计算机科学导论电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

计算机科学导论FoundationsofComputerScience田际平 计算机专业副教授答疑:工程试验北楼310室(办公室)第1页教学计划与进度课程名称 计算机科学导论/课程类别 专业必修课/教课时数 28课时第五周绪论(计算机软件、硬件、历史等)第六周数据类型、表示第七周数各种表示第八周位运算、算数运算、逻辑运算第九周计算机组成第十周计算机网络第十一周操作系统定义、组成部分第十二周算法第十三周程序设计语言第十四面软件工程第十五周数据结构第十六周抽象数据类型第十七周文件结构第十八周数据库、总复习第2页第一部分计算机和数据第3页第一章 绪论数据处理冯诺伊曼理论计算机硬件计算机软件计算机发展简史第4页数据处理任何数据处理系统都能够表示为三个步骤：数据输入数据输出计算机系统在用户看来，给出数据（出入）得到结果（输出），目标即到达，不关心也不知道数据处理过程，所以数据处理中处理过程对用户是看不到，就象个“黑盒子”。对计算机科学者来说，除去数据输入与输出，更关心数据处理系统中数据处理过程。因为包含数据输入与输出在内整个数据处理都是计算机科学研究对象。美籍匈牙利数学家冯诺伊曼(Von Neumann)于1945年奠定了当代计算机科学基本理论。当代计算机特点是含有速度快精度高、逻辑判断与记忆功效、高度自动化与灵活性。处理第5页冯诺伊曼理论冯诺伊曼提出主要计算机设计思想可概括为：（1）计算机应由五个基本部件组成：运算器、控制器、存放器、输入部件与输出部件。（2）程序存放思想：将程序与数据同时存放在存放器中，让机器自动执行程序。（3）程序控制思想:计算机以运算器为中心，输入/输出设备与存放器之间数据传输都经过运算器。数据流 控制流 输出设备存放器输入设备运算器控制器第6页冯诺依曼计算机基本特点 计算机基本工作原理是存放程序和程序控制称为冯诺依曼原理。按照冯诺依曼原理结构计算机又称冯诺依曼计算机，其体系结构称为冯诺依曼结构。其基本特点为：（1）采取存放程序方式，程序和数据放在同一个存放器中，二者没有区分，指令同数据一样能够送到运算器进行运算，即由指令组成程序是能够修改。（2）存放器是按地址访问线性编址唯一结构，每个单元位数是固定。（3）指令由操作码和地址码组成。（4）经过执行指令直接发出控制信号控制计算机操作。（5）机器以运算器为中心，输入输出设备与存放器间数据传送都经过运算器。（6）数据以二进制表示。第7页计算机硬件计算机硬件通常由五部分组成：运算器和控制器、存放器、输入与输出设备。这五部分之间联结结构，称为冯诺依曼结构图（如前图），其以运算器为中心。运算器是对信息进行加工处理部件。它在控制器控制下与内存交换信息，负责进行各类基本算术运算和与、或、非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。另外，在运算器中还含有能暂时存放数据或结果存放器。控制器是整个计算机指挥中心。它负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机相关设备协调工作，确保系统自动运行。控制器和运算器一起组成了计算机关键，称为中央处理器，即CPU（CentralProcessingUnit）。通常把控制器、运算器和主存放器一起称为主机，而其余输入、输出设备和辅助存放器称为外部设备。第8页存放器是计算机记忆装置，为了对存放信息进行管理，把存放器划分成单元，每个单元编号称为该单元地址。存放器内信息是按地址存取。向存放器内存入信息也称为“写入”。写入新内容则覆盖了原来旧内容。从存放器里取出信息，也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存放内容，所以信息能够重复取出，屡次利用。计算机存放器可分为主存放器和辅助存放器两种，通常分别简称为主存和辅存。输入设备如：键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。输出设备如：屏幕显示器、打印机、绘图仪、音箱等。第9页计算机软件在计算机中，数据是以电信号方式存在，并以二进制形式来组织数据。程序是指令有序序列（冯诺伊曼也定义了指令集），并与其所处理同时数据必须存放在存放器中。程序设计是以算法为基础，算法是一套自顶向下、逐步求精地去处理问题方法。计算机语言是由符号与单词按特定语法组成语句集合。每个语句都对应这特定指令集而被计算机所接收、解释与执行。软件工程是为为处理62年软件危机而产生一套结构化（或面向对象）程序设计思想与方法。操作系统是对计算机系统软硬件资源进行管理，并对用户使用计算机提供良好界面程序包。第10页计算机发展简史1 1第一代计算机（第一代计算机（1946194619581958年）年）其主要特征是采取电子管作为主要元器件。其主要特征是采取电子管作为主要元器件。2 2第二代计算机（第二代计算机（1958195819641964年）年）其主要特征是由电子管改为晶体管。其主要特征是由电子管改为晶体管。3 3第三代计算计算机导论机（第三代计算计算机导论机（1964196419741974年）年）其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元 件晶体管。件晶体管。4 4第四代计算机（第四代计算机（19741974年至今）年至今）其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机主要功效部件。主要功效部件。-注：与教材所讲有不一样注：与教材所讲有不一样第11页第二章 数据表示数据类型计算机内部数据表示数据十六进制表示法八进制表示法第12页数据类型计算机能处理数据分类为：数值：计算文字：编辑图象：缩放与调整音频和视频：声效与特效第13页计算机内部数据统一数据表示法：对各种类型数据都采取同一个数据表示。位（bit）：二进制数字，是存放在计算机中最小数据单位。位模式：是一个位（bit）序列，即一个二进制数字串。字节（byte）：长度为8位模式，也是度量存放空间大小单位。第14页表示数据以位模式来表示各种类型数据（1）文本由文本语言符号个数决定位模式长度：log2符号个数=模式长度如ASC码，128个符号，128=27，所以位模式长度为7，即用7位二进制数字表示一个ASC符号。ASC码表要了解数字与字母排列。扩展ASC码用一个字节表示一个符号，每字节第一位为0。第15页（2）数表示，见下章（3）图象位图图象：图象由象素点阵组成，每个象素由一个位模式表示，模式长度取决于对应象素亮度与色彩（或灰度）。矢量图象：整个图由基本直线与曲线数学公式组成。（4）音频和视频：对连续模拟信号采样，并进行数字离散化后转换为位模式存放。第16页八进制和十六进制表示法十进制：基本数字为09每位不会出现10，逢10进1二进制：基本数字为01每位不会出现2，逢2进1八进制：基本数字为07每位不会出现8，逢8进1十六进制：基本数字为09、A、B、C、D、E、F（相当十进制1015）每位不会出现F，逢F进1第17页个进制对照表第18页八和十六进制与位模式转化每一个八进制数对应二进制三位（3位模式）如：144(O)=001100100(B)7123(O)=111001010011(B)7123每一个十六进制数对应二进制四位（4位模式）如：64(H)=01100100(B)2C1D(H)=0010110000011101(B)2C1D第19页第三章 数表示数制转换整数表示EXCESS系统浮点表示法十六进制表示法第20页r进制转化成十进制转换公式：an.a1a0.a-1.a-m(r)=a*rn+a*r1+a*r0+a*r-1+.a*r-m 10101(B)=24+22+1=21101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75101(O)=82+1=6571(O)=78+1=57101A(H)=163+16+104106第21页十进制转化成r进制整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列。例100.345(D)=1100100.01011(B)100(D)=144(O)=64(H)100(D)=144(O)=64(H)=1100100(B)10025022521226232100010010.34520.69021.3802 0.7602 1.52021008128180441100166046161 1.04第22页整数表示正数与负数正数与负数在计算机中数符号也是用数码来表示，普通用“0”表示正数符号，“1”表示负数符号，并放在数最高位。比如：（01011）2（11）10（11011）2（11）10第23页原码、补码、反码在计算机中一个数能够采取原码、补码或反码表示，上面讲到正数与负数表示法即为原码表示法。一个正数原码、补码、反码是相同，而负数就不一样了。无符号整数格式(最简单数据表示):数范围：0（12n）。其中为N用于存放该数据二进制数位.第24页原码(符号加绝对值格式)假设x为n位小数，用小数点左面一位表示数符号，则：数范围：（12n）（12n）。零有两种表示：正零为0.00；负零为1.00。第25页补码数范围：（12n）1。零表示是唯一，即：0.00。第26页反码数范围：（12n）（12n）。零表示有两种：正零为0.00，负零为1.11。第27页Excess系统特点:能同时存放正负数,易于二与十进制数转换。正数（幻数）用于转换过程，在8位模式下幻数为（2 n-1）=128 或（2 n-1）-1=127，并分别称Excess-128与Excess-127。Excess系统数据表示法（数据转换法）：将十进制整数与幻数之和转换为二进制数，并补足N位。如：整数-25Excess-127数据表示为01100110 D-25+D127=D102=B1100110=B01100110第28页浮点数表示法浮点数能够扩大数表示范围。浮点数由两部分组成，一部分用以表示数据有效位，称为尾数；一部分用于表示该数小数点位置，称为阶码。普通阶码用整数表示，尾数大多用小数表示。一个数N用浮点数表示能够写成：NMReM表示尾数，e表示指数，R表示基数。基数普通取2，8，16。一旦机器定义好了基数值，就不能再改变了。所以，在浮点数表示中基数不出现，是隐含。注:浮点数表示法类似于数据“科学表示法”第29页浮点数(注:与教材讲解略有不一样)IEEE标准(32位单精度浮点数表示):32位=符号1位+指数Excess-127数8位+尾数23位 十六进制表示法(略)阶码数符110.011(B)=1.100112+10=11001.12-10=0.1100112+11阶符尾数1100110011N=数符尾数2阶符阶码尾数位数决定数精度。阶码位数决定数范围。第30页第四章 数位运算算数运算逻辑运算移位运算第31页算数运算位运算包含算数运算与逻辑运算。而算数运算包含整数与浮点数四则运算。整数四则运算 以二进制补码形式存放整数，能够进行加、减、乘、除四则运算。因计算机是以重复加来实现整数乘（*），而以重复减实现除（/），以下示意，所以只介绍含有经典意义加减运算。如：5*4 5+5+5+5 7/2 7 2 2 2+1 减3次2即商为3 余1第32页整数加如：24加17得724对应补码形式：0001100017+（17为00010001）11101111+7100000111再如：127加3得130进位舍127对应补码形式：011111113+00000011+130错误结果12610000010注：8位模式补码表示范围为128+127，超出该范围即产生错误。所以127加1得128，再加两次1，即得126。0111111110000000第33页整数减、浮点数加减整数减运算也是借助加法运算实现，即减一个整数等于加一个相同值负数。如：10162相当于101+（62）得39101即101补码：011001016262+11000010+393900100111浮点数加减（见教材示例）以Excess-127保留指数IEEE规范浮点数加减，主要是两个数指数取等值后，再按多项式使同项（同幂次）系数（尾数）相加。第34页逻辑运算一个二进制位（bit）两个可能值0、1，假如被决定为逻辑值，即定义0为“假”而1为“真”，那么就能够实现逻辑运算。许多逻辑是应用于逻辑电路方面，或由“门电路”触发而实现。逻辑运算真值表值非运算与运算或运算异或运算xyNOTxxANDyxORyxXORy0010000101110001111110第35页对“与”，“或”了解示例令P为教授，Q为党员，则某大学相关会议参加者命题检验以下：某人情况 党内教授 党员扩大（教授）会 PQPANDQPORQ000（不可参加会议）001011001111（能够参加会议）1第36页移位运算左（右）移位：对于无符号二进制数串各位左（右）移1位，最高（低）位舍弃而最低（高）位补0。左（右）移位对应着二进制乘（除）2。如：D59乘2为D118，而除2为29（实际为29.5）。0011101100111011移出舍弃001110110补入000111011移出舍弃再如：确定8位模式第四位值是0或1。设计“掩码”（修改另一位模式位模式）为00001000：原位模式：abcdefgh掩码：00001000AND（“与”逻辑运算）0000e0000000000e右移3次（除8）原码能被8整除则结果e为1，不然e为非1（即为0）第37页第二部分计算机硬件第38页第五章计算机组成中央处理器主存放器输入/输出子系统内部连接程序执行两种不一样体系结构第39页中央处理器 CPU全称是“Central Processing Unit”，即中央处理器。CPU主要性能指标有：1 1主频主频 主频即CPU工作时钟频率。CPU工作是周期性，它不停地执行取指令、执行指令等操作。这些操作需要准确定时，按照准确节拍工作，所以CPU需要一个时钟电路产生标准节拍，一旦机器加电，时钟电路便连续不停地发出节拍，就像乐队指挥一样指挥CPU有节奏工作，这个节拍频率就是主频。普通说来，主频越高，CPU工作速度越快。第40页 2 2外频外频 实际上，计算机任何部件都按一定节拍工作。通常是主板上提供一个基准节拍供各部件使用，主板提供节拍称为外频。3 3倍频倍频 伴随科技发展，CPU主频越来越快，而外部设备工作频率跟不上CPU工作频率，处理方法是让CPU作频率以外频若干倍工作。CPU主频是外频倍数称为CPU倍频。CPU工作频率倍频外频第41页 4 4地址总线宽度地址总线宽度 我们知道，PC（Personal Computer，个人计算机）采取是总线结构。地址总线宽度（地址总线位数）决定了CPU能够访问存放器容量，不一样型号CPU总线宽度不一样，因而使用内存最大容量也不一样。如32位 地址总线能使用最大内存容量为4GB。5 5数据总线宽度数据总线宽度 数据总线宽度决定了CPU与内存、输入输出设备之间一次数据传输信息量。Pentium以上计算机，数据总线宽度为64位，即CPU一次能够同时处理8个字节数据。第42页 6 6L1L1高速缓存高速缓存 缓存是位于CPU和内存之间容量较小但速度很快存放器，使用静态RAM做成，存取速度比普通内存快38倍。L1缓存也称片内缓存，Pentium时代处理器把L1缓存集成在CPU内部。L1高速缓存容量普通在32KB64KB之间，少数可到达128KB。7 7L2L2高速缓存高速缓存 此即二级高速缓存，通常做在主板上，当前有些CPU将二级缓存也做到了CPU芯片内。L2高速缓存容量普通在128KB512KB之间，有甚至在1M以上。第43页 8 8工作电压工作电压 工作电压是指CPU正常工作时所需要电压。早期CPU工作电压普通为5V，而伴随CPU主频提升，CPU工作电压有逐步下降趋势，以处理发烧过高问题。当前CPU工作电压普通在1.6V2.8V之间。CPU制造工艺越先进，则工作电压越低，CPU运行时耗电功率就越小。9协处理器协处理器 含有内置协处理器CPU能够加紧特定类型数值计算。一些需要进行复杂运算软件系统，如AUTO CAD就需要协处理器支持。Pentium以上CPU都内置了协处理器。第44页CPU封装方式采取Socket结构封装CPU与Socket插座。采取Slot结构封装CPU与Slot插座。第45页存放器 1 1基本概念基本概念 存放器是由一些能表示二进制数0和1物理器件组成，这种器件称为记忆元件或存放介质。惯用存放介质有半导体器件和磁性材料。比如，一个双稳态半导体电路、磁性材料中存放元等都能够存放一位二进制代码信息。位是存放器中存放信息最小单位，称为存放位。由若干个存放位组成一个存放单元。一个存放单元能够存放一个字，此时称为字存放单元；也能够存放一个字节，称为字节存放单元。许多存放单元集合形成一个存放体，它是存放器关键部件，信息就存放在存放体内。第46页 怎样区分存放在存放体中信息，也就是说怎样将存放体中若干个存放单元加以识别呢？处理这个问题方法是给每个存放单元编上号，这个编号就称为该单元地址。若一个单元存放一个字节，则对应地址称字节地址；若一个单元存放一个机器字，那么，对应地址称为字地址。一个存放器中存放单元总数称为该存放器存放容量。计算机中存放器容量越大，能存放信息就越多，计算机处理能力也就越强。表示存放容量单位普通用字或字节。比如，32KB表示32K字节，128KW表示128K字，其中 IK 1024。第47页 存放器两个基本操作是写入信息和读出信息（或称存数和取教）。存放器从接到读出命令，到指定地址信息被读出，并稳定在存放器数据存放器或数据总线上为止时间，称为读出时间（亦称取数时间）。反之，将数据存放器或数据总线上信息写入存放器时间称为写入时间。在连续两次访问存放器时，从第一次开始访问到下一次开始访问所需最短时间称为存放周期，它表示存放器工作速度。第48页2 2存放器分类存放器分类（1）按存取方式分类：随机存放器（RAM）和次序存放器（SAM），读写存放器和只读存放器（ROM）。（2）按存放介质分类：磁性材料存放器，半导体存放器和激光存放器。（3）按功效和存取速度分类：存放器型存放器、主存放器和外存放器。3 3存放器性能指标存放器性能指标（1）存放容量（capacity）（2）存取速度（access time）（3）数据传输率（data transfer rate）（4）位存放价格（cost per bit）第49页半导体存放器（1 1）RAMRAM RAM全名是读写随机存取存放器（Read Write Random Access Memory），本应缩写为RWRAM，但它不易发音，故流行称为RAM。三个特点：能够读出、也能够写入；所谓随机存取，意味着存取任一单元所需时间相同；当断电后，存放内容马上消失，称为易失性（volatile）。-（3）NVRAM NVRAM是一个非易失性随机读写存放器。既能快速存取，而系统断电时又不丢失数据。实际上，它是把SRAM实时读写功效与E2PROM可靠非易失能力综合在一起。第50页（2 2）DRAMDRAM与与 SRAM SRAM RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。动态随机存放器DRAM是用MOS电路和电容来作存放元件，因为电容会放电，所以需要定时充电以维持存放内容正确，这称为“刷新”，比如每隔2ms刷新一次，所以称之为动态存放器。静态随机存放器SRAM是用双极型电路或MOS电路触发器来作存放元件，没有电容造成刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存放数据，所以称之为静态存放器。DRAM特点是高密度，SRAM特点是高速度。第51页2只读在储器（1 1）ROMROM ROM为只读存放器（Read Only Memory或译唯读存放器）缩写。ROM用途很广，如与微程序设计相结合。与操作系统及高级语言相结合，与应用软件相结合、与无磁盘网络工作站等。（2 2）PROMPROM与与EPROMEPROM PROM是可编程只读存放器（Programmable Read Only memory）缩写。它与ROM性能一样，存放程序在处理过程中不会丢失、也不会被替换。第52页 EPROM是可擦除可编程只读存放器（Erasable Programmable Read Only Memory）缩 写。它内容经过紫外光照射能够擦除，这种灵活性使EPROM得到广泛应用。（3 3）E2PROME2PROM E2PROM是 电 擦 除 可 编 程 只 读 存 放 器（Electrically Erasable Programmable ROM）缩写；它包含了 EPROM全部功效，而在擦除与编程方面愈加方便这就使E2PROM比EPROM有更大灵活性和更广泛适应性。第53页输入/输出（外存放器）1磁统计基本概念磁统计基本概念（1 1）磁统计密度（）磁统计密度（densitydensity）面密度（areal density）。面密度等于道密度与位密度乘积。道密度（track density）。道密度等于磁道间距倒数，而磁道间距（track pitch）则是相邻两条磁道中线间距离 位密度（bit density）。磁道上单位长度存放二进制信息量称为位密度也称为线密度。第54页（2 2）磁统计方式）磁统计方式 磁统计方式主要有两种：水平统计方式和垂直统计方式。水平统计方式（horizontal recording）是利用磁头磁场水平分量在介质上写入信息，使介质沿其表面进行磁化。通常也称为横向统计方式。缺点：是存在自退磁效应，每个小磁畴距离不能太近，这就限制了统计密度深入提升。第55页 垂直统计方式（vertical recording）是利用磁头磁场垂直分量在介质上写入信息，使介质磁化方向垂直于介质表面。优点：是相邻位退磁磁场几乎为零，每个磁束之间不会抵消，反而会加强，这就适合于进行高密度磁统计。区位统计方式（zone bit recording，简称ZBR）也称等密度统计方式。等密度统计就是保持全部磁道上统计位密度相等。为此，能够采取两种方法：匀线速度控制法。区域位密度法。第56页（3）磁统计编码技术 磁盘机曾广泛使用编码方法有：FM调频制（Frequency Modulation）编码，M0.5；MFM改进调频制（Modified Frequency Modulation）编码，M 1；M2FM改进改进调频制（Modified MFM）编码，M1，且可靠性、信噪比均得到改进。还有一类成组编码方法，它是把统计数据序列按若干位编成一组，对应于每种组态有一个编码序列与之匹配。比如 GCR（45）成组编码。第57页GCR（45）GCR（45）成组编码（Group Coded Recording）就是把数据按4位编成一组，与之对应产生出5位编码序列。编码规则是：禁止使用连续 3位以上“0”代码组合。我们知道，4位有16种组态，5位则有32种组态，除掉含有3位以上连续“0”组态，5位编码序列还有17种组态可用。选取其中16种与4位数据序列对应即可。GCR编码效率M0.75，含有一定自同时能力。已应用于磁带机与软磁盘机中。第58页GCR（45）编码数据序列d1d2d3d4GCR编码序列e1e2e3e4e5000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111111001110111001010011111011010110110101111101001001010100101111110011010111001111第59页 注意：数据序列经过编码电路转换为编码序列后，它还不等于就是统计序列。当经过磁头往磁表面上写数据时，还要把编码序列按一定规则变成统计脉冲。比如在GCR编码中，最终是用逢“1”翻转不归零制（Non Return to Zero，NRZ1）规律加以统计。当前，比较先进并在硬磁盘机中广泛使用编码是 RLL（2，7）编码。这是限制两次翻转之间距离编码，或称游程长度受限码（RunLength Limited Code，RLL）。编码规则是：在编码序列中，两个“1”之间最少有2个“0”，最多有7个“0”。第60页ARLL（2，7）美国最近设计出编码，即高级RLL码（Advanced RLL）。它把编码效率提到M2，将在未来更高密度磁盘机中得到普遍应用。数据序列RLL（2，7）编码序列111000000101001100111100001001001000010000001000010010000001000第61页2软磁盘及其设备（1）软磁盘 软磁盘（原名flexible disk，以后人们戏称为floppy disk）或译为软磁盘，是人们广泛使用一个廉价介质。它是在聚酯塑料（mylar plastic）盘片上涂布轻易磁化并有一定矫顽力磁薄膜而制成。所用磁介质有一氧化铁、渗钴氧化铁，对于高密度介质（超出 30000bpi）则采取钡铁氧体、金属介质等。软盘主要规格是磁片直径。1972年出现是8英寸软盘。1976年与微型机同时面世是5.25英寸软盘，简称 5英寸盘。1985年日本索尼（sony）企业推出3.5英寸盘。1987年索尼企业又推出2.5英寸软盘，简称2英寸盘。当前已出现1.5英寸软盘，只是未批量生产。第62页 在磁片直径不停缩小同时，软盘容量却连续扩大，以5英寸盘为例，当初单面单密度容量为125KB，单面双密度或双面单密度为250KB，双面双密度则为500KB。所谓单面是只用一面，双面是两面都用。所谓单密度是用FM编码，双密度（又称倍密度）是用MFM、M2FM或GCR编码统计。5寸软盘外观第63页 3英寸盘容量有1MB、2MB、4MB等数种。自 1987年IBM选择2MB3.5英寸盘作为PS2系列配置后，2MB盘正成为实际上工业标准。伴随膝上型计算机流行，3英寸盘成为软盘主流产品（2）驱动器与适配卡 一个完整软盘存放系统是由软盘、软盘驱动器、软盘控制适配卡组成。软盘驱动器（floppy disk drive）由机械运动和磁头读写两部分组成。机械运动部分又由主轴驱动系统和磁头定位系统两部分组成。通常，主轴驱动系统使用直流伺服电机，带动磁盘以每分钟300转以上速度旋转，并使磁头定位进行磁盘信息读写。第64页 软盘驱动器简称软驱。它全部机械运动与数据读写操作，必须在软盘控制适配卡（FDC adapter）控制下进行。而适配卡恰好把驱动器与CPU系统板联络起来，使磁盘存放系统成为整个计算机系统一个有机组成部分。（3）软盘使用与维护 不要弄脏，不要用手摸盘面，不要把它放在高温、潮湿、强磁、震动地方。也不要用硬笔在封套上写划，标签要写好再贴。写保护缺口贴上或取下，一定不要怕麻烦，携带时不要图省事，随便放在书包里，应该装在盒内。第65页软盘格式软盘格式软盘低密度高密度扇区磁道容量扇区磁道容量5.25英寸940360K15801.2M3.5英寸980720K18801.44M第66页3硬磁盘及其设备 硬盘是计算机系统中最主要辅助存放器。硬盘盘片与其驱动器合二为一体，称为硬盘机，以后人们叫熟了，统称为硬盘。硬盘通常安装在主机箱内，所以无法从计算机外部看到。（1 1）硬盘种类）硬盘种类 按硬盘几何尺寸划分，硬盘分为3.5英寸和5.25英寸两种。近年来，市场上主要以3.5英寸为主。按硬盘接口划分，主要有IDE、EIDE、Ultra DMA和SCSI接口硬盘。第67页硬盘工作模式 20世纪90年代早期，PC机多采取IDE接口硬盘。IDE接口标准硬盘工作方式只能是标准模式。在标准模式下，硬盘最大容量只能是528MB，硬盘与主机之间采取PIO方式（程序控制输入输出方式）传输数据。突破528MB容量限制问题，所以推出了EIDE标准。EIDE接口标准工作模式有三种：标准模式（NormalMode），该模式与IDE工作模式完全相同。逻辑块地址模式（LBAMode），也称大数据块模式。它突破了硬盘空间528MB管理限制，支持硬盘容量最大到达8.4GB。第68页大模式（Large Mode），也称大磁道模式，该模式是为了方便那些不支持 LBA模式设置而准备一个工作模式，它支持硬盘最大容量为1GB。主板上提供两个EIDE接口，分别为EIDE1、EIDE2。一个EIDE接口能够连接符合EIDE标准包含硬盘机、光盘驱动器等在内2个设备。若一台计算机只有一个硬盘机和一个光盘驱动器，提议优先考虑将硬盘接入EIDE 1、光盘驱动器接入EIDE 2，这么能够提升运行速度，尤其是对提升播放VCD速度很有好处。当一个 EIDE接口接2个EIDE设备（如接2个硬盘）时，硬盘上跳线就是用来确定该硬盘是第几个设备。第69页硬盘接口 因为硬盘容量增大和读写速度提升，必定要求硬盘接口有更高传输率，Intel和Quantum联合推出了最新硬盘接口标准Ultra DMA，它所采取数据传输方式与以往不一样。在PIO方式中，CPU直接进行读写控制，而Ultra DMA采取数据传输方式称为直接存放器存取数据传送方式，传输效率比 PIO模式高得多。Ultra DMA方式工作硬盘依然采取EIDE接口和主机相连。第70页 当前采取 Ultra DMA方式工作硬盘有Ultra DMA33和Ultra DMA66两种。Ultra DMA33硬盘是采取和 EIDE标准相同数据线与主板EIDE接口连接（一根40针数据线）。Ultra DMA66使用是 80针接口，这么就出现了与 EIDE接口不兼容问题，这个问题处理方法是在传统40针标准EIDE信号线和地线之间穿插了40条线，以此方法来实现与现行接线插口上兼容。SCSI是一个智能化接口，尤其适合于并发数据处理请求。与IDE接口相比，SCSI接口提供了更强扩充能力。SCSI接口能够以菊花链方式挂接7个不一样外部设备。现在PC机服务器经常采取SCSI接口。第71页（2 2）硬盘主要性能指标及选购）硬盘主要性能指标及选购 容量：硬盘容量指是硬盘中能够容纳数据量。转速：转速是指硬盘内部马达旋转速度，单位是RPM（每分钟转数）。平均寻道时间：平均寻道时间指是磁头抵达目标数据所在磁道平均时间，它直接影响到硬盘随机数据传输速度。缓存：缓存大小会直接影响到硬盘整体性能第72页磁带及其设备（1）磁带种类 可按磁带宽度可分 按磁带外形可分为两种：卡式盒带，磁带盒 按统计方式分为两种：纵向统计方式、螺旋扫描统计方式（2）磁带文件次序性 因为磁带介质很窄且极长，必须在两个轮盘之间有条不紊地传送、盘绕才能完成读写操作，这就决定了磁带统计次序性。然而，对于面积有限磁盘，人们能够面对整个盘面，直接读写某个磁道上、某个扇区内某个字段，完全无须从0磁道次序查到399磁道，这就决定了磁盘统计随机性。第73页光盘存放器1光盘存放器主要类型 固定型光盘，又叫只读光盘 追记型光盘，又叫只写一次式光盘 可改写型光盘，也叫可擦写型光盘2光盘驱动器 工作方式有两种，恒定线速度和恒定角速度。（1）恒定线速度（CLV）不论光驱读取头是在内轨还是在外轨读取数据，数据传输率都保持不变，而光驱转速随读取头在光盘轨迹位置而改变，读取头远离光盘中心，光驱转速逐步下降，使读取头在单位时间内扫过光盘相同轨迹长度，读取相同数据量，从而能够以相同速率读出全部数据。第74页（2 2）恒定角速度（）恒定角速度（CAVCAV）与CLV恰好相反，它是让数据传输率发生改变，保持光盘固定转速。光驱读取头从光盘中央向外圈移动时，数据传输率是递增，而且数据传输率完全取决于数据所存放位置。购置光驱主要应考虑两方面问题:其一是光驱倍速；其二是纠错能力，“纠错”能力实际上是对“烂盘”（盘片质量不太好、有缺点）“读盘”能力。第75页子系统内部连接（系统总线）总线结构1单总线结构 在单总线结构中，计算机系统部件如CPU、主存放器及输入输出设备等，都挂在一条总线上，它们之间以相同形式进行通信，故称单总线。CPU工作期间，单总线上信息流动能够描述以下：首先，CPU将PC内容（指令地址信息）和读命令（控制信息）送到总线，并将总线上全部设备与总线送来地址进行比较，只有与此地址相同设备（主存）才接收命令，执行对应操作（开启主存操作，将指令取出，经总线数据线送到CPU）；第76页 然后，CPU检验操作码，决定下一步要执行操作是在CPU内部进行，还是要经总线访问主存或1O设备。第77页2双总线结构 在这种结构中有两条总线：主存总线及输入输出总线。前者负责CPU与主存、通道之间信息传送；后者负责多台外部设备与通道及外部设备之间信息传送）。在CPU工作期间，取指令经过主存总线完成。指令取出后，CPU检验操作码决定下一步操作是在CPU内部进行还是访问主存或IO操作。若访问主存，则仍由主存总线完成；若IO操作，则交给通道去处理，经过输入输出总线完成。第78页第79页3三总线结构 三总线结构是指在计算机系统中各部件用3条各自独立总线组成信息通路。这3条总线是：主存总线，它负责CPU与主存信息传送；IO总线，它负责IO设备之间以及IO设备与CPU之间信息传送；DMA总线，即直接主存访问总线，它负责高速外部设备与主存信息传送。在计算机工作期间，CPU经过主存总线取到指令。然后，CPU检验操作码，决定下一步要执行操作是在CPU内部进行，还是要访问主存或IO设备。因为IO设备与主存不在一条总线上，所以IO设备寻址与主存单元寻址是不统一，即采取单独编址方法。第80页 CPU经过访存指令访问主存，指令中给出存放单元地址；CPU经过IO指令访问IO设备时，由指令中给出IO设备接口存放器地址。所以，指令操作码指示CPU将使用哪条总线。第81页 在三总线系统中，访问主存和访问IO设备各有单独指令。当IO指令地址码包括到高速外设时（如磁盘），将使用DMA总线，直接在主存与高速外设之间传送信息。三总线结构不允许外设之间直接传送信息，只能经过主存间接传送。总线控制与通信1总线控制方式 系统总线多采取集中控制方式，处理总线使用权控制问题。按各部件使用总线优先次序确实定方法不一样，集中控制与分布控制方式均对应有3种实现方法：串行链接、定时查询及独立请求。下面讨论集中控制方式3种实现方法。第82页（1）串行链接方式 串行链接方式，又称链式查询方式，需要在系统总线中增加3根控制线：总线忙（BS）线，它有效时，指示总线正在被某部件使用；总钱请求（BR）线，它有效时，指示总线上最少有一个部件请求使用总线；总线响应（BG）线，它有效时，指示总线控制部件正在响应某个部 件总线请求。在串行链接方式中，总线上全部部件共用一根总线请求线。若有部件请求使用总线时，均需经此线发总线请求到总线控制器。由总线控制器检验总线忙否，若总线不忙，则马上响应，即发总线响应信号，经总线响应线BG串行地从一个部件送到下一个部件，依次查询。第83页 若响应信号抵达部件无总线请求，则该信号马上传送到下一个部件；若响应信号抵达部件有总线请求，则信号便截住，不再传下去。第84页串行链接方式特点是采取硬接线逻辑，将各部件扣链在总线响应线上。所以，优先级则固定，有较高实时响应性。另外，只需极少几根控制线就能按一定优先次序，实现总线控制，结构简单，扩充轻易。（2）定时查询方式 定时查询方式采取一个计数器控制总线使用权。它仍公用一根请求线，当总线控制器收到总线请求信号，判断忙线不忙时，计数器开始计数，计数值经过一组地址线发向各部件，每个部件与总线接口都有一个地址判别线路。当地址线上计数值与请求使用总线设备地址一致时，该设备取得总线控制权，置忙线为“1”。同时，中止计数器计数及查询工作。第85页（3）独立请求方式在独立请求方式中，每个部件都有一对总线请求线（BR）和总线同意线（BG），而不采取共享请求线方式。第86页 当总线上部件需要使用总线时，经各自总线请求线发送总线请求信号，在总线控制器中排队。当总线控制器按一定优先次序决定同意某个部件请求时，则给该部件发送总线响应信号，该部件接到此信号，就取得了总线使用权，开始传送数据。第87页第88页第89页第六章 计算机网络网络OSI模型网络分类连接设备互连网与TCP/IP第90页网络计算机网络是利用当代通讯设备和线路,将分布在各个不一样地理位置、功效不一样且各自独立多个计算机系统连接起来，在网络软件支持下，实现相互通讯和资源共享系统。计算机网络主要功效：（1