第2章-大学计算机基础简明教程...ppt

1,第2章计算机系统,2.1计算机系统的组成与工作原理2.2计算机软件系统2.3计算机硬件系统,2,2.1计算机系统的组成与工作原理2.1.1计算机系统的组成,系统软件应用软件,计算机系统分为：硬件+软件,硬件,软件,3,计算机系统的组成,输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机外存：软、硬盘、光盘、闪存网络设备：网卡、调制解调器等,计算机系统,软件,外部设备,系统软件,应用软件,硬件,运算器寄存器控制器,主机,内存,CPU,随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器,操作系统：Windows、Unix、Linux语言处理程序：C、Pascal、VB等实用程序：诊断程序、排错程序等,办公软件包、数据库管理系统,4,计算机的五大部件,冯.诺依曼思想：二进制程序与数据一样存放在内存五大模块,JohnvonNeumann冯诺依曼,1949EDSAC,冯诺依曼计算机,存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,计算机工作原理,6,运算器：进行算术、逻辑运算，加工和处理数据(ArithmeticLogicUnit,ALU)控制器：分析程序控制信息，控制并协调各项操作。运算器和控制器是计算机的核心，称为中央处理单元（CentralProcessingUnit,CPU）,7,中央处理器CPU,CPU是计算机的心脏，用来实现程序控制功能（自动从内存中读入指令和自动执行指令）。,CPU结构示意图,地址总线,标志寄存器,指令寄存器,数据暂存器,控制电路,指令译码器,地址寄存器,指令指针寄存器,R1,R2,R3,R4,寄存器组,运算器,PC,数据总线,控制总线,ALU,计算机工作原理,8,存储器,存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。,9,认识计算机内存,与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存。,随机访问存储器RAM存放操作系统指令、软件指令、处理数据,虚拟内存计算机使用磁盘空间来模拟内存的能力,只读存储器ROMROMBIOS小型指令集合,CMOS存储器存放计算机的配置信息，如日期和时间、硬盘容量、RAM容量等,计算机工作原理,10,存储器,每个记忆单元由8位二进制位组成。,1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB,11,输入设备,常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。,12,2.2.2“存储程序”工作原理,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,计算机软件概述,计算机的基本工作原理,计算机工作原理,计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”,CPU总线内存,标志寄存器,地址总线AB,程序数据,数据总线DB,控制总线CB,地址译码器,、指令1指令2指令3指令4、数据1数据2数据3、,指令寄存器,数据暂存器,控制电路,指令译码器,地址寄存器,指令指针寄存器,R1,R2,R3,R4,寄存器组,运算器,PC,衡量CPU性能的主要技术指标,字长：CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长位宽：CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能传递的数据位数主频，是CPU的时钟频率，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快了。不过由于各种CPU的内部结构也不尽相同，所以并不能完全用主频来概括CPU的性能。,衡量CPU性能的主要技术指标,外频，是系统总线的工作频率；倍频，是指CPU外频与主频相差的倍数。用公式表示就是：主频=外频倍频CPU的主频以MHz（兆赫兹）为单位。1MHz等于每秒100万周期。,冯诺依曼型计算机工作原理依序逐条执行程序指令，每条指令的各个操作也按顺序串行执行。例如：加法指令依序分成取指令/指令译码/取数操作/运算处理和写结果五个步骤。执行过程如下：特点：控制简单，速度低，机器各部件利用率。例如在取指令时译码器和运算器等都空闲，而在存结果时其它部件也在空闲。若能把程序中的多条指令在时间上重叠起来执行会否显著提高机器速度呢？,取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2.,指令的流水线控制技术,指令的重叠执行流水线工作原理,五条指令重叠执行情况：1T2T3T4T5T机器执行时间取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2取指3译码3取数3运算3存数3取指4译码4取数4运算4存数4取指5译码5取数5运算5存数5由上可见，若将一条指令的执行时间分为五段,每段所用时间为T，则一条指令执行时间为5T。系统工作正常后每隔T时间就得到一条指令的处理结果。平均速度提高了4倍。这种工作方式称为流水线处理。本例为五级流水线处理方式。,18,2.2计算机软件系统,软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。,计算机软件系统,“吃软不吃硬”的EDSAC,存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：编写程序和运行程序,硬件,软件,系统软件应用软件,计算机软件概述,计算机软件分类,计算机软件概述,系统软件,操作系统最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上。,实用工具用来提供一种让计算机用户控制分配和使用计算机资源的方法，以增强操作系统的功能。,设备驱动程序设备驱动程序告诉计算机中的操作系统如何使用某一硬件。即插即用一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准。,编译器编译器是程序员将高级语言编写的指令翻译成可以在计算机上执行的代码的软件开发工具，它的特点是目标语言比源语言低级。,计算机软件概述,1.5.2计算机语言概述,1、机器语言：二进制代码，计算机可以直接识别的语言，机器语言依赖CPU的指令系统。执行效率高，但不易理解和编写程序。,2、汇编语言：用助记符代替机器语言的操作数和操作码。与机器语言相对应。存在兼容性问题。,3、高级语言：接近人类的自然语言，也称算法语言，与具体的机器无关，易学、易用。常见的高级语言有：C、BASIC、PASCAL等。面向对象语言：VisualBasic、JAVADelphi等。,23,语言处理程序,在所有的程序设计语言中，除了用机器语言编制的程序能够被计算机直接理解和执行外，其他的程序设计语言编写的程序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的机器语言程序，实现这个翻译过程的工具是语言处理程序，即翻译程序。用非机器语言写的程序称为源程序；通过翻译程序翻译后的程序称为目标程序。翻译程序也称为编译器。针对不同的程序设计语言编写出的程序，有各自的翻译程序，互相不通用。,24,语言处理程序汇编程序,汇编程序是将汇编语言编制的程序（源程序）翻译成机器语言程序（目标程序）的工具。,汇编程序的具体翻译工作步骤：用机器操作码代替符号化的操作符。用数值地址代替符号名称。将常数翻译为机器的内部表示。分配指令和数据的存储单元。,25,语言处理程序高级语言翻译程序,1)解释方式解释方式的翻译工作由解释程序来完成。解释程序对源程序进行逐句分析，若没有错误，将该语句翻译成一个或多个机器语言指令，然后立即执行这些指令；若解释时发现错误，会立即停止，报错并提醒用户更正代码。解释方式不生成目标程序。,26,高级语言翻译程序编译方式,翻译工作由编译程序完成。如同笔译在纸上记录翻译后的结果。编译程序对整个源程序经过编译处理，产生一个与源程序等价的目标程序；目标程序还可能要调用一些其他语言编写的程序和程序库中的标准子程序，通过连接程序将目标程序和有关的程序库组合成一个完整的可执行程序。执行速度快，修改源程序后都必须重新编译。一般高级语言（C/C+、PASCAL、FORTRAN、COBOL等）都是采用编译方式。,.C.OBJ.EXE,27,实用程序,完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务系统设置软件（不必直接修改注册表）超级兔子软件、Windows优化大师诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题）控制面板的系统chkdsk备份程序（备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上）“附件|系统工具|”的“备份”反病毒程序文件压缩程序,28,2.2.2应用软件,为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件。例如：1.办公软件包2.图形和图象处理软件3.数据库系统4.Ineternet服务软件5.娱乐与学习软件,29,微型计算机的硬件组成,主机是包含电源、存储设备和电路板的机箱，其中电路板上有计算机的主处理器和内存。,显视器是计算机的主要输出设备，它将来自计算机显卡的电信号转换为屏幕上的彩色亮点，从而形成图像。,硬盘驱动器一般安装在系统单元内，当其工作时，机箱上的指示灯会亮。,软盘驱动器将数据写到软盘上，当其工作时，其指示灯就亮，警告用户此时不要取出软盘。,CD-ROM和DVD驱动器采用激光技术从光盘上读取数据。,鼠标是一种输入指示设备，帮助用户操作对象并选择菜单项。,键盘作为多数计算机的主要输入设备。,声卡位于系统单元内，提供到扬声器、麦克风和耳机的连接。,30,2.4.1微型计算机,1.微型计算机概述,31,存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备/器件，是计算机系统不可或缺的资源。现代微型计算机的存储系统结构：高速缓存-主存(内存)-外存为什么采用这种结构？指令执行速度依赖于内存读写速度高速CPU需配置高速内存大软件需配置大容量内存高速度低成本大容量,存储器与存储系统,CPU,高速缓存Cache,M,1,M,2,.,Mn,外存,2,外存,1,.,外存,n,主存,外存,寄存器,SRAM,DRAM,硬盘、光盘、U盘等,计算机工作原理,32,磁盘(外存储器),磁盘结构及磁道扇区划分,磁道（cylinders）0磁道中存有文件分配表（FAT）信息扇区（sectors,512字节）簇（clusters）一个磁道上的一个或更多扇区组合成一个簇,簇是DOS用来存储文件信息的最小单位。FAT是DOS存放磁盘目录结构和哪些簇存放哪些文件等信息,磁盘格式化,33,磁盘容量,容量=磁盘面数磁道数/面扇区数/磁道字节数/扇区,