计算机及其基本功能.ppt

1,第二章计算机及其基本功能,数据处理基础计算机系统组成,2,第一节计算机的发展与应用,计算机发展概况计算机的时代划分计算机技术的发展趋势,2,3,一、计算机的发展概况,早期计算工具石子、算盘、计算尺、机械计算器（CharlesBabbage1833）差分分析机：输入、存储、运算、控制、输出冯诺依曼博士（普林斯顿大学）存储程序计算机ENIAC第一代电子数字计算机，1946年,3,4,人类追求的计算工具,CharlesBabbage,1822差分机,1833差分分析机,MARKI,ENIAC,4,5,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW,5,6,晶体管数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,6,7,第一代（19461956）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19571964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）,第四代（197190年代）集成电路几百万几亿（次/秒）,计算机发展的几个阶段,7,8,重要人物和思想,香侬信息论创始人。1938年首次用布尔代数进行开关电路分析并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则以二进制实现数字运算，以保证精度；利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；把计算功能和二进制数更新存储功能相分离的结构。,8,Shannon,9,图灵与图灵机,为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”,计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。,图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。,9,10,计算机世界中的日本,辉煌：打败Intel的芯片巨人，迫使Intel于1985年另辟战场（微处理器）笔记本电脑的领军人物失误：第五代计算机（智能计算机）的开发者高清晰度模拟电视,10,11,计算机世界中的印度,世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一。,11,12,计算机世界中的中国,1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长闵大可电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人钱三强1958年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的107计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）1977年研制成功中国第一台微机DJS050,12,13,二、计算机的应用,科学计算用于量大、复杂的计算（速度快、精度高）数据处理图像处理、声音处理、企业管理实时控制无人机、生产线、远程导弹计算机辅助工程CAD、CAM、CAI办公自动化,13,14,三、计算机的类型,巨型机运算速度可达数百亿次，科研、数值预报大型机大容量、高速度小型机介于大型机和微机之间，网络服务器，工作站微型机办公终端、CAD、多媒体、信息查询等,14,15,四、计算机的发展,微型化,巨型化,网络化,智能化,ENIAC,15,16,Altair8800,计算机发展微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。,16,17,CRAY-,计算机发展巨型化,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。,中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”国家智能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”,银河,17,18,计算机发展巨型化,中国最快超级服务器：“曙光3000”运算速度为每秒3800亿次（排名80位）48小时的精确天气预报数据处理1小时38分钟；一个月的气候预报仅用15分钟；1000万人每人每天可以在网上点击800次网页；1000万人每人每天可以收发7封“电子邮件”。,18,计算机发展趋势,19,计算机发展网络化,计算机网络计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。日本1024台计算机利用并行作业管理技术，实现高速操作环境。,19,20,计算机发展智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”,20,21,第二节计算机的数据处理基础,计算机的计数制计算机的数据单位计算机的字符编码,21,22,一、计算机的计数制和数据单位,数制的构成基数、进位规则、运算法则十进制基数：0、1、2、39（10个不同的符号）逢十进一，借一当十运算法则：加法表其它数制已知数制设计一种数制,22,23,一、计算机的计数制和数据单位,常用数制二进制R=2，使用0,1八进制R=8，使用0,1,2,3,4,5,6,7十进制R=10，使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十六进制R=16，使用0,9,A,B,C,D,E,F计算机采用二进制的理由算数运算简单、便于逻辑运算、技术可行可靠：抗干扰、便于检错和纠错,23,24,24,25,26,一、计算机的计数制和数据单位,数制的规律基数：R逢R进一，借一当R运算法则相同,27,二、计算机的字符编码,位（bit）：度量数据的最小单位,字节（Byte）：最常用的基本单位,8bit=1ByteK（千）字节1K=1024byteM（兆）字节1M=1024KG（吉）字节1G=1024MT（太）字节1T=1024G,b7b6b5b4b3b2b1b0,10010101,=27+24+22+20,=149,27,28,司维siwei,29,司维siwei,30,司维siwei,31,司维siwei,32,司维siwei,33,司维siwei,34,第三节计算机系统的组成,计算机系统结构计算机性能指标,34,35,一、计算机的结构和硬件、软件,冯.诺依曼计算机两种能力：存储程序、自动地执行程序组成：输入、存储、运算、控制、输出、工作原理：取指令（CPU）、分析指令和执行指令；指令和数据均用二进制表示例如：颜色的表示、声音的表示,35,36,司维siwei,计算机硬件,输入设备,内存,外存,运算器,输出设备,控制器,37,司维siwei,计算机软件,系统软件操作系统、程序设计语言、数据库管理系统、诊断程序及系统工具等保证系统正常工作应用软件为满足用户需求所开发的程序如：Office、Photoshop、Flash、Dreamweare等决定系统能做什么软件和硬件相互促进、渗透,38,司维siwei,磁盘，输入/输出,39,程序和指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,计算机软件概述,39,40,计算机系统结构,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入设备,输出设备,运算器,40,41,二、计算机的性能指标,字长一次读取并处理的二进制数长度字长：16位、32位、64位增加字长的好处提高运算精度提高处理速度增大寻址空间支持更多的指令提高计算机系统整体性能,41,42,二、计算机的性能指标,主频（时钟频率）控制器的执行动作按照时钟节拍进行主频越高计算机运算速度越高目前计算机主频可达到运算速度（MIPS）单位时间（秒）内执行的指令条数（百万）主频100MHz的CPU执行一条运算指令所需时间为10ns，主频50MHz的CPU需要20ns，前者的运算速度快了一倍。,42,43,二、计算机的性能指标,43,44,二、计算机的性能指标,存储容量内存：256M、512M、1G、2G、4G、32G外存：80G、200G、1T、光盘、磁带存取周期从内存或取一次数据的平均时间DDRAM内存可达到25nsDRAM为几十ns,44,45,二、计算机的性能指标,总线位数数据总线、地址总线、控制总线决定CPU与外部设备传送数据的能力16位总线、32位总线、64位总线其它指标可靠性：平均无故障时间兼容性：软、硬件通用性配置：CPU、内存、OS、应用软件、外设性价比：综合性能/价格,45,46,第四节计算机的基本性能,中央处理器存储器,46,47,一、中央处理器-运算器,作用负责算数运算、逻辑运算运算器的组成加法器：加法运算输入选择电路：控制来自总线或内存的数据输出控制器：移位、控制加法器的输出累加器：存放中间结果通用寄存器：存放运算要用的数据和地址,47,48,一、中央处理器-控制器,作用读取并分析指令、发出控制信号控制器的组成指令计数器：顺序指向内存中的指令地址指令寄存器：按照地址读取并保存要执行的指令译码器：分析操作码定时部件：发出时序控制信号控制部件：根据译码结果向执行部件发出指令,49,一、中央处理器-指令系统,逻辑运算指令与、或、非、比较等（演示函数：AND、IF）算数运算指令取数指令：取数并送入运算器存数指令：将运算结果送入内存输入/输出指令测试设备状况、传送数据到相应的设备转移指令无条件转移、条件转移、转子程序等,50,一、中央处理器-寻址方式,直接寻址指令中给出的地址就是操作数的存储器地址间接寻址在指令中给出的是操作数的地址的地址变址寻址把变址寄存器的内容（通常是首地址）与指令中的地址码之和作为操作数的地址,51,一、中央处理器-寻址方式,相对地址以指令地址为基准，形成操作数的有效地址用Excel说明相对地址和绝对地址立即寻址指令中的地址内容就是操作数本身用Excel说明立即寻址、直接寻址和间接寻址,52,一、中央处理器-性能指标,主频主频越高处理速度越快多处理器和并行处理多个CPU组成的处理系统多个CPU同时处理多条指令辅助处理器存储管理、通信等专项工作的执行部件RISC（简化指令集计算机）,53,总线简介,数据总线（DB）在CPU、存储器和输入/输出设备之间传送数据地址总线（AB）传送存储单元和输入/输出接口地址控制总线（CB）发送来自控制器的操作信号总线的工业标准ISA总线、MAC总线、EISA总线、PCI总线,54,55,二、存储器-内存,CPU直接访问的存储器重量轻、体积小、速度快分为ROM和RAM两大类ROM的分类MROM：厂家写入永久记忆PROM：可编程ROM，用户写入永久记忆EPROM：可擦可编程（紫外线擦除）EAROM：可擦可编程（电擦除）,55,56,二、存储器-内存,随机存储器（RAM）SRAM（静态）：比DRAM快，用于高速缓存（双稳态触发电路）DRAM（动态）：比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本低、用于内存SDRAM（同步动态）：与总线速度同步DDRSDRAM（DDR）：双倍速率同步动态随机存储器系统内存配置Windows2000系统：256M512MWindowsXP系统：512M1GVista系统：1G2G,57,二、存储器-内存,内存的主要技术指标容量有效数据位数，16位、32位、64位存取时间高速缓存、内存、虚拟内存、外存容量/价格比,58,二、存储器-外存,软盘磁表面、磁道、扇区、扇区容量软盘驱动器：磁道定位、读写磁头写保护容量计算,59,二、存储器-外存,硬盘盘片（多层）：磁道、扇区读写磁头驱动装置及控制电路容量大、可靠、读取速度高于软盘硬盘的技术指标盘片数、磁头数（偶数）、扇区数柱面的概念,60,61,二、存储器-外存,光盘存储器使用激光技术容量大、寿命长、便于携带、价格低类型只读光盘（CD-ROM）一次写入光盘（CD-R）可擦写光盘（CD-RW），激光照射后磁化指标纠错性能和稳定性,62,63,64,65,二、存储器-外存,光盘技术东芝30GB光盘技术（2002年）轨道间距0.29m每比特的记录长度为0.0986m数据传输速度为35Mbit/秒Sony蓝光光盘技术8层，容量200GB日本Optware公司HVD全息通用光盘技术容量3.9TB,66,第五节输入输出设备,输入设备（键盘、扫描仪等）输出设备（显示器、打印机等）,66,67,一、输入设备-键盘,键盘工作原理触点式电容式按下时电容减小高频信号通过键盘的编码用硬件测定被按键盘，再转换成ASCII码（淘汰）用软件查询被按键盘，再转换成ASCII码,67,68,一、输入设备-鼠标,光机电鼠标灵敏度300到600cpi（每英寸测量次数）由滚球直径/光栅轴直径、光栅栅格数量决定光学鼠标光源、微型摄像头（采样）、图像处理芯片采样频率达到到5220帧/秒最快追踪速度37英寸/秒（人手的极限移动速度为30英寸/秒）漫反射表面、避免表面高度一致,69,CPI（CountPerInch:每英寸的测量次数）光电鼠标的分辨率通常在400800CPI之间,70,一、输入设备-其它,扫描仪光电转化，输入文字、图像触摸屏电磁感应语音输入麦克、处理软件数码照相、摄像设备CCD（光电转换），图像编/解码芯片,71,常见输入设备,教学进程,72,二、输出设备-显示器,CRT显示器阴极射线、隔行扫描、逐行扫描、辐射液晶显示器显示原理、分辨率,72,73,例：19英寸0.28mm点距，长宽比4/3求证分辨率：1280X1024,74,二、输出设备-显示标准,VGA（VideoGraphicsAdapter）接口计算机图像模拟输出接口技术标准，640X480SVGA（SuperVGA）VGA扩充模式，800X600，1024X768XGA笔记本LCD显示接口，1024X768DVI（DigitalVisualInterface）数字显示信号接口DVI-I通过转换接口兼容模拟信号DVD-D只有数字信号,75,二、输出设备-打印机,打印机工作方式串行、行式、页式打印机技术击打：电磁驱动，机械针头打印喷墨：电驱（压电式、气泡式）微孔（微米）喷墨激光激光扫描感光鼓受到光照的地方电荷消失形成电荷潜影感光鼓上有电荷的部位吸附墨粉颗粒带有相反电荷的打印纸吸附磨粉，加热塑化,76,77,常见输出设备,印刷图片普通：300dpi高精度：600dpi,显示器：96dpi显示用图片：96dpi动画、视频：96dpi,喷墨打印机：7202880dpi,激光打印机：6001200dpi,绘图仪,