计算机基础与计算思维课件-第1章 计算机组成及工作原理

3.存储器
存储器用来存储数据和程序，根据功能的不同，存储器 一般可分为内存储器和外存储器两种 。
内存储器也称主存储器、主存或内存，用来存放现行程 序的指令和数据，可以直接与运算器和控制器交换信息。 内存具有存取速度快、容量小的特点
外存储器也称为辅助存储器、辅存或外存，用来存放需 要长期保存的信息，不能直接与运算器、控制器交换信 息，需要通过内存进行交换。外存的特点是存取速度较 慢、存储容量大、成本低。
较为普遍的一种分法是按照计算机的运算速度、 字长、存储容量等综合性能指标，可分为巨型机、 大型机、小型机、微型机和嵌入式计算机等。
1. 巨型机
是一种超大型电子计算机，具有很强的计算和 处理数据的能力，其主要特点表现为高速度和大容 量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高性能的 软件系统。
2. 大型机
计算机的发展共经历了四代
第一代——电子管计算机（1946年～1959年） 第二代——晶体管计算机（1959年～1964年） 第三代——中小规模集成电路计算机（1964
年～1970年）
第四代——大规模、超大规模集成电路计算 机（1970年至今）
计算机使用的电子元器件
1.1.2 计算机分类
按照计算机的结构原理可分为模拟计算机、数 字计算机和混合式计算机。按计算机用途可分为专 用计算机和通用计算机。
1.3.2 计算机的硬件结构
根据冯.诺依曼原理，微型计算机的硬件系统主 要由五大基本部分组成：运算器、控制器、存储器、 输入和输出设备。
1.运算器
运算器的主要功能是对二进制数据进行 算术运算（如加、减、乘、除等）和逻辑 运算（如与、或、非等），所以运算器也 被称为算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，简称ALU）。
芯片组几乎决定着主板的全部功能，如能安装内存的最大 容量、速度及可使用的内存条的类型。
显卡、硬盘等设备性能的提高、芯片组中的控制接口电路 也要发生相应的变化。
芯片组一般由两块大规模集成电路组成：南桥芯片和北桥 芯片。
北桥芯片和南桥芯片
北桥芯片在主板芯片组中起主导作用，是存储控 制中心，用于高速连接CPU、内存条、显卡，并与 南桥芯片互连 。
摩尔定律其实是一个预言， 很大程度上是人类有意控制的 结果。
1.3 计算机的组成与工作原理
1.3.1 图灵机和冯·诺依曼体系结构
1. 图灵ห้องสมุดไป่ตู้ 图灵机是一种抽象计算模型，由一个控制器、一条可无
限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。
2. 冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼设计思想可以简要概括为四点： 计算机应包括运算器、存储器、控制器三个核心部件，
主要包含四个部分的程序：加电自检程序、系统 启动自举程序、CMOS设置程序、主要I/O设备的驱 动程序和中断服务程序。
BIOS的主要功能是为计算机提供最底层的、最直 接的硬件设置和控制。
① 加电自检程序
计算机接通电源后，会自动运行固化在BIOS芯 片上的程序，通常称为POST加电自检。完整的 POST包括对CPU、内存、扩展内存、ROM、主板、 CMOS芯片、串并口、显示卡、软硬盘子系统及 键盘等设备的测试。
比特的传输
在数字通信和网络技术中，信息的传输实际上就是比 特的传输。
每秒钟可传输的二进位数目就表示比特的传输速率， 传输速率的常用单位有：
比特/秒（b/s），也称“bps”（bits per second） 千比特/秒（Kb/s），1Kb/s=103b/s=1000b/s 兆比特/秒（Mb/s），1Mb/s=106b/s=1000Kb/s 吉比特/秒（Gb/s），1Gb/s=109b/s=1000Mb/s 太比特/秒（Tb/s），1Tb/s=1012b/s=1000Gb/s
输入设备和输出设备统称为I/O设备 （Input/Output）。
1.3.3 计算机的工作原理
1. 指令及指令系统 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规
定了计算机能完成的某一种操作。 一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。 通常一台计算机有许多条作用不同的指令，所有指
令的集合称为该计算机的指令系统。 根据指令系统设计架构的不同，产生了复杂指令系
存储器的层次结构
为了使整个计算机系统的存储器的性能/价格比达 到最优，计算机往往采用层状的塔式结构
4.输入输出设备
输入设备是将数据输入到计算机中的设备,常用的输 入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、麦克风等。
输出设备是将计算机处理过的中间过程和最终结果， 以人们能够识别的字符、表格、图形或图像等形式表 现出来，常见的输出设备有显示器、打印机、音响、 绘图仪等。
2.主板的重要芯片
（1）芯片组：芯片组（chipset）是主板的核 心组成部分，几乎决定了这块主板的功能。 （2）BIOS芯片：BIOS是基本输入出系统，是 一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的 程序。 （3）CMOS芯片：主板上一块可读写的RAM芯片。
（1）芯片组
芯片组是pc机各组成部分相互连接和通信的枢纽，主板上 所有的存储器控制、I/O 控制功能几乎都集成在芯片组内, 它既实现了pc机系统总线的功能又提供了各种I/O 接口及 相关的控制。
或者称大型主机，英文名mainframe。大型机使 用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大 型机一词，最初是指装在非常大的带框铁盒子里的 大型计算机系统，以用来同小一些的迷你机和微型 机有所区别。
3. 小型机
小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价 格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能64位 计算机。
统和精简指令系统两种。
指令及指令系统
计算机工作的过程就是执行程序的过程。 程序是一系列有序指令的集合，计算机执
行程序就是执行这一系列的有序指令。
2.指令的执行过程
取指令->分析指令及取操作数->执行指令->保存结果
3. 计算机基本工作原理
计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。 ① 将程序和数据通过输入设备送入存储器； ② 启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控 制器去识别，分析该指令要做什么事情； ③ 控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减 法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行 运算，再把运算结果送回存储器指定的单元； ④ 当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出 设备输出。
2. 集成电路应用领域
在计算机方面的应用
第四代计算机的基本元件
在通信中的应用
通信卫星，手机，雷达等
在医学领域的应用
IC卡医疗仪器管理系统
在生活中的应用
汽车上的微控制器、功率半导体器件、电源管理器件、 LED驱动器和CCFL驱动器、温控计等
1.2.2 摩尔定律
当价格不变时，集成 电路上可容纳的元器件的 数目，每隔约18-24个月 便会增加一倍，性能也将 提升一倍。
存储容量和单位换算
随着人类所处理的数据量越来越大以及大数据技术的发 展，比TB更大的计量单位还有PB、EB、ZB、YB、BB等。
1PB（拍字节）=1024TB 1EB（艾字节）=1024PB 1ZB（泽字节）=1024EB 1YB（尧字节）=1024ZB 1BB（Brontobyte，千亿亿亿字节）=1024YB
南桥芯片是输入/输出控制中心，主要负责I/O接 口控制及高级电源管理等。它与PCI总线插槽、 USB接口、硬盘接口、音频控制器、键盘控制器、 时钟控制器、BIOS/CMOS存储器等连接。
北桥芯片和南桥芯片
（2）BIOS芯片
BIOS即“基本输入/输出系统”，是一组固化在计 算机主板上的ROM（当前以Flash ROM为主）芯片 中的机器语言程序。
比特：
什么是比特
“二进位数字”、“二进位”或简称为“位” 信息的最小单位 只有两种取值，即0和1，且无大小之分
比特在计算机中的表示与存储
比特的取值0和1表示的是两种状态
存储容量和单位换算
比特用小写字母“b”表示 比比特更大的计量单位：B（Byte，字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB
自检中如果发现严重故障则停机，此时由于各 种初始化操作还没完成，不能给出任何提示或 信号；如果发现非严重故障则给出提示或声音 报警信号，等待用户处理 。
4. 微型机
由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计 算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输 入输出（I/O）接口电路和相应的辅助电路而构成 的裸机。
主要包括台式机、电脑一体机、笔记本电脑、 Pad、平板电脑和智能手机等。
5. 嵌入式计算机
通俗地说，嵌入式技术就是“专用”计算机技 术，它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌 入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。
1.2 微电子技术
1.2.1 集成电路
集成电路（Integrated Circuit，IC）又称微电路、 微芯片、芯片，就是把一定数量的常用电子元件， 如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连 线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的 电路。
1. 集成电路的分类
按集成度的高低可分为：
小规模集成电路（SSI）：<100； 中规模集成电路（MSI）：100~1000； 大规模集成电路（LSI）：1000~10万； 超大规模集成电路（VLSI）：10万~<100万； 特大规模集成电路（ULSI）：100万~1亿； 极大规模集成电路（GSI）：>1亿。
（吉字节、千兆字节）和TB（太字节、兆兆字节） 内存中： 1B（字节）=8b（比特）
1KB（千字节）=210B=1024B 1MB（兆字节）=220B=210KB=1024KB 1GB（吉字节、千兆字节）=230B=220KB=210MB=1024MB 1TB（太字节、兆兆字节）=240B=230KB=220MB=210GB=1024GB 外存中： 1B=8b 1KB=103B=1000B 1MB=106B=103KB=1000KB 1GB=109B=106KB=103MB=1000MB 1TB=1012B=109KB=106MB=103GB=1000GB