电子教案2 计算机系统

第2章计算机系统,1,2.1计算机系统的组成和工作原理2.2计算机软件系统2.3微型计算机硬件系统,2.1.1计算机系统的组成,2,CPU,3,冯.诺依曼思想：五大模块程序和数据以二进制的形式存放在存储器控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作,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,冯诺依曼体系结构,特点：程序存储，按程序顺序执行,2.1.2计算机硬件系统,控制器运算器存储器输入输出设备,4,5,程序控制方式,编写程序,可执行程序,指令,操作码,地址码,指令译码器,操作控制线路,程序计数器,控制信号,控制器（CU）,功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。组成包括：指令寄存器IR、程序计数器PC、指令译码器ID。,如何利用计算机解决问题？,运算器,6,控制信号,功能：进行算术运算和逻辑运算。包括：算术逻辑部件ALU、累加器、通用寄存器、状态寄存器。,数据,内存,算术逻辑部件ALU,累加器,状态寄存器,通用寄存器,控制器的控制线路,7,存储体,地址译码器,数据寄存器,数据总线,读写电路,地址总线,存储器,功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。,外存储器：长期存放大量信息。一般只与内存进行数据交换,内存储器：信息交流中心。计算机直接从内存中存取信息,内存,RAM随机存取存储器,ROM只读存储器,多级存储器体系结构,8,CPU,寄存器组,Cache,主存,外存,主机,存取速度快，但容量小价格贵,容量大、价格低，但存取速度慢,高速存取，但存储容量小,实现高速存取存放当前使用最频繁的指令和数据,存储单元,9,每个记忆单元由8位二进制位组成。,常用：KB，MB，GB，TB等,位(bit)：二进制的最小单位，代表一个0或1。字节(Byte)：8位二进制，数据存储基本单位。字(Word)：计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数.存储器中，通常每个单元存储一个字。字长(WordLength)：每个字中二进制位数,输入输出设备,10,内存,输入设备接受用户输入的原始信息转换成计算机可识别的信息形式（二进制）存放到内存中,输出设备将内存中的处理结果信息转变为用户可接受的形式输出或成为其它机器所能接受的形式输出,2.1.3计算机基本工作原理,指令和程序计算机的一般工作过程程序的执行方式,11,1.指令系统,12,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,IfGoto,AndOr,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,指令系统:一台计算机的所有指令的集合,指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，规定了某一种操作。,要完成的操作类型及功能,操作数或操作数的地址,13,计算机的工作过程就是执行程序的过程,程序：计算机指令的有序集合，即完成一定功能的指令序列,程序的执行过程：按照程序设定的次序依次执行指令，直到遇到结束指令,什么是程序？,程序如何执行？,指令的执行过程图例,取指令按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。,分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号由地址码确定操作数地址。,执行指令由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。如：加法指令,一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到。,14,15,取指令,分析指令,执行指令,2,2,2,1,1,1,时间,完成,指令的串行执行,16,取指令部件,分析指令部件,执行指令部件,6,6,5,5,5,4,4,4,3,3,3,2,2,2,1,1,1,时间,6,完成,指令流水线技术,多部件重叠操作多指令并行处理,2.2计算机软件系统,17,系统软件,18,操作系统,语言处理程序,实用程序,翻译工具作用：将源程序翻译成计算机能识别的机器语言程序。,程序设计语言：机器语言汇编语言高级语言典型的程序设计语言有：FORTRAN、Pascal、C与C+、BASIC、Java、C#等。,汇编程序,编译程序,解释程序,19,1.机器语言由“0”、“1”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。,缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改；不同计算机的指令系统不同，机器语言通用性差优点：代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。,例如，计算A=15+10的机器语言程序如下：1011000000001111：把15放入累加器A中0010110000001010：10与累加器A的值相加，结果仍放入A中11110100：结束，停机,20,2.汇编语言,使用反映机器指令功能的助记符代替机器语言的符号语言。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等等。优点：克服了机器语言难读等缺点，保持了其编程质量高、占存储空间少，执行速度快的优点。缺点：仍然依赖于机器，通用性差。特点：源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言。常用于过程控制等编程。,例如，计算A=15+10的汇编语言程序：MOVA，15：把15放入累加器A中ADDA，10：10与累加器A相加，结果存入A中HLT：结束，停机,21,3.高级语言,接近于自然语言和数学公式的程序设计语言。优点：接近算法语言，易学、易掌握，可读性好，可维护性强，可靠性高；可移植性好，重用率高自动化程度高，编程效率高。缺点：源程序要通过翻译程序翻译成机器语言，代码不最优。,例如，计算A=15+10的BASIC语言程序如下：A=15+1015与10相加的结果放入A中PRINTA输出AEND程序结束,语言处理程序,22,机器语言源程序,汇编语言源程序,机器语言程序（目标程序）,汇编程序,翻译,低级语言处理程序,高级语言翻译程序,23,高级语言源程序,计算结果,解释程序,数据,高级语言源程序,计算结果,连接程序,数据,目标程序,可执行程序,编译程序,解释方式,编译方式,Basic,C+,程序库,可脱离编译程序和源程序独立存在并反复使用,24,常用高级语言,Fortran：1954年推出，适用于科学和工程计算。C、C+：1972年推出C语言，1983年加入面向对象的概念，改名为C+。语言简练、功能强，适用面广。BASIC：初学者语言，1964年推出；1991年微软推出可视化的、基于对象的VisualBasic开发环境，发展到现在的VB.NET开发环境，则是完全面向对象、功能更强大。Java：1995年推出，是一种新型的跨平台的面向对象设计语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。C#：以其简单的可视化操作，高运行效率，强大的操作能力，面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。,2013年4月TIOBE编程语言排行榜,25,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）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,26,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,2.3微型计算机硬件系统,主机系统总线与接口输入输出设备,27,28,2.3.1主机系统,1.微型计算机的诞生1971年Intel的工程师马西安霍夫(M.E.Hoff)成功地在一个芯片上实现了中央处理器：第一片4位微处理器Intel4004，第一台4位微型计算机MCS-4，,2.摩尔定律每18个月，集成度将翻一翻，速度将提高一倍，而其价格将降低一半,AppleII第一个带有彩色图形的个人计算机,29,笔记本电脑,台式计算机,平板,3.微机种类,30,主机系统,主机的基本组成主板CPU存储器：内存、外存,31,主板部件,主板（MainBoard）也叫母板（MotherBoard），是连接其它部件的载体,芯片：平台控制芯片、BIOS芯片。插槽/接口：CPU插槽、内存插槽、显卡插槽、PCI插槽、硬盘/光驱接口等。外部接口:USB接口、视频输出接口（HDMI、DVI、VGA等）、音频接口、网络接口、键盘鼠标接口等。,32,芯片组,主板的核心，决定了主板的功能和档次。由平台控制器芯片组成，以前由北桥和南桥芯片组成，现在北桥功能集成到CPU里面。控制器芯片(PlatformControllerHub，PCH)负责控制外部I/O设备的连接通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等接口，以及负责管理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等,33,主板线路原理图,板载功能:板载功能就是将某一些接口卡的功能集成到主板上。最常见的就是集成声卡和网卡的功能。,34,CPU主要指标,主频，CPU内核工作的时钟频率。一般来说，主频越高，CPU运算速度也越快。睿频（睿频加速），是一种能自动超频的技术。字长和位数,CPU内部寄存器位数。QPI（QuickPathInterconnect）总线,是CPU内核与内存之间、内核与内核之间的总线。QPI带宽越高意味着CPU数据处理能力越强。高速缓存（Cache）容量核心数量,单个芯片上有多个一样功能的处理器核心单一提高CPU的主频无法带来相应的性能提高，反而会使CPU在短时间内烧毁生产工艺电子元件之间的最小距离,最新的45纳米和32纳米(10-9米),35,IntelCPU,2005年，Intel公司开始推出酷睿。特点；低功耗2010年Intel推出智能处理器Corei系列采用睿频加速技术，按负载提升主频，高效节能。采用超线程技术，提升CPU的并行处理能力。集成高清显卡，大幅提升3D性能。,36,AMDCPU,在Intel中都能找到相对应的产品，性能基本一致在同级别的情况下，AMD的CPU浮点运算能力比Intel的稍弱.强项在于集成的显卡。在相同的价格情况下，AMD的配置更高，核心数量更多。,37,国产CPU龙芯,龙芯（Loongson）是中国科学院计算所自主开发的CPU，具有自主知识产权。龙芯1号2002,32位处理器，主频266MHz。龙芯2号2003,64位处理器，主频300MHz至500MHz。龙芯2E（龙芯2号增强型处理器）2006年，64位处理器，主频1.0GHz龙芯2E最高运算速度达到每秒40亿次双精度浮点运算，实测性能超过1.5Hz的奔腾4处理器的水平。龙芯3号龙芯3A于2009年9月28日研发完成自主知识产权的四核CPU采用的是65纳米工艺，主频1GHz，性能达到了世界先进水平,38,存储器,内存,随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器(Cache),外存,磁介质,软盘和硬盘光盘Flash存储器,内存储器（主存储器）,速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。外存储器（辅助存储器）,速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。,CPU,RAM,外存,39,内存-RAM,SDRAM(同步动态存储器),DDR(双倍数据速率SDRAM),DDR2,DDR3,一个总线周期读写一次数据,一个总线周期读写两次数据,2倍,一个总线周期读写两次数据并行存取两个数据,4倍,一个总线周期读写两次数据并行存取四个数据,8倍,40,ROM,只读存储器(ROM),可读，不可写；掉电后数据不会丢失BIOS(BasicInputOutputSystem)即基本输入输出系统。是被固化到主板ROM芯片上的程序。BIOS主要功能:识别各种硬件(包括型号)引导操作系统进行硬件最直接的操作，如读文件等。引导操作系统过程自检。检查电脑硬件是否良好。初始化，读取CMOS里设置的参数,对硬件进行设置。引导操作系统。在c盘观察ntldr,41,CMOS,CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）是一种RAM存储器。它存储了计算机的时钟和硬件配置等信息。它靠系统电源供电，当关机后就靠主板电池供电，因而它保存的信息不会丢失。CMOS设置：在电脑刚开机时（操作系统还没开始启动），一般按Del键进入（不同的主板会不一样）,42,主存储器-Cache,原因：CPU的速度很快而内存速度较慢。Cache集成在CPU内部，高速，小容量。CPU访问Cache是以字节为单位的，而Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。CPU首先从Cache中查找，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中一级缓存L1Cache，容量小。二级缓存L2Cache，容量大。主要区别在于CPU查找数据的顺序。一般由DRAM(静态存储器)构成。,43,外存储器（辅助存储器）,内存储器，读写速度快，容量小，断电不能保存数据。外存储器，大容量、能长期保存数据的存储器。分类：,44,机械硬盘,硬盘(HardDisk)是微机中最主要的辅存，特点是容量大。硬盘有数个盘片，每盘片有上下两个面，每个面一个磁头。同一盘片不同半径的同心圆为磁道。磁道被划分为多个扇区。不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面。存储容量磁头数磁道（柱面）数每道扇区数每扇区字节数。信息记录可表示为：几号磁道（柱面），几号磁头，几号扇区。,固态硬盘,固态硬盘（solid-statedisk，SSD）运用Flash芯片发展出最新的硬盘不怕摔，能适应极端温度或湿度读写速度快价格高容量小、一般128G读写次数有限（使用寿命有限）,46,其他硬盘,笔记本硬盘：直径：2.5英寸和1.8英寸。特点：小巧轻便，重量尚不足百克。移动硬盘笔记本硬盘读写控制电路板外部接口外部接口：USB2.0和IEEE1394。微型硬盘：一般为1英寸以下的硬盘。主要用于数码产品中，如数码摄像机。,47,辅存光盘,CD的容量一般为680M,DVD的容量为4.7G50G，相当于773张普通CD光盘。DVD采用更细的激光束，具有更高的磁道密度。,光驱：COMBO光驱：“康宝”是一种集合了CD、DVD的读取和CD的刻录。DVD刻录光驱：包括了CD、DVD的读取和CD、DVD的刻录。光驱的数据读取速率用倍速来表示，CD最高为64倍速DVD为20倍。CD光驱的1倍速是150KB/s,DVD光驱的1倍速是1350KB/s,48,辅存Flash存储器,Flash存储器（FlashMemory），也叫闪速存储器，它既有ROM的特点，断电能长期保存信息，又可以通过一定的电压进行擦除重写。U盘Flash卡：需要读卡器与计算机连接。,总线,总线（Bus）是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道,49,（a）总线（b）点到点总线（c）高速公路图2.3.9总线与高速公路作用比较,50,总线,地址总线:传输地址信息数据总线:传输数据信息控制总线:传输控制信息,内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）系统总线：连接计算机中各大部件外部总线：连接计算机和外部设备,连接对象,传输对象,并行总线:通信速度快、实时性好串行总线:简易、方便、灵活,通信方式,计算机的各个部件内部，部件之间都采用总线连接。衡量总线的指标就是总线带宽总线的带宽=总线频率总线宽度传输次数,51,系统总线,是微机系统中最重要的总线，用于连接计算机中各大部件。常见的总线有：PCIPCI-E,52,PCI,PCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位），总线频率为33MHz或66MHz，最大传输速率66M64/8532MB/s。优点：结构简单、成本低、设计容易。缺点：总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设备是共享总带宽。,53,PCI-E,是替代PCI的最新的总线，是一种串行总线。有多个通道（Lane