1、1大學計算機基礎大學計算機基礎欒翠菊欒翠菊 上海海事大學信息工程學院計算機系 辦公室電話：2822 辦公室地址：信工樓211 Email：前 言2關于計算機課程關于計算機課程n計算機是科學？計算機是科學？/技術？技術？/工具？工具？/玩具？玩具？n計算機課程是主課？計算機課程是主課？/輔課？輔課？n為什么要學習計算機？為什么要學習計算機？34科學方法與科學思維科學方法與科學思維n科學方法科學方法n理論方法、實驗方法、計算方法理論方法、實驗方法、計算方法n科學思維科學思維n理論思維理論思維n實驗思維實驗思維n計算思維計算思維n運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、運用計算機科學的基礎概

2、念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。思維活動。n抽象，自動化抽象，自動化以數學為基礎以數學為基礎以物理學為基礎以物理學為基礎5計算機思維能力的重要性計算機思維能力的重要性n“計算思維計算思維”能力的培育是國家的一項重要戰略任務。能力的培育是國家的一項重要戰略任務。具備計算思維能力是每個人的基本技能。具備計算思維能力是每個人的基本技能。n計算思維能力計算思維能力n建立起利用計算機技術解決問題的思路，并理解問題建立起利用計算機技術解決問題的思路，并理解問題的可求解性。的可求解性。n問題抽象問題抽象n模型

3、建立模型建立n算法設計算法設計n實現實現6大學生應具備的計算機應用能力大學生應具備的計算機應用能力IV基于網絡的終身學習能力能夠有效地對信息進行獲取、分析、評價和吸收 對計算機的認知能力具有判斷和選擇計算機工具與方法的能力 III應用計算機解決問題的能力III依托信息技術的共 處能力掌握基于信息技術的團隊協作方式自覺遵循并接受信息社會道德規范的約束自覺承擔相應的社會責任專業性能力專業性能力非專業性能力非專業性能力對計算環境對計算環境的認知的認知問題求解能力問題求解能力7本課程的學習目標本課程的學習目標n了解計算機的基礎知識了解計算機的基礎知識n培養初步的計算思維能力培養初步的計算思維能力n掌握

4、未來專業研究所必須的計算機基本應用技能掌握未來專業研究所必須的計算機基本應用技能n理解微型計算機系統的組成和基本工作原理理解微型計算機系統的組成和基本工作原理n初步建立利用計算機進行問題求解的思路和方法初步建立利用計算機進行問題求解的思路和方法n了解計算機求解問題的局限性了解計算機求解問題的局限性n掌握基本的計算機應用技能掌握基本的計算機應用技能8第第1 1章章計算機基礎計算機基礎9主要內容主要內容n課堂教學內容：課堂教學內容：n微機系統的組成微機系統的組成n主機系統及功能主機系統及功能n輸入輸出系統輸入輸出系統n操作系統的基本功能操作系統的基本功能n課外自學習內容：課外自學習內容：n 計算機

5、的發展歷程及未來的發展趨勢計算機的發展歷程及未來的發展趨勢n計算機的主要應用領域計算機的主要應用領域10一、微型計算機系統組成主要內容主要內容n微機系統的概念結構微機系統的概念結構n微機硬件系統的物理構成微機硬件系統的物理構成n主機板主機板11121. 微機系統微機系統n微型計算機系統的三個層次：微型計算機系統的三個層次：n微型計算機系統微型計算機系統(Micro-computer System)n微型計算機微型計算機(Micro-computer)n微處理器微處理器(Micro-processor)從宏觀到微觀從宏觀到微觀132. 微機系統的概念結構微機系統的概念結構CPU存儲器存儲器輸入輸

6、入/輸出接口輸出接口總線總線通過通過I/O接口與主接口與主機相連接的設備機相連接的設備系統軟件系統軟件應用軟件應用軟件軟驅、硬盤、光驅軟驅、硬盤、光驅輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備鍵盤、鼠標、掃描儀鍵盤、鼠標、掃描儀顯示器、打印機顯示器、打印機存儲設備存儲設備微機系統微機系統硬件系統硬件系統軟件系統軟件系統主機主機外設外設主機板主機板n芯片芯片nCPUCPUn芯片組芯片組n固定在主板上的一組超大規模集成電路芯片總稱固定在主板上的一組超大規模集成電路芯片總稱n系統系統BIOSBIOSn含上電自檢、系統初始化、系統設置含上電自檢、系統初始化、系統設置n擴展槽擴展槽n內存插槽內存插槽n總線接口插槽

7、總線接口插槽n對外接口對外接口n串行、并行接口串行、并行接口1415BIOSBIOS芯片組（南、北橋）芯片組（南、北橋）內存插槽內存插槽CPUCPU插插座座PCIPCI插槽插槽PCIEPCIE插槽插槽打印機并行接口打印機并行接口USBUSB接口接口ATAATA接口接口SATASATA接口接口16n軟件：軟件：n為運行、管理和維護計算機系統或為實現某一功為運行、管理和維護計算機系統或為實現某一功能而編寫的各種程序的總和及其相關資料。能而編寫的各種程序的總和及其相關資料。軟件系統系統軟件系統軟件應用軟件應用軟件軟件軟件操作系統操作系統系統工具軟件系統工具軟件17二、主機系統二、主機系統18主機系統

8、主機系統n中央中央處理器（處理器（CPU）n存儲器存儲器 n總線總線n輸入輸入/輸出接口輸出接口191. 中央處理器中央處理器n中央處理器簡稱中央處理器簡稱CPU，是計算機的核心。是計算機的核心。n提供運算和控制功能。提供運算和控制功能。n例：例：nIntel 8086、Pentium Pro、P4、Core 2、Core i7nAMD Sempron、Duron、Athlon20中央處理器中央處理器n主要包括：主要包括： 運算器（運算器（ALU） 控制器（控制器（ CU） 寄存器組（寄存器組（Registers）21影響影響CPU性能的主要因素性能的主要因素n時鐘頻率時鐘頻率n主頻主頻nCP

9、U內核工作頻率。表示在內核工作頻率。表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的速度內數字脈沖信號震蕩的速度 n外頻外頻n通常為系統總線的工作頻率通常為系統總線的工作頻率 n前端總線頻率前端總線頻率nCPU與內存直接數據交換速度。與內存直接數據交換速度。 n字長字長（3232，6464位）位）n緩存容量緩存容量（L1L1、L2L2、L3L3）n指令集指令集（CISCCISC，RISCRISC）222. 存儲器存儲器n計算機中的記憶裝置計算機中的記憶裝置n用于存放計算機工作過程中需要操作的用于存放計算機工作過程中需要操作的數據和程序。數據和程序。內存儲器內存儲器外存儲器外存儲器231 1）外存儲器外存儲器n

10、聯機外存聯機外存n硬磁盤硬磁盤n脫機外存脫機外存24磁盤管理磁盤管理n記錄面或磁頭數記錄面或磁頭數n信息存儲，每個磁盤有兩個面信息存儲，每個磁盤有兩個面n磁道磁道n盤面上劃分出的不同半徑的同心圓盤面上劃分出的不同半徑的同心圓n扇區扇區n每條磁道上劃分出的等分的區段。每條磁道上劃分出的等分的區段。硬盤的磁道、扇硬盤的磁道、扇區示意圖區示意圖扇區磁道磁道0 1 2 i123i25磁盤存儲容量磁盤存儲容量n硬盤的存儲容量硬盤的存儲容量 =磁頭數柱面數扇區數扇區容量磁頭數柱面數扇區數扇區容量n例：例：n若已知磁頭數為若已知磁頭數為16，柱面數為，柱面數為4096，扇區數為，扇區數為63，每每扇區容量扇

11、區容量512字節，則：字節，則：n硬盤容量硬盤容量=164096635122.1GB262 2）內存儲器內存儲器n特點特點:n存取速度較快，容量相對較小。存取速度較快，容量相對較小。n分類：分類：n隨機存取存儲器（隨機存取存儲器（RAM）n隨機存取，斷電后其內部存放的信息隨機存取，斷電后其內部存放的信息會丟失。會丟失。n只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）n不能隨機存取，斷電后其內部存放的信息不能隨機存取，斷電后其內部存放的信息不丟失。不丟失。27內存儲器內存儲器n內存按單元組織內存按單元組織n幾個概念：幾個概念：n內存容量內存容量n內存單元的地址和內容內存單元的地址和內容n內存的操作內存的操作2

12、8內存容量內存容量n內存所含存儲單元的個數，以字節為單位。內存所含存儲單元的個數，以字節為單位。n內存容量的大小和內存容量的大小和CPUCPU的能力有關。的能力有關。29內存單元的地址和內容內存單元的地址和內容n每個單元都對應一個地址，以實現對單元每個單元都對應一個地址，以實現對單元內容的尋址。內容的尋址。1011011038F04A92H內存地址內存地址單元內容單元內容30內存操作內存操作n讀：讀：將內存單元的內容取入將內存單元的內容取入CPUCPU，原單元內原單元內 容不改變；容不改變；n寫：寫：CPUCPU將信息放入內存單元，單元中原來將信息放入內存單元，單元中原來 的內容被覆蓋。的內容

13、被覆蓋。現代計算機中的存儲器是存儲器系統現代計算機中的存儲器是存儲器系統31存儲器系統存儲器系統n將兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同將兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟硬件相結合的方法的存儲器用硬件、軟件或軟硬件相結合的方法連接起來連接起來 構成存儲系統。構成存儲系統。n系統的存儲速度接近最快的存儲器，容量接近系統的存儲速度接近最快的存儲器，容量接近最大的存儲器。最大的存儲器。32存儲器系統存儲器系統n在一般計算機中主要有兩種存儲系統在一般計算機中主要有兩種存儲系統 Cache存儲系統存儲系統主存儲器主存儲器高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器虛擬存儲系統虛擬存儲系統

14、主存儲器主存儲器磁盤存儲器磁盤存儲器33Cache存儲器系統存儲器系統nCache（高速緩沖存儲器）（高速緩沖存儲器）n速度快，容量小速度快，容量小n主內存：主內存：n速度慢，容量大速度慢，容量大nCache存儲系統由硬件系統管理。對程序員存儲系統由硬件系統管理。對程序員是透明的。是透明的。n設計目標：設計目標：n提高存取速度提高存取速度CPUCache主存主存虛擬存儲器系統虛擬存儲器系統n虛擬存儲器系統由主內存和部分磁盤存儲器虛擬存儲器系統由主內存和部分磁盤存儲器購成。購成。n虛擬存儲系統由操作系統管理，對應用程序虛擬存儲系統由操作系統管理，對應用程序員透明。員透明。n設計目標：設計目標：n

15、增加存儲容量增加存儲容量3435微型機中存儲器系統的層次結構微型機中存儲器系統的層次結構通用寄存器通用寄存器高高 速速 緩緩 存存主主 存存 儲儲 器器聯聯 機機 外外 存存脫脫 機機 外外 存存363. 總線總線n是是一組導線和相關控制、驅動電路一組導線和相關控制、驅動電路的的集合。是集合。是 計算機系統各部件之間傳輸地址、數據和控制計算機系統各部件之間傳輸地址、數據和控制 信息信息的的通道。通道。37總線分類總線分類CPU總線總線系統總線系統總線外部總線外部總線按層次結構按層次結構地址總線（地址總線（AB）數據總線（數據總線（DB）控制總線（控制總線（CB）按傳送信息類型按傳送信息類型38

16、多總線結構多總線結構n現代微型機中采用多現代微型機中采用多總線結構總線結構 39總線的主要性能指標總線的主要性能指標n總線位寬（總線位寬（bit）：）： 能同時傳送的數據位數能同時傳送的數據位數n總線帶寬（總線帶寬（B/S）：）： 單位時間內總線上可傳送的數據量單位時間內總線上可傳送的數據量40不同時代常用系統總線代表不同時代常用系統總線代表nISA（8/16位）位）nPCI（32/64位）位）n（Peripheral Component Interconnect），是），是目前目前PC中使用最廣泛的總線接口。中使用最廣泛的總線接口。 nPCI-E（PCI Express ）n目前最新的系統總

17、線標準，采用串行方式傳輸數據，目前最新的系統總線標準，采用串行方式傳輸數據，依靠高頻率來獲得高性能。依靠高頻率來獲得高性能。 41外設總線外設總線nSATA（Serial Advanced Technology Attachment ）n硬盤接口硬盤接口nSCSI（Small Computer System Interface ）n服務器硬盤接口服務器硬盤接口nUSB(Universal Serial BUS )424. 輸入輸入/ /輸出接口輸出接口n接口是接口是CPUCPU與外部設備間的橋梁與外部設備間的橋梁CPUI/OI/O接口接口外設外設43接口的主要功能接口的主要功能n實現主機與外設

18、間的運行匹配實現主機與外設間的運行匹配n對外設的控制管理對外設的控制管理44接口的分類接口的分類串行接口串行接口 輸入接口輸入接口并行接口并行接口 輸出接口輸出接口45三、輸入輸出系統三、輸入輸出系統n輸入輸出系統的特點輸入輸出系統的特點n基本輸入輸出方法基本輸入輸出方法461. 輸入輸出系統輸入輸出系統n輸入輸出系統：輸入輸出系統：n計算機系統中除計算機系統中除CPU和內存儲器之外的部分和內存儲器之外的部分I/O系統系統輸入輸出設備輸入輸出設備輸入輸出接口輸入輸出接口輸入輸出軟件輸入輸出軟件47輸入輸出系統特點輸入輸出系統特點n復雜性復雜性n輸入輸出設備、處理器、操作系統的復雜性輸入輸出設備

19、、處理器、操作系統的復雜性 n異步性異步性n工作速度和時序不一致工作速度和時序不一致n實時性實時性n控制的時效性控制的時效性n與設備無關性與設備無關性n接口的標準化接口的標準化482. 基本輸入輸出方法基本輸入輸出方法n程序控制方式程序控制方式n中斷控制方式中斷控制方式nDMA方式方式n*通道控制方式通道控制方式了解：了解：哪種方式適用于何種應用場合哪種方式適用于何種應用場合49程序控制方式程序控制方式n適用于簡單、低適用于簡單、低速外部設備速外部設備READY?READY?與外設進與外設進行數據交換行數據交換檢測外設狀態檢測外設狀態YN傳送完？傳送完？NY結結 束束50中斷控制技術中斷控制技

20、術n中斷：中斷：n因某種隨機或異常事件，引起因某種隨機或異常事件，引起CPU暫停正常運暫停正常運行的一種現象。行的一種現象。中斷源中斷源51中斷控制技術案例中斷控制技術案例n當你看錄像帶時，突然門鈴響了，于是你停下來去開當你看錄像帶時，突然門鈴響了，于是你停下來去開門，開完門后還回來繼續看錄像帶，這個過程就叫門，開完門后還回來繼續看錄像帶，這個過程就叫中中斷斷。n為了保證回來時能立刻找到剛才看的地方，你需要暫為了保證回來時能立刻找到剛才看的地方，你需要暫停播放，這叫停播放，這叫保護現場保護現場；回來時再從原處繼續看，就；回來時再從原處繼續看，就是是恢復現場恢復現場。門鈴響這件事，叫。門鈴響這件

21、事，叫中斷源中斷源。n由于這個中斷源來自你的外部，所以叫做外部中斷。由于這個中斷源來自你的外部，所以叫做外部中斷。n如果門鈴響的時候電話也同時響了，你就要考慮是先如果門鈴響的時候電話也同時響了，你就要考慮是先開門還是先接電話，這就是開門還是先接電話，這就是中斷的優先級中斷的優先級。52中斷控制中斷控制n優點：優點：nCPU效率高，實時性好，速度快。效率高，實時性好，速度快。n缺點：缺點：n程序編制較為復雜。程序編制較為復雜。53DMA控制方式控制方式n外設直接與存儲器進外設直接與存儲器進行數據交換行數據交換 ，CPU不不再擔當數據傳輸的中再擔當數據傳輸的中介者。介者。n可由硬件直接實現數可由硬

22、件直接實現數據的傳送。據的傳送。CPUMEM I/ODMA控制器控制器54通道控制通道控制n主要用于大型機系統主要用于大型機系統n輸入輸出由專門的通道機控制輸入輸出由專門的通道機控制55四、操作系統561. 操作系統的概念操作系統的概念n操作系統（操作系統（OS）是一組控制和管理計算機軟、硬是一組控制和管理計算機軟、硬件資源、為用戶提供便捷使用計算機的程序的集件資源、為用戶提供便捷使用計算機的程序的集合。合。n是用戶和計算機之間是用戶和計算機之間 進行進行“交流交流”的界面的界面計算機硬件系統計算機硬件系統系統調用系統調用 命令命令應用程序應用程序用用 戶戶通過鍵盤通過鍵盤572. 操作系統的

23、作用操作系統的作用n是對硬件系統功能的擴充是對硬件系統功能的擴充 計算機硬件系統計算機硬件系統I/O設備管理設備管理文件管理文件管理窗口軟件窗口軟件用用 戶戶數據的輸數據的輸入輸出入輸出文件存取文件存取功功能能強強大大的的虛虛擬擬機機58操作系統的作用操作系統的作用n隱藏硬件隱藏硬件nOSOS是是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是硬件與配置在計算機硬件上的第一層軟件，是硬件與其他軟件系統的接口；其他軟件系統的接口；n使用戶不必考慮不同硬件造成的差異使用戶不必考慮不同硬件造成的差異n為用戶和計算機之間進行為用戶和計算機之間進行“交流交流”提供統一的界面；提供統一的界面；n管理系統資源。管理系統資

24、源。593. 操作系統功能操作系統功能存儲器管理處理器管理文件管理用戶接口文件管理操作系統設備管理設備管理存儲器管理存儲器管理處理器管理處理器管理用戶接口用戶接口文件管理文件管理操作系統操作系統601 1）進程管理進程管理n現代計算機，大多采用多道處理，現代計算機，大多采用多道處理，“并行并行”執行多個任務，或執行多個任務，或“進程進程”。n進程：進程：n運行中的程序，是一個動態概念，程序只有載入內存，運行中的程序，是一個動態概念，程序只有載入內存，開始運行，即成為開始運行，即成為“進程進程”。61進程的基本狀態進程的基本狀態n受資源的制約，進程在其生命周期中有三種基本狀態：受資源的制約，進程

25、在其生命周期中有三種基本狀態：等待狀態等待狀態時時間間用用完完獲得資源獲得資源等待資源等待資源進進程程調調度度執行狀態執行狀態新進程新進程就緒狀態就緒狀態終終 止止接納接納完成完成在整個生存周期內，進程的狀態處于不斷變化中在整個生存周期內，進程的狀態處于不斷變化中nCtrl+Alt+DelCtrl+Alt+Del：啟動任務管理器，查看進程。：啟動任務管理器，查看進程。多任務執行多任務執行n多道程序在計算機中的執行方式有兩種：多道程序在計算機中的執行方式有兩種：n順序執行順序執行n并發執行并發執行6263 程序的程序的順序執行順序執行n順序，順序，資源獨享，資源獨享，可再現可再現程序段程序段1輸

26、入輸入程序段程序段1計算計算程序段程序段1輸出輸出程序段程序段2輸入輸入程序段程序段2計算計算程序段程序段2輸出輸出64程序的程序的并發執行并發執行程序段程序段1輸入輸入程序段程序段1計算計算程序段程序段1輸出輸出程序段程序段2輸入輸入程序段程序段2計算計算程序段程序段2輸出輸出程序段程序段3輸入輸入程序段程序段4輸入輸入程序段程序段3計算計算程序段程序段4計算計算程序段程序段3輸出輸出程序段程序段4輸出輸出n并發執行，并發執行，資源共享，輪流使用資源共享，輪流使用65并發執行例并發執行例n例：例：n程序程序A：每執行一次都要做：每執行一次都要做N=N+1；程序；程序B，每執行一，每執行一次都

27、要做次都要做print(N)，然后使，然后使N=0。設某時刻。設某時刻N=nn執行：執行：n先運行先運行A，再運行，再運行B，得，得N為：為：nn+1,n+1,0n先運行先運行B，再運行，再運行A，得，得N為：為：nn,0, 1n先運行先運行B的的print(N) ，再運行，再運行A，之后運行，之后運行B的的N=0，得得N為：為：nn,n+1,0第第1 1章章 計算機基礎計算機基礎一、微型計算機系統組成一、微型計算機系統組成二、主機系統二、主機系統n中央中央處理器（處理器（CPU）n存儲器存儲器 n總線總線n輸入輸入/輸出接口輸出接口三、輸入輸出系統三、輸入輸出系統四、操作系統四、操作系統存儲器管理處理器管理文件管理用戶接口文件管理操作系統設備管理設備管理存儲器管理存儲