计算机基础知识(计算机组成原理).ppt

第二章 计算机基础知识,2.1 计算机系统组成及工作原理2.2 计算机硬件基本组成2.3 计算机软件组成2.4 计算机运算及编码基础,2.1 计算机系统组成及工作原理,2.1.1 计算机系统组成2.1.2 计算机工作过程2.1.3 微型计算机主要性能指标,2.1.1 计算机系统组成,一个完整的计算机系统，包括两大部分，即硬件系统和软件系统。硬件系统是指构成计算机的物理设备，即由机械、光、电、磁等器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。如CPU、存储器、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、主机板、各种卡及整机中的主机、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器等等，整机硬件也称“硬设备”。软件系统则是指管理计算机软件和硬件资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，软件系统就是程序系统，也称为“软设备”。,2.1.1 计算机系统组成,计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行一个具体任务。硬件是计算机系统的物质基础，而软件又是硬件功能的扩充和完善。任何软件都是建立在硬件基础上的，任何软件也离不开硬件的支持。如果没有软件的支持，硬件的功能就不能得到充分的发挥。,2.1.1 计算机系统组成,冯诺依曼（Von Neumann）体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯 诺伊曼提出计算机的体系结构发生了许多变化，但Von Neumann提出的二进制、程序存储和程序控制，依然是普遍遵循的原则。,2.1.1 计算机系统组成,1.采用二进制表示数据和指令；2.采用存储程序即把程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定的任务；3.计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。,2.1.1 计算机系统组成,冯.诺依曼计算机结构框图（以运算器为中心）,输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器,程序,数据,结果,数据,结果,地址,指令,控制信号,数据线,地址线,控制线,2.1.1 计算机系统组成,1.运算器功能：在控制器控制下，进行算术运算和逻辑运算。运算器的技术性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。2.控制器功能：对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生并发送各部件所需要的控制信号，从而使整个计算机自动、协调地工作。控制器产生控制信号都是基于程序指令的。控制器是计算机的控制指挥部件，也是整个计算机的控制中心。,2.1.1 计算机系统组成,3.存储器 功能：存放指令和数据。分为主存储器（主存）和辅助存储器（外存）主存：采用半导体集成电路制成，可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）外存：大多采用磁性和光学材料制成，如磁盘、光盘、U盘等。,2.1.1 计算机系统组成,4.输入设备输入设备是给计算机输入信息的设备。如键盘、鼠标、摄像头等。功能：将外界的信息转换为计算机能识别的二进制代码。5.输出设备功能：将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式（文字、图片、声音等）。常用输出设备包括显示器、打印机、音响设备等。,2.1.2 计算机工作原理,现代计算机均遵照冯诺依曼体系结构，计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备以及将它们连结为有机整体的总线构成,2.1.2 计算机工作原理,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,CPU,控制指令,控制指令,取数据,存数据,现代计算机结构框图（以存储器为中心）,2.1.2 计算机工作原理,实质:执行程序过程.执行程序的过程:逐条执行指令的过程.指令执行过程取指令：CPU从存储器某个地址取出要执行的指令。译码：对取出的指令代码进行译码分析，确定什么类形指令。执行指令：根据译码结果，控制单元向各个部件发送为执行该指令所需要的一切控制信号，以正确执行该指令。,2.1.1 计算机系统组成,计算机在执行程序过程中，有2种信息在流动。一种是计算机指令，它从存储器流入控制器，并变成整个计算机系统的控制信号。另一种是数据，从输入设备流入存储器，再流入执行部件如运算器，运算结果流入存储器或输出设备。前一种信息为“指令流”，后一种信息为“数据流”,2.1.2 计算机工作原理,例：设有一台计算机，其字长为32位，通用寄存器有16个（需要4位二进制寻址），指令操作码为8位，存储单元地址为20位，其部分指令如下表。,2.1.2 计算机工作原理,（1）程序流程图 yax2bxc(axb)xc 根据变换后的算法，用方框图描绘出计算的步骤：（2）存储单元分配 原始数据（a,b,c,x）：主存地址：00407H0040AH 计算结果：保存在0040BH单元。（3）编制程序 设程序的首地址：00400H单元，编制的程序见下表,2.1.2 计算机工作原理,2.1.2 计算机工作原理,（4）运行程序在引导程序的控制下，通过输入设备将其输入到存储器的指定存储区。程序输入后，引导程序将强迫程序计数器PC内容为程序的首令地址（简单的机器，也可以通过控制台将程序首地址装入PC，再启动机器运行）。在本例中，PC被置为00400H，之后计算机开始了指令执行的工作过程。,2.1.2 计算机工作原理,（4）运行程序计算机开始了指令执行的工作过程。首先从00400H单元取指令01100407H到IR，PC加1变为00401H，IR的内容经译码识别出是取数指令，在执行指令阶段，将00407H单元的数a读到R1寄存器；接着控制器又进入取指令阶段，从00401H单元中取出指令410040AH到IR，PC内容加1变为00402H，IR中的指令经译码识别出是乘法指令，于是在执行指令阶段，从0040AH单元取出被乘数x，它与R1中的乘数a都送入ALU中进行乘法运算，乘积存入R1；接着又从00402H单元取出新的指令并执行之。如此逐条执行程序中的每条指令，直到从00406H单元中取出指令FFH，执行停机指令，使控制单元不再循环发出节拍信号，机器也停止了指令执行过程。,2.1.3 计算机主要性能指标,1、机器字长字长以二进制为单位，是计算机微处理器一次能同时处理的数据的二进制位数，它直接关系到计算机的计算精度、功能和速度。2、运算速度计算机的运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数，是平均运算速度。用MIPS（百万次/秒）来描述。时钟频率是决定运算速度的重要指标：是指微处理器在单位时间（秒）内发出的脉冲数。时钟频率越高，其运算速度就越快。一般时钟频率用兆赫（MHz）为单位。如Pentium III 800的主频为800MHz。,2.1.3 计算机主要性能指标,3、存储容量内存反映了内存储器存储数据的能力。存储容量越大，其处理数据的范围就越广，并且运算速度一般也越快。内存的容量可以根据需要在原来的基础上进行扩充。通常，微机的档次越高，其扩充的内存容量也越大。目前微型机的内存容量可达512M。除内存外，外存（如硬盘、U盘）存储容量很大。存储容量=存储单元个数存储字长单位：字节1字节（B）=8位 度量：1K=210，1M=220，1G=230,2.1.3 计算机主要性能指标,4、可靠性和可维护性可靠性以平均无故障的时间表示。可维护性以平局修复时间表示。5、兼容性、性价比、网络功能6、外设配置、软件配置,2.2 计算机硬件基本组成,中央处理器CPU2.2.2 存储器2.2.3 输入/输出设备 总线与接口的基本概念,2.2.1 中央处理器CPU,CPU（Central Processing Unit）：是运算器控制器的统称，通常集成（封装）在一块芯片上。它是整个计算机的核心部分。功能：负责读取并解释、执行指令。,2.2.1 中央处理器CPU,运算器：执行算术运算和逻辑运算算术逻辑单元（ALU）：算术运算：加、减、乘、除逻辑运算：比较、与、或、非、移位累加器：一种通用寄存器，暂时存放操作数和运算结果【操作数：一条指令包含操作码和地址码，操作 码指定计算机进行何种操作，地址码指定进行 操作的数据的保存的地址。】通用寄存器组：暂存操作数或数据地址【联系：累加器属于通用寄存器，运算更快】状态寄存器：存放ALU在工作中产生的状态信息。如有 无进位，有无溢出，结果正负、是否零等。,2.2.1 中央处理器CPU,控制器功能：根据程序中每条指令的操作发出相应的控制信号，对计算机系统的其他各部分进行协调与控制，并对输入和输出设备的运行进行监控。指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的指令，在指令执行过程中它决定指令的操作性质及参与操作的操作数地址。指令计数器（程序计数器，PC）：给出程序中下一条指令（要求计算机进行基本操作的命令）在存储器中的单元地址。译码器：对指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作，并确定指令操作对象（操作数地址和操作结果的存放地址）。,2.2.1 中央处理器CPU,寄存器：寄存器是CPU中内部少量的存储单元功能：进行CPU内部数据的缓冲或记录当前的系统状态和信息。特点：存储速度快,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标1.运行速度：常用单位时间内执行多少条指令来表示：MIPs决定CPU速度的第一个要素是数据总线宽度，它是用位(8、16、32或64)来衡量的。总线宽度决定了计算机可同时处理的位数，这一数目也就是计算机中“字”的长度。如16位计算机中“字”长16位。时钟频率指的是1秒钟内系统时钟脉冲的次数，时钟周期越短，主频越高，运算速度就越快；,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标2、地址总线计算机内存组织中包含若干个存储单元，每个存储单元有一个唯一的编码，称为地址。地址不变，只是存储在那里的数据可以改变。因此，CPU到存储器的连线除了数据总线之外，还包括地址总线，CPU通过地址总线向内存发送地址信息，找到指定的存储单元，通过数据总线读写存储单元中的数据。而CPU地址总线的宽度决定了存储单元的最大数目，如20根地址线的内存最多有220=1MB个单元。,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标3.兼容性：特定CPU的机器语言必须使用该CPU的指令集（告诉CPU如何操作的具体指令集合）。由于各处理器都有特定的指令集，为某种计算机设计的程序在另一种计算机上可能无法运行。可在给定计算机上运行的程序即与该计算机的处理器兼容。微处理器制造商在推出新型号产品时，必须仔细考虑兼容性问题。特别地，制造商必须决定是否使新的芯片与以前的型号向下兼容。具有向下兼容性的芯片能够运行早期芯片上的程序。,2.2.2 存储器（Memory）,存储器：功能：存放指令和数据。必须将程序和数据预先存放在存储器中。概念：存储单元：存储二进制信息的部件，每个单元可以存放一个字或字节的信息，存储器就是存储单元的集合。单元地址：存储单元的编号，是区分存储器中不同存储单元的唯一标志。操作：存储器读操作：从存储器取出数据，又称为读出。存储器写操作：向存储器存放数据，又称为写入。,2.2.2 存储器（Memory）,存储器指标：容量、速度和价格单位：内存容量一般以字节（Byte，B）为单位，1个字（Word，W）等于2个字节。目前，用来度量主存容量的单位主要有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）和皮字节（PB）。分类：主存、外存、高速缓冲,2.2.2 存储器（Memory）,1、主存功能：用于存放正在运行的程序和程序执行中需要用到数据构造：主存最基本构件是存储单元电路（RS锁存器）若干存储单元电路构成存储单元若干存储单元按一定的拓扑结构排列构成主存芯片若干芯片排列成一块内存条若干内存条配置围计算机主存分类：RAM与ROM,512M DDR400内存条,2.2.2 存储器（Memory）,1、主存随机读写存储器(RAM,Random Access Memory)既能读取又能写入信息，可以读写主存储的任何单元；一般用户都是使用这部分内存区域。在断电后信息会丢失，一般存放正在运行的程序和数据。只读存储器（ROM，Read Only Memory）ROM内容不允许随意改变，只能读出其中的内容一般存放计算机系统数据以及计算机启动时的初始程序和数据。启动计算机的指令保存在称为ROM BIOS（基本输入输出系统）芯片的特殊芯片中。,2.2.2 存储器（Memory）,1、主存问题：CPU执行指令的速度远高于内存的读写速度，因此，内存制约了CPU的执行效率。解决方法：多级存储器高速缓存（Cache）与主存构成Cache存储系统，解决CPU与主存间速度不匹配的矛盾。辅存与主存构成虚拟存储系 统，弥补主存容量的不足。,2.2.2 存储器（Memory）,2、高速缓冲存储器（Cache）特点：存储速度比主存快，比CPU内部寄存器慢；容量较小，常置于CPU与主存之间。功能：存放当前内存中使用最多的程序和数据，并以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和数据。当CPU要存取主存中的某个信息时，首先CPU检查Cache，若Cache中有该信息，就直接访问，若没有，CPU将从主存中将包含该信息的数据块复制到Cache中，CPU再访问Cache，读写该信息。,2.2.2 存储器（Memory）,3、辅存（外存储器）由于计算机的内存(RAM)具有易失性，必须将数据由内存传递给磁盘之类的永久性存储设备才能长久保存数据。这类存储器通常称为外存。功能：用来存放暂时不执行的程序和数据。特点：只能与主存交换信息，不能直接与CPU交换信息容量大、可靠性高、价格低。再脱机情况下，能永久地保存信息，但其存储速度慢。主要包括：磁盘存储器、光盘存储器和优盘存储器。,2.2.2 存储器（Memory）,3、辅存（外存储器）（1）磁盘存储器,3.5”软盘,硬盘片及硬盘驱动器,2.2.2 存储器（Memory）,3、辅存（外存储器）（2）光盘存储器 CD-ROM：只读光盘，不可重写，成本低廉。MOD：可擦写型光盘。WORM-CD：一次性写入，多次读出。,2.2.2 存储器（Memory）,3、辅存（外存储器）（3）优盘存储器也称U盘，是一种快速、方便的可移动闪存设备。相对软盘而言，优盘的容量更大、读写更快、寿命更长、体积更小、使用和携带都很方便，因而在问世之时就被人称为“软盘软驱的终结者”。,2.2.3 输入/输出设备,又称外部设备，实现外部世界与主机之间的信息交换，提供人机交互的硬件环境。输入设备（Input Device）功能：将参加运算的数据和程序送入计算机，并将它们转换成计算机能识别的信息，一般均通过接口主机连接。输出设备（Output Device）功能：将计算处理的结果转化为人或其他设备所能识别或接收的信息形式的装置，也需通过设置接口主机连接,2.2.3 输入/输出设备,输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪 键盘：微机键盘广泛采用101/104键盘，其布局来自打字机，称为QWERT键盘。,104标准键盘,肖尔斯及其发明的QWERTY打字机,2.2.3 输入/输出设备,输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪 鼠标：美国科学家道格拉斯恩格尔巴特在1964年发明，恩格尔巴特因此而获得1997年图灵奖。,2.2.3 输入/输出设备,输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪 写字板 扫描仪,2.2.3 输入/输出设备,输出设备：如显示器、打印机、绘图仪 显示器,CRT显示器,LCD显示器,显示卡,2.2.3 输入/输出设备,输出设备：如显示器、打印机、绘图仪 打印机,针式打印机,喷墨打印机,激光打印机,2.2 计算机硬件基本组成,计算机硬件系统,主机,外部设备,中央处理器,输入输出接口,内存贮器,运算器,控制器,外存储器,输入设备,输出设备,存储器,2.2.4 总线与接口的基本概念,总线（Bus）连接计算机各部分进行信息传送的一组公共传输线。总线可理解为是由并行线路组成的“高速公路”，是传送字节所需要的通道。控制器和运算器以及计算机内的所有部件都是通过总线连接的。,图 以总线连接的计算机组成框图,2.2.4 总线与接口的基本概念,总线分为内部总线、系统总线和外部总线系统总线包括：内部总线：指芯片内部连接各元件的总线 系统总线：指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线，分为地址、数据、控制总线。外部总线：是微机CPU和外部设备之间的总线,2.2.4 总线与接口的基本概念,系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线地址总线（Address Bus，AB）用于给出源数据或目的数据所在主存单元或I/O端口的地址是单向传送：只能从CPU传向外部存储器或IO端口 数据总线（Data Bus，DB）用于CPU 与主存储器、CPU 与I/O 接口之间传送信息。数据总线的宽度决定每次能同时传输信息的位数。是决定计算机性能的主要指标。计算机总线的宽度等于计算机的字长。目前，微型计算机采用的数据总线有16位、32位、64位等几种类型。具有双向传送功能:CPU 存储器或I/O,2.2.4 总线与接口的基本概念,系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线控制总线（Control Bus，CB）控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和IO接口电路的，如读写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的。,2.2.4 总线与接口的基本概念,系统总线的性能指标：总线的带宽：指的是单位时间内总线上可传送的数据量。总线的位宽：指总线能同时传送的数据位数。总线的工作频率：工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。总线带宽=总线位宽/8总线工作频率MB/s,2.2.4 总线与接口的基本概念,总线标准为了使计算机产品成为全国范围内即插即用的工业化组装件，确保外设能与任一新计算机相联，近几十年来计算机工业界制定了许多工业标准总线。a、机械结构、尺寸、引脚的分布位置；b、数据线、地址线的宽度，传送规模；c、总线主设备数；d、定时控制方式，同步，异步，半同步 系统总线的标准：ISA、EISE、VESA、PCI、USB、AGP,2.2.4 总线与接口的基本概念,总线标准：PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。从总线数据宽度上看，PCI总线有32bit、64bit之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。目前流行的是32bit 33MHz，最高可以达到64bit 133MHz，可得到超过1GB/s的数据传输速率。,2.2.4 总线与接口的基本概念,总线访问CPU通过总线访问主存或外设，称为总线访问或总线操作。CPU的动作不外乎内部操作和总线操作两种。CPU内部操作并不需要通过总线，非常快。,2.3 计算机软件组成,系统软件2.3.2 应用软件,2.3 计算机软件组成,能指挥计算机工作的程序与程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料。软件是计算机系统的重要组成部分，它与硬件息息相关，缺少了任何一个，计算机系统都不能发挥其作用。,2.3 计算机软件组成,(1)、系统软件(2)、应用软件：又称为应用程序，它是用户在各自不同的应用领域根据具体的任务需要所开发编制的各种程序。如信息管理软件、文字处理软件、图形软件、工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、科学计算程序等。,2.3 计算机软件组成,系统软件是指管理、调度、监视和维护计算机系统软硬件资源的程序集合，使系统资源得到合理调度，确保高效率运行。常用的系统软件有：（1）操作系统（2）语言处理程序（3）数据库管理系统（4）服务性程序（5）网络管理软件,2.3 计算机软件组成,操作系统（Operating System）功能管理计算机系统的各种软、硬件资源，使其被高效使用；为计算机系统和用户之间提供接口，为用户提供方便。操作系统是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，任何其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。,2.3 计算机软件组成,计算机语言处理程序是用某种计算机程序设计语言按问题的要求编写而成的。程序就是指令的有序集合。1、机器语言：由0和1按一定规则排列组成的一个指令集；它是计算机唯一能识别和执行的语言。优点是执行效率高、速度快。主要缺点是直观性差，可读性不强 2、汇编语言：用助记符来表示机器指令中的操作码和操作数的指令系统。可读性增强，执行速度快，但仍是一种面向机器的语言，编制程序的效率不高，难度较大，维护较困难，属低级语言。3、高级语言：一种更接近于人类自然语言和数学语言的语言，用高级语言编写程序可以大大减少编程人员的劳动，因此它也具有较好的可移植性。,2.3 计算机软件组成,计算机语言处理程序功能：将高级语言编写的程序翻译成计算机能识别和执行的二进制机器指令，然后供计算机执行。又称为翻译程序。语言处理程序分为两种：编译程序：将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句全部翻译成机器语言程序，然后再执行机器语言程序。解释程序：将源程序的一条语句翻译成机器语言程序，并立即执行，接着再翻译源程序的下一条语句并执行，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。它的特点是翻译一次执行一次。,源程序,机器语言程序,运行结果,编译、汇编、连接,解释,2.3 计算机软件组成,计算机运行程序过程,2.3 计算机软件组成,应用程序,语言处理程序及其它系统软件,操作系统级,机器指令系统,微程序设计级（硬件）,2.3 计算机软件组成,计算机解题过程：1、提出问题和任务；2、建立模型，用适合于程序设计的方式描述算法过程；3、用某种语言编制程序；4、编译为机器语言程序；5、在硬件上执行程序，实现任务。,二.计算机的系统组成,计算机系统,硬件系统,软件系统,应用软件,系统软件,操作系统语言处理程序数据库管理系统,外围设备,主机,数据处理程序自动控制程序企业管理程序科学计算程序,外存储器：磁盘、磁带、光盘等输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图仪等,中央处理器（CPU）：运算器、控制器内存储器：ROM、RAM,小结,