计算机导论Chapter2

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1、第二章第二章计算机系统计算机系统-硬件与软件硬件与软件1第二章要点第二章要点计算机的发展史计算机的发展史计算机硬件系统计算机硬件系统计算机软件系统计算机软件系统22.1 2.1 计算机的发展史计算机的发展史n计算机是信息处理的主要工具。n计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机软件包括系统软件和应用软件两大类。3n中国东汉发明的十进位计数法；宋朝发明了珠算盘。n1617年，苏格兰发明家约翰奈皮尔（JohnNapier）用骨制工具进行除法、减法以及加法和乘法的混合运算，发明了计算尺。n1622年英格兰的威廉奥特雷得（WilliamOughtred）发明了滑动计算尺。n在开普勒的积极参与下

2、，谢克哈特终于在1624年在海德堡大学开始研制第一台有加减乘除四种运算功能的计算器（计算钟），可惜在建造中样机模型毁于一场大火。n1642年，帕斯卡（BlaiscPascal，1623-1662，法国数学家）发明了一台手动计算机器。n1673年，莱布尼茨（G.W.Leibnitz，1646-1716，德国伟大的数学家）建造了一台能进行四则运算的机械计算机器，轰动了整个欧洲。他的机器在进行乘法运算时采用进位-加（shift-add）的方法，这种方法后来演化为二进制，也被现代电子计算机采用。n1822年，英国数学家查尔斯巴贝奇设计了一台差分机的模型，可以执行算术运算。具有六位数的计算能力，更重要的

3、是能够计算到二次方的任何函数。2.1.1 现代计算机的“史前”时代（-1946）digital:数字的数字的,手指的,Being Digital4zz1884188418841884年年年年，美美美美国国国国工工工工程程程程师师师师赫赫赫赫尔尔尔尔曼曼曼曼霍霍霍霍勒勒勒勒雷雷雷雷斯斯斯斯（HermanHollerithHermanHollerithHermanHollerithHermanHollerith，1860-1860-1860-1860-1929192919291929）制制制制造造造造了了了了第第第第一一一一台台台台电电动动计计算算机机。在在在在1890189018901890年年

4、年年，他他他他用用用用电电电电磁磁磁磁继继电电器器代代代代替替替替一一一一部部部部分分分分机机机机械械械械元元元元件件件件来来来来控控控控制制制制穿穿穿穿孔孔孔孔卡卡卡卡片片片片，在在在在美美美美国国国国人人人人口口口口普普普普查查查查时时时时大大大大显显显显身身身身手手手手，是是是是人人人人类类类类第一台机电式自动计算机。第一台机电式自动计算机。第一台机电式自动计算机。第一台机电式自动计算机。zz1937193719371937年年年年，德德德德国国国国的的的的康康康康拉拉拉拉德德德德朱朱朱朱斯斯斯斯（KonradZuse,1910-1995KonradZuse,1910-1995Konra

5、dZuse,1910-1995KonradZuse,1910-1995）建建建建造造造造了了了了Z-1Z-1Z-1Z-1机机机机电电电电式式式式计计计计算算算算机机机机；1941194119411941年年年年11111111月月月月5 5 5 5日日日日，Z-3Z-3Z-3Z-3研研研研制制制制成成成成功功功功，这这这这是是是是完完完完全全全全由由由由程程程程序序序序控控控控制制制制的的的的机机机机电电电电式式式式计计计计算算算算机机机机，全全全全部部部部使使使使用用用用继继电电器器，所所所所有有有有材材材材料料料料耗耗耗耗资资资资25000250002500025000马马马马克克克克（当

6、当当当时时时时合合合合6500650065006500美元）。美元）。美元）。美元）。zz1944194419441944年年年年5 5 5 5月月月月，美美美美国国国国哈哈哈哈佛佛佛佛大大大大学学学学的的的的应应应应用用用用数数数数学学学学教教教教授授授授霍霍霍霍华华华华德德德德阿阿阿阿肯肯肯肯建建建建成成成成了了了了“哈哈哈哈佛佛佛佛IBMIBMIBMIBM自自自自动动动动序序序序列列列列控控控控制制制制计计计计算算算算机机机机”，后后后后来来来来称称称称为为为为“马马马马克克克克1 1 1 1号号号号”，它它它它的的的的元元元元件件件件还还还还是是是是继电器继电器。现现代代计计算算机机的

7、的前前身身是是帕帕斯斯卡卡在在16421642年年建建造造的的第第一一台台机机械械式式的的计计算算机机，后后来来，巴巴贝贝奇奇在在18221822年年建建造造了了机机械械式式的的数数字字微微分分机机，这这些些都都是是在在现现代代电子计算机诞生前，人类创造计算工具的重要实践。电子计算机诞生前，人类创造计算工具的重要实践。2.1.12.1.12.1.12.1.1 现代计算机的现代计算机的现代计算机的现代计算机的“史前史前史前史前”时代（时代（时代（时代（-1946194619461946）5 从某种意义上讲，图灵机模型（1934）与真正的计算机结构之间还有一段距离。在计算机上运行的计算机程序实际上

8、就是计算机指令序列。软件开发的主要任务就是根据人们的需要把特定的计算机指令序列编制出来。图灵机提出10年后，经过不断努力，冯.诺依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理；主要由5部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。2.1.2 存储程序式计算机的基本结构与工作原理6第一台第一台”存储程序存储程序”计算机计算机EDVAC冯冯冯冯 诺依曼诺依曼诺依曼诺依曼7冯.诺依曼型计算机存储程序，顺序控制存储程序，顺序控制n可以采用二进制可以采用二进制n指令和数据都可以存储在机器内。（原来指令和数据都可以存储在机器内。（原来只保存数据，指令由外界输入）机器执行只保存数据，指令

9、由外界输入）机器执行指令时从存储器读取数据，计算结果又写指令时从存储器读取数据，计算结果又写入存储器。入存储器。82.22.2 计计算机算机硬件硬件系系统统 计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要由中央处理器、内存储器、输入/输出设备（包括外存储器、多媒体配套设备）等组成。中央处理器CPUn运算器运算器运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。辑运算，即对数据进行加工处理。n控制器控制器是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调定

10、的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。存与外设的访问等。9计算机的五个主要组成部分计算机的五个主要组成部分1.输入设备输入设备输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。2.存储器存储器存储器的功能是存储程序、数据和各

11、种信号、命令等信息，并在存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。（内外存储器，内存？需要时提供这些信息。（内外存储器，内存？ROM,RAM）3.运算器运算器4.控制器控制器5.输出设备输出设备输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带

12、、光盘机等。光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。输入设备与输出设备合你为输入设备与输出设备合你为外部设备外部设备，简称外设，简称外设，10计算机可分为模拟计算机和数字计算机计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。两大类。n模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。应用范围较窄，目前已很少生产。n数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断数字计算机的主要特

13、点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的人类大脑的思维思维方式进行工作，所以又被称为方式进行工作，所以又被称为“电脑电脑”。11数字计算机按用途又可分为专用计算机数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机和通用计算机专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。度、造价和适应性等方面是有区别的。n专用专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速

14、和最经计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。这些东西就是再先进，你也不能用它来玩游戏。机。这些东西就是再先进，你也不能用它来玩游戏。n通用通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。n通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大通

15、用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。型机、中型机、小型机、微型机及单片机。12 2.2.1 微型计算机系统 微型机具有体积小、重量轻、维护简单方便、价格低廉、软件丰富和操作简便等优点，特别是高档微型机的性能已经超过了一般小型机，因此它的发展极为迅速，应用与普及最广，数量也最多。微型机根据工艺结构、外观形式和应用目的，可分为台式机和便携式两类。132.2.2 微型计算机的总线及标准 总线（BUS）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。根据用途不同，分成内部总线和外部总线。142.2.3 计算机与外部设

16、备的接口及标准 接口，顾名思义就是设备与计算机或其它设备联接的端口。它其实是一组电气联接和信号交换标准。接口主要是用来传送电气信号的，在信号中，有一部分是数据信号，其余是控制信号，它们都是为传输数据服务的。数据的传输方式基本分为两种，一种是用一条线（或一对线）用来传送数据，这种叫串行传输接口。一种是用几条线来同时传送数据，这种叫并行传输接口。15串口串口(RS-232,485等等)有好多种有好多种“头型头型”，有些是，有些是9Pin（像有些鼠标接口），有些则是（像有些鼠标接口），有些则是25Pin，外观像，外观像25Pin通通用并行接口用并行接口(IEEE-488).插头插头-公公,插座插座-

17、母母16 除了传统接口形式外，随着计算机技术的发展，现在又出现了许多新的接口标准。如SCSI，USB等。USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线接口，它最大的好处在于能支持多达127个外设，并且可以独立供电（可从主板上获得500mA的电流），并且支持热拔插（开机状态下插拔），真正做到即插即用。USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问。2.2.32.2.3 计算机与外部设备的接口及标准计算机与外部设备的接口及标准17 2.2.4 主机 微型计算机的主机由CPU、主板及内存储器组成。CPU是中央处理单元的缩写，又被称做微处理器(Microprocessor)，CP

18、U作为计算机系统的核心，主要包括运算器和控制器两个部件。CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，三个部分相互协调。计算机在运行时，对系统内存、存储设备和其它I/O设备的操作控制控制都必须通过主板来完成，因此计算机的整体运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。18 2.2.4 主机 主板(Mainboard)是微机系统中最大的一块电路板。主板上布满了各种电子元件、芯片及芯片组、插槽、接口等。内存(Memory）是计算机内部存储器的简称，用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问的存储器。内存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器(ROM)

19、两类。192.2.52.2.5 主板主板联联联联想想想想K KD D7 7主主主主板板板板面面面面板板板板示示示示意意意意图图图图 20主板：又称母板。有CPU、内存插槽、ROM和某些专用芯片、I/O扩展槽。内存插槽硬盘接口软驱接口北桥芯片南桥芯片AGP插槽PCI插槽CPU插槽USB接口211卡槽卡槽2EDC芯片：校验芯片芯片：校验芯片3金手指：内存和插槽的接触部分金手指：内存和插槽的接触部分4内存芯片内存芯片5SPD（EPROM）：）：存储内存的性能指标及序列号存储内存的性能指标及序列号2.2.62.2.6 内存内存222.2.7 外存储器 n软盘、硬盘、光盘等存储器都是CPU不能直接访问的

20、存储器，需要经过内存以及I/O设备交换信息，统称外部存储器。23 2.2.8 输入设备 输入设备是人们和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。计算机输入设备在不同时代是不相同的。在DOS（一种过时的操作系统）时代，键盘几乎是唯一的输入设备；到了Windows时代，鼠标大行其道，成了与键盘并驾齐驱的重要输入设备；到了多媒体时代，扫描仪、光笔、压感笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置、数码相机、数码摄相机、光电阅读器等都成为常用的输入设备。24 2.2.9 输出设备 输出设备的作用是把计算机处理的中间结果或最终结果用人所能识别的形式(如字符、图形、图像、语音等)表示出来，它包括显示设备、打印设

21、备、语音输出设备、图像输出设备等。252.32.3 计算机软件系统计算机软件系统 2.3.1 软件的性质及发展史 软件的定义是：计算机软件是指计算机程序和相关文档（说明书、流程图、程序、用户手册等）。其中:程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。文档是软件的”质”的部分，程序则是文档代码化的表现形式。相对于计算机硬件而言，软件是计算机的无形部分，但它的作用是很大的。26所谓软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子的有关说明资料,说明书、用户指南、操作手

22、册等。272.3.1 软件的性质及发展史 软件性质包括以下4个方面：n抽象的表现形式n手工作坊式的开发形式n维护困难n复杂性和规模不断增加28 2.3.2 软件技术的进化史 计算机的数学理论基础是图灵于1937年提出的图灵机模型，而现代电子计算机的体系结构及实际计算模型则是来自冯.诺依曼1946年提出的“程序放入内存，顺序执行”的思想，因此，现在的计算机通常被称为冯.诺依曼计算机。计算机语言的发展历程也从此正式开始，计算机语言的使用人员也开始被称为程序员。软件技术的发展经历了五代历程。29 2.3.2 2.3.2 软件技术的进化史软件技术的进化史 1.1.1.1.软件技术发展的初期（软件技术发

23、展的初期（软件技术发展的初期（软件技术发展的初期（20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代到年代到年代到年代到70707070年代）年代）年代）年代）2.2.2.2.20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代机器语言汇编语言年代机器语言汇编语言年代机器语言汇编语言年代机器语言汇编语言3.3.3.3.1956 1956 1956 1956年年年年FORTRANFORTRANFORTRANFORTRAN语言（美国语言（美国语言（美国语言（美国 巴科斯）巴科斯）巴科斯）巴科斯）4.4.4.4.20 20 20 20世纪世纪世纪世纪60606060年代年代年代年代PascalPa

24、scalPascalPascal、COBOLCOBOLCOBOLCOBOL语言语言语言语言（软件危机软件危机软件危机软件危机,复杂程度高、研制周期长、正确性难复杂程度高、研制周期长、正确性难复杂程度高、研制周期长、正确性难复杂程度高、研制周期长、正确性难以保证的三大难题以保证的三大难题以保证的三大难题以保证的三大难题）5.5.5.5.1971 1971 1971 1971年年年年C C C C语言（美国语言（美国语言（美国语言（美国 贝尔实验室）贝尔实验室）贝尔实验室）贝尔实验室）6.6.6.6.1975 1975 1975 1975年年年年BasicBasicBasicBasic微电脑软件（

25、美国微电脑软件（美国微电脑软件（美国微电脑软件（美国 比尔比尔比尔比尔.盖茨盖茨盖茨盖茨、保罗、保罗、保罗、保罗.艾伦艾伦艾伦艾伦）30 软件技术发展的中期（软件技术发展的中期（软件技术发展的中期（软件技术发展的中期（20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代）年代）年代）年代）Apple LisaApple Lisa、MacintoshMacintosh（AppleApple公司）公司）19831983年年 Windows1.0（Microsoft公司首次引入公司首次引入GUI界面界面 1985年年Windows2.1（增加层叠、多任务虚拟机技术增加层叠、多任务虚拟机技术）1987

26、年年Windows3.0Windows3.0（Windows386Windows386增强模式）增强模式）1990 1990年年Windows3.1 1992Windows3.1 1992年年Windows3.2 1993Windows3.2 1993年年Windows95 Windows95 支持支持PnPPnP技术技术 1995 1995年年Windows98 Windows95Windows98 Windows95的升级版的升级版 1998 1998年年Windows2000 2000Windows2000 2000年年Windows meWindows meWindosWindos X

27、P XPWindows 2003Windows 2003 这一时期形成了这一时期形成了OOA、OOD、OOP完整的软件开发方法完整的软件开发方法2.3.22.3.2 软件技术的进化史软件技术的进化史 31 2.3.2 2.3.2 软件技术的进化史软件技术的进化史 网络计算时代的开始（网络计算时代的开始（网络计算时代的开始（网络计算时代的开始（20202020世纪世纪世纪世纪90909090年代至今）年代至今）年代至今）年代至今）InternetInternetInternetInternet的出现将传统的集中式计算模式转变为分布式的的出现将传统的集中式计算模式转变为分布式的的出现将传统的集中式

28、计算模式转变为分布式的的出现将传统的集中式计算模式转变为分布式的C/SC/SC/SC/S模式。模式。模式。模式。随着随着随着随着SupertextSupertextSupertextSupertext技术以及技术以及技术以及技术以及WWWWWWWWWWWW的普及出现了的普及出现了的普及出现了的普及出现了B/SB/SB/SB/S模式。模式。模式。模式。1991 1991 1991 1991年年年年 Linix OSLinix OSLinix OSLinix OS问世（芬兰问世（芬兰问世（芬兰问世（芬兰 LinusLinusLinusLinus）。）。）。）。1995 1995 1995 1995

29、年年年年 UMLUMLUMLUML语言诞生为语言诞生为语言诞生为语言诞生为OOOOOOOO技术提供了一个统一的图形建模技术提供了一个统一的图形建模技术提供了一个统一的图形建模技术提供了一个统一的图形建模语言。语言。语言。语言。1997 1997 1997 1997年年年年 UDPUDPUDPUDP为软件开发过程建立了一个统一的模型。为软件开发过程建立了一个统一的模型。为软件开发过程建立了一个统一的模型。为软件开发过程建立了一个统一的模型。32 2.3.2 2.3.2 软件技术的进化史软件技术的进化史 软件之变软件之变软件之变软件之变21212121世纪的软件技术世纪的软件技术世纪的软件技术世纪

30、的软件技术 面向构件的软件开发方法实现了软件复用。面向构件的软件开发方法实现了软件复用。面向构件的软件开发方法实现了软件复用。面向构件的软件开发方法实现了软件复用。DMDMDMDM技术技术技术技术 AIAIAIAI技术技术技术技术 Gred Gred Gred Gred 技术技术技术技术 Middle SoftwareMiddle SoftwareMiddle SoftwareMiddle Software技术技术技术技术 OODOODOODOOD技术技术技术技术332.3.3 软件系统的分层结构 操作系统层操作系统层实用软件层实用软件层应用软件层应用软件层计算机硬件层计算机硬件层window

31、s98QBASICC语言语言字（表格）处理软件字（表格）处理软件财务软件财务软件裸机裸机342.3.4 2.3.4 操作系统操作系统 系统软件是直接控制计算机和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程，以及方便用户的软件集合。计算机计算机用户用户操作系统操作系统DOS操作系统Windows98操作系统操作系统352.3.4 2.3.4 操作系统操作系统 操作系统的五大功能：操作系统的五大功能：处理器的管理处理器的管理 存储管理（内存管理）存储管理（内存管理）设备管理设备管理 文件管理文件管理 进程及作业管理进程及作业管理返回目录返回目录36计算机软件技术的发展将呈现n平台网络化、n技术对象化、n系统构件化、n产品领域化、n开发过程化、n生产规模化。37