第二章 计算机系统及计算原理

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1、大学计算机基础,1,第二章,计算机系统及计算原理,大学计算机基础,2,本章主要内容,计算机系统组成 微型计算机的结构 计算原理 信息表示与处理,大学计算机基础,3,本章主要内容,计算机系统组成 微型计算机的结构 计算原理 信息表示与处理,大学计算机基础,4,计算机系统组成,大学计算机基础,5,计算机系统组成,-硬件系统,计算机硬件系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。 目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机的经典结构冯诺依曼结构，即采用总线结构将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件连接起来。 其中，运算器和控制器构成了计算机的核心部件中央处理器（Ce

2、nter Process Unit，简称CPU）。,大学计算机基础,6,计算机系统组成,-硬件系统,大学计算机基础,7,计算机系统组成,-硬件各部份功能,运算器：算术运算或逻辑运算 控制器：取指令、译码、执行指令 存储器：保存信息 内存：ROM(只读存储器) RAM(随机存储器，断电后信息全部丢失) 外存：磁盘(软盘、硬盘)、光盘、磁带 输入设备：输入数据(键盘、鼠标、光笔等) 输出设备：输出数据(显示器、打印机、绘图仪等),大学计算机基础,8,计算机系统组成,-计算机软件系统,软件系统由计算机程序、数据和有关的技术资料组成。程序是指挥计算机工作的步骤；技术资料包括软件和硬件的技术说明、使用方

3、法和操作手册等文档。软件是计算机的“灵魂”。 “裸机”是只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为，裸机几乎是不能工作的。,系统软件： 操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 支持软件,应用软件： 程序库 软件包 套装软件 用户开发的系统,软件系统,系统软件 应用软件,大学计算机基础,9,计算机系统组成,-计算机操作系统,操作系统是系统软件中最重要的部分，功能是对计算机系统的全部硬件和软件资源进行统一管理、统一调度、统一分配。 操作系统为用户提供了一个操作方便的环境，是用户与计算机的接口，同时又是用户进行软件开发的基础，其他的系统软件和应用软件必须在操作系统的支持下才能合理调度工作流程，正常的工作

4、。,大学计算机基础,10,1计算思维是运用计算机科学的_进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。 A思维方式 B程序设计原理 C基础概念 D操作系统原理 2计算思维最根本的内容，即其本质是_和自动化。 A计算机技术 B递归 C并行处理 D抽象 3科学思维概括起来又可分为：_。 A理论思维 B实验思维 C计算思维 D抽象思维 4 计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像_那样地思考。 5.计算是我们的抽象方法的自动化处理过程，而计算思维活动则是：先进行正确的_，再选择正确的“计算机”去完成任务。,计算思维简述,大学计算机基础,11,计算机系统组成

5、,-指令和程序,指令是能被计算机识别和执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令告诉计算机进行什么操作，从什么地址取得操作数，运算结果送到什么地址等信息。一台计算机能够识别的所有指令的集合称为该计算机的指令系统。,当人们需要计算机完成某项任务的时候，首先要将任务分解为若干个基本操作，并将每一种操作转换为相应的指令，按照一定的顺序组织起来，这种组织起来的指令集合就是程序。计算机完成的任何任务都是通过执行程序完成的。,大学计算机基础,12,计算机系统组成,-指令和程序,指令通常由两部份组成，即操作码和操作数。操作码规定指令应进行的操作，而操作数指明欲处理的数据从什么地址获取。,不同类

6、型的计算机，其指令系统是不同的，但都应具有以下基本功能： 数据传送指令 数据处理指令 控制指令 输入/输出指令,执行什么操作,欲处理的数据或数据地址,大学计算机基础,13,计算机系统组成,-计算机工作原理,存储程序工作原理(存储程序、程序控制) 计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成 程序和数据在计算机中用二进制数表示 计算机工作时逐条从内存取出指令加以分析执行 计算机的工作过程是由存储程序控制的,1949 EDSAC,John von Neumann 冯诺依曼 美籍匈牙利数学家,大学计算机基础,14,计算机系统组成,-计算机的工作过程,按照存储程序和程序控制原理，计算机工

7、作过程如下图所示：,大学计算机基础,15,计算机系统组成,-计算机的工作过程,计算机的工作过程就是执行程序的过程。 通过输入设备将程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。 执行一条指令的过程是： 读取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作 执行指令：CPU向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作,大学计算机基础,16,计算机系统组成,-计算机的工作过程,早期的计算机系统，指令的执行是以线性顺序方式进行的，其过程如图所示。,线性顺序的处理方式优点是控制逻辑

8、简单，设计和实现容易，缺点是处理器执行的效率不高，因为取指令、分析指令、执行指令都是由不同的功能部件完成的，按照线性顺序操作流程，容易造成某功能部件的空闲，所以各功能部件不能充分发挥其作用。,图 指令顺序执行方式,大学计算机基础,17,计算机系统组成,-计算机的工作过程,为了提高计算机的运行速度和执行效率，在现代计算机系统中，引入了流水线控制技术，使负责取指令、分析指令、执行指令的部件并行工作，其执行过程如图所示,图 指令流水执行方式,大学计算机基础,18,操作系统是对计算机硬件和软件资源进行统一管理、统一调度、统一分配的系统软件 A对 B错 2.下列四种软件中，属于系统软件的是_。 A. W

9、PS B. Word C. Windows D. Excel 3. 计算机指令一般包括_。 A.数据与指令 B.操作码与操作数 C.区位码与国际码 D.编译码与操作码 4. 内存储器的每一个存储单元都被赋予唯一的一个序号，作为它的_。 A.地址 B.标号 C.容量 D.内容 5.什么叫存储程序和程序控制？,计算机系统组成,大学计算机基础,19,本章主要内容,计算机系统组成 微型计算机的结构 计算机中数的表示 数据表示,大学计算机基础,20,微型计算机的结构,-主机的逻辑构成,大学计算机基础,21,微型计算机的结构,-主机的逻辑构成,微处理器：是计算机硬件系统的核心部件，负责控制和协调整个计算机

10、系统的工作，也称为CPU，由三部件组成： 控制器：微机控制指挥中心，主要功能是识别和翻译指令代码，产生控制信号，保证微机协调一致地工作。 运算器：对数据进行加工、运算的部件。 内部寄存器和高速缓存：暂存数据、指令和地址的部件和解决cpu速度匹配。,大学计算机基础,22,内存储器：又称主存，是微型机主机的组成部分，存放当前正在使用或随时要使用的程序和数据，是CPU可以直接访问的存储器。 只读存储器(ROM)：只能读出而不能写入，存放固定不变、重复使用的程序和数据。 随机存储器(RAM)：能读出和写入数据，分为静态存储器(SRAM)和动态存储器(DRAM),微型计算机的结构,-主机的逻辑构成,大学

11、计算机基础,23,微型计算机的结构,-输入输出接口,主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过I/O接口才能完成信息传送。 I/O接口所起的作用是： 数据缓冲。解决高速主机与低速外设间的矛盾 信号格式配合。处理外设与CPU之间不同的信息格式，如A/D、D/A转换，串/并、并/串转换 电平和驱动能力配合。使外设和主机的信号电平一致，并提高CPU信号的驱动能力 时序配合。使主机与外设协调工作 设备选择。每台外设都有设备地址,大学计算机基础,24,微型计算机的结构,-输入输出接口,大学计算机基础,25,微型计算机的结构,-计算机总线,计算机系统结构复杂，各部件之间信息交流频繁，需要有一个能够有效高

12、速度传输各种数据的通道，这就是总线。总线由一组导线和相关的控制、驱动电路组成，在微机中被作为一个独立部件来看待。 按照传送信息的类型总线分为：数据总线(用于传送数据,位数等于机器字长)、地址总线(用来传送存储单元或输入输出接口的地址信号，位数决定存储器的最大容量)、控制总线(传送控制器的各种控制信号 )。,例:猜姓名,5： 姜戚谢邹喻柏水窦章云苏潘葛奚范彭郎鲁韦昌马苗凤花方俞任袁柳都鲍史,4： 杨朱秦龙许何吕施张孔曾严华金魏陶郎鲁韦昌马苗凤花方俞任袁柳都鲍史,3： 王冯陈褚卫蒋沈韩张孔曹严华金魏陶章云苏潘葛奚范彭方俞任袁柳都鲍史,2： 李周吴郑卫蒋沈韩许何吕施华金魏陶喻柏水窦葛奚范彭马苗凤花柳

13、为鲍史,1： 钱孙吴和陈褚沈韩秦尤吕施曹严魏陶谢邹水窦苏潘范彭韦昌凤花任袁鲍史,0： 赵孙周陈冯褚蒋韩朱尤何施孔严金陶戚邹柏窦云潘奚彭鲁昌苗花合袁都史,告诉我：你的姓落在哪些框里？,大学计算机基础,27,微型计算机的结构,-计算机总线,微型计算机总线一般分为三个层次，第一层次是微处理器级总线，也叫CPU总线，由CPU引角上引出，实现CPU与内存及外围控制芯片的连接。第二层是系统级总线，也称I/O通道总线，用于CPU与各种接口卡的连接。第三个层次的总线是外设总线，是计算机与外部设备接口的总线。 常见的系统级总线标准有：ISA、EISA、VESA、PCI、AGP总线。常用的外设总线有：IDE、SC

14、SI、USB和IEEE1394。,大学计算机基础,28,微型计算机的结构,-计算机总线,ISA总线：工业标准总线，16位，8MHz，数据传输率8Mb/s，寻址空间1MB EISA总线：1988年推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线。 VESA总线：1992年推出的一种局部总线。它定义了32位数据线，可通过扩展槽扩展到64 位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。,大学计算机基础,29,微型计算机的结构,-计算机总线,PCI总线：外部设备互联总线，1991年推出，32或64位，33MHz，数

15、据传输率133Mb/s. AGP是图形显示卡专用总线，大幅提高了电脑对3D图形的显示能力，32位，66.6MHz，其视频信号的传送速率可以从PCI总线的133MB/s提高到266 MB/s、 533MB/s、1.064 GB/s和2.128GB/s。 IDE、SCSI、USB总线：这是三种外设总线，IDE和SCSI一般只用于硬盘，IDE造价便宜，SCSI速度快。USB可用于更多外设，而且速度更快。,大学计算机基础,30,微型计算机的结构,-微机物理构成示意图,大学计算机基础,31,微型计算机的结构,-微机主机板,微型计算机的主机板,大学计算机基础,32,微型计算机的结构,-微机物理构成,CPU

16、及CPU插座,芯片组 北桥芯片提供对CPU、内存、AGP显卡等高速部件的支持以及与PCI总线的桥接； 南桥芯片提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与ISA总线的桥接。,大学计算机基础,33,微型计算机的结构,-微机物理构成,微机CPU的主要性能指标有主频、外频、前端总线频率（FSB）、字长、核心数量、制作工艺等。 主频。主频是指CPU的时钟频率或工作频率（单位Hz）。一般来说，一个时钟周期内执行的指令数是固定的，所以主频越高，运算处理速度也就越快。 外频。外频是指系统级总线的时钟频率或工作频率，是CPU到芯片组之间的总线速度，目前CPU外频可达400MH