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大学计算机基础课件完整版最新.ppt

  大学计算机基础,,第一章 计算机及信息技术概述,本章主要介绍计算机的发展史和特点、类型及应用,以及计算机的未来发展趋势;计算机系统的硬件和软件系统构成;最后介绍信息技术的基本概念。,,1.1 计算机基础知识,20世纪以来人类最重大的科技发明当数电子数字计算机,计算机改变了人们传统的工作和生活方式。,这是一幅很著名的人类进化幽默图,,1.1 计算机基础知识,1.1.1 计算机发展历史上的重要人物和思想,人类从远古时代就产生了计算的需要。钟表业,特别是齿轮传动装置技术的发展,诞生了最早的机械式计算机。 下面介绍几位在电子计算机诞生前后对计算机发展有过突出贡献的几位早期历史人物。,,法国物理学家帕斯卡1623-1662在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成,靠发条驱动,用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。,当时,19岁的帕斯卡为了帮助父亲计算税款,开始研究机械计算装置,最后制成了手摇驱动的齿轮进位式计算器,可完成六位数字的加减法。,1.1 计算机基础知识,,德国数学家莱布尼茨在1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机,也是由一系列齿轮组成,但它能够连续重复地做加减法,从而实现了乘除运算。据记载,莱布尼兹曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。,1.1 计算机基础知识,,1.1 计算机基础知识,英国数学家巴贝奇1822年,在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器,可以保存3个5位数字,计算精度可以达到6位小数。,英国女数学家爱达 1815-1852巴贝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上“第一件计算机程序”。她还建议分析机用二进制存储。预言分析机能唱歌、绘画。,英国诗人拜伦的女儿,,1.1 计算机基础知识,姚期智2000年首位获奖图灵奖的华裔学者,,七十多年来,现代计算机基本结构仍然是“冯·诺依曼计算机”。,美籍匈牙利数学家 冯?诺依曼 计算机鼻祖,计算机应由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大部件组成; 应采用二进制简化机器的电路设计; 采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。,冯·诺依曼 “如果不考虑巴贝奇、爱达和其他人早先提出的有关思想,计算机基本概念只能属于阿兰·图灵”,1.1 计算机基础知识,,1.1 计算机基础知识,1946年由美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台电子数字计算机,取名ENIAC。由此 诞生了“第一个电子的大脑”,重30吨,占地167m2,耗电150千瓦 主要元件为电子管、继电器,可保 存80个字节,每秒钟做5000次加减 法或400次乘法运算。,致命缺陷没有存储程序。,1.1.2 电子计算机发展历程,,第一代计算机 1946-1958年 以电子管为主要元件 代表机型ENIAC,1.1 计算机基础知识,,第四代计算机 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机,未来的第五代计算机是智能计算机,1.1 计算机基础知识,第三代计算机 1964-1971年 以集成电路为主要元件,采用集成电路的第一台电子计算机IBM360型,电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。,,1.1 计算机基础知识,1.1.3 计算机类型,,1.1 计算机基础知识,计算机是一种能按照事先存储的程序,自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。,运算速度快,计算精度高,存储容量大,具有逻辑判断能力,按照程序自动运行,计算机特点,1.1.4 计算机的特点及应用领域,,1.1 计算机基础知识,科学计算,数据处理,过程与实时控制,人工智能,计算机辅助设计与制造,计算机应用领域,远程通信与网络应用,多媒体与虚拟现实,微机的发展1975-1995,1975年第一台个人电脑问世。 1981年第一台IBM-PC问世。 1985年386;1989年486;1993年奔腾出现。CPU进入32位时代。 1989年多媒体声卡问世。 1995年个人电脑出现CD-ROM光驱。 1995年Win 95问世,操作系统进入Windows 时代。多媒体和图形界面的出现使电脑真正进入家庭。,1995年以来,Intel的CPU频率(2000年P4,2GHz;2004年P4,3.8GHz)。 2001年Windows XP,集成大量应用程序,例如IE、Media Player、图像浏览等。 2005年4月,64位Windows XP操作系统问世。 2005年4月,CPU进入双核和多核时代。 2006年,Windows Vista 32位/64位操作系统发布。 2009年, Windows7操作系统发布。,微机的发展1995- ,,① 巨型化,存储容量大、运算速度达每秒百万亿、千万亿次的巨型机是衡量一个国家科技实力的指标之一。,1.1.5 计算机发展趋势,1.1 计算机基础知识,计算机正向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。,2009年,我国成功研制出每秒1206万亿次的“天河一号”超级计算机,成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次计算机的国家。,,1.1 计算机基础知识,,1.1 计算机基础知识,,1.2 计算机系统构成,1.2.1 计算机硬件系统,1.2 计算机系统构成,,冯诺依曼计算机结构,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。,,应用软件是指用户为解决各种实际问题而编写的程序。应用软件可分为两类一类是针对某个应用领域的具体问题开发的程序;第二类是一些大型专业软件公司开发的通用型应用软件。,系统软件位于计算机系统最靠近硬件的一层,其他软件一般都通过系统软件发挥作用,系统软件主要包括 1 操作系统。 2 语言处理程序。 3 监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序等。,1.2.2 计算机软件系统,1.2 计算机系统构成,1.3.1 信息技术概念,1.3 信息技术基础知识,,,信息≠数据,现代信息技术 计算机技术+微电子技术+通信技术,信息、材料、能源是组成社会物质文明的三大要素。 信息是一种知识,是接受者事先不知道不了解的知识。数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。,计算机加工处理的对象是数据。除了数学上的数值以外,象字符、汉字、符号、声音、图形、图像等在进行数字编码后都可称之为数据。不同类型的数据在计算机内部有着不同的存储和处理方式。 本章主要介绍计算机中采用的二进制及其运算规则,二进制与其它进制之间的转换;计算机中度量信息的数据单位;不同类型的数据采用的信息编码等。,第二章 计算机信息基础,,,2.1 计算机所使用的数制,2.1.1 数制的概念,,基数R进制的基数R,位权是一个与数字位置有关的常数,位权Rn 其中n取值以小数点为界,向左 0,1,2,3, 向右-1,-2,-3 例275.8102102+7101+5100+810-1,1011.12 123 022 121 120 12-1,,2.1 计算机所使用的数制,常 用 数 制 的 对 应 关 系,,2.1 计算机所使用的数制,2.1.2 二进制的运算,二进制的算术运算,加 000 011 101 1110,减 0-00 0-11 1-01 1-10,乘 000 010 100 111,除 0÷00 0÷10 1÷0无意义 1÷11,,二进制的逻辑运算,与AND 0∧00 0∧10 1∧00 1∧11,或OR 0∨00 0∨11 1∨01 1∨11,0表示“假、否”,1表示“真、是”,2.1 计算机所使用的数制,∧表示串联, ∨表示并联,,十进制数,,二、八、十六进制的转换,,由一种数制转换成另一种数制,2.1 计算机所使用的数制,①,②,③,,2.1.3 二进制和其它进制的转换,十进制转二进制整数部分除以2取余,直至商为0;小数部分乘以2取整,直至小数部分为0或达到所需精度为止。 十进制转八进制方法同上。整数部分除以8,小数部分乘以8。 十进制转十六进制方法同上。整数部分除以16,小数部分乘以16。,2.1 计算机所使用的数制,,,结果为1001011,0.6875 2 1 1.3750 2 0 0.7500 2 1 1.5000 2 1 1.0000,结果为0.1011,75.6875101001011.10112,2.1 计算机所使用的数制,,,结果为113,结果为4B,,16 75 B 16 4 4 0,,2.1 计算机所使用的数制,,例 1011.12 123 022 121 120 12-1 8 0 2 1 0.5 11.510,二进制、八进制、十六进制 十进制,,位权相加法各位数码乘位权,再相加。,2.1 计算机所使用的数制,,整数部分从右向左,小数部分从左向右, 每3位二进制一组,变为1位八进制。 不足3位时分别在最左端和最右端补0凑够3位。 例1100101001011.11012 14513.648,2.1 计算机所使用的数制,,二进制 十六进制,,整数部分从右向左,小数部分从左向右, 每4位二进制一组,变为1位十六进制。 不足4位时分别在最左端和最右端补0凑够4位。 例11010111101.10100012 6BD.A216,2.1 计算机所使用的数制,,2.2 计算机中的数据单位,位bit计算机存储数据的最小单元0、1,字节Byte处理数据的基本单位8bit/Byte,字长CPU一次处理数据的二进制位数。,常用的字节计数单位 1KB=1024 Byte 210B 1MB=1024 KB 220B 1GB=1024 MB 230B 1TB=1024 GB 240B,,2.3 信息表示与编码,所谓编码,就是利用数字串来标识所处理对象的不同个体。 计算机采用的是二进制,这就意味着所有需要计算机处理的信息,如数值、字母、汉字、符号、声音、图像等,都要用0和1组成的二进制编码形式来表示。,2.3.1 整数的表示,在数学中,数值是用“+”和“-”表示正数和负数的,而在计算机中只有0和1,所以正负号也用0和1表示,即数值符号数字化。,,2.3 信息表示与编码,符号位在有符号的二进制数中,最高位用0表示“正”,1表示“负”。 机器数正负符号被数值化了的数。 真值该机器数所表达的数值。,,2.3 信息表示与编码,原码正号为0,负号为1,数值部分为二进制绝对值。 反码正数的反码和原码相同;负数的反码是将其原码除符号位外各位取反。 补码正数的补码和原码相同;负数的补码是将其反码在末位加1。,5的原码、反码和补码都是00000101,在有符号运算中,需要通过原码、反码、补码转换来完成运算。,2.3 信息表示与编码,,补码的概念是怎么来的,“模”是指一个系统所能表示的数据个数。按模运算是指运算结果超过模时,模(或模的整数倍)将溢出而只剩下余数。,8位二进制的模为28256,假设M为模,若数a,b满足a+b=M,则称a,b互为补数。 在有模运算中,减去一个数等于加上这个数对模的补数。,,2.3.2 实数的表示,定点数,小数点位置固定的数称为定点数。 定点整数小数点隐含固定在数值部分最右端。定点整数是纯整数,其符号位右边所有的位数表示的是一个整数。,2.3 信息表示与编码,定点整数 (-3),符号位,,定点小数 (0.5),符号位,2.3 信息表示与编码,定点小数小数点隐含固定在数值部分最左端。定点小数是纯小数。,,浮点数,小数点位置不固定的数称为浮点数,它既有整数部分又有小数部分,如123.55、33.789等。 在计算机中通常把浮点数分成阶码和尾数两部分来表示,也就是平时所说的科学记数法 。为保证不损失有效数字,对尾数进行规格化处理,即保证尾数的最高位为1,实际数值通过阶码进行调整。例如,二进制实数1010.1101可以用0.101011012100表示。注100等同于十进制的4,2.3 信息表示与编码,,例将十进制数 55 以浮点数格式存放。 5510 1101112 0.110111 * 26,浮点数字长4字节,则阶码部分为8位补码定点整数,尾数部分为24位补码定点小数。,31 30 25 24 23 22 7 0,0,1,0,0,0,1,0,1,0,0,,,,,,,,,阶码部分,尾数部分,阶码 符号位,尾数 符号位,2.3 信息表示与编码,1,1,0,注6等同于二进制的110,,例将十进制数 -55 以浮点数格式存放。 (略) -5510 -1101112 -0.110111 * 26 其中-110111的反码为1001000,补码1001001 尾数格式0.1001小数点右移2位,指数变为24,31 30 25 24 23 22 7 0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,,,,,,,,,阶码部分,尾数部分,阶码 符号位,尾数 符号位,2.3 信息表示与编码,0,0,0,,隐含小数位,注6等同于二进制的110,注6等同于二进制的100,,2.3.3 十进制数的编码BCD码,编码和数值是完全不同的,BCD码(8421码)二-十进制编码,用4位二进制码表示1位十进制数。(不能参与运算) 例 1357910 0001 0011 0101 0111 1001BCD 0110 1000 0000 . 0010 0100BCD 680.24 10,2.3 信息表示与编码,,2.3.4 西文字符的编码ASCII码,ASCII码American Standard Code for Ination Interchange 128个常用字符,用7位二进制编码,占一个字节,最高位0。 其中,控制字符0~32,127;普通字符94个。,2.3 信息表示与编码,,2.3.5 和汉字有关的编码,汉字输入码操作人员通过键盘输入的汉字编码。 数字编码如区位码; 拼音编码如全拼、智能ABC、微软拼音输入法等; 字形编码如五笔字型法等 。,2.3 信息表示与编码,,2 国标码和区位码 1980年颁布GB2312-80 ,是中文信息处理的国家标准,是大陆及海外使用简体中文的地区使用的中文编码。每个汉字占两个字节的编码,且每个字节最高位均为0。,2.3 信息表示与编码,该编码共收录6763个简体汉字、682个符号,其中汉字部分一级汉字3755个,以拼音排序 ;二级汉字3008个,以偏旁排序 。 所有汉字分94个区,每个区94个汉字。由此构成区位码。而区位码的区码和位码各加32就得到国标码。,,3 机内码 计算机内部存储和加工汉字所用的编码。不管用哪一种汉字输入法输入的汉字,在计算机内部都是由国标码转换成机内码来表示的。 每个汉字的机内码占两个字节,每个字节最高位为1。 汉字 国标码 汉字机内码 中 868001010110 010100002 11010110 110100002 华 594200111011 001010102 10111011 101010102 中 5448区位码 华2710 区位码 注十进制表示的国标码的每个字节减32即得区位码。,,,,,2.3 信息表示与编码,,点阵汉字每一个汉字以点阵形式存储,有点的地方为“1”,空白的地方为“0”。有1616、2424、4848点阵等。点阵越大,字形分辨率越好,字形也越美观,但汉字存储的字节数就多,字库也就越庞大。,2.3 信息表示与编码,4汉字字形码 汉字存储在计算机内采用机内码,但输出时必须转换成字形码,再根据字形码输出汉字。字形码又称汉字字模,用于在显示器或打印机上输出各种文字和符号。通常有两种,,2.3.5 和汉字有关的编码,矢量汉字将汉字的笔画轮廓用一组直线和曲线来勾画,并记录存储每一直线和曲线的数字描述端点及控制点的坐标。在需要输出时,根据字形轮廓的描述计算出汉字点阵。矢量产生的汉字即使放大仍能保持较好的质量。,2.3 信息表示与编码,汉字字库一般都存放在磁盘上,这种字库称为“软字库”,使用时根据汉字内码到字库中找到相应的字形码,然后调入内存并显示或打印。,,计算机处理汉字的基本过程,用户用键盘输入汉字的外码输入码,然后通过代码转换程序到码表中去检索机内码,汉字内码负责对汉字进行储存、处理、加工。输出时,利用字形检索程序在汉字字模库中查到表示这个汉字的字形码,然后在显示器或打印机上输出。,2.3 信息表示与编码,,5 其它编码 GBK编码是对GB2312的扩充。仍采用双字节编码,在此基础上对罕见汉字使用四字节编码,共收录了2.7万个汉字,与国标码兼容,同时收录了藏、蒙、维吾尔等主要少数民族文字。 BIG5码台湾、香港等地区使用的繁体汉字编码标准。,2.3 信息表示与编码,,2.3.6 多媒体信息的数字化,数字化就是对模拟世界的一种量化,表示信息的最小单位是位bit“0”或“1”。多媒体信息在计算机中也要转换为0和1,因此也需要进行编码。也就是说无论是文字、图像、声音或视频,数字化后都可分解为一系列0或1的排列组合。各种多媒体信息在进入到计算机中进行运算、存储、传输等过程中,需要进行数字化处理,输出时再将其还原成各自本身的特性呈现在我们面前。,2.3 信息表示与编码,,2.3 信息表示与编码,各种多媒体信息的数字化处理过程示意图,本章主要介绍计算机硬件方面的有关内容,包括计算机硬件系统的构成;微机的结构CPU、主板、内存、总线、接口等;外部存储器软盘、硬盘、光盘、U盘等;常用外部设备显示器、打印机等;计算机指令系统等。,第三章 计算机硬件体系结构,,3.1 计算机系统的构成,一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中 中央处理器简称CPU运算器控制器 主机中央处理器主存储器 软件是指各类程序和数据,计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。,,3.1计算机系统的构成,3.1.1 计算机的硬件系统,U盘,3.1计算机系统的构成,冯·诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中,在执行时将程序和数据先从外存装入内存,然后让计算机在工作时自动地从内存取出指令并加以执行,这就是存储程序的基本原理。,3.1.2 冯·诺依曼型计算机的结构,冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是 1 采用二进制形式表示程序和数据。 2 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。 3 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 4 控制器根据存放在存储器中的指令 程序 工作。,3.1计算机系统的构成,3.1.3 微型计算机的诞生与发展 微型机属于第四代电子计算机产品,其核心部件是CPU,因此我们主要通过CPU的发展、演变来介绍微机系统的发展过程。,3.2 微型计算机主机结构,微型机基本是由显示器、键盘和主机箱构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。,3.2.1中央处理器 CPU CPU从存储器取出指令,放入CPU内部的指令寄存器,并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作,然后发出各种控制命令,执行微操作系列,从而完成一条指令的执行。,CPU的主要性能指标 1 主频/外频(主频外频倍频,即CPU工作频率) 2 数据总线宽度(即字长,指CPU传输数据的位数) 3 地址总线宽度(决定了CPU可访问的地址空间) 4 工作电压(低电压可减少CPU过热,降低功耗) 5 高速缓存Cache(加速CPU与其它设备间数据交换) 6 运算速度(CPU每秒能处理的指令数),3.2 微型计算机主机结构,1. 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件,又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是 1 运算逻辑部件 2 寄存器部件,2. 控制器 控制器负责从存储器中取出指令,并对指令进行译码,并根据指令译码的结果,按指令先后顺序,负责向其它各部件发出控制信号,保证各部件协调一致地完成各种操作。,3.2 微型计算机主机结构,控制器主要由以下部件组成 ① 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址; ② 指令寄存器。保存现在正在执行的指令; ③ 指令译码器。用来识别指令的功能,分析指令的操作要求; ④ 时序部件。产生各种定时控制信号。简单讲就是为保证不出现任何动作差错而对各种操作实施时间上的控制; ⑤ 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号,这些信号通过微操作控制电路以一定的时间顺序发往各部件,控制各部件动作。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.2 高级CPU技术 双核心CPU技术组建双CPU系统成本高且复杂,而采用“双核”技术,就是在单个CPU中真正集成两个物理的核心。在实际使用中,这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前,CPU已从双核向4核、8核和多核方向发展。,64位简介 1 CPU、操作系统软件是64位,且应用软件用64编译器重新编译,效率最高未来。 2 CPU是64位,操作系统和应用软件是32位现状,64位的CPU未发挥很好的作用。 3 CPU、操作系统和应用软件是32位现状 。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.3 主板,主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽,其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。,3.2 微型计算机主机结构,CMOS与BIOS,CMOS是主板上一块可读写的RAM芯片,用于保存系统初始化时要用到的许多参数,如硬件配置、启动盘顺序、开机密码、机器时间等。可以在开机时按下特定键一般是Del键进入CMOS参数设置程序,从而对CMOS参数进行设置。,BIOS芯片是一块特殊的ROM芯片,其中保存的最重要程序之一是基本输入/输出程序,另外还有CMOS参数设置程序、POST加电自检程序等。BIOS在开机之后最先执行,它首先检测系统硬件有无故障,给出最低级的引导程序,然后调用操作系统。,3.2 微型计算机主机结构,486到Pentium II期间,主板一般采用南北桥芯片结构。,Pentium II采用的南北桥芯片结构主板,早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上,使系统的总体性能得不到优化。,北桥主板上离CPU最近 的一块芯片,负责与CPU 的联系并控制内存、缓存、 显卡数据在北桥内部传输。,南桥主板上另一块 芯片,主要负责I/O接 口以及IDE设备的控 制等。,3.2 微型计算机主机结构,Pentium III以上的主板结构采用中心结构的主板结构 。,芯片组由3块芯片构成。跟南北桥架构相差不大,它主要是把PCI系统总线控制部分从北桥转到南桥。,存储控制中心 相当北桥芯片。,I/O控制中心 相当南桥芯片。,固件中心 相当BIOS ROM。,3.2 微型计算机主机结构,采用中心结构的主板结构,PCI-E PCI Express的简称,是用来代替PCI、AGP接口的一种新的总线和接口标准,其传输速度远远高于PCI和AGP总线 。,,,,,3.2 微型计算机主机结构,内存储器 简称内存,由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。,内存储器分类,3.2.4 内存储器,存储单元地址,0000H 0001H 0002H FFFFH,存储体结构图示意,存储位,存储单元 (字节),,存储体 512 MB 2 GB,存储单元特点 地址与存储单元是一一对应的 一个数据存放在一个或多个字节中 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据 往存储单元放新数据时原数据将被覆盖,3.2 微型计算机主机结构,1. 只读存储器ROM 特点存储的信息只能读出,不能随机改写或存入,断电后信息不会丢失,可靠性高。 ROM分类 1 掩膜式 ROMMask ROM 2 可编程 PROMProgrammable ROM 3 可擦除 EPROM Erasable PROM 4 电可擦 EEPROMElectrically EPROM 5 快擦写 ROMFlash ROM,3.2 微型计算机主机结构,2. 随机存储器RAM 特点用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的,断电后数据消失。 RAM 分类 1 SRAM静态RAM。不需要充电来保持数据完整性,成本高且集成低,一般做高速缓冲存储器。 2 DRAM动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性,通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型 ① SDRAM---同步动态存储器 ② DDR---双倍速率内存 DDR2\DDR3\DDR4\DDR5等,,3.2 微型计算机主机结构,,,3.2 微型计算机主机结构,3. Cache高速缓存 Cache是一种高速缓冲存储器,是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache集成在CPU芯片中,片外Cache安插在主板上。高速缓存的存取速度比主存要快一个数量级,接近CPU的处理速度。,,3.2 微型计算机主机结构,4.多级缓存 最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求时,出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存,此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。 现在多数CPU内部也有二级缓存,于是二级缓存又可分为内部二级缓存和外部二级缓存。较高端的CPU中还会带有三级缓存 。,5.双核心CPU的二级缓存略,6. 存储器的层次结构 既要速度快,又要求容量大,同时价格又要求合理,在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。,3.2 微型计算机主机结构,通用寄存器,3.2 微型计算机主机结构,3.2.5 总线,总线是一组连接各个部件的公共通信线路,是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道,是计算机硬件的一个重要组成部分。,3.2 微型计算机主机结构,总线按所传输信号不同可分为 数据总线 地址总线 控制总线。,① 地址总线。传输的是地址信号,一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时,它向地址总线发出相应外设的地址信号,以选择某个外设。,② 数据总线。传输的是数据,一般是双向传输。CPU进行“读”时,数据由外设流向CPU,当CPU进行“写”时,数据由CPU流向外设。,③ 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号;有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送,但作为整体是双向的。,3.2 微型计算机主机结构,微机各级总线的简易关系,总线按处于计算机硬件系统中的位置来分,① 片内总线又称内部总线。是指CPU芯片内部的总线。,② 片间总线又称局部总线。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线,用于芯片一级互连。,③ 系统总线又称输入/输出总线。是微机中各插件板与系统主板之间的总线,用于插件板一级的互连。,④ 外部总线又称通信总线。是微机和中低速外部设备之间连接的总线。,,3.2 微型计算机主机结构,,微机系统三层总线示意简图,北桥,CPU,内存,Cache,局部总线,南桥,PCI 和PCI Express X1接口(网卡、声卡等),键盘、鼠标接口,USB接口,,,,,,,外部总线,,前端总线,存储器总线,,PCI Express X16显卡,,系统总线,片内总线,PCI扩展总线,中心快速通道,,BIOS ROM,硬盘、光驱、网络、音频接口,,3.2 微型计算机主机结构,① ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。,系统总线标准,系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。,② PCI总线。主要特点是传输速度高,广泛应用于现代微机中。,③ AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。,④ PCI Express总线。是新一代的总线接口。,3.2 微型计算机主机结构,常见的I/O总线 ① USB总线 属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备,支持热拔插,支持即插即用,该接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范,即USB1.1和USB2.0。 ② IEEE1394总线 属高速串行接口总线,主要用于连接DV产品。,外部总线标准,3.2 微型计算机主机结构,I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件,由I/O接口电路、连接器一般为连接电缆和接口软件即设备驱动程序组成。,3.2.6 接口,3.2 微型计算机主机结构,I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。,1 内置I/O接口 将I/O接口电路内嵌在主板中,由主板提供外设接口电路插座,如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串口、并口及软硬盘接口等。,2 外置I/O接口 将I/O接口集成到一块独立的电路板接口卡上,接口卡必须插在总线扩展插槽上如PCI、PCI Express插槽等 。,3.3 外部存储器,外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时,必须将其先调入到内存中然后再被CPU处理, 所以外存实际上属于输入/输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U盘等。,3.3 外部存储器,3.3.1 软盘,,79,3.3 外部存储器,3.3.2 硬盘 硬盘是微机最重要的外部存储器,常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件,以及存储大量数据。,1 硬盘存储格式 在对硬盘进行格式化时,将对盘片进行划分磁道和扇区,对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块“簇”,簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区,有的有好几个扇区,一般在格式化时根据硬盘大小确定。,3.3 外部存储器,2 硬盘性能指标 ① 硬盘的容量。现在微机配置的硬盘一般在200GB以上。 ② 硬盘的转速。硬盘的转速越快,硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。 ③ 缓存。硬盘自带的缓存能提高硬盘的访问速度。,3 硬盘接口 硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种,IDE接口硬盘多用于家用产品中,SATA是种新生的硬盘接口类型。,4 硬盘格式化 ① 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 ② 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。 ③ 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化,建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。,3.3.3 光盘存储器,光盘的分类 1.只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的,用户只能读数据,而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD等都属于只读光盘。,2.一次写入光盘 这种光盘允许一次写入数据,但不能修改和擦除数据, 如 CD-R。,3.可擦写光盘 这种光盘可多次写入或修改数据,如CD-RW。,3.3 外部存储器,光盘简称CDCompact Disc是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征,通过光的反射来记录和识别二进制的0、1信息。,光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上,利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。,光驱倍数是指光盘的数据传输率(150KB/s为单倍,以此类推)。CD-ROM光驱能读除DVD以外的所有光盘。而DVD光驱不仅兼容CD-ROM光驱,还可以读DVD光盘。,3.3 外部存储器,,DVD光盘 DVD盘片的物理规格与CD盘片是一样的,CD盘只使用一个面记录一层的信息,而DVD盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层 4 种结构。,3.3 外部存储器,DVD按用途可分为以下几类,应用最广的是DVD-Video 格式,用于存储影音信息。此外还有DVD-ROM只读DVD、 DVD-Audio音频DVD、 DVD±R可写DVD、 DVD-RAM或DVD±RW 可擦写DVD。 另外,还有蓝光高清DVD光盘。,光盘刻录机 包括CD和DVD两种刻录机。,3.3 外部存储器,① CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能,也能够向刻录CD光盘。其传输速率一般标注为 A/B/C 的形式(如 20/10/40),其中A表示写CD-R盘的倍速,B表示写CD-RW盘的倍速,C表示读盘的倍速。 ② DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能,也能够刻录DVD光盘和CD光盘。,3.3.4 USB盘,通过USB接口与电脑连接,无任何机械式装置,抗震性能强。U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。 移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。,3.4常用的外部设备,3.4.1 输入设备 1 键盘 2 鼠标 3 扫描仪 3.4.2 输出设备 1 显示器 2 打印机 ,,,3.4常用的外部设备,1 显示器 CRT显示器在工作时,电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点,使该点发光,每个像素有红、绿、蓝三基色组成,通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。,液晶显示器LCD的优点在于 ① 图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新,因此没有闪烁感; ② 液晶底板整体发光,真正的完全平面; ③ LCD显示器基本上没有辐射; ④ 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。,3.4常用的外部设备,2 打印机 常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 ① 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大;优点是可以打多联纸,耗材相对较便宜。 ② 喷墨打印机特点。打印时,墨水经喷头以每秒近万次的频率喷射到纸上。其打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。 ③ 激光打印机特点。利用激光将碳粉固着在纸上,加热后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好,缺点是价格及打印成本较高。 对三种打印机的打印效果对比来说,激光最好,喷墨其次,而针式相对较差。,3.4常用的外部设备,激光打印机工作原理简介 硒鼓表面带正电荷,被激光照射时照射点位置的正电荷减弱或消失,而未消失部分吸附带负电荷的碳粉形成潜影。送纸机构将打印纸送入,此时打印纸会带上很强的正电荷。打印纸与硒鼓墨粉影像区接触后,墨粉会在更强的静电作用力下转移到纸张上面,形成打印影像。加热纸张,墨粉被熔化固定在纸上,完成一个扫描行的打印。硒鼓不断转动、墨粉连续被吸附、纸张持续被送入,最终完成整幅图像的打印。,3.4常用的外部设备,3.4.3 其他外部设备 1 多媒体设备(第七章) 2 调制解调器,,3.5 计算机指令系统,3.5.1 计算机指令系统概述 指令是指计算机执行特定操作的命令,是程序设计的最小语言单位。 指令构成操作码操作数 例如某单片机指令 00100011 00000010 将2送累加器A,前8位是操作码,后8位是操作数,指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统,它反映了计算机的处理能力。,3.5 计算机指令系统,数据传送指令 数据处理指令