计算机技术基础.pdf
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1、第 一 章 计 算 机 基 础 知 识 1.1 计 算 机 的 发 展 和 应 用 1.1.1 计 算 机 发 展 历 程 1).计 算 机 的 诞 生 世 界 上 第 一 台 电 子 数 字 计 算 机 EN1AC(Electronic Numerical Integrator AndCalculator,电 子 数 字 积 分 机 和 计 算 机)于 1946年 诞 生 于 美 国 宾 西 法 尼 亚 大 学,它 的 全 称 为“电 子 数 值 积 分 和 计 算 机”。计 算 机 工 具 的 历 史 计 算 机 工 具 的 历 史 可 以 追 溯 到 远 古 机 械 式 计 算 机 也
2、可 以 追 溯 到 17世 纪 1943-1946年,在 美 国 陆 军 总 部 的 主 持 下,宾 西 法 尼 亚 大 学 的 埃 克 特(J.P.Eckert)和 莫 奇 勒(J.W.Mauchly)领 导 研 制 了 ENIACENIAC研 制 背 景 是 出 于 第 二 次 世 界 大 战 的 军 事 需 要,但 ENIAC的 研 制 成 功 是 人 类 计 算 工 具 研 制 工 作 的 一 个 划 时 代 的 成 就。世 界 上 第 一 台 计 算 机 ENIAC的 主 要 技 术 指 标(1)以 电 子 管 为 主 要 元 器 件(2)运 算 速 度 为 每 秒 5000次 加
3、法,300次 乘 法(3)使 用 了 18800只 电 子 管,1500个 继 电 器(4)占 地 170平 方 米(5)重 达 30吨(6)耗 电 150千 瓦(7)耗 资 40万 美 元这 台 计 算 机 可 以 看 作 为 人 类 电 子 计 算 机 的 一 个 开 端。2).计 算 机 的 发 展 阶 段(1)第 一 代(1946-20世 纪 50年 代 末)第 一 代 的 特 点:使 用 电 子 管 体 积 大、耗 电 多、可 靠 性 差、成 本 高 输 入 输 出 设 备 落 后 处 理 能 力 低 使 用 机 器 语 言 和 汇 编 语 言 编 制 程 序 主 要 用 于 数 值
4、 计 算(2)第 二 代(1958-1964)第 二 代 的 特 点:使 用 晶 体 管 体 积、耗 电、可 靠 性 等 指 标 较 上 一 代 有 大 幅 度 的 提 高 使 用 了 磁 芯 做 主 存,磁 盘、磁 鼓 做 外 存 提 出 了 操 作 系 统 的 概 念 出 现 了 高 级 程 序 设 计 语 言 开 始 进 入 商 业 领 域(3)第 三 代(1964-20世 纪 60年 代 末)第 三 代 的 特 点:使 用 了 集 成 电 路 体 积 减 小、价 格 下 降,性 能 大 大 提 高 采 用 了 半 导 体 元 器 件 做 主 存 软 件 有 了 比 较 大 的 发 展:
5、出 现 了 分 时 操 作 系 统;结 构 化 程 序 设 计 思 想。(4)第 四 代(20世 纪 70年 代 初 一 现 在)第 四 代 的 特 点:使 用 大 规 模、超 大 规 模 集 成 电 路 出 现 了 微 型 机,它 的 出 现 是 计 算 机 发 展 的 个 跨 时 代 的 成 就,大 大 地 拉 近 了 人 们 与 计 算 机 的 距 离,使 每 个 人 都 有 可 能 使 用 计 算 机。计 算 机 应 用 深 入 到 社 会 生 活 的 方 方 面 面(5)第 五 代(正 在 发 展 之 中)各 种 计 算 机 图 示 Apple TRS-80 电 脑 Apple H
6、电 脑 开 创 了 微 型 机 发 展 的 阶 段。Apple II 电 脑IBM PC XT70年 代 末 Apple公 司 推 出 了 个 人 机,在 市 场 上 大 受 欢 迎,取 得 了 轰 动 效 果。IBM的 地 位 受 到 了 挑 战,同 时 也 看 到 了 个 人 机 广 阔 的 市 场,随 后 在 80年 代 初 IBM推 出 了 IBM PC X。第 一 台 膝 上 电 脑 IBM Convertible曙 光 4.2 万 亿 次 超 级 计 算 机 曙 光 4000L中 国 石 油 集 团 东 方 地 球 物 理 勘 探 有 限 责 任 公 司 曙 光 4000L超 级
7、计 算 机 共 有 386个 节 点,772个 C P U将 应 用 于 地 震 资 料 三 维 叠 前 深 度 偏 移 处 理 单 片 机 所 谓 单 片 机 是 所 有 计 算 机 的 功 能 被 集 成 到 一 个 芯 片 上。单 片 机 主 要 的 应 用 领 域 是 在 控 制 领 域。单 板 机 单 板 机 是 所 有 的 计 算 机 部 件 集 成 到 一 个 电 路 板 上。单 板 机 的 用 途 是 用 于 控 制 领 域。1.1.2 计 算 机 的 典 型 应 用 1.科 学 计 算地 质 勘 测 地 震 勘 探 是 确 定 地 质 构 造 的 重 要 方 法,在 石 油
8、地 质 勘 探 中 占 据 十 分 重 要 的 位 置。石 油 钻 井 井 位 的 确 定 很 关 键,定 错 一 个 井 位,达 不 到 勘 探 目 的,损 失 将 十 分 惨 重。一 般 而 言,100平 方 公 里 的 三 维 地 震 资 料 数 据 多 达 30GB-60GB,这 些 海 量 数 据 的 分 析 计 算、深 度 偏 移 技 术 和 成 像 技 术,需 要 使 用 每 秒 1 0亿 次 运 算 速 度 的 计 算 机 运 算 6 0天。2.数 据 处 理 3.过 程 控 制 战 斧 BlocklH型“战 斧”巡 航 导 弹 射 程 为 1600公 里 命 中 精 度 可
9、以 达 到 3 米 以 内 相 对 误 差 不 足 5 0万 之 一 古 人 以“百 步 穿 杨”形 容 箭 法 高 超,假 如 照 5 0万 之 一 的 相 对 误 差 换 算 下 来,该 型 导 弹 在 100米 上 的 误 差 是 0.2 毫 米,是“百 步 穿 针”。制 导 方 式 采 用 复 合 制 导 系 统(惯 性 制 导+G PS+数 字 式 景 像 匹 配)战 斧 巡 航 导 弹 在 飞 行 的 末 段 采 用 了 数 字 式 景 像 相 关 匹 配 制 导 系 统 当 导 弹 飞 行 到 距 目 标 约 8 0公 里 的 区 域 后,弹 载 摄 像 机 开 机 搜 索,实
10、时 摄 取 下 方 的 景 物信 息,与 预 先 存 储 在 弹 载 计 算 机 中 的 目 标 景 物 照 片 进 行 对 比,按 图 索 骥,对 号 入 座,控 制 导 弹 寻 找 到 预 定 攻 击 的 目 标。4.CAD/CAMCAI)是 计 算 机 辅 助 设 计 的 缩 写,CAM是 计 算 机 辅 助 制 造 的 缩 写。5.计 算 机 网 络 6.人 工 智 能 卡 斯 帕 罗 夫(Garry Kasparov)1963年 4 月 13日 生 于 前 苏 联 的 阿 塞 拜 疆 共 和 国 首 府 巳 库 国 际 象 棋 史 上 最 伟 大 的、不 可 战 胜 的 超 级 棋
11、手 Garry Kasparov VS Deep Blue忖 间:1997年 5 月 311日 地 点:纽 约 曼 哈 顿 奖 金:胜 者 获 70万 美 元;负 者 获 40万 美 元 结 果:2.5:3.5Deep BlueThe latest iteration of the Deep Blue computer is a 32-node IBM RS/6000 SPhigh-performance computer,which utilizes the new Power Two Super Chip processors(P2SC).Each node of the SP emplo
12、ys a single microchannel card containing 8 dedicatedVLSI chessprocessors,for a total of 256 processors working in tandem.IBM RS/6000 SPDeep Blue s programming code is written in C and runs under the AIX operatingsystem.The net result is a scalable,highly parallel system capable of calculating100-200
13、 billions moves within three minutes,which is the time allotted to eachplayer s move in classical chess.1.2 计 算 机 系 统 组 成 和 工 作 原 理 1.2.1 计 算 机 系 统 结 构 ENIAC的 问 题 尽 管 ENIAC是 计 算 机 历 史 上 一 个 划 时 代 的 成 就,但 它 还 存 在 一 些 问 题,还 不 是 现 代 意 义 上 的 计 算 机。ENIAC的 稳 定 性 差,使 用 上 存 在 着 不 少 问 题。每 做 一 个 计 算,都 需 编 制 一
14、 次 程 序 和 人 工 改 变 一 次 线 路 连 接,就 象 在 实 验 室 做 接 线 实 验 一 样。计 算 一 个 算 题 只 需 2-3分 钟,但 为 此 付 出 的 准 备 时 间 却 要 1-2天。冯 诺 依 曼 1903出 生 于 匈 牙 利 布 达 佩 斯,毕 业 于 布 达 佩 斯 大 学 数 学 博 士。提 出 了 冯 诺 依 曼 结 构,奠 定 了 现 代 计 算 机 的 基 础 结 构,被 誉 为 计 算 机 之 父。也 是“博 弈 论”的 发 展 人 之 一。“博 弈 论”是 为 了 能 在 十 分 复 杂 的 博 弈 中 取 胜 而 制 定 出 战 略 的 一
15、种 数 学 研 究,也 可 以 作 为 经 济 或 军 事 战 略 上 的 模 式。诺 依 曼 曾 与 经 济 学 家 摩 根 斯 特 恩 合 著 过 博 弈 论 与 经 济 行 为 一 书,为 运 筹 学 领 域 做 出 不 可 磨 灭 的 贡 献。冯 诺 依 曼 结 构 1945年 6 月,冯 诺 依 曼 将 自 己 的 思 想 撰 写 成 文,题 为 关 于 离 散 变 量 自 动 电 子 计 算 机 的 草 案。文 中 提 出 了 在 数 字 计 算 机 内 部 的 存 储 器 中 存 放 程 序 的 概 念(Stored Program Concept)。这 是 所 有 现 代 电
16、子 计 算 机 的 范 式,被 称 为“冯 诺 依 曼 结 构”,按 这 一 结 构 建 造 的 电 脑 称 为 存 储 程 序 计 算 机(Stored Program Computer)。长 达 101页 的 EDIAC方 案 是 计 算 机 发 展 史 上 的 一 个 划 时 代 的 文 献,它 向 世 界 宣 告:电 子 计 算 机 时 代 开 始 了。冯 诺 依 曼 结 构 的 要 点 1.使 用 二 进 制;2.全 部 指 令 和 数 据 存 放 在 存 储 器 中,数 据 处 理 单 元 到 存 储 器 中 读 取 指 令 并 顺 序 执 行。该 思 想 也 称“存 储 程 序”
17、,是 冯 诺 依 曼 结 构 的 核 心 思 想 最 主 要 优 点:结 构 比 较 简 单,便 于 控 制。冯 诺 依 曼 结 构 计 算 机 示 意 图 数 据 线 冯 诺 依 曼 结 构 计 算 机 示 意 图计 算 机 系 统 核 心 CPUA内 存-2V总 线 q 0y _接 口 卜=|外 部 设 备 接 口 电 路:外 部 设 备 通 常 集 机 械、电 子、磁、光 学 于 一 体 的 设 备,其 数 据 表 达 方 式 多 样,速 度 也 较 慢,而 计 算 机 核 心 部 件 是 半 导 体 设 备,其 数 据 以 二 进 制 形 式 表 示,速 度 也 要 比 外 部 设 备
18、 快 多。接 口 电 路 是 位 于 计 算 机 核 心 与 外 部 设 备 之 间 的 电 路。主 要 功 能:转 换 计 算 机 核 心 和 外 部 设 备 之 间 数 据 表 达 形 式 的 不 同;平 衡 计 算 机 核 心 和 外 部 设 备 之 间 速 度 的 差 异。1.2.2 计 算 机 构 成 1.中 央 处 理 器 也 称 CPU或 中 央 处 理 器,是 计 算 机 的 心 脏,决 定 了 计 算 机 性 能 和 档 次。包 括 运 算 器 和 控 制 器 1)运 算 器:进 行 算 术 和 逻 辑 运 算;包 括 算 术 和 逻 辑 运 算 部 件、累 加 器 和 寄
19、存 器 2)控 制 器:控 制 和 协 调 计 算 机 各 部 件 执 行 指 令;由 指 令 部 件、时 序 部 件 和 操 作 控 制 部 件 组 成。2.内 存 储 器 内 存,由 半 导 体 元 器 件 构 成 对 于 冯 诺 依 曼 结 构 的 计 算 机 来 说,由 于 所 有 的 数 据、指 令 都 要 首 先 存 放 在 内 存 当 中,内 存 的 性 能 对 于 整 个 计 算 机 系 统 有 着 举 足 轻 重 的 作 用。通 常 影 响 内 存 性 能 的 因 素 有 内 存 容 量 和 内 存 速 度 两 个 方 面。3.外 部 设 备 1)输 入 设 备 为 计 算
20、机 核 心 提 供 处 理 对 象 的 设 备 都 可 视 为 是 输 入 设 备。常 见 的 输 入 设 备 有:键 盘、鼠 标、扫 描 仪、数 码 相 机。2)输 出 设 备 为 计 算 机 核 心 提 供 数 据 表 达 的 设 备 都 可 视 为 是 计 算 机 的 输 出 设 备。常 见 的 输 出 设 备 有:显 示 器、打 印 机、绘 图 机。3)外 存 也 称 外 储 存 器、辅 助 存 储 器、辅 存外 存 通 常 是 集 机 械、电 子、磁、光 学 于 一 体 的 储 存 设 备,是 和 内 存 相 对 应 的 一 个 概 念,是 现 代 计 算 机 的 重 要 部 件,计
21、 算 机 中 所 有 需 长 期 保 存 的 数 据、指 令 都 要 存 储 在 外 存 中。内 存 和 外 存 的 一 个 重 要 区 别 在 于,通 常 外 存 可 以 长 时 间 保 留 信 息,在 计 算 机 系 统 断 电 以 后 信 息 也 不 会 消 失,而 作 为 计 算 机 主 存 这 部 分 的 内 存 当 计 算 机 断 电 以 后 里 面 的 信 息 会 消 失。外 存 设 备 主 要 有 硬 盘、软 驱、光 驱、磁 带 机 等 等,相 应 的 存 储 介 质 有 软 盘、光 盘、磁 带 等。对 于 冯 诺 依 曼 结 构 的 计 算 机 来 说,具 备 了 CPU和
22、内 存 就 构 成 了 计 算 机 核 心。1.2.3 微 型 计 算 机 的 主 要 性 能 指 标 1.字 长 也 称 基 本 字 长 是 计 算 机 运 算 部 件 一 次 可 同 时 处 理 的 二 进 制 数 据 的 位 数。字 长 越 长,计 算 机 的 处 理 能 力 越 强 通 常 有 8、16、32、64位 2.速 度 主 频:MHz、GHzMIPS3.存 储 系 统 容 量 单 位 基 本 单 位:Byte(字 节)最 小 单 位:bit(位)辅 助 单 位:KB、MB、GB、TB关 系 如 下 8bit=lByte1O24B=1KB1024KB=1MB1024MB=1GB
23、1024GB=1TB4.可 靠 性 5.可 维 护 性 6.性 能 价 格 比 1.2.4 计 算 机 软、硬 件 系 统 计 算 机 系 统 P.8 图 1.21.计 算 机 的 硬 件 系 统(1)CPUCPU(Central Processing Unit,中 央 处 理 单 元)包 括:控 制 器、运 算 器 主 要 性 能 指 标:字 长、时 钟 频 率(2)存 储 器 1)内 存 只 读 存 储 器(ROM):ROMPROMEPROM随 机 存 储 器(RAM):静 态 随 机 存 储 器(SRAM)动 态 随 机 存 储 器(DRAM)内 存 的 相 关 知 识 性 能 指 标:
24、容 量 存 取 速 度(ns)2)外 存 磁 盘 光 盘 内 存 和 外 存 的 主 要 区 别:半 导 体 元 器 件 用 途 和 特 点(3)输 入 和 输 出 设 备 输 入 设 备:键 盘、鼠 标、手 写 笔 输 出 设 备:显 示 器(CRT、LCD)、打 印 机(4)总 线(BUS)是 计 算 机 各 部 件 的 公 共 连 接 通 道 总 线 的 性 能:速 度(66MHz、100MHz,133MHz)宽 度(32位、64位)总 线 的 类 型:内 部 总 线、系 统 总 线、扩 展 总 线 内 部 总 线 通 常 是 指 同 一 部 件 内 部 的 连 接,例 如 C PU内
25、部 连 接 各 寄 存 器 和 运 算 部 件 的 总 线。系 统 总 线 常 是 指 连 接 同 哈 计 算 机 的 各 部 件。扩 展 总 线 用 于 负 责 CPU与 外 部 设 备 之 间 的 通 信。总 线 的 标 准:ISA、PCI、AGP2.计 算 机 的 软 件 系 统(1)系 统 软 件 1)操 作 系 统 概 念:管 理 计 算 机 系 统 软 硬 件 资 源、提 高 计 算 机 系 统 效 率,方 便 用 户 的 一 组 数 据 和 指 令 的 集 合。主 要 功 能:CPU管 理、作 业 管 理、文 件 管 理、存 储 器 管 理、设 备 管 理 语 言 处 理 程 序
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