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1、北京大学计算概论(C语言)经典课件Lecture_2硬件及软件计算概论(Introduction to Computing) 主讲人：马思伟北京大学数字媒体研究所/ 计算机系统-硬件和软件提纲计算机系统组成计算机硬件系统计算机基本工作原理计算机软件系统计算机系统的组成计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器控制器内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)外存储器硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备显示器、打印机、绘图仪软件系统软件操作系统语言处理系统系统服务程序应用软件文字处理软件信息管理软件图形软件辅助设计软件各种程序包计算机系统的组成层次关系硬件系统操
2、作系统应用软件WindowslinuxUnixNotepadPaintbrushCalculatorWordgames计算机系统的组成硬件和软件的关系互相依存无严格界面 相互促进 例如mp3，DVD player提纲计算机系统组成计算机硬件系统计算机基本工作原理计算机软件系统计算机硬件系统从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机箱内有主板（包括CPU和内存、总线扩展槽）、外存、输入输出接口电路等，如下图所示：计算机硬件系统计算机硬件系统计算机硬件系统内存插槽 扩展插槽主板(mainboard)主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有CPU插槽/插座、内存插槽、扩展总线、高速缓存、时钟
3、和主板BIOS，软/硬盘、串口、并口等外设接口、控制芯片等。计算机硬件系统微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总线组成。 微 处 理 器CPU 主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等软、硬盘驱动器ABDBCBCPU (Central Processing Unit)中央处理器CPU：它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片MCU集成了片上外围器件；MPU不带外围器件（例如存储器阵列），是高度集成的通用结构的处理器，是去除了集成外设的MCU；DSP运算能力强，擅长很多的重复数据运算，而MCU则适合不同信息源的
4、多种数据的处理诊断和运算，侧重于控制，速度并不如DSP。 CPU的主要组成：运算器、控制器、寄存器组CPU主要技术指标1) 主频: (Mhz)2) 字长: 8位,16位,32位,64位等3) 执行速度: (MIPS)4) 指令系统:CISC: 复杂指令集计算机RISC: 精简指令集计算机Intel CPU19871年，Intel 4004 4bits1978年，Intel 8086 16bits， 8MHz1982年，Intel 80286 16bits, 20MHz1985年，Intel 80386 32bits, 12.5MHz40MHz1989年， Intel 80486 32bits,
5、 25MHz50MHz1993年，奔腾（586）60120MHz.其他：TI, AMD，Cyrix，VIA.指计算机系统中能够为多个部件共享的一组公共信息传输线路，按功能和规范分类片总线(Chip Bus, C-Bus) : CPU内部的信息传输通路内总线(Internal Bus, I-Bus)，又称系统总线，各模块之间的信息传输通路。例如CPU和存储器或I/O接口之间的传输通路外总线(External Bus, E-Bus) ， 是微机系统之间或微机系统与其他系统之间的信息传输的通路总线(BUS)总线(BUS)系统总线：按功能和传输信息的种类分为数据总线（DB）：用于CPU与内存或I/O接
6、口之间的数据传递，它的条数取决于CPU的字长，信息传送是双向的。地址总线（AB）：用于传送存储单元或I/O接口的地址信息，它的条数决定了计算机内存的大小。(16条地址总线 ? 内存大小为216)。控制总线（CB）：传送控制器的各种控制信息，它的条数由CPU的字长决定，信息传送是单向的，只由CPU发出。常用系统总线标准ISA (Industry Standard Architecture) 工作频率8MHz，数据传输宽度16位，数据传输速率高达8Mbit/s。PCI (Peripheral Component Interconnect)工作频率33MHz，数据传输宽度32/64位，数据传输速率高
7、达133Mbit/s。AGP (Accelerated Graphics Port)加速图形端口，用于提高图形处理能力常见的外部总线标准外部总线:主机与外设的接口IDE (Integrated Device Electronics)Compaq开发，Western Digital公司生产的控制接口SCSI (Small Computer System Interface)USB (通用串行总线)IEEE 1394 总线的宽度总线数据传递都采用并行传递方式。数据总线的宽度一般和CPU芯片的数据相一致目前CPU一般采用32位或64位的数据总线数据总线宽度决定了一次传送数据量的大小CPU的地址总线宽
8、度决定了主存储器地址空间的大小，32位地址（4G）存储器微型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能。 随机存储器 RAM只读存储器 ROM可编程只读存储器 PROM可改写只读存储器 EPROM磁盘存储器：、存储器主存储器（内 存）软磁盘硬磁盘 光盘存储器外存储器（辅助存储器）微型机中的存储系统通用寄存器高 速 缓 存主 存 储 器联 机 外 存脱 机 外 存微型机中的存储系统主存和高速缓存之间的关系Cache的引入：为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运算速度,在CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大,但速度很快的存储
9、器。主存和高速缓存之间的关系主存速度快，容量受限,单位成本高, 断电丢失信息。辅存容量大,信息长久保存,单位成本低，但存取速度慢CPU正在运行的程序和数据存放在主存暂时不用的程序和数据存放在辅存。辅存只与主存进行数据交换 微型机中的存储系统虚拟存储系统一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它是借助磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。有了虚拟存储器，用户无需考虑所编程序在主存中是否放得下或放在什么位置等问题。 内存储器(Main Memory)SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory )DDR S
10、DRAM (Double Data Rate SDRAM)允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据 内存储器(1) 特点存取速度较快，容量相对较小，(2) 分类 随机存取存储器(RAM) 系统关机后其存放的信息会丢失只读存储器(ROM)系统关机后其存放的信息不会丢失内存储器动态随机存取存储器 （DRAM）需要用电按一定周期刷新静态随机存取存储器（SRAM）不需要周期刷新，加电即保存高速缓冲存储器（Cache)Cache：指令Cache, 数据Cache, 一级Cache, 二级Cache内存储器(3) 几个概念：内存单元组成内存的基本单元每个单元存储一个字节(8位二进制)的数据单元的地址和内容内
11、存容量内存的操作内存单元的地址和内容地址: 每个单元对应的一个编号作用: 实现对单元内容的寻址地址从0开始内容: 存放的数据1011011038F04H内存地址单元内容内存容量内存容量: 内存中所含存储单元的个数，以字节为单位寻址容量: 由CPU地址总线的位数确定装机容量: 由实际安装的芯片(内存条)数量确定内存操作读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。外存储器联机外存 脱机外存硬磁盘软磁盘光盘可移动磁盘磁带机光盘存储器原理：运用光盘盘面的凸凹不平，表示“0” 和“1”的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘盘面，读取“0”和“1
12、”的信息。特点：记录密度高，存储容量大，数据保存时间长。光盘存储器只读型光盘(CD-ROM)，只能读取信息，不能写入，可提供680M的存储空间。一次写入型光盘(CD-R)，只能写一次，写后不能修改。可擦型光盘(CD-RW)，可以重复读写，但需要光盘刻录机操作。DVD: 数字视盘(4.7GB17.7GB)光盘存储器主要技术指标容量DVD 4GBHD DVD: 单面15GBBlue Ray Disk:单面27GB 传输率DVD 210Mbps蓝光Blue Ray Disk 36Mbps读写时间优盘与移动硬盘优盘：又名闪存盘。特点：防潮、耐高低温、抗震、防电磁波、容量大、携带方便等移动硬盘容量大，单
13、位存储成本低；速度快；兼容性好，即插即用；具有良好的抗震性能。接口(Interface)主板外部接口是用来连接键盘、鼠标、音箱、麦克风、显示器、电源线、电话线等其它外部设备的。输入/输出接口接口是CPU与外部设备间的桥梁CPUI/O接口外设接口要解决的问题速度匹配(Buffer)信号的驱动能力(电平转换器、驱动器) 信号形式和电平的匹配(A/D、D/A) 时序匹配(定时关系).接口的分类(1) 按传送信息方式串行接口和并行接口(2)按充当的角色输入接口和输出接口(3) 按传送信息类型数字接口和模拟接口显示器显示器显示器图像点阵其它外部设备话筒(microphone)音箱(speaker), 耳
14、机(earphone)手写输入游戏操纵杆/柄(Joy Stick)摄像头(video camera)数据手套(data glove).提纲计算机系统组成计算机硬件系统计算机基本工作原理计算机软件系统微型计算机的主要性能指标字长(CPU能同时处理数据的二进制数位数)时钟主频(单位时间内发出的脉冲数)内存容量外部设备配置硬盘(容量、转速、.)显示器(尺寸、分辨率、视频加速卡、.)声卡、网卡、.价格, .计算机的基本工作原理图灵机没有存储部分理论计算模型3个部件：有穷控制器、无穷带和读写头3个动作：改写当前格、左移或右移一格ENIAC也没有存储器读写头有穷控制器存储带 图灵机模型01John von Neumann冯?诺依曼
