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1、计算机组成原理与系统结构教学重点：计算机的组成 教学难点：计算机的工作原理 授课课时：2学时基本要求：了解计算机的工作原 理与系统结构1.1 计算机的系统组成n一、计算机系统组成n二、计算机硬件系统 n三、计算机软件系统 一、计算机系统组成n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 。q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”。q软件系统则是指管理计算机
2、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”。一、计算机系统组成n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。n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。n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。n如果没有软件的支持，硬件的功能就不能得到充分的 发挥。一、计算机系统组成计算机计算机 系统系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统应用软件应用软件系统软件系统软件操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序 数据库管理系统数据库管理系统外围设备外围设备主机主机数据处理程序数据处理程序 自动控制程序自
3、动控制程序 企业管理程序企业管理程序 科学计算程序科学计算程序外存储器：磁盘、磁带、光盘等外存储器：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、绘图仪等输出设备：显示器、打印机、绘图仪等中央处理器（中央处理器（CPUCPU）：运算器、控制器）：运算器、控制器 内存储器：内存储器：ROMROM、RAMRAM一、计算机系统组成n冯诺依曼（Von Neumann ）体系结构q1946年由美籍匈牙利数学家冯 诺伊曼提出q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。冯
4、诺依曼体系结构特点n1、采用二进制表示数据和指令；n2、采用存储程序即把编好的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；n3、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。二、计算机硬件系统n典型的冯.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二、计算机硬件系统n现代计算机结构框图（以存储器为中心）总线结构的冯.诺依曼计算机结构框图n系统总线：包括地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（
5、CB）二、计算机硬件系统（五大部件）n1、存储器 q功能：存放指令和数据。q操作：n存储器读操作：从存储器取出数据，又称为读出 。n存储器写操作：向存储器存放数据，又称为写入 ；q概念：n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 。n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。二、计算机硬件系统（五大部件）n2、运算器q功能：在控制器控制下，进行算术运算和逻辑运算。q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。n3、控制器q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
6、号，从而使整个计算机自动、协调地 工作。q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 。二、计算机硬件系统（五大部件）n4、输入设备q功能：将外界的信息转换为计算机能识别的二进制代码。输 入设备是给计算机输入信息的设备。n5、输出设备q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。n中央处理器CPU（Central Processing Unit）：包括运算器与控 制器，通常集成在一块芯片上。n主机：包括CPU和主存储器。n外部设备：输入设备、输出设备的统称。三、计算机软件系统n1系统软件n2、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
7、所开发编制的各种 程序。q如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业 管理程序、科学计算程序等等。1系统软件n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。n常用的系统软件有：n（1）操作系统n（2）语言处理程序n（3）数据库管理系统n（4）服务性程序n（5）网络管理软件（1）操作系统n操作系统（Operating System）的功能：q管理计算机系统的各种软、硬件资源，使其被高效使用 ；q为计算机系统和用户之间提供接口，为用户提供方便。n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
8、作系统的 支持下才能运行。（2）语言处理程序n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。n语言处理程序分为两种：q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。q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。计算机语言n程序是计算机语言的具体体现，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。n1、机器语言：由0和1按一定规则排
9、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 n2、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 。n3、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 。源程序源程序机器语言程序机器语言程序运行运行 结果结果编译、汇编、连接编译、汇编、连接解释解释计算机运行程序的过程1.3 计算机系统层次结构应用程序 语言处理程序 及
10、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）使用计算机解题的过程n1、提出问题和任务；n2、建立模型，用适合于程序设计的方式描述算法过 程；n3、用某种语言编制程序；n4、编译为机器语言程序；n5、在硬件上执行程序，实现任务。1.4 计算机主要技术指标n1、机器字长qCPU一次能处理的数据位数n2、存储容量q存储容量=存储单元个数存储字长q单位：字节1字节（B）=8位 q度量：1K=210 1M=2201G=230n3、运算速度（MIPS、CPI、FLOPS）n4、可配置的外设1.5 计算机的发展n体积缩小，性能提高n外设的发展：种类多样化，功能增强n计算机网络n多媒体技术n多处
11、理器系统n人工智能n家庭自动化本章小结n计算机分类：q按信息流的分类方法：SISD、SIMD、MISD和MIMD结构，q按使用范围分类：通用计算机和专用计算机q按规模和处理能力来分类：巨型机、大/中型机、小型机、微型机、工作站 和服务器。n计算机系统组成：由硬件系统和软件系统组成。qVon Neumann计算机体系结构的计算机硬件由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大部件组成。q软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件以操作系统为核心。n计算机系统的层次结构：从底层向上层分别为：微程序级（硬件）、机器 指令级（与硬件紧密相关）、操作系统级、语言处理程序及其他系统软件 、应用软件。n计算机系统的硬件性能指标：包括机器字长、存储器容量、运算速度和配 置外设等。课件制作：王亮2010年10月
