大學計算機教學課件-

1、1掌握計算機系統(tǒng)組成部分掌握計算機系統(tǒng)組成部分2掌握計算機軟、硬件系統(tǒng)基礎知識。掌握計算機軟、硬件系統(tǒng)基礎知識。3學習計算機的基本工作原理。學習計算機的基本工作原理。4了解計算機的存儲體系，內(nèi)存和外存的特點。了解計算機的存儲體系，內(nèi)存和外存的特點。5了解微型計算機的組成、特點及性能指標。了解微型計算機的組成、特點及性能指標。 課前思考題 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述 計算機硬件系統(tǒng)和工作原理計算機硬件系統(tǒng)和工作原理 顯示器顯示器鍵盤鍵盤主機箱主機箱鼠標鼠標音箱音箱計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成硬件硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應用軟件應用軟件用用 戶戶硬件和軟件的關系硬件和軟件的關系John von Ne

2、umann馮馮 諾依曼諾依曼1946年第一臺計算機誕生年第一臺計算機誕生馮馮諾依曼原理：存儲程序和程序控制諾依曼原理：存儲程序和程序控制存儲程序工作原理存儲程序工作原理1.1. 電子計算機應由電子計算機應由運算器運算器、控制器控制器、存儲存儲器器、輸入設備輸入設備和和輸出設備輸出設備 5 5個部分組成。個部分組成。 2.2. 采用采用存儲程序存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)都放在同一個存儲器的方式，程序和數(shù)據(jù)都放在同一個存儲器中，按地址訪問。中，按地址訪問。3.3. 程序和數(shù)據(jù)以二進制表示。程序和數(shù)據(jù)以二進制表示。 2.2.1 計算機硬件系統(tǒng)組成計算機硬件系統(tǒng)組成2. 2 計算機硬件系統(tǒng)和工作原理計

3、算機硬件系統(tǒng)和工作原理馮馮諾依曼計算機硬件結構框架圖：諾依曼計算機硬件結構框架圖：中中央央處處理理器器控制器控制器運算器運算器控制整個計算機控制整個計算機所有部件的工作所有部件的工作執(zhí)行算術運算執(zhí)行算術運算和邏輯運算和邏輯運算 運算器運算器 運算器也稱為運算器也稱為算術邏輯單元算術邏輯單元ALU。運算運算器是計算機的核心部件，主要負責對輸入計器是計算機的核心部件，主要負責對輸入計算機中的二進制編碼進行算術或邏輯運算。算機中的二進制編碼進行算術或邏輯運算。算術運算就是指加、減、乘、除。邏輯運算算術運算就是指加、減、乘、除。邏輯運算就是指就是指“與與”、“或或”、“非非”、“比較比較”、“移位移位

4、”等操作。等操作。 n控制器控制器,也稱為CU （實現(xiàn)計算機各部分聯(lián)系及（實現(xiàn)計算機各部分聯(lián)系及自動執(zhí)行程序的部件）。控制器是計算機的神經(jīng)自動執(zhí)行程序的部件）。控制器是計算機的神經(jīng)中樞和指揮中心，它控制計算機的全部動作。中樞和指揮中心，它控制計算機的全部動作。 控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時序控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路和有關控制電路組成。控制器的基本功能就電路和有關控制電路組成?？刂破鞯幕竟δ芫褪菑膬?nèi)存依次取出指令，產(chǎn)生控制信號，向其他是從內(nèi)存依次取出指令，產(chǎn)生控制信號，向其他部件發(fā)出命令，指揮整個計算過程。同時把數(shù)據(jù)部件發(fā)出命令，指揮整個計算過程。同時把數(shù)據(jù)地址發(fā)

5、向有關部件（輸入、輸出、運算器），并地址發(fā)向有關部件（輸入、輸出、運算器），并根據(jù)各部件的反饋信號進行控制調(diào)整。根據(jù)各部件的反饋信號進行控制調(diào)整。 內(nèi)存儲器（內(nèi)存或主存）內(nèi)存儲器（內(nèi)存或主存） 外存儲器（外存或輔助存儲器）外存儲器（外存或輔助存儲器） 存儲器存儲器RAMROM高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（CacheCache） 存儲器是計算機存儲數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，存儲器是計算機存儲數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，每個記憶單元由每個記憶單元由8 8位二進制位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。位二進制位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。（2）存儲器1111 01000000 01110000 01000000 0

6、101011 000000H00H01H01H 02H02H03H03H04H04H每個記憶單元由每個記憶單元由8 8位二進制位組成。位二進制位組成。1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB字節(jié)字節(jié)BYTEBYTE7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit（2）存儲器RAMRAM（隨機存取存儲器）隨機存取存儲器） RAMRAM是既可從里面讀是既可從里面讀取數(shù)據(jù)，也可以存入數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)，也可以存入數(shù)據(jù)的存儲器。隨機存儲器的的存儲器。隨機存儲器的速度快，但也有一個缺點：速度快，但也有一個缺點：它具

7、有易失性它具有易失性RAMRAM中中存放的所有數(shù)據(jù)當計算機存放的所有數(shù)據(jù)當計算機斷電后都會丟失。通常斷電后都會丟失。通常RAMRAM叫主存、內(nèi)存條。叫主存、內(nèi)存條。（2）存儲器 ROM（只讀存儲器）只讀存儲器） ROM是不能用普通計算機寫入的，只能用專是不能用普通計算機寫入的，只能用專用設備才能寫入，并且寫入的內(nèi)容在斷電后依然保用設備才能寫入，并且寫入的內(nèi)容在斷電后依然保存。啟動計算機的指令存儲在不易失的只讀存儲器存。啟動計算機的指令存儲在不易失的只讀存儲器中，只讀存儲器在制造時即包含了永久存儲的指令。中，只讀存儲器在制造時即包含了永久存儲的指令。 PROM（可編程序只讀存儲器）芯片?？删幊绦?/p>

8、只讀存儲器）芯片。 EPROM（可擦可編程序只讀存儲器）芯片，可擦可編程序只讀存儲器）芯片， EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）電可擦可編程只讀存儲器）（2）存儲器高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器(Cache) 當啟動一個任務時，計算機預測當啟動一個任務時，計算機預測CPU可可能需要哪些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)預先送到高能需要哪些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)預先送到高速緩沖存儲器區(qū)域。當指令需要數(shù)據(jù)時，速緩沖存儲器區(qū)域。當指令需要數(shù)據(jù)時，CPU首先檢查高速緩沖存儲器中是否有所需首先檢查高速緩沖存儲器中是否有所需要的數(shù)據(jù)。如果有，要的數(shù)據(jù)。如果有，CPU就從高速緩沖器中就從高速緩沖器中直接取數(shù)據(jù)而不用到直接取數(shù)

9、據(jù)而不用到RAM中取了。中取了。 （2）存儲器Cache：不同級存儲器不同級存儲器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粭l捷徑一條捷徑（2）存儲器（3 3）外存儲器）外存儲器 外存儲器又稱為外存儲器又稱為輔助存儲器輔助存儲器，簡稱外存（，簡稱外存（輔存）。外存作為主存儲器的后備和補充而廣輔存）。外存作為主存儲器的后備和補充而廣泛使用。泛使用。 外存儲器的特點是：存儲容量大、成本低外存儲器的特點是：存儲容量大、成本低、存取速度慢，可以永久地脫機保存信息。、存取速度慢，可以永久地脫機保存信息。 常用的外存儲器有：軟磁盤、硬磁盤和光常用的外存儲器有：軟磁盤、硬磁盤和光盤、盤、U U盤等。一臺微機配備的硬盤容量越

10、大越好盤等。一臺微機配備的硬盤容量越大越好，但容量越大，價格越高。，但容量越大，價格越高。（4）輸入設備（5）輸出設備隨著計算機硬件技術的發(fā)展，將以上五部分的組件集成在一起，并為之命名了專業(yè)術語。（1）中央處理器：運算器和控制器一起稱為中央處理器（CPU）。在微型計算機上中央處理器通常是一塊超大規(guī)模集成電路芯片。像8088、80486、Pentium等是微型計算機上的CPU芯片。（2）主機：運算器、控制器和內(nèi)存儲器三者的合稱，所以，主機包括CPU和內(nèi)存。（3）外部設備：包括輸入設備和輸出設備，簡稱外設。（4）總線：連接計算機內(nèi)各部件的一簇公共信號線，是計算機中傳送信息的公共通道。其中傳送地址的

11、稱為地址總線；傳送數(shù)據(jù)的稱為數(shù)據(jù)總線；傳送控制信號的稱為控制總線。（5）接口：主機與外設相互連接部分，是外設與CPU進行數(shù)據(jù)交換的協(xié)調(diào)及轉(zhuǎn)換電路。計算機的工作原理就是存儲程序和程序控制。即首先把計算機的工作原理就是存儲程序和程序控制。即首先把計算機如何進行操作的指令序列（稱為程序）和原始數(shù)計算機如何進行操作的指令序列（稱為程序）和原始數(shù)據(jù)輸入到計算機內(nèi)存中據(jù)輸入到計算機內(nèi)存中存儲程序；然后每一條指令存儲程序；然后每一條指令中明確規(guī)定了計算機從哪個地址取數(shù)、怎樣操作、最后中明確規(guī)定了計算機從哪個地址取數(shù)、怎樣操作、最后送到哪里等步驟，就這樣在控制器的指揮下完成規(guī)定的送到哪里等步驟，就這樣在控制器

12、的指揮下完成規(guī)定的所有操作步驟，直到遇到停止指令所有操作步驟，直到遇到停止指令程序控制。程序控制。 2.2.2 2.2.2 計算機工作原理計算機工作原理 指令是計算機能識別并執(zhí)行的二進制代碼，是計算機為完成某個基本操作而發(fā)出的指示或命令。 操作碼操作碼 操作數(shù)操作數(shù) If Goto And OrCPU內(nèi)存I/O設備主機對計算機的硬件進行管理等對計算機的硬件進行管理等指令指令 結構結構分分類類操作碼操作碼 要完成的操作類型或性質(zhì)要完成的操作類型或性質(zhì)操作數(shù)操作數(shù) 操作的內(nèi)容或所在的地址操作的內(nèi)容或所在的地址 1 1、指令和程序、指令和程序一條指令的執(zhí)行過程分為以下一條指令的執(zhí)行過程分為以下3步驟

13、：步驟： 取指令取指令 分析指令分析指令 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 按照指令計數(shù)器中的地址，按照指令計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并從內(nèi)存儲器中取出指令，并送往指令寄存器。送往指令寄存器。對指令寄存器中存放的指令進行分析對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應的控制電位信令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應的控制電位信號；由地址碼確定操作數(shù)地址。號；由地址碼確定操作數(shù)地址。由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，去完成該指令要的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。所要求的操作。 一條指

14、令執(zhí)行完成，指令計數(shù)器加一條指令執(zhí)行完成，指令計數(shù)器加1 1 或?qū)⒒驅(qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到。轉(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到。2 2、指令的執(zhí)行過程、指令的執(zhí)行過程 指令的串行執(zhí)行指令的串行執(zhí)行 指令的并行執(zhí)行指令的并行執(zhí)行 則：有三條指令的并行執(zhí)行理論上約是串行執(zhí)行速則：有三條指令的并行執(zhí)行理論上約是串行執(zhí)行速度的度的3倍倍 取指令 1 分析指令 1 執(zhí)行指令 1 取指令 2 分析指令 2 取指令 3 執(zhí)行指令 2 分析指令 3 指令 1 指令 2 指令 3 取指令 3 取指令 執(zhí)行指令 分析指令 (a) 指令的串行執(zhí)行 3、程序的執(zhí)行過程有序的指令集合構成了程序，程序的執(zhí)行

15、過程就是一條一條指令的執(zhí)行過程。4 4案例：計算機的工作過程案例：計算機的工作過程5+7=？MOV AL， 5 ；取加數(shù)5到寄存器AL中ADD AL， 7 ；相加，和保留在AL中HLT ；停機指令存存儲示意圖程序執(zhí)行時，先由CPU的程序計數(shù)器PC發(fā)出第一條指令第一個字節(jié)的地址00H，然后PC自動加1，變成01H。00H地址經(jīng)過地址寄存器AR到存儲器地址譯碼器譯碼識別主存00H地址單元。CPU發(fā)來讀命令，將存儲器尋址到的單元內(nèi)容讀出送到DR數(shù)據(jù)寄存器，再送到IR指令寄存器，然后送ID進行譯碼，CPU識別該操作碼的含義：取操作數(shù)。接著PC再將地址01H發(fā)出，又自動加1，變成02H。重復以上過程，從

16、存儲單元讀出操作數(shù)5送到AL寄存器，至此第一條指令執(zhí)行完畢。 PC AR 00H 00H +1 00H AB 存儲器地址譯碼 00 M 10110000 00000101 00000100 00000111 11110100 ALU AL 1011000 DR 10110000 IR 10110000 ID （操作控制）OC CPU“讀” CPU讀第一條指令第一個字節(jié)操作碼過程讀第一條指令第一個字節(jié)操作碼過程（1）指令執(zhí)行順序的控制；（2）指令操作的控制；（3）時序信號控制；（4）數(shù)據(jù)的加工處理與傳遞。 計算機的工作過程中計算機的工作過程中CPU的主要功能可歸納為的主要功能可歸納為 軟件：軟件

17、：軟件是指程序、程序運行所需要的數(shù)據(jù)以及軟件是指程序、程序運行所需要的數(shù)據(jù)以及開發(fā)、使用和維護這些程序所需要的文檔的集合。開發(fā)、使用和維護這些程序所需要的文檔的集合。 軟件系統(tǒng)：程序軟件系統(tǒng)：程序+數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)+文檔文檔2.3 2.3 計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)3.3.1 軟件的分類軟件的分類 單用戶操作系統(tǒng) 多用戶操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡戶操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 匯編程序 解釋程序 編譯程序 語言處理程序 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 診斷與維護程序 調(diào)試程序 服務程序 系統(tǒng)軟件 軟件包 用戶程序 應用軟件 軟件 如：如：DOSDOS、WINDOWSWINDOWS、UNIXUNIX、LinuxLinux等等操作系統(tǒng)（操作

18、系統(tǒng)（Operating System，OS）是直接運行在裸機上的最基本是直接運行在裸機上的最基本的系統(tǒng)軟件，是系統(tǒng)軟件的核心，其他軟件必須在操作系統(tǒng)的支持的系統(tǒng)軟件，是系統(tǒng)軟件的核心，其他軟件必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。因此，操作系統(tǒng)是最基本、最不可少的系統(tǒng)軟件，它下才能運行。因此，操作系統(tǒng)是最基本、最不可少的系統(tǒng)軟件，它控制和管理計算機系統(tǒng)內(nèi)各種軟、硬件資源，合理有效地組織計算控制和管理計算機系統(tǒng)內(nèi)各種軟、硬件資源，合理有效地組織計算機系統(tǒng)的工作。有了操作系統(tǒng)，用戶不必關心硬件細節(jié)，機器更易機系統(tǒng)的工作。有了操作系統(tǒng)，用戶不必關心硬件細節(jié)，機器更易于使用。于使用。操作系統(tǒng)實際上也是一組

19、計算機程序，和別的計算機程序一樣，它操作系統(tǒng)實際上也是一組計算機程序，和別的計算機程序一樣，它們都給們都給CPU的執(zhí)行提供指令，但它又不同于其他程序。操作系統(tǒng)控的執(zhí)行提供指令，但它又不同于其他程序。操作系統(tǒng)控制著制著CPU及其他系統(tǒng)資源，并控制著其他程序的執(zhí)行。及其他系統(tǒng)資源，并控制著其他程序的執(zhí)行。1 1、操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)2、程序設計語言與語言處理程序 用于人與計算機之間交流的語言。計算機語言用于人與計算機之間交流的語言。計算機語言是人工語言的一種。是人工語言的一種。 機器語言：機器語言：由二進制代碼組成由二進制代碼組成 匯編語言：匯編語言：由英文助記符組成由英文助記符組成 高級語言：高級

20、語言：由接近自然語言和數(shù)學語言組成由接近自然語言和數(shù)學語言組成執(zhí)行指令機器語言匯編語言高級語言第一條指令00111110 0000011操作碼（LOAD）操作數(shù)7（將7送累加器A）LD A,7；7ALET A=7+10 第二條指令11000110 00001010ADD 10 （將A+10）ADD A,10 ;A+10 第三條指令01110110 ；暫停HALT ;暫停END特點和缺點計算機能識別可直接執(zhí)行。但難懂、易錯、難修改含義清楚,但面向機器，通用性差；編程時要熟悉指令系統(tǒng)；要熟悉機器內(nèi)部；要匯編程序翻譯接近自然語言或數(shù)字語言；易看易懂；不需懂機器內(nèi)部；但要經(jīng)過翻譯2、程序設計語言與語言

21、處理程序高級語言源程序機器指令目標程序可執(zhí)行程序編譯程序編譯程序（編譯）（連接）連接程序連接程序3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）4、各種實用服務程序2.3.2應用軟件為某一專門的應用目的而開發(fā)的軟件稱為應用軟件例如：1、辦公信息化系統(tǒng)2、計算機輔助設計（CAD）3、計算機輔助制造（CAM）4、計算機輔助教學（CAI）5、計算機輔助測試（CAT）6、翻譯軟件7、游戲軟件、游戲軟件2.4 2.4 微型計算機硬件系統(tǒng)微型計算機硬件系統(tǒng)2.4.1 2.4.1 微型計算機概述微型計算機概述 特點：特點：（1 1）運算速度快、計算精度高，具有記憶功能和邏輯判）運算速度快、計算精度高，具有記憶功能和邏輯判斷能

22、力。斷能力。（2 2）價格低、集成度高、適應性強，有利于推廣和普及。）價格低、集成度高、適應性強，有利于推廣和普及。（3 3）生產(chǎn)周期短、見效快）生產(chǎn)周期短、見效快（4）體積小、重量輕、耗電少、維護方便）體積小、重量輕、耗電少、維護方便2.4.2 微型計算機硬件的基本結構馮諾依曼體系結構 微型計算機硬件結構原理圖微型計算機硬件系統(tǒng)的這種結構一般稱為三總線結構，即以中央處理器（CPU）為核心，通過地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB將其他部件與微處理器連接起來。 1、微處理器（Microprocessor）PC：Personal Computer 微型計算機的CPU芯片稱作“微處理器”.微處

23、理器包括算術邏輯部件ALU、控制部件和寄存器組三個基本部件。 各種各種CPU圖：奔騰、賽揚、迅馳、龍芯圖：奔騰、賽揚、迅馳、龍芯2、主存儲器（1）只讀存儲器（ROM）。它在沒有電源的情況下能保持數(shù)據(jù)，但存儲器一旦做好，就不易改動其內(nèi)容。（2）靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）。它不必周期性地刷新就可以保持數(shù)據(jù)。（3）動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）。它需要周期性地刷新來保持數(shù)據(jù)。此類存儲器又分為同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM）及DDR（Double Data Rate）。（4）高速緩沖存儲器（Cache）。在32位、64位微型計算機中，為了加快運算速度，普遍在CPU與常規(guī)主存儲器之間增設一級或兩

24、級高速小容量存儲器，稱之為高速緩沖存儲器（Cache）。SDRAM內(nèi)存條 DDR 內(nèi)存條 磁盤：磁盤： 軟盤和硬盤軟盤和硬盤 只讀光盤只讀光盤 （CD-ROM） 移動硬盤移動硬盤 閃存閃存 盤符盤符 每個盤都有一個名字標識，人每個盤都有一個名字標識，人們習慣稱之為盤符。用們習慣稱之為盤符。用A：、：、B：代代表軟盤。表軟盤。C：、：、D：等代表硬盤，等代表硬盤，硬盤盤符最后一個字母的下一個字硬盤盤符最后一個字母的下一個字母為光盤盤符，如一臺計算機分區(qū)母為光盤盤符，如一臺計算機分區(qū)為為C：D：E：三個邏輯硬盤，那么三個邏輯硬盤，那么光盤盤符就為光盤盤符就為F：3、 外存儲器外存儲器（1）軟磁盤 磁道是以盤片中心為圓心的同心圓，每一個圓周為一個磁道，最外面的磁道為0磁道。 3.5吋吋高密度軟盤有高密度軟盤有80個磁道，每個磁道個磁道，每個磁道有有18個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存儲個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存儲512B，每個磁每個磁盤有兩個面。盤有兩個面。8018512B2=1474560B=1.44MB磁道和扇區(qū)磁盤格式化：磁盤格式化：對磁盤進行磁道和扇區(qū)的劃分，寫對磁盤進行磁道和扇區(qū)的劃分，寫上各扇區(qū)的地址標記并標明存儲容量的大小。上各扇區(qū)的地址標記并標明存儲容量的大小。（2）硬盤）硬盤衡量硬盤性能好壞，