第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理-ppt課件

1、第2章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和任務(wù)原理教學(xué)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的組成教學(xué)難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的任務(wù)原理授課課時(shí)：4學(xué)時(shí) 運(yùn)算器運(yùn)算器 中央處置器中央處置器 主主 機(jī)機(jī) 控制器控制器 內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器 硬件硬件 外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器 外部設(shè)備外部設(shè)備 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 言語(yǔ)處置程序言語(yǔ)處置程序 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 軟件軟件 科學(xué)計(jì)算程序科學(xué)計(jì)算程序 信息管理程序信息管理程序 運(yùn)用軟件運(yùn)用軟件 輔助設(shè)計(jì)程序輔助設(shè)計(jì)程序 文字處置程序文字處置程序 過(guò)程控制程序等過(guò)程控制程序等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述圖圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的根

2、本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的根本組成硬件：是組成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備的總稱，由各種器硬件：是組成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備的總稱，由各種器件和電子線路組成。是計(jì)算機(jī)進(jìn)展任務(wù)的物質(zhì)根底。件和電子線路組成。是計(jì)算機(jī)進(jìn)展任務(wù)的物質(zhì)根底。軟件：是在硬件設(shè)備上運(yùn)轉(zhuǎn)的各種程序以及有關(guān)資軟件：是在硬件設(shè)備上運(yùn)轉(zhuǎn)的各種程序以及有關(guān)資料的總稱。料的總稱?！奥銠C(jī)：沒(méi)有軟件的計(jì)算機(jī)通常稱為裸機(jī)：沒(méi)有軟件的計(jì)算機(jī)通常稱為“裸機(jī)。裸機(jī)。計(jì)算機(jī)可以完成的根本操作和主要功能：計(jì)算機(jī)可以完成的根本操作和主要功能： 1 1、輸入、輸入 2 2、處置、處置 3 3、輸出、輸出 4 4、存儲(chǔ)、存儲(chǔ)裸機(jī)裸機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)各種言語(yǔ)處置程序各種言語(yǔ)處置程序各

3、種適用程序軟件包各種適用程序軟件包用戶用戶圖圖2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次圖2.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系v用二進(jìn)制方式表示數(shù)據(jù)和指令v程序和數(shù)據(jù)一樣存放在存儲(chǔ)器中v計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成 1. 運(yùn)算器算術(shù)邏輯部件運(yùn)算器算術(shù)邏輯部件ALU 執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。例如：執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。例如：5+7*2 2. 控制器控制器 控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，它的主要作用是按控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，它的主要作用是按照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制微機(jī)各部件步伐一照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制微機(jī)各部件步伐一致地自開(kāi)任務(wù)。致地自開(kāi)任務(wù)。五大功能部件

4、：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸五大功能部件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。入設(shè)備和輸出設(shè)備。 3. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息的重要功能部件。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息的重要功能部件。主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。 四個(gè)組成部件：程序計(jì)數(shù)器四個(gè)組成部件：程序計(jì)數(shù)器PC、指令存放器、指令存放器IR、指、指令譯碼器令譯碼器ID、操作命令產(chǎn)生部件、操作命令產(chǎn)生部件 運(yùn)算器和控制器合稱為中央處置器運(yùn)算器和控制器合稱為中央處置器CPU。 從存儲(chǔ)器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲(chǔ)器稱為寫(xiě)從存儲(chǔ)器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲(chǔ)器稱為寫(xiě)入。存儲(chǔ)器讀出信息后

5、，原內(nèi)容堅(jiān)持不變；向存儲(chǔ)器寫(xiě)入入。存儲(chǔ)器讀出信息后，原內(nèi)容堅(jiān)持不變；向存儲(chǔ)器寫(xiě)入信息后，那么原內(nèi)容被新內(nèi)容所替代。信息后，那么原內(nèi)容被新內(nèi)容所替代。存儲(chǔ)器分為三種：存儲(chǔ)器分為三種： 內(nèi)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器cache1) 只讀存儲(chǔ)器(ROM)：只能讀出不能寫(xiě)入，用于存放內(nèi)容不變的信息，斷電后信息不會(huì)喪失。2) 隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)：可隨機(jī)存取，用于存放現(xiàn)場(chǎng)的程序和數(shù)據(jù)，斷電后信息普通會(huì)立刻消逝。內(nèi)存內(nèi)存 內(nèi)存和外存的區(qū)別：內(nèi)存和外存的區(qū)別： 內(nèi)存用于存放計(jì)算機(jī)當(dāng)前正待運(yùn)轉(zhuǎn)的程序和數(shù)據(jù)，速內(nèi)存用于存放計(jì)算機(jī)當(dāng)前正待運(yùn)轉(zhuǎn)的

6、程序和數(shù)據(jù)，速度較快、容量較小，可直接與中央處置器度較快、容量較小，可直接與中央處置器CPU交換信息。交換信息。 外存用于存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，速度相對(duì)較慢，外存用于存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，速度相對(duì)較慢，容量較大，價(jià)錢較低，不能直接與中央處置器容量較大，價(jià)錢較低，不能直接與中央處置器CPU交換信交換信息，但它可以與內(nèi)存交換信息。因此，外存儲(chǔ)器中的程序息，但它可以與內(nèi)存交換信息。因此，外存儲(chǔ)器中的程序和數(shù)據(jù)必需先調(diào)入內(nèi)存方可被和數(shù)據(jù)必需先調(diào)入內(nèi)存方可被CPU訪問(wèn)。訪問(wèn)。 中央處置器中央處置器CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱為主機(jī)。和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱為主機(jī)。 4. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備用來(lái)接納用戶輸入

7、的原始數(shù)據(jù)和程序，并將輸入設(shè)備用來(lái)接納用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)別的方式二進(jìn)制數(shù)存放到內(nèi)存它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)別的方式二進(jìn)制數(shù)存放到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。 5. 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計(jì)算機(jī)處置的結(jié)果轉(zhuǎn)輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計(jì)算機(jī)處置的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿姆绞?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打變?yōu)槿藗兯芙邮艿姆绞?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。印機(jī)、繪圖儀等。 磁盤及磁盤驅(qū)動(dòng)器是計(jì)算機(jī)中的常用設(shè)備，計(jì)算機(jī)既磁盤及磁盤驅(qū)動(dòng)器是計(jì)算機(jī)中的常用設(shè)備，計(jì)算機(jī)既能從它上面讀

8、取數(shù)據(jù)輸入，也能把數(shù)據(jù)保管到它上面能從它上面讀取數(shù)據(jù)輸入，也能把數(shù)據(jù)保管到它上面輸出。輸出。 2.3.1 計(jì)算機(jī)軟件概述 軟件：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各程序、有關(guān)文件及運(yùn) 行時(shí)所需的數(shù)據(jù)的總稱。 程序：是指以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和執(zhí)行的操作 表示的處置步驟。 文檔：是指用自然言語(yǔ)或者方式化言語(yǔ)所編寫(xiě)的用來(lái)描畫(huà)程序內(nèi)容、組成、設(shè)計(jì)、功能、規(guī)那么、開(kāi)發(fā)情況、測(cè)試構(gòu)造和運(yùn)用方法的文字資料和圖表。2.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)2.3.2 計(jì)算機(jī)軟件的分類 軟件按其功能可以分為系統(tǒng)軟件和運(yùn)用軟件兩大類。1. 系統(tǒng)軟件 參與構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供用戶直接運(yùn)用，以擴(kuò)展計(jì)算機(jī)硬件功能，使其管理協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)用戶操作習(xí)慣

9、與計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)設(shè)備的操作方法之間的鴻溝的軟件。 系統(tǒng)軟件普通是由計(jì)算機(jī)廠家或?qū)I(yè)軟件開(kāi)發(fā)商提供的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。它主要包括操作系統(tǒng)DOS、UNIX、Win98、Win2000、WinNT、WindowsXP等、程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)。 文字處置軟件文字處置軟件 Word WPS表格處置軟件表格處置軟件 Excel輔助設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)軟件 AutoCAD實(shí)時(shí)控制軟件實(shí)時(shí)控制軟件2. 運(yùn)用軟件運(yùn)用軟件 它是為計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域中的運(yùn)用而開(kāi)它是為計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域中的運(yùn)用而開(kāi)發(fā)的公用軟件，是用戶為處理各類實(shí)踐運(yùn)用發(fā)的公用軟件，是用戶為處理各類實(shí)踐運(yùn)用問(wèn)題而編制的公用軟件的總稱。問(wèn)題而編制

10、的公用軟件的總稱。2.3.3 計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)展 1、匯編言語(yǔ)的出現(xiàn) 2、高級(jí)言語(yǔ)的出現(xiàn) 3、操作系統(tǒng)的構(gòu)成 4、網(wǎng)絡(luò)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的出現(xiàn) 2.3.4 計(jì)算機(jī)言語(yǔ)的開(kāi)展計(jì)算機(jī)言語(yǔ)的開(kāi)展 計(jì)算機(jī)言語(yǔ)就是用戶用來(lái)編寫(xiě)程序的計(jì)算機(jī)言語(yǔ)就是用戶用來(lái)編寫(xiě)程序的言語(yǔ)，它是人們與計(jì)算機(jī)之間交換信息言語(yǔ)，它是人們與計(jì)算機(jī)之間交換信息的工具，實(shí)踐上也是人們指揮計(jì)算機(jī)任的工具，實(shí)踐上也是人們指揮計(jì)算機(jī)任務(wù)的工具。務(wù)的工具。 計(jì)算機(jī)言語(yǔ)的開(kāi)展分為計(jì)算機(jī)言語(yǔ)的開(kāi)展分為4個(gè)階段：個(gè)階段： 機(jī)器言語(yǔ)、匯編言語(yǔ)、高級(jí)言語(yǔ)和智機(jī)器言語(yǔ)、匯編言語(yǔ)、高級(jí)言語(yǔ)和智能性言語(yǔ)。能性言語(yǔ)。(1) (1) 第一代言語(yǔ)第一代言語(yǔ)機(jī)器言語(yǔ)

11、機(jī)器言語(yǔ)定義：是最初級(jí)且依賴于硬件的言語(yǔ)。是由定義：是最初級(jí)且依賴于硬件的言語(yǔ)。是由0 0和和1 1組成組成的二進(jìn)制代碼表示的言語(yǔ)，是計(jì)算機(jī)獨(dú)一能直的二進(jìn)制代碼表示的言語(yǔ)，是計(jì)算機(jī)獨(dú)一能直接識(shí)別并執(zhí)行的言語(yǔ)。接識(shí)別并執(zhí)行的言語(yǔ)。特征：特征：“面向機(jī)器的言語(yǔ)，可以被計(jì)算機(jī)直接接納面向機(jī)器的言語(yǔ)，可以被計(jì)算機(jī)直接接納執(zhí)行。由它編寫(xiě)的程序不易閱讀，而且指令代執(zhí)行。由它編寫(xiě)的程序不易閱讀，而且指令代碼不易記憶。碼不易記憶。 (2)(2)第二代言語(yǔ)第二代言語(yǔ)匯編言語(yǔ)匯編言語(yǔ)定義：是用字母和符號(hào)等助記符表示指令和操作定義：是用字母和符號(hào)等助記符表示指令和操作數(shù)地址的計(jì)算機(jī)言語(yǔ)數(shù)地址的計(jì)算機(jī)言語(yǔ), ,又稱為

12、符號(hào)言語(yǔ)。又稱為符號(hào)言語(yǔ)。特征：便于閱讀和書(shū)寫(xiě)，編程速度、檢查調(diào)試有特征：便于閱讀和書(shū)寫(xiě)，編程速度、檢查調(diào)試有提高，但依然是提高，但依然是“面向機(jī)器的言語(yǔ)，但計(jì)面向機(jī)器的言語(yǔ)，但計(jì)算機(jī)不能識(shí)別和直接運(yùn)轉(zhuǎn)匯編程序。算機(jī)不能識(shí)別和直接運(yùn)轉(zhuǎn)匯編程序。 機(jī)器言語(yǔ)和匯編言語(yǔ)都是面向機(jī)器的言語(yǔ)，機(jī)器言語(yǔ)和匯編言語(yǔ)都是面向機(jī)器的言語(yǔ)，普通稱為低級(jí)言語(yǔ)。普通稱為低級(jí)言語(yǔ)。 (3)第三代言語(yǔ)高級(jí)言語(yǔ)定義：人工發(fā)明的各種計(jì)算機(jī)都通用的、接近于人類“自然言語(yǔ)的程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)，又稱“算法言語(yǔ)。特征：各種計(jì)算機(jī)都通用，源程序必需翻譯成二進(jìn)制代碼方可執(zhí)行，面向過(guò)程的言語(yǔ)，不依賴于機(jī)器。獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的硬件，各類計(jì)算機(jī)都通用，

13、易于人們的了解和掌握。例如：Fortran、Cobol、Pascal、Basic、C圖圖3 翻譯過(guò)程翻譯過(guò)程高級(jí)言語(yǔ)源程序高級(jí)言語(yǔ)源程序機(jī)器言語(yǔ)目的程序機(jī)器言語(yǔ)目的程序輸入輸入編譯編譯/ /解釋解釋輸出輸出高級(jí)言語(yǔ)可分為3類：面向過(guò)程：闡明做什么，怎樣做。 如C 、Fortran、Basic 、 Pascal 面向問(wèn)題：指出做什么、數(shù)據(jù)的輸入和輸出方式。面向?qū)ο螅嚎梢悦璁?huà)同一類對(duì)象的共同屬性和行為。 VB C+ Java(4)(4)第四代言語(yǔ)第四代言語(yǔ)智能性言語(yǔ)智能性言語(yǔ)特征：具有一定的智能。特征：具有一定的智能。 重要運(yùn)用于商品化人工智能系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和面重要運(yùn)用于商品化人工智能系統(tǒng)、專家系

14、統(tǒng)和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。例如：例如：Lisp Prolog Gemstone Lisp Prolog Gemstone 等。等。常見(jiàn)的言語(yǔ)常見(jiàn)的言語(yǔ) 機(jī)器言語(yǔ)(由二進(jìn)制方式的指令代碼組成，不直接編程)高級(jí)言語(yǔ)匯編言語(yǔ)(面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)，采用助記符替代二進(jìn)制)匯編程序面向過(guò)程：BASIC、Pascal、FoxPro、FORTRAN、C等面向?qū)ο螅篊+ 、 Java、Visual Basic、PB 等1代代 2代代 3代代 4代代 智能性言語(yǔ)如PROLOG2.3.5 幾種高級(jí)程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)簡(jiǎn)介幾種高級(jí)程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)簡(jiǎn)介1. Basic言語(yǔ)言語(yǔ) 簡(jiǎn)單易學(xué)，

15、對(duì)話功能強(qiáng)，適用于科學(xué)計(jì)算和編簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)話功能強(qiáng)，適用于科學(xué)計(jì)算和編制運(yùn)用軟件制運(yùn)用軟件2. Pascal言語(yǔ)言語(yǔ) 構(gòu)造化程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)，數(shù)據(jù)類型豐富、編譯緊構(gòu)造化程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)，數(shù)據(jù)類型豐富、編譯緊湊高效、格式書(shū)寫(xiě)自在，適用于教學(xué)。湊高效、格式書(shū)寫(xiě)自在，適用于教學(xué)。3. C言語(yǔ)言語(yǔ) 程序可讀性較強(qiáng)、編程效率較高，適用于編程序可讀性較強(qiáng)、編程效率較高，適用于編制系統(tǒng)軟件等制系統(tǒng)軟件等 4. C+言語(yǔ)言語(yǔ) 具有籠統(tǒng)數(shù)據(jù)和面向?qū)ο蟮牟鸥?，是?duì)具有籠統(tǒng)數(shù)據(jù)和面向?qū)ο蟮牟鸥?，是?duì)C言語(yǔ)的擴(kuò)言語(yǔ)的擴(kuò)展。展。 5. Java言語(yǔ)言語(yǔ) 基于基于C+，一次編寫(xiě)，處處運(yùn)轉(zhuǎn)。，一次編寫(xiě)，處處運(yùn)轉(zhuǎn)。 6. Visua

16、l Prolog言語(yǔ)言語(yǔ) 適宜于專家系統(tǒng)和其他相關(guān)問(wèn)題的求解，是智能適宜于專家系統(tǒng)和其他相關(guān)問(wèn)題的求解，是智能程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)中具有代表性且在興隆國(guó)家運(yùn)用較多程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)中具有代表性且在興隆國(guó)家運(yùn)用較多的一種言語(yǔ)。的一種言語(yǔ)。指令：讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)操作所發(fā)出的命令。指令：讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)操作所發(fā)出的命令。指令格式指令格式:操作碼地址碼OPA2.4 計(jì)算機(jī)的任務(wù)原理2.4.1 指令及指令系統(tǒng)操作碼操作碼OP：表示一條指令的操作特性和功能：表示一條指令的操作特性和功能地址碼地址碼A：給出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的地址。：給出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的地址。指令含義：指令含義：A OP(A) 取出地址取出地址A中的數(shù)據(jù)進(jìn)展指令規(guī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)展指令規(guī)定的定的OP操作，再把操作送回地址操作，再把操作送回地址A中。中。3. 指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合。指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合。指令的分類指令的分類 按功能劃分為按功能劃分為4類類:數(shù)據(jù)傳輸類指令：包括存放器與存放器之間、存放數(shù)據(jù)傳輸類指令：包括存放器與存放器之間、存放器與存儲(chǔ)單元之間、存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)器與存儲(chǔ)單元之間、存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)傳輸。運(yùn)算類指令：算術(shù)運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算指令。運(yùn)算類指令：算術(shù)運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算指令。程序控制類指令：用于控制程序的流向，包