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1,第二章計算機及其基本功能,數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)組成,2,第一節(jié)計算機的發(fā)展與應(yīng)用,計算機發(fā)展概況計算機的時代劃分計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢,,2,3,一、計算機的發(fā)展概況,早期計算工具石子、算盤、計算尺、機械計算器（CharlesBabbage1833）差分分析機：輸入、存儲、運算、控制、輸出馮?諾依曼博士（普林斯頓大學(xué)）存儲程序計算機ENIAC第一代電子數(shù)字計算機，1946年,3,,4,人類追求的計算工具,CharlesBabbage,1822差分機,1833差分分析機,MARKI,ENIAC,4,,5,第一臺電子計算機（ENIAC）,5000次加法/秒體重28噸占地170m218800只電子管1500個繼電器功率150KW,5,,6,晶體管數(shù),每18個月芯片能力增長一倍。,計算機第一定律——摩爾定律,6,,7,第一代（1946~1956）電子管5千~4萬（次/秒）,第二代（1957~1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）,第三代（1965~1970）集成電路百萬~幾百萬（次/秒）,第四代（1971~90年代）集成電路幾百萬~幾億（次/秒）,計算機發(fā)展的幾個階段,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)進行開關(guān)電路分析并證明布爾代數(shù)的邏輯運算可以通過繼電器電路來實現(xiàn)。阿塔納索夫提出了計算機的三條原則以二進制實現(xiàn)數(shù)字運算，以保證精度；利用電子技術(shù)來實現(xiàn)控制、邏輯運算和算術(shù)運算，以保證計算速度；把計算功能和二進制數(shù)更新存儲功能相分離的結(jié)構(gòu)。,,8,Shannon,,9,圖靈與圖靈機,為紀念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機博物館于1966年設(shè)立了“圖靈獎”,計算機是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好的任務(wù)。,圖靈機是一種思想模型，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭。,9,,10,計算機世界中的日本,輝煌：打敗Intel的芯片巨人，迫使Intel于1985年另辟戰(zhàn)場（微處理器）筆記本電腦的領(lǐng)軍人物失誤：第五代計算機（智能計算機）的開發(fā)者高清晰度模擬電視,10,,11,計算機世界中的印度,世界軟件產(chǎn)業(yè)王國1985年，印度軟件業(yè)產(chǎn)值為1000萬美元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,計算機世界中的中國,1952年在清華大學(xué)成立中國第一個計算機三人研究小組組長閔大可電機系教授1954年小組經(jīng)擴充和調(diào)整，并入中科院近代物理研究所負責(zé)人錢三強1958年完成第一臺電子計算機1031959年完成大型電子計算機1041959年中國自行研究的107計算機問世1965年中國開始研制第三代計算機（集成電路）1977年研制成功中國第一臺微機DJS050,,12,13,二、計算機的應(yīng)用,科學(xué)計算用于量大、復(fù)雜的計算（速度快、精度高）數(shù)據(jù)處理圖像處理、聲音處理、企業(yè)管理實時控制無人機、生產(chǎn)線、遠程導(dǎo)彈計算機輔助工程CAD、CAM、CAI辦公自動化,13,,14,三、計算機的類型,巨型機運算速度可達數(shù)百億次，科研、數(shù)值預(yù)報大型機大容量、高速度小型機介于大型機和微機之間，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，工作站微型機辦公終端、CAD、多媒體、信息查詢等,14,,15,四、計算機的發(fā)展,微型化,巨型化,網(wǎng)絡(luò)化,智能化,,,,,ENIAC,15,,16,Altair8800,計算機發(fā)展——微型化,計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。,16,,17,CRAY-Ⅱ,計算機發(fā)展——巨型化,運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”超級計算機應(yīng)用：天氣預(yù)報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計算的高科技領(lǐng)域。,中國超級計算機：國防科技大學(xué)研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家智能計算機中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”,銀河Ⅱ,17,,18,計算機發(fā)展——巨型化,中國最快超級服務(wù)器：“曙光3000”運算速度為每秒3800億次（排名80位）48小時的精確天氣預(yù)報數(shù)據(jù)處理1小時38分鐘；一個月的氣候預(yù)報僅用15分鐘；1000萬人每人每天可以在網(wǎng)上點擊800次網(wǎng)頁；1000萬人每人每天可以收發(fā)7封“電子郵件”。,,18,計算機發(fā)展趨勢,19,計算機發(fā)展——網(wǎng)絡(luò)化,,計算機網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力使用遠程資源，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臺計算機利用并行作業(yè)管理技術(shù)，實現(xiàn)高速操作環(huán)境。,,19,20,計算機發(fā)展——智能化,“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機械’來”?！芽枺?637）,人類第一個“工業(yè)機器人”：一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人具有“感覺”的機器人第三代機器人裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”,20,,21,第二節(jié)計算機的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ),計算機的計數(shù)制計算機的數(shù)據(jù)單位計算機的字符編碼,,21,22,一、計算機的計數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,數(shù)制的構(gòu)成基數(shù)、進位規(guī)則、運算法則十進制基數(shù)：0、1、2、3……9（10個不同的符號）逢十進一，借一當(dāng)十運算法則：加法表其它數(shù)制已知數(shù)制設(shè)計一種數(shù)制,,22,23,一、計算機的計數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,常用數(shù)制二進制R=2，使用0,1八進制R=8，使用0,1,2,3,4,5,6,7十進制R=10，使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十六進制R=16，使用0,……,9,A,B,C,D,E,F計算機采用二進制的理由算數(shù)運算簡單、便于邏輯運算、技術(shù)可行可靠：抗干擾、便于檢錯和糾錯,23,,24,,24,25,26,一、計算機的計數(shù)制和數(shù)據(jù)單位,數(shù)制的規(guī)律基數(shù)：R逢R進一，借一當(dāng)R運算法則相同,27,二、計算機的字符編碼,,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)計算機系統(tǒng)的組成,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機性能指標,,34,35,一、計算機的結(jié)構(gòu)和硬件、軟件,馮.諾依曼計算機兩種能力：存儲程序、自動地執(zhí)行程序組成：輸入、存儲、運算、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)均用二進制表示例如：顏色的表示、聲音的表示,,35,36,司維siwei@,計算機硬件,,,輸入設(shè)備,內(nèi)存,外存,運算器,輸出設(shè)備,控制器,,37,司維siwei@,計算機軟件,系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)、程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫管理系統(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、滲透,38,司維siwei@,磁盤，輸入/輸出,39,程序和指令,指令是對計算機進行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。,程序是為完成一項特定任務(wù)而用某種語言編寫的一組指令序列。,機器執(zhí)行什么操作,執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）,計算機軟件概述,39,,40,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（外）存儲器,（內(nèi)）存儲器,中央處理器（CPU）,控制器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,,,,,,運算器,,,40,,41,二、計算機的性能指標,字長一次讀取并處理的二進制數(shù)長度字長：16位、32位、64位增加字長的好處提高運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算機系統(tǒng)整體性能,41,,42,二、計算機的性能指標,主頻（時鐘頻率）控制器的執(zhí)行動作按照時鐘節(jié)拍進行主頻越高計算機運算速度越高目前計算機主頻可達到運算速度（MIPS）單位時間（秒）內(nèi)執(zhí)行的指令條數(shù)（百萬）主頻100MHz的CPU執(zhí)行一條運算指令所需時間為10ns，主頻50MHz的CPU需要20ns，前者的運算速度快了一倍。,,42,43,二、計算機的性能指標,,43,44,二、計算機的性能指標,存儲容量內(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)的平均時間DDRAM內(nèi)存可達到2~5nsDRAM為幾十ns,,44,45,二、計算機的性能指標,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位總線其它指標可靠性：平均無故障時間兼容性：軟、硬件通用性配置：CPU、內(nèi)存、OS、應(yīng)用軟件、外設(shè)性價比：綜合性能/價格,,45,46,第四節(jié)計算機的基本性能,中央處理器存儲器,,46,47,一、中央處理器-運算器,作用負責(zé)算數(shù)運算、邏輯運算運算器的組成加法器：加法運算輸入選擇電路：控制來自總線或內(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)出控制信號控制器的組成指令計數(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：分析操作碼定時部件：發(fā)出時序控制信號控制部件：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),邏輯運算指令與、或、非、比較等（演示函數(shù)：AND、IF）算數(shù)運算指令取數(shù)指令：取數(shù)并送入運算器存數(shù)指令：將運算結(jié)果送入內(nèi)存輸入/輸出指令測試設(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,相對地址以指令地址為基準，形成操作數(shù)的有效地址用Excel說明相對地址和絕對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,主頻主頻越高處理速度越快多處理器和并行處理多個CPU組成的處理系統(tǒng)多個CPU同時處理多條指令輔助處理器存儲管理、通信等專項工作的執(zhí)行部件RISC（簡化指令集計算機）,53,總線簡介,數(shù)據(jù)總線（DB）在CPU、存儲器和輸入/輸出設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)地址總線（AB）傳送存儲單元和輸入/輸出接口地址控制總線（CB）發(fā)送來自控制器的操作信號總線的工業(yè)標準ISA總線、MAC總線、EISA總線、PCI總線,54,55,二、存儲器-內(nèi)存,CPU直接訪問的存儲器重量輕、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、存儲器-內(nèi)存,隨機存儲器（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（同步動態(tài)）：與總線速度同步DDRSDRAM（DDR）：雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器系統(tǒng)內(nèi)存配置Windows2000系統(tǒng)：256M~512MWindowsXP系統(tǒng)：512M~1GVista系統(tǒng)：1G~2G,57,二、存儲器-內(nèi)存,內(nèi)存的主要技術(shù)指標容量有效數(shù)據(jù)位數(shù)，16位、32位、64位存取時間高速緩存、內(nèi)存、虛擬內(nèi)存、外存容量/價格比,58,二、存儲器-外存,軟盤磁表面、磁道、扇區(qū)、扇區(qū)容量軟盤驅(qū)動器：磁道定位、讀寫磁頭寫保護容量計算,59,二、存儲器-外存,硬盤盤片（多層）：磁道、扇區(qū)讀寫磁頭驅(qū)動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、存儲器-外存,光盤存儲器使用激光技術(shù)容量大、壽命長、便于攜帶、價格低類型只讀光盤（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糾錯性能和穩(wěn)定性,62,63,64,65,二、存儲器-外存,光盤技術(shù)東芝30GB光盤技術(shù)（2002年）軌道間距0.29μm每比特的記錄長度為0.0986μm數(shù)據(jù)傳輸速度為35Mbit/秒Sony藍光光盤技術(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、打印機等）,,66,67,一、輸入設(shè)備-鍵盤,鍵盤工作原理觸點式電容式按下時電容減小高頻信號通過鍵盤的編碼用硬件測定被按鍵盤，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,光機電鼠標靈敏度300到600cpi（每英寸測量次數(shù)）由滾球直徑/光柵軸直徑、光柵柵格數(shù)量決定光學(xué)鼠標光源、微型攝像頭（采樣）、圖像處理芯片采樣頻率達到到5220幀/秒最快追蹤速度37英寸/秒（人手的極限移動速度為30英寸/秒）漫反射表面、避免表面高度一致,69,CPI（CountPerInch:每英寸的測量次數(shù)）光電鼠標的分辨率通常在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,常見輸入設(shè)備,,教學(xué)進程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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點距，長寬比4/3求證分辨率：1280X1024,74,二、輸出設(shè)備-顯示標準,VGA（VideoGraphicsAdapter）接口計算機圖像模擬輸出接口技術(shù)標準，640X480SVGA（SuperVGA）VGA擴充模式，800X600，1024X768XGA筆記本LCD顯示接口，1024X768DVI（DigitalVisualInterface）數(shù)字顯示信號接口DVI-I通過轉(zhuǎn)換接口兼容模擬信號DVD-D只有數(shù)字信號,75,二、輸出設(shè)備-打印機,打印機工作方式串行、行式、頁式打印機技術(shù)擊打：電磁驅(qū)動，機械針頭打印噴墨：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●動畫、視頻：96dpi,●噴墨打印機：720～2880dpi,●激光打印機：600~1200dpi,繪圖儀,