体系结构和数据表达.ppt

1、计算机系统的基本组成和基本工作原理主要内容,计算机的基本组成 计算机系统的组成 硬件系统 软件系统 计算机中的信息表达,计算机系统的基本组成和基本工作原理,一 计算机的基本组成,依冯诺依曼原理计算机由,运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备,五部分组成,控制器：是计算机的中枢神经系统，指挥各部件协同工作 能识别指令，分析指令。由程序计数器、指令寄存器、 操作码译码器、控制电路、时序电路等组成。 运算器：是计算机的核心部件，完成对信息的加工和处理。 由算术逻辑运算部件、寄存器、数据总线等组成。 存储器：存储程序和数据（也可统称为数据）。,计算机系统的基本组成和基本工作原理,一 计算机的基本组

2、成,存储器：存储程序和数据（也可统称为数据）。,按读写方式分为：,读写存储器RWS 只读存储器ROM,固定只读ROM 可遍程的只读PROM 可擦写可编程EPROM 电可擦写可编程EEPROM,按寻址方式分为：,随机存储器RAM如内存（Random Access Memory) 顺序存储器SAM如磁带 (Sequenially) 直接存储器DMA如硬盘 (Direct),输入装置：将外部数据转换为内部信息形式如键盘、鼠标。 输出装置：将计算机内部信息传递出来如显示器、打印机等。,计算机系统的基本组成和基本工作原理,一 计算机的基本组成,存储器：存储程序和数据（也可统称为数据）。,按读写方式分为：

3、,RWS (Read/Write Storage) ROM (Read Only Memory),固定只读ROM PROM (Programmable ROM) EPROM (Erasable PROM) EEPROM(Electrically),按寻址方式分为：,随机存储器RAM如内存（Random Access Memory) 顺序存储器SAM如磁带 (Sequenially) 直接存储器DMA如硬盘 (Direct),输入装置：将外部数据转换为内部信息形式如键盘、鼠标。 输出装置：将计算机内部信息传递出来如显示器、打印机等。,计算机系统的基本组成和基本工作原理,输入设备 中央处理部件 输

4、出设备 键盘 Input CPU Output 显示器 鼠标器 打印机 主存储器 I/O 外部存储设备 磁盘、磁带 网络接口 现代计算机硬件系统基本结构图,一 计算机的基本组成,计算机信息处理流程图,二 计算机系统的组成 1、计算机系统的构成2、计算机系统的硬件3、计算机系统的软件,计算机系统,计算机硬件,计算机软件,主机,外设,系统软件,应用软件,CPU,运算器 寄存器 控制器,主存储器,只读存储器 随机存储器 高速缓冲存储器,输入设备 输出设备 外存,操作系统 编译、解释系统 数据库管理系统 系统服务程序,字处理软件等 用户开发的软件系统,由硬件系统和软件系统组成。前者是各种实实在在的装置

5、，是 计算机系统的物质基础。后者发挥计算机功能的程序和数据。,1、计算机系统的构成,2、计算机系统的硬件 1）中央处理器CPU,CPU的功能： 执行指令，完成运算和控制功能。一种CPU能完成的基本动 作有几十到几百种，每一种动作对应一条指令，指令的全部构成 CPU的指令集合。如：= - * /， = mov CPU性能三要素： 速度：每秒可执行的指令数。早期几万条，目前几亿更高。 精度：字长或数据宽度（一次处理数据的二进制位数） 指令系统本身的处理能力。 RISC（Reduced Instruction Set Computers)如Power-PC,Alpha芯片,CPU的结构 ALU 寄存

6、器组 CPU内部总线 程序控制单元 地址 数据 控制 信息 信息 信息,Arithmetic Logic Unit,CPU的核心分析指令的内容，确定参数,指令寄存器 数据寄存器（字长） 控制寄存器 十几到几十个,计算机系统的硬件,2)内存储器：用来存放程序和数据。 对内存的访问有：读出、写入由于CPU与内存频繁交换 数据，内存的速度成了提高计算机速度的瓶颈。 只读存储器：ROMRead only memory其内容由芯片厂 家写入。用于存放重要固定的数据如：操作系统最基本 的服务开机加电自检程序、引导程序。关机后内容不消失。 也有PROMProgrammable ROM 空白用户可一次性写入。

7、 EPROM Erasable Programmable ROME可多次紫外线擦除 EEPROMElectrically EPROM 闪存Flash MEM,目前用于BIOS，通过调节主板电压，升级操作 随机存储器：RAMRandom Access MEM 一般采用动态金属氧化物（动态MOS）半导体技术制造。 工艺简单、成本低 数据“易失性” 内存二要素：容量、访问速度。50ns 是CPU速度的1/10。 高速缓冲存储器：Cache逻辑上位于CPU 与主存之间。 容量小，速度快，主要目的是用于提高访问速度。,计算机系统的硬件,CPU 高速缓存 主存储器 内存编址、总线与数据传输 数已百万计的存

8、储单元以顺序的线形方式组织。 CPU与内存之间通过数据总线和地址总线进行。 CPU需要信息 将内存起始地址送入地址总线 通过 控制总线发“读”信号 从数据总线得到数据。,计算机系统的硬件,采用超大规模集成电路制造的半导体存储芯片,教学模型机,3)外存储器 用于与内存交换数据。（不能被CPU直接访问） 常见的有软盘、硬盘、光盘、磁带、优盘和闪寸卡等,软盘的磁道和扇区,软性塑料圆盘上涂附磁性材料,存储以区段为单位成批进行。区段地址：由 盘面编号+磁道编号+扇区号 决定。,滑门，读写窗口,写保护口,背后有一金属卡子 用于驱动磁盘转动,软盘,段,镁铝合金材料上涂磁性材料 划分更密，上千个磁道，上百个扇

9、区，若干盘片,硬 盘,存储以区段为单位成批进行。区段地址：由 盘面编号（读写头号）+磁道编号+扇区号 决定。,塑料盘上,涂一层反光性好的铝制材料,再加一层保护层 密度很高，是磁盘的100倍。光道的密度可达到1600道/英寸， 光道上的位密度达3108位/英寸。,光盘,光盘,光盘的存储介质不同于磁盘，只读光盘、一次写入型光盘和可擦写光盘。 只读光盘是生产厂家在制造时根据用户要求将信息写到盘上，用户不能抹除，也不能写人，只能通过光盘驱动器读出盘中信息。只读光盘以一种凹坑的形式记录信息。光盘驱动器内装有激光光源，光盘表面以凸凹不平方式记录的信息，可以反射出强弱不同的光线，从而使记录的信息被读出。只读

10、光盘的存储容量约为650MB。 一次写入型光盘可以由用户写入信息，但只能写一次，不能抹除和改写(像PROM芯片一样)。信息的写入通过特制的光盘刻录机进行。它是用激光使记录介质熔融蒸发穿出微孔或使非晶膜结晶化，改变原材料特性来记录信息。这种光盘的信息可多次读出，读出信息时使用只读光盘用的驱动器即可。一次写入型光盘的存储容量一般为几百M。 可擦写光盘用户可自己写人信息，也可对已记录的信息进行抹除和改写，就像使用磁盘一样反复使用。它是用激光照射在记录介质上(不穿孔)，利用光和热引起介质可逆性变化来进行信息记录的。可擦写光盘需插入特制的光盘驱动器进行读写操作，它的存储容量一般在几百MB至几个GB之间。

11、,光盘表面，0，1（有坑）,利用聚集的激光照射在记录介质上对其微小的区域加热出 直径为1微米左右小孔,有机玻璃 涂光记录 介质,优盘和闪存卡,优盘又称闪存卡 采用闪存和USB接口技术相结合的存储设备。 闪存 EEPROM电可擦除ROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory半导体存储设备,4)输入设备 常用的有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风。 对鼠标的操作有单击、双击、移动、拖动。 机械鼠、光学鼠、光机鼠、有线鼠、无线鼠 5）输出设备 常用的有显示器、打印机、音箱。,3、计算机系统的软件 软件一般分为系统软件和应用软件 1）系统软件

12、目的：用于管理、监控、维护计算机资源，使之高效工作 的软件。,计算机软件,系统软件,应用软件,操作系统 编译、解释系统 数据库管理系统 系统服务程序,字处理软件等应用软件 用户开发的软件系统,计算机程序设计语言可分为： 机器语言、汇编语言、高级语言 机器语言：由计算机硬件系统可以识别的二进制指令组成 的语言称为机器语言。完全由0，1代码构成。语法规则就是 机器指令的格式。不需翻译可直接被执行。 计算机发展的初期，软件工程师们只能用机器语言来编写 程序。这一阶段，在人类的自然语言和计算机编程语言之 间存在着巨大的鸿沟。,汇编语言：一种符号化了的机器语言。汇编语言将机器指 令映射为一些可以被人读懂

13、的助记符，如ADD、SUB等。用一 些英文缩写，数字符号来代替机器指令，其语句和机器指令 一一对应。 此时编程语言与人类自然语言间的鸿沟略有缩小，但仍与人 类的思维相差甚远。因为它的抽象层次太低，程序员需要考 虑大量的机器细节。 例 mov 0123,ax mov 2341,bx add ax,bx mov ax,001a i=a+b,高级语言：接近于自然语言。高级语言屏蔽了机器的细节， 提高了语言的抽象层次，程序中可以采用具有一定涵义的数 据命名和容易理解的执行语句。这使得在书写程序时可以联 系到程序所描述的具体事物。BASIC，PASCAL，FORTRAN，C，等. 面向对象:SIMULA

14、,SMALLTALK,C+ 比较优缺点；高低的含义。,高级语言 源程序,机器语言 目标程序,可执行程序,运行得结果,编译程序,连接程序,高级语言 源程序,可执行程序 并直接运行得结果,解释程序,逐条解释,逐条执行 不保留解释后的机器代码,教学模型机,程序设计中常用的数制,信息的表示与存储,不同数制之间的转换，实质是基数间的转换。一般转换的 原则是：如果两个有理数相等，则两数的整数部分和小数 部分一定分别相等。因此，各数制之间进行转换时，通常 对整数部分和小数部分分别进行转换。,不同进位计数制间的转换 R 进制十进制,各位数字与它的权相乘，其积相加。 (10111111.11)2=1*27 +

15、0*26 + 1* 25 +1* 24 + 1* 23 + 1* 22 +1* 21+ 1* 20+1*2-1+1*2-2 =(255.75)10 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 (3506.2)8=3*83 + 5*82 + 0*81 + 6*80 +2*8-1=(1862.25)10 (0.2A)16=2*16-1 +10*16-2=(0.1640625)10 (A=10, B=11, C=12,D=13,E=14,F=15),信息的表示与存储,不同进位计数制间

16、的转换 十进制 R 进制,十进制整数转换成R进制的整数 “除R取余”法，例如： 2 68 余 数 2 34 0 低位 2 17 0 2 8 1 2 4 0 2 2 0 2 1 0 0 1 高位 所以 681010001002,信息的表示与存储,不同进位计数制间的转换 十进制 R 进制,十进制小数转换成R进制小数 “乘 R 取整”法，例如： 高位 0.31252 = 0 .625 0.625 2 = 1 .25 0.25 2 = 0 .5 0.5 2 = 1 .0 所以 0.312510 = 0.01012,信息的表示与存储,不同进位计数制间的转换二、八、十六进制的相互转换,每位八进制数相当于三

17、位二进制数 每位十六进制数相当于四位二进制数 (1011010.10)2=(001 011 010.100)2 =(132.4)8 (1011010.10)2=(0101 1010 .1000)2 =(5A.8)16 (F7)16(1111 0111)2(11110111)2,信息的表示与存储,计算机中的信息表达,自然界的信息形式多种多样，在计算机中都是以二值形式来 表达。输入过程实现信息表达方式的转换（编码）。 相关术语： 位（bit)表示一个二进制位,度量数据的最小单位。0，1 字节（B,byte) 1字节(byte)=8位（bit)信息存储中常用单位 字(word) 位的组合 字长 代表

18、了机器的精度,参加运算的寄存器所含二进制位数 1K(kilo)B= =1024B 千字节 1M(mega)B= = 兆字节 1G(giga)B= = 吉字节,字符0（48）,数据存储的组形式,二进制数的编码表示:原码,符号绝对值表示的编码 例如： X=+0101011 X原 = 0 0101011 X=-0101011 X原 = 1 0101011 符号位 缺点： 零的表示不唯一：+0原 =000.0 -0原 =100.0 进行四则运算时，符号位需单独处理，且运算规则复杂。,信息的表示与存储,二进制数的编码表示:反码,正数的反码与原码表示相同。 负数的反码与原码有如下关系： 符号位相同(仍用1

19、表示)，其余各位取反(0变1，1变0)。例如：X=-1100110 X原 =11100110 X反 =10011001X=+0000000 X原 =00000000 X反 =00000000 反码中零的表示也不唯一 X=-0000000 X原 =10000000 X反 =11111111 反码只是求补码的中间码,信息的表示与存储,二进制数的编码表示:补码,计算机中的补码表示法 负数的补码由该数 反码的末位加 1 求得 对补码数值位再求补即得到原码 补码运算规则 符号位可作为数值参加运算 减法运算可转换为加法运算： 加上一个负数等于加上该数的补码 补码运算的结果仍为补码 运算结果溢出： 负数之和得正数，或正数之和得负数,信息的表示与存储,用补码能表示的 数据范围是(n位) ,无符号数(4位) 015 有符号： -87,无符号数(8位