计算机组成原理 第一章 基础知识

1、第一章 基础知识 计算机计算机 组装与维护组装与维护第一章 基础知识计算机硬件基础 一、主要内容 讲述讲述PC系统的主要部系统的主要部件和常用外部设备的件和常用外部设备的基本功能、特点、性基本功能、特点、性能指标和使用方法。能指标和使用方法。具备具备PC机组装、故障机组装、故障检测与维护的基本技检测与维护的基本技能。能。 二、学习目标 掌握微机的基本部掌握微机的基本部件组装、使用及常件组装、使用及常用的维修与维护方用的维修与维护方法法DIY（Do It Yourself） 第一章 基础知识第一章第一章 计算机基本知识计算机基本知识 (computer basic knowledge)第二章第二

2、章 中央处理器中央处理器C P U (central processing unit)第三章第三章 内存储器内存储器(memory,primary store)第四章第四章 主主 板板(mainboard)第五章第五章 外外 存存(secondary store)第六章第六章 外部设备外部设备(I/O设备设备Input/Output)第七章第七章 BIOS 基础基础（Basic Input Output System 基本输入输出系统）基本输入输出系统） 第第 八章硬盘的初始化八章硬盘的初始化 (hard drive initialization) 第一章 基础知识 1.1 计算机发展 1.2

3、 计算机系统 1.3 计算机硬件 第一章 基础知识教学内容教学内容 1 计算机系统概述：微处理器发展过程、计算机的应用、分类和发展趋势。 2 计算机系统：微型计算机硬件系统及计算机软件系统、计算机组成及工作过程。 3 计算机硬件系统 第一章 基础知识教学要求：教学要求： 掌握：现代计算机的发展历程；微型计算机系统组成的软件和硬件系统；微机的基本工作原理。 了解：计算机的应用、分类和发展趋势。 第一章 基础知识 基本工作原理是存储程序控制的原理，基本工作原理是存储程序控制的原理，其基本结构属于：冯其基本结构属于：冯诺依曼型计算机，诺依曼型计算机，即电子计算机至少应由运算器、控制器、即电子计算机至

4、少应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。存储器、输入设备和输出设备五部分组成。原始的冯原始的冯诺依曼机在结构上是以运算器诺依曼机在结构上是以运算器和控制器为中心，但随着计算机系统结构和控制器为中心，但随着计算机系统结构的设计实践和发展，已逐步演变到以存储的设计实践和发展，已逐步演变到以存储器为中心的结构。器为中心的结构。第一章 基础知识1.1 微型计算机系统概述 1.1.1 计算机的发展 第一章 基础知识第一台计算机第一台计算机 4646年年2 2月月 宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学 ENIACENIAC四代计算机四代计算机computer阶阶段段 经经历历时时间间 逻逻辑辑

5、元元件件 主主要要特特点点 第一代 19461955 电子管 运算速度 5 千4 万次/秒，体积庞大；机器语言；数值计算； 第二代 1955-1965 晶体管 运算速度 10 万次300 万次/秒；体积缩小，功耗降低，寿命延长；机器语言、汇编语言、数值计算、管理 第三代 1965-1975 小、中规模集成电路 运算速度达到 1000 万次/秒；体积更小，功耗及价格下降，寿命更长；机器语言、汇编语言、高级语言；数值计算、管理、实时处理 第四代 1975-至今 大、超大规模集成电路 运算速度达到 100 亿/秒；耗电少、体积小、可靠性高、适应性强；机器语言、汇编语言、高级语言；数值计算、实时处理、

6、社会管理、多媒体及网络通信等。 第五代第一章 基础知识 创新：基本元器件创新：基本元器件第一章 基础知识 第一章 基础知识 卫星轨道的计算、大型水坝的设计、航天测控数据的处理、中长期天气预报、地质勘探与地震预测、社会经济发展规划的制订等 实际问题数学模型计算量大第一章 基础知识 在工农业、国防、交通等领域，利用计算机对生产和试验过程进行自动实时监测、控制和管理，可提高效率，提高质量，降低成本，缩短周期。 第一章 基础知识 在仪器、仪表装置中使用微处理器或微型计算机，可明显增强功能，提高性能，减小重量和体积。 第一章 基础知识 现代企事业单位和政府、军队各部门需要管理的内容很多，如财务管理、人事

7、档案管理、情报资料管理、仓库材料管理、生产计划管理、信贷业务管理、购销合同管理等 ，采用计算机和计算机网络技术，可实现信息管理自动化和办公自动化、无纸化。 第一章 基础知识 计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design) 计算机辅助制造(CAM，Computer Aided Manufacturing) 计算机辅助教学(CAI， Computer Aided Instruction) 计算机管理教学(CMI， Computer Aided Instruction) 计算机制造集成系统 计算机辅助教育(CBE) 第一章 基础知识 在对一些复杂的工程问题和复杂的工艺过程、运动

8、过程、控制行为等进行研究时，在数学建模的基础上，用计算机仿真的方法对相关的理论、方法、算法和设计方案进行综合、分析和评估 。第一章 基础知识(7)人工智能人工智能 “人工智能是用计算机系统模拟人类某些智能行为的新兴学科技术，它包括声音、图像、文字等模式识别，自然语言理解，问题求解，定理证明，程序设计自动化和机器翻译、专家系统等。” 1 机器人机器人可分为两类，一类称为“工业机器人”，另一类称为“智能机器人” 2定理证明 3模式识别模式识别是通过抽取被识别对象的特征，与存放在计算机内的已知对象的特征进行比较及判别，从而得出结论的一种人工智能技术。 4专家系统专家系统是一种能够模仿专家的知识、经验

9、、思想，代替专家进行推理和判断，并做出决策处理的人工智能软件。 第一章 基础知识1、分类（从计算机性能上来划分） 巨型机：占地最大、价格最贵、功能最强、浮点运算最快，4万亿/秒，适用战略武器设计、空间技术、天气预报； 小巨型机：功能略低于巨型机、但价格为其1/10，10亿次/秒； 大型主机：大型、通用、内存较大，750万次/秒，较强功能；适用大公司、大银行； 小型机：结构简单、可靠性高、成本较低，适用中、小用户； 工作站：高档微机，运算速度比PC机快，较强的联网功能。适用特殊的专业领域：图象处理、计算机辅助设计； PC（Personal Computer）机：）机：设计先进、软件丰富、功能齐全

10、、价格便宜，拥有广大用户。 第一章 基础知识根据微机应用在不同的场合可分为台式机、笔记本和服务器。根据微机应用在不同的场合可分为台式机、笔记本和服务器。 台式机：台式机：可放置在办公室或家里，携带不方便，但功能较强。 笔记机：笔记机：携带方便，可实行移动计算，适合于出差、旅行之用。 掌上电脑掌上电脑: :携带方便服务器：服务器：经过专门的设计，它的性能比一般的微机性能要好，往往代表一个专业计算机制造公司的最高水平。当一些计算机彼此联结起来，形成网络时，人们可以共享服务器上的资源。人们通常说的上网查资料，就是到服务器上去看看文件，或下载些东西。 第一章 基础知识2、发展趋势第一章 基础知识1.2

11、 计算机组成与结构 1.2.1 计算机的硬件系统 计算机的经典结构计算机的经典结构冯冯诺依曼结构诺依曼结构 第一章 基础知识冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机w上述计算机的基本结构是由美藉匈牙利科学家冯上述计算机的基本结构是由美藉匈牙利科学家冯诺依曼诺依曼于于1946年提出的。迄今为止所有进入实用的电子计算机年提出的。迄今为止所有进入实用的电子计算机都是按冯都是按冯诺依曼的提出的结构体系和工作原理设计制造诺依曼的提出的结构体系和工作原理设计制造的，故又统称为的，故又统称为“冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机”。w冯冯诺依曼型计算机的两大特征诺依曼型计算机的两大特征(重要思想重要思想) ：w 程序存

12、储程序存储（计算机自动连续工作的基础）（计算机自动连续工作的基础）w 采用二进制采用二进制（机内一切信息均需为二进制编码形式存（机内一切信息均需为二进制编码形式存在）在）w冯冯诺依曼型计算机的工作原理：诺依曼型计算机的工作原理：w 存储程序存储程序（将欲执行的任务事先编成程序存入主存中）（将欲执行的任务事先编成程序存入主存中）w 程序控制程序控制（执行时由（执行时由CPU调用主存中的程序进行运算）调用主存中的程序进行运算）第一章 基础知识 存储程序的概念是指把程序存储在计算机内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令。所谓存储程序工作原理，就是在计算机中设置存储器，将二进制编码表

13、示的计算步骤与数据一起存放在存储器中，机器一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储内容进行译码和处理，自动完成由程序所描述的处理工作。 第一章 基础知识数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制。控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序控制工作的，并由一个程序计数器(即指令地址计数器)控制指令的执行。控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的动作流程。根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 总结：第一章 基础知识1. 微处理器(CPU) 微型计算机的运算和指挥控制

14、中心微型计算机的运算和指挥控制中心 任何任何CPU都包括运算器、控制器和寄都包括运算器、控制器和寄存器三个主要的组成部分存器三个主要的组成部分 运算器运算器 功能：算术运算和逻辑运算功能：算术运算和逻辑运算 其主要部件：其主要部件：ALU（算术逻辑部件）（算术逻辑部件） 控制器控制器 功能：使计算机能自动地执行程序，并使各部分功能：使计算机能自动地执行程序，并使各部分协调工作协调工作第一章 基础知识wIntel公司x86系列兼容的CPU CPU的兼容是指其它厂家生产的CPU与Intel的CPU之间的软硬件兼容 软件兼容是指非Intel产的CPU对应用软件和X86扩展指令的软件兼容 硬件兼容是指

15、非Intel的产品在机械安装和电性能两方面的兼容 第一章 基础知识2. 存储器存储器分为主存（内存）和辅存（外存），是微型计算机的存储器分为主存（内存）和辅存（外存），是微型计算机的存储和记忆部件，用以存放数据存储和记忆部件，用以存放数据(包括原始数据、中间结果和包括原始数据、中间结果和最终结果最终结果)和程序和程序主存（内部存储器）：存放当前所执行程序的指令和数据主存（内部存储器）：存放当前所执行程序的指令和数据辅存（外部存储器）：存放暂不参加运算的程序的指令和辅存（外部存储器）：存放暂不参加运算的程序的指令和 数据数据 内存单元的地址和内容 内存操作 第一章 基础知识3. 输入输出(I/O

16、)设备 输入设备：输入设备：用于程序和数据输入（标准设备：键盘）用于程序和数据输入（标准设备：键盘） 输出设备：输出设备：用于程序和数据输出（标准设备：显示器）用于程序和数据输出（标准设备：显示器） 常用输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪等 常用输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音箱等 磁带、磁盘、光盘既是输入设备，又是输出设备 第一章 基础知识4. 总线 总线是电脑中模块(或子系统)之间传送数据、地址和控制信息的公共通道 数据总线(DB,Data Bus) 用来传输数据信息，是双向总线 地址总线(AB,Address Bus) 用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线 控制总线(CB,Contr

17、ol Bus) 用来传送控制信号、时序信号和状态信息等第一章 基础知识主机主机外部外部设备设备主板主板：输入输出的接口电路内存（主存）内存（主存）：存放正在运行的程序、数据 外存（辅存）外存（辅存）：存放暂时不处理的信息 输入设备输入设备：输入信息，如鼠标、键盘、扫描仪输出设备输出设备：输出信息，如显示器、打印机其它设备：其它设备：如网卡、UPS等CPU运算器控制器存存储储器器冯冯. .诺依曼结构诺依曼结构第一章 基础知识1.2.2计算机软件系统 软件是计算机运行时所需的程序、数据及相关信息的总称，计算机软件将解决的问题的思想、方法和过程进行描述和体现。 从广义上说，软件是指运行、维护、管理、

18、应用计算机所编制的所有程序与数据的总和。 按功能分为系统软件和应用软件。第一章 基础知识第一章 基础知识1.2.2.1系统软件系统软件是指管理、监控和维护计算机资源的软件，主要包括操作系统、语言处理程序和各种服务性程序 操作系统 DOS WINDOWS UNIX LINUX OS/2第一章 基础知识程序设计语言与语言处理程序程序设计语言 机器语言 汇编语言 高级语言语言处理程序服务性语言1.2.2.2 应用软件第一章 基础知识1.3.4计算机的组成工作过程 第一章 基础知识1.2.3计算机的组成及工作过程 一台计算机应包括它的硬件部分和软件部分。硬件与软件的结合才能使计算机发挥应有的作用。因此

19、，不能将计算机仅理解为一个硬件实体，而应该从整个计算机系统去理解它。第一章 基础知识诺依曼计算机的工作原理可概述为：诺依曼计算机的工作原理可概述为：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”输入设备主存储器辅助存储器输出设备运算器控制器输入输出程序/原始数据运算结果指令数据线控制信号线存储器第一章 基础知识对照一下人进行某项运算时的情况对照一下人进行某项运算时的情况输入设备输入设备主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入输入输出输出程序程序原始数据原始数据运算结果运算结果大脑大脑（控制器）（控制器）控控制制计算、判断计算、判断（运算器）（运算器）记忆

20、细胞记忆细胞（内部存储器）（内部存储器）眼、耳等眼、耳等手、口等手、口等笔记本、手册等笔记本、手册等解题方法解题方法(事先学习）事先学习）题目题目提供答案提供答案输入输入输出输出输入设备输出设备外部存储器第一章 基础知识1.3 计算机硬件第一章 基础知识图1.3 主机内部的结构第一章 基础知识第一章 基础知识常用术语常用术语 在计算机五大部分中，运算器和控制器是最核心的部分，通常做在一个器件上，称作CPU（Center Processing Unit） 。 【术语】【术语】 CPU=控制器控制器+运算器运算器（+寄存器组）寄存器组） 输入/输出(Input/Output)设备和外存合称“外围设

21、备”。 【术语】【术语】外设外设=I/O+辅助存储器辅助存储器 五大部件之间是通过三大“总线”（Bus）连接实现信息交换的。 【术语】【术语】三大总线三大总线=数据总线数据总线+地址总线地址总线+控制总线控制总线运算器运算器输入设备输入设备主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器输出设备输出设备控制器控制器输入输入输出输出程序程序原始数据原始数据运算结果运算结果第一章 基础知识 1.位(bit)、兆位(Mb)、吉位(Gb)和太位(Tb) 位是计算机所能表示的最基本最小的数据单位，bit只能有两种状态：“0”或“l”。 Mb是Megabit的缩写，代表2 位，即10241024位。 Gb是Gigab

22、it的缩写，代表2 位，即1024Mb。 Tb是Terabit的缩写，代表2 位，即1024Gb。 2.字节(Byte) 1字节8位二进制位(8bit)。 3.字(word)、字长 字是CPU与输入输出(IO)设备和存储器之间传送数据的基本单位.它是数据 总线的宽度(根数)。计算机数据总线所包含的二进制位称为字长。微型计算机字长有1位、4位、8位、16位、32位和64位等。 4.兼容性 系统兼容：若在一个系统上开发的硬件和软件能够在另外一个系统上成功地运行，则称两个系统是兼容的。 向上兼容：若兼容性是从旧系统到新系统的单项发展，则称为向上兼容。203040第一章 基础知识思考题思考题简述计算机的应用？微机硬件由哪几部分组成及其功能？什么是冯诺依曼型计算机？1. 简述存储程序计算机的程序运行过程？ 第一章 基础知识第一章 基础知识第一章 基础知识总线结构 第一章 基础知识1.2.2 主要组成部分结构及其功能 微处理器(CPU) 、存储器 、输入输出(I/O)设备 、总线 微处理器微处理器 CPUCPU键盘键盘鼠标器鼠标器显示器显示器打印机打印机内存内存通信线路通信线路通信通信接口接口外存外存接口接口硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱输入输入接口接口输出输出接口接口硬件结构硬件结构总总 线线第一章 基础知识1.3 微型计算机基本工作原理 微型计算机工作的过程本质上就是执行