大学计算机教学课件-

1、1掌握计算机系统组成部分掌握计算机系统组成部分2掌握计算机软、硬件系统基础知识。掌握计算机软、硬件系统基础知识。3学习计算机的基本工作原理。学习计算机的基本工作原理。4了解计算机的存储体系，内存和外存的特点。了解计算机的存储体系，内存和外存的特点。5了解微型计算机的组成、特点及性能指标。了解微型计算机的组成、特点及性能指标。 课前思考题 计算机系统概述计算机系统概述 计算机硬件系统和工作原理计算机硬件系统和工作原理 显示器显示器键盘键盘主机箱主机箱鼠标鼠标音箱音箱计算机系统组成计算机系统组成硬件硬件操作系统操作系统应用软件应用软件用用 户户硬件和软件的关系硬件和软件的关系John von Ne

2、umann冯冯 诺依曼诺依曼1946年第一台计算机诞生年第一台计算机诞生冯冯诺依曼原理：存储程序和程序控制诺依曼原理：存储程序和程序控制存储程序工作原理存储程序工作原理1.1. 电子计算机应由电子计算机应由运算器运算器、控制器控制器、存储存储器器、输入设备输入设备和和输出设备输出设备 5 5个部分组成。个部分组成。 2.2. 采用采用存储程序存储程序的方式，程序和数据都放在同一个存储器的方式，程序和数据都放在同一个存储器中，按地址访问。中，按地址访问。3.3. 程序和数据以二进制表示。程序和数据以二进制表示。 2.2.1 计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成2. 2 计算机硬件系统和工作原理计

3、算机硬件系统和工作原理冯冯诺依曼计算机硬件结构框架图：诺依曼计算机硬件结构框架图：中中央央处处理理器器控制器控制器运算器运算器控制整个计算机控制整个计算机所有部件的工作所有部件的工作执行算术运算执行算术运算和逻辑运算和逻辑运算 运算器运算器 运算器也称为运算器也称为算术逻辑单元算术逻辑单元ALU。运算运算器是计算机的核心部件，主要负责对输入计器是计算机的核心部件，主要负责对输入计算机中的二进制编码进行算术或逻辑运算。算机中的二进制编码进行算术或逻辑运算。算术运算就是指加、减、乘、除。逻辑运算算术运算就是指加、减、乘、除。逻辑运算就是指就是指“与与”、“或或”、“非非”、“比较比较”、“移位移位

4、”等操作。等操作。 n控制器控制器,也称为CU （实现计算机各部分联系及（实现计算机各部分联系及自动执行程序的部件）。控制器是计算机的神经自动执行程序的部件）。控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，它控制计算机的全部动作。中枢和指挥中心，它控制计算机的全部动作。 控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和有关控制电路组成。控制器的基本功能就电路和有关控制电路组成。控制器的基本功能就是从内存依次取出指令，产生控制信号，向其他是从内存依次取出指令，产生控制信号，向其他部件发出命令，指挥整个计算过程。同时把数据部件发出命令，指挥整个计算过程。同时把数据地址发

5、向有关部件（输入、输出、运算器），并地址发向有关部件（输入、输出、运算器），并根据各部件的反馈信号进行控制调整。根据各部件的反馈信号进行控制调整。 内存储器（内存或主存）内存储器（内存或主存） 外存储器（外存或辅助存储器）外存储器（外存或辅助存储器） 存储器存储器RAMROM高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache） 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合，存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合，每个记忆单元由每个记忆单元由8 8位二进制位组成，可读写其中的数据。位二进制位组成，可读写其中的数据。（2）存储器1111 01000000 01110000 01000000 0

6、101011 000000H00H01H01H 02H02H03H03H04H04H每个记忆单元由每个记忆单元由8 8位二进制位组成。位二进制位组成。1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB字节字节BYTEBYTE7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit（2）存储器RAMRAM（随机存取存储器）随机存取存储器） RAMRAM是既可从里面读是既可从里面读取数据，也可以存入数据取数据，也可以存入数据的存储器。随机存储器的的存储器。随机存储器的速度快，但也有一个缺点：速度快，但也有一个缺点：它具

7、有易失性它具有易失性RAMRAM中中存放的所有数据当计算机存放的所有数据当计算机断电后都会丢失。通常断电后都会丢失。通常RAMRAM叫主存、内存条。叫主存、内存条。（2）存储器 ROM（只读存储器）只读存储器） ROM是不能用普通计算机写入的，只能用专是不能用普通计算机写入的，只能用专用设备才能写入，并且写入的内容在断电后依然保用设备才能写入，并且写入的内容在断电后依然保存。启动计算机的指令存储在不易失的只读存储器存。启动计算机的指令存储在不易失的只读存储器中，只读存储器在制造时即包含了永久存储的指令。中，只读存储器在制造时即包含了永久存储的指令。 PROM（可编程序只读存储器）芯片。可编程序

8、只读存储器）芯片。 EPROM（可擦可编程序只读存储器）芯片，可擦可编程序只读存储器）芯片， EEPROM（电可擦可编程只读存储器）电可擦可编程只读存储器）（2）存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache) 当启动一个任务时，计算机预测当启动一个任务时，计算机预测CPU可可能需要哪些数据，并将这些数据预先送到高能需要哪些数据，并将这些数据预先送到高速缓冲存储器区域。当指令需要数据时，速缓冲存储器区域。当指令需要数据时，CPU首先检查高速缓冲存储器中是否有所需首先检查高速缓冲存储器中是否有所需要的数据。如果有，要的数据。如果有，CPU就从高速缓冲器中就从高速缓冲器中直接取数据而不用到直接取数

9、据而不用到RAM中取了。中取了。 （2）存储器Cache：不同级存储器不同级存储器间数据传输的间数据传输的一条捷径一条捷径（2）存储器（3 3）外存储器）外存储器 外存储器又称为外存储器又称为辅助存储器辅助存储器，简称外存（，简称外存（辅存）。外存作为主存储器的后备和补充而广辅存）。外存作为主存储器的后备和补充而广泛使用。泛使用。 外存储器的特点是：存储容量大、成本低外存储器的特点是：存储容量大、成本低、存取速度慢，可以永久地脱机保存信息。、存取速度慢，可以永久地脱机保存信息。 常用的外存储器有：软磁盘、硬磁盘和光常用的外存储器有：软磁盘、硬磁盘和光盘、盘、U U盘等。一台微机配备的硬盘容量越

10、大越好盘等。一台微机配备的硬盘容量越大越好，但容量越大，价格越高。，但容量越大，价格越高。（4）输入设备（5）输出设备随着计算机硬件技术的发展，将以上五部分的组件集成在一起，并为之命名了专业术语。（1）中央处理器：运算器和控制器一起称为中央处理器（CPU）。在微型计算机上中央处理器通常是一块超大规模集成电路芯片。像8088、80486、Pentium等是微型计算机上的CPU芯片。（2）主机：运算器、控制器和内存储器三者的合称，所以，主机包括CPU和内存。（3）外部设备：包括输入设备和输出设备，简称外设。（4）总线：连接计算机内各部件的一簇公共信号线，是计算机中传送信息的公共通道。其中传送地址的

11、称为地址总线；传送数据的称为数据总线；传送控制信号的称为控制总线。（5）接口：主机与外设相互连接部分，是外设与CPU进行数据交换的协调及转换电路。计算机的工作原理就是存储程序和程序控制。即首先把计算机的工作原理就是存储程序和程序控制。即首先把计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据输入到计算机内存中据输入到计算机内存中存储程序；然后每一条指令存储程序；然后每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数、怎样操作、最后中明确规定了计算机从哪个地址取数、怎样操作、最后送到哪里等步骤，就这样在控制器的指挥下完成规定的送到哪里等步骤，就这样在控制器

12、的指挥下完成规定的所有操作步骤，直到遇到停止指令所有操作步骤，直到遇到停止指令程序控制。程序控制。 2.2.2 2.2.2 计算机工作原理计算机工作原理 指令是计算机能识别并执行的二进制代码，是计算机为完成某个基本操作而发出的指示或命令。 操作码操作码 操作数操作数 If Goto And OrCPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等对计算机的硬件进行管理等指令指令 结构结构分分类类操作码操作码 要完成的操作类型或性质要完成的操作类型或性质操作数操作数 操作的内容或所在的地址操作的内容或所在的地址 1 1、指令和程序、指令和程序一条指令的执行过程分为以下一条指令的执行过程分为以下3步骤

13、：步骤： 取指令取指令 分析指令分析指令 执行指令执行指令 按照指令计数器中的地址，按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。送往指令寄存器。对指令寄存器中存放的指令进行分析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，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。号；由地址码确定操作数地址。由操作控制线路发出完成该操作所需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，去完成该指令要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。所要求的操作。 一条指

14、令执行完成，指令计数器加一条指令执行完成，指令计数器加1 1 或将或将转移地址码送入程序计数器，然后回到。转移地址码送入程序计数器，然后回到。2 2、指令的执行过程、指令的执行过程 指令的串行执行指令的串行执行 指令的并行执行指令的并行执行 则：有三条指令的并行执行理论上约是串行执行速则：有三条指令的并行执行理论上约是串行执行速度的度的3倍倍 取指令 1 分析指令 1 执行指令 1 取指令 2 分析指令 2 取指令 3 执行指令 2 分析指令 3 指令 1 指令 2 指令 3 取指令 3 取指令 执行指令 分析指令 (a) 指令的串行执行 3、程序的执行过程有序的指令集合构成了程序，程序的执行

15、过程就是一条一条指令的执行过程。4 4案例：计算机的工作过程案例：计算机的工作过程5+7=？MOV AL， 5 ；取加数5到寄存器AL中ADD AL， 7 ；相加，和保留在AL中HLT ；停机指令存存储示意图程序执行时，先由CPU的程序计数器PC发出第一条指令第一个字节的地址00H，然后PC自动加1，变成01H。00H地址经过地址寄存器AR到存储器地址译码器译码识别主存00H地址单元。CPU发来读命令，将存储器寻址到的单元内容读出送到DR数据寄存器，再送到IR指令寄存器，然后送ID进行译码，CPU识别该操作码的含义：取操作数。接着PC再将地址01H发出，又自动加1，变成02H。重复以上过程，从

16、存储单元读出操作数5送到AL寄存器，至此第一条指令执行完毕。 PC AR 00H 00H +1 00H AB 存储器地址译码 00 M 10110000 00000101 00000100 00000111 11110100 ALU AL 1011000 DR 10110000 IR 10110000 ID （操作控制）OC CPU“读” CPU读第一条指令第一个字节操作码过程读第一条指令第一个字节操作码过程（1）指令执行顺序的控制；（2）指令操作的控制；（3）时序信号控制；（4）数据的加工处理与传递。 计算机的工作过程中计算机的工作过程中CPU的主要功能可归纳为的主要功能可归纳为 软件：软件

17、：软件是指程序、程序运行所需要的数据以及软件是指程序、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。开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。 软件系统：程序软件系统：程序+数据数据+文档文档2.3 2.3 计算机软件系统计算机软件系统3.3.1 软件的分类软件的分类 单用户操作系统 多用户操作系统 网络户操作系统 操作系统 汇编程序 解释程序 编译程序 语言处理程序 数据库管理系统 诊断与维护程序 调试程序 服务程序 系统软件 软件包 用户程序 应用软件 软件 如：如：DOSDOS、WINDOWSWINDOWS、UNIXUNIX、LinuxLinux等等操作系统（操作

18、系统（Operating System，OS）是直接运行在裸机上的最基本是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，其他软件必须在操作系统的支持的系统软件，是系统软件的核心，其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。因此，操作系统是最基本、最不可少的系统软件，它下才能运行。因此，操作系统是最基本、最不可少的系统软件，它控制和管理计算机系统内各种软、硬件资源，合理有效地组织计算控制和管理计算机系统内各种软、硬件资源，合理有效地组织计算机系统的工作。有了操作系统，用户不必关心硬件细节，机器更易机系统的工作。有了操作系统，用户不必关心硬件细节，机器更易于使用。于使用。操作系统实际上也是一组

19、计算机程序，和别的计算机程序一样，它操作系统实际上也是一组计算机程序，和别的计算机程序一样，它们都给们都给CPU的执行提供指令，但它又不同于其他程序。操作系统控的执行提供指令，但它又不同于其他程序。操作系统控制着制着CPU及其他系统资源，并控制着其他程序的执行。及其他系统资源，并控制着其他程序的执行。1 1、操作系统、操作系统2、程序设计语言与语言处理程序 用于人与计算机之间交流的语言。计算机语言用于人与计算机之间交流的语言。计算机语言是人工语言的一种。是人工语言的一种。 机器语言：机器语言：由二进制代码组成由二进制代码组成 汇编语言：汇编语言：由英文助记符组成由英文助记符组成 高级语言：高级

20、语言：由接近自然语言和数学语言组成由接近自然语言和数学语言组成执行指令机器语言汇编语言高级语言第一条指令00111110 0000011操作码（LOAD）操作数7（将7送累加器A）LD A,7；7ALET A=7+10 第二条指令11000110 00001010ADD 10 （将A+10）ADD A,10 ;A+10 第三条指令01110110 ；暂停HALT ;暂停END特点和缺点计算机能识别可直接执行。但难懂、易错、难修改含义清楚,但面向机器，通用性差；编程时要熟悉指令系统；要熟悉机器内部；要汇编程序翻译接近自然语言或数字语言；易看易懂；不需懂机器内部；但要经过翻译2、程序设计语言与语言

21、处理程序高级语言源程序机器指令目标程序可执行程序编译程序编译程序（编译）（连接）连接程序连接程序3、数据库管理系统（DBMS）4、各种实用服务程序2.3.2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、办公信息化系统2、计算机辅助设计（CAD）3、计算机辅助制造（CAM）4、计算机辅助教学（CAI）5、计算机辅助测试（CAT）6、翻译软件7、游戏软件、游戏软件2.4 2.4 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2.4.1 2.4.1 微型计算机概述微型计算机概述 特点：特点：（1 1）运算速度快、计算精度高，具有记忆功能和逻辑判）运算速度快、计算精度高，具有记忆功能和逻辑判断能

22、力。断能力。（2 2）价格低、集成度高、适应性强，有利于推广和普及。）价格低、集成度高、适应性强，有利于推广和普及。（3 3）生产周期短、见效快）生产周期短、见效快（4）体积小、重量轻、耗电少、维护方便）体积小、重量轻、耗电少、维护方便2.4.2 微型计算机硬件的基本结构冯诺依曼体系结构 微型计算机硬件结构原理图微型计算机硬件系统的这种结构一般称为三总线结构，即以中央处理器（CPU）为核心，通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB将其他部件与微处理器连接起来。 1、微处理器（Microprocessor）PC：Personal Computer 微型计算机的CPU芯片称作“微处理器”.微处

23、理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件和寄存器组三个基本部件。 各种各种CPU图：奔腾、赛扬、迅驰、龙芯图：奔腾、赛扬、迅驰、龙芯2、主存储器（1）只读存储器（ROM）。它在没有电源的情况下能保持数据，但存储器一旦做好，就不易改动其内容。（2）静态随机存取存储器（SRAM）。它不必周期性地刷新就可以保持数据。（3）动态随机存取存储器（DRAM）。它需要周期性地刷新来保持数据。此类存储器又分为同步动态随机存取存储器（SDRAM）及DDR（Double Data Rate）。（4）高速缓冲存储器（Cache）。在32位、64位微型计算机中，为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设一级或两

24、级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器（Cache）。SDRAM内存条 DDR 内存条 磁盘：磁盘： 软盘和硬盘软盘和硬盘 只读光盘只读光盘 （CD-ROM） 移动硬盘移动硬盘 闪存闪存 盘符盘符 每个盘都有一个名字标识，人每个盘都有一个名字标识，人们习惯称之为盘符。用们习惯称之为盘符。用A：、：、B：代代表软盘。表软盘。C：、：、D：等代表硬盘，等代表硬盘，硬盘盘符最后一个字母的下一个字硬盘盘符最后一个字母的下一个字母为光盘盘符，如一台计算机分区母为光盘盘符，如一台计算机分区为为C：D：E：三个逻辑硬盘，那么三个逻辑硬盘，那么光盘盘符就为光盘盘符就为F：3、 外存储器外存储器（1）软磁盘 磁道是以盘片中心为圆心的同心圆，每一个圆周为一个磁道，最外面的磁道为0磁道。 3.5吋吋高密度软盘有高密度软盘有80个磁道，每个磁道个磁道，每个磁道有有18个扇区，每个扇区可存储个扇区，每个扇区可存储512B，每个磁每个磁盘有两个面。盘有两个面。8018512B2=1474560B=1.44MB磁道和扇区磁盘格式化：磁盘格式化：对磁盘进行磁道和扇区的划分，写对磁盘进行磁道和扇区的划分，写上各扇区的地址标记并标明存储容量的大小。上各扇区的地址标记并标明存储容量的大小。（2）硬盘）硬盘衡量硬盘性能好坏，