶數(shù)）、扇區(qū)數(shù)柱面的概念,60,61,二、存儲(chǔ)器-外存,光盤存儲(chǔ)器使用激光技術(shù)容量大、壽命長(zhǎng)、便于攜帶、價(jià)格低類型只讀光盤（CD-ROM）一次寫入光盤（CD-R）可擦寫光盤（CD-RW），激光照射后磁化指標(biāo)糾錯(cuò)性能和穩(wěn)定性,62,63,64,65,二、存儲(chǔ)器-外存,光盤技術(shù)東芝30GB光盤技術(shù)（2002年）軌道間距0.29μm每比特的記錄長(zhǎng)度為0.0986μm數(shù)據(jù)傳輸速度為35Mbit/秒Sony藍(lán)光光盤技術(shù)8層，容量200GB日本Optware公司HVD全息通用光盤技術(shù)容量3.9TB,66,第五節(jié)輸入輸出設(shè)備,輸入設(shè)備（鍵盤、掃描儀等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)等）,,66,67,一、輸入設(shè)備-鍵盤,鍵盤工作原理觸點(diǎn)式電容式按下時(shí)電容減小高頻信號(hào)通過(guò)鍵盤的編碼用硬件測(cè)定被按鍵盤，再轉(zhuǎn)換成ASCII碼（淘汰）用軟件查詢被按鍵盤，再轉(zhuǎn)換成ASCII碼,67,,68,一、輸入設(shè)備-鼠標(biāo),光機(jī)電鼠標(biāo)靈敏度300到600cpi（每英寸測(cè)量次數(shù)）由滾球直徑/光柵軸直徑、光柵柵格數(shù)量決定光學(xué)鼠標(biāo)光源、微型攝像頭（采樣）、圖像處理芯片采樣頻率達(dá)到到5220幀/秒最快追蹤速度37英寸/秒（人手的極限移動(dòng)速度為30英寸/秒）漫反射表面、避免表面高度一致,69,CPI（CountPerInch:每英寸的測(cè)量次數(shù)）光電鼠標(biāo)的分辨率通常在400～800CPI之間,70,一、輸入設(shè)備-其它,掃描儀光電轉(zhuǎn)化，輸入文字、圖像觸摸屏電磁感應(yīng)語(yǔ)音輸入麥克、處理軟件數(shù)碼照相、攝像設(shè)備CCD（光電轉(zhuǎn)換），圖像編/解碼芯片,71,常見(jiàn)輸入設(shè)備,,教學(xué)進(jìn)程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,72,二、輸出設(shè)備-顯示器,CRT顯示器陰極射線、隔行掃描、逐行掃描、輻射液晶顯示器顯示原理、分辨率,72,,73,例：19英寸0.28mm點(diǎn)距，長(zhǎng)寬比4/3求證分辨率：1280X1024,74,二、輸出設(shè)備-顯示標(biāo)準(zhǔn),VGA（VideoGraphicsAdapter）接口計(jì)算機(jī)圖像模擬輸出接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，640X480SVGA（SuperVGA）VGA擴(kuò)充模式，800X600，1024X768XGA筆記本LCD顯示接口，1024X768DVI（DigitalVisualInterface）數(shù)字顯示信號(hào)接口DVI-I通過(guò)轉(zhuǎn)換接口兼容模擬信號(hào)DVD-D只有數(shù)字信號(hào),75,二、輸出設(shè)備-打印機(jī),打印機(jī)工作方式串行、行式、頁(yè)式打印機(jī)技術(shù)擊打：電磁驅(qū)動(dòng)，機(jī)械針頭打印噴墨：電驅(qū)（壓電式、氣泡式）微孔（微米）噴墨激光激光掃描感光鼓受到光照的地方電荷消失形成電荷潛影感光鼓上有電荷的部位吸附墨粉顆粒帶有相反電荷的打印紙吸附磨粉，加熱塑化,76,77,常見(jiàn)輸出設(shè)備,,●,●印刷圖片普通：300dpi高精度：600dpi,●顯示器：96dpi●顯示用圖片：96dpi●動(dòng)畫、視頻：96dpi,●噴墨打印機(jī)：720～2880dpi,●激光打印機(jī)：600~1200dpi,繪圖儀,