大学计算机教程-计算与人工智能导论（第4版）课件 第2章 计算机系统的组成和工作原理

第2章计算机系统的组成和工作原理2.1计算机系统的基本组成2.2微型计算机系统的组成2.3计算机软件2.4计算机的工作原理2.1计算机系统的基本组成计算机系统硬件软件中央处理器(CPU)：运算器、控制器等连线及控制：主板等内存：主存RAM、BIOSROM、缓存Cache等主机外设外存:磁盘、闪盘、光盘等输入设备:鼠标、键盘、摄像头、麦克风等输出设备:显示器、打印机等系统软件应用软件操作系统：Windows、UNIX、Linux、iOS、AndroidOS等语言处理系统:C++、Java、Python等语言翻译系统数据库管理系统：Oracle、SQLite等系统工具:诊断工具、整理工具等Word、Excel、QQ等计算机系统层次结构图器件与电路功能部件(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)指令集结构(ISA)应用软件语言处理系统数据库管理系统系统工具计算机硬件体系结构

操作系统/虚拟机软件硬件（程序+数据+文档）（物理装置总称）计算机的逻辑组成：冯.诺依曼结构运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备用二进制数表示指令和数据用“存储程序控制”工作方式输入设备输出设备存储器运算器控制器数据流控制流典型的冯·诺依曼计算机结构2.2微型计算机系统的组成输入输出设备CPU内存条（主存）主板（总线）硬盘（外存）电源微型计算机的主板(总线)PCI-E总线插槽I/O接口插座内存条插槽CPU插座硬磁盘键盘鼠标光盘闪盘网线音箱麦克风

CPUUSB控制器外存控制器CPU总线接口部件运算器(ALU)控制器声卡网卡寄存器堆处理器总线PCI-E扩展槽显示器

主机南桥芯片北桥芯片显卡DMI总线PCI-E芯片组主存储器存储器总线I/O总线打印机外设外设操作码地址码指令的格式中央处理器(CPU)构成：控制器,运算器(ALU),寄存器,接口部件指令系统RISC:Power,SPAC,CRISP,AMD29000,ARM等CISC:x86,x86-64CPU接口部件指令cache数据cache程序计数器PC指令寄存器IR译码器……控制信号寄存器堆ALU数据或地址指令地址码操作码地址线数据线地址下址逻辑控制器时钟脉冲intel酷睿i9CPU及插座内存存储器的层次结构寄存器&高速缓存(cache)主存概念:存储单元,地址容量:KB,MB,GB,TB等开机内存：BIOSROM&CMOS存储器;UEFI内存外存寄存器（SRAM）高速缓冲cache（SRAM）主存储器（DRAM、ROM）辅助存储器（磁盘、光盘、闪盘）后备存储器（磁带机、磁盘阵列等）CPU及接口内主机速度容量位价格快小高慢大低微型计算机的层次化存储结构外设内存条和内存条插槽10010010100110111101001010110011……1001011100000000000000010000001000000011……11111111地址存储单元数据内容主存储器地址与存储单元字选择线W位线D1位线D0VccT5T6T1T2T3T4数据线(位线)地址线（字选择）总线与I/O接口微机主板组成芯片组：南北桥芯片组;PCH单芯片总线(插槽)：CPU插座,内存插槽,PCI-E插槽（PCI，PCI-Exn）性能:总线带宽＝总线位宽×总线工作频率×传输次数I/O接口：I/O控制器+I/O插座I/O控制卡显卡:GPU+显存+接口部件网卡声卡:DSP,AD转换器,电子合成器,混音器,接口部件等集成I/O接口USB接口PS/2接口,SATA接口视频接口VGA、HDMI、DVI、DP网络RJ-45接口音频接口(开机内存)PS/2DVIVGAUSB2.0HDMIRJ45音频接口USB3.0主板上的SATA接口PCI-E总线插槽I/O接口插座内存条插槽CPU插座硬磁盘键盘鼠标光盘闪盘

CPUUSB控制器外存控制器CPU总线接口部件运算器(ALU)控制器寄存器堆PCI-E扩展槽PCH显卡DMI主存I/O总线打印机显示核心、PCI-E控制器、内存控制器PCI-E存储器总线显示器主板总线&接口中央处理器内存储器系统总线I/O控制器外存储器输出设备输入设备I/O控制器I/O控制器I/O插座I/O插座外存储器接口主机外设微型计算机的外部设备外部输入设备键盘:USB接口,PS/2接口鼠标:dpi/cpi扫描仪、摄像头、数码相机和数码摄相机:CCD,CMOS触摸屏等其他传感器外部输出设备显示器打印机外部存储设备磁盘闪盘光盘感光器件CCD和CMOS3D鼠标被测信号被测信号被测信号传感器……传感器预处理微处理机微处理器存储器接口外部信号智能传感器组成3D打印机读写磁头磁盘盘片传动手臂传动轴主轴扇区磁道柱面闪存颗粒结构

浮栅层控制栅绝缘层隧穿层--------SD针式打印机激光打印机喷墨打印机微型计算机的主要性能指标运算速度(MIPS,MFLOPS)吞吐率执行时间:主频,CPI,外频,cache容量,内核架构字长内存储器容量外存储器容量外设及软件配置2.3计算机软件软件分类系统软件:操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、系统工具应用软件:办公多媒体软件、通讯软件、存储软件、AI软件操作系统作用:管理软硬件资源,提供应用程序接口,提供友好人机界面功能处理器管理(任务管理):带优先级时间片轮转内存管理:虚拟内存文件管理(外存管理):多层文件夹设备管理:轮询,中断,DMA常见操作系统:DOS,Windows,Unix,Linux,macOS,iOS,HarmonyOS等

裸机操作系统语言处理系统数据库管理系统系统工具应用软件多层次计算机系统结构虚拟内存（pagefile.sys）虚拟空间2虚拟空间1物理内存程序设计语言分类机器语言汇编语言高级语言:Fortran,BASIC,Pascal,C/C++,C#,Java,Python程序语言处理系统:解释,汇编程序语言构成…,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)10001100010011110000000000000000100011000101000000000000000001001010110001010000000000000000000010101100010011110000000000000100软件硬件高级语言程序汇编语言程序机器语言程序编译汇编指令集(InstructionSetArchitecture,ISA)机器解释控制信号编译程序操作系统应用程序指令集结构ISA最终用户应用程序员系统管理员系统程序员汇编程序CPU+主存+I/O数字设计电路设计应用软件办公软件：MicrosoftOffice、WPSoffice、GoogleDocs、CajViewer、AdobeReader等图像处理软件:AdobePhotoshop、GIMP、美图秀秀等图形动画软件:AutoCAD、CorelDraw、Flash、3DMax、Maya、即梦AI等。视频处理软件:AdobePremiere、会声会影、QuickTime、RealPlayer、暴风影音、MediaPlayer、可灵AI等。音频处理软件:CoolEdit、AdobeAudition、Audacity等通信社交软件:QQ、微信、腾讯会议、钉钉、Facebook、Twitter、YouTube、IE、Chrome、Safari等网络存储软件:百度网盘、腾讯微云、iCloud、阿里云盘等2.4计算机工作原理存储程序和程序控制的思想存储程序程序控制指令和指令系统指令格式:操作码+操作数地址指令种类:控制、传送、处理、I/O、其他指令系统分类累加器型、栈型、通用寄存器型、Load/Store型CISC、RISC指令的执行过程操作码02H地址5B1A0HPCIR译码器通用寄存器0000001CH

………………016C6820H……001CH…………00120025H……0020H……01A0H……内存代码区数据区ALU控制信号下址计算总线①③

④

⑤②

CPU取指段译码段取数段执行段写回段指令1取指段译码段取数段执行段写回段指令2取指段译码段取数段执行段写回段指令3执行时间

每一种CPU都有它自己认识的一套指令，含义事先约定。该CPU的指令系统操作码操作数地址ADD$2$4如：一条指令0110000010000100数据所在的地址“hello”Red：shell命令行处理Blue：可