大学计算机基础高等教育 21世纪课程教材主编：蒋加伏 王岳斌 主审：邹逢兴第一章 计算机系统基础
计算机的发展
计算机系统组成及基本工作原理
计算机硬件系统的组成
计算机软件系统的组成
1.1 计算机的发展
计算机的发展历程
当代的计算与计算机
未来新型计算机世界上第一台计算机 ENIAC
5000次加法 /秒体重 28吨占地 170m2
18800只电子管
1500个继电器功率 150KW
计算机发展的 4个时代时代 年份 电路 特点第一代 1946~1953 电子管 磁鼓、磁带第二代 1954~1964 晶体管 磁芯、磁盘第三代 1965~1970 集成电路 终端访问第四代 1971~今大、超大规模集成电路个人计算机微处理器集成度发展示意图晶体管数目
4004 奔腾 4
420,000,000
2,300
0.18微米芯片
10微米芯片摩尔定理晶体管数单位时间执行的指令数百万条/
每秒每 18个月芯片能力增长一倍。
1.1.2 当代的计算与计算机
1.计算的概念
2.计算机的计算模型
3.计算机的体系结构计算的概念
手工计算时代
计算机计算时代
网络计算时代计算机的计算模型为纪念图灵对计算机的贡献，
美国计算机博物馆于 1966年设立了“图灵奖”
计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。
图灵机是一种思想模型，
它由三部分组成：
一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。
计算机的体系结构
1、冯 ·诺依曼结构
2、非冯 ·诺依曼结构冯 ·诺依曼结构
John von Neumann
冯?诺依曼存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。
计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为 CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。
非冯 ·诺依曼结构计算机
数据流计算机
归约计算机
基于面向对象程序设计语言的计算机
智能计算机非 冯 ·诺依曼结构是一种由数据而不是由指令来驱动执行的体系结构非冯 ·诺依曼结构计算机的优、缺点
操作开销太大
不能有效利用以前冯氏计算机累积起来的丰富资源
支持高度的并行操作
与 VLSI技术相适应
有利于提高软件生产力
1.1.3 未来新型计算机
超导计算机
量子计算机
光子计算机
生物计算机
神经计算机
1.2 计算机系统组成及基本原理
计算机系统的组成
计算机的基本工作原理
指令和指令系统计算机系统硬件主机中央处理器 (CPU) 运算器控制器内存储器 只读存储器 (ROM)随机存储器 (RAM)
外存储器 —— 硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备 —— 键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备 —— 显示器、打印机、绘图仪软件系统软件 操作系统 语言处理系统数据库管理系统 系统服务程序应用软件文字处理软件 信息管理软件图形软件 辅助设计软件各种程序包
1.2.2 计算机的基本工作原理
1、采用二进制的形式阁示数据和指令
2、采用存储程序方式
3、计算机由运算器、存储器、控制器、
输入设备、输出设备 5大部件组成
1.2.3 指令和指令系统
1、指令
指令是能被计算机识别并执行的二进制代码
指令由操作码与操作数组成
1.2.3 指令和指令系统
2、指令系统
一台计算机所有指令的集合、称为该计算机的指令系统
指令系统包括：数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令、其他指令。
1.2.3 指令和指令系统
3、指令执行过程
冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。
执行步骤：取指、分析、执行、计数器加 1
1.3 计算机硬件系统的组成从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机箱内有主机板、多功能卡、显示卡、硬软盘和驱动器等，如下图所示：
1.3.1 主板主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有 CPU
插槽 /插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、
时钟和 CMOS主板 BIOS、软 /硬盘、串口、并口等外设接口、
控制芯片等。
内存插槽扩展插槽
1.3.1 主板
1.3.2 CPU
② 插卡式 Slot
① 针脚式 Socket
1,中央处理器 CPU,它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片。
CPU可分为：
2,微处理器 MPU,它是将 CPU、时钟脉冲发生器和系统控制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独立器件。
1.3.2 CPU
1.3.2 CPU
运算器与内部控制器
控制逻辑单元
CPU内部总线
CPU执行指令的速度即 CPU每秒所能执行的指令条数
CPU的字长即 CPU一次所能处理的数据的二进制位数
指令本身的功能强弱及复杂程度
CPU的基本结构
CPU的性能指标
1.3.3 存储器微型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能。
计算机运行时的程序和数据均放在 RAM中，一旦掉电，其中的内容将全部丢失。
随机存储器 RAM
只读存储器 ROM
可编程只读存储器 PROM
可改写只读存储器 EPROM
磁盘存储器：,
存储器主存储器
（内 存）
软磁盘 硬磁盘光盘存储器外存储器
（辅助存储器）
内存储器内存储器的分类
静态随机存取存储器（ SRAM）
动态随机存取存储器 （ DRAM）
只读存储器（ ROM）
高速缓冲存储器（ Cache)
外存储器的分类
硬磁盘存储器
软磁盘存储器
光盘存储器
优盘（ Flash Memory)
移动硬盘硬盘机的性能指标有：
① 盘径,5.25英寸,3.5英寸,2.5英寸,1.8英寸等；
②接口类型,IDE,EIDE等；
③盘面数,相当于软盘中的,面数,,又称磁头数；
④柱面数,相当于软盘中的,磁道数,；
⑤扇区数,数据传输率、硬盘转速、电源和重量等。
硬盘容量的计算,
总容量＝ 512磁头数 × 柱面数 × 扇区数硬盘机的主要技术指标有：
① 平均等道时间,指磁头移动到数据所在磁道所用的时间；
②数据传输率,指磁头到硬盘缓存间最大数据传输率；
③主轴转速,指硬盘内主轴转动速度 ；
④高速缓存（ Cache）,指在硬盘内部的高速存储器。
软盘存储器软盘一般有 5寸盘 (5.25“)和
3寸盘 (3.5”),高密 3寸盘的存储容量为 1.44M,高密 5寸盘容量为
1.2M，现在一般采用 3寸盘。在
DOS中用,A：”、或,B：”
来表示软盘的盘符。
读写窗口 挡板塑料壳轴盘连接孔盘片写保护孔
3.5英寸软盘示意图
① 面数 (side),分为单面 (第 0面 )
和双面 (第 0,1面 )软盘 。
软盘的技术指标有：
软盘存储器
②．磁道 (track),以盘片中心为圆心的一组同心圆．数据存储在软盘片的磁道内，磁道数一般为 40或 80,编号从 0
开始,即 0—39或 0—79，编号从外到内。
③,扇区 (sector),将各个磁道分成的若干个扇形的区域。
扇区是软盘的基本存储单位，一个扇区称为一个记录，计算机在读、写数据时总是以一个或几个完整的扇区为单位。
扇区的编号从 1开始。每个磁道上的扇区数可为 8,9、
15或 18。每个扇区存储 512个字节。
5
2
4
1
3
1,磁道 00
2,磁道 39(或 79)
3,扇区
4,软盘边缘
5,主轴孔软盘存储器软盘上的信息是写在各磁道的扇区内的，存放在软盘上的信息可通过它所在的软盘面号、磁道号和扇区号唯一地确定位置。
④,存储密度,存储密度有道密度和位密度两种．
道密度,沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数 (TPI)。
位密度,每一磁道内的单位长度所能记录的二进制的位数。
软盘存储器
⑤,容量 (capacity)：存储容量是指软盘所能存储的数据字节总数。存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种。
格式化容量 ＝ 字节数 /扇区 × 扇区数 /磁道 × 磁道数 /面 × 面数如,一双面软盘，有 40个磁道,9扇区 /磁道，其格式容量为：
512 × 9 × 40 × 2＝ 368640（字节），简称 360KB。
光盘存储器原理,运用光盘盘面的凸凹不平，表示,0”和,1”的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘般面，读取,0”和,1”的信息。
特点,记录密度高，存储容量大，数据保存时间长 。
类型,① 只读型光盘 (CD-ROM)，只能读取信息，不能写入，可提供 680M的存储空间。
②一次写入型光盘 (CD-R)，只能写一次，写后不能修改。
③可擦型光盘 (CD-RW)，可以重复读写，但需要光盘刻录机操作。
优盘与移动硬盘
① 优盘,又名闪存盘。
② 移动硬盘特点,?容量大，单位存储成本低；
速度快；
兼容性好，即插即用；
具有良好的抗震性能。
特点,防潮、耐高低温、抗震、防电磁波、
容量大、携带方便等
1.3.4 总线与接口微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入 /输出接口电路以及系统总线组成。
微处理器
CPU
主存储器 外存接口 输入输出接口 其他 I/O口各种外设键盘,显示器等软,硬盘驱动器
AB
DB
CB
微型机的系统结构图如下：
1.3.5 输入输出设备
显示器
打印机
绘图仪
键盘
鼠标
扫描仪输入设备输出设备键盘分类
A,按键的数量分类：８３键，８８键，１０１键等。
B,按制造工艺分类：机械式，电容式，薄膜式，电阻式等。
鼠标的分类无线光电鼠标器主要用于视窗界面的操作环境中，通过在桌面上移动鼠标器带动光标移动来实现各种需要的操作。
鼠标器通过串行通讯接口与主机相连，有机械式和光电式两种。
扫描仪扫描仪是一种光机电一体化的输入设备，它可以将图文形象转换成可由计算机处理的数字数据。
显示器能及时显示计算机的提示信息和程序的运行结果，
是向用户提供信息的重要设备。主要由显示监视器和显示适配器两部分组成：
1).显示器的分类
a,按颜色,显示器有单色、彩色显示器之分。
b,按器件,有阴极射线管显示器、液晶、发光二极管、
等离子体、荧光等平板型显示器。
2).显示器的主要技术参数
a,屏幕尺寸,主要有 14英寸,15英寸,17英寸、
20英寸等规格。
b,点距,屏幕上荧光点间的距离。现有的规格
0.20,0.25,0.26,0.28,0.31,0.39(毫米 )等。
c,显示分辨率,通常写成 (水平点数 )× (垂直点数 )
的形式，目前 1024 × 768较普及。
d,刷新频率,每分钟屏幕画面更新的次数,一般是 75Hz～ 200Hz。
打印机可以对数据进行永久性保存，有针式打印机、激光打印机和喷墨打印机等。
打印机的主要技术指标：
打印速度,CPS（字符 /秒）表示；
打印分辨率,DPI（点 /英寸）表示；
最大打印尺寸,A4或 A3。
1.3.6 微型计算机的主要性能指标
1、字长
2、时钟主频
3、内存容量
4、外部设备配置
1.4 计算机软件系统的组成
1、系统软件
2、应用软件
1.4.1 系统软件
1、操作系统
2、程序设计语言和语言处理程序
3、数据库管理系统
4、设备驱动程序
5、实用工具
1.4.2 应用软件
文字处理软件。如 WPS,WORD等
电子表格软件。如 Excel Lotus等
信息管理软件。 如各种管理信息系统
图像处理软件。如 Photoshop,3dsMax
等
其他应用软件。如辅助设计软件
（ CAD）、辅助教学软件（ CAI）等
计算机的发展
计算机系统组成及基本工作原理
计算机硬件系统的组成
计算机软件系统的组成
1.1 计算机的发展
计算机的发展历程
当代的计算与计算机
未来新型计算机世界上第一台计算机 ENIAC
5000次加法 /秒体重 28吨占地 170m2
18800只电子管
1500个继电器功率 150KW
计算机发展的 4个时代时代 年份 电路 特点第一代 1946~1953 电子管 磁鼓、磁带第二代 1954~1964 晶体管 磁芯、磁盘第三代 1965~1970 集成电路 终端访问第四代 1971~今大、超大规模集成电路个人计算机微处理器集成度发展示意图晶体管数目
4004 奔腾 4
420,000,000
2,300
0.18微米芯片
10微米芯片摩尔定理晶体管数单位时间执行的指令数百万条/
每秒每 18个月芯片能力增长一倍。
1.1.2 当代的计算与计算机
1.计算的概念
2.计算机的计算模型
3.计算机的体系结构计算的概念
手工计算时代
计算机计算时代
网络计算时代计算机的计算模型为纪念图灵对计算机的贡献，
美国计算机博物馆于 1966年设立了“图灵奖”
计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。
图灵机是一种思想模型，
它由三部分组成：
一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。
计算机的体系结构
1、冯 ·诺依曼结构
2、非冯 ·诺依曼结构冯 ·诺依曼结构
John von Neumann
冯?诺依曼存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。
计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为 CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。
非冯 ·诺依曼结构计算机
数据流计算机
归约计算机
基于面向对象程序设计语言的计算机
智能计算机非 冯 ·诺依曼结构是一种由数据而不是由指令来驱动执行的体系结构非冯 ·诺依曼结构计算机的优、缺点
操作开销太大
不能有效利用以前冯氏计算机累积起来的丰富资源
支持高度的并行操作
与 VLSI技术相适应
有利于提高软件生产力
1.1.3 未来新型计算机
超导计算机
量子计算机
光子计算机
生物计算机
神经计算机
1.2 计算机系统组成及基本原理
计算机系统的组成
计算机的基本工作原理
指令和指令系统计算机系统硬件主机中央处理器 (CPU) 运算器控制器内存储器 只读存储器 (ROM)随机存储器 (RAM)
外存储器 —— 硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备 —— 键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备 —— 显示器、打印机、绘图仪软件系统软件 操作系统 语言处理系统数据库管理系统 系统服务程序应用软件文字处理软件 信息管理软件图形软件 辅助设计软件各种程序包
1.2.2 计算机的基本工作原理
1、采用二进制的形式阁示数据和指令
2、采用存储程序方式
3、计算机由运算器、存储器、控制器、
输入设备、输出设备 5大部件组成
1.2.3 指令和指令系统
1、指令
指令是能被计算机识别并执行的二进制代码
指令由操作码与操作数组成
1.2.3 指令和指令系统
2、指令系统
一台计算机所有指令的集合、称为该计算机的指令系统
指令系统包括：数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令、其他指令。
1.2.3 指令和指令系统
3、指令执行过程
冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。
执行步骤：取指、分析、执行、计数器加 1
1.3 计算机硬件系统的组成从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机箱内有主机板、多功能卡、显示卡、硬软盘和驱动器等，如下图所示：
1.3.1 主板主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有 CPU
插槽 /插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、
时钟和 CMOS主板 BIOS、软 /硬盘、串口、并口等外设接口、
控制芯片等。
内存插槽扩展插槽
1.3.1 主板
1.3.2 CPU
② 插卡式 Slot
① 针脚式 Socket
1,中央处理器 CPU,它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片。
CPU可分为：
2,微处理器 MPU,它是将 CPU、时钟脉冲发生器和系统控制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独立器件。
1.3.2 CPU
1.3.2 CPU
运算器与内部控制器
控制逻辑单元
CPU内部总线
CPU执行指令的速度即 CPU每秒所能执行的指令条数
CPU的字长即 CPU一次所能处理的数据的二进制位数
指令本身的功能强弱及复杂程度
CPU的基本结构
CPU的性能指标
1.3.3 存储器微型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能。
计算机运行时的程序和数据均放在 RAM中，一旦掉电，其中的内容将全部丢失。
随机存储器 RAM
只读存储器 ROM
可编程只读存储器 PROM
可改写只读存储器 EPROM
磁盘存储器：,
存储器主存储器
（内 存）
软磁盘 硬磁盘光盘存储器外存储器
（辅助存储器）
内存储器内存储器的分类
静态随机存取存储器（ SRAM）
动态随机存取存储器 （ DRAM）
只读存储器（ ROM）
高速缓冲存储器（ Cache)
外存储器的分类
硬磁盘存储器
软磁盘存储器
光盘存储器
优盘（ Flash Memory)
移动硬盘硬盘机的性能指标有：
① 盘径,5.25英寸,3.5英寸,2.5英寸,1.8英寸等；
②接口类型,IDE,EIDE等；
③盘面数,相当于软盘中的,面数,,又称磁头数；
④柱面数,相当于软盘中的,磁道数,；
⑤扇区数,数据传输率、硬盘转速、电源和重量等。
硬盘容量的计算,
总容量＝ 512磁头数 × 柱面数 × 扇区数硬盘机的主要技术指标有：
① 平均等道时间,指磁头移动到数据所在磁道所用的时间；
②数据传输率,指磁头到硬盘缓存间最大数据传输率；
③主轴转速,指硬盘内主轴转动速度 ；
④高速缓存（ Cache）,指在硬盘内部的高速存储器。
软盘存储器软盘一般有 5寸盘 (5.25“)和
3寸盘 (3.5”),高密 3寸盘的存储容量为 1.44M,高密 5寸盘容量为
1.2M，现在一般采用 3寸盘。在
DOS中用,A：”、或,B：”
来表示软盘的盘符。
读写窗口 挡板塑料壳轴盘连接孔盘片写保护孔
3.5英寸软盘示意图
① 面数 (side),分为单面 (第 0面 )
和双面 (第 0,1面 )软盘 。
软盘的技术指标有：
软盘存储器
②．磁道 (track),以盘片中心为圆心的一组同心圆．数据存储在软盘片的磁道内，磁道数一般为 40或 80,编号从 0
开始,即 0—39或 0—79，编号从外到内。
③,扇区 (sector),将各个磁道分成的若干个扇形的区域。
扇区是软盘的基本存储单位，一个扇区称为一个记录，计算机在读、写数据时总是以一个或几个完整的扇区为单位。
扇区的编号从 1开始。每个磁道上的扇区数可为 8,9、
15或 18。每个扇区存储 512个字节。
5
2
4
1
3
1,磁道 00
2,磁道 39(或 79)
3,扇区
4,软盘边缘
5,主轴孔软盘存储器软盘上的信息是写在各磁道的扇区内的，存放在软盘上的信息可通过它所在的软盘面号、磁道号和扇区号唯一地确定位置。
④,存储密度,存储密度有道密度和位密度两种．
道密度,沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数 (TPI)。
位密度,每一磁道内的单位长度所能记录的二进制的位数。
软盘存储器
⑤,容量 (capacity)：存储容量是指软盘所能存储的数据字节总数。存储容量分为非格式化容量和格式化容量两种。
格式化容量 ＝ 字节数 /扇区 × 扇区数 /磁道 × 磁道数 /面 × 面数如,一双面软盘，有 40个磁道,9扇区 /磁道，其格式容量为：
512 × 9 × 40 × 2＝ 368640（字节），简称 360KB。
光盘存储器原理,运用光盘盘面的凸凹不平，表示,0”和,1”的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘般面，读取,0”和,1”的信息。
特点,记录密度高，存储容量大，数据保存时间长 。
类型,① 只读型光盘 (CD-ROM)，只能读取信息，不能写入，可提供 680M的存储空间。
②一次写入型光盘 (CD-R)，只能写一次，写后不能修改。
③可擦型光盘 (CD-RW)，可以重复读写，但需要光盘刻录机操作。
优盘与移动硬盘
① 优盘,又名闪存盘。
② 移动硬盘特点,?容量大，单位存储成本低；
速度快；
兼容性好，即插即用；
具有良好的抗震性能。
特点,防潮、耐高低温、抗震、防电磁波、
容量大、携带方便等
1.3.4 总线与接口微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入 /输出接口电路以及系统总线组成。
微处理器
CPU
主存储器 外存接口 输入输出接口 其他 I/O口各种外设键盘,显示器等软,硬盘驱动器
AB
DB
CB
微型机的系统结构图如下：
1.3.5 输入输出设备
显示器
打印机
绘图仪
键盘
鼠标
扫描仪输入设备输出设备键盘分类
A,按键的数量分类：８３键，８８键，１０１键等。
B,按制造工艺分类：机械式，电容式，薄膜式，电阻式等。
鼠标的分类无线光电鼠标器主要用于视窗界面的操作环境中，通过在桌面上移动鼠标器带动光标移动来实现各种需要的操作。
鼠标器通过串行通讯接口与主机相连，有机械式和光电式两种。
扫描仪扫描仪是一种光机电一体化的输入设备，它可以将图文形象转换成可由计算机处理的数字数据。
显示器能及时显示计算机的提示信息和程序的运行结果，
是向用户提供信息的重要设备。主要由显示监视器和显示适配器两部分组成：
1).显示器的分类
a,按颜色,显示器有单色、彩色显示器之分。
b,按器件,有阴极射线管显示器、液晶、发光二极管、
等离子体、荧光等平板型显示器。
2).显示器的主要技术参数
a,屏幕尺寸,主要有 14英寸,15英寸,17英寸、
20英寸等规格。
b,点距,屏幕上荧光点间的距离。现有的规格
0.20,0.25,0.26,0.28,0.31,0.39(毫米 )等。
c,显示分辨率,通常写成 (水平点数 )× (垂直点数 )
的形式，目前 1024 × 768较普及。
d,刷新频率,每分钟屏幕画面更新的次数,一般是 75Hz～ 200Hz。
打印机可以对数据进行永久性保存，有针式打印机、激光打印机和喷墨打印机等。
打印机的主要技术指标：
打印速度,CPS（字符 /秒）表示；
打印分辨率,DPI（点 /英寸）表示；
最大打印尺寸,A4或 A3。
1.3.6 微型计算机的主要性能指标
1、字长
2、时钟主频
3、内存容量
4、外部设备配置
1.4 计算机软件系统的组成
1、系统软件
2、应用软件
1.4.1 系统软件
1、操作系统
2、程序设计语言和语言处理程序
3、数据库管理系统
4、设备驱动程序
5、实用工具
1.4.2 应用软件
文字处理软件。如 WPS,WORD等
电子表格软件。如 Excel Lotus等
信息管理软件。 如各种管理信息系统
图像处理软件。如 Photoshop,3dsMax
等
其他应用软件。如辅助设计软件
（ CAD）、辅助教学软件（ CAI）等
