基礎C3計算機系統(tǒng)課件

1、西南大學西南大學第二章第二章 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)1西南大學西南大學內(nèi)容 2.1 引言：計算環(huán)境的發(fā)展引言：計算環(huán)境的發(fā)展 2.2 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 2.3 微型計算機硬件系統(tǒng)微型計算機硬件系統(tǒng) 2.4 計算機網(wǎng)絡基礎計算機網(wǎng)絡基礎 2.5 自主學習自主學習2西南大學西南大學2.1 2.1 引言：計算環(huán)境的發(fā)展引言：計算環(huán)境的發(fā)展3（1 1）集中計算）集中計算 電子計算機時代開始電子計算機時代開始 標志物：標志物：ENIACENIAC和深藍和深藍 目的：計算速度的提升和計算能力的提高。目的：計算速度的提升和計算能力的提高。（2 2）個人計算機）個人計算機 獨立性高，可靠性強獨立性高，可靠性

2、強（3 3）互聯(lián)網(wǎng)）互聯(lián)網(wǎng) 多臺計算機通過網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的共享及協(xié)同工作多臺計算機通過網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的共享及協(xié)同工作（4 4）云計算）云計算 信息增長具無限性的趨勢，摩爾定律的終結(jié)；如何解決無限增長信息的存儲和計算信息增長具無限性的趨勢，摩爾定律的終結(jié)；如何解決無限增長信息的存儲和計算 基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式，基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式， 集中信息和處理器資源集中信息和處理器資源獨立或聯(lián)網(wǎng)工作的通用計獨立或聯(lián)網(wǎng)工作的通用計算機所形成的工作環(huán)境算機所形成的工作環(huán)境通過終端連接和使用主機，所有的軟件、數(shù)據(jù)和控制都在大型機的主機通過終端連接和使用主機，所有的軟件、數(shù)據(jù)和控

3、制都在大型機的主機西南大學西南大學2.2 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)4 計算機系統(tǒng)的組成部分？計算機系統(tǒng)的組成部分？ 什么是馮諾依曼體系結(jié)構？什么是馮諾依曼體系結(jié)構？ 軟件如何分類？軟件如何分類？ 計算機基本工作原理是什么？計算機基本工作原理是什么？ 西南大學西南大學2.2 2.2 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)5計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)= =硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)+ +軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)硬硬 件件軟軟 件件西南大學西南大學2.2.1 2.2.1 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成 6 操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)： DOSDOS 、 WindowsWindows、 Mac OSMac OS、 UNIXUNIX、 LinuxLinu

4、x等等 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 主主 機機 運算器運算器 (ALU)(ALU) 控制器控制器 (CU)(CU) 輸入設備：輸入設備：鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀、麥克風等鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀、麥克風等 中央處理器中央處理器 ( (CPUCPU) ) 內(nèi)內(nèi) 存存 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 通用應用軟件：通用應用軟件： 辦公軟件包、數(shù)辦公軟件包、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計算機輔助設計等據(jù)庫管理系統(tǒng)、計算機輔助設計等 計算機計算機系統(tǒng)系統(tǒng) 只讀存儲器只讀存儲器 ( (ROMROM) ) 隨機存取存儲器隨機存取存儲器 ( (RAMRAM) ) 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器( (CacheCache)

5、) 外外 設設 輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀、音響等輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀、音響等 外外 存：存： 硬盤、光盤、硬盤、光盤、U U盤盤、移動硬盤、移動硬盤等等 實用程序：診斷程序、排錯程序等實用程序：診斷程序、排錯程序等 語言處理程序：語言處理程序： C C、 C+C+、 JavaJava等等 專用應用軟件：專用應用軟件： 各企業(yè)的管理信息系統(tǒng)等各企業(yè)的管理信息系統(tǒng)等 應用軟件應用軟件 西南大學西南大學CPUCPU7馮馮. .諾依曼思想：諾依曼思想：五大模塊五大模塊程序和數(shù)據(jù)以二進制的形式程序和數(shù)據(jù)以二進制的形式存放在存儲器存放在存儲器控制器根據(jù)存放在存儲器中控制器根據(jù)存放在存儲

6、器中的指令序列（程序）進行工的指令序列（程序）進行工作作存儲器存儲器數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流控制流控制流運算器運算器外存儲器外存儲器輸輸出出設設備備內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器輸輸入入設設備備控制器控制器馮馮 諾依曼體系結(jié)構諾依曼體系結(jié)構 特點：特點：程序存儲，按程序順序執(zhí)行程序存儲，按程序順序執(zhí)行 西南大學西南大學8程序控制方式編寫程序編寫程序可執(zhí)行程序可執(zhí)行程序指令指令操作碼操作碼地址碼地址碼指令譯碼器指令譯碼器操作控制線路操作控制線路程序計數(shù)器程序計數(shù)器控制信號控制信號控制器（CU）功能：指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作。功能：指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作。組成包括：指令寄存器組

7、成包括：指令寄存器IRIR、程序計數(shù)器、程序計數(shù)器PCPC、指令譯碼器、指令譯碼器IDID。如何利用計算如何利用計算機解決問題？機解決問題？西南大學西南大學運算器9控制控制信號信號功能：進行算術運算和邏輯運算。功能：進行算術運算和邏輯運算。包括：算術邏輯部件包括：算術邏輯部件ALUALU、累加器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器。、累加器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)內(nèi)存內(nèi)存算術邏輯部件算術邏輯部件ALU累加器累加器狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器通用通用寄存器寄存器控制器控制器的控制的控制線路線路西南大學西南大學10存儲體存儲體地址譯碼器地址譯碼器數(shù)據(jù)寄數(shù)據(jù)寄存器存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線讀寫讀寫電路電路地址總線地

8、址總線存儲器功能：用來存儲數(shù)據(jù)和程序，能按照指定位置讀寫二進制信息。功能：用來存儲數(shù)據(jù)和程序，能按照指定位置讀寫二進制信息。包括：內(nèi)存儲器、外存儲器（又稱內(nèi)存和外存）。包括：內(nèi)存儲器、外存儲器（又稱內(nèi)存和外存）。外存儲器：外存儲器：長期存放大量信息。長期存放大量信息。一般只與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換一般只與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換內(nèi)存儲器：內(nèi)存儲器：信息交流中心。信息交流中心。計算機直接從內(nèi)存中存取信息計算機直接從內(nèi)存中存取信息內(nèi)存內(nèi)存RAM隨機存取隨機存取存儲器存儲器ROM只讀存儲器只讀存儲器西南大學西南大學多級存儲器體系結(jié)構11CPU寄寄存存器器組組Cache主主存存外外存存主機主機存取速度快，但存取速度

9、快，但容量小價格貴容量小價格貴容量大、價格低，容量大、價格低，但存取速度慢但存取速度慢高速存取，高速存取，但存儲容量小但存儲容量小 實現(xiàn)高速存取實現(xiàn)高速存取 存放當前使用最頻存放當前使用最頻繁的指令和數(shù)據(jù)繁的指令和數(shù)據(jù)西南大學西南大學存儲單元存儲單元12每個記憶單元由每個記憶單元由8 8位二進制位組成。位二進制位組成。常用：常用：KB，MB，GB ，TB等等字節(jié)字節(jié)ByteByte7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit位位(bit)(bit)：二進制的最小單位，代表一二進制的最小單位，代表一個個0 0或或1 1。字節(jié)字節(jié)(Byte)(Byte)：8 8位二進制，數(shù)據(jù)存儲基位二進制，數(shù)據(jù)

10、存儲基本單位。本單位。字字(Word)(Word)：計算機中作為一個整體被存計算機中作為一個整體被存取、傳送、處理的二進制數(shù)取、傳送、處理的二進制數(shù). . 存儲器中存儲器中，通常每個單元存儲一個字。，通常每個單元存儲一個字。字長字長(WordLength)(WordLength)：每個字中二進制位每個字中二進制位數(shù)數(shù)西南大學西南大學輸入、輸出設備13內(nèi)存內(nèi)存輸入設備輸入設備 接受用戶輸入的原始信息接受用戶輸入的原始信息 轉(zhuǎn)換成計算機可識別的信息轉(zhuǎn)換成計算機可識別的信息形式（二進制）形式（二進制） 存放到內(nèi)存中存放到內(nèi)存中輸出設備輸出設備 將內(nèi)存中的處理結(jié)果信息轉(zhuǎn)將內(nèi)存中的處理結(jié)果信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩?/p>

11、可接受的形式輸出變?yōu)橛脩艨山邮艿男问捷敵?或成為其它機器所能接受的或成為其它機器所能接受的形式輸出形式輸出西南大學西南大學計算機軟件系統(tǒng)14軟件是指程序、程序運行所需要的數(shù)據(jù)以及開發(fā)、使用軟件是指程序、程序運行所需要的數(shù)據(jù)以及開發(fā)、使用和維護這些程序所需要的文檔的集合。和維護這些程序所需要的文檔的集合。裸機裸機操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)UnixLinuxWindows其他系統(tǒng)軟件其他系統(tǒng)軟件語言處理程序語言處理程序診斷程序診斷程序系統(tǒng)設置和優(yōu)化系統(tǒng)設置和優(yōu)化備份程序備份程序反病毒反病毒程序程序壓縮程序壓縮程序應用軟件應用軟件辦公軟件包辦公軟件包多媒體軟件多媒體軟件數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)管理游戲軟件游戲軟件學習軟件

12、學習軟件互聯(lián)軟件互聯(lián)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 面向計算機管理面向計算機管理 支持應用軟件開支持應用軟件開發(fā)和運行發(fā)和運行 具有專門的具有專門的應用目的應用目的西南大學西南大學系統(tǒng)軟件15操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序?qū)嵱贸绦驅(qū)嵱贸绦蚴管浻布Y源協(xié)調(diào)一致有條不紊地工使軟硬件資源協(xié)調(diào)一致有條不紊地工作，對軟硬件實行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。作，對軟硬件實行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。管理計算機硬件資源管理計算機硬件資源控制其他程序運行控制其他程序運行為用戶提供交互操作界面為用戶提供交互操作界面目前典型的操作系統(tǒng)有：目前典型的操作系統(tǒng)有：Windows、UNIX、Mac OS X、Linux等。等。西南大學西南

13、大學系統(tǒng)軟件16操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序?qū)嵱贸绦驅(qū)嵱贸绦蚍g工具翻譯工具作用：將源程序翻譯成計算作用：將源程序翻譯成計算機能識別的機器語言程序。機能識別的機器語言程序。程序設計語言：程序設計語言：機器語言機器語言匯編語言匯編語言高級語言高級語言典型的程序設計語言有：典型的程序設計語言有：FORTRAN、Pascal、C與與C+、BASIC、Java、C#等。等。匯編程序編譯程序解釋程序西南大學西南大學17（1 1）機器語言）機器語言由由“0”、“1”二進制代碼按一定規(guī)則組成的、能被機器直二進制代碼按一定規(guī)則組成的、能被機器直接理解、執(zhí)行的指令集合。接理解、執(zhí)行的指令集合。 缺點

14、：缺點：編程工作量大，難學、難記、難修改；編程工作量大，難學、難記、難修改； 不同不同計算機的計算機的指令系統(tǒng)不同，機器語言通用性差指令系統(tǒng)不同，機器語言通用性差優(yōu)點優(yōu)點：代碼不需要翻譯，所占空間少，執(zhí)行速度快。代碼不需要翻譯，所占空間少，執(zhí)行速度快。例如，計算例如，計算A=15+10 A=15+10 的機器語言程序如下：的機器語言程序如下：10110000 0000111110110000 00001111： 把把1515放入累加器放入累加器A A中中00101100 0000101000101100 00001010： 1010與累加器與累加器A A的值相加，結(jié)的值相加，結(jié)果仍放入果仍放入

15、A A中中1111010011110100： 結(jié)束，停機結(jié)束，停機西南大學西南大學18（2 2）匯編語言）匯編語言使用反映機器指令功能的助記符代替機器語言的符號語言。使用反映機器指令功能的助記符代替機器語言的符號語言。例如用例如用ADDADD表示加、表示加、SUBSUB表示減、表示減、JMPJMP表示程序跳轉(zhuǎn)等等。表示程序跳轉(zhuǎn)等等。優(yōu)點：優(yōu)點：克服了機器語言難讀等缺點，保持了其編程質(zhì)量高、占克服了機器語言難讀等缺點，保持了其編程質(zhì)量高、占存儲空間少，執(zhí)行速度快的優(yōu)點。存儲空間少，執(zhí)行速度快的優(yōu)點。缺點：缺點：仍然依賴于機器，通用性差。仍然依賴于機器，通用性差。特點：特點：源程序源程序必須通過匯

16、編程序翻譯成機器語言。必須通過匯編程序翻譯成機器語言。常用于過程常用于過程控制等編程?？刂频染幊獭＠?，計算例如，計算 A=15+10 A=15+10 的匯編語言程序：的匯編語言程序：MOVMOV A A，1515：把：把1515放入累加器放入累加器A A中中ADDADD A A，1010：1010與累加器與累加器A A相加，結(jié)果存入相加，結(jié)果存入A A中中HLTHLT：結(jié)束，停機：結(jié)束，停機類比：類比：IP地址地址46機器語言機器語言域名域名匯編語言匯編語言西南大學西南大學19（3 3）高級語言）高級語言接近于自然語言和數(shù)學公式的程序設計語言。接近于自然語言和數(shù)學公

17、式的程序設計語言。優(yōu)點：優(yōu)點：接近算法語言，易學、易掌握，接近算法語言，易學、易掌握，可讀性好，可維護性強，可靠性高；可讀性好，可維護性強，可靠性高；可移植性好，重用率高可移植性好，重用率高自動化程度自動化程度高，編程效率高。高，編程效率高。缺點：缺點：源程序要通過翻譯程序翻譯成機器語言，代碼不源程序要通過翻譯程序翻譯成機器語言，代碼不最優(yōu)。最優(yōu)。例如，計算例如，計算 A=15+10 A=15+10 的的BASICBASIC語言程序如下：語言程序如下：A=15+10A=15+10 15 15與與1010相加的結(jié)果放入相加的結(jié)果放入A A中中PRINT APRINT A 輸出輸出A AENDEN

18、D 程序結(jié)束程序結(jié)束西南大學西南大學20常用高級語言常用高級語言Fortran：1954年推出，適用于科學和工程計算。年推出，適用于科學和工程計算。C、C+：1972年推出年推出C語言，語言，1983年加入面向?qū)ο蟮母拍?，年加入面向?qū)ο蟮母拍?，改名為改名為C+。語言簡練、功能強，適用面廣。語言簡練、功能強，適用面廣。BASIC：初學者語言，：初學者語言，1964年推出；年推出；1991年微軟推出可視化年微軟推出可視化的、基于對象的的、基于對象的VisualBasic開發(fā)環(huán)境，發(fā)展到現(xiàn)在的開發(fā)環(huán)境，發(fā)展到現(xiàn)在的VB.NET開發(fā)環(huán)境，則是完全面向?qū)ο?、功能更強大。開發(fā)環(huán)境，則是完全面向?qū)ο蟆⒐δ芨?/p>

19、強大。Java：1995年推出，是一種新型的跨平臺的面向?qū)ο笤O計語年推出，是一種新型的跨平臺的面向?qū)ο笤O計語言，言， 具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性。具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性。C#：以其：以其簡單的可視化操作，高運行效率，強大的操作能力簡單的可視化操作，高運行效率，強大的操作能力，面向組件編程的支持成為，面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。開發(fā)的首選語言。2013年年4月月TIOBE編程語言排行榜編程語言排行榜西南大學西南大學語言處理程序 for 低級語言 21機器語言機器語言源程序源程序匯編語言匯編語言源程序源程序機器語言程序機器語言程序（目標程序

20、）（目標程序）匯編程序匯編程序翻譯翻譯西南大學西南大學高級語言翻譯程序22高級語言高級語言源程序源程序計算結(jié)果計算結(jié)果解釋程序解釋程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)高級語言高級語言源程序源程序計算結(jié)果計算結(jié)果連接程序連接程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)目標目標程序程序可執(zhí)行可執(zhí)行程序程序編譯程序編譯程序解釋方式解釋方式編譯方式編譯方式BasicC+程序庫程序庫可脫離編譯程序和源程可脫離編譯程序和源程序獨立存在并反復使用序獨立存在并反復使用西南大學西南大學23實用程序u系統(tǒng)設置軟件：對系統(tǒng)進行全面設置、優(yōu)化和保護系統(tǒng)設置軟件：對系統(tǒng)進行全面設置、優(yōu)化和保護Windows優(yōu)化大師：優(yōu)化大師： 系統(tǒng)檢測、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)清理、系統(tǒng)維護系統(tǒng)檢測

21、、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)清理、系統(tǒng)維護u診斷程序：識別并且改正計算機系統(tǒng)存在的問題診斷程序：識別并且改正計算機系統(tǒng)存在的問題 “管理管理|設備管理器設備管理器”：所有設備的詳細情況：所有設備的詳細情況u備份程序：把硬盤上的文件復制到其他存儲設備上備份程序：把硬盤上的文件復制到其他存儲設備上 “控制面板控制面板|系統(tǒng)和安全系統(tǒng)和安全|備份和恢復備份和恢復” u反病毒程序反病毒程序 ：消除或防御電腦病毒和惡意軟件：消除或防御電腦病毒和惡意軟件Microsoft Security Essentialsu文件壓縮程序：壓縮較大的文件，產(chǎn)生另一較小容量的文件文件壓縮程序：壓縮較大的文件，產(chǎn)生另一較小容量的文件W

22、inRAR，7-Zip完成一些與管理計算機系統(tǒng)資源及文件有關的任務完成一些與管理計算機系統(tǒng)資源及文件有關的任務西南大學西南大學應用軟件為某一專門的應用目的而開發(fā)的軟件。1. 辦公軟件包2. 圖形和圖象處理軟件3.數(shù)據(jù)管理4. Ineternet服務軟件5.娛樂與學習軟件24西南大學西南大學2.2.2 計算機基本工作原理 指令和程序指令和程序 計算機的一般工作過程計算機的一般工作過程 程序的執(zhí)行方式程序的執(zhí)行方式25西南大學西南大學1.指令系統(tǒng)26操作碼操作碼 地址碼地址碼 數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)處理指令數(shù)據(jù)處理指令程序控制指令程序控制指令輸入輸出指令輸入輸出指令 其它指令其它指令 If Goto And OrCPU內(nèi)存I/O設備主機對計算機的硬件進行管理等對計算機的硬件進行管理等指令指令 結(jié)構結(jié)構分分類類指令系統(tǒng)指令系統(tǒng):一臺計算機的所有指令的集合一臺計算機的所有指令的集合指令：能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，指令：能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，規(guī)定了某一種操作。規(guī)定了某一種操作。要完成的操作要完成的操作類型及功能類型及功能操作數(shù)或操作數(shù)或操作數(shù)的地址操作數(shù)的地址西南大學西南大學27計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程開始開始指令指令n n結(jié)束結(jié)束程序程序指令指令2 2指令指令1 1程序：程序：計算機指令的有序