電子教案2計算機(jī)系統(tǒng)

電子教案2計算機(jī)系統(tǒng)第一頁，共59頁。2.1.1計算機(jī)系統(tǒng)的組成

操作系統(tǒng)：

DOS、Windows、MacOS、UNIX、Linux等

硬件系統(tǒng)

主

機(jī)

運算器(ALU)

控制器(CU)

輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀、麥克風(fēng)等

中央處理器

(CPU)

內(nèi)

存

軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件

通用應(yīng)用軟件：

辦公軟件包、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計算機(jī)輔助設(shè)計等

計算機(jī)系統(tǒng)

只讀存儲器(ROM)

隨機(jī)存取存儲器(RAM)

高速緩沖存儲器(Cache)

外

設(shè)

輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音響等

外

存：硬盤、光盤、U盤、移動硬盤等

實用程序：診斷程序、排錯程序等

語言處理程序：C、C++、Java、VB等

專用應(yīng)用軟件：各企業(yè)的管理信息系統(tǒng)等

應(yīng)用軟件

2第二頁，共59頁。CPU馮.諾依曼思想：五大模塊程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存放在存儲器控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列（程序）進(jìn)行工作存儲器數(shù)據(jù)流控制流運算器外存儲器輸出設(shè)備內(nèi)存儲器輸入設(shè)備控制器馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)特點：程序存儲，按程序順序執(zhí)行3第三頁，共59頁。2.1.2計算機(jī)硬件系統(tǒng)控制器運算器存儲器輸入輸出設(shè)備4第四頁，共59頁。程序控制方式編寫程序可執(zhí)行程序指令操作碼地址碼指令譯碼器操作控制線路程序計數(shù)器控制信號控制器（CU）功能：指揮計算機(jī)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IR、程序計數(shù)器PC、指令譯碼器ID。如何利用計算機(jī)解決問題？5第五頁，共59頁。運算器控制信號功能：進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算。包括：算術(shù)邏輯部件ALU、累加器、通用寄存器、狀態(tài)寄存器。數(shù)據(jù)內(nèi)存算術(shù)邏輯部件ALU累加器狀態(tài)寄存器通用寄存器控制器的控制線路6第六頁，共59頁。存儲體地址譯碼器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)總線讀寫電路地址總線存儲器功能：用來存儲數(shù)據(jù)和程序，能按照指定位置讀寫二進(jìn)制信息。包括：內(nèi)存儲器、外存儲器（又稱內(nèi)存和外存）。外存儲器：長期存放大量信息。一般只與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換內(nèi)存儲器：信息交流中心。計算機(jī)直接從內(nèi)存中存取信息內(nèi)存RAM隨機(jī)存取存儲器ROM只讀存儲器7第七頁，共59頁。多級存儲器體系結(jié)構(gòu)CPU寄存器組Cache主存外存主機(jī)存取速度快，但容量小價格貴容量大、價格低，但存取速度慢高速存取，但存儲容量小實現(xiàn)高速存取存放當(dāng)前使用最頻繁的指令和數(shù)據(jù)8第八頁，共59頁。存儲單元每個記憶單元由8位二進(jìn)制位組成。常用：KB，MB，GB，TB等字節(jié)Byte76543210位bit位(bit)：二進(jìn)制的最小單位，代表一個0或1。字節(jié)(Byte)：8位二進(jìn)制，數(shù)據(jù)存儲基本單位。字(Word)：計算機(jī)中作為一個整體被存取、傳送、處理的二進(jìn)制數(shù).存儲器中，通常每個單元存儲一個字。字長(WordLength)：每個字中二進(jìn)制位數(shù)9第九頁，共59頁。輸入輸出設(shè)備內(nèi)存輸入設(shè)備接受用戶輸入的原始信息轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的信息形式（二進(jìn)制）存放到內(nèi)存中輸出設(shè)備將內(nèi)存中的處理結(jié)果信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩艨山邮艿男问捷敵龌虺蔀槠渌鼨C(jī)器所能接受的形式輸出10第十頁，共59頁。2.1.3計算機(jī)基本工作原理指令和程序計算機(jī)的一般工作過程程序的執(zhí)行方式11第十一頁，共59頁。1.指令系統(tǒng)操作碼

地址碼

數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)處理指令程序控制指令輸入輸出指令

其它指令

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU內(nèi)存I/O設(shè)備主機(jī)對計算機(jī)的硬件進(jìn)行管理等指令

結(jié)構(gòu)分類指令系統(tǒng):一臺計算機(jī)的所有指令的集合指令：能被計算機(jī)識別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，規(guī)定了某一種操作。要完成的操作類型及功能操作數(shù)或操作數(shù)的地址12第十二頁，共59頁。計算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程開始指令n結(jié)束…程序指令2指令1程序：計算機(jī)指令的有序集合，即完成一定功能的指令序列結(jié)束指令？取指令分析指令執(zhí)行指令開始結(jié)束程序的執(zhí)行過程：按照程序設(shè)定的次序依次執(zhí)行指令，直到遇到結(jié)束指令什么是程序？程序如何執(zhí)行？13第十三頁，共59頁。指令的執(zhí)行過程圖例①取指令

按照程序計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并送往指令寄存器。②分析指令

對指令寄存器中存放的指令進(jìn)行分析，由譯碼器對操作碼進(jìn)行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電位信號由地址碼確定操作數(shù)地址。③執(zhí)行指令

由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。如：加法指令一條指令執(zhí)行完成，程序計數(shù)器加1或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到①。14第十四頁，共59頁。取指令分析指令執(zhí)行指令222111時間完成√√指令的串行執(zhí)行15第十五頁，共59頁。取指令部件分析指令部件執(zhí)行指令部件66555444333222111時間6完成√√√√√√指令流水線技術(shù)

多部件重疊操作多指令并行處理16第十六頁，共59頁。2.2計算機(jī)軟件系統(tǒng)17第十七頁，共59頁。系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)語言處理程序?qū)嵱贸绦蚍g工具作用：將源程序翻譯成計算機(jī)能識別的機(jī)器語言程序。程序設(shè)計語言：機(jī)器語言匯編語言高級語言典型的程序設(shè)計語言有：FORTRAN、Pascal、C與C++、BASIC、Java、C#等。匯編程序編譯程序解釋程序18第十八頁，共59頁。1.機(jī)器語言

由“0”、“1”二進(jìn)制代碼按一定規(guī)則組成的、能被機(jī)器直接理解、執(zhí)行的指令集合。

缺點：編程工作量大，難學(xué)、難記、難修改；

不同計算機(jī)的指令系統(tǒng)不同，機(jī)器語言通用性差優(yōu)點：代碼不需要翻譯，所占空間少，執(zhí)行速度快。例如，計算A=15+10的機(jī)器語言程序如下：10110 ：把15放入累加器A中0010110000001010 ：10與累加器A的值相加，結(jié) 果仍放入A中11110100 ：結(jié)束，停機(jī)19第十九頁，共59頁。2.匯編語言使用反映機(jī)器指令功能的助記符代替機(jī)器語言的符號語言。例如用ADD表示加、SUB表示減、JMP表示程序跳轉(zhuǎn)等等。優(yōu)點：克服了機(jī)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。缺點：仍然依賴于機(jī)器，通用性差。特點：源程序必須通過匯編程序翻譯成機(jī)器語言。常用于過程控制等編程。例如，計算A=15+10的匯編語言程序：MOV A，15 ：把15放入累加器A中ADD A，10 ：10與累加器A相加，結(jié)果存入A中HLT ：結(jié)束，停機(jī)類比：

IP地址46機(jī)器語言域名匯編語言20第二十頁，共59頁。3.高級語言接近于自然語言和數(shù)學(xué)公式的程序設(shè)計語言。優(yōu)點：接近算法語言，易學(xué)、易掌握，可讀性好，可維護(hù)性強(qiáng)，可靠性高；可移植性好，重用率高自動化程度高，編程效率高。缺點：源程序要通過翻譯程序翻譯成機(jī)器語言，代碼不最優(yōu)。例如，計算A=15+10的BASIC語言程序如下：A=15+10 ‘15與10相加的結(jié)果放入A中PRINTA ‘輸出AEND ‘程序結(jié)束21第二十一頁，共59頁。語言處理程序機(jī)器語言源程序匯編語言源程序機(jī)器語言程序（目標(biāo)程序）匯編程序翻譯低級語言處理程序22第二十二頁，共59頁。高級語言翻譯程序高級語言源程序計算結(jié)果解釋程序數(shù)據(jù)高級語言源程序計算結(jié)果連接程序數(shù)據(jù)目標(biāo)程序可執(zhí)行程序編譯程序解釋方式編譯方式BasicC++程序庫可脫離編譯程序和源程序獨立存在并反復(fù)使用23第二十三頁，共59頁。24常用高級語言Fortran：1954年推出，適用于科學(xué)和工程計算。C、C++：1972年推出C語言，1983年加入面向?qū)ο蟮母拍?，改名為C++。語言簡練、功能強(qiáng)，適用面廣。BASIC：初學(xué)者語言，1964年推出；1991年微軟推出可視化的、基于對象的VisualBasic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?qiáng)大。Java：1995年推出，是一種新型的跨平臺的面向?qū)ο笤O(shè)計語言，具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性。C#：以其簡單的可視化操作，高運行效率，強(qiáng)大的操作能力，面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。2013年4月TIOBE編程語言排行榜第二十四頁，共59頁。實用程序

完成一些與管理計算機(jī)系統(tǒng)資源及文件有關(guān)的任務(wù)系統(tǒng)設(shè)置軟件（不必直接修改注冊表）Windows優(yōu)化大師診斷程序（識別并且改正計算機(jī)系統(tǒng)存在的問題）控制面板的系統(tǒng)備份程序（備份程序把硬盤上的文件復(fù)制到其他存儲設(shè)備上）“附件|系統(tǒng)工具|”的“備份”反病毒程序文件壓縮程序25第二十五頁，共59頁。應(yīng)用軟件

為某一專門的應(yīng)用目的而開發(fā)的軟件稱為應(yīng)用軟件。例如：1.辦公軟件包2.圖形和圖象處理軟件3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)4.Ineternet服務(wù)軟件5.娛樂與學(xué)習(xí)軟件26第二十六頁，共59頁。2.3微型計算機(jī)硬件系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)總線與接口輸入輸出設(shè)備27第二十七頁，共59頁。2.3.1主機(jī)系統(tǒng)1.微型計算機(jī)的誕生1971年Intel的工程師馬西安·霍夫(M.E.Hoff)成功地在一個芯片上實現(xiàn)了中央處理器：第一片4位微處理器—Intel4004，第一臺4位微型計算機(jī)—MCS-4，2.摩爾定律

每18個月，集成度將翻一翻，

速度將提高一倍，

而其價格將降低一半AppleII第一個帶有彩色圖形的個人計算機(jī)

28第二十八頁，共59頁。筆記本電腦臺式計算機(jī)平板

3.

微機(jī)種類29第二十九頁，共59頁。主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)的基本組成主板

CPU

存儲器：內(nèi)存、外存30第三十頁，共59頁。主板部件主板（MainBoard）也叫母板（MotherBoard），是連接其它部件的載體芯片：平臺控制芯片、BIOS芯片。插槽/接口：CPU插槽、內(nèi)存插槽、顯卡插槽、PCI插槽、硬盤/光驅(qū)接口等。外部接口:USB接口、視頻輸出接口（HDMI、DVI、VGA等）、音頻接口、網(wǎng)絡(luò)接口、鍵盤鼠標(biāo)接口等。31第三十一頁，共59頁。芯片組主板的核心，決定了主板的功能和檔次。由平臺控制器芯片組成，以前由北橋和南橋芯片組成，現(xiàn)在北橋功能集成到CPU里面?？刂破餍酒?PlatformControllerHub，PCH)負(fù)責(zé)控制外部I/O設(shè)備的連接通信，如PCI總線、USB、IDE、SATA等接口，以及負(fù)責(zé)管理音頻控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器、高級電源管理等32第三十二頁，共59頁。主板線路原理圖板載功能:板載功能就是將某一些接口卡的功能集成到主板上。最常見的就是集成聲卡和網(wǎng)卡的功能。

33第三十三頁，共59頁。CPU主要指標(biāo)主頻，CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率。一般來說，主頻越高，CPU運算速度也越快。睿頻（睿頻加速），是一種能自動超頻的技術(shù)。字長和位數(shù),CPU內(nèi)部寄存器位數(shù)。QPI（QuickPathInterconnect）總線,是CPU內(nèi)核與內(nèi)存之間、內(nèi)核與內(nèi)核之間的總線。QPI帶寬越高意味著CPU數(shù)據(jù)處理能力越強(qiáng)。高速緩存（Cache）容量核心數(shù)量,單個芯片上有多個一樣功能的處理器核心單一提高CPU的主頻無法帶來相應(yīng)的性能提高，反而會使CPU在短時間內(nèi)燒毀生產(chǎn)工藝電子元件之間的最小距離,最新的45納米和32納米(10-9米)34第三十四頁，共59頁。IntelCPU2005年，Intel公司開始推出酷睿。特點；低功耗2010年Intel推出智能處理器Corei系列采用睿頻加速技術(shù)，按負(fù)載提升主頻，高效節(jié)能。采用超線程技術(shù)，提升CPU的并行處理能力。集成高清顯卡，大幅提升3D性能。35第三十五頁，共59頁。AMDCPU在Intel中都能找到相對應(yīng)的產(chǎn)品，性能基本一致在同級別的情況下，AMD的CPU浮點運算能力比Intel的稍弱.強(qiáng)項在于集成的顯卡。在相同的價格情況下，AMD的配置更高，核心數(shù)量更多。36第三十六頁，共59頁。國產(chǎn)CPU——龍芯龍芯（Loongson）是中國科學(xué)院計算所自主開發(fā)的CPU，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。龍芯1號2002,32位處理器，主頻266MHz。龍芯2號2003,64位處理器，主頻300MHz至500MHz。龍芯2E（龍芯2號增強(qiáng)型處理器）2006年，64位處理器，主頻1.0GHz龍芯2E最高運算速度達(dá)到每秒40億次雙精度浮點運算，實測性能超過1.5ＧHz的奔騰4處理器的水平。龍芯3號龍芯3A于2009年9月28日研發(fā)完成自主知識產(chǎn)權(quán)的四核CPU采用的是65納米工藝，主頻1GHz，性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平37第三十七頁，共59頁。存儲器內(nèi)存隨機(jī)存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)高速緩沖存儲器(Cache)外存磁介質(zhì),軟盤和硬盤光盤Flash存儲器內(nèi)存儲器（主存儲器）,速度快，容量小，價格較高，可由CPU直接訪問。外存儲器（輔助存儲器）,速度慢，容量大，價格低，CPU不可以直接訪問。CPURAM外存38第三十八頁，共59頁。內(nèi)存-RAMSDRAM(同步動態(tài)存儲器)DDR(雙倍數(shù)據(jù)速率SDRAM)DDR2DDR3一個總線周期讀寫一次數(shù)據(jù)一個總線周期讀寫兩次數(shù)據(jù),2倍一個總線周期讀寫兩次數(shù)據(jù)并行存取兩個數(shù)據(jù),4倍一個總線周期讀寫兩次數(shù)據(jù)并行存取四個數(shù)據(jù),8倍39第三十九頁，共59頁。ROM只讀存儲器(ROM),可讀，不可寫；掉電后數(shù)據(jù)不會丟失BIOS(BasicInputOutputSystem)即基本輸入輸出系統(tǒng)。是被固化到主板ROM芯片上的程序。BIOS主要功能:識別各種硬件(包括型號)引導(dǎo)操作系統(tǒng)進(jìn)行硬件最直接的操作，如讀文件等。引導(dǎo)操作系統(tǒng)過程自檢。檢查電腦硬件是否良好。初始化，讀取CMOS里設(shè)置的參數(shù),對硬件進(jìn)行設(shè)置。引導(dǎo)操作系統(tǒng)。在c盤觀察ntldr

開機(jī)自檢執(zhí)行ROM中的啟動程序加載操作系統(tǒng)執(zhí)行操作系統(tǒng)40第四十頁，共59頁。CMOSCMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）是一種RAM存儲器。它存儲了計算機(jī)的時鐘和硬件配置等信息。它靠系統(tǒng)電源供電，當(dāng)關(guān)機(jī)后就靠主板電池供電，因而它保存的信息不會丟失。CMOS設(shè)置：在電腦剛開機(jī)時（操作系統(tǒng)還沒開始啟動），一般按Del鍵進(jìn)入（不同的主板會不一樣）41第四十一頁，共59頁。主存儲器-Cache原因：CPU的速度很快而內(nèi)存速度較慢。Cache集成在CPU內(nèi)部，高速，小容量。CPU訪問Cache是以字節(jié)為單位的，而Cache與內(nèi)存數(shù)據(jù)交換是以塊（頁）為單位的。CPU首先從Cache中查找，如果沒有找到，再從內(nèi)存中讀取，同時把這個數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache中一級緩存L1Cache，容量小。二級緩存L2Cache，容量大。主要區(qū)別在于CPU查找數(shù)據(jù)的順序。一般由DRAM(靜態(tài)存儲器)構(gòu)成。42第四十二頁，共59頁。外存儲器（輔助存儲器）內(nèi)存儲器，讀寫速度快，容量小，斷電不能保存數(shù)據(jù)。外存儲器，大容量、能長期保存數(shù)據(jù)的存儲器。分類：磁盤:軟盤和硬盤光盤：CD,DVDFlash存儲器：U盤和各種Flash卡外存43第四十三頁，共59頁。機(jī)械硬盤硬盤(HardDisk)是微機(jī)中最主要的輔存，特點是容量大。硬盤有數(shù)個盤片，每盤片有上下兩個面，每個面一個磁頭。同一盤片不同半徑的同心圓為磁道。磁道被劃分為多個扇區(qū)。不同盤片相同磁道構(gòu)成的圓柱面即柱面。存儲容量＝磁頭數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×每道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)。信息記錄可表示為：幾號磁道（柱面），幾號磁頭，幾號扇區(qū)。44第四十四頁，共59頁。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（solid-statedisk，SSD）運用Flash芯片發(fā)展出最新的硬盤不怕摔，能適應(yīng)極端溫度或濕度讀寫速度快價格高容量小、一般128G讀寫次數(shù)有限（使用壽命有限）第四十五頁，共59頁。其他硬盤筆記本硬盤：直徑：2.5英寸和1.8英寸。特點：小巧輕便，重量尚不足百克。移動硬盤＝筆記本硬盤＋讀寫控制電路板＋外部接口外部接口：USB2.0和IEEE1394。微型硬盤：一般為1英寸以下的硬盤。主要用于數(shù)碼產(chǎn)品中，如數(shù)碼攝像機(jī)。46第四十六頁，共59頁。輔存－光盤CD的容量一般為680M,DVD的容量為4.7G~50G，相當(dāng)于7~73張普通CD光盤。DVD采用更細(xì)的激光束，具有更高的磁道密度。光驅(qū)：COMBO光驅(qū)：“康寶”是一種集合了CD、DVD的讀取和CD的刻錄。DVD刻錄光驅(qū)：包括了CD、DVD的讀取和CD、DVD的刻錄。光驅(qū)的數(shù)據(jù)讀取速率用倍速來表示，CD最高為64倍速DVD為20倍。CD光驅(qū)的1倍速是150KB/s,DVD光驅(qū)的1倍速是1350KB/s47第四十七頁，共59頁。輔存－Flash存儲器Flash存儲器（FlashMemory），也叫閃速存儲器，它既有ROM的特點，斷電能長期保存信息，又可以通過一定的電壓進(jìn)行擦除重寫。U盤Flash卡：需要讀卡器與計算機(jī)連接。48第四十八頁，共59頁?？偩€總線（Bus）是各部件（或設(shè)備）之間傳輸數(shù)據(jù)的公用通道設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備總線高速公路天津北京濟(jì)南上海南京設(shè)備設(shè)備點對點的總線

（a）總線（b）點到點總線（c）高速公路圖2.3.9總線與高速公路作用比較49第四十九頁，共59頁?？偩€地址總線:傳輸?shù)刂沸畔?shù)據(jù)總線:傳輸數(shù)據(jù)信息控制總線:傳輸控制信息內(nèi)部總線：連接CPU的各個組成部件（芯片內(nèi)部）系統(tǒng)總線：連接計算機(jī)中各大部件外部總線：連接計算機(jī)和外部設(shè)備連接對象傳輸對象并行總線:通信速度快、實時性好串行總線:簡易、方便、靈活通信方式

計算機(jī)的各個部件內(nèi)部，部件之間都采用總線連接。衡量總線的指標(biāo)就是總線帶寬總線的帶寬=總線頻率×總線寬度×傳輸次數(shù)50第五十頁，共59頁。系統(tǒng)總線是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的總線，用于連接計算機(jī)中各大部件。常見的總線有：PCIPCI-E51第五十一頁，共59頁。PCIPCI是一種32位數(shù)據(jù)的并行總線（可擴(kuò)展為64位），總線頻率為33MHz或66MHz，最大傳輸速率＝66M×64/8＝532MB/s。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、設(shè)計容易。缺點：總線帶寬有限（總線頻率有限），同時多個設(shè)備是共享總帶寬。52第五十二頁，共59頁。PCI-E