计算机组成与基本工作原理

计算机系统组成与基本工作原理

计算机系统结构JohnvonNeumann冯诺依曼1949EDSAC一、计算机工作原理冯·诺依曼计算机——存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。程序和指令指令是一组计算机能识别并能执行的各种基本操作命令。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。程序是为完成某项工作而用某种计算机语言编写的一组指令的集合。机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）PC+1计算机执行指令的过程：将要执行的指令从内存调入CPU，由CPU对该条指令进行分析译码，判断该指令所要完成的操作，然后向相应部件发出完成操作的控制信号，从而完成该指令的功能。程序的执行过程：

CPU从内存中读取一条指令到CPU内执行，该指令执行完，再从内存读取下一条指令到CPU内执行。CPU不断地读取指令、执行指令，直至执行完所有的指令。整个过程由计算机协同操作完成。计算机工作原理二、计算机硬件系统一台计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作。计算机硬件系统基本结构微型计算机的硬件组成主机是包含电源、存储设备和电路板的机箱，其中电路板上有计算机的主处理器和内存。显示器是计算机的主要输出设备，它将来自计算机显卡的电信号转换为屏幕上的彩色亮点，从而形成图像。硬盘驱动器一般安装在系统单元内，当其工作时，机箱上的指示灯会亮。软盘驱动器将数据写到软盘上，当其工作时，其指示灯就亮，警告用户此时不要取出软盘。CD-ROM和DVD驱动器采用激光技术从光盘上读取数据。鼠标是一种输入指示设备，帮助用户操作对象并选择菜单项。键盘作为多数计算机的主要输入设备。声卡位于系统单元内，提供到扬声器、麦克风和耳机的连接。1、主机主机是计算机系统的核心，主要由中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备接口（I/O接口）、总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内。主机机箱外观图（1）主板主板(MotherBoard,mainBoard,SystemBoard)是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它部件和外部设备的连接载体。（2）中央处理器中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）又称中央处理单元。CPU由控制器和运算器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。

中央处理器组成之

控制器控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定的任务的部件。它一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。运算器运算器又称算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令所规定的寻址方式，运算器从存储器或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

中央处理器CPUCPU是计算机的心脏，用来实现程序控制功能（自动从内存中读入指令和自动执行指令）。CPU结构示意图地址总线标志寄存器指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器PC数据总线控制总线ALU存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备/器件，是计算机系统不可或缺的资源。现代微型计算机的存储系统结构：

高速缓存--主存--外存为什么采用这种结构？指令执行速度依赖于内存读写速度高速CPU需配置高速内存大软件需配置大容量内存

高速度低成本大容量（3）存储器与存储系统矛盾CPU高速缓存M1M2...Mn外存2外存1...外存n主存外存寄存器SRAMDRAM硬盘、光盘、U盘等

信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）：最常用的基本单位K字节 1K=1024byteM（兆）字节 1M=1024KG（吉）字节 1G=1024M

T（太）字节 1T=1024Gb7b6b5b4b3b2b1b010010101=27+24+22+20=149

认识计算机内存与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存。随机存取存储器RAM存放操作系统指令、软件指令、处理数据，分为DRAM和SRAM。特点：可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。虚拟内存计算机使用磁盘空间来模拟内存的能力只读存储器ROM存放系统初始化程序、操作系统引入程序、多种硬件驱动程序等。特点：只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写入的，并永久保存下来。CMOS存储器存放计算机的配置信息，如日期和时间、硬盘容量、RAM容量等。

认识计算机外存CD-ROM光驱数据传输速率（Sustaineddatatransferrate）是CD-ROM光驱最基本的性能指标，它是指CD-ROM光驱在1秒的时间内所能读取的最大数据量。平均访问时间（Averageaccesstime）又称“平均寻道时间”是指CD-ROM光驱的激光头从原来的位置移动到一个新指定的目标（光盘的数据扇区）位置并开始读取该扇区上的数据这个过程中所花费的时间。CPU占用时间（CPUloading）指CD-ROM光驱在维持一定的转速和数据传输速率时所占用CPU的时间。DVD-ROMDVD-ROM是CD-ROM的后继产品，DVD-ROM盘片的尺寸与CD-ROM盘片完全一致。但不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的1.6um缩小至0.74um，而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83um缩小到0.4um。这直接导致了单面单层的DVD盘的存储容量可提高至4.7GB，是CD-ROM的7倍，而且DVD驱动器具有向下的兼容性，即也可以读取CD-ROM的光盘。

U盘Flash存储设备是一种非易失性半导体移动存储器。它通过USB接口与计算机交换数据，通常被称为“优盘”，又称为“闪存盘”。优盘具有即插即用的特点。用户只需将它插入USB接口，计算机就可以实现自动检测，在读写数据方面非常方便。由于优盘具有存储容量大、抗震、价格便宜、便于携带等诸多优点，故而已经取代软盘成为最常用的移动存储设备。目前优盘的存储容量已经达到4GB以上，一般都可重复擦写百万次以上。输入设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制数存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。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、打印机等。微机显示系统由显示器和显示控制适配卡（Adapter，简称显示适配卡或显示卡）组成。显示器显示器又称监视器（Monitor），是微机系统的标准输出设备，它能快速地将计算机输入的原始信息和运算结果直接转换成人能直接观察和阅读的光信号，输出信息可以是字符、汉字、图形或图像。按所使用的器件，显示器可分为以阴极射线管为核心的CRT显示器与平板显示器。显示器的主要技术指标：像素、点距和分辨率、扫描方式。显示卡显示适配器简称显示卡。一般插在主板的扩展槽内，通过总线与CPU相连。当CPU有运算结果或图形要显示的时，将信号送显示卡，由显示卡的图形处理芯片把它们翻译成显示器能够识别的数据格式，并通过显示卡后面的一根15芯VGA接口和显示电缆传给显示器。显示器屏幕表现的分辨率和色彩总数与显示卡有关。显示卡必须有显示存储器（VRAM），显存越大，所能显示的色彩越丰富，分辨率就越高。例如：8bit可显示256色；24bit可显示l6.7兆颜色。显卡颜色设置：16色、256色、增强色（16位）、真彩色（24位）和最高（32位）。打印机打印机是常用的输出设备，一般有三种：针式（点阵）打印机、喷墨打印机、激光打印机。从价格性能比来看，市场中喷墨打印机使用比较普及。分辨率:DPI（DotPerInch每英寸可打印的点数）是衡量打印质量的一个重要标准，也是一个最为基本的判断打印机分辨率的指标。300DPI是人眼能否辨别输出文本图像锯齿边缘的临界点。

总线总线是微机中各功能部件之间通信的信息通路，主要由地址、数据和控制三大总线组成，每种总线都由若干根信号线（总线宽度）构成。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU三大总线计算机工作原理

接口微型机通过I/O（输入和输出）与外部交换信息，完成实际工作任务。与CPU相比，I/O设备的工作速度较低，处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不可能直接兼容。鉴于此，微型计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直接进行，而必须设计一个“接口电路”作为两者之间的桥梁。这种I/O接口电路又叫“I/O适配器”(I/OAdapter)。

微机结构示意图微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；各部件通过总线连接。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

计算机的工作原理计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”CPU总线内存标志寄存器地址总线

AB程序数据数据总线

DB控制总线

CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器PC软件系统软件应用软件操作系统设备驱动实用工具编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件…………上网软件学习课件娱乐软件商务软件系统软件协助计算机执行基本任务。应用软件协助人们完成某项任务。计算机软件概述三、计算机软件系统

系统软件操作系统最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上。实用工具用来提供一种让计算机用户控制分配和使用计算机资源的方法，以增强操作系统的功能。设备驱动程序设备驱动程序告诉计算机中的操作系统如何使用某一硬件。即插即用一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准。编译器编译器是程序员将高级语言编写的指令翻译成可以在计算机上执行的代码的软件开发工具，它的特点是目标语言比源语言低级。计算机软件概述

操作系统操作系统管理计算机硬件资源并且管理其上的信息资源（程序和数据），此外还要支持计算机上各种硬软件之间的运行和相互通信。。LinuxMacOSUNIX管家婆

管理硬件资源

协调后台工作服务生

提供用户与计算

机的交互接口WindowsOS/2计算机软件概述语言处理系统计算机的控制装置能够直接识别的指令是用机器语言编写的。实际上，绝大多数用户都使用某种程序设计语言，如VisualBASIC、Ｃ++、Delphi等来编写程序。但是用这些语言编写的程序CPU是不认识的，必须要经过翻译变成机器指令后才能被计算机执行。而负责这种翻译的程序称为编译程序（编译系统）或解释程序。为了在计算机上执行由某种程序设计语言编写的程序，就必须配置有该种语言的语言处理系统。计算机语言一般分为3类：机器语言、汇编语言和高级语言。计算机语言机器语言电子计算机所使用的是由“0”和“1”组成的二进制数，二进制是计算机的语言的基础。机器语言修改麻烦，可移植性差、但运算效率高。汇编语言语言为了减轻使用机器语言编程的痛苦，人们进行了一种有益的改进：用一些简洁的英文字母、符号串来替代一个特定的指令的二进制串，比如，用“ADD”代表加法，“MOV”代表数据传递等等，这种程序设计语言就称为汇编语言。汇编语言容易读懂、方便纠错及维护、移植性不好、但效率仍十分高。高级语言接近于数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于计算机硬件，编出的程序能在所有机器上通用。使用较普遍的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、BASIC、LISP、SNOBOL、PL/1、Pascal、C、PROLOG、Ada、C++、VC、VB、Delphi、JAVA等。连接程序源程序连接成可执行程序的过程诊断程序诊断程序是专门用于计算机硬件性能测试和系统故障的诊断维护的系统程序。如能对CPU、驱动器、接口、内存等设备的性能和故障进行检测。常用的诊断软件有QAPLUS、WINBENCH、MSD等。编译或解释链接编辑数据库管理系统数据处理是当前计算机应用的一个重要领域。计算机的效率主要是指数据处理的效率。有组织地、动态地存储大量的数据信息，而且又要使用户能方便、高效地使用这些数据信息，是数据库管理系统的主要功能。应用较多的数据库管理系统有Oracle、Informix、Sybase、SQLServer、DB2、Access等。

用户不必了解它的文件的存储细节，可以抽象地、逻辑地使用数据，其一切繁琐的存储细节由一个软件系统来完成，这个软件系统就是数据库系统的核心，即数据库管理系统DBMS（DatabaseManagementSystems）组织数据的方式称为数据模型，数据库管理系统采用的数据模型一般有三种：层次型（采用树型结构组织数据）、网状型（采用网状结构组织数据）、关系型（采用二维关系表格形式组织数据）。应用软件应用软件是计算机系统支持下的所有面对实际问题和具体用户群的应用程序的总合。如科学计算、工程设计、数据处理、事务管理、过程控制