第二章計算機基礎

第2章信息處理機器：計算機系統(tǒng)主要內(nèi)容：§2.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史§2.2微型計算機硬件系統(tǒng)§2.3外部存儲設備§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)本章小結(jié)思考與練習§2.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史一、思考題１.計算機發(fā)明的歷史進程中發(fā)生了哪些重大事件，從中我們能得到哪些啟示？２.計算機的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？其劃分的依據(jù)是什么？現(xiàn)在普遍使用的臺式計算機、筆記本及平板電腦等屬于第幾代計算機？3.請簡述馮·諾依曼所提出的現(xiàn)代存儲程序式計算機的基本結(jié)構和工作原理。4.微型計算機硬件系統(tǒng)包括哪幾個主要部分？5.CPU由哪幾部分組成，各部分的主要功能是什么？6.什么是多核心處理器？它是如何提高計算機處理器性能的？7.簡述計算機各總線的作用。8.為什么RAM中的數(shù)據(jù)具有易失性？９.非易失性存儲器是一個新概念，它與靜態(tài)隨機存儲器、動態(tài)存儲器有何區(qū)別？10.磁介質(zhì)為何能存儲信息？11.計算機主存儲器與硬盤相比，在存儲方面有什么特點？12.什么是RAID？RAIDLevel分為幾級？思考與練習13.為什么要對存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行校驗？14.光存儲介質(zhì)存儲信息的原理是什么？15.從光盤的存儲原理和結(jié)構上分析，為何DVD比CD的存儲容量要大得多？16.計算機有哪些常用的輸入和輸出設備？17.電容式觸摸屏的工作原理是什么？18.計算機與外部設備的接口及標準有哪些？它們的主要功能是什么？19.串行傳輸與并行傳輸?shù)母髯蕴攸c是什么？二、計算題1.某計算機地址總線寬度為32位，這臺計算機能夠?qū)ぶ返膬?nèi)存單元是多少?2.某存儲芯片的地址線為24條，則該內(nèi)存條的容量是多少？3.某存儲器容量為10M，試計算能夠存儲多少中文字符（每個中文字符占2個字節(jié)）？4.內(nèi)存按字節(jié)編址，地址從A4000H到CBFFFH，共有多少個字節(jié)？若用存儲容量為32k的存儲器芯片構成內(nèi)存，至少需要多少片？思考與練習5.在主存儲器中，如果一個數(shù)據(jù)塊儲存在從地址BC到C2（包括C2）存儲單元里，這一數(shù)據(jù)塊占多少存儲器單元？試列出它們的地址。6.某RAM芯片有22條地址線、8條數(shù)據(jù)線，則該RAM芯片容量是多少？7.試采用奇校驗法給下列字節(jié)添加校驗位。8.設A、B兩個字節(jié)中的數(shù)據(jù)為：A=01111001、B=11100111，試計算A、B的值。9假設數(shù)據(jù)A1=00100101、A2=01000111、A3=0000000，分別存儲在不同的RAID磁盤中，奇偶校驗Ap由A1、A2、A3異或運算得到，試計算Ap的值。如果A2數(shù)據(jù)塊出錯，如何通過計算重建原來的數(shù)據(jù)？思考與練習三、練習與實踐１.指出你所使用的計算機配置了哪些外部設備？它們的性能如何？如何操作與使用？２.觀察一臺微型計算機的外部接口，分別指出串行口、并行口、網(wǎng)卡接口、顯示器接口和USB接口的位置。３.打開一臺微機的機箱，分別指出CPU、主存儲器、主板、硬盤、光驅(qū)等部件的位置。思考與練習2.1.1現(xiàn)代計算機的“史前”時代（—1946）中國古代普遍采用的一種計算工具——“算籌”。更為先進的計算工具是兩千年前中華民族發(fā)明的算盤，這是人類借助于工具進行數(shù)字計算的開端?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-1中國古老的計算工具：算籌（左）與算盤（右）19世紀和20世紀前半葉，是計算機發(fā)展史上不尋常的時代。如果按時間序列劃分，在近代對計算機的發(fā)展史做出貢獻的重要的人物和事件有：1.1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)發(fā)明了一個用齒輪運作的加法器。2.1674年，德國數(shù)學家萊布尼茨改進了帕斯卡的計算機，使之成為一種能夠進行連續(xù)運算的機器，并且提出了“二進制”數(shù)的概念。3.1812年，為現(xiàn)代計算機的發(fā)明做出過重要貢獻的英國數(shù)學家查爾斯·巴貝奇(CharlesBabbage，1792—1871)開始考慮設計機械操縱的計算機?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史4.1847年，英國科學家喬治·布爾(George·Boole)創(chuàng)立了邏輯代數(shù)，亦稱布爾代數(shù)。5.1925年左右，美國馬薩諸塞理工學院制成了一臺大型的模擬計算機，他們用齒輪的旋轉(zhuǎn)角度來表示所要計算的量。6.1936年，英國科學家圖靈(A1anM.Turing)，提出了可計算計算機的概念，后來人們稱他描述的計算機為“圖靈機”。7.1943年1月，霍華德·艾肯（HowardH.Aiken）在哈佛大學研制成功名為“ASCCMarkI”的世界上第一臺通用計算機。8.1943年，美國賓夕法尼亞大學的工程師普雷斯珀·?？颂?J.PrespcrEckert）博士和物理學家約翰·莫克利(JohnMauchly)博士開始著手研制“埃尼阿克”?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史2.1.2馮·諾依曼型計算機的基本結(jié)構馮·諾依曼提出計算機工作原理可概括為：“存儲程序，順序控制”。其基本思想是：(1)計算機可以使用二進制；(2)計算機的指令和數(shù)據(jù)都可以存儲在機內(nèi)。馮·諾依曼提出的“存儲程序原理”，導致現(xiàn)代意義的計算機的誕生。主要由5部分組成：存儲器、運算器、控制器、輸入設備、輸出設備?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史2.1.3第一臺現(xiàn)代電子數(shù)字計算機的誕生1946年2月5日，是人類文明歷史上的重要轉(zhuǎn)折點。世界上第一臺真正的現(xiàn)代電子數(shù)字計算機“ENIAC”研制成功了（圖2-4）?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-4工作人員在ENIAC計算機上編程（1946）ENIAC的計算速度比以前的計算工具有了顯著的提高，每秒鐘可作5000次加法或400次乘法。2.1.4現(xiàn)代計算機發(fā)展的四個階段1.采用電子管計算機的第一代計算機（1946—1957）在20世紀50年代左右，第一代計算機都采用電子管(或稱為真空管)元件（圖2-5）。第一代計算機不具有現(xiàn)在所熟悉的操作系統(tǒng)。每個應用程序的操作指令是為特定任務而編制的，要包含輸入、輸出和處理各個方面所必須的各種指令。另外，每種機器有各自不同的機器語言，功能受到限制，速度也慢。2.采用晶體管的第二代電子計算機（大約1958—1965）§2.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史導電性能介乎于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，就叫半導體，這類物質(zhì)最常見的便是由硅（Silicon）（或鍺）材料制成(圖2-6、圖2-7)?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-51904年，世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生圖2-6電子芯片、晶體管和LED都是由半導體材料制成圖2-7硅和鍺

在元素周期表

中的表示2.采用晶體管的第二代電子計算機（1958—1964）在這一時期出現(xiàn)了更高級的COBOL和FORTRAN等語言，以單詞、語句和數(shù)學公式代替了晦澀難懂的二進制機器碼，使計算機編程更容易。§2.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-8IBM公司于1959年生產(chǎn)的IBM7090型是采用晶體管的第二代電子計算機3.采用集成電路的第三代計算機（1965—1970）1964年4月IBM360系統(tǒng)問世，使它成為使用集成電路的第三代電子計算機的里程碑式的產(chǎn)品（圖2-10）?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-10用于美國航空和航天局(NASA)的IBM360計算機（1964）4.使用超大規(guī)模集成電路的第四代計算機（1970年至今）目前超大規(guī)模集成電路(VLSI)可在硬幣大小的芯片上容納上千萬個乃至更多的元器件，如此高的集成度使得計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷得到增強。在20世紀80年代發(fā)生的特別重要事件是個人計算機（PC）的問世與普及?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史圖2-11世界上第一臺個人計算機IBMPC(1981)圖2-12Apple公司生產(chǎn)的iMac計算機2.1.5超級計算機超級計算機（Supercomputer）又稱高性能計算機，是指計算能力（尤其是計算速度）為世界頂尖的電子計算機。超級計算機的創(chuàng)新設計在于把復雜的工作細分為可以同時處理的工作并分配于不同的處理器。超級計算機通常由數(shù)千個甚至更多的處理器（機）組成，能計算普通PC機和服務器不能完成的大型復雜任務?！?.1從歷史走向未來——計算機的發(fā)展史§2.2微型計算機系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)（微型機）是一種能自動、高速、精確地處理信息的現(xiàn)代化電子設備。微型機具有算術運算和邏輯判斷能力，并能通過預先編好的程序來自動完成數(shù)據(jù)的加工處理。微型機具有體積小、重量輕、維護簡單方便、價格低廉、軟件豐富和操作簡便等優(yōu)點。微型機根據(jù)工藝結(jié)構、外觀形式和應用目的，可分為臺式機和便攜式兩類?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)2.2.1微型計算機系統(tǒng)的基本組成微型計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，如圖2-13所示。硬件系統(tǒng)是指所有構成計算機的物理實體，包括計算機系統(tǒng)中一切電子、機械、光電等設備。一般而言，微型計算機硬件系統(tǒng)由主機（包括中央處理器——CPU、主存儲器）和外部設備子系統(tǒng)組成?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)則是指管理計算機軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)資源，控制計算機運行的程序、命令、指令、數(shù)據(jù)等?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)2.2.2CPU——給你一顆奔騰的“芯”CPU（centralprocessingunit:中央處理單元)是微型計算機的最重要的一個子系統(tǒng)，在微型計算機中又常稱為微處理器(Microprocessor)或處理器(Processor)。CPU作為計算機系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構可以分為控制器、運算器和寄存器三個部分，如圖2-14所示。人們常常用二進制位的位數(shù)(bit)來表示CPU的字長。從信息傳送的角度來看，CPU為了進行數(shù)據(jù)傳遞和通信，設置了內(nèi)部總線，用于各部件之間以及外部的各系統(tǒng)之間建立信號聯(lián)系，以傳遞數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)§2.2微型計算機硬件系統(tǒng)圖2-14CPU主要由控制器、

運算器和寄存器組成圖2-15計算機的總線結(jié)構數(shù)據(jù)總線用來傳送數(shù)據(jù)信息，是雙向的。未來的微處理器性能的提高主要來自于芯片上處理器核數(shù)量的增加，而不僅是依賴于單處理器速度的提高。因為處理器的實際性能是處理器在每個時鐘周期內(nèi)所能處理指令數(shù)的總量，因此增加一個內(nèi)核，處理器每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)圖2-16多核處理器的結(jié)構2.2.3主存儲器1.基本概念主存儲器(mainmemory)是計算機內(nèi)部的主要存儲器，所以又簡稱為主存或內(nèi)存，用于存放CPU正在處理、即將處理或處理完畢的數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問的存儲器，如圖2-19所示。在計算機主存儲器中存放二進制位的電路稱為存儲單元(cell)，是可管理的最小存儲單位。一個典型的存儲單元的容量是8位(8bit)，即一個字節(jié)(by-

te)?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)當數(shù)據(jù)塊、指令、程序和計算結(jié)果被存放到內(nèi)存時，它們會被存放到一個或多個連續(xù)的地址中，這取決于數(shù)據(jù)的大小?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)圖2-19CPU可直接訪問主存儲器圖2-20系統(tǒng)目錄表提供了內(nèi)存中每個

程序和數(shù)據(jù)塊的第一個數(shù)據(jù)的起始

地址和所占用的地址數(shù)目2.存儲器容量的標識計算機主存儲器中存儲單元的總數(shù)是2的方冪，主要原因是方便設計。存儲容量的大小通常以210（1024）個存儲單元為度量單位。常用的存儲容量標識單位如表2-1所示?！?.2微型計算機硬件系統(tǒng)3.主存儲器的分類主存儲器從存取功能上可分為只讀存儲器(ROM，即ReadOnlyMemory)和隨機存儲器(RAM，即RandomAccessMemory)兩大類。只讀存儲器（ROM）中的內(nèi)容在任何時候都可以讀取，但是不可擦寫和更改，數(shù)據(jù)和程序?qū)挥谰玫乇４嬖谄渲?，即使是關閉計算機，ROM的數(shù)據(jù)也不會丟失，也就是說，它是非易失性的。隨機存儲器（RAM）是可讀寫存儲器，即可對其中的任一存儲單元進行讀或?qū)懖僮?，計算機關閉電源后其內(nèi)的信息將不再保存，再次開機需要重新裝入，也就是說，RAM中的數(shù)據(jù)是易失性的。§2.2微型計算機硬件系統(tǒng)§2.3外部存儲設備2.3.1外部存儲系統(tǒng)的基本概念1.存儲系統(tǒng)的組成所有的存儲系統(tǒng)都包括兩個物理部分：一個是存儲設備，另一個是存儲介質(zhì)。2.固定存儲系統(tǒng)與移動存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)可以分為固定存儲系統(tǒng)與移動存儲系統(tǒng)，在固定存儲系統(tǒng)中，存儲設備通常安裝或配置在計算機系統(tǒng)內(nèi)部，相關的存儲介質(zhì)在計算機讀/寫之間必須插入存儲設備中，例如硬盤驅(qū)動器與光盤驅(qū)動器。外部存儲系統(tǒng)一般是獨立的、可移動的，通過專用接口與計算機相連，典型的設備如U盤、光盤等。§2.3外部存儲設備3.易失性與非易失性存儲器易失存儲器就是指那些斷電后數(shù)據(jù)就會失去的存儲器，例如RAM。相對于非易失存儲器，非易失存儲器就是指那些斷電后數(shù)據(jù)仍然能保留的存儲器。2.3.2磁存儲系統(tǒng)1.硬盤存儲系統(tǒng)硬盤存儲系統(tǒng)是一種采用磁介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲設備，數(shù)據(jù)存儲在密封于潔凈的硬盤驅(qū)動器內(nèi)腔的若干個磁盤片上（圖2-22）?！?.3外部存儲設備§2.3外部存儲設備2.磁盤冗余陣列RAID獨立磁盤冗余陣列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks）簡稱磁盤陣列，簡單的說，RAID是一種把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按不同的方式組合起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和數(shù)據(jù)備份技術。磁盤陣列中針對不同的應用使用的不同技術，稱為RAIDLevel，而每一level代表一種技術，目前業(yè)界公認的標準是RAID0~RAID5。RAID系統(tǒng)常被用在服務器電腦上，并且常使用完全相同的硬盤作為組合?！?.3外部存儲設備§2.3外部存儲設備§2.3外部存儲設備2.3.3光盤存儲系統(tǒng)對光存儲介質(zhì)最基本的要求，就是存儲單元的某種性質(zhì)可以用某種方法改變以代表被存儲的數(shù)據(jù)，同時這種性質(zhì)可用光的方法檢測出來。光盤存儲介質(zhì)具有存儲容量大、保存時間長等優(yōu)點。藍光光盤（Blu-rayDisc，簡稱BD）是DVD之后的下一代光盤格式之一，用以儲存高品質(zhì)的影音以及高容量的資料儲存?！?.3外部存儲設備2.3.4非易失性存儲器非易失性存儲器中，依內(nèi)存內(nèi)的資料是否能在使用電腦時隨時改寫為標準，可分為兩大類產(chǎn)品，即ROM和Flashmemory。CD光盤的表面的存儲位（凹痕）DVD光盤的表面的存儲位（凹痕）圖2-26光盤表面上的物理凹痕用來存儲和表示0和1信號§2.3外部存儲設備2.3.5存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗方法1.“奇偶校驗”法這種方法是在每一字節(jié)中加上一個奇偶校驗位，用來指示之前的數(shù)據(jù)中包含奇數(shù)個1還是偶數(shù)個1的檢驗方式，即每個字節(jié)發(fā)送９位數(shù)據(jù)。奇校驗時，校驗位按如下規(guī)則設定：假如每字節(jié)的數(shù)據(jù)位中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則校驗位為“0”，若為偶數(shù)，則校驗位為“1”，即使得包括校驗位“1”的總數(shù)為奇數(shù)，其計算過程如表22所示。而偶校驗是在每個字節(jié)后增加一個附加位，使得“1”的總數(shù)為偶數(shù)。2.奇偶校驗在RAID中的應用一些冗余磁盤陣列（RAID）使用奇偶校驗塊實現(xiàn)冗余。如果陣列中的一塊磁盤出現(xiàn)故障，工作磁盤中的數(shù)據(jù)塊與奇偶校驗塊一起來重建丟失的數(shù)據(jù)。如圖2-27所示。§2.3外部存儲設備§2.3外部存儲設備如果第2塊磁盤出現(xiàn)故障，A2將不能被訪問，但是可以通過A1、A3與Ap數(shù)據(jù)的異或進行重建，其過程如表2-3所示：§2.3外部存儲設備§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)2.4.1計算機輸入設備輸入設備可以將外部信息（如文字、數(shù)字、聲音、圖像、程序、指令等）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)輸入計算機中，以便加工、處理。1.鍵盤通過鍵盤可以將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，輸入計算機中。2.鼠標3.掃描儀掃描儀是繼鍵盤和鼠標之后的又一個重要的計算機輸入設備。§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)三維掃描儀(3Dscanner)是一種用來偵測并分析現(xiàn)實世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）的新型輸入設備。4.觸摸屏觸摸屏是一種附加在顯示器上的輔助輸入設備。5.手寫輸入設備手寫輸入系統(tǒng)由書寫板和輸入筆組成，系統(tǒng)先讀取書寫板上的筆跡信息，分析筆畫特征，在識別字庫中找到這個字，再把識別的漢字顯示在編輯區(qū)中。6.圖像與視頻輸入設備§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)2.4.2計算機輸出設備1.顯示器2.打印機打印機是將計算機處理結(jié)果輸出為可見的字符和圖像。按打印方式分，主要有針式打印機、噴墨打印機、激光打印機等。按用途分，有通用打印機、網(wǎng)絡打印機和專用打印機。按色彩分，有單色打印機和彩色打印機。按打印維度分，有二維平面打印機和三維物體打印機?！?.4輸入/輸出子系統(tǒng)3.繪圖儀繪圖儀也是比較常用的一種圖形輸出設備，它可以在紙上或其他材料上畫出圖形。繪圖儀在繪圖時接受主機發(fā)來的命令，這些命令放在一個存儲器中，由控制器根據(jù)命令發(fā)出水平方向、垂直方向、抬筆或者落筆等動作命令。2.4.3外部設備接口微型計算機的CPU為了和外部設備進行信息交換，必須和種類千差萬別的外圍設備達到速度匹配。接口是設備與計算機或其他設備連接的端口，是一組電氣連接和信號交換標準?！?.4輸入/輸出子系統(tǒng)接口主要用來傳送電氣信號，在信號中，有一部分是數(shù)據(jù)信號，其余是控制信號或狀態(tài)信號，它們都是為傳輸數(shù)據(jù)服務的。數(shù)據(jù)的傳輸方式基本分為兩種，一種是用一條線（或一對線）用來傳送數(shù)據(jù)，這種叫串行傳輸接口。在計算機行業(yè)中最早出現(xiàn)的串行接口標準是RS232標準，這個標準直到現(xiàn)在還在計算機上使用，如COM1，COM2接口。如果用幾條線來同時傳輸數(shù)據(jù)，這就叫作并行接口（ParallelPort）(圖2-33)。§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)USB(UniversalSerialBus)是一種通用串行總線接口，USB2.0接口標準被稱為高速USB，其理論傳輸速度為480Mbps。§2.4輸入/輸出子系統(tǒng)計算機是信息處理的主要工具。從世界上第一臺電子計算機問世至今，計算機技術得到了飛速的發(fā)展，計算機成為人類走向信息時代的最銳利的武器。本章力圖能夠反映出這些變化和進展。計算機是今天社會生活中的一個標志性的科學工具。它的發(fā)展歷史也是半個多世紀人類科學技術進步的一個具有典型意義的縮影。在認識計算機發(fā)展過程中也能夠認識到計算機的組成及其原理。把計算機的程序存放在主存儲器里的思想稱為存儲程序概念，它已經(jīng)成為今天所使用的標準方法。如果今天人們?nèi)圆恢肋@個概念的話，那么計算機科學的發(fā)展可能還在原地踏步。盡管幾十年來，從計算機原理的角度看，計算機并沒有特別大的變化，但實現(xiàn)這個原理的技術卻飛速發(fā)展。本章小結(jié)通常所說的計算機，實際上是指一個計算機系統(tǒng)。所謂計算機系統(tǒng)是指由計算機硬件和計算機軟件構成的一個完整的系統(tǒng)。硬件和軟件是相輔相成的，缺一不可，它們共同構成計算機系統(tǒng)。計算機硬件系統(tǒng)是主機、存儲器、輸入、輸出等物理設備的集成，這些設備完成輸入、處理、存儲和輸出數(shù)據(jù)和信息的功能。本章小結(jié)一、思考題１.計算機發(fā)明的歷史進程中發(fā)生了哪些重大事件，從中我們能得到哪些啟示？1.1642至1643年，巴斯卡(BlaisePascal)發(fā)明了一個用齒輪運作的加法器。2.1674年，德國數(shù)學家萊布尼茨改進了帕斯卡的計算機，使之成為一種能夠進行連續(xù)運算的機器，并且提出了“二進制”數(shù)的概念。3.1812年，為現(xiàn)代計算機的發(fā)明做出過重要貢獻的英國數(shù)學家查爾斯·巴貝奇(CharlesBabbage，1792—1871)開始考慮設計機械操縱的計算機。4.1847年，英國科學家喬治·布爾(George·Boole)創(chuàng)立了邏輯代數(shù)，亦稱布爾代數(shù)。5.1925年左右，美國馬薩諸塞理工學院制成了一臺大型的模擬計算機，他們用齒輪的旋轉(zhuǎn)角度來表示所要計算的量。6.1936年，英國科學家圖靈(A1anM.Turing)，提出了可計算計算機的概念，后來人們稱他描述的計算機為“圖靈機”。7.1943年1月，霍華德·艾肯（HowardH.Aiken）在哈佛大學研制成功名為“ASCCMarkI”的世界上第一臺通用計算機。8.1943年，美國賓夕法尼亞大學的工程師普雷斯珀·?？颂?J.PrespcrEckert）博士和物理學家約翰·莫克利(JohnMauchly)博士開始著手研制“埃尼阿克”。面向未來，不懼怕未來思考與練習一、思考題２.計算機的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？其劃分的依據(jù)是什么？現(xiàn)在普遍使用的臺式計算機、筆記本及平板電腦等屬于第幾代計算機？電子計算機的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，正向第五代智能化的計算機發(fā)展。

前四代計算機是：第一代為電子管計算機;第二代機是晶體管計算機;第三代機是由中小規(guī)模集成電路組成的計算機;第四代機是由大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路組成的計算機.各代電子計算機的特點是:(1)電子管計算機的主要特點是：體積龐大，運算速度低，成本高。(2)晶體管計算機的主要特點是：體積小，壽命長，速度快，能耗少，可靠性高。(3)中小規(guī)模集成電路計算機的主要特點是：體積更小、速度更快、能耗更小、可靠性更高。(4)大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機的主要特點是：網(wǎng)絡普及與應用3.請簡述馮·諾依曼所提出的現(xiàn)代存儲程序式計算機的基本結(jié)構和工作原理?；窘Y(jié)構由5部分組成：存儲器、運算器、控制器、輸入設備、輸出設備。工作原理可概括為：“存儲程序，順序控制”。其基本思想是：(1)計算機可以使用二進制；(2)計算機的指令和數(shù)據(jù)都可以存儲在機內(nèi)。思考與練習一、思考題4.微型計算機硬件系統(tǒng)包括哪幾個主要部分？一般而言，微型計算機硬件系統(tǒng)由主機（包括中央處理器——CPU、主存儲器）和外部設備子系統(tǒng)組成，即微處理器（控制器、運算器和寄存器），主存儲器，輸入設備和輸出設備。5.CPU由哪幾部分組成，各部分的主要功能是什么？可以分為控制器、運算器和寄存器三個部分6.什么是多核心處理器？它是如何提高計算機處理器性能的？多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內(nèi)核CPU)處理器的實際性能是處理器在每個時鐘周期內(nèi)所能處理指令數(shù)的總量，因此增加一個內(nèi)核，處理器每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。7.簡述計算機各總線的作用。7.簡述計算機各總線的作用。從信息傳送的角度來看，CPU為了進行數(shù)據(jù)傳遞和通信，設置了內(nèi)部總線，用于各部件之間以及外部的各系統(tǒng)之間建立信號聯(lián)系，以傳遞數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息。計算機總線分為內(nèi)部總線,外部總線和系統(tǒng)總線.內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部各外圍芯片與CPU之間的總線,用于芯片一級的互連;系統(tǒng)總線是計算機中各插隊件板與系統(tǒng)板之間的總線,用于插件板一級的互連;外部總線則是計算機和外部設備之間的總線,計算機作為一種設備,通過該總線和其他設備進行信息與數(shù)據(jù)交換,思考與練習一、思考題8.為什么RAM中的數(shù)據(jù)具有易失性？隨機存儲器（RAM）是可讀寫存儲器，即可對其中的任一存儲單元進行讀或?qū)懖僮?，計算機關閉電源后其內(nèi)的信息將不再保存，再次開機需要重新裝入，也就是說，RAM中的數(shù)據(jù)是易失性的。９.非易失性存儲器是一個新概念，它與靜態(tài)隨機存儲器、動態(tài)存儲器有何區(qū)別？非易失性存儲器中，依內(nèi)存內(nèi)的資料是否能在使用電腦時隨時改寫為標準，可分為兩大類產(chǎn)品，即ROM和Flashmemory。非易失性讀寫存儲器(Nonvolatile

Read-Write

Memory)的結(jié)構實際上與ROM一樣。它的存儲內(nèi)核是由一個放在字線/位線網(wǎng)格上的晶體管陣列構成的。存儲器通過有選擇地使其中某些器件有效或無效來進行編程；在ROM中，這是通過掩模層的變化來完成的；而在非易失性讀寫存儲器(NVRW)中則用結(jié)構經(jīng)過修改的晶體管（浮柵晶體管）來代替。Flash

EEPROM

的概念在1984年由Masuoka等提出，并很快發(fā)展成為應用最普遍的非易性存儲器結(jié)構。Flash

EEPROM

是EPROM

和EEPROM

方法的結(jié)合，大多數(shù)Flash

EEPROM器件采用雪崩熱電子注入的方法來編程器件；擦除則和EEPROM單元一樣，采用FN隧穿(Fowler-Nordheim)來完成的。它集中了兩者的優(yōu)點，既具有像EPROM一樣的單管結(jié)構，又沿用了傳統(tǒng)EPROM熱電子隧道效應的編寫機制，并具有EEPROM在線、冷電子隧道效應的擦除機制。思考與練習一、思考題10.磁介質(zhì)為何能存儲信息？磁介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲設備，數(shù)據(jù)存儲在密封于潔凈的硬盤驅(qū)動器內(nèi)腔的若干個磁盤片上。這些盤片一般是在以鋁為主要成分的片基表面涂上磁性介質(zhì)所形成，在磁盤片的每一面上，以轉(zhuǎn)動軸為軸心、以一定的磁密度為間隔的若干個同心圓就被劃分成磁道（track），每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)（sector），數(shù)據(jù)就按扇區(qū)存放在硬盤上。在每一面上都相應地有一個讀寫磁頭（head），所以不同磁頭的所有相同位置的磁道就構成了所謂的柱面（cylinder）。傳統(tǒng)的硬盤讀寫都是以柱面、磁頭、扇區(qū)為尋址方式的（CHS尋址）。硬盤在上電后保持高速旋轉(zhuǎn)，位于磁頭臂上的磁頭懸浮在磁盤表面，可以通過步進電機在不同柱面之間移動，對不同的柱面進行讀寫。磁表面存儲器，磁表面存儲器是在金屬或塑料基體上涂敷一層磁性材料，利用磁層在不同方向的磁場作用下的兩種剩磁狀態(tài)表示0、1存貯信息，通過專門的讀寫信息的元件——磁頭來讀、寫信息。在磁表面存儲器中，磁盤的存取速度較快，具有較大的存貯容量。磁盤存儲器是目前應用最廣泛的外部存儲器。

硬盤是73年發(fā)明的，軟盤是71年發(fā)明的，兩項榮譽都歸于藍色巨人11.計算機主存儲器與硬盤相比，在存儲方面有什么特點？構成主存儲器的單元部件是動態(tài)RAM，容量小，速度快，即內(nèi)存，硬盤容量大，速度慢，屬于外存內(nèi)存是RAM,隨機存儲器，斷電無法保存數(shù)據(jù)，但是讀寫速度快。計算機讀寫數(shù)據(jù)的過程是需要不斷匹配的，從硬盤--內(nèi)存--CPU二級緩存--CPU一級緩存--CPU思考與練習一、思考題12.什么是RAID？RAIDLevel分為幾級？獨立磁盤冗余陣列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks）簡稱磁盤陣列，簡單的說，RAID是一種把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按不同的方式組合起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和數(shù)據(jù)備份技術。磁盤陣列中針對不同的應用使用的不同技術，稱為RAIDLevel，而每一level代表一種技術，目前業(yè)界公認的標準是RAID0~RAID5。RAID系統(tǒng)常被用在服務器電腦上，并且常使用完全相同的硬盤作為組合。13.為什么要對存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行校驗？不帶奇偶校驗的內(nèi)存每個字節(jié)只有8位，如果其某一位存儲了錯誤的值，就會導致其存儲的相應數(shù)據(jù)發(fā)生變化，進而導致應用程序發(fā)生錯誤。而奇偶校驗就是在每一字節(jié)（8位）之外又增加了一位作為錯誤檢測位。在某字節(jié)中存儲數(shù)據(jù)之后，在其8個位上存儲的數(shù)據(jù)是固定的，因為位只能有兩種狀態(tài)1或0，假設存儲的數(shù)據(jù)用位標示為1、1、1、0、0、1、0、1，那么把每個位相加（1＋1＋1＋0＋0＋1＋0＋1＝5），結(jié)果是奇數(shù)，那么在校驗位定義為1，反之為0。當CPU讀取存儲的數(shù)據(jù)時，它會再次把前8位中存儲的數(shù)據(jù)相加，計算結(jié)果是否與校驗位相一致。從而一定程度上能檢測出內(nèi)存錯誤，奇偶校驗只能檢測出錯誤而無法對其進行修正，同時雖然雙位同時發(fā)生錯誤的概率相當?shù)停媾夹ｒ瀰s無法檢測出雙位錯誤。思考與練習信息校驗方法：MD5和CRCMD5的全稱是Message-DigestAlgorithm5，在90年代初由MIT的計算機科學實驗室和RSADataSecurityInc發(fā)明，由MD2/MD3/MD4發(fā)展而來的。MD5的實際應用是對一段Message(字節(jié)串)產(chǎn)生fingerprint(指紋)，可以防止被“篡改”。舉個例子，天天安全網(wǎng)提供下載的MD5校驗值軟件WinMD5.zip，其MD5值是1e07ab3591d25583eff5129293dc98d2，但你下載該軟件后計算MD5發(fā)現(xiàn)其值卻是81395f50b94bb4891a4ce4ffb6ccf64b，那說明該ZIP已經(jīng)被他人修改過，那還用不用該軟件那你可自己琢磨著看啦。

MD5廣泛用于加密和解密技術上，在很多操作系統(tǒng)中，用戶的密碼是以MD5值（或類似的其它算法）的方式保存的，用戶Login的時候，系統(tǒng)是把用戶輸入的密碼計算成MD5值，然后再去和系統(tǒng)中保存的MD5值進行比較，來驗證該用戶的合法性。MD5的全稱是Message-DigestAlgorithm5，在90年代初由MIT的計算機科學實驗室和RSADataSecurityInc發(fā)明，由MD2/MD3/MD4發(fā)展而來的。MD5的實際應用是對一段Message(字節(jié)串)產(chǎn)生fingerprint(指紋)，可以防止被“篡改”。舉個例子，天天安全網(wǎng)提供下載的MD5校驗值軟件WinMD5.zip，其MD5值是1e07ab3591d25583eff5129293dc98d2，但你下載該軟件后計算MD5發(fā)現(xiàn)其值卻是81395f50b94bb4891a4ce4ffb6ccf64b，那說明該ZIP已經(jīng)被他人修改過，那還用不用該軟件那你可自己琢磨著看啦。

MD5廣泛用于加密和解密技術上，在很多操作系統(tǒng)中，用戶的密碼是以MD5值（或類似的其它算法）的方式保存的，用戶Login的時候，系統(tǒng)是把用戶輸入的密碼計算成MD5值，然后再去和系統(tǒng)中保存的MD5值進行比較，來驗證該用戶的合法性。14.光存儲介質(zhì)存儲信息的原理是什么？光盤存儲技術是利用激光在介質(zhì)上寫入并讀出信息。這種存儲介質(zhì)最早是非磁性的，以后發(fā)展為磁性介質(zhì)。在光盤上寫入的信息不能抹掉，是不可逆的存儲介質(zhì)。用磁性介質(zhì)進行光存儲記錄時，可以抹去原來寫入的信息，并能夠?qū)懭胄碌男畔?，可擦可寫反復使用。工作時，將主機送來的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后送入光調(diào)制器，調(diào)制激光源輸出光束的強弱，用以表示數(shù)據(jù)1和0；再將調(diào)制后的激光束通過光路寫入系統(tǒng)到物鏡聚焦，使光束成為1大小的光點射到記錄介質(zhì)上，用凹坑代表1，無坑代表0。讀取信息時，激光束的功率為寫入時功率的1/10即可。讀光束為未調(diào)制的連續(xù)波，經(jīng)光路系統(tǒng)后，也在記錄介質(zhì)上聚焦成小光點。無凹處，入射光大部分返回；在凹處，由于坑深使得反射光與入射光抵消而不返回。這樣，根據(jù)光束反射能力的差異將記錄在介質(zhì)上的“1”和“0”信息讀出。15.從光盤的存儲原理和結(jié)構上分析，為何DVD比CD的存儲容量要大得多？通過激光束來讀取。隨著軌道密度的增加及使用的激光束波長越來越短，光盤的存儲容量呈倍數(shù)增長。以前的CD光盤及VCD光盤只能進行單面數(shù)據(jù)存儲，而如今的DVD光盤不僅可以進行單面存儲，而且可以進行雙層儲存，最高版本的達到雙面雙層，共四層儲存空間。一張普通單面DVD光盤的存儲量為1.7GB，大約是一張普通VCD容量（640MB）的7倍，而四層DVD可以將存儲空間擴大到8.5GB。

思考與練習多種DVD技術規(guī)格CD-ROM能存放650兆比特數(shù)據(jù),也就是0.64千兆字節(jié)或6.8億字節(jié).在下面的列表里,SS/DS表示單面/雙面,SL/DL/ML表示單層/雙層/混合層(混合層是指盤片一個面有一層,另一個面有兩個層),gig就是千兆(2^30),BB表示十億字節(jié)(10^9).參閱giga和billion7.2.

DVD不同于CD，DVD是可以有多個層面的。DVD-5是指單面單層的DVD，也是最常見的DVD。它的容量大約是4.7GB，接近于5GB，所以就叫做DVD-5。

DVD-9是指單面雙層DVD，是指在一面DVD中包含兩個信息層，兩層的容量合計約8.5GB。DVD-9的好處就是可以用一張碟片存儲一部120分鐘的高質(zhì)量電影，而不需要中途手動換碟。不過，有些早期的DVD播放器和光驅(qū)并不支持DVD-9。

DVD-10是一種雙面DVD，一般稱其為雙面單層，說得通俗一點，就是將兩片DVD-5背對背的粘在一起，實現(xiàn)了最大9.4GB的容量。不過DVD-10的缺點就是需要手動換面，目前還沒有任何一種播放器支持自動換面。

DVD-18是雙面雙層碟片的簡稱，如同DVD-10是兩片DVD-5制成的一樣，DVD-18就是兩片DVD-9制成，最高容量17GB左右，是目前最大的DVD光盤，市面上極為少見。16.計算機有哪些常用的輸入和輸出設備？輸入設備：鍵盤，鼠標，寫字板，掃描儀，三維掃描儀(3Dscanner)，觸摸屏，手寫輸入設備，圖像與視頻輸入設備，麥克風，讀卡器等

輸出設備：顯示器，音響，打印機，投影儀，繪圖儀等17.電容式觸摸屏的工作原理是什么？觸摸屏是一種透明的絕對定位系統(tǒng)，首先它必須是透明的，透明問題是通過材料科技來解決的。其次是它能給出手指觸摸處的絕對坐標，而鼠標屬于相對定位系統(tǒng)。絕對坐標系統(tǒng)的特點是每一次定位的坐標與上一次定位的坐標沒關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的位置轉(zhuǎn)換為屏幕上的坐標。

觸摸屏的基本原理如下：觸摸屏的本質(zhì)是傳感器，用戶用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器上的觸摸屏時，被觸摸位置的坐標被觸摸屏控制器檢測，并通過通信接口(例如S-232C或RS一485串行口)將觸摸信息傳送到PLC，從而得到輸入的信息。

觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，再將該處的信息傳送給觸摸屏控制器：觸摸屏控制器的主要作用是接收來自觸摸點檢測裝置的觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標，判斷出觸摸的意義后送給PLC，它同時能接收PLC發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。例如動態(tài)地顯示開關量和模擬量。思考與練習18.計算機與外部設備的接口及標準有哪些？它們的主要功能是什么？接口是設備與計算機或其他設備連接的端口，是一組電氣連接和信號交換標準。接口主要用來傳送電氣信號，在信號中，有一部分是數(shù)據(jù)信號，其余是控制信號或狀態(tài)信號，它們都是為傳輸數(shù)據(jù)服務的。數(shù)據(jù)的傳輸方式基本分為兩種，一種是用一條線（或一對線）用來傳送數(shù)據(jù)，這種叫串行傳輸接口。在計算機行業(yè)中最早出現(xiàn)的串行接口標準是RS232標準，這個標準直到現(xiàn)在還在計算機上使用，如COM1，COM2接口。如果用幾條線來同時傳輸數(shù)據(jù)，這就叫作并行接口（ParallelPort）USB(UniversalSerialBus)是一種通用串行總線接口，USB2.0接口標準被稱為高速USB，其理論傳輸速度為480Mbps。微機中一般提供的接口有標準接口和擴展槽接口。標準接口操作系統(tǒng)一般都認識，插上有關的外部設備，馬上可以使用，真正做到“即插即用”。在微機中標準接口一般有：鍵盤與顯示器接口，并行接口，兩個串行COM1、COM2端口，TS/2接口和USB接口等。19.串行傳輸與并行傳輸?shù)母髯蕴攸c是什么？并行數(shù)據(jù)傳輸:是在傳輸中有多個數(shù)據(jù)位同時在設備之間進行的傳輸.一個編了碼的字符通常是由若干位二進制數(shù)表示,如用ASCII碼編碼的符號是由8位二進制數(shù)表示的,則并行傳輸ASCII編碼符號就需要8個傳輸信道,使表示一個符號的所有數(shù)據(jù)位能同時沿著各自的信道并排的傳輸.串行數(shù)據(jù)傳輸:是在傳輸中只有1個數(shù)據(jù)位在設備之間進行的傳輸.對任何一個由若干位二進制表示的字符,串行傳輸都是用一個傳輸信道,按位有序的對字符進行傳輸.區(qū)別:串行傳輸?shù)乃俣缺炔⑿袀鬏數(shù)乃俣纫枚?但費用低.并行傳輸適用距離短,而串行傳輸適用遠距離傳輸.思考與練習二、計算題1.某計算機地址總線寬度為32位，這臺計算機能夠?qū)ぶ返膬?nèi)存單元是多少?2^10.2^10.

2^10.

2^2=4G（個）2.某存儲芯片的地址線為24條，則該內(nèi)存條的容量是多少？2^10.2^10.2^4*8=128M3.某存儲器容量為10M，試計算能夠存儲多少中文字符（每個中文字符占2個字節(jié)）？2^10.2^10.10/(2*8)=2^6.2^10.10=320K=327680(個)4.內(nèi)存按字節(jié)編址，地址從A4000H到CBFFFH，共有多少個字節(jié)？若用存儲容量為32k的存儲器芯片構