[高等教育]计算机应用： 第6章 计算机系统组成及工作原理.ppt

第6章 计算机系统组成 及工作原理,教学目标,? 了解计算机的发展、类型及应用领域 ? 了解计算机的工作原理及系统结构 ? 掌握计算机硬件与软件系统基础知识 ? 掌握计算机中的数制及数据在计算机中的 表示方法,教学内容,? 计算机常识知识 ? 计算机工作原理及计算机系统结构 ? 计算机硬件系统 ? 计算机软件系统 ? 数制的基本知识 ? 数据在计算机内部的表示方法与存储,6.1 计算机一般知识,6.1.1 计算机的发展历程(1) 世界上第一台数字计算机ENIAC诞生于1946年2月 其发展经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、 大规模和超大规模集成电路等四个发展阶段(如下表),6.1.1 计算机的发展历程(2),在计算机发展史上，美籍匈牙利科学家冯诺依曼提出了“存储程序”的计算机解决方案，现代计算机基本上都按这一方案进行设计，因此现代计算机也称为冯诺依曼计算机。 从目前的研究情况来看，未来计算机的发展将更加多元，将来还会有光子计算机、生物计算机、量子计算机、DNA计算机、神经元计算机等新型计算机出现，给人们的学习生活带来更大便利。,6.1.2 计算机的特点,计算机是一种能快速、高效地对各种信息进行存储和处理的电子设备。具有以下几个特点： (1)运算速度快 (2)计算精度高，可靠性强 (3)具有记忆能力和逻辑判断能力 (4)能自动执行命令,6.1.3 计算机的分类(1/3),计算机的种类很多，通常可按操作对象、用途和规模进行分类。 1按计算机的操作对象分类 按信号处理方式可以分为模拟计算机和数字计算机两大类。 (1)模拟计算机 模拟计算机是以模拟变量(如电压、电流、温度、长度等)为操作对象，优点是运算速度很快，但运算精度稍差，目前模拟计算机已基本被淘汰。 (2)数字计算机 数字计算机是以数字和逻辑变量作为操作对象，它具有运算速度快、运算精度高的特点，通常所称的计算机是指数字计算机。,6.1.3 计算机的分类(2/3),计算机的种类很多，通常可按操作对象、用途和规模进行分类。 2按计算机的用途分类 数字计算机按其用途可分为通用计算机和专用计算机两大类。 (1)通用计算机 通用计算机适用于解决一般信息处理和数据运算问题，它能够存储程序，程序可根据解决问题的需要加以修改。该类计算机使用领域广泛，通用性较强，在科学计算、数据处理、信息管理等方面都适用。 (2)专用计算机 专用计算机是专门为解决某一类特殊问题而设计的，配有为解决某问题的专门软件和硬件，其结构较通用计算机简单、体积小、价格便宜，主要用于作业控制、过程控制、军事等专用设备。,6.1.3 计算机的分类(3/3),计算机的种类很多，通常可按操作对象、用途和规模进行分类 3按计算机的规模分类 计算机按规模可划分为巨型机、大中型机、小型机、工作站、微机等五大类，它们在性能和成本上存在较大的差别。 通常我们使用的电脑是指微机(又称微型计算机、个人计算机、PC机)，它由微处理器(CPU)、存储器、接口电路、输入和输出设备(如键盘、显示器、打印机、硬盘)构成，一般具有体积小、功耗低、可靠性强、价格便宜等特点。,6.1.4 计算机的应用领域,计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，主要如下： 1科学计算 2数据处理 3计算机辅助系统，包括： 计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助制造(CAM) 计算机辅助教学(CAI) 4过程控制 5人工智能 6网络应用,6.2 计算机硬件系统组成,6.2.1 计算机硬件系统组成 1.计算机系统组成 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。 硬件系统是构成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机的物质基础。冯诺依曼提出的计算机解决方案中将计算机硬件系统分为五大组成部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，其中运算器和控制器合称中央处理器(CPU)，是计算机硬件的核心部件。 软件系统是运行、管理和维护计算机的各类程序和文档的总称。通常把不安装任何软件的计算机称为“裸机”。通常将计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。,6.2.1 计算机硬件系统组成,2.微机硬件系统组成 微型计算机中通常将CPU和内存储器合称为微机的主机，将输入设备、输出设备以及外存储器等称为外设，即微机硬件分为主机和外设两部分。常用的外设主要有显示器、键盘、鼠标、音箱等设备。主机是计算机的核心部件，通常分立式和卧式两种，性能上没有差别，价格也相差不大，目前较为流行立式机箱，因为散热好，容易扩充，缺点是体积较大。主机是微机的主要组成部分，主机内部主要有主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、电源、显示适配器等，如图6-2所示。,6.2.1 计算机硬件系统组成,6.2.2 中央处理器CPU,中央处理器(CPU)由运算器与控制器组成，是计算机系统中最重要的一个部件。 CPU是整个计算机系统的控制中心，它严格按照规定的脉冲频率工作，一般来说，工作频率越高，CPU工作速度越快，能够处理的数据量也就越大，功能也就越强。 在CPU技术和市场上，英特尔(Intel)公司一直是技术领头人，其次是AMD公司的系列CPU。 近年我国自主研制的“龙芯”系列CPU取得重大突破，发展迅速，现已投入生产，市场反映良好。,6.2.4 存储器系统,存储器是计算机系统中用来存储计算机信息的部件，根据存储特点，存储器系统分为内存和外存两种。 能够直接与CPU进行数据交换的存储器称为内存，与CPU间接交换数据的存储器称为外存。 内存位于计算机系统主板上，运行速度较快，容量相对较小，所存储的数据断电即失。内存又可分为两种，即随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。 外存一般安装在主机箱中，通过数据线连接在主板上，它与CPU的数据交换必须通过内存和接口电路进行。外存的特点是存储容量大，存取速度相对内存要慢得多，但存储的数据很稳定，停机后数据不会消失。常用的外部存储器有：硬盘、光盘、软盘、优盘(也称U盘、闪盘)等。,6.2.4 存储器系统容量单位,存储器的容量及其单位 存储器是由大量存储单元组成的，存储器容量的基本单位是字节(Byte,用字母B表示),存储容量是指存储单元中字节数 字节(B)的单位比较小，因此经常还使用千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)、太字节(TB)等 单位之间的换算关系： 1KB1024B，1MB1024KB，1GB1024MB，1TB=1024GB 在内存中有大量的存储单元，每个存储单元可存放1位二进制数据，8个存储单元称为一个字节(Byte) 现在主流主存配置是2GB，硬盘容量一般为几百兆字节左右,6.2.5 总线和接口,1总线 总线是微机中各种部件之间共享的一组公共数据传输线路。 常见的PCI总线插座一般有35个，主要用于安装一些功能扩展卡，如声卡、网卡、电视卡、视频卡等。PCI总线宽度为32位，工作频率为33MHz。 USB总线是一个通用串行总线，一般在主板后部。它支持热插拔。 2I/O接口 接口是指计算机系统中，在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。计算机的外部设备多种多样，而系统总线上的数据都是二进制数据，而且外部设备与CPU的处理速度相差很大，所以需要在系统总线与I/O设备之间设置接口，来进行数据缓冲、速度匹配和数据转换等工作。,6.2.6 输入/输出设备,计算机输入/输出(I/O)设备种类繁多，主要I/O设备有： 1键盘 2鼠标 3显示器 常见的有阴极射线管(CRT)显示器、液晶(LCD)显示器等 4打印机 常见的有激光打印机、喷墨打印机和点阵式(针式)打印机等 5扫描仪,6.2.7 计算机的性能指标,计算机性能指标是衡量计算机系统功能强弱的主要指标。 1运算速度 运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。微型计算机一般采用主频来描述运算速度，一般来说，主频越高，运算速度就越快。 2字长 CPU字长是指CPU能够同时处理二进制数据的位数。在其他指标相同时，字长越长，计算机处理数据的速度就越快。 3内存容量 内存储器也简称内存，是中央处理器(CPU)可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的。 4外存容量 外存储器也简称外存，通常是指硬盘容量。外存容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。,6.3 计算机软件系统,软件系统是计算机上可运行程序的总和。计算机软件可以分为系统软件和应用软件,6.3.1 系统软件,系统软件用于计算机管理、监控、维护和运行的软件。 1操作系统 操作系统是对计算机硬件资源和软件资源进行控制和管理的大型程序。它是最基本的系统软件，其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。目前主流的操作系统有Windows系列。 2网络服务程序 3数据库系统 数据库管理系统是建立信息管理系统(如财务管理)的主要软件工具 4程序设计语言 程序设计语言一般分为机器语言、汇编语言、高级语言三类。 机器语言是以二进制代码表示的指令集合，是计算机惟一能直接识别和执行的语言。 用汇编语言和高级语言编写的程序称为“源程序”，不能被计算机直接执行，必须把它们翻译成机器语言程序，机器才能识别及执行。通常翻译有两种方式：解释方式和编译方式。,6.3.2 应用软件,应用软件是计算机各种应用程序的总称，凡是用户利用计算机的硬件和系统软件所编制的解决各类实际问题的程序，都可以称为应用软件。 它主要解决一个实际问题或完成一项具体工作，一般由软件人员或计算机用户针对具体工作编制。 应用软件分为两类：一类是不分业务、行业的公用应用软件；一类是按业务、行业分的专用应用软件。 我们已学习的Office系列软件是办公应用领域常用的应用软件,6.4 计算机的基本工作原理及结构,6.4.1 计算机的基本工作原理 现代计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯诺依曼于1946年首先提出来的。冯诺伊曼的主要思想可概括为以下三点。 1冯诺伊曼计算机结构模型 主要包括：输入设备、输出设备、存储器、控制器、 运算器五大组成部分。 2采用二进制形式表示数据和指令 3存储程序工作方式,6.4.2 微机系统结构,微机控制中心系统结构可以用“1-3-5-7”的规则来简要说明。 1个CPU：CPU处于系统结构的顶层(第1级)，控制着系统的运行状态，下面的数据必须逐级上传到CPU进行处理。 3大芯片：MCH(北桥芯片)、ICH(南桥芯片)、FWH(BIOS芯片)等。在三大芯片中，北桥芯片主要负责内存与CPU的数据交换，显示数据与CPU数据的交换，南桥芯片负责数据的上传与下送，BIOS芯片则关系到硬件系统与软件系统的兼容性 。 5大接口：IDE(集成驱动器电子设备接口)、SATA(串行ATA接口)、SIO(超级输入输出接口)、LAN(以太网接口)、AC97(音频设备接口)等。 7大总线：FSB(前端总线)、MB(内存总线)、PCI-E(主要用于显示的总线)、IHA(南北桥连接总线)、PCI(外部设备互连总线)、LPC(少针脚总线)、USB(通用串行设备总线)等。,6.5 数据在计算机中的表示与存储,计算机的功能是处理信息，自然界的信息是丰富多彩的，有数值、文字、声音、图形、图像、视频等。虽然计算机能极快地进行运算，但其内部并不像人类在实际生活中使用的十进制，而是使用只包含两个数码（0和1）的二进制。因此进入计算机中的各种信息都要转换成二进制数，计算机才能进行存储、运算和处理；同样，从计算机中输出的数据也要进行逆向转换，当然这都由操作系统自动完成 。 本节介绍二进制的基本知识、数据在计算机内部的表示与存储方法。,6.5.1 计算机数制,1数制的概念 （1）数制的概念 数制也称计数制，是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法，通常采用进位计数制，如“逢十进一”则称为十进制，“逢二进一”则称二进制。计算机科学中常用的数制有十进制、二进制、八进制和十六进制，数据在计算机内部表示、存储和运算只能使用二进制。,1数制的概念,（2）数制基本要素 一般将数码、基数和位权称为数制的三要素。 基数：数制表示时所使用数码的个数。 例如，二进制的基数为2；十进制的基数为10。 数码：数制中表示基本数值大小的不同数字符号。 例如，十进制有10个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、 9； 二进制只有两个数码，即0与1。 位权：数制中特定位上的数码所表示数值的大小（所处位置的价值）。例如，十进制123中，数码1对应的位权是100，数码2对应的位权是10，数码3对应的位权是1。 为了区别不同的数制，规定书写时在相应数后添加后缀，通常二进制数后缀为B，八进制数后缀为O，十六进制数后缀为H，十进制数后缀为D，如100D表示十进制数，100B表示二进制数。,2数制转换(1/3),（1）将十进制转换成其它进制 一般需分为整数部分和小数部分分别进行转换。 整数部分 方法：基数除法取余，具体步骤如下： 第一步：将要转换的数除以新的进制基数，把余数作为新进制数的最低位； 第二步：把上一次得的商再除以新的进制基数，把余数作为新进制数的次低位； 第三步：继续上一步,直到最后的商为零,这时的余数就是新进制的最高位。,2数制转换(1/3),（1）将十进制转换成其它进制 一般需分为整数部分和小数部分分别进行转换。 小数部分 方法：基数乘法取整，具体步骤如下： 第一步：把要转换数的小数部分乘以新进制的基数，把得到的整数部分作为新进制小数部分的最高位； 第二步：把上一步得的小数部分再乘以新进制的基数，把整数部分作为新进制小数部分的次高位； 第三步：继续上一步，直到小数部分变成零为止（或者达到预定的精度要求也可以）。,例1 将十进制数(43.625)转化为二进制数, 求整数部分：将43除以2取余数，得结果为 (43)D=(101011)B，具体计算机过程如下：,例1 将十进制数(43.625)转化为二进制数, 求小数部分，将.625乘以2取整数，得结果为 (0.25)D=(0.01)B，具体计算机过程如下：, 所以（43.625）D=（101011.101）B,2数制转换(2/3),（2）将其它进制转换为十进制 方法：将其它进制按位权展开，然后各项相加， 就得到其对相的十进制数。 例2 将二进制数（10110.101）B转换为十进制数 按位权展开： 124+023+122+121+020+12-1+02-2 +12-3 各项相加：16+0+4+2+0.5+0+0.125=22.625 所以（10110.101）B=（22.625）D,2数制转换(3/3),（3）二进制与八进制、十六进制的相互转换 二进制转换为八进制、十六进制:它们之间满足23和24的关系，因此把要转换的二进制从低位到高位每3位或4位一组，高位不足时在有效位前面添“0”，然后把每组二进制数转换成一位八进制或十六进制，依次转换后顺序连起来即可。 八/十六进制转换为二进制时，把上面的过程逆过来即可。 例3 将十六进制数（C19）H转换为二进制数 将十六进制数的每位数码依次转换为四位二进制数 (C)H=(1100)B (1)H=(0001)B (9)H=(1001)B 将转换后的二进数顺序连起来,即得： （C19）H=（1100 0001 1001）B,3二进制数的运算规则,（1）算术运算 二进制数算术运算规则与我们熟悉的十进制数运算规则完全相同，只是运算过程中的进位规则是“逢二进一”或“借一当二”，而十进制数运算时是“逢十进一”或“借一当十”。 如：二进制数加法 1101+11=10000, 二进制数减法1101-11=1010 （2）逻辑运算 二进制数逻辑是按位进行运算,相邻位之间不存在借位或进位关系。逻辑运算通常与、或、非、异或等运算类型，其运算规则如下： 或运算： 参与运算的两个二进制数数码只要一个为1则结果为1，否则为0； 与运算： 参与运算的两个二进制数数码都为1时结果才为1，否则为0； 非运算：单目运算符，逐位取反，即1变0，0变1； 异或运算： 参与运算的两个二进制数码相同则结果为0，相异则为1。,6.5.2 数值数据的表示,由于计算机只能直接识别二进制数，选择数值数据表示方法时考虑的主要因素是要方便计算机运算器电路的设计。 相关内容包括： 机器数与真值 定点数与浮点数 原码、反码、补码 BCD码,1、机器数与真值,数值数据即有大小（数码），又有符号（正数或负数）。数值数据在计算机中的表示形式称为机器数，主要特征是将数值数据的符号位连同数值位一同用二进制表示。通常机器数中最高二进制位用来表示数值的符号位，0表示正，1表示负，其余数位表示数值的大小。同时，机器数真正表示的数值称为这个机器数的真值。 机器数通常具有下面几个特点： （1）机器数据表示的数的范围受计算机字长的限制 （2）机器数的符号位被数值化 （3）机器数的小数点处于约定的位置 机器数通常有原码、反码、补码等多种方法，现代计算机主要选择补码表示方法。,2定点数与浮点数,根据机器数中小数点位置约定方式的不同，机器数通常可分为定点数和浮点数两种。 （1）定点数 小数点位置约定在一个固定的位置，通常约定在机器数中数值位的最高位或最低位，因此定点表示形式又可以分为定点小数表示和定点整数表示形式，。 （2）浮点数 浮点数表示方法允许小数点位置浮动。浮点数由阶码和尾数两部分组成，通常阶码用定点整数表示，尾数用定点小数表示 。,6.5.3 字符数据的表示,在计算机中，字符型数据占有很大比重。字符数据包括西文字符（字母、数字、各种符号）和汉字字符。它们也需用二进制数进行编码才能存储在计算机中并进行处理。对于西文字符与汉字字符，由于形式的不同，使用的编码方式也不同。 1英文字符的表示 英文字符包括：数字、字母、符号、控制符号等，目前广泛采用ASCII码（美国标准