[第3課]計算機基礎ppt課件

.,NOIP輔導之,計算機基礎,.,復習回顧,.,1.1信息的數(shù)字化表示,計算機中的各種信息用數(shù)字代碼表示用二進制數(shù)字代碼表示數(shù)值的大小10001001負數(shù)表示-9用數(shù)字編碼表示中、西文字符01000001表示AASCII碼41H01000010表示BASCII碼42H用數(shù)字代碼表示圖像例：用1表示一個亮點，用0表示一個暗點,.,1.1計算機的基本概念,計算機：是一種能夠存儲程序，能夠自動連續(xù)地執(zhí)行程序，對各種數(shù)字化信息進行算術運算或邏輯運算的快速工具。運算分為：算術運算和邏輯運算兩大類。計算機采用存儲程序工作方式。,ENIAC是世界上第一臺電子計算機，它在1946年誕生于美國賓夕法尼亞的費城大學。ENIAC共使用了18800個真空管，重達30噸，占地面積1500平方英尺，每當這個龐然大物工作時都至少需要200KW電力。ENICA的主頻為0.1MHz，但這對于完成它的本職工作計算彈道軌跡，已經富富有余。,為了指示計算，ENIAC用了6000多個開關和配線盤。每當進行不同的計算時，科學家們就要切換開關和改變配線（那時科學家看來是個體力活）。后來美國數(shù)學家馮諾依曼提出了解決之道，這就是“程序存儲方式”。通俗地說“程序存儲方式”是把原來通過切換開關和改變配線來控制的運算步驟，以程序方式預先存放在計算機中，然后讓其自動計算。在以后的日子中，計算機的發(fā)展正是沿著“程序存儲方式”這一光輝道路前進的。,.,世界上第一臺通用計算機ENIAC,17468個電子管，60000個電阻，10000個電容器，6000個開關組合，耗電150千瓦，占地160m2,重達30噸，耗資45萬美元。,.,一.計算機的發(fā)展史,.,.,.,.,Pentium4Willamette核心照片,.,二.計算機的特點,1、運算速度快：2、運算精度高：3、通用性強：4、具有記憶和邏輯判斷能力：5、自動控制能力：,.,三、計算機的分類,20世紀80年代以前，人們按照功能大小、體積、價格等因素將計算機分為微型機，小型機、大中型機和巨型機。現(xiàn)有人建議，按照CPU的數(shù)量來分類，即單機系統(tǒng)，多機系統(tǒng)，大規(guī)模并行處理系統(tǒng)。,.,我國的計算機發(fā)展情況,我國從1956年開始計算機的科研和教學工作；1960年我國第一臺自行設計的通用電子計算機107機誕生；1964年我國研制成大型通用電子計算機119機；1983年每秒運行一億次的銀河巨型計算機在國防科技大學誕生；1992年研制成功每秒運行10億次的“銀河”巨型計算機；1997年又研制成功每秒運行130億次的“銀河”巨型計算機；我國較有名的微型計算機品牌有：“聯(lián)想”、“長城”、“方正”等；,.,四.與計算機相關的幾個重要人物,艾倫圖靈（AlanTuring）英國科學家，他是計算機人工智能技術的鼻祖。1937年他提出了能思考的計算機圖靈機的概念，推進了計算機理論的發(fā)展。圖靈機模型是一種抽象計算模型，用來精確定義可計算函數(shù)，是實現(xiàn)機器人的最基本的一個理論模型。1950年，艾倫圖靈發(fā)表題為計算機能思考嗎的論文，設計了著名的圖靈測驗，解決了如何判定機器人是否具有同人類相等的智力的問題。,馮諾依曼（JohnVonNeumann）1945年，他寫了一篇題為關于離散變量自動電子計算機的草案的論文，第一次提出了在數(shù)字計算機內部的存儲器中存放程序的概念。這成為所有現(xiàn)代計算機的基礎理論，被稱為“馮諾依曼結構”。如今，各式各樣的電腦無論看起來差別多大，實質上絕大多數(shù)是屬于馮諾依曼結構的。,.,五.與計算機相關的幾個重要人物,高登摩爾（GordonMoore）“每過18個月，計算機芯片依賴的集成電路由于內部晶體管數(shù)量的幾何級數(shù)的增長，而使性能幾乎提高一倍，同時集成電路的價格也恰好減少為原來的一半?！边@就是計算機界著名的摩爾定律，他的發(fā)明人就是高登摩爾。1968年他與羅伯特諾伊斯一起率領一群工程師創(chuàng)建了一家叫集成電子的公司，簡稱“Intel”，這就是當今名震世界的英特爾公司。,專家們預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠?！澳柖伞笨隙ú粫谙乱粋€40年繼續(xù)有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經出現(xiàn)，有望應用到未來的芯片中。到那時，即使“摩爾定律”壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。,.,六.存儲程序工作方式,馮諾依曼計算機的核心思想：采用二進制代碼表示數(shù)據和指令采用存儲程序工作方式，即事先編制程序，實現(xiàn)存儲程序，自動連續(xù)地執(zhí)行程序。由存儲器、運算器、控制器、輸入設備、輸出設備等五大部件組成計算機硬件系統(tǒng)。,事先編制程序事先存儲程序自動、連續(xù)地執(zhí)行程序,（現(xiàn)在編程時，通常合二為一）,.,六.存儲程序工作方式,計算機中的信息可以分為控制信息、數(shù)據信息?？刂菩畔⒘鳎弘S著程序的逐步執(zhí)行，依次取出的指令代碼序列，以及在此基礎上產生的微命令等，就成為控制信息流。它們是控制計算機工作的有關信息。數(shù)據信息流：依據指令要求依次取出的數(shù)據，以及運算處理的結果等，成為數(shù)據信息流。它們是計算機加工處理的對象。,.,七.計算機系統(tǒng)的硬、軟件組成,計算機系統(tǒng),硬件,軟件,運算器控制器存儲器（內存儲器、外存儲器）輸入設備（如：鍵盤、鼠標、掃描儀等）輸出設備（如：打印機等）,中央處理器CPU,主機,系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、編譯、解釋程序）,應用軟件,外設,.,.,7.1CPU概述,CPU（CentralProcessingUnit）即中央處理器，是硬件系統(tǒng)的核心部件，負責讀取并執(zhí)行指令。運算器：進行指定的算術或邏輯運算，結果送回主存儲器或暫存在CPU內的寄存器中?？刂破鳎嚎刂普麄€系統(tǒng)工作。,.,7.1.2CPU主流產品,1.INTEL公司賽揚（Celeron）奔騰（Pentium）酷睿（Core）至強（Xeon）安騰（Itanium）2.AMD公司（超威電子）皓龍（Opteron）羿龍（phenom）速龍（Athlon64）炫龍（Turion64）閃龍（Sempron64）,.,7.1.3CPU的重要性能指標主頻電腦的脈搏,主頻:也叫時鐘頻率，單位是Hz，用來表示CPU的運算速度電腦中有許許多多的半導體芯片，每個芯片都是在特定的時鐘頻率下進行工作的。時鐘發(fā)生器提供給芯片的時鐘信號是一個連續(xù)的脈沖信號，而脈沖就相當于芯片的脈搏，每一次脈沖到來，芯片內的晶體管就改變一次狀態(tài)，讓整個芯片完成一定任務。所以，主頻表示在CPU內數(shù)字脈沖信號震蕩的速度.頻率用f表示，基本單位為“1次秒”，記做Hz（赫茲）。1Hz就是每秒一次，10Hz是每秒10次(圖1)。不過，Hz這個單位在電腦里面太小了，因此通常以KHz、MHz或GHz來表示信號頻率。隨著頻率的攀升，若干年以后恐怕需要使用THz作為頻率的單位了簡單的說：主頻表示了這個CPU一秒鐘能執(zhí)行多少條指令。那么，主頻越大，表示這臺計算機的運算能力越_?EG1:奔騰/166表示CPU的型號為（奔騰），工作時的時鐘頻率為（166MHz），即一秒鐘內發(fā)出（166*10242）次振蕩脈沖。,頻率過低造成設備性能低下，相反，如果頻率過高則會造成設備工作不穩(wěn)定，甚至徹底罷工。平時我們在對顯示芯片和顯存進行超頻之后，顯示畫面出現(xiàn)花屏就屬于典型案例,EG2:IntelP4C2.4GHz,以上數(shù)據中，2.4GHZ代表了這個CPU的_,.,7.1.4、CPU的字長,字長：電腦技術中對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為8位數(shù)據的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內處理字長為32位的二進制數(shù)據。字節(jié)和字長的區(qū)別：由于常用的英文字符用8位二進制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個字節(jié)，字節(jié)是一種存儲容量單位。而，字長是CPU處理能力的一種標準，字長的長度是不固定的，對于不同的CPU、字長的長度也不一樣。8位的CPU一次只能處理一個字節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個字節(jié)，同理字長為64位的CPU一次可以處理8個字節(jié)。,1971年，英特爾公司推出了世界上第一款微處理器4004，字長4位，四位微處理器.1978年，英特爾公司生產的8086是第一個16位的微處理器1985年,英特爾生產出32位字長處理器80386目前：市場上主流的cpu的字長幾乎都達到了64位。如,.,7.1.5高速緩存CacheCPU的辦公桌,緩緩沖，緩解作為核心的CPU處理數(shù)據的速度極快，內存跟不上，怎么辦？緩存來幫忙緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數(shù)據時，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內存中讀取并送給CPU處理，同時把這個數(shù)據所在的數(shù)據塊調入緩存中，可以使得以后對整塊數(shù)據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高（大多數(shù)CPU可達90%左右），也就是說CPU下一次要讀取的數(shù)據90%都在緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節(jié)省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數(shù)據時基本無需等待?？偟膩碚f，CPU讀取數(shù)據的順序是先緩存后內存。緩存的作用：1.預讀??；2.臨時存儲數(shù)據；3.暫存運算結果,EG:在“奔騰”機主板上的Cache存儲器的作用是（）A提高硬盤與主存之間的傳送速度B提高軟盤與主存之間的傳送速度C提高CPU與顯示器之間的傳送速度D提高CPU與主存之間的傳送速度,.,為什么CPU能夠控制一個龐大而復雜的電腦系統(tǒng)呢？這是因為cpu中集成了的指令集。所謂指令集，就是cpu中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合，而每一種新型的cpu在設計時就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集cisc和精簡指令集risc兩部分，,7.1.6指令集CPU的帥令,4下列說法中，錯誤的是()。A)程序是指令的序列，它有三種結構：順序、分支和循環(huán)。B)地址總線決定了中央處理器CPU所能訪問的最大內存空間的大小。C)中央處理器CPU內部有寄存器組，用來存儲數(shù)據。D)不同廠家生產的CPU所能處理的指令集不一定相同。E)數(shù)據傳輸過程中不可能會出錯。,.,7.2存儲器概述,存儲器：具有記憶功能的物理器件，用于存儲信息。存儲器分為內存和外存內存是半導體存儲器(主存）：它分為只讀存儲器(ROM)和隨機存儲器(RAM)和高速緩沖存儲器（Cache)；ROM:只能讀，不能用普通方法寫入，通常由廠家生產時寫入，寫入后數(shù)據不容易丟失，也可以用特殊方法（如紫外線擦除（EPROM)或電擦除(EEPROM_)存儲器)；RAM:可讀可寫，斷電后內容全部丟失；Cache:因為CPU讀寫RAM的時間需要等待，為了減少等待時間，在RAM和CPU間需要設置高速緩存Cache,斷電后其內容丟失。外存：磁性存儲器軟盤和硬盤；光電存儲器光盤，它們可以作為永久存器；存儲器的兩個重要技術指標：存取速度和存儲容量。內存的存取速度最快(與CPU速度相匹配)，軟盤存取速度最慢。存儲容量是指存儲的信息量，它用字節(jié)(Byte)作為基本單位，,.,7.2.1內存儲器,2、主存儲器用半導體存儲器構成，工作速度較高，有一定的存儲容量。用來存入需要執(zhí)行的程序及需要處理的數(shù)據，能由CPU直接讀出和寫入。劃分為許多單元，通常每個單元存入8位，稱為一個字節(jié)。每個單元都有一個相應的編號，稱為地址。,20000H,01000001,地址碼,程序或數(shù)據,.,7.2.2外存儲器,3、外存儲器用來存放那些需要聯(lián)機存放，但暫不執(zhí)行的程序和數(shù)據，當需要運行它們時再由外存調入主存。容量大，速度要求比主存低。按照文件進行組織，一個文件常分解為若干數(shù)據塊。,.,7.2.3存儲器分級,快速而強大的CPU需要快速輕松地存取大量數(shù)據才能實現(xiàn)最優(yōu)性能。如果CPU無法獲得所需要的數(shù)據，則只能停下來等待這些數(shù)據。運行速度約為1GHz的現(xiàn)代CPU可以處理大量的數(shù)據每秒處理的數(shù)據有望達到數(shù)十億字節(jié)。然而，計算機設計者所面臨的難題是能夠匹配1GHz的CPU的存儲器非常昂貴而這些大量昂貴存儲器的費用遠非人們可以負擔。聰明的計算機設計者采用“分級”存儲器的方法解決了這一成本問題使用少量的昂貴存儲器并輔以大量較便宜的存儲器。存儲器的分級可示意為:CPU-Cache-內存-硬盤存儲對不同層級的儲存器,CPU有著不同的訪問速度:L1緩存（10納秒）L2緩存（大約20到30納秒）主存儲器（大約60納秒）硬盤（大約12毫秒）,.,各存儲器速度比較,綜上所述速度從快到慢次序為：寄存器（與CPU主頻相同）高速緩存（CACHE，內存的一種）內存（RAM和ROM）硬盤光盤軟盤,例：CPU訪問內存的速度比訪問下列哪個存儲設備要慢（）A）寄存器B）硬盤C）軟盤D）磁帶E）光盤（第九屆初賽試題）,.,7.3I/O設備,輸入/輸出設備計算機系統(tǒng)大多配備了鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等常規(guī)輸入/輸出設備，有的系統(tǒng)還配備了圖形及聲音輸入設備。輸入設備用來將計算機外部的信息輸入計算機。輸出設備將計算機的處理結果以我們能看得懂的形式輸出。顯示器被稱為軟拷貝設備。（關機后顯示信息將丟失）打印機被稱為硬拷貝設備。（信息打印后可長期保存）,.,7.4總線通信通道,總線總線：是指一組能為多個部件分時共享的信息傳輸線。將CPU、主存、多臺I/O設備連接成整機系統(tǒng)。分時共享（某一時刻只能有一個部件或設備向總線發(fā)送數(shù)據，但總線上的數(shù)據可以同時向幾個部件發(fā)送。）系統(tǒng)總線可以分為三組：地址總線、數(shù)據總線、控制總線。,.,7.5接口,在系統(tǒng)總線與I/O設備之間設置一些邏輯部件，約定它們之間的界面，這種邏輯部件叫做I/O接口。（在微型計算機中有稱為適配卡，使標準的系統(tǒng)總線與各種類型的設備相連接。）,.,7.4常見計算機硬件系統(tǒng)結構,系統(tǒng)總線,CPU,主存,I/O設備,接口,I/O設備,接口,.,八.計算機軟件系統(tǒng),軟件就是程序，它規(guī)定著計算機如何去完成某個任務，是某種算法的體現(xiàn)。系統(tǒng)軟件（一組使計算機良好運行而編制的基礎軟件，是計算機系統(tǒng)的一部分）1、操作系統(tǒng)：負責管理和控制計算機系統(tǒng)硬、軟資源及運行的程序，它合理地組織計算機的工作流程，是用戶與計算機之間的接口，為用戶提供軟件開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。如：WINDOWS、Netware、Unix、linux等）,.,八.計算機軟件系統(tǒng),2、編譯、解釋程序機器語言：機器內部使用、用數(shù)字代碼表示的指令代碼，面向某一特定的機型。可有硬件直接識別并執(zhí)行。匯編語言：是一種用符號表示的，面向某一特定機型的程序設計語言，它的指令語句與機器指令一一對應。高級程序設計語言：是面向用戶與特定機器屬性想分離的程序設計語言，具有通用性。語言的處理方式有兩種類型：解釋、編譯。,.,2、編譯、解釋程序解釋方式是邊解釋邊執(zhí)行，如BASIC語言，支持人機對話方式的程序設計，可以邊執(zhí)行邊修改，所需主存空間較小，但執(zhí)行速度較慢。編譯方式是將源程序代碼輸入計算機后，先啟動執(zhí)行相應的編譯程序，將源程序全部翻譯成機器語言的指令序列，稱為目標程序（目標代碼），執(zhí)行時，計算機將直接執(zhí)行目標程序，不再需要源程序與翻譯程序。執(zhí)行速度快。匯編和反匯編、編譯和反編譯將一種程序設計語言的源程序轉換為不同機器語言的目標程序，需要不同的編譯程序或解釋程序。（在Pentium上與在Alpha上使用需要使用不同的C語言的編譯程序。）,八.計算機軟件系統(tǒng),.,3、各種軟件平臺為了方便用戶，常將在開發(fā)及運行過程中所需的各種軟件集成為一個綜合的軟件系統(tǒng)，稱之為軟件平臺。數(shù)據庫管理系統(tǒng)、多媒體制作平臺、中文處理軟件平臺等應用軟件用戶在各自應用領域中為解決各類問題而編寫的程序。是直接面向用戶需要的一類軟件?？茖W計算類、工程設計類、數(shù)據處理類、信息管理類、自動控制類等。,八.計算機軟件系統(tǒng),.,從功能角度而言，系統(tǒng)軟件是負責系統(tǒng)調度管理，提供系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，向用戶提供各種服務的一類軟件；而應用軟件是用戶在各自應用領域中為解決各類問題所編寫的程序。從配置角度而言，系統(tǒng)軟件是用戶購置的系統(tǒng)資源之一，而應用軟件是用戶自身開發(fā)的，直接面向應用需要的程序。,八.計算機軟件系統(tǒng),.,九.影響計算機性能的重要指標,運算速度（1）CPU時鐘頻率與主頻計算機中有一個震蕩器，它的輸出經整形后形成全機最基本的脈沖序列。主頻脈沖分頻后形成時鐘脈沖序列。主頻是時鐘脈沖的整數(shù)倍。絕大多數(shù)微機采用主頻值作為速度指標。主存儲器容量（1）字節(jié)數(shù),.,1.4數(shù)字計算機的特點與性能指標,1.4.2計算機的性能指標外存容量一般指聯(lián)機的外存容量，以字節(jié)數(shù)表示。配置的外圍設備及其性能外圍設備的配置情況也是影響系統(tǒng)性能的重要因素。一般在系統(tǒng)的技術說明書中給出允許配置及典型配置的規(guī)格。除了要考慮系統(tǒng)的性能外，還要考慮自己的需要和支付能力，以求二者之間的最佳結合。系統(tǒng)軟件配置理論上計算機可以無止境地擴充其軟件，但購置系統(tǒng)軟件時需要考慮所需的硬件支持。,.,1.5計算機的發(fā)展與應用,1.5.2計算機應用舉例科學計算信息管理中的數(shù)據處理科技工程中的數(shù)據處理自動控制計算機輔助設計（CAD），計算機輔助制造（CAM），計算機模擬，計算機輔助教學（CAI）人工智能,.,實例1,1、美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼對計算機科學發(fā)展所做出的貢獻是（）。提出理想計算機的數(shù)學模型，成為計算機科學的理論基礎。是世界上第一個編寫計算機程序的人。提出存儲程序工作原理，并設計出第一臺具有存儲程序功能的計算機EDVAC。采用集成電路作為計算機的主要功能部件。指出計算機性能將以每兩年翻一番的速度向前發(fā)展。（第十屆全國青少年信息學奧林匹克聯(lián)賽初賽試題普及組Pascal語言）,.,實例2,3、圖靈(AlanTuring)是()。A)美