第1章 概述

1、第一章 概 述本章重點：本章重點：掌握計算機的組成和工作原理的初步的整體概念掌握計算機的組成和工作原理的初步的整體概念 1.1 1.1 計算機的發(fā)展與應用計算機的發(fā)展與應用一、計算機的發(fā)展一、計算機的發(fā)展 從從19461946年第一臺電子數(shù)字計算機產(chǎn)生之后，其計年第一臺電子數(shù)字計算機產(chǎn)生之后，其計算機的發(fā)展速度之快、應用范圍之廣和對科技的算機的發(fā)展速度之快、應用范圍之廣和對科技的進步和社會的影響之大是驚人的。其發(fā)展已經(jīng)經(jīng)進步和社會的影響之大是驚人的。其發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代，現(xiàn)在正在第五、第六代研制中。歷了四代，現(xiàn)在正在第五、第六代研制中。1. 1. 第一代計算機（第一代計算機（1946-1957

2、1946-1957）主要特點：主要特點：（1 1）元件：電子管）元件：電子管（2 2）存儲器：）存儲器： 延遲線或磁鼓延遲線或磁鼓（3 3）軟件：）軟件： 主要為機器語言，后期為匯編語言主要為機器語言，后期為匯編語言第一臺電子計算機第一臺電子計算機ENIACENIAC（4040萬美元、萬美元、30t30t，150KW150KW，170M170M2 2，電子管，電子管1880018800個，個，15001500個繼電器，個繼電器，700700個電阻，個電阻，1000010000只電容器，速度為只電容器，速度為50005000次次/s/s）2. 2. 第二代計算機（第二代計算機（1958-1964

3、1958-1964）主要特點：主要特點：（1 1）元件：晶體管）元件：晶體管（2 2）存儲器：）存儲器： 磁芯（主）、磁帶或磁盤磁芯（主）、磁帶或磁盤（3 3）軟件：有）軟件：有FortranFortran、CobolCobol語言，出現(xiàn)了機語言，出現(xiàn)了機器內(nèi)部的管理程序器內(nèi)部的管理程序 3. 3. 第三代計算機（第三代計算機（1965-19711965-1971）主要特點：主要特點：（1 1）元）元 件：中、小規(guī)模集成電路（件：中、小規(guī)模集成電路（MSIMSI、SSISSI）（2 2）存儲器：半導體）存儲器：半導體（3 3）軟）軟 件：件： 操作系統(tǒng)，采用微程序控制技術，操作系統(tǒng)，采用微程序

4、控制技術，出現(xiàn)了出現(xiàn)了BasicBasic、PascalPascal等等 4.4. 第四代計算機（第四代計算機（1972-1972-）主要特點：主要特點：（1 1）元件：大和超大規(guī)模集成電路（）元件：大和超大規(guī)模集成電路（LSILSI、VLSIVLSI）（2 2）存儲器：）存儲器： 出現(xiàn)了出現(xiàn)了MOSMOS管為主管為主（3 3）軟件：）軟件： 操作系統(tǒng)更加完善，在語音、圖像處操作系統(tǒng)更加完善，在語音、圖像處理、多媒體技術、網(wǎng)絡以及人工智能等理、多媒體技術、網(wǎng)絡以及人工智能等有較大的發(fā)展。有較大的發(fā)展。在第四代計算機發(fā)展過程中出現(xiàn)了今天使用最廣在第四代計算機發(fā)展過程中出現(xiàn)了今天使用最廣的微型計算

5、機：的微型計算機：19761976年年APPLEAPPLE和和19811981年的年的PCPC機產(chǎn)生。機產(chǎn)生。PCPC微機的發(fā)展迅速的主要是微機的發(fā)展迅速的主要是CPUCPU主要生產(chǎn)廠家主要生產(chǎn)廠家IntelIntel公司和核心軟件生產(chǎn)廠家公司和核心軟件生產(chǎn)廠家MicrosoftMicrosoft公司。公司。微機發(fā)展（微機發(fā)展（PCPC）：）：19811981年年IBM-PCIBM-PC（80888088）為第一代）為第一代 IBM- PC/XTIBM- PC/XT（80868086）1984 1984 年年IBM-PC/ATIBM-PC/AT（8082680826）為第二代）為第二代1986

6、 1986 年年 CompaqCompaq公司和公司和IBM-PS/2-50IBM-PS/2-50（8038680386）為第三代）為第三代1989 1989 年年 486 486 為第四代為第四代1993 1993 年年 Pentium(80586)Pentium(80586) 5 5、計算機的發(fā)展顯著的特點是：體積小、重量輕、速計算機的發(fā)展顯著的特點是：體積小、重量輕、速度快、成本低、可靠性強。度快、成本低、可靠性強。這四代計算機的體系基本原理是馮這四代計算機的體系基本原理是馮. .諾依曼思想諾依曼思想: :（1 1） 計算機處理采用二進制或二進制代碼計算機處理采用二進制或二進制代碼（2

7、2） 存儲程序存儲程序（3 3）硬件五大部分：輸入設備、輸出設備、存儲）硬件五大部分：輸入設備、輸出設備、存儲 器、運算器和控制器器、運算器和控制器許多專家認為用馮許多專家認為用馮. .諾依曼思想所構成的計算機體系諾依曼思想所構成的計算機體系對非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理、運算和存儲不是很好的方法，對非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理、運算和存儲不是很好的方法，特別是在檢索速度也是有限的。特別是在檢索速度也是有限的。6. 6. 關于第五代計算機關于第五代計算機主要是在通信、存儲、信息處理和人工主要是在通信、存儲、信息處理和人工智能相結合的超巨型計算機，其知識庫智能相結合的超巨型計算機，其知識庫機、推理機、智能接口等硬件和非

8、程序機、推理機、智能接口等硬件和非程序設計語言（即說明性語言）設計語言（即說明性語言）LispLisp、PrologProlog和和HopeHope語言等軟件組成。語言等軟件組成。7. 7. 關于第六代計算機關于第六代計算機不是傳統(tǒng)的電子元件，而是光電子元件、不是傳統(tǒng)的電子元件，而是光電子元件、超導電子元件和生物電子元件。超導電子元件和生物電子元件。8. 8. 我國計算機的發(fā)展我國計算機的發(fā)展19581958年年1010月月 電子管計算機電子管計算機19641964年年 晶體管計算機晶體管計算機19711971年年 集成電路計算機集成電路計算機19751975年年 微機微機19781978年年

9、 500500萬次萬次/S/S的大型機的大型機19841984年年 1 1億次億次/S “/S “銀河銀河”系列系列9. 9. 計算機的發(fā)展方向計算機的發(fā)展方向（1 1） 巨型化巨型化（2 2） 微型化微型化（3 3） 網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化（4 4） 智能化智能化（5 5） 多媒體化多媒體化二、二、 計算機的應用計算機的應用1 1 科學技術計算科學技術計算2 2 數(shù)據(jù)信息處理數(shù)據(jù)信息處理3 3 計算機控制計算機控制4 4 計算機輔助技術計算機輔助技術5 5 家庭電腦化家庭電腦化1.2 1.2 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成 硬件和軟件系統(tǒng)硬件和軟件系統(tǒng)一、一、 計算機的硬件系統(tǒng)計算機的硬件系統(tǒng)計算機

10、的硬件系統(tǒng)是指計算機中的電子線路和物理計算機的硬件系統(tǒng)是指計算機中的電子線路和物理裝置，是實際存在的實體。如：集成電路芯片等，裝置，是實際存在的實體。如：集成電路芯片等，是計算機的物質(zhì)基礎。計算機有巨型、大型、中型、是計算機的物質(zhì)基礎。計算機有巨型、大型、中型、小型和微型之分，每種又有多機種和型號，硬件差小型和微型之分，每種又有多機種和型號，硬件差別很大，但都是根據(jù)馮別很大，但都是根據(jù)馮. .諾依曼計算機體系結構來諾依曼計算機體系結構來設計的，有五大部分組成（設計的，有五大部分組成（I/OI/O設備、存儲器設備、存儲器（主）、（主）、CPUCPU（運算器和控制器），而（運算器和控制器），而CP

11、UCPU和存儲器和存儲器通常組裝在一個主板上，合稱為通常組裝在一個主板上，合稱為主機主機，它們的關系，它們的關系如圖如圖1 1所示：所示： 運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備程序、數(shù)據(jù)程序、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖圖1 1：計算機硬件系統(tǒng)基本組成：計算機硬件系統(tǒng)基本組成 結果結果程序程序命命令令命命令令 1. 1. 存儲器存儲器主要功能：存放程序和數(shù)據(jù)。主要功能：存放程序和數(shù)據(jù)。表示形式：用二進制的形式來表示又稱為信息，表示形式：用二進制的形式來表示又稱為信息，由許多小單元組成，每條數(shù)據(jù)和指令由許多小單元組成，每條數(shù)據(jù)和指令存放在每個單元中。存放在每個單元中。單元地址：

12、存儲單元按某種順序編號，每個單元單元地址：存儲單元按某種順序編號，每個單元對應一個編號是單元地址，用二進制對應一個編號是單元地址，用二進制表示。表示。訪問存儲器：向存儲單元存入或從存儲單元取出訪問存儲器：向存儲單元存入或從存儲單元取出信息。信息。存儲單元存儲單元 存儲體存儲體 存儲單元存儲單元 存儲單元存儲單元 地地址址譯譯碼碼 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 000 001 111 讀讀/寫控制電路寫控制電路讀讀/寫命令寫命令 圖圖2：存儲器組成框圖：存儲器組成框圖 工作原理如圖工作原理如圖2所示：所示： 2 2、運算器運算器運算器是一個用于信息加工的部件，又稱為執(zhí)運算器是一個用于信息加

13、工的部件，又稱為執(zhí)行部件，是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算，行部件，是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算，由算術邏輯部（由算術邏輯部（ALUALU）和一系列寄存器組成，）和一系列寄存器組成，是字長的主要參考指標。是字長的主要參考指標。 運算器一次能夠運算的二進制的位數(shù)，稱為運算器一次能夠運算的二進制的位數(shù)，稱為字字長長。常用的字長有。常用的字長有8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位。位。 3.3.控制器控制器控制器是全機的指揮中心，它使計算機各部件自動協(xié)控制器是全機的指揮中心，它使計算機各部件自動協(xié)調(diào)地工作。實質(zhì)上是解釋程序。調(diào)地工作。實質(zhì)上是解釋程序。 計算機中有兩種信息流動：一

14、是控制信息，即操作命計算機中有兩種信息流動：一是控制信息，即操作命令，其發(fā)源地為控制器；另一種是數(shù)據(jù)流，它受控制令，其發(fā)源地為控制器；另一種是數(shù)據(jù)流，它受控制信息的控制，從一部件流向另一部件，邊流動邊加工信息的控制，從一部件流向另一部件，邊流動邊加工處理。處理。指令和數(shù)據(jù)都是以二進制碼的形式存儲在存儲器中，指令和數(shù)據(jù)都是以二進制碼的形式存儲在存儲器中，由控制器依據(jù)時序?qū)⑺鼈兎謩e開。由控制器依據(jù)時序?qū)⑺鼈兎謩e開。 4. 4. 輸入設備和輸出設備輸入設備和輸出設備輸入設備和輸出設備與主機通過接口連接，設輸入設備和輸出設備與主機通過接口連接，設置接口主要有以下幾個方面的原因：置接口主要有以下幾個方面

15、的原因： 1)1) 輸入輸入/ /輸出設備大多數(shù)為機電設備，傳送輸出設備大多數(shù)為機電設備，傳送 速度遠低于主機，需要接口作數(shù)據(jù)緩沖。速度遠低于主機，需要接口作數(shù)據(jù)緩沖。 2)2)信息格式不同，需要接口來轉換信息格式不同，需要接口來轉換 3) 3) 接口需要向主機報告設備運行的狀態(tài)，接口需要向主機報告設備運行的狀態(tài)， 傳達主機的命令。傳達主機的命令。 二、二、 計算機的軟件系統(tǒng)計算機的軟件系統(tǒng) 計算機的軟件系統(tǒng)是根據(jù)解決問題的方計算機的軟件系統(tǒng)是根據(jù)解決問題的方法、思想和過程編寫的程序的有序集合，而法、思想和過程編寫的程序的有序集合，而程序是指令的有序集合，一臺計算機中全部程序是指令的有序集合，

16、一臺計算機中全部程序的集合稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng)。按程序的集合稱為這臺計算機的軟件系統(tǒng)。按功能可分為應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。功能可分為應用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。 應用軟件應用軟件是用戶為解決某種應用問題而編制的程序。是用戶為解決某種應用問題而編制的程序。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務等功能。可分為六類：服務等功能。可分為六類： 1. 操作系統(tǒng)：是控制和管理計算機各種資源、操作系統(tǒng)：是控制和管理計算機各種資源、自動調(diào)度用戶作業(yè)程序、處理各自動調(diào)度用戶作業(yè)程序、處理各種中斷的軟件。種中斷的軟件。 2. 語言處理程序：有三種（匯編

17、程序、編譯程序語言處理程序：有三種（匯編程序、編譯程序和解釋程序）和解釋程序） 3. 標準庫程序標準庫程序 4. 服務性程序服務性程序 5. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 6. 計算機網(wǎng)絡軟件計算機網(wǎng)絡軟件 計算機的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)可以互為轉計算機的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)可以互為轉化、互為補充，在微機中采用化、互為補充，在微機中采用固件固件，這是，這是軟件硬化，是將程序固化在軟件硬化，是將程序固化在ROMROM中組成。中組成。 三、三、 計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構從功能上，可把現(xiàn)代計算機系統(tǒng)分為五個層次級從功能上，可把現(xiàn)代計算機系統(tǒng)分為五個層次級別，如圖別，如圖3 3所示：所示：第

18、一級是微程序設計級：是硬件級第一級是微程序設計級：是硬件級第二級是一般機器級：機器語言級第二級是一般機器級：機器語言級第三級是操作系統(tǒng)級：是操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)第三級是操作系統(tǒng)級：是操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。 ( (混合級混合級) )第四級是匯編語言級：一種符號形式語言。第四級是匯編語言級：一種符號形式語言。第五級是高級語言級第五級是高級語言級各層關系：各層關系：（1 1）上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎）上層是下層功能的擴展，下層是上層的基礎（2 2）站在不同的層次觀察計算機系統(tǒng)，會得到不）站在不同的層次觀察計算機系統(tǒng)，會得到不同的概念同的概念（3 3）層次劃分不是絕對的。）層次劃分不是絕對的。

19、高級語言級高級語言級匯編語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級一般機器級一般機器級微程序設計級微程序設計級微程序微程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)匯編程序匯編程序編譯程序編譯程序一級一級二級二級三級三級四級四級五級五級圖圖3：計算機系統(tǒng)層次結構：計算機系統(tǒng)層次結構 微程序直接由硬件執(zhí)行微程序直接由硬件執(zhí)行1.3 1.3 計算機的特點、性能指標及分類計算機的特點、性能指標及分類一、一、 計算機的工作特點計算機的工作特點 （1 1） 快速性快速性 （2 2） 通用性通用性 （3 3） 準確性（計算精確高，計算方法科學）準確性（計算精確高，計算方法科學） （4 4） 邏輯性邏輯性二、二、 計算機的性能指標計算機的

20、性能指標 （1 1） 基本字長基本字長 是參與運算的數(shù)的基本長度，用二進制數(shù)位是參與運算的數(shù)的基本長度，用二進制數(shù)位的長短來衡量，取決寄存器、加法器、數(shù)據(jù)的長短來衡量，取決寄存器、加法器、數(shù)據(jù)總線等部件的位數(shù)。總線等部件的位數(shù)。 （2 2） 主存容量主存容量可以用字節(jié)，有的用字長，可以用字節(jié)，有的用字長，K K、M M、G G、T T （3 3） 運算速度運算速度是每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，單位是是每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，單位是條條/ /秒。（秒。（MIPSMIPS）三、計算機的分類三、計算機的分類（1 1）大型主機）大型主機大型機和中型機（大型機和中型機（IBM360IBM360、37

21、0370、43004300和和ES9000ES9000）（2 2）小型計算機）小型計算機IBM AS/400IBM AS/400，RS-6000RS-6000和和DEC VAXDEC VAX（3 3）個人計算機（）個人計算機（PCPC機）機）（4 4）工作站）工作站是介于微型機和小型機的過渡機種，有是介于微型機和小型機的過渡機種，有SUN SUN （5 5）巨型計算機）巨型計算機把最大、最快、最貴的主機稱為巨型機把最大、最快、最貴的主機稱為巨型機（6 6）小巨型機）小巨型機1.4 1.4 多媒體技術簡介多媒體技術簡介 多媒體計算機是指具有集聲音、文字、多媒體計算機是指具有集聲音、文字、圖形、圖像、動畫于一體的信息處理技術的圖形、圖像、動畫于一體的信息處理技術的計算機。用于多媒體技術實現(xiàn)的產(chǎn)品稱之為計算機。用