大学计算机基础（第6版）（微课版） 课件 第3章 计算机系统及工作原理

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第3章计算机系统及工作原理大学计算机基础课程组2022年5月主要内容2图灵机计算机硬件系统1图灵机计算机软件系统2图灵机计算机工作原理3教学目标2掌握计算机硬件系统结构及其功能体会计算机系统中蕴含的抽象、并行等计算思维方法。了解计算机工作原理掌握计算机软件系统的功能、分类等基础知识1234计算机硬件系统-图灵机思想4这个过程也就是关于数据、指令、程序及其自动执行的过程。图灵从理论上证明了通用计算机存在的可能性，创立了通用计算机理论。图灵机装置和原理示意图灵机基本思想是可以用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程。5用来模拟“计算”过程的图灵机模型由以下几个部分组成：（1）一条无限长的纸带TAPE。（2）一个读写头HEAD。（3）一套控制规则TABLE。（4）一个状态寄存器。计算机硬件系统-图灵机模型图灵机模型图灵机模型计算机硬件系统-冯•诺依曼计算机思想6冯•诺依曼计算机基本思想二进制存储程序冯•诺依曼计算机基本结构7各部分主要功能如下：运算器：进行各种算术运算和逻辑运算。控制器：协调计算机各部件间正常有序工作。存储器：存储程序、数据。输入设备：提供计算机运行需要输入的程序、数据及各种信息。输出设备：显示或打印计算机输出的信息。冯•诺依曼将计算机分为组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。计算机硬件系统-冯•诺依曼计算机结构8存储器运算器控制器输出设备输入设备（a）以运算器为中心的结构（b）以存储器为中心的结构冯•诺依曼计算机的结构框图结果程序控制器存储器运算器输出设备输入设备数据计算9哈佛结构是将程序指令存储和数据存储分开存储的结构。指令和数据的储存可以同时进行，指令和数据可以有不同的数据宽度。哈佛结构在嵌入式系统中有广泛的应用。哈佛结构本质上并不是对冯•诺依曼结构的突破，可理解为不同应用环境下的结构上的一些改进，实际上现代计算机系统这两种结构已经形成的有机的混合。计算机硬件系统-哈佛结构哈佛结构微机系统10微机是以微处理器为基础，配置内存和输入输出设备及辅助电路总路线等组成的体积较小的电子计算机。微机系统与其它大多数计算机系统一样，在硬件结构上依然遵循冯•诺依曼计算机的基本结构框架，微型计算机的硬件系统由主机和外设两大部分组成。主机主要由中央处理器和内存组成。微处理器11微处理器是由大规模或超大规模集成电路集成运算器和控制器两大功能的部件，简称中央处理器，即我们通常所说的CPU。微处理器由运算器与控制器组成，一般还集成有寄存器组和高速缓冲存储器（Cache）。微处理器微处理器12微处理器按照其处理信息的字长可分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及现阶段常用的64位微处理器。微机的发展与微处理器的发展是分不开的。运算器13

运算器由算术逻辑单元（Arithmeticandlogicunit，简称ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态寄存器组成，它是数据加工处理部件，完成计算机的各种算术和逻辑运算。执行算术运算执行逻辑运算（1）运算器运算器有两个主要功能：

控制器14控制器是计算机指挥和控制中心。控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成。（2）控制器控制器15（2）控制器主要功能从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。指挥并控制运算器、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。控制器根据事先给定的命令发出控制信息，使整个电脑指令执行过程一步一步地进行，是计算机的神经中枢。高速缓冲存储器16高速缓冲存储器Cache是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量小但速度快。高速缓冲存储器一般包含Cache存储体、地址转换部件、替换部件三部分组成。（3）高速缓冲存储器存储器-内存17存储器存储器是计算机系统内的记忆装置。存储器分为内存（又称主存）和外存（又称辅存）两大类。存储器-内存18计算机中的所有程序的运行都是在内存中进行的。内存储器与运算器和控制器相连接，直接与CPU交换信息，存取速度较快。按存储功能可将内存分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。（1）内存存储器-外存19外存是一种辅助存储设备，容量一般都比较大，存取速度慢，可以永久保存数据。外存大部分可以移动，便于不同计算机之间进行信息交流。外存储器的种类很多，常见外存有硬盘、软盘、磁带、光盘、U盘等。（2）外存层次结构计算机存储系统层次结构20各类存储器各有优劣，但都无法同时满足存取速度快、存储容量大、成本低三点要求，因此通常采用多级存储结构，即将多种存储器按一定体系结构连接起来，构成整个计算机存储系统。现代计算机中通常采用缓存cache、主存、辅存三级存储系统。输入设备21输入设备将用户输入的程序和数据转化为计算机可以理解执行的机器代码。根据接受数据的方式不同，输入设备可分为字符输入设备、定点输入设备、扫描输入设备、音频输入设备和图像输入设备等。输出设备22计算机对输入的信息进行处理后，必须转换成用户可以理解的形式通过输出设备展现出来。常见输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音响、磁记录设备等。显示器、针式打印机、激光打印机、3D打印机意图微机主板23微机主板也称为主机板、系统板、母板等。主板安装在机箱内部，它集成了组成计算机的主要电路系统、BIOS芯片、I/O控制芯片、机箱面板控制开关接口、指示灯插接件、扩展插槽等元件。主板组成24主要组成部件CPU插槽内存插槽芯片组总线扩展插槽主板接口25硬盘接口、USB接口、SATA接口、网络接口、音频接口、HDMI、VGA、、DVI、DP接口等主要接口其它部件26总线27总线（Bus）:是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。①数据总线：用于传送数据信息。②地址总线：是专门用来传送地址的。③控制总线：用来传送控制信号和时序信号。分类计算机软件系统28计算机软件系统是为计算机运行、管理和维护编制的各种程序、数据及相关文档的总称。软件按功能分为：系统软件、支撑软件、应用软件三类。传统的计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件29操作系统。输入/输出管理程序。通信传输、控制处理程序。计算机系统诊断、监控、故障处理程序。系统软件是指控制和协调计算机各个部件，支持应用软件开发和运行的各种程序的集合。系统软件的主要功能是调度、监控和维护计算机系统，管理计算机资源，提供用户交互友好的操作界面等。系统软件按功能可分为发下几类：应用软件30数值计算软件办公软件多媒体软件游戏软件网络工具软件其它软件应用软件是针对具体应用而开发的各种软件的总称。应用软件分为应用软件包和用户程序。应用软件涉及范围广、种类繁多。常用软件：31支撑软件计算机语言和语言处理程序软件开发环境数据库管理系统网络软件支撑软件是支持其它软件的编制和维护的软件。支撑软件介于系统软件和应用软件之间，提供应用软件设计、开发、测试、评估、运行检测等功能，有时也称中间件。主要包括：32指令计算机的工作过程就是计算机执行程序指令的过程。指令是计算机硬件可执行的、完成一个基本操作所发布的命令。不同类型的计算机由于硬件结构不同，指令也不同。某一类计算机所能识别的基本指令的集合称为该类计算机的指令系统。指令格式指令由两部分组成：操作码和操作数数据处理指令数据传送指令程序控制指令输入/输出指令其它指令指令格式：指令按功能可以划分为以下几类：34程序计算机程序（Computerprogram），简称程序，是指一组计算机能识别和执行