计算机系统组成和工作原理

1、第2章 计算机系统的组成和工作原理教学重点：计算机的组成教学难点：计算机的工作原理授课课时：4学时 运算器运算器 中央处理器中央处理器 主主 机机 控制器控制器 内存储器内存储器 硬件硬件 外存储器外存储器 外部设备外部设备 输入设备输入设备 输出设备输出设备 操作系统操作系统 系统软件系统软件 语言处理程序语言处理程序 数据库系统数据库系统 软件软件 科学计算程序科学计算程序 信息管理程序信息管理程序 应用软件应用软件 辅助设计程序辅助设计程序 文字处理程序文字处理程序 过程控制程序等过程控制程序等计算机系统计算机系统 2.1 计算机系统的组成计算机系统的组成2.1.1 计算机系统概述图图1

2、 计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成硬件：硬件：是组成计算机的物理设备的总称，由各种器件和电子线路组成。是计算机进行工作的物质基础。软件：软件：是在硬件设备上运行的各种程序以及有关资料的总称。“裸机裸机”：没有软件的计算机通常称为“裸机”。计算机能够完成的基本操作和主要功能： 1、输入 2、处理 3、输出 4、存储裸机裸机操作系统操作系统各种语言处理程序各种语言处理程序各种实用程序软件包各种实用程序软件包用户用户图图2 计算机系统层次图计算机系统层次图2.1.2 计算机系统的层次关系v用形式表示数据和指令v程序和数据一样存放在存储器中v计算机系统由、输入设备和输出设备五大部分组成 1.

3、运算器运算器（算术逻辑部件算术逻辑部件ALU） 执行算术运算和逻辑运算。例如：执行算术运算和逻辑运算。例如：5+7*2 2. 控制器控制器 控制器是计算机的指挥中心，它的主要作用是按控制器是计算机的指挥中心，它的主要作用是按照人们预先确定的操作步骤，控制微机各部件步调一照人们预先确定的操作步骤，控制微机各部件步调一致地自动工作。致地自动工作。五大功能部件：运算器、控制器、存储器、输五大功能部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。入设备和输出设备。 3. 存储器存储器 存储器是计算机用来存储信息的重要功能部件。存储器是计算机用来存储信息的重要功能部件。主要功能是存放程序和数据。主要功能

4、是存放程序和数据。 四个组成部件：程序计数器四个组成部件：程序计数器PC、指令寄存器、指令寄存器IR、指、指令译码器令译码器ID、操作命令产生部件、操作命令产生部件 运算器和控制器合称为中央处理器运算器和控制器合称为中央处理器CPU。 从存储器中取出信息称为读出；将信息存入存储器称为写从存储器中取出信息称为读出；将信息存入存储器称为写入。存储器读出信息后，原内容保持不变；向存储器写入入。存储器读出信息后，原内容保持不变；向存储器写入信息后，则原内容被新内容所代替。信息后，则原内容被新内容所代替。存储器分为三种：存储器分为三种： 内存储器内存储器（主存储器）（主存储器） 外存储器外存储器（辅助存

5、储器）（辅助存储器） 高速缓冲存储器高速缓冲存储器cache1) 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)：只能读出不能写入，用于存放内容不变的信息，断电后信息不会丢失。2) 随机存储器随机存储器(RAM)(RAM)：可随机存取，用于存放现场的程序和数据，断电后信息一般会立即消失。内存内存 内存和外存的区别：内存和外存的区别： 内存用于存放计算机当前正待运行的程序和数据，速内存用于存放计算机当前正待运行的程序和数据，速度较快、容量较小，可直接与中央处理器度较快、容量较小，可直接与中央处理器CPU交换信息。交换信息。 外存用于存放暂时不用的程序和数据，速度相对较慢，外存用于存放暂时不用的程序和数

6、据，速度相对较慢，容量较大，价格较低，不能直接与中央处理器容量较大，价格较低，不能直接与中央处理器CPU交换信交换信息，但它可以与内存交换信息。因此，外存储器中的程序息，但它可以与内存交换信息。因此，外存储器中的程序和数据必须先调入内存方可被和数据必须先调入内存方可被CPU访问。访问。 中央处理器中央处理器CPU和内存储器合称为主机。和内存储器合称为主机。 4. 输入设备输入设备 输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存它们转变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存中。常用的输入设备有键盘

7、、鼠标、扫描仪等。中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。 5. 输出设备输出设备 输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。印机、绘图仪等。 磁盘及磁盘驱动器磁盘及磁盘驱动器是计算机中的常用设备，计算机既是计算机中的常用设备，计算机既能从它上面读取数据（输入），也能把数据保存到它上面能从它上面读取数据（输入），也能把数据保存到它上面（输出）。（输出）。 2.3.1 计算机软件概述 软件：计算机系统中各程序、有关文件及运软件：计

8、算机系统中各程序、有关文件及运 行行时所需的数据的总称。时所需的数据的总称。 程序：是指以计算机可以识别和执行的操作 表示的处理步骤。 文档：是指用自然语言或者形式化语言所编写的用来描述程序内容、组成、设计、功能、规则、开发情况、测试结构和使用方法的文字资料和图表。2.3 计算机软件系统计算机软件系统2.3.2 计算机软件的分类 软件按其功能可以分为软件按其功能可以分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类。两大类。1. 系统软件系统软件 参与构成计算机系统、供用户直接使用，以扩展计算参与构成计算机系统、供用户直接使用，以扩展计算机硬件功能，使其管理协调整个系统，弥补用户操作习惯机硬件功能

9、，使其管理协调整个系统，弥补用户操作习惯与计算机硬件、计算机设备的操作方法之间的鸿沟的软件。与计算机硬件、计算机设备的操作方法之间的鸿沟的软件。 系统软件一般是由计算机厂家或专业软件开发商提供系统软件一般是由计算机厂家或专业软件开发商提供的，是计算机系统的一个重要的组成部分。的，是计算机系统的一个重要的组成部分。它主要包括操它主要包括操作系统（作系统（DOSDOS、UNIXUNIX、Win98Win98、Win2000Win2000、WinNTWinNT、WindowsXPWindowsXP等等）、程序设计语言。）、程序设计语言。 文字处理软件文字处理软件 Word WPS表格处理软件表格处理

10、软件 Excel辅助设计软件辅助设计软件 AutoCAD实时控制软件实时控制软件2. 应用软件应用软件 它是它是为计算机在特定领域中的应用而开发的专为计算机在特定领域中的应用而开发的专用软件，是用软件，是用户为解决各类实际应用问题而编制用户为解决各类实际应用问题而编制的专用软件的总称。的专用软件的总称。2.3.3 计算机软件的发展 1、汇编语言的出现 2、高级语言的出现 3、操作系统的形成 4、网络软件、数据库管理系统的出现 2.3.4 计算机语言的发展计算机语言的发展 计算机语言就是用户用来编写程序的语言，它是人计算机语言就是用户用来编写程序的语言，它是人们与计算机之间交换信息的工具，实际上

11、也是人们们与计算机之间交换信息的工具，实际上也是人们指挥计算机工作的工具。指挥计算机工作的工具。 计算机语言的发展分为计算机语言的发展分为4 4个阶段：个阶段： 机器语言、汇编语言、高级语言和智能性语言机器语言、汇编语言、高级语言和智能性语言。(1) (1) 第一代语言第一代语言机器语言机器语言定义：是最初级且依赖于硬件的语言。是由定义：是最初级且依赖于硬件的语言。是由0 0和和1 1组成组成的二进制代码表示的语言，是计算机唯一能直的二进制代码表示的语言，是计算机唯一能直接识别并执行的语言。接识别并执行的语言。特征：特征：“面向机器面向机器”的语言，可以被计算机直接接收的语言，可以被计算机直接

12、接收执行。由它编写的程序不易阅读，而且指令代执行。由它编写的程序不易阅读，而且指令代码不易记忆。码不易记忆。 (2)(2)第二代语言第二代语言汇编语言汇编语言定义：是用字母和符号等助记符表示指令和操作数地址的计算机语言,又称为又称为符号语言符号语言。特征：便于阅读和书写，编程速度、检查调试有进步，但仍然是“面向机器”的语言，但计算机不能但计算机不能识别和直接运行汇编程序。识别和直接运行汇编程序。 机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，一般称为低级语言。一般称为低级语言。 (3)(3)第三代语言第三代语言高级语言高级语言定义：人工创造的各种计算机都通用的、接

13、近于人类“自然语言”的程序设计语言，又称“算法语言”。特征：各种计算机都通用，源程序必须翻译成二进制代码方可执行，面向过程的语言，不依赖于机器。独立于计算机的硬件，各类计算机都通用，易于人们的理解和掌握。例如：例如：FortranFortran、CobolCobol、PascalPascal、BasicBasic、C C图图3 翻译过程翻译过程高级语言源程序高级语言源程序机器语言目标程序机器语言目标程序输入输入编译编译/ /解释解释输出输出高级语言可分为3类：说明做什么，怎么做。 （如C 、Fortran、Basic 、 Pascal） 指出做什么、数据的输入和输出形式。能够描述同一类对象的共

14、同属性和行为。 VB C+ Java(4)(4)第四代语言第四代语言智能性语言智能性语言特征：具有一定的智能。特征：具有一定的智能。 重要应用于商品化人工智能系统、专家系统和面重要应用于商品化人工智能系统、专家系统和面向对象的数据库管理系统等领域。向对象的数据库管理系统等领域。例如：例如：Lisp Prolog Gemstone Lisp Prolog Gemstone 等。等。常见的语言常见的语言机器语言(由二进制形式的指令代码组成，不直接编程)高级语言汇编语言(面向机器的程序设计语言，采用助记符代替二进制)汇编程序面向过程：BASIC、Pascal、FoxPro、FORTRAN、C等面向对

15、象：C+ 、 Java、Visual Basic、PB 等1代代 2代代 3代代 4代代 智能性语言如PROLOG2.3.5 几种高级程序设计语言简介几种高级程序设计语言简介1. Basic语言语言 简单易学，对话功能强，适用于科学计算和编制应用简单易学，对话功能强，适用于科学计算和编制应用软件软件2. Pascal语言语言 结构化程序设计语言，数据类型丰富、编译紧凑高结构化程序设计语言，数据类型丰富、编译紧凑高效、格式书写自由，适用于教学。效、格式书写自由，适用于教学。3. C语言语言 程序可读性较强、编程效率较高，适用于编制系统程序可读性较强、编程效率较高，适用于编制系统软件等软件等 4.

16、 C+语言语言 具有抽象数据和面向对象的能力，是对C语言的扩充。 5. Java语言语言 基于C+，一次编写，处处运行。 6. Visual Prolog语言语言 适合于专家系统和其他相关问题的求解，是智能程序设计语言中具有代表性且在发达国家应用较多的一种语言。指令：指令：让计算机完成某个操作所发出的命令。指令格式指令格式:操作码地址码OPA2.4 计算机的工作原理2.4.1 指令及指令系统操作码（操作码（OP）：表示一条指令的操作特性和功能）：表示一条指令的操作特性和功能地址码（地址码（A）：给出参与操作的数据在存储器中的地址。）：给出参与操作的数据在存储器中的地址。指令含义：指令含义：A OP(A) 取出地址取出地址A中的数据进行指令规中的数据进行指令规定的定的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. 指令系统：指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合。 指令的分类指令的分类 按功能划分为4类: 数据传输类指令：包括寄存器与寄存器之间、寄存器与存数据传输类指令：包括寄存器与寄存器之间、寄存器与存储单元之间、存储单元与存储单元之间的数据传输。储单元之间、存储单元与存储单元之间的数据传输。运算类指令：算术运算指令和逻辑运算指令。运算类指令：算术运算指令和逻辑运算指令。程序控制类指令：用于控制程序的流向，包括转移指令、转程序控制类指令：用于控制程序的流向