計算機基礎第1章計算機系統基礎目錄計算機系統概述計算機硬件系統計算機軟件系統計算機的工作原理計算機的性能指標與評價計算機系統的發展趨勢與展望01計算機系統概述計算機是一種基于微處理器的智能電子計算機器，具有高速運算、存儲和處理數據的能力。計算機的發展經歷了機械計算機、電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和超大規模集成電路計算機等五個階段。隨著計算機技術的不斷發展，計算機已經廣泛應用于各個領域，如科學計算、數據處理、自動控制、計算機輔助設計、人工智能等。計算機的定義與發展硬件系統包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設備等，是計算機的物理基礎。軟件系統包括系統軟件和應用軟件，是計算機的邏輯基礎，用于管理和控制計算機硬件及應用程序。計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。計算機系統的組成在不同的應用領域中，需要不同類型的計算機來完成相應的任務，例如科學計算需要高性能的巨型機或大型機，而數據處理則可以使用小型機或微型機。根據計算機的運算速度、字長、存儲容量等指標，可以將計算機分為巨型機、大型機、小型機、微型機和工作站等類型。計算機的應用領域十分廣泛，包括科學計算、數據處理、過程控制、計算機輔助設計、計算機網絡與通信、人工智能等。計算機的分類與應用領域02計算機硬件系統執行算術和邏輯運算，處理數據。運算器控制器寄存器控制計算機各部分協調工作，保證計算機按程序規定的要求進行操作。暫時存放參與運算的數據和運算結果，具有接收數據、存放數據和輸出數據的功能。030201中央處理器直接與CPU相連，存取速度快，但容量有限。內存儲器間接與CPU相連，存取速度慢，但容量大，可以長期保存信息。外存儲器存儲器將人們熟悉的信息形式轉換為機器能夠識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。將計算機運算結果轉換為人們熟悉的信息形式，常見的有顯示器、打印機等。輸入輸出設備輸出設備輸入設備連接計算機各部件的一簇公共信號線，是計算機中各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線。總線連接計算機與外部設備的橋梁，負責數據的傳輸和轉換。接口總線與接口03計算機軟件系統管理和控制計算機硬件及軟件資源，提供基本的計算機操作界面和功能，如Windows、macOS、Linux等。操作系統連接和控制系統硬件設備的軟件，使得操作系統和應用程序能夠使用這些設備，如顯卡驅動、打印機驅動等。設備驅動程序用于存儲、檢索和管理數據的軟件系統，如MySQL、Oracle、SQLServer等。數據庫管理系統用于維護、優化和修復計算機系統的工具軟件，如殺毒軟件、系統優化軟件等。系統工具軟件系統軟件辦公軟件圖像處理軟件視頻編輯軟件游戲軟件應用軟件用于處理文檔、電子表格、演示文稿等辦公任務的軟件，如MicrosoftOffice、WPSOffice等。用于處理和編輯視頻的軟件，如AdobePremierePro、FinalCutPro等。用于處理和編輯圖像的軟件，如AdobePhotoshop、GIMP等。用于娛樂和游戲的軟件，包括各種電腦游戲和手機游戲。編程語言編程范式算法與數據結構軟件開發工具編程語言與程序設計01020304用于編寫計算機程序的語言，如C、Java、Python等。程序設計的基本風格和方法，包括面向過程編程、面向對象編程、函數式編程等。程序設計中用于解決特定問題和處理數據的方法和結構，如排序算法、樹形結構等。用于輔助程序設計和開發的工具軟件，如集成開發環境（IDE）、版本控制工具等。04計算機的工作原理計算機執行某種操作的命令，由操作碼和操作數組成。指令一臺計算機所有指令的集合，反映了計算機的基本功能和特性。指令系統通常由操作碼、地址碼等字段組成，用于表示指令的操作性質和操作對象。指令格式指令與指令系統計算機執行程序的過程從存儲器中取出要執行的指令，送到CPU的指令寄存器中。對取出的指令進行分析，確定要執行的操作和操作數的地址。根據分析結果，按指令規定的操作執行相應的動作。將執行結果存儲到指定的內存單元中。取指令分析指令執行指令存儲結果取指周期：CPU從存儲器中取出一條指令，并放入指令寄存器中。間址周期：如果指令中的操作數不是立即數，則需要通過間址操作獲取操作數的有效地址。執行周期：CPU根據指令的操作碼和操作數執行相應的操作。中斷周期：在執行程序過程中，如果出現異常情況或需要處理更高優先級的任務，CPU會響應中斷請求，并保存當前程序的執行狀態，然后跳轉到中斷處理程序執行。中斷處理完成后，再恢復原來程序的執行。CPU的工作流程05計算機的性能指標與評價主頻指計算機CPU的時鐘頻率，它決定了CPU每秒鐘可以執行的指令數。主頻越高，CPU的運算速度越快。字長指計算機進行一次整數運算所能處理的二進制數據的位數，它決定了計算機的運算精度和速度。字長越長，計算機處理數據的速度越快，精度越高。存儲容量指計算機內存儲器中可存儲信息的總量，通常以字節（Byte）為單位。存儲容量越大，計算機可以處理的數據量越多。字長、主頻、存儲容量等性能指標MIPS（MillionInstructionsP…即每秒鐘執行的百萬條指令數，是衡量計算機運算速度的一個重要指標。MIPS值越大，計算機的運算速度越快。要點一要點二MFLOPS（MillionFloatingPoi…即每秒鐘執行的百萬次浮點運算次數，是衡量計算機浮點運算速度的一個重要指標。MFLOPS值越大，計算機的浮點運算速度越快。MIPS、MFLOPS等性能評價標準是一組用于評估計算機性能的標準測試程序，它們可以模擬各種實際應用場景下的計算負載，從而客觀地評價計算機的性能。常見的基準測試程序包括Linpack、SPEC等。基準測試程序以Linpack基準測試程序為例，該程序通過求解線性方程組來評估計算機的浮點運算性能。在測試中，可以通過觀察計算機在單位時間內完成的浮點運算次數（即MFLOPS值）來評價其性能。同時，還可以結合其他性能指標如CPU主頻、內存容量等進行綜合評估。性能評價實例基準測試程序與性能評價實例06計算機系統的發展趨勢與展望摩爾定律在一個芯片上集成的晶體管數量每18個月翻一倍，但是由于物理學的限制，集成電路的技術極限已經接近。硬件發展趨勢隨著光計算、量子計算等技術的發展，未來硬件行業將不再追求更高的效能，而是會強調多元化、專業化、智能化等方向的發展。摩爾定律與硬件發展趨勢云計算已經成為軟件技術的重要發展方向，它將計算資源集中起來，通過網絡以服務的形式提供給用戶。云計算人工智能技術的快速發展正在改變軟件行業，未來軟件將更加注重智能化、自動化和個性化。人工智能隨著敏捷開發、DevOps等方法的普及，軟件開發過程將更加注重團隊協作、快速迭代和持續改進。軟件開發方法軟件技術的發展趨勢展望未來計算機系統將更加注重人性化、智能化和安全性，例如通過自然語言處理、計算機視覺