第二章计算机基本原理

1、第二章第二章计算机基本原理计算机基本原理 v计算机系统的组成计算机系统的组成v计算机的工作原理计算机的工作原理v中央处理器的构成和功能中央处理器的构成和功能v计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接v计算机系统性能指标计算机系统性能指标计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统的组成v硬件系统硬件系统计算机的物理部分计算机的物理部分主机主机外部设备外部设备CPU输入输出设备输入输出设备存储器存储器（内存）（内存）控制器控制器运算器运算器只读存储器只读存储器ROM随机存储器随机存储器RAM外存储器外存储器硬件系统硬件系统CPU：Center Processing Unit

2、 中央处理器计算机系统的组成计算机系统的组成v软件系统软件系统支持计算机完成任务的部分（程序、数据、支持计算机完成任务的部分（程序、数据、文档）文档）系统软件系统软件管理、监控和维护计算机资源管理、监控和维护计算机资源(包括硬件和软件包括硬件和软件)，以及开发应用软件以及开发应用软件应用软件应用软件完成特定任务的工具完成特定任务的工具计算机系统的组成计算机系统的组成系统软件系统软件应用软件应用软件专用软件专用软件操作系统操作系统程序设计语言处理程序程序设计语言处理程序系统服务程序系统服务程序通用软件通用软件OFFICE浏览器浏览器软件系统软件系统返回数据库系统数据库系统计算机工作原理计算机工作

3、原理v冯冯.诺依曼机诺依曼机冯冯.诺依曼的诺依曼的 “存储程序原理存储程序原理”电子元件的机器应采用电子元件的机器应采用二进制二进制进行计算进行计算将程序和数据事先将程序和数据事先存储存储在存储器中，并且不用在存储器中，并且不用人的干预人的干预自动执行自动执行冯冯.诺依曼结构诺依曼结构计算机的硬件系统包括输入，输出，存储，控计算机的硬件系统包括输入，输出，存储，控制和运算制和运算5个部分个部分计算机工作原理计算机工作原理v计算机的工作过程计算机的工作过程运算器运算器存储器存储器控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备程序程序 +数据数据输出输出信息信息控制线数据线v计算机的工作过程计算机的

4、工作过程计算机工作原理计算机工作原理指令数据存储器存储器运算器运算器控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备程序程序 +数据数据输出输出信息信息指令控制线数据线v计算机的工作过程计算机的工作过程计算机工作原理计算机工作原理数据计算机工作原理计算机工作原理v输入设备（输入设备（Input Unit）将一种信息形式通过接口设备转换成另一种将一种信息形式通过接口设备转换成另一种信息形式信息形式v输出设备（输出设备（Output Unit）将计算机内部信息传递出来将计算机内部信息传递出来计算机工作原理计算机工作原理v存储器（存储器（Memory Unit）计算机中用来保存数据和指令的部件计算机中用

5、来保存数据和指令的部件分为三级分为三级通常所说的存储器，主要指内存（主存）通常所说的存储器，主要指内存（主存）内存容量小、速度快、价格高内存容量小、速度快、价格高外存外存（属于外部设备）（属于外部设备）通过内存同通过内存同CPU打交道打交道计算机工作原理计算机工作原理v控制器（控制器（Control Unit）控制、协调计算机各部件的所有操作控制、协调计算机各部件的所有操作v运算器（运算器（Arithmetic Logic Unit）对信息或数据进行加工和处理的部件。即对信息或数据进行加工和处理的部件。即执行算术和逻辑运算的部件执行算术和逻辑运算的部件返回中央处理器的构成和功能中央处理器的构成

6、和功能v中央处理器中央处理器CPUCPU （Central Processing Unit)控制器、运算器等被集成在一块超大规模集成控制器、运算器等被集成在一块超大规模集成电路芯片中被称为中央处理器电路芯片中被称为中央处理器功能功能CPU可以依次从存储器中可以依次从存储器中取出取出程序中的每一条程序中的每一条指令，并加以指令，并加以分析分析和和执行执行，直至完成全部指令，直至完成全部指令任务为止任务为止中央处理器的构成和功能中央处理器的构成和功能返回中央处理器的构成和功能中央处理器的构成和功能微机硬件结构的特点是计算机的中央处理器微机硬件结构的特点是计算机的中央处理器CPU，由大规模或超大规模

7、集成电路构成，做在一个芯由大规模或超大规模集成电路构成，做在一个芯片上，称为微处理器（片上，称为微处理器（MPU）。由不同规模构成）。由不同规模构成的微处理器，就形成了微机不同的发展阶段的微处理器，就形成了微机不同的发展阶段Intel的芯片的芯片 IBM PC(8086)，186，286；386，486 P5Pentiumn P6-Pentiumn pro， Pentiumn II PentiumnIII, , Pentiunmn IV 酷睿酷睿2（I5、I7系列）系列）计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接v软连接软连接指令指令指令指令是是计算机能识别并能执行的基本操作命令计算机能

8、识别并能执行的基本操作命令并非人们可以想象得到的任何一种操作或计算都并非人们可以想象得到的任何一种操作或计算都有一条指令与之相对应，计算机只提供一些完成有一条指令与之相对应，计算机只提供一些完成基本操作的指令基本操作的指令通常设计人员在设计计算机时就确定了某计算机通常设计人员在设计计算机时就确定了某计算机可以执行的指令的种类和数量可以执行的指令的种类和数量计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接指令系统指令系统所有指令的集合称为计算机的指令系统所有指令的集合称为计算机的指令系统每一种处理器都有自己的一套指令系统每一种处理器都有自己的一套指令系统计算机各组成部分间的连接计算机

9、各组成部分间的连接软连接软连接指令的格式指令的格式机器指令格式机器指令格式操作码操作码地址码地址码机器执行什么操作机器执行什么操作 执行对象（具体数、存放位置执行对象（具体数、存放位置/地址地址）例如：例如： 00111110 00000111向累加器向累加器A送数送数操作数操作数7计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接指令的执行过程指令的执行过程取出指令、分析指令（译码）、执行指令，为取出指令、分析指令（译码）、执行指令，为执行下一个指令做准备执行下一个指令做准备计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接指令执行过程指令执行过程总线1001015输入设

10、备接口输出设备接口ALU译码器100控制电路10.MOV A, 0 ADD A, 1程序计数器指令寄存器ABCD01CPU取指令取指令(1)控制器根据程序计数器中的地址到存储器中指定的单元读取一条指令(2)指令通过总线到达指令寄存器(3)程序计数器的内容+1，指向下一条要执行的指令MOV A,0MOV A, 0 100100MOV A, 0 MOV A,0101MOV A,01011001015输入设备接口输出设备接口ALU译码器MOV A,0101控制电路10.MOV A, 0 ADD A, 1程序计数器指令寄存器ABCD01CPU5译码器控制电路5 5分析、执行指令分析、执行指令(1)译码

11、器对指令寄存器中的指令译码；并启动控制电路执行。(2)0号存储单元的内容经总线传送到寄存器A中计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接指令执行过程指令执行过程1001015输入设备接口输出设备接口ALU译码器ADD A,1102控制电路510.MOV A, 0 ADD A, 1程序计数器指令寄存器ABCD01CPU(1)取下一条指令ADD A,1(2)执行指令ADD A,1ALU5101515计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接指令执行过程指令执行过程计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接软连接软连接程序程序计算机是通用设备，可通过编写程序

12、扩展其功计算机是通用设备，可通过编写程序扩展其功能能程序程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列的一组指令序列(程序设计语言的语句实质包程序设计语言的语句实质包含了一系列指令含了一系列指令)例如：用例如：用Basic语言编写语言编写A=7+8的程序的程序 10 LET A=7+8 20 END计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接v硬连接硬连接总线总线总线总线 (系统总线系统总线)连接计算机的各组成部分；总线上连接计算机各个部件连接计算机的各组成部分；总线上连接计算机各个部件的通信线路和相关的控制电路的通信线路和相关的控制电路是是CP

13、U和存储器之间交换数据的通道和存储器之间交换数据的通道三种总线三种总线数据总线：传送数据信号数据总线：传送数据信号地址总线：传送地址信号地址总线：传送地址信号控制总线：传送控制信号控制总线：传送控制信号物理上，每种类型的总线都由若干条传输线组成，物理上，每种类型的总线都由若干条传输线组成，每条传输线每条传输线在某一时刻传输在某一时刻传输一个二进制位一个二进制位计算机各组成部分间的连接计算机各组成部分间的连接硬连接硬连接CPU存储器I/O接口I/O设备控制总线地址总线数据总线返回计算机系统性能指标计算机系统性能指标v位、字节、字及字长位、字节、字及字长位（位（bit）芯片中一个硬件的状态，指二进

14、制位芯片中一个硬件的状态，指二进制位字节（字节（Byte）计算机中信息计算机中信息存储最常用的基本单位存储最常用的基本单位1Byte=8bit1KB=1024B1MB=1024KB=1024*1024B1GB=1024MB=1024*1024*1024B计算机系统性能指标计算机系统性能指标位、字节、字及字长位、字节、字及字长字字指总线一次传输所能传输的数据或算数逻辑单指总线一次传输所能传输的数据或算数逻辑单元元(ALU)一次运算所能传输的数据一次运算所能传输的数据一个字由一个或若干个字节构成一个字由一个或若干个字节构成字长字长通常将组成一个字的位数叫作该字的字长通常将组成一个字的位数叫作该字的

15、字长字长越长，在相同时间内能传送更多的信息，字长越长，在相同时间内能传送更多的信息，从而运算速度更快从而运算速度更快计算机系统性能指标计算机系统性能指标v计算机中的单位计算机中的单位容量使用字节（容量使用字节（BByte）如磁盘、内存如磁盘、内存速度使用位（速度使用位（bbit）如网络速度（如网络速度（10Mbps、调制解调器速度、调制解调器速度33.6Kbps、56Kbps, ,ISDN128Kbps。计算机系统性能指标计算机系统性能指标计算机中的单位计算机中的单位K、M、GK 1024 带宽带宽128Kbps=128*1024bpsM 1024*1024 内存内存 512MB=512*10

16、24*1024BG 1024*1024*1024 硬盘硬盘 40GB=40 *1024*1024*1024B计算机系统性能指标计算机系统性能指标v计算机的性能指标计算机的性能指标主频主频亦称为时钟频率，即亦称为时钟频率，即CPU在一秒钟应该完成的在一秒钟应该完成的工作周期数；或系统时钟单位时间内发出的时工作周期数；或系统时钟单位时间内发出的时钟脉冲个数。钟脉冲个数。在在其他因素相同的情况下其他因素相同的情况下，主频越快，那么，主频越快，那么CPU的速度越快。的速度越快。 单位单位 Hz计算机系统性能指标计算机系统性能指标计算机的性能指标计算机的性能指标内存容量内存容量计算机主存的容量，决定在计

17、算机运行时临时计算机主存的容量，决定在计算机运行时临时存储的程序代码和数据的数量存储的程序代码和数据的数量是程序执行速度的重要因素是程序执行速度的重要因素单位为字节（单位为字节（Byte）计算机系统性能指标计算机系统性能指标计算机的性能指标计算机的性能指标字长（总线宽度）字长（总线宽度）决定决定CPU每执行一条指令能够每执行一条指令能够处理的二进处理的二进制数据位数制数据位数64位位CPU是指是指CPU一次能处理的二进制位数一次能处理的二进制位数是是64位位硬盘容量与读取速度硬盘容量与读取速度外部存储器的容量，存储静态数据的能力外部存储器的容量，存储静态数据的能力磁盘的读取速度通过转数衡量，转数一般在磁盘的读取速度通过转数衡量，转数一般在5400转转/分分7200转转/分分总结总结v计算机系统是由硬件系统、软件系统组计算机系统是由硬件系统、软件系统组成的。硬、软之间的界面不是固定的，成的。硬、软之间的界面不是固定的，它们在功能上具有等效性。一般用硬件它们在功能上具有等效性。一般用硬件实现的成本高，速度快；使用软件实现实