大学计算机基础.ppt

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1、,大学计算机基础,片头动画,第一章 计算机及信息技术概述,本章主要介绍计算机的发展史和特点、类型及应用，以及计算机的未来发展趋势；计算机系统的硬件和软件系统构成；最后介绍信息技术的基本概念。,1.1 计算机基础知识,1.1.1 计算机发展历史上的重要人物和思想,人类从远古时代就产生了计算的需要。钟表业，特别是齿轮传动装置技术的发展，诞生了最早的机械式计算机。 下面介绍几位在电子计算机诞生之前对计算机发展有过突出贡献的几位早期历史人物。,法国物理学家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成，靠发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。,当时，19岁的

2、帕斯卡为了帮助父亲计算税款，开始研究机械计算装置，最后制成了手摇驱动的齿轮进位式计算器，可完成六位数字的加减法。,1.1 计算机基础知识,德国数学家莱布尼茨：在1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机，也是由一系列齿轮组成，但它能够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。,1.1 计算机基础知识,1.1 计算机基础知识,英国数学家巴贝奇：1822年，在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器，可以保存3个5位数字，计算精度可以达到6位小数。,英国女数学家爱达 (1815-1852)：巴贝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片设计了世界上“第一件计算机程序”。她还建议分析

3、机用二进制存储。预言分析机能唱歌、绘画。,英国诗人拜伦的女儿,1.1 计算机基础知识,姚期智：2000年首位获奖图灵奖的华裔学者,七十多年来，现代计算机基本结构仍然是“冯诺依曼计算机”。,美籍匈牙利数学家 冯诺依曼 (计算机鼻祖),计算机应由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大部件组成； 应采用二进制简化机器的电路设计； 采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。,冯诺依曼： “如果不考虑巴贝奇、爱达和其他人早先提出的有关思想，计算机基本概念只能属于阿兰图灵”,1.1 计算机基础知识,1.1 计算机基础知识,1946年2月由宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC是世界上

4、第一台电子数字计算机。,Electronic Numerical Integrator And Calculator,电子数字积分计算机,重30吨，占地167m2，耗电150千瓦 18800个电子管，1500个继电器，保 存80个字节，每秒钟可做5000次加减 法或400次乘法运算。 “诞生了一个电子的大脑”,致命缺陷：没有存储程序。,1.1.2 电子计算机时代,第一代计算机 19461958年 以电子管为主要元件 代表机型：ENIAC,1.1 计算机基础知识,即：电子数字积分计算机,第四代计算机 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机,未来

5、的第五代计算机是智能计算机,1.1 计算机基础知识,第三代计算机 19641971年 以集成电路为主要元件,采用集成电路的第一台电子计算机IBM360型,电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。,巨型机P7,大型机,小型机,微型机,工作站,服务器,嵌入式计算机,按计算机规模分类,1.1 计算机基础知识,1.1.3 计算机类型,数字模拟混合计算机,1.1 计算机基础知识,计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。,运算速度快,计算精度高,存储容量大,具有逻辑判断能力,按照程序自动运行,计算机特点,1.1.4 计算机的特点及应用领域,1.1

6、 计算机基础知识,科学计算,数据处理,过程与实时控制,人工智能,计算机辅助设计与制造,计算机应用领域,远程通信与网络应用,多媒体与虚拟现实,计算机发展趋势巨型化,超级计算机：存储容量更大、运算速度更快。运算速度达每秒千亿、万亿次运算。主要应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等的高科技领域。,1.1.5 未来的计算机,1.1 计算机基础知识,计算机发展趋势微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种个人的信息机器。,计算机发展趋势网络化,通过计算机网络可共享远程资源，实现通信和合作。,1.1 计算机基础知识,计算机发展趋势智能化,智能计算机将是一种具有类似于人的思维能力，能

7、听会说，能想会做，能代替人的体力劳动以及脑力劳动的智能机器人。,Deepblue,Garry Kasparov,1996年2月10日，卡斯帕罗夫战胜“深蓝”（国际象棋） 1997年5月12日，卡斯帕罗夫负于“更深的蓝”（改进的国际象棋）,光计算机,1.1.5 未来三种新型计算机,1.1 计算机基础知识,生物计算机,量子计算机,1.2.1 计算机硬件系统,1.2 计算机系统构成,冯诺依曼计算机结构,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。,计算机系统,硬件,软件,中央处理器,运算器,控制器,存储器,内存,外存,ROM,RAM,输出设备,系统软件,应用软件,磁盘光盘 U盘,

8、软盘 硬盘,键盘、鼠标、扫描仪等显示器、打印机等,1.2 计算机系统构成,输入设备,应用软件是指用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编写的程序。应用软件可分为2类：一类是针对某个应用领域的具体问题开发的程序，第二类是一些大型专业软件公司开发的通用型应用软件。,系统软件位于计算机系统最靠近硬件的一层，其他软件一般都通过系统软件发挥作用，系统软件主要包括： (1) 操作系统。 (2) 语言处理程序。 (3) 监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序等。,1.2.2 计算机软件系统,1.2 计算机系统构成,1.3.1 信息技术概念,1.3 信息技术基础知识,信息是一种知识，是接受者

9、事先不知道不了解的知识。,数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。,4次信息革命：文字、造纸和印刷术、 电报电话广播电视、计算机与网络,信息数据,现代信息技术：计算机技术微电子技术通信技术,3.1 计算机系统的构成,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。 硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中： 中央处理器(简称CPU)=运算器（包括与之相连的寄存器）+控制器 主机=中央处理器+主存储器 软件系统是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。,3.1计算机系统的构成,3.1.

10、1 计算机的硬件系统,U盘,3.1计算机系统的构成,冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。,3.1.2 冯诺依曼型计算机的结构,冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。,3.1计算机系统的构成,3.1.3 微型计算机的诞生与发展 微型机属

11、于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是CPU，因此我们主要以CPU的发展、演变过程为线索，来介绍微机系统的发展过程，以Intel公司的CPU为主线。,3.2 微型计算机主机结构,微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.1中央处理器 CPU CPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。 CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。 CPU的主要性能指标 ： (1

12、) 主频/外频（主频=外频倍频，即CPU工作频率） (2) 数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数),如32位 (3) 地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间),如32位地址总线可以直接寻址232=4GB。 (4) 工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗） (5) 高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换） (6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）,3.2 微型计算机主机结构,1. 运算器 ALU 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是: (1) 运算逻辑部件 (2) 寄存器部件,2.

13、 控制器 控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。,3.2 微型计算机主机结构,控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存器。保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求； 时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行定时控制。以协调各部件的工作顺序； 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。这是控制器的

14、主要部分。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.2 多核CPU技术P45 CPU管线的级：每一个指令执行时所经过的步骤。最基础的CPU管线可以被分为5级： 1、取指令，2、译解指令，3、演算出操作数，4、执行指令，5、存储到高速缓存。同时如果增加一些特殊的级的话，管线将会延长为10级：1、取指令1，2、取指令2，3、译解指令1，4、译解指令2，5、演算出操作数，6、分派操作，7、确定时，8、执行指令，9、存储到高速缓存1，10、存储到高速缓存2。 无论是最基本的管线还是延长后的管线都是必须完成同样的任务：接受指令，输出运算结果。 CPU管线越长，CPU的工作速度就越快（这是从理论上推导的结论）

15、,3.2 微型计算机主机结构,3.2.2 多核CPU技术P45 从P4开始就采用增加管线长度来提升工作频率，但当CPU主频达到3GHz以上后，通过增加管线长度来提升工作频率的技术已走到尽头。由于CPU频率越高，所需要的电能就越多，所产生的热量也就越多，这会导致计算机出现各种问题。此外，单纯主频的提升也已经无法为系统整体性能提升带来好处。 为了追求更高的处理器性能，就出现了多核处理器。 双核处理器：将两个物理处理器核心整合到一个内核中，即在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，并且每个核心都使用自己独立的高速缓存。因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性

16、能上基本没有区别。 CPU已从双核向4核、8核和多核方向发展。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.3 主板,主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。,BIOS作用和计算机启动过程见P46 CMOS 见P47,3.2 微型计算机主机结构,早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。,图3.11 单总线结构图,3.2 微型计算机主机结构,486到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。,传统的南北桥芯片组： 北桥

17、：主板上离CPU最近的一块芯片，负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。 南桥：主板上另一块芯片，主要负责I/O接口以及IDE设备的控制等。,3.2 微型计算机主机结构,Pentium II采用的南北桥芯片结构主板。,3.2 微型计算机主机结构,采用中心结构的主板结构 图,键盘,鼠标,串行口,并行口,CPU 多核/单核,存储控制中心 (北桥),中心高速接口,I/O控制中心 (南桥),固件中心 BIOS ROM,PCI扩展插槽,PCI总线,硬盘和光驱接口,USB端口,音频接口,I/O芯片,PCIe显示接口,主存储器,网络接口,采用中心结构的芯片组：共3块芯片构成。 存储控

18、制中心 （北桥芯片） I/O控制中心 （南桥芯片） 固件中心：相当于传统体系结构中的BIOS ROM。 这种体系其实和南北桥架构相差不大。它主要是把PCI系统总线控制部分从北桥转到南桥。,前端总线,PCIe总线,3.2 微型计算机主机结构,采用中心结构的主板结构,PCI-E :PCI Express的简称，是用来代替PCI、AGP接口的一种新的总线和接口标准，其传输速度远远高于单独的PCI和AGP总线 。,3.2 微型计算机主机结构,内存储器 (简称内存)：是计算机记忆或暂存数据的部件。由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。P48,内存储器分类,3.2.4 内存储器 P48存储

19、器定义,存储单元地址,0000H 0001H 0002H FFFFH,存储体结构图示意,存储位,存储单元 （字节）,存储体 512 MB 2 GB,存储单元特点： 地址与存储单元是一一对应的 一个数据存放在一个或多个字节中 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据 往存储单元放新数据时原数据将被覆盖,3.2 微型计算机主机结构,1. 只读存储器ROM P49 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 ROM分类 (1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasabl

20、e PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM),一般用紫外线照射来擦除,3.2 微型计算机主机结构,2. 随机可读写存储器RAM （P49-50） 特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。 RAM 分类: (1) SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。 (2) DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器 DDR-双倍速率内存 (DDR2-

21、四倍速率内存DDR3),3.2 微型计算机主机结构,3.2 微型计算机主机结构,3. Cache(高速缓存 )P56 Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。,3.2 微型计算机主机结构,缓存的工作原理是：当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，如果找到了，就立即读取并送给CPU；如果没找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取

22、都从缓存中进行，不必再读取内存。正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高。一般说来，CPU对高速缓存器命中率可在90以上，甚至高达99。 有了高速缓存，大大节省了CPU直接读取内存的时间，也就缩短了CPU的等待时间。一般说来，256K的高速缓存能使整机速度平均提高10%左右。,3.2 微型计算机主机结构,4.多级缓存 最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时，出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部缓存称为二级缓存。 现在多数CPU内部也有二级缓存，于是二级缓

23、存又可分为内部二级缓存和外部二级缓存。较高端的CPU中还会带有三级缓存 。,5. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。,3.2 微型计算机主机结构,辅存：,内存是程序运行的主要载体。CPU所要执行的存放在外存上的程序先必须调入到内存中，才能被CPU执行。 内存存取速度比外存快，但相对CPU来说，是比较慢速的设备，而且相对外存来说内存的价格较贵，所以容量不可能配置的非常大。 外存响应速度相对较慢，但容量可以做得很大，外存价格比较便宜，并且可以长期保存大量程序或数据，是计算机中必不可少的重

24、要设备。,3.2 微型计算机主机结构,3.2 微型计算机主机结构,3.2.5 总线（BUS）,总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、传输数据和传输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。,总线按所传输信号不同可分为：P52 数据总线DB 地址总线AB 控制总线CB。, 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。, 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。, 控制总线。有的是CPU向内存或外

25、部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。,3.2 微型计算机主机结构,图3.17 微机各级总线的简易关系,总线按处于计算机硬件系统中的位置来分：P52, 内部总线(又称片内总线)。是指CPU芯片内部的总线。用于运算器、寄存器和控制器之间和信息传输,局部总线(又称片间总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级互连。如：CPU与内存、芯片组、系统缓存互联的前端总线,系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。通常系统总线的接口都做成多个插槽的形式连接网卡、声卡等插件

26、板, 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。如：USB总线、串行总线、并行总线等,3.2 微型计算机主机结构,微机系统三层总线示意简图,北桥,CPU,内存,Cache,局部总线（片间）,南桥,PCI接口（网卡、声卡等）,键盘、鼠标、接口,USB,外部（通讯）总线,前端总线,AGP总线,存储器总线,AGP显卡,PCI-E显卡,系统总线（I/O）,内部总线（片内）,3.2 微型计算机主机结构, ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。,系统总线标准 P52,系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、AGP总线、

27、PCI Express四个阶段。, PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。, AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。, PCI Express总线。是新一代的总线接口。（简写为PCI-E）,3.2 微型计算机主机结构,常见的I/O总线： USB总线(P55) 属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备，支持热拔插，支持即插即用，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB1.1、USB2.0和USB3.0。 IEEE1394总线 属高速串行接口总线，主要用于连接DV等数码设备或打印机、扫描仪等外设。,外部总线标准,3.2 微型计算机主机

28、结构,I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。,3.2.6 接口,3.2 微型计算机主机结构,根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。,(1) 内置I/O接口 将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串口、并口及软硬盘接口等。,(2) 外置I/O接口 将I/O接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如PCI、PCI Express插槽等) 。,3.3 外部存储器,外部存储器通常用来存放需

29、要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时，必须将其先调入到内存中然后再被CPU处理， 所以外存实际上属于输入输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U盘等。,3.3 外部存储器,3.3.1 软盘 P58-59,79,079磁道，每磁道9扇区，每扇区512B 80 9512B=40 9 1024B=360KB 所以5.25盘的容量为360KB。同理可求得 3.25盘的容量为2面 80 18 512B=1.44MB,3.3 外部存储器,3.3.2 硬盘 硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。,(1) 硬盘

30、存储格式 硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块“簇”，簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区，有的有好几个扇区，可以在格式化的参数中给定。,最外面的为0柱面,3.3 外部存储器,(2) 硬盘性能指标 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在200GB以上。 硬盘的转速。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。 缓存。硬盘自带的缓存，缓存越多，越能提高硬盘的访问速度。,(3) 硬盘接口 硬盘接口分为IDE、SAT

31、A、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，SATA是种新生的硬盘接口类型。,(4) 硬盘格式化 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区（C、D盘） 。 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。,3.3.3 光盘存储器,光盘的分类: 1只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD等都属于只读光盘。,2一次写入光盘 这种光盘允许一次写入数据，但不能修改

32、和擦除数据， 如 CD-R。,3可擦写光盘 这种光盘可多次写入或修改数据，如CD-RW。,3.3 外部存储器,光盘简称CD(Compact Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射来记录和识别二进制的0、1信息。,从光盘中读取数据的设备我们称之为光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。,光驱倍数是指光盘的数据传输率（150KB/s为单倍速，以此类推，16X的是2400KB/s）。CD-ROM光盘驱动器能读除DVD以外的所有光盘。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读，DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光盘。,

33、3.3 外部存储器,DVD光盘 (P64) DVD盘片的物理规格与CD盘片是一样的，CD盘只使用一个面记录一层的信息，而DVD盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层 4 种结构。,3.3 外部存储器,DVD按用途可分为以下几类：,应用最广的是DVD-Video 格式，用于存储影音信息。此外还有DVD-ROM(只读DVD)、 DVD-Audio(音频DVD)、 DVDR(可写DVD，Recordable)、 DVD-RAM或DVDRW (可擦写DVD)。P65 另外，还有蓝光高清DVD光盘（高容量、高清）。,光盘刻录机 是指可读写的光盘驱动器。包括CD和DVD两种刻录机。,3.3 外部

34、存储器, CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能，也能够刻录CD光盘。其传输速率一般标注为 A/B/C 的形式（如 20/10/40），其中A表示写CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘的倍速。 DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够刻录DVD光盘和CD光盘。,3.3.4 U盘,通过USB接口与电脑连接，实现即插即用(称热拔插)，具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘中无任何机械式装置，抗震性能强。U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。 移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。,3.3 外部存储器,3.常用的外部设备,3.4.1 输入设备P73-77 (1) 键

35、盘 (2) 鼠标 (3) 扫描仪 3.4.2 输出设备 (1) 显示器 (2) 打印机 ,3.常用的外部设备,(1) 显示器 CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像素有红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。,液晶显示器LCD的优点在于： 图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感； 液晶底板整体发光，真正的完全平面； LCD显示器基本上没有辐射； 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。,3.常用的外部设备,(2) 打印机 常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 针式打印机特点。利用钢针击打色带把

36、色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，耗材相对较便宜。 喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点，将碳粉固着在纸上，加热后碳粉固定在纸上，最后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较高。 对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。,3.常用的外部设备,打印机性能参数：P71 1、打印分辨率DPI（纵横方向每英寸打印的点数 2、打印速度（

37、张/分） 3、打印缓冲,3.常用的外部设备,激光打印机工作原理简介 硒鼓是一个表面带正电荷的圆筒状物体。当表面被激光照射时，照射点位置的正电荷减弱或消失，而未消失部分吸附带负电荷的碳粉，形成潜影。送纸机构将打印纸送入，在这个过程中打印纸会带上很强的正电荷。打印纸与感光鼓墨粉影像区域接触后，墨粉会在更强的静电作用力下转移到纸张上面，形成打印影像。加热纸张，墨粉被熔化固定在纸上，完成一个扫描行的打印。感光鼓不断转动、墨粉连续被吸附、纸张持续被送入，最终完成整幅图像的打印工作。,3.常用的外部设备,3.4.3 其他外部设备 (1) 多媒体设备（第七章）P78 (2) 调制解调器,3.5 计算机指令及

38、执行,3.5.1 计算机指令系统 指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。 指令构成：操作码+操作数（通常指操作数的地址码），也可写成： 操作码+地址码 指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。它反映了计算机的处理能力。,3.5 计算机指令及执行,数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令,If Goto, And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址,3.5 计算机指令及执行,3.5.2 指令的执行过程,3.5 计算机指令及执行,

39、可分为以下四个步骤： 开始执行程序时，先给程序计数器PC赋以第一条指令的首地址0100H。 取指令 按照计数器中的地址从内存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后计数器PC自动加1指向下一指令地址。,分析指令 对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析，由译码器对操作码 (07H)进行译码，由地址码(0270H)确定操作数地址。 执行指令 取出操作数，去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令，取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器。 一条指令执行完成，再回到取指令阶段开始下一指令的执行。,3.5 计算机指令及执行,3.5.3 计算机硬件系统的性能

40、指标 (1) CPU的主频。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。 (2) 字长。字长越长，计算机一次所能处理信息的位数就越多，表现为计算机的运算速度越快。 (3) 运算速度。它是一项综合性的性能指标。是指计算机每秒钟执行的指令数，单位是MIPS，即每秒百万条指令。 (4) 内存容量。内存容量越大，一次读入的程序、数据就越多，计算机的运行速度也就越快。 (5) 内存存取速度。内存连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。存取周期的单位为纳秒ns（1ns=10-9s） (6) I/O速度。I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。目前

41、系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。,近年来，微电子技术及大规模集成电路取得了长足的进步，以半导体芯片组成的存储器，其容量由过去的几百、几千字节扩大到几十兆字节，甚至更大容量的存储器已经问世。 随着计算机应用领域的拓宽，目前不少企事业部门要求应用计算机来实现管理现代化，建立综合的管理信息系统，其要求存储的数据量愈来愈大；另外软件资源也愈来愈丰富，系统软件和应用软件在种类、功能及其所需存储空间等都在急剧增加。 存储器作为计算机系统的重要组成部分，虽然其容量一直在不断的扩大，价格已相当便宜，但主存容量仍然是计算机硬件资源中最关键而又最紧张的“瓶颈”资源，仍然满足不了现代化软件发展的需要。,

42、4.0 准备知识,因此，存储器仍然是计算机系统中宝贵且紧俏的资源。它们如何合理而有效地使用它，在很大程度上反映了 OS 的性能，并直接影响到整个计算机系统性能的发挥。所以，存储器管理仍是目前人们研究 OS 的中心问题之一，对主存的管理和有效使用仍然是今天OS 十分重要的内容。许多OS之间最明显的区别特征之一往往是所使用的存储管理方法不同。 如OS/360-MFT采用固定分区存储管理技术，OS/360-MTV是采用可变分区存储管理技术，OS/2，WindowsNT, 是采用虚拟存储管理技术。 由于对外存的管理与对内存的管理有许多相似之处，只是两者用途不同，加之外存主要用来存储文件，故对外存的管理

43、放在文件管理一章中介绍，存储器管理讨论的对象是内存。,本章主要介绍各种实存储分配和管理方案，虚拟存储器的概念及实现不同虚拟存储器的技术的讨论。 操作系统之所以有那么多种类，甚至一种型号的计算机配置若干种操作系统，其主要原因之一是为了适应各种用途而采用了不同的存储器管理策略。 在介绍各种存储器管理技术方案之前，首先指出存储器管理的主要目的及其应提供的主要功能，并说明在存储器管理中几个十分重要的概念。例如：存储器的层次、存储分配、地址重定位等概念。,高速缓存Cache：K字节、高速、昂贵、易变的 内存RAM： M字节、中速、中等价格、易变的 磁盘：G或T字节、低速、价廉、不易变的,为能更多的存放并

44、更快地处理用户信息，目前许多计算机把存储器分为三级。,4.0.1 存储器的层次结构,图中的三级存储器，从高速缓冲存储器(简称缓存)到外部存储器(以后简称外存)，其容量愈来愈大，而访问数据的速度则愈来愈慢，价格也愈来愈便宜。如现在的缓存的最大传输速度为几十分之一至几百分之一ns，主存的传输速度几ns级。 用户的程序在运行时应存放在主存中，以便处理机访问。其中直接存取要求内存速度尽量快到与CPU取指速度相匹配，大到能装下当前运行的程序与数据，否则CPU执行速度就会受到内存速度和容量的影响而得不到充分发挥。 但是由于主存容量和速度有限。所以把那些不马上使用的程序、数据放在外部存储器(又称辅存)中。当

45、用到时再把它们读入主存。 由操作系统协调这些存储器的使用,4.0.1 存储器的层次结构,为了便于对主存储器进行有效的管理，我们把存储器分成若干个区域。即使在最简单的单用户系统中，至少也要把它分成两个区域：在一个存储区域内存放系统软件，如操作系统本身；而另一个存储区域则用于安置用户作业。显然，在多用户系统中，为了提高系统的利用率，需要将存储器划分成更多的区域，以便同时存放多个用户作业。这就引起了存储器分配问题及随之产生的其它问题。,4.0.2 存储器管理的目的和功能,存储器管理的主要目的和功能如下： 1.主存储器的分配和管理：按用户要求把适当的存储空间分配给相应的作业。一个有效的存储分配机制，应

46、在用户请求时能作出快速的响应，分配相应的存储空间；在用户不再使用它时，应立即回收，以供其他用户使用。为此，这个存储分配机制应具有如下功能（3个）： (1)记住每个存储区域的状态：哪些是已分配的，哪些是可以用作分配的。 (2)实施分配：在系统程序或用户提出申请时，按所需的量给予分配；修改相应的分配记录表。 (3)接受系统或用户释放的存储区域：并相应地修改分配记录表。,4.0.2 存储器管理的目的和功能,2.提高主存储器的利用率：使多道程序能动态地共享主存，最好能共享主存中的信息。 3.“扩充”主存容量：这是借助于提供虚拟存储器或其它自动覆盖技术来达到的。即为用户提供比主存的存储空间还大的地址空间

47、，之后，用户可以想象把他的程序或数据装入到这样的地址空间内。 4.存储保护：确保各道用户作业都在所分配的存储区内操作，互不干扰。即要防止一道作业由于发生错误而损害其它作业，特别需要防止破坏其中的系统程序。这个问题不能用特权指令来加以解决。而必须由硬件提供保护功能，并由软件配合实现。,4.0.2 存储器管理的目的和功能,所谓存储分配，主要是讨论和解决多道作业之间共享主存的存储空间问题。前面已讲到现代计算机系统都采用多级存储体系结构。因此，存储分配所要解决的问题是：要确定什么时候，以什么方式，或是把一个作业的全部信息还是把作业运行时首先需要的信息分配到主存中，并使这些问题对用户来说尽可能是“透明”

48、的。 解决存储分配问题有三种方式： 1.直接指定方式：程序员在编程序时，或编译程序(汇编程序)对源程序进行编译(汇编)时，所用的是实际存储地址。 例如，在多道程序环境下，应保证各作业所用的地址互不重叠。,4.0.3 存储分配的三种方式,显然，采用直接指定方式分配的前提是：存储器的可用容量(空间)已经给定或可以指定，这对单用户计算机系统是不成问题的。 在多道程序发展的初期，通常把存储空间划分成若干个固定的不同大小分区，并对不同的作业指定相应的分区。因此，对算题人员或对编译程序而言，存储器的可用空间是可知的。 这种分配方式的实质是：由算题人员在编程序时，或由编译程序编译源程序时，对一个作业的所有信

49、息确定了在主存存储空间中的位置。因此，这种直接指定方式的存储分配方案，不仅用户感到不便，而且存储空间的利用也不那么有效。（缺点）,4.0.3 存储分配的三种方式,2.静态分配(Static Allocation) 采用这种静态存储分配方案，用户在编程时，或由编译程序产生的目的程序，均可从其地址空间的零地址开始；它们是当装配程序对其进行连接装入时才确定它们在主存中的相应位置，从而生成可执行程序。也就是说，存储分配是在装入时实现的。 这种静态存储分配方式的特点是： (1)在一个作业装入时必须分配其要求的全部存储量； (2)如果没有足够的存储空间，就不能装入该作业； (3)一旦一个作业进入内存后，在其退出系统之前，它一直占用着分配给它的全部存储空间