第2章 大学计算机基础简明教程

1、1第第2章章 计算机系统计算机系统2.1 计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.2 计算机软件系统计算机软件系统 2.3 计算机硬件系统计算机硬件系统 22.1 计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.1.1计算机系统的组成计算机系统的组成 系统软件系统软件应用软件应用软件计算机系统分为：硬件计算机系统分为：硬件+软件软件硬硬 件件软软 件件3计算机系统的组成计算机系统的组成 输入设备：输入设备：键盘、鼠标、扫描仪键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：输出设备：显示器、打印机显示器、打印机 外外 存：软、硬盘、光盘、闪存存：软、硬盘、光盘、闪存 网络设备：网卡、调制解

2、调器等网络设备：网卡、调制解调器等 计计算算机机系系统统软件软件外部设备外部设备系统软件系统软件应用软件应用软件硬件硬件运算器运算器寄存器寄存器控制器控制器主机主机内存内存CPU随机存储器随机存储器(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)高速缓冲存储器高速缓冲存储器 操作系统：操作系统：WindowsWindows、UnixUnix、LinuxLinux语言处理程序：语言处理程序：C C、PascalPascal、VBVB等等 实用程序：诊断程序、排错程序等实用程序：诊断程序、排错程序等 办公软件包、数据库管理系统办公软件包、数据库管理系统 4计算机的五大部件计算机的五大部件冯冯.诺依曼思想诺

3、依曼思想： 二进制二进制程序与数据一样程序与数据一样存放在内存存放在内存五大模块五大模块存储器存储器数据流数据流控制流控制流运算器运算器外存储器外存储器输输出出设设备备内存储器内存储器输输入入设设备备控制器控制器John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼1949 存储程序工作原理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，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。二是能够自动地执行程序。计算机是利用计算机是利用“存储器存储器”（内存）来存放所要（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次的部件可以依次从存储器中取出

4、程序中的每一条指令，并加以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。分析和执行，直至完成全部指令任务为止。计算机工作原理计算机工作原理6运算器：运算器：进行算术、逻辑运算，加工和处理数进行算术、逻辑运算，加工和处理数据据(Arithmetic Logic Unit, ALU)控制器：控制器：分析程序控制信息，控制并协调各项分析程序控制信息，控制并协调各项操作。操作。运算器和控制器是计算机的核心，称为中央处运算器和控制器是计算机的核心，称为中央处理单元（理单元（Central Processing Unit, CPU）7 中央处理器中央处理器CPU是计算机的是

5、计算机的心脏，用来实现程心脏，用来实现程序控制功能（自动序控制功能（自动从内存中读入指令从内存中读入指令和自动执行指令）和自动执行指令）。CPU结构示意图结构示意图地址总线地址总线标标 志志寄存器寄存器指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄存寄存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC数据总线数据总线控制总线控制总线ALU计算机工作原理计算机工作原理8存储器存储器存储器存储器是计算机存储是计算机存储数据和程序数据和程序的记忆单元集合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

6、中位二进制位组成，可读写其中的数据。的数据。9 认识计算机内存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，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为。随机访问存储器存放操作系统指令、软件指令、处理数据计算机使用磁盘空间来模拟内存的能力只读存储器小型指令集合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计算机工作原理10存储器存储器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=1024B1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB1TB= 210GB= 1024GB字节字节BYTEBYTE7 6 5

7、 4 3 2 1 0位位BitBit11输入设备输入设备常用输入设备：常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。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。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。122.2.2 “存储程序存储程序”工作原理工作原理是对计算机进行程序控制的是对计算机进行程序控制的。所有的指令的所有的指令的称为计算机的称为计算机的是为完成一项特定任务而用某种语言是为完成一项特定任务而用某种语言编写的编写的。机器指令格式机器指令格式操作码操作码操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位

8、置）计算机软件概述计算机软件概述计算机工作原理计算机工作原理计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控程序控制制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC字长：CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进

9、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。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。 冯冯诺依曼型计算机工作原理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

10、分成取指令串行执行。例如：加法指令依序分成取指令/指令译码指令译码/取数操作取数操作/运算处理和写结果五个步骤。执行过程如下：运算处理和写结果五个步骤。执行过程如下： 特点：控制简单特点：控制简单 ，速度低，机器各部件利用率。例如，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。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？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

11、.五条指令重叠执行情况： 1T 2T 3T 4T 5T 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。 182.2计算机软件系统计算机软件系统 软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发

12、、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。使用和维护这些程序所需要的文档的集合。 存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：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编写程序和运行程序硬件硬件软件软件系统软件系统软件应用软件应用软件计算机软件概述计算机软件概述软件系统软件应用软件操作系统设备驱动实用工具编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件 上网软件学习课件娱乐软件商务软件协助计算机执行基本任务。协助人们完成某项任务。计算机软件概述计算机软件概述最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上。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

13、强操作系统的功能。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。计算机软件概述计算机软件概述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

14、对象语言：Visual Basic 、JAVA Delphi等。等。23语言处理程序语言处理程序 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；程序，即翻译程序。用非机器语言写的程序称为源程序；通

15、过翻译程序翻译后的程序称为目标程序。翻译程序也称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。自的翻译程序，互相不通用。 24语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 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。语言程序（目标程序）的工具。 汇编语言汇编语言源程序源程序汇编汇编程序程序机器语机器语言程序言程序汇编程序的具体翻译工作步骤：汇编程序的具体翻译工作步骤： 用机器操作码代替

16、符号化的操作符。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。用数值地址代替符号名称。 将常数翻译为机器的内部表示。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。分配指令和数据的存储单元。 25语言处理程序语言处理程序 高级语言翻译程序高级语言翻译程序 1)解释方式解释方式 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，会立即言指令，然后立即执行这些指令；若

17、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。停止，报错并提醒用户更正代码。解释方式不生成目标程序。 数据数据高级语言高级语言源程序源程序解释程序解释程序计算结果计算结果26高级语言翻译程序高级语言翻译程序编译方式编译方式 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

18、程序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。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。一般高级语执行速度快，修改源程序后都必须重新编译。一般高级语言（言（C/C+C/C+、PASCALPASCAL、FORTRANFORTRAN、COBOLCOBOL等）都是采用编译方等）都是采用编译方式。式。 目标程序目标程序 源程序源程序可执行程序可执行程序编译程序编译程序连接程序连接程序数据数据计算结果计算结果.C .OBJ .EXE 27实用程序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

19、务完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务u 系统设置软件系统设置软件 （不必直接修改注册表）（不必直接修改注册表） 超超级兔子软件、级兔子软件、Windows优化大师优化大师u诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题 ） 控制面板的系统控制面板的系统chkdsku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）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） “附件附件|系统工具系统工具|”的的“备份备份” u反病毒程序反病毒程序 u文件压缩程序文件压缩程序282.2.2应用软件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为

20、某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 。例如：例如：1. 办公软件包办公软件包2. 图形和图象处理软件图形和图象处理软件3.数据库系统数据库系统4. Ineternet服务软件服务软件5.娱乐与学习软件娱乐与学习软件29是包含、和的机箱，其中电路板上有计算机的和。是计算机的主要输出设备，它将来自计算机的电信号转换为屏幕上的彩色亮点，从而形成图像。一般安装在系统单元内，当其工作时，机箱上的指示灯会亮。将数据写到上，当其工作时，其指示灯就亮，警告用户此时不要取出软盘。采用激光技术从上读取数据。是一种输入指示设备，帮助用户操作对象并选择菜单项。作为多数计算机的主要输入设备。位于系统单元内，提供

21、到、和的连接。302.4.1 微型计算机微型计算机1.微型计算机概述微型计算机概述318存储器存储器是一种具有保存和存取信息是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备（程序、数据）的设备/ /器件，是计器件，是计算机系统不可或缺的资源算机系统不可或缺的资源。8现代微型计算机的存储系统结构：现代微型计算机的存储系统结构： 高速缓存高速缓存-主存主存( (内存内存)-)-外存外存 为什么采用这种结构？为什么采用这种结构？指令执行速度依赖于内存读写速度指令执行速度依赖于内存读写速度高速高速CPUCPU需配置高速内存需配置高速内存大软件需配置大容量内存大软件需配置大容量内存 高速度高速度 低成本低成本 大容量大容量 存储器与存储系统存储器与存储系统矛盾矛盾CPU高速缓存高速缓存CacheM1M2.Mn外存外存2外存外存1.外存外存n主存主存外存外存寄