计算机系统组成与计算机工作原理

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1、1,第1章 计算机与社会信息化 教学目的和要求： 本章介绍计算机基础知识，主要内容有计算机的发展和应用领域、计算机硬件系统和软件系统的组成及各主要部件的功能、计算机编码和数制。 通过学习，了解计算机的发展和应用领域；了解计算机硬件系统的基本配置、主要性能指标、硬件和软件系统的组成；理解和掌握数制转换和数据编码的概念和方法。,2,第1章 计算机与社会信息化,1.1 计算机发展简介 1.2 信息技术概述 1.3 计算机系统组成 1.4 计算机硬件组成 1.5 计算机软件分类 1.6 计算机工作原理及主要技术指标 1.7 数制及其运算 1.8 文字信息编码形式,3,1.1.1 计算机的发展历程 英国

2、数学家乔治布尔（George Boole，1815-1864）创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础； 英国科学家图灵（Alan Turing, 1912-1954）首次提出逻辑机模型 图灵机。 建立算法理论和提出图灵测试即智能机器； 第一台电子数值积分计算机（1946）ENIAC,4,5,6,7,美籍匈牙利数学家冯诺依曼（John Von Neumann, 1903-1957）提出EDVAC计算机方案。,8,三个基本原则: 计算机基本结构：计算机硬件应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本功能。 采用二进制数：二进制数便于硬件实现，又有简单的运算规则。 存储程序控制：存

3、储程序实现自动计算。 这3个基本原则确定了冯诺依曼型计算机基本结构,9,计算机经历了四代发展历程 : 第一代（1946年1958年）为电子管计算机； 第二代（1958年1964年）为晶体管计算机； 第三代（1964年1970年）为中小规模集成电路 计算机； 第四代（1971年 ） 为大规模、超大规模 集成电路计算机。 以元件作为划分标准。,10,11,12,13,1.1.2 计算机分类 按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多项性能指标划分： 1. 高性能计算机 指目前运算速度最快、处理能力最强的计算机。 2. 微型计算机 个人计算机（PCPersonal Computer）。 3

4、. 工作站 介于微计算机与小型计算机之间的高档微机系统,14,4. 服务器 高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等 5. 嵌入式计算机 计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备,15,1.1.3 计算机的主要应用领域 1. 科学计算（Scientific Computing） 2. 数据处理（Data Processing） 3. 过程控制（Procedure Control） 4. 计算机辅助系统（Computer-Aided System） 5. 人工智能（Artificial Intelligence） 6. 信

5、息高速公路（Information Super-Highway） 7. 多媒体技术（Multimedia）,16,线框图,实体图,应用举例：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,17,应用举例：生物仿真模拟,18,应用举例：室外建筑效果图,19,应用举例：医学里的应用,用AVS对焦点区域的图象进行分析处理,20,应用举例：油气工业,21,应用举例：天气预报,Bosnia上空九小时天气预报图,FSL用AVS实现的天气图,LAPS用AVS实现的三维局地气象预报实时图,22,1.1.4 计算机发展的趋势,1.人工智能进一步发展 自动装置使用微电脑内核，带有“眼睛” 摄像机，用以完成特定工作。 2.

6、计算机与通信相结合 计算机应用进入网络时代信息技术。计算机与通信网络相互协调、相互补充，融于一体。 3.未来新型计算机 将由磁、光或DNA来制造，即所谓磁计算机、光子计算机、生物计算机和量子计算机。,1.2 信息技术概述 信息技术以计算机技术、通信技术、控制技术为核心,1.2.1 信息与数据 数据是信息的载体和表示形式 信息是数据表达的内涵或解释,1. 信息 客观存在的事物及其运动状态的表征 2. 信息的基本特征 普遍性 寄载性 共享性 时效性 可识别性 可加工性 3. 数据 数据是信息的载体。 4. 信息数字化 将现实世界中的信息转换为计算机能识别、存储和处理的形式,24,1.2.2 现代信

7、息技术 信息技术是利用信息科学的原理和方法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术。,1.2.3 信息技术的发展趋势 多学科结合 智能化 多媒体化 高速度、网络化,1.2.4 信息化社会 信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。 信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。,25,1.3,计算机系统组成,26,1.4 计算机硬件组成,冯 诺依曼计算机结构,运算器,存储器,控制器,输入设备,输出设备,执行指令,协调控制,存储程序、 数据、结果,输入程序、 数据,输出结果,27,计算机系统的硬件逻辑组成,冯.诺依曼思想： 程序与数据一

8、 样存放在内存,存储器,数据流,控制流,运算器,外存储器,输 出 设 备,内存储器,输 入 设 备,控制器,中央处理器,28,1.4.1 中央处理器 （CPU为控制器和运算器的总称） 1. 运算器 计算机用来进行算术、逻辑运算的部件： 算术逻辑运算单元ALU 执行算数和逻辑运算的装置,核心是加法器 内部总线 运算器和控制器之间的公共信息通道 寄存器组 暂存操作数和中间结果 有：累加、暂存、标志、通用 等,29,1.4.1 中央处理器 （CPU为控制器和运算器的总称） 2. 控制器 控制、协调计算机各部件自动连续地执行指令， 控制整个计算机有条不紊地工作。 主要功能有： 取指令 自动形成指令地址

9、 分析指令 分解成微操作 执行指令 执行微操作命令 改变指令执行顺序 根据判断结果 输入/输出控制 主机与入/出设备间 中断处理 非预期服务,30,控制器由以下部件组成： 程序计数器（PC） 下条指令地址 指令寄存器（IP） 暂存 指令译码器（ID） 分析指令， 分解成微操作 时序控制电路 发出命令 微操作控制电路 实际执行命令,31,1.4.2 存储器 用于存储程序和数据的部件。 两种基本操作： 读操作 写操作,存储容量： 是存储器的重要性能指标。 存储容量单位： bit (位); Byte (字节)； KB（千字节） MB（兆字节）； GB（千兆字节）； 它们之间的换算关系为： 1字节（B

10、yte）8个二进制位（bits） 1KB210 B1024 B 1MB220 B1024 KB 1GB230 B1024 MB,33,位,字，字长,位、字节、字及字长,字节（8位）,数 据 存 储 的 组 织 形 式,34, 主存储器（内存）分类： 随机存储器（RAM） SRAM静态 用于Cache DRAM动态 用于内存条 用于CMOS 只读存储器（ROM） BIOS PROM 只能写1次 EPROM可多次擦写,35,2辅助（外）存储设备 外部长久存储区域。常用辅助存储器有: 磁盘存储器硬盘、软盘; 光盘; U盘; 磁带 磁鼓,36,硬磁盘,磁盘信息存储格式 记录面 = 磁头数 磁道：409

11、6 柱面：所有记录面上同一编号的磁道 扇区：每个扇区容量为512字节,磁盘工作原理,37,38,硬盘的存储容量 =磁头数柱面数扇区数扇区容量 例： 若已知磁头数为16，柱面数为4096，扇区数为63，扇区容量512字节，则： 硬盘容量=164096635122.1GB,39,1.4.3 输入输出设备 输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。,输入设备 向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备。 键盘、鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、数字化扫描仪、图像摄像仪、光学字符阅读器、声音识别器等都是输入设备。,2. 输出设备 将计算机处理后的信息，转换成人们能识别的形式

12、打印机、显示器 、绘图仪 、音箱等,40,1.5 计算机软件分类 软件：是计算机完成一定任务所需的程序、数据和资料，分为两大类：系统软件和应用软件。,1.5.1 系统软件 包括4类： 操作系统 语言处理系统 数据库系统 服务程序,41,操作系统（OS） 为了合理方便地利用计算机系统而对其资源进行管理的软件。 操作系统管理的资源有4类 ： 进程管理 存储管理 设备管理 文件管理,42,2. 语言处理系统 通过计算机语言可以编写程序，控制计算机完成预定任务。 计算机语言分为3大类： 机器语言 汇编语言 高级语言,43,3. 数据库管理系统 管理数据库的软件，主要面向解决数据处理的非数值计算问题。,

13、4. 服务程序 完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。,44,1.5.2 应用软件 针对某一应用目的而开发的软件。 分为二大类： 通用应用软件 专用应用软件 通用应用软件支持最基本的应用，广泛地应用于几乎所有专业领域。,45,计算机系统的层次结构,46,1.6 计算机工作原理及主要技术指标 计算机工作过程是执行程序的过程。 程序：为一系列指令的有序集合。,47,计算机的工作过程(1),计算机的工作过程就是执行程序的过程,输入设备,输出设备,内存储器,中央处理器,程序,执行结果,地址/指令/数据,控制命令,控制命令,48,1.计算机的指令系统 指令： 是使计算机完成某个操作所发出的命令；

14、,指令系统： 一台计算机有许多作用不同的指令； 所有指令集合称为该计算机的指令系统；,49,指令和程序,程序： 按一定顺序组织在一起的指令序列。,机器指令： 硬件能够直接识别并执行的指令。,50,一条机器指令由两部分组成：操作码和操作数。 操作码：指明该指令要完成的操作类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。 操作数：指明操作对象的内容或所在单元地址。,指令格式：,说明指令的功能,说明指令操作的对象,51,指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作,数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令,if goto, And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构

15、,分类,操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址,52,2.计算机工作原理 计算机执行指令一般分为两个阶段： 第一阶段称为取指周期， 第二阶段称为执行周期。,指令执行的一般过程,取指令 分析指令 读取操作数 执行指令 存放结果,53,计算机的工作过程(2),指令,存取命令,运算命令,输入/输出命令,原始数据 命令/程序,取数,读,结果,存数,写,I/O设备,内存储器,运算器,控制器,数据线： 控制线：,54,计算机执行程序的方式,有两种执行方式： 顺序执行：一条指令执行完了再执行下一条指令。 并行执行：同时执行两条或多条指令。,55,3计算机主要技术指标 字长一次并行处理的二进制数的位数 ； 主频CPU的时钟频率 ； 运算速度每秒执行指令的次数（MIPS）； 存储容量 ； 存储周期一次完整存取的操作时间；,56,1.7 数制及其运算 计算机中采用具有两个不同稳态的电子器件表示数，这就是二进制数。为书写和表示方便，引进八进制和十六进制数。,1.7.1 进位计数制 在进位计数制中有基数、位权和数位3