计算概论 第七讲 计算机基础知识回顾 黄罡北京大学信息科学技术学院
什么是 计算机 计算机是一种能够根据存储的一系列指令, 接收输入 处理数据 存储数据并产生输出的设备 存储指令 产生输出 接收输入 处理数据 存储数据 2
什么是 计算机 机箱 音箱 显示器 光驱 DVD 打印机 软驱 硬盘 键盘鼠标网络设备 3
计算机发展史 计算机前传 手工计算器 机械计算器 计算机原型 现代计算机 真空管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 超大规模集成电路 第 5 代的酝酿 如何自动计算? ENIAC 器件主导了现代计算机的演化 计算如何更快速 更方便 更经济 4
如何认识计算机 算机主要技术计算机基本原理图灵机二进制冯 诺依曼体系计计算机组成操作系统计算机网络计算机软件 数据表示与存储 计算机安全 5
图灵机 计算机的数学模型 图灵机 T 实现的计算就是 T(I) = O 通过状态和符号确定 / 指挥图灵机的工作过程 / 步骤就是图灵机程序 同一个计算问题可以有不同的求解步骤, 即, 可有多个图灵机程序 6
图灵机计算实例 :f(x) = 2 x 1 X=1 开始 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 <q1, 1, 1, R, q2> 1 第 1 步 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 <q2, B, B, R, q3> 第 2 步 1 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 <q3, B, 0, L, q4> 7
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二进制 (Binary notation) 基数是 2, 数码为 0~1, 逢二进一 数据和指令的编码 位 (bit) 二进制数的位是计算机系统中数据的最小单位 字节 (byte) 8 位二进制数组成一个字节 字节是衡量信息存储容量的基本单位 数制的转换方法 十进制到其它进制 整数用 除 2/8/16 取余法 小数用 乘 2/8/16 取整法 二进制的作用 9
二进制数的运算 与十进制数运算规则类似 区别仅在于数制 10
二进制数的运算 真值表10100 二进制数的逻辑运算 : 没有进位, 按位运算 非, 求反 : 单操作数运算 : 1 = 0 0 = 1 与, 逻辑乘 : 或, 逻辑加 :+ 异或 : 同或 : A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 逻辑加 0 1 1 1 逻辑乘 0 0 0 1 异或 0 1 1 0 同或 1 0 0 1 11010 = 00101 11001 01101 01001 11001 01101 11001 + 01101 11101 11001 01101 01011 11
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冯 诺依曼体系 EDVAC, Electronic Discrete Variable Automatic Computer 存储器 外存储器 输入设备 内存储器 输出设备 数据流 运算器 控制器 控制流 美籍匈牙利数学家冯. 诺依曼 二进制 程序与数据一样存放在内存 五大模块 13
按 存储程序原理 造出的就是 程序存储计算机, 也称为 冯 诺依曼计算机 到目前为止, 所有主流计算机都是这种计算机 冯 诺依曼计算机 计算机的基本运行过程很简单, 两步循环, CPU 基本循环 CPU 每次从存储器取出要求它执行的下一条指令, 然后按指令完成对应动作 循环到程序执行完 ( 遇到要求 CPU 停止工作的指令 ), 或者永无休止地运行下去 取指令 执行指令 14
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主机箱 电源和风扇 光驱 软驱 外设接口 扩展槽和扩展卡 风扇下面就是 CPU 内存 硬盘 连接硬盘和光驱的数据线 最下面的是主板 16
CPU 的内部结构 ALU: 整数运算 逻辑运算 浮点数运算 ( 协处理器 浮点处理器 ) ALU 算术逻辑运算器 寄存器组 寄存器 : 信息的存放 指令寄存器 数据寄存器 控制寄存器 大小 -CPU 字长 CPU 内部总线 : 数据 指令 控制等信息的传输 中断控制器 : 处理程序中断 中断控制器 CPU 内部总线 地址信息 指令控制器 数据信息 控制信息 指令控制器 : 解释指令, 并协调 CPU 各部件完成指令的执行 17
指令 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码完成一种操作 分类 结构 操作码 操作数 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 数据传送指令 内存 CPU 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令 +- And Or 主机 If If Goto I/O 设备 对计算机的硬件进行管理等 18
度越来越快软磁盘硬盘其它外存设备速存储器 CPU 寄存器 高速缓存 内存 外存储器 存储器 是指计算机系统中的记忆装置, 能够接收计算机内的信息, 保存信息, 并且可以根据命令提供所保存的信息 寄存器 高速缓存 主存储器 容量越来越大19
CPU 光存储CPU 寄存器 半导体 ( 电 ) 存储高速缓存 内存 外存储器磁外存储器 存储20
CPU 与内存的合作 数据和指令流 两个二进制整数相加的指令 : M1: ADD R1 R2 内存程序 M-: MOV M10 R1 M0: MOV M11 R2 M1: ADD R1 R2 M2: STORE M09 指令控制器 顺序执行程序 内存 R1 寄存器组 Rk 程序计数器 累加运算器 21
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软件 = 程序 + 文档 什么是软件 程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述 文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料 程序必须装入机器内部才能工作, 文档一般是给人看的, 不一定装入机器 本质上, 软件是典型的知识产品 将现实世界的问题和解决方法表示成计算机能够处理的形式 : 指令 + 数据 软件 23
计算机软件 应用软件 其他系统软件 Word 数据库 Linux 操作系统硬件系统 Unix 数学软件包 games 图形包 Paintbrush Windows 设备驱动程序 Notepad 程序设计语言 Calculator 24
输入设备 键盘 鼠标器 输 入 如何让人方便地使用计算机? 辅助 ( 外部 ) 存储设备 如何管理种类繁多的外设? 户界面文件管理用输出 主机箱 CPU 算术逻辑运算器 设备管理 中断控制器 进程管理 CPU 内部总线 Operating System 理操作系统 主存储器 寄存器组 指令控制器 输入 磁盘机 磁带机 光盘机等 操作系统的作用 如何同时处理多个任务? 存储管输 出 输出设备 显示器 打印机 如何协调多级存储之间的数据交换? 如何管理外存中的大量数据? 25
操作系统的发展 追求更高效 合理地发挥硬件所提供的计算能力 单软硬件机资源管理操多道程序作管理程序系统引导程序 并行操作系统 网络操作系统 嵌入式操作系统 高效可信统一的虚拟资源 26
常见的操作系统 DOS UNIX Windows Linux Mac OS 27
操作系统的功能 户界面文件管理用设备管理 进程管理 Operating System 理操作系统 存储管进程管理 : 调度 CPU 和分配系统资源 存储管理 : 内存空间的管理 分配与回收 共享和保护 内存扩充 地址转换 设备管理 : 分配和回收外部设备及控制外部设备按用户程序的要求进行操作 用户管理 : 提供一个友好的用户访问操作系统的接口 文件管理 : 向用户提供创建 撤销 读写 打开 关闭文件等功能 28
程序的顺序运行 A 先运行,B 再运行 CPU 利用率 = 40/80 = 50% I/O 利用率 = 40/80 = 50% 为什么需要进程管理 程序 A CPU I/O CPU I/O CPU 5 10 15 20 25 30 35 40 t 程序 B I/O CPU I/O CPU I/O 45 50 55 60 65 70 75 80 程序的并发运行 A B 同时运行 CPU 利用率 = 40/45 = 89% I/O 利用率 = 40/45 = 89% A CPU I/O CPU I/O CPU 5 10 15 20 25 30 35 40 45 t B I/O CPU I/O CPU I/O t 29
进程管理 进程标识进程状态进程控制信息堆栈程序 + 数据共享地址空间 30
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计算机网络 32
OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型 TCP/IP 参考模型应用层传输层网间网层网络接口层 TCP UDP TCP/IP 协议集 Telnet FTP SMTP HTTP Gopher SNMP DNS 等 IP ARP RARP 各种底层网络协议 OSI 参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层 33
Internet 与 WWW Internet 是在 TCP/IP 协议基础上建立的国际互联网 是 计算机网络的网络, 即, 将全世界不同国家 不同地区 不同部门和机构的不同类型的计算机网络互联在一起, 形成一个世界范围的信息网络 WWW (World Wide Web), 也 3W 或 Web 是 Internet 上一个基于超文本 (Hypertext ) 方式的信息检索服务工具 HTML: 超文本标记语言, 如何描述信息 URL: 统一资源定位, 如何找到信息 HTTP: 超文本传输协议, 如何传输信息 34
WWW 运行机理 www.pku.edu.cn 的 IP 地址是多少? 162.105.129.12 请给我 index.html 文件 DNS 服务器 <html> <head> </html> 在浏览器里显示 HTML 页面 北大网站服务器 35
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文件与数据库 37
文件管理与数据库管理系统 文件方式 实现简单 数据的冗余和不一致 数据访问困难 数据依赖 完整性问题 原子性问题 并发访问异常 安全性问题 数据库方式 实现复杂 数据共享 减少冗余 避免不一致 提供事务支持 保持完整性 数据独立性 增强安全性 加强标准化 缩短应用开发时间 38
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桶原理计算机安全木40
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3 月 22 日上午, 随堂考试, 电教 112 考试时间 60 分钟 10:05~11:05, 学号 00501001 00501095 不能提前交卷 考试结束后统一坐到教室的右半部分 期中考试安排 请带上学生证! 等下堂课考试的同学全部进入教室左半部分后再出教室 11:10~12:10, 其他同学 只能在 11:05~11:10 之间进入教室的左半部分 迟到的同学一律扣分 两次考试间隔请服从安排, 禁止说话, 否则视同舞弊 42
Thanks 43