第二章計算機基本原理.

1、第二章第二章計算機基本原理計算機基本原理 v計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成v計算機的工作原理計算機的工作原理v中央處理器的構成和功能中央處理器的構成和功能v計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接v計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成v硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計算機的物理部分計算機的物理部分主機主機外部設備外部設備CPU輸入輸出設備輸入輸出設備存儲器存儲器（內(nèi)存）（內(nèi)存）控制器控制器運算器運算器只讀存儲器只讀存儲器ROM隨機存儲器隨機存儲器RAM外存儲器外存儲器硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)CPU：Center Processing Unit

2、 中央處理器計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成v軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)支持計算機完成任務的部分（程序、數(shù)據(jù)、支持計算機完成任務的部分（程序、數(shù)據(jù)、文檔）文檔）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件管理、監(jiān)控和維護計算機資源管理、監(jiān)控和維護計算機資源(包括硬件和軟件包括硬件和軟件)，以及開發(fā)應用軟件以及開發(fā)應用軟件應用軟件應用軟件完成特定任務的工具完成特定任務的工具計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件專用軟件專用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)程序設計語言處理程序程序設計語言處理程序系統(tǒng)服務程序系統(tǒng)服務程序通用軟件通用軟件OFFICE瀏覽器瀏覽器軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)返回數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)計算機工作原理計算機工作

3、原理v馮馮.諾依曼機諾依曼機馮馮.諾依曼的諾依曼的 “存儲程序原理存儲程序原理”電子元件的機器應采用電子元件的機器應采用二進制二進制進行計算進行計算將程序和數(shù)據(jù)事先將程序和數(shù)據(jù)事先存儲存儲在存儲器中，并且不用在存儲器中，并且不用人的干預人的干預自動執(zhí)行自動執(zhí)行馮馮.諾依曼結構諾依曼結構計算機的硬件系統(tǒng)包括輸入，輸出，存儲，控計算機的硬件系統(tǒng)包括輸入，輸出，存儲，控制和運算制和運算5個部分個部分計算機工作原理計算機工作原理v計算機的工作過程計算機的工作過程運算器運算器存儲器存儲器控制器控制器輸入輸入設備設備輸出輸出設備設備程序程序 +數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出信息信息控制線數(shù)據(jù)線v計算機的工作過程計算機的

4、工作過程計算機工作原理計算機工作原理指令數(shù)據(jù)存儲器存儲器運算器運算器控制器控制器輸入輸入設備設備輸出輸出設備設備程序程序 +數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出信息信息指令控制線數(shù)據(jù)線v計算機的工作過程計算機的工作過程計算機工作原理計算機工作原理數(shù)據(jù)計算機工作原理計算機工作原理v輸入設備（輸入設備（Input Unit）將一種信息形式通過接口設備轉換成另一種將一種信息形式通過接口設備轉換成另一種信息形式信息形式v輸出設備（輸出設備（Output Unit）將計算機內(nèi)部信息傳遞出來將計算機內(nèi)部信息傳遞出來計算機工作原理計算機工作原理v存儲器（存儲器（Memory Unit）計算機中用來保存數(shù)據(jù)和指令的部件計算機中用

5、來保存數(shù)據(jù)和指令的部件分為三級分為三級通常所說的存儲器，主要指內(nèi)存（主存）通常所說的存儲器，主要指內(nèi)存（主存）內(nèi)存容量小、速度快、價格高內(nèi)存容量小、速度快、價格高外存外存（屬于外部設備）（屬于外部設備）通過內(nèi)存同通過內(nèi)存同CPU打交道打交道計算機工作原理計算機工作原理v控制器（控制器（Control Unit）控制、協(xié)調(diào)計算機各部件的所有操作控制、協(xié)調(diào)計算機各部件的所有操作v運算器（運算器（Arithmetic Logic Unit）對信息或數(shù)據(jù)進行加工和處理的部件。即對信息或數(shù)據(jù)進行加工和處理的部件。即執(zhí)行算術和邏輯運算的部件執(zhí)行算術和邏輯運算的部件返回中央處理器的構成和功能中央處理器的構成

6、和功能v中央處理器中央處理器CPUCPU （Central Processing Unit)控制器、運算器等被集成在一塊超大規(guī)模集成控制器、運算器等被集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片中被稱為中央處理器電路芯片中被稱為中央處理器功能功能CPU可以依次從存儲器中可以依次從存儲器中取出取出程序中的每一條程序中的每一條指令，并加以指令，并加以分析分析和和執(zhí)行執(zhí)行，直至完成全部指令，直至完成全部指令任務為止任務為止中央處理器的構成和功能中央處理器的構成和功能返回中央處理器的構成和功能中央處理器的構成和功能微機硬件結構的特點是計算機的中央處理器微機硬件結構的特點是計算機的中央處理器CPU，由大規(guī)?；虺笠?guī)模

7、集成電路構成，做在一個芯由大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路構成，做在一個芯片上，稱為微處理器（片上，稱為微處理器（MPU）。由不同規(guī)模構成）。由不同規(guī)模構成的微處理器，就形成了微機不同的發(fā)展階段的微處理器，就形成了微機不同的發(fā)展階段Intel的芯片的芯片 IBM PC(8086)，186，286；386，486 P5Pentiumn P6-Pentiumn pro， Pentiumn II PentiumnIII, , Pentiunmn IV 酷?？犷?（I5、I7系列）系列）計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接v軟連接軟連接指令指令指令指令是是計算機能識別并能執(zhí)行的基本操作命令計算機能

8、識別并能執(zhí)行的基本操作命令并非人們可以想象得到的任何一種操作或計算都并非人們可以想象得到的任何一種操作或計算都有一條指令與之相對應，計算機只提供一些完成有一條指令與之相對應，計算機只提供一些完成基本操作的指令基本操作的指令通常設計人員在設計計算機時就確定了某計算機通常設計人員在設計計算機時就確定了某計算機可以執(zhí)行的指令的種類和數(shù)量可以執(zhí)行的指令的種類和數(shù)量計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)所有指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)所有指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)每一種處理器都有自己的一套指令系統(tǒng)每一種處理器都有自己的一套指令系統(tǒng)計算機各組成部分間的連接計算機

9、各組成部分間的連接軟連接軟連接指令的格式指令的格式機器指令格式機器指令格式操作碼操作碼地址碼地址碼機器執(zhí)行什么操作機器執(zhí)行什么操作 執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置/地址地址）例如：例如： 00111110 00000111向累加器向累加器A送數(shù)送數(shù)操作數(shù)操作數(shù)7計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程取出指令、分析指令（譯碼）、執(zhí)行指令，為取出指令、分析指令（譯碼）、執(zhí)行指令，為執(zhí)行下一個指令做準備執(zhí)行下一個指令做準備計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程總線1001015輸入設

10、備接口輸出設備接口ALU譯碼器100控制電路10.MOV A, 0 ADD A, 1程序計數(shù)器指令寄存器ABCD01CPU取指令取指令(1)控制器根據(jù)程序計數(shù)器中的地址到存儲器中指定的單元讀取一條指令(2)指令通過總線到達指令寄存器(3)程序計數(shù)器的內(nèi)容+1，指向下一條要執(zhí)行的指令MOV A,0MOV A, 0 100100MOV A, 0 MOV A,0101MOV A,01011001015輸入設備接口輸出設備接口ALU譯碼器MOV A,0101控制電路10.MOV A, 0 ADD A, 1程序計數(shù)器指令寄存器ABCD01CPU5譯碼器控制電路5 5分析、執(zhí)行指令分析、執(zhí)行指令(1)譯碼

11、器對指令寄存器中的指令譯碼；并啟動控制電路執(zhí)行。(2)0號存儲單元的內(nèi)容經(jīng)總線傳送到寄存器A中計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程1001015輸入設備接口輸出設備接口ALU譯碼器ADD A,1102控制電路510.MOV A, 0 ADD A, 1程序計數(shù)器指令寄存器ABCD01CPU(1)取下一條指令ADD A,1(2)執(zhí)行指令ADD A,1ALU5101515計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接軟連接軟連接程序程序計算機是通用設備，可通過編寫程序

12、擴展其功計算機是通用設備，可通過編寫程序擴展其功能能程序程序是為完成一項特定任務而用某種語言編寫是為完成一項特定任務而用某種語言編寫的一組指令序列的一組指令序列(程序設計語言的語句實質包程序設計語言的語句實質包含了一系列指令含了一系列指令)例如：用例如：用Basic語言編寫語言編寫A=7+8的程序的程序 10 LET A=7+8 20 END計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接v硬連接硬連接總線總線總線總線 (系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線)連接計算機的各組成部分；總線上連接計算機各個部件連接計算機的各組成部分；總線上連接計算機各個部件的通信線路和相關的控制電路的通信線路和相關的控制電路是是CP

13、U和存儲器之間交換數(shù)據(jù)的通道和存儲器之間交換數(shù)據(jù)的通道三種總線三種總線數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信號地址總線：傳送地址信號地址總線：傳送地址信號控制總線：傳送控制信號控制總線：傳送控制信號物理上，每種類型的總線都由若干條傳輸線組成，物理上，每種類型的總線都由若干條傳輸線組成，每條傳輸線每條傳輸線在某一時刻傳輸在某一時刻傳輸一個二進制位一個二進制位計算機各組成部分間的連接計算機各組成部分間的連接硬連接硬連接CPU存儲器I/O接口I/O設備控制總線地址總線數(shù)據(jù)總線返回計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標v位、字節(jié)、字及字長位、字節(jié)、字及字長位（位（bit）芯片中一個硬件的狀態(tài)，指二進

14、制位芯片中一個硬件的狀態(tài)，指二進制位字節(jié)（字節(jié)（Byte）計算機中信息計算機中信息存儲最常用的基本單位存儲最常用的基本單位1Byte=8bit1KB=1024B1MB=1024KB=1024*1024B1GB=1024MB=1024*1024*1024B計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標位、字節(jié)、字及字長位、字節(jié)、字及字長字字指總線一次傳輸所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或算數(shù)邏輯單指總線一次傳輸所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或算數(shù)邏輯單元元(ALU)一次運算所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一次運算所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一個字由一個或若干個字節(jié)構成一個字由一個或若干個字節(jié)構成字長字長通常將組成一個字的位數(shù)叫作該字的字長通常將組成一個字的位數(shù)叫作該字的

15、字長字長越長，在相同時間內(nèi)能傳送更多的信息，字長越長，在相同時間內(nèi)能傳送更多的信息，從而運算速度更快從而運算速度更快計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標v計算機中的單位計算機中的單位容量使用字節(jié)（容量使用字節(jié)（BByte）如磁盤、內(nèi)存如磁盤、內(nèi)存速度使用位（速度使用位（bbit）如網(wǎng)絡速度（如網(wǎng)絡速度（10Mbps、調(diào)制解調(diào)器速度、調(diào)制解調(diào)器速度33.6Kbps、56Kbps, ,ISDN128Kbps。計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標計算機中的單位計算機中的單位K、M、GK 1024 帶寬帶寬128Kbps=128*1024bpsM 1024*1024 內(nèi)存內(nèi)存 512MB=512*10

16、24*1024BG 1024*1024*1024 硬盤硬盤 40GB=40 *1024*1024*1024B計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標v計算機的性能指標計算機的性能指標主頻主頻亦稱為時鐘頻率，即亦稱為時鐘頻率，即CPU在一秒鐘應該完成的在一秒鐘應該完成的工作周期數(shù)；或系統(tǒng)時鐘單位時間內(nèi)發(fā)出的時工作周期數(shù)；或系統(tǒng)時鐘單位時間內(nèi)發(fā)出的時鐘脈沖個數(shù)。鐘脈沖個數(shù)。在在其他因素相同的情況下其他因素相同的情況下，主頻越快，那么，主頻越快，那么CPU的速度越快。的速度越快。 單位單位 Hz計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標計算機的性能指標計算機的性能指標內(nèi)存容量內(nèi)存容量計算機主存的容量，決定在計

17、算機運行時臨時計算機主存的容量，決定在計算機運行時臨時存儲的程序代碼和數(shù)據(jù)的數(shù)量存儲的程序代碼和數(shù)據(jù)的數(shù)量是程序執(zhí)行速度的重要因素是程序執(zhí)行速度的重要因素單位為字節(jié)（單位為字節(jié)（Byte）計算機系統(tǒng)性能指標計算機系統(tǒng)性能指標計算機的性能指標計算機的性能指標字長（總線寬度）字長（總線寬度）決定決定CPU每執(zhí)行一條指令能夠每執(zhí)行一條指令能夠處理的二進處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)制數(shù)據(jù)位數(shù)64位位CPU是指是指CPU一次能處理的二進制位數(shù)一次能處理的二進制位數(shù)是是64位位硬盤容量與讀取速度硬盤容量與讀取速度外部存儲器的容量，存儲靜態(tài)數(shù)據(jù)的能力外部存儲器的容量，存儲靜態(tài)數(shù)據(jù)的能力磁盤的讀取速度通過轉數(shù)衡量，轉數(shù)一般在磁盤的讀取速度通過轉數(shù)衡量，轉數(shù)一般在5400轉轉/分分7200轉轉/分分總結總結v計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成的。硬、軟之間的界面不是固定的，成的。硬、軟之間的界面不是固定的，它們在功能上具有等效性。一般用硬件它們在功能上具有等效性。一般用硬件實現(xiàn)的成本高，速度快；使用軟件實現(xiàn)實