计算机组成与基本工作原理.

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1、计算机系统组成与基本工作原理 计算机系统结构 John von Neumann 冯诺依曼 1949 EDSACEDSAC 一、计算机工作原理 冯诺依曼计算机存储程序工作原理 计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够 自动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序 的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序 中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指 令任务为止。 程序和指令 指令指令是一组计算机能识别并能执行的各种基本操作命令。 所有的指令的集合集合称为计算机的指令系统指令系统。 程序程序是为完成某项工作而用某种计算机语言 编写的一组指令的集合一组指

2、令的集合。 机器指令格式 操作码操作数 机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置） PCPC +1+1 n计算机执行指令的过程： 将要执行的指令从内存调入CPU，由CPU对该条指令进 行分析译码，判断该指令所要完成的操作，然后向相应部件 发出完成操作的控制信号，从而完成该指令的功能。 n程序的执行过程： CPU从内存中读取一条指令到CPU内执行，该指令执行 完，再从内存读取下一条指令到CPU内执行。CPU不断地读 取指令、执行指令，直至执行完所有的指令。整个过程由计 算机协同操作完成。 计算机工作原理 二、计算机硬件系统 n一台计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、 存储器、输入设备和

3、输出设备。这五大部分通过系统总 线完成指令所传达的操作。 计算机硬件系统基本结构 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成 主机主机是包含电源电源、存储设备存储设备和电电 路板路板的机箱，其中电路板上有计 算机的主处理器主处理器和内存内存。 显示器显示器是计算机的主要输出 设备，它将来自计算机显卡显卡 的电信号转换为屏幕上的彩 色亮点，从而形成图像。 硬盘驱动器硬盘驱动器一般 安装在系统单元 内，当其工作时 ，机箱上的指示 灯会亮。 软盘驱动器软盘驱动器将数据写 到软盘软盘上，当其工作 时，其指示灯就亮， 警告用户此时不要取 出软盘。 CD-ROMCD-ROM和和DVDDVD 驱动器驱动器采用

4、激光 技术从光盘光盘上读 取数据。 鼠标鼠标是一种输入 指示设备，帮助 用户操作对象并 选择菜单项。 键盘键盘作为多数计算机 的主要输入设备。 声卡声卡位于 系统单元 内，提供 到扬声器扬声器 、麦克风麦克风 和耳机耳机的 连接。 1、主机 n主机是计算机系统的核心，主要由中央处理器（ CPU）、内存、输入输出设备接口（I/O接口）、 总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内。 主机机箱外观观 图图 （1）主板 n主板(Mother Board, main Board, System Board) 是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它 部件和外部设备的连接载体。 （2）中央处理器 n中央

5、处理器CPU（Central Processing Unit）又称 中央处理单元。 nCPU由控制器和运算器组成，通常集中在一块芯 片上，是计算机系统的核心设备。 n计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器 之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。 中央处理器组成之 控制器 n控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个 部件完成一定的任务的部件。它一般由指令寄存器、指令译 码器、时序电路和控制电路组成。 运算器 n运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运 算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。计算机所 完成的全部运算都是在运算器中进

6、行的，根据指令所规定的 寻址方式，运算器从存储器或寄存器中取得操作数，进行计 算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是 加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储 参加运算的各种数据以及运算后的结果。 中央处理器CPU CPU CPU是计算机的 心脏，用来实现 程序控制功能（ 自动从内存中读 入指令和自动执 行指令）。 CPU结构示意图 地址总线 标 志 寄存器 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄存 器 指 令 指 针 寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 器 PC 数据总线 控制总线 ALU 8存储器是一种具有保存和存取信息 （程序、数

7、据）的设备/器件，是 计算机系统不可或缺的资源。 8现代微型计算机的存储系统结构： 高速缓存-主存-外存 为什么采用这种结构？ 指令执行速度依赖于内存读写速度 高速CPU需配置高速内存 大软件需配置大容量内存 高速度 低成本 大容量 （3）存储器与存储系统 矛盾 CPU 高速缓存 M1M2 . Mn 外存 2 外存 1 . 外存 n 主存 外存 寄存器 SRAM DRAM 硬盘、光盘、U盘等 信息的存储单位 位（Bit）：度量数据的最小单位 字节（Byte）：最常用的基本单位 K 字节1K = 1024 byte M（兆）字节1M = 1024 K G（吉） 字节1G = 1024 M T（太

8、）字节1T = 1024 G b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 1 0 0 1 0 1 0 11 0 0 1 0 1 0 1=2 2 7 7 + 2+ 2 4 4 + 2+ 2 2 2 + 2+ 2 0 0 =149=149 认识计算机内存 与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存内存， 不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存外存。 随机存取存储器RAMRAM 存放操作系统指令、软件指令、处理数据，分为DRAMDRAM和SRAMSRAM。 特点：可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时 存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。 虚拟内存虚拟内存 计算机使用磁盘空间

9、来模拟内存的能力 只读存储器ROMROM 存放系统初始化程序、操作系统引入程序、多种硬件驱动程序等。 特点：只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。 原来存储的内容是由厂家一次性写入的，并永久保存下来。 CMOSCMOS存储器 存放计算机的配置信息，如日期 和时间、硬盘容量、RAM容量等 n n 。 认识计算机外存 nCD-ROM光驱 n数据传输速率（Sustained data transfer rate）是 CD-ROM光驱最基本的性能指标，它是指CD-ROM 光驱在1秒的时间内所能读取的最大数据量。 n平均访问时间（Average access time）又称“平均寻 道时间”是指C

10、D-ROM光驱的激光头从原来的位置移 动到一个新指定的目标（光盘的数据扇区）位置并 开始读取该扇区上的数据这个过程中所花费的时间 。 nCPU占用时间（CPU loading）指CD-ROM光驱在 维持一定的转速和数据传输速率时所占用CPU的时 间。 nDVD-ROM nDVD-ROM是CD-ROM的后继产品，DVD-ROM盘片 的尺寸与CD-ROM盘片完全一致。但不同的是DVD 盘光道之间的间距由原来的1.6um缩小至0.74um， 而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83um缩小 到0.4um。这直接导致了单面单层的DVD盘的存储 容量可提高至4.7GB，是CD-ROM的7倍，而且DVD

11、 驱动器具有向下的兼容性，即也可以读取CD-ROM 的光盘。 nU盘 nFlash存储设备是一种非易失性半导体移动存储器。 它通过USB接口与计算机交换数据，通常被称为“优 盘”，又称为“闪存盘”。优盘具有即插即用的特点。 用户只需将它插入USB接口，计算机就可以实现自 动检测，在读写数据方面非常方便。由于优盘具有 存储容量大、抗震、价格便宜、便于携带等诸多优 点，故而已经取代软盘成为最常用的移动存储设备 。目前优盘的存储容量已经达到4GB以上，一般都 可重复擦写百万次以上。 输入设备 n输入设备是用来接受用户输入的原始数据 和程序，并将它们变为计算机能识别的二 进制数存放到内存中。常用的输入

12、设备有 键盘、鼠标、扫描仪等。 输出设备 n输出设备用于将存放在内存中由计算 机处理的结果转变为人们所能接受的 形式。常用的输出设备有显示器、打 印机等。 n微机显示系统由显示器和显示控制适配卡（ Adapter，简称显示适配卡或显示卡）组成。 n显示器 n显示器又称监视器（Monitor），是微机系统的标 准输出设备，它能快速地将计算机输入的原始信 息和运算结果直接转换成人能直接观察和阅读的 光信号，输出信息可以是字符、汉字、图形或图 像。 n按所使用的器件，显示器可分为以阴极射线管为 核心的CRT显示器与平板显示器。 n显示器的主要技术指标：像素、点距和分辨率、 扫描方式。 n显示卡 n显

13、示适配器简称显示卡。一般插在主板的扩展槽内，通过总线 与CPU相连。当CPU有运算结果或图形要显示的时，将信号送 显示卡，由显示卡的图形处理芯片把它们翻译成显示器能够识 别的数据格式，并通过显示卡后面的一根15芯VGA接口和显示 电缆传给显示器。 n显示器屏幕表现的分辨率和色彩总数与显示卡有关。显示卡必 须有显示存储器（VRAM），显存越大，所能显示的色彩越丰 富，分辨率就越高。例如： 8bit可显示256色；24bit可显示l6.7 兆颜色。显卡颜色设置：16色、256色、增强色（16位）、真 彩色（24位）和最高（32位）。 n打印机 n打印机是常用的输出设备，一般有三种：针式（点阵）打印

14、 机、喷墨打印机、激光打印机。从价格性能比来看，市场中 喷墨打印机使用比较普及。 n分辨率:DPI（Dot Per Inch每英寸可打印的点数）是衡量打印 质量的一个重要标准，也是一个最为基本的判断打印机分辨 率的指标。300DPI是人眼能否辨别输出文本图像锯齿边缘的 临界点。 总线 总线总线是微机中各功能部件之间通信的信息通路，主要 由地址地址、数据数据和控制控制三大总线组成，每种总线都由若 干根信号线（总线宽度）构成。 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 I/O 接 口 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 输 出 设 备 CPU 三三 大大 总总 线线 计算机工作原理

15、接口 n微型机通过I/O（输入和输出）与外部交换信息，完成实 际工作任务。与CPU相比，I/O设备的工作速度较低，处 理的信息从数据格式到逻辑时序一般不可能直接兼容。鉴 于此，微型计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直 接进行，而必须设计一个“接口电路”作为两者之间的桥梁 。这种I/O接口电路又叫“I/O适配器”(I/O Adapter)。 微机结构示意图 微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成； 输入/输出设备通过I/O接口与系统相连； 各部件通过总线连接。 存 储 器 I/O 接 口 输 入 设 备 I/O 接 口 数据总线 DB 控制总线 CB 地址总线 AB 输 出 设 备

16、 CPU 计算机的工作原理 计算机的工作原理是：“存储程序” + “程序控制” CPU 总线 内存 标 志 寄存器 地址总线 AB 程 序 数 据 数据总线 DB 控制总线 CB 地 址 译 码 器 、 指令1 指令2 指令3 指令4 、 、 数据1 数据2 数据3 、 指令寄存器 数据暂存器 控制电路 指令译码器 地 址 寄 存 器 指 令 指 针 寄存器 R1 R2 R3 R4 寄存器组 运 算 器 PC 软件 系统软件应用软件 操作系统设备驱动 实用工具 编译系统 文字处理 电子表格 演示软件 图形软件 视频软件 上网软件 学习课件 娱乐软件 商务软件 系统软件系统软件 协助计算 机执行基 本任务。 应用软件应用软件 协助人们 完成某项 任务。 计算机软件概述 三、计算机软件系统 系统软件 操作系统操作系统 最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上 。 实用工具实用工具 用来提供一种让计算机用户控制分配和使用计