大学计算机基础课件：第1章 计算机工作原理与组成

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1、大学计算机基础大学计算机基础第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1.1 计算机工作原理计算机工作原理 1.2计算机硬件系统计算机硬件系统 1.3计算机软件系统计算机软件系统 1.4计算机技术的新发展计算机技术的新发展 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进制的现代计算机基于二进制的现代计算机 1）0和1及其运算（1）基本逻辑运算基本的逻辑运算有“与”运算、“或”运算和“非”运算，利用基本逻辑运算的组合，可实现复杂的命题推理。参加逻辑运算的运算量和运算结果只有“真”和“假”两

2、个值，若“真”和“假”用1和0表示，则逻辑运算的运算规则可以用表1.1表示。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 ABA与BA或B非A00001010111001011110第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 （2）一位的二）一位的二进制加法运算制加法运算二二进制数有两个数字符号制数有两个数字符号0和和1，位，位权是是2，加法，加法运算运算规则是逢二是逢二进一一 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进制的现代计算机基于

3、二进制的现代计算机 1）0和和1及其运算及其运算2）0和和1与与电子元器件子元器件BALVBALVVRAL第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进制的现代计算机基于二进制的现代计算机 冯.诺依曼机及其基本工作原理依曼机及其基本工作原理 1）冯.诺依曼机依曼机 1943年，美国陆军部为了计算导弹飞行轨迹启动了年，美国陆军部为了计算导弹飞行轨迹启动了ENIAC项目组，由宾项目组，由宾夕法尼亚大学的夕法尼亚大学的Mauchly教授和他的学生教授和他的学生Echen承担。这个项目的实施引承担。这个项目的实施引起了美籍匈牙利科学家冯起了美籍匈

4、牙利科学家冯.诺依曼的关注，他仔细研究了诺依曼的关注，他仔细研究了ENIAC的结构，的结构，并对并对ENIAC的设计提出了建议。的设计提出了建议。1945年，在共同讨论的基础上提出了一年，在共同讨论的基础上提出了一个存储程序通用电子计算机个存储程序通用电子计算机EDVAC(Electronic Discrete Varible Automatic Computer，电子离散自动计算机，电子离散自动计算机)，并于，并于1952年问世。年问世。1954年，冯年，冯.诺依曼进一步总结了诺依曼进一步总结了EDVAC的设计思想，发表了的设计思想，发表了电子计算装置电子计算装置逻辑结构初探逻辑结构初探的报

5、告，为计算机的设计树立了一座里程碑。冯的报告，为计算机的设计树立了一座里程碑。冯.诺依曼诺依曼提出的思想，成为以后设计电子数字计算机的基本理论根据，人们通常将提出的思想，成为以后设计电子数字计算机的基本理论根据，人们通常将这种计算机体系称为冯这种计算机体系称为冯.诺依曼体系，直到现存，普通的计算机还基本上诺依曼体系，直到现存，普通的计算机还基本上采用冯采用冯.诺依曼体系，这样的计算机称为冯诺依曼体系，这样的计算机称为冯.诺依曼机。诺依曼机。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进制的现代计算机基于二进制的现代计算机 冯.诺依曼机及其

6、基本工作原理依曼机及其基本工作原理 1）冯.诺依曼机依曼机 2）冯.诺依曼机基本构成依曼机基本构成冯冯.诺依曼体系主要有如下两点内容：诺依曼体系主要有如下两点内容：（1）电子数字计算机要采用二进制，不但数据采用二进制，）电子数字计算机要采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制。这样指令和数据便可一起存储，以简化指令也采用二进制。这样指令和数据便可一起存储，以简化计算机的结构，提高计算机的速度。计算机的结构，提高计算机的速度。（2）自动计算机要采用存储程序工作方式，即计算机要能将）自动计算机要采用存储程序工作方式，即计算机要能将程序存储起来，并能够用所存储的程序控制运算过程，这样程序存储

7、起来，并能够用所存储的程序控制运算过程，这样才能自动工作。为此，自动计算机应由运算器、逻辑控制器、才能自动工作。为此，自动计算机应由运算器、逻辑控制器、存储器、输入和输出设备存储器、输入和输出设备5大部分组成。大部分组成。5部分各司其职并有部分各司其职并有效连接，以实现整体功能。冯效连接，以实现整体功能。冯.诺依曼机基本结构如图诺依曼机基本结构如图1.3所所示。示。 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进制的现代计算机基于二进制的现代计算

8、机 冯.诺依曼机及其基本工作原理依曼机及其基本工作原理 1）冯.诺依曼机依曼机 2）冯.诺依曼机基本构成依曼机基本构成3）冯.诺依曼机的工作依曼机的工作过程程（1）为了让计算机进行某种运算，首先要在进行运算前为它设计相应的程序。程）为了让计算机进行某种运算，首先要在进行运算前为它设计相应的程序。程序由一组指令组成，每条指令都是计算机可以执行的基本操作。序由一组指令组成，每条指令都是计算机可以执行的基本操作。（2）用输入设备将程序存入到存储器中。）用输入设备将程序存入到存储器中。（3）运算开始，机器自动把程序的第一条指令送到控制器中进行分析，再根据分）运算开始，机器自动把程序的第一条指令送到控制

9、器中进行分析，再根据分析的结果向有关部件发送控制信号，完成该指令规定的操作。析的结果向有关部件发送控制信号，完成该指令规定的操作。（4）一条指令执行结束后，计算机会自动执行程序中的下一指令，如此重复，直）一条指令执行结束后，计算机会自动执行程序中的下一指令，如此重复，直到程序的最后一条指令执行结束，这样，程序规定的任务就完成了。到程序的最后一条指令执行结束，这样，程序规定的任务就完成了。（5）计算过程中，需要输出时，要安排相应的指令控制输出。）计算过程中，需要输出时，要安排相应的指令控制输出。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 基于二进

10、制的现代计算机基于二进制的现代计算机 冯.诺依曼机及其基本工作原理依曼机及其基本工作原理 计算机系统的组成计算机系统的组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成 计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合，是电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项功能的物质基础。 计算机软件系统指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。 计算机硬件是看得见、摸得着的物理实体。 软件系统虽然看不见摸不着，却是计算机系统的灵魂。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学

11、中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统计算机的硬件系统由主机和外部设备两部分组成。计算机的硬件系统由主机和外部设备两部分组成。主机的核心是中央处理器主机的核心是中央处理器(简称简称CPU)和内存储器。外和内存储器。外部设备主要包括：外存储器、输入设备和输出设备。部设备主要包括：外存储器、输入设备和输出设备。内存储器和外存储器构成了计算机的存储系统。内存储器和外存储器构成了计算机的存储系统。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器中央处理器（也称为中央处理器（也称为CPU）主要由控

12、制器（）主要由控制器（CU）、）、运算器（运算器（ALU）和寄存器组构成，具有计算、控制、）和寄存器组构成，具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能，它直接决数据传送、指令译码及执行等重要功能，它直接决定了计算机的主要性能。定了计算机的主要性能。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器控制器控制器控制器是计算机的指挥中枢，主要作用是使计算机能够自动控制器是计算机的指挥中枢，主要作用是使计算机能够自动地执行命令。它按照主频的节拍产生各种控制信号，以指挥地执行命令。它按照主频的节拍产生各

13、种控制信号，以指挥整个计算机工作，即决定在什么时间、根据什么条件执行什整个计算机工作，即决定在什么时间、根据什么条件执行什么动作，使整个计算机能够有条不紊地自动执行程序。控制么动作，使整个计算机能够有条不紊地自动执行程序。控制器从内存中按一定的顺序取出各条指令，每取出一条指令，器从内存中按一定的顺序取出各条指令，每取出一条指令，就分析这条指令，然后根据指令的功能向各个部件发出控制就分析这条指令，然后根据指令的功能向各个部件发出控制命令，控制它们执行这条指令中规定的任务。该指令执行完命令，控制它们执行这条指令中规定的任务。该指令执行完毕，再自动取出下一条指令，重复上面的工作过程。毕，再自动取出下

14、一条指令，重复上面的工作过程。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器控制器控制器中央处理器中央处理器运算器运算器运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，主要负责对信息运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，主要负责对信息进行加工处理。运算器由算术逻辑单元（简称进行加工处理。运算器由算术逻辑单元（简称ALU）、累加）、累加器、寄存器等组成。器、寄存器等组成。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器

15、控制器控制器中央处理器中央处理器运算器运算器中央处理器中央处理器寄存器组（寄存器组（register） 寄存器里面保存着那些等待处理或已经处理过的数据。在数据处理过程中，运算寄存器里面保存着那些等待处理或已经处理过的数据。在数据处理过程中，运算器不断地从寄存器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除以及各种逻辑器不断地从寄存器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除以及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中。运算，并将最后的结果送回存储器中。 专用寄存器是用寄存器是计算机用于某一特殊目的寄存器，例如指令寄存器、地址寄存器；算机用于某一特殊目的寄存器，例如指令寄存器、地址寄存器；通用寄存器

16、通用寄存器则是是计算机程序在多种状算机程序在多种状态下使用的寄存器，例如下使用的寄存器，例如暂存数据的寄存器。存数据的寄存器。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器控制器控制器中央处理器中央处理器运算器运算器中央处理器中央处理器寄存器组（寄存器组（register） 中央处理器中央处理器内部总线内部总线 数据和指令在处理器中的传送通道称为数据和指令在处理器中的传送通道称为CPU内部总线。计算机处理内部总线。计算机处理器通过数据总线一次处理的二进制数据称为字，字所包含的二进制位数称器通过数据总

17、线一次处理的二进制数据称为字，字所包含的二进制位数称为字长。为字长。CPU的字长通常由算术逻辑单元、累加器和通用寄存器来决定。的字长通常由算术逻辑单元、累加器和通用寄存器来决定。例如，在例如，在32位字长的位字长的CPU中，其算术逻辑单元、累加器和通用寄存器都中，其算术逻辑单元、累加器和通用寄存器都是是32位的。位的。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器存储器（存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息

18、，包括输入的原始数据、计算机计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。器中。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 计算机硬件系统计算机硬件系统中央处理器中央处理器存储器（存储器（Memory）存储器分类存储器分类 ：（1）按与）按与CPU的关系分的关系分按与按与CPU的关系分，计算机存储器可分为内存储器和外存储器。内存储器简称为的关系分，计算机存储器可分为内存储器和外存储器。内存储器简称为内存，能与内存，能与CPU直接交换信息。微型计算机的内存

19、位于系统主板上。外存储器简直接交换信息。微型计算机的内存位于系统主板上。外存储器简称为外存，不能与称为外存，不能与CPU直接交换信息，外存的信息必须先传送到内存，才能被直接交换信息，外存的信息必须先传送到内存，才能被CPU使用。使用。（2）按信息记录方式分）按信息记录方式分按信息记录方式分，存储器可分为半导体存储器、磁介质存储器和光存储器等。按信息记录方式分，存储器可分为半导体存储器、磁介质存储器和光存储器等。半导体存储器是一种以半导体电路作存储媒体的存储器。半导体存储器按功能分，半导体存储器是一种以半导体电路作存储媒体的存储器。半导体存储器按功能分，可分为随机存储器可分为随机存储器(简称为简

20、称为RAM)和只读存储器和只读存储器(简称简称ROM)。RAM分为静态随机存分为静态随机存储器储器SRAM（Static RAM)和动态随机存储器和动态随机存储器DRAM（Dynamic RAM)。 存储器（存储器（Memory）是）是计算机系统计算机系统中的记忆设备，中的记忆设备，用来存放用来存放程序程序和和数据数据。计算机中的全部信息，包。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。器指定的位置存入和取出信息。按存储器

21、的读写功能分类：按存储器的读写功能分类：只读存储器（只读存储器（ROM）：存储的内容是固定不变）：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。的，只能读出而不能写入的半导体存储器。随机读写存储器（随机读写存储器（RAM）：既能读出又能写入）：既能读出又能写入的半导体存储器。的半导体存储器。按信息的可保存性分类：按信息的可保存性分类：非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。储器。永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。储器。按与按与CPU联系的密切程度分类：联系的密切程度分类：根据存储器与根

22、据存储器与CPU联系的密切程度可分为联系的密切程度可分为:内存储器（主存储器）内存储器（主存储器）外存储器（辅助存储器）外存储器（辅助存储器）内存和外存区别在于：内存和外存区别在于：u内存的数据存储速度快，而外存相对比较慢内存的数据存储速度快，而外存相对比较慢u内存的容量比较小，而外存的容量可以很大内存的容量比较小，而外存的容量可以很大u内存中的数据在关闭计算机后就消失了，外存中的数据可以永久保存；内存中的数据在关闭计算机后就消失了，外存中的数据可以永久保存；u内存相对价格高，外存相对价格低。内存相对价格高，外存相对价格低。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学

23、中心计算机基础教学中心 三级存储系统 CPUCPUCACHECACHE主存储器主存储器主存储器主存储器外存储器外存储器外存储器外存储器典型的三级存储体系结构：典型的三级存储体系结构： 高速缓冲存储器高速缓冲存储器主存主存外存外存第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 高速缓冲存储器 为了解决为了解决CPU与主存之间的速度匹配问题，许多计算机设置一种高速与主存之间的速度匹配问题，许多计算机设置一种高速缓冲存储器（缓冲存储器（Cache），高速缓存中存放着最近要使用的程序与数据，），高速缓存中存放着最近要使用的程序与数据，作为主存中当前活跃信息

24、的副本。作为主存中当前活跃信息的副本。 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 Cache:介于CPU与内存之间的一种可高速存 取信息的芯片.存取周期：几ns以下存储容量：几百KB-几MB价格：高构成：SRAM 第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 三级存储系统看成两个两级系统组成：三级存储系统看成两个两级系统组成：CacheCache存储系统存储系统主存储器主存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache虚拟存储系统虚拟存储系统主存储器主存储器磁盘存储器磁盘存储器目的：提高目

25、的：提高CPU访问存储器的速度。访问存储器的速度。目的：弥补主存的容量不足。目的：弥补主存的容量不足。CPU外存外存内存内存 1 2 3 4 5 6虚拟存储器虚拟存储器第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 一、 内存内存的种类内存的种类内存编址和寻址能力内存编址和寻址能力第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1. 内存的种类内存主要分成两种：内存主要分成两种：只读存储器（只读存储器（ROM）随机读写存储器（随机读写存储器（RAM）第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成

26、 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 (1). (1). (1). (1). 只读存储器（只读存储器（只读存储器（只读存储器（ROMROMROMROM） 是一种只能读出而不能写入和修改信息的存是一种只能读出而不能写入和修改信息的存是一种只能读出而不能写入和修改信息的存是一种只能读出而不能写入和修改信息的存储器。其存储信息在制作该存储器时被写入。储器。其存储信息在制作该存储器时被写入。储器。其存储信息在制作该存储器时被写入。储器。其存储信息在制作该存储器时被写入。计算机断电后，计算机断电后，计算机断电后，计算机断电后，ROMROMROMROM中的数据不会丢失。中的数据不会丢失。中的数据不会丢失

27、。中的数据不会丢失。 ROMROMROMROM、PROMPROMPROMPROM、EPROMEPROMEPROMEPROM、E E E E2 2 2 2PROMPROMPROMPROM第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 (2). (2). (2). (2). 随机存储器（随机存储器（随机存储器（随机存储器（ RAM RAM RAM RAM ） 是一种随机读写存储器，其内容可以读出，也是一种随机读写存储器，其内容可以读出，也是一种随机读写存储器，其内容可以读出，也是一种随机读写存储器，其内容可以读出，也可以随时重新写入。计算机断电后，可以

28、随时重新写入。计算机断电后，可以随时重新写入。计算机断电后，可以随时重新写入。计算机断电后，RAMRAMRAMRAM中数据全部中数据全部中数据全部中数据全部消失。消失。消失。消失。 随机存储器可以分为随机存储器可以分为随机存储器可以分为随机存储器可以分为 静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器SRAMSRAMSRAMSRAM 动态随机存储器动态随机存储器动态随机存储器动态随机存储器DRAMDRAMDRAMDRAM第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 随机存储器随机存储器随机存储器随机存储器静态读写存储器静态读写存储器静态

29、读写存储器静态读写存储器SRAMSRAM动态读写存储器动态读写存储器动态读写存储器动态读写存储器DRAMDRAM静态读写存储器静态读写存储器SRAM： 构成：构成：MOS器件构成器件构成 特点：只要不掉电，信息一直保持，存储单元信特点：只要不掉电，信息一直保持，存储单元信息的读出过程是非破坏性的，读出操作后，信息不变。息的读出过程是非破坏性的，读出操作后，信息不变。 优点：速度快，优点：速度快，20ns40ns 静态静态SRAM工作稳定，不需要刷新，外电路简单，但工作稳定，不需要刷新，外电路简单，但管子数量多，功耗大，适合于小容量存储器，主要用管子数量多，功耗大，适合于小容量存储器，主要用于高

30、速缓冲存储器。于高速缓冲存储器。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 随机存储器随机存储器随机存储器随机存储器静态读写存储器静态读写存储器静态读写存储器静态读写存储器SRAMSRAM动态读写存储器动态读写存储器动态读写存储器动态读写存储器DRAMDRAM动态读写存储器动态读写存储器DRAM：集成度高，成本低，耗电少，利用电容存储来保存信集成度高，成本低，耗电少，利用电容存储来保存信息的，电容会缓慢放电而丢失信息，因此必须定时息的，电容会缓慢放电而丢失信息，因此必须定时（每个（每个12ms）对电容充电，也称刷新。）对电容充电，也称刷新。特点

31、：集成度高，主要用于大容量的内存。特点：集成度高，主要用于大容量的内存。无论是静态的还是动态的无论是静态的还是动态的RAM，断电后，已存，断电后，已存入的信息将全部丢失。入的信息将全部丢失。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 内存编址和寻址能力内存的一个存储单元存放一定位数的二进制码内存的一个存储单元存放一定位数的二进制码现代微型计算机多采用每个存储单元存储一个现代微型计算机多采用每个存储单元存储一个字节，字节，8位二进制数位二进制数存储容量：内存储器中存储单元的个数，常用存储容量：内存储器中存储单元的个数，常用多少字节来表示。多少字节

32、来表示。例如：例如： 512MB 表示该内存有表示该内存有512兆个字节存储单元兆个字节存储单元第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 内存编址和寻址能力内存中以内存中以一个字节（一个字节（Byte）为存储单位）为存储单位，存取的最，存取的最小单位也是字节，内存中的每个字节都有一个地址小单位也是字节，内存中的每个字节都有一个地址来标识，来标识，CPU要存取某个单元里的数据，必须先发要存取某个单元里的数据，必须先发出一个地址。出一个地址。内存地址从内存地址从0开始编开始编，如果系统中有，如果系统中有64M内存，则内内存，则内存的编址是从存的编

33、址是从0到到3FFFFFFH。4G则是：则是：0到到 0FFFFFFFFH 。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 内存编址和寻址能力1011011038F04H内存地址内存地址单元内容单元内容第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 内存编址和寻址能力计算机所能管理的内存大小由计算机总线中计算机所能管理的内存大小由计算机总线中地址线地址线的根数决定的根数决定，可称为计算机的寻址能力，例如：，可称为计算机的寻址能力，例如：8086机器地址线是机器地址线是20根，则它的寻址能力为根，则它的

34、寻址能力为0220-1，能编址的最大内存量为，能编址的最大内存量为220=1MB。32位奔腾机器的地址线都是位奔腾机器的地址线都是32位的，它的寻址能力位的，它的寻址能力则是：则是：0232-1，能编址的最大内存量为，能编址的最大内存量为232=4GB第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 有关内存的性能指标u 内存容量内存容量u 访问速度访问速度 对内存进行一次读或写操作所花费的访对内存进行一次读或写操作所花费的访问时间问时间 内存的访问速度：内存的访问速度：5ns-10ns之间之间 与与CPU有有10倍以上的差距倍以上的差距u缺点：易失

35、性缺点：易失性第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 外存u外存属于外部设备，包括联机外存和脱机外存。外存属于外部设备，包括联机外存和脱机外存。u特点：容量大，速度慢，能永久性存储特点：容量大，速度慢，能永久性存储 信息。信息。u外存用于存放暂时不需要使用的信息。分为两种：外存用于存放暂时不需要使用的信息。分为两种： 磁表面存储器磁表面存储器 光存储器光存储器第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 磁表面存储器磁表面存储器是将磁表面存储器是将磁性材料磁性材料涂在载体上，利用磁头涂在载体上

36、，利用磁头和磁表面的磁化效应，在磁表面形成很多小的磁化和磁表面的磁化效应，在磁表面形成很多小的磁化单元，每一个单元可以有两种不同的磁化方向，分单元，每一个单元可以有两种不同的磁化方向，分别表示别表示0 0和和1 1，以此来存储数据。，以此来存储数据。写数据时，用磁头按照数据磁化每个磁化单元，改写数据时，用磁头按照数据磁化每个磁化单元，改变每个单元的磁化方向。变每个单元的磁化方向。读数据时，通过磁头在不同单元感应到的电流，转读数据时，通过磁头在不同单元感应到的电流，转化成化成0 0、1 1数据。数据。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 图

37、图1-1 1-1 磁盘磁盘软盘驱动器安装在机箱的前面。软盘驱动器安装在机箱的前面。软盘直径是软盘直径是3.53.5英寸的软盘，英寸的软盘，简称简称3 3寸盘。寸盘。 3 3寸盘的存储容量是寸盘的存储容量是1.44MB1.44MB。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 软磁盘格式化（1.44M）磁盘结构及磁道扇区划分磁盘结构及磁道扇区划分磁道磁道磁道（磁道（cylinders,cylinders,同心圆）同心圆） 0 0 79 79，最外圈是，最外圈是0 0道。道。扇区（扇区（Sectors,Sectors,为为512512字节）。字节）。

38、 1 1 18 18软盘有两个面。软盘有两个面。磁道和扇区是在格式化时划分的磁道和扇区是在格式化时划分的扇区扇区第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 软磁盘容量容量容量= =磁盘面数磁盘面数 磁道数磁道数/ /面面 扇区数扇区数/ /磁道磁道 字节数字节数/ /扇区扇区容量容量 = 2 = 2 80 80 18 18 512 512（字节）（字节）= 1474560= 1474560（字节（字节B B） 1024= 1440= 1440（KB B）= 1.44= 1.44（MB B）第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成

39、计算机基础教学中心计算机基础教学中心 硬盘及其内部结构硬盘及其内部结构硬硬盘盘第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 硬盘的基本结构硬盘的硬盘的磁道、磁道、扇区、柱面扇区、柱面柱面柱面扇区扇区磁道磁道硬盘片硬盘片读写磁头读写磁头第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 硬盘上信息的存储格式磁道编址磁道编址：从外向内依次编号，最外面的磁道是：从外向内依次编号，最外面的磁道是0 0磁道。磁道。柱面柱面：具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘：具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面

40、，即所有记录面上统一编号的磁道称为柱面。的柱面，即所有记录面上统一编号的磁道称为柱面。 柱面数等同于每个盘面上的磁道数。柱面数等同于每个盘面上的磁道数。扇区编址扇区编址：从：从1 1开始编号。每个磁道包含的扇区数为开始编号。每个磁道包含的扇区数为 6363。每个扇区容量。每个扇区容量: 512: 512字节字节磁盘地址是由磁头号、磁道号和扇区号磁盘地址是由磁头号、磁道号和扇区号3 3部分组成。部分组成。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 硬盘上信息的存储格式|硬盘存储容量硬盘存储容量| 计算公式：计算公式：扇区容量扇区容量扇区数扇区数柱

41、面数柱面数磁头数磁头数|例：已知某硬盘磁头数为例：已知某硬盘磁头数为1616，柱面数为，柱面数为40964096，扇区数为，扇区数为6363，扇区容，扇区容量为量为512512字节字节硬盘容量硬盘容量= 51263409616 = 2.1GB光存储器也叫光盘驱动器，即也叫光盘驱动器，即CD-ROM,CD-ROM,介质是光盘介质是光盘CD-ROMCD-ROM的工作原理：的工作原理：CD-ROMCD-ROM光盘由光盘由3 3层组成：层组成： 透明的聚碳酸酯塑料衬底透明的聚碳酸酯塑料衬底 记录信息的铝反射层记录信息的铝反射层 涂漆保护层涂漆保护层铝反射层上用极小的凹坑和非凹坑代表数据的铝反射层上用极

42、小的凹坑和非凹坑代表数据的0 0或或1 1CD-ROMCD-ROM通过不同的反射光线来判断读取的数据是通过不同的反射光线来判断读取的数据是0 0还是还是1 1。因。因此光盘的质量也影响读盘能力。此光盘的质量也影响读盘能力。光盘的种类：光盘的种类：(1)(1)只读光盘只读光盘: : 均是一次成型的产品，由一种称为母盘的原盘压均是一次成型的产品，由一种称为母盘的原盘压制而成，一张母盘可以压制数千张光盘。制而成，一张母盘可以压制数千张光盘。 特点：信息一次制成，可以复读，不能再写特点：信息一次制成，可以复读，不能再写 音乐音乐CDCD盘、盘、 VCDVCD影碟、影碟、CD-ROM CD-ROM 存储

43、容量：存储容量：650MB650MB700MB700MB左右左右光盘的种类：光盘的种类：(2) DVD:(2) DVD:数字视盘数字视盘 19961996年推出的光盘标准，主要用于存储视频图像年推出的光盘标准，主要用于存储视频图像 存储容量：存储容量： 4.7GB4.7GB17.7GB17.7GBDVDDVD最初的含义是数字视频光盘，从本质上说，它是最初的含义是数字视频光盘，从本质上说，它是一种超级的高密度光盘。与一种超级的高密度光盘。与CD-ROMCD-ROM相比，相比，DVDDVD使用波使用波长更短的长更短的红色激光红色激光，可读取更小的凹坑和更密的光，可读取更小的凹坑和更密的光道。因此使

44、用同样大小的光盘，道。因此使用同样大小的光盘，CD-ROMCD-ROM可存储可存储680 680 MBMB的数据，而的数据，而DVDDVD却可存储却可存储4.7 GB4.7 GB的数据，相当于的数据，相当于7 7张张CD-ROMCD-ROM盘的总容量。盘的总容量。 蓝光光盘：利用较短波长的蓝色激光读写光盘数据。蓝光光盘：利用较短波长的蓝色激光读写光盘数据。 2050GB光盘的种类：光盘的种类：(3) CD-R: (3) CD-R: 一次性刻录光盘一次性刻录光盘 只能写入一次的光盘只能写入一次的光盘 用光盘刻录机将信息写入，且不允许再次更改。用光盘刻录机将信息写入，且不允许再次更改。 高功率的激

45、光束反射到高功率的激光束反射到CD-RCD-R盘片，使盘片上的介盘片，使盘片上的介质层发生化学变化，模拟出二进制质层发生化学变化，模拟出二进制0 0和和1 1的差别，把的差别，把数据存储在光盘上。由于化学变化发生了质的变化，数据存储在光盘上。由于化学变化发生了质的变化，不能再重写。不能再重写。 容量：容量：640MB640MB左右左右光盘的种类：光盘的种类：(4) CD-RW:(4) CD-RW:可擦写光盘可擦写光盘 可重复读写可重复读写 高功率的激光束反射到高功率的激光束反射到CD-RWCD-RW盘片上的特殊盘片上的特殊介质，产生结晶和非结晶两种状态，并通过激光介质，产生结晶和非结晶两种状态

46、，并通过激光束的照射，介质层可以在这两种状态中相互转换，束的照射，介质层可以在这两种状态中相互转换，从而达到重复写入的目的。从而达到重复写入的目的。全称为全称为USBUSB移动存储器移动存储器相比相比1.44 MB1.44 MB容量的软盘，容量的软盘，USBUSB盘具有极大盘具有极大的优势，具有的优势，具有容量大、防磁、防震、防潮容量大、防磁、防震、防潮的特点，其性能优良，大大加强了数据的的特点，其性能优良，大大加强了数据的安全性。安全性。USBUSB盘可重复使用，性能稳定，可反复擦写盘可重复使用，性能稳定，可反复擦写达达100100万次，数据至少可保存万次，数据至少可保存1010年年。第一章

47、第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 中央处理器：运算器、控制器中央处理器：运算器、控制器存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 总线与接口 在计算机系统中，总线被视为一个独立部件。接口电路是CPU与外部设备之间的连接缓冲。CPU与外部设备的工作方式、工作速度和信号类型都不相同，通过接口电路的变换作用，把两者匹配起来。接口电路中包含一些专业芯片、辅助设备、以及各种外部设备适配器和通信接口电路等。不同的外部设备与主机相连都要配备不同的接口。第一章第一

48、章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线（1）总线的定义总线是组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时是指同一时刻总线上只能传送一个部件的信息。很显然，系统中如果有多个发送件，它们是不能同时使用总线的。例如部件A和部件B都要发送信息至部件C，如果同时发送，必然使总线上传送的信息发送碰撞因此只能分时向总线发送信息。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送。发送信息的部件将信息送往总线总线再将信息传送到需接收信息的部件。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算

49、机基础教学中心 1）总线（2）总线的类型总线可以从不同的使用角度出发进行分类。 按照任务，一般分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是用于连接CPU中各个组成部件，它位于芯片内部；系统总线连接计算机中各大部件的总线；外部总线则是计算机和外部设备之间的总线，计算机通过外部总线与其它设备进行信息与数据交换。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线（2）总线的类型总线可以从不同的使用角度出发进行分类。 按照通信方式，总线可分为并行总线和串行总线。并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。串行总

50、线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件。并行通信速度快、实时性好，但由于占用的线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理器中则显得更加简单、灵活。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线（2）总线的类型总线可以从不同的使用角度出发进行分类。 按照总线内传输信息的性质来分，总线又可分为数据总线DB（Data Bus）地址总线AB（Address Bus）控制总线CB（Control Bus）第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总

51、线数据总线 是双向的总线，它既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线地址总线专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位

52、，则其最大可寻址空间为21664KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线控制总线传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线（1）总线的定义总线是组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时是指同一时刻总线上只能传送一个部件的信息。

53、很显然，系统中如果有多个发送件，它们是不能同时使用总线的。例如部件A和部件B都要发送信息至部件C，如果同时发送，必然使总线上传送的信息发送碰撞因此只能分时向总线发送信息。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送。发送信息的部件将信息送往总线总线再将信息传送到需接收信息的部件。第一章第一章 计算机工作原理及组成计算机工作原理及组成 计算机基础教学中心计算机基础教学中心 1）总线（1）总线的定义总线是组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时是指同一时刻总线上只能传送一个部件的信息。很显然，系统中如果有多个发送件，它们是不能同时使用总线的。例如部件A和部件B都要发送信息至部件C，如果同时发送，必然使总线上传送的信息发送碰撞因此只能分时向总线发送信息。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送。发送信息的部件将信息送往总线总线再将信息传送到需接收信息的部件。