大学计算机基础幻灯片(第一讲)

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1、大学计算机基础,计算机的基本结构,1 计算机的逻辑（功能）结构,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使用计算机。 认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理，有利于在此基础上更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。 硬件（Hardware）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。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。,

2、计算机硬件系统的基本结构。,现代电子计算机的奠基人：,英国科学家艾兰图灵（Alan Mathison Turing） 图灵机（Turing Machine ，TM）：1936年提出了现代通用数字计算机的数学模型。这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作 图灵测试（Turing Test）：1950年，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。它奠定了人工智能的理论基础。,美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Von Neumann）,在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以归纳为如下几点： （1）计算机硬

3、件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。 （2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。 （3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。,冯诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。,冯诺依曼计算机结构示意图,(a),(b),现代数字电子计算机系统的基本逻辑结构,运算器又称算术

4、逻辑部件（ALUArithmetical Logic Unit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。 算术运算：指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等； 逻辑运算：泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑加等。 运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器每次执行什么操作、该操作需要什么数据、如何找到这些数据等是由当前指令来确定的。,1）运算器,2）控制器,控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析

5、、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作 ，保证计算机能自动、连续地工作。 中央处理器即CPU（Control Processing Unit ）：控制器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。,寄存器的种类很多，主要的有： （1）通用寄存器 也称为数据寄存器（Data Register，DR），向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。 （2）累加器（Accumulator，A） 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。 （3

6、）程序计数器（Program Counter，PC） 存放将要执行的指令的地址。 （4）指令寄存器（Instructor Register，IR） 存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。 （5）地址寄存器（Addresss Register，AR）是一个特殊寄存器，用于存放根据当前指令的要求，需要读取数据或写入数据的内存储器的地址。 （6）标志寄存器（Flag Register，FR）是一个特殊寄存器，也称为状态寄存器或状态字（State Word，SW），用于存放当前指令执行结果的状态。,a）内部视图 b）外部视图,CPU基本逻辑结构,存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程

7、序和数据。,3）存储器,内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。内存储器一般采用半导体材料制造。 外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。 比较：外存储器存储容量大，价格便宜，但需要机械设备的驱动，速度较慢。相对外存而言，内存容量小，价格较贵，但由于内存采用磁性材料或电子器件，因此速度较快。,将信息存入存储器谓之“写入”（Write）； 从存储器取出信息

8、称为“读出”（Read）。,存储器的操作有写入操作和读出操作两种：,为了便于对存储器中存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。 存储单元的地址和该存储单元中所存放的内容是两个不同的概念。,位、字节 、字等,（1） 位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进制信息的最小单位。,（2） 字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，它们从左到右排列为： b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 其中b7 是最高位，b0是最低位。 字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节编排。,（

9、3) 字(Word)：又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。字长一般是字节的整数倍。,计算机内存中，存储单元的地址以二进制数表示，称为地址码。地址码的宽度（二进制数的位数）表明了存储单元的数目，即存储器的容量（指它能存放的二进制位或字节数），常用的计量单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB（千兆字节，G为230）和TB(T为240)等。 存储器有一个公共特性就是“取不尽、挤得掉”，也就是说，存储器读出信息时，原来内容保持不变；向存储器写入信息时，则原来保存的内容被新内容所代替。 因为一台计算机的主存储器是由独立的、可

10、编址的存储单元组成的，所以存储单元可以按要求独立地存取。也就是说，计算机内存中的存储单元可以按随机的顺序存取，所以，随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）的概念就因此而来,4）输入设备 输入设备就是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。 5）输出设备 输出设备是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,就是计算机各部件之间传送信息的公共通道，

11、使构成计算机的各功能部件成为一个可工作的系统。,总线与各功能部件的连接。,6）总线（BUS）,总线（BUS）,用于CPU直接与内存以及I/O接口相连的总线，一般称为系统总线。根据总线各个部分承担的任务和发挥的功能不同，系统总线一般分为数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）三种。 总线的规范化： 机械结构规范 ，功能规范 ，电气规范,2 现代微型计算机的组成,逻辑结构 硬件逻辑结构 软件逻辑结构 物理结构 硬件物理结构 软件物理结构,硬件逻辑结构,建立了现代多级结构的存储器子系统,程序运行的局部性原理主要体现在如下三

12、个方面： 时间局部性。在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问； 空间局部性。最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区域中； 指令执行顺序局部性。指令顺序执行比转移执行的可能性要大。,硬件逻辑结构,通过并行策略提高运算的速度 CPU本身的性能直接决定了整个计算机系统的性能，通过并行处理策略提高CPU的处理速度。 并行策略的运用体现在CPU对外部访问的部分（称为总线接口单元）与执行部分（称为执行单元）的平行处理；通过增加高速缓存实现执行部分与缓存、缓存与对外访问部分的两级平行处理；多个执行部分的平行处理；以及双内核的平行处理等。,硬件逻辑结构,建立统一的输入/输出控制结构

13、,I/O接口的主要功能： 实现计算机主机系统总线信号与各种外部设备的信号之间在逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换； 实现数据的缓冲和协调并匹配两者的信号传输与处理速度，以补偿各种设备相对于CPU的速度差异； 实现数据格式转换； 提供控制和定时逻辑，以接受从主机端的系统总线来的控制和定时信号，并协调与外设之间动作的先后关系，控制数据传输过程； 监视外部设备的工作状态并将状态信息保存起来，以便进行错误或状态检测。,硬件逻辑结构,建立多总线的系统体系结构,软件逻辑结构,软件基本分类,软件逻辑结构,操作系统提供三个基本功能：有效地管理系统的软硬件资源；合理地组织各种程序的运行，即防止硬件被失控的应

14、用程序滥用；为用户提供良好的使用接口，即在控制复杂而又通常广泛不同的低级硬件设备方面，为应用程序提供简单一致的使用方法。 操作系统通过进程（Process）、虚拟存储器（Virtual Memory）和文件（File）三个抽象概念实现相应的功能。,软件逻辑结构,操作系统的具体实现一般分为： 外壳（Shell）：实现具体的用户操作界面，它相当于一个操作命令解释器，将从用户处得到的操作要求，转换成对内核功能的一系列调用，从而完成相应的操作。同时，它也将计算机系统的状态通过操作界面呈现给用户，以便指导用户进一步操作。 内核（Kernel）：是一系列用于管理系统资源的功能模块的集合。,a）用户、外壳和

15、内核的关系,b）两种使用操作系统功能的方法,软件逻辑结构,操作系统采用文件（File）和目录（Directory，也称为文件夹Folder）两个抽象概念统一描述资源及其分类组织。 文件：指外存储器上一组相关信息的集合，一般对应于各种类型的软件资源。 目录：是描述一组相关文件的组织实体，相当于一个存放文件的容器。目录本身也可以看成是一种特殊的文件，可以将其作为另一个目录中的一种资源。,硬件物理结构,硬件物理结构,（1）系统主板 系统主板也称为主机板、主板（Mainboard）或母板（Motherboard），它是微型计算机系统中最大的一块集成电路板。主板集成了中央处理器、内存储器、总线等基本的、

16、扩展性需求不强、相对稳定的一些组成部分。,a） CPU部分,b）内存部分,c）总线部分,d）AGP总线部分,硬件物理结构,(2) CPU,1971年，Intel 公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起，用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片微处理器（MPU Micro Processing Unit）Intel 4004。它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，随后，许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位微处理器。 目前，常用的CPU芯片主要有Intel公司生产的奔腾（Pentium）处理器和赛扬处理器，以及AMD公司生产的Athlon处理器和Sempron处理器。,衡量CPU性能的主要技术指标有：,（1）CPU字长 指CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。该指标反映CPU内部运算处理的速度和效率。 （2）运算速度 用每秒钟能够执行多少条指令来表示。通常用单位时间内执行指令的平均条数