《计算机导论》课件-计算机导论第二章

第二章计算机的组成与工作原理2.1冯·诺依曼体系结构2.2计算机硬件系统2.3计算机软件系统2.1冯·诺依曼体系结构2.1.1冯·诺依曼计算机的基本特征2.1.2冯·诺依曼计算机的基本部件2.1.3冯·诺依曼计算机的工作原理2.1冯·诺依曼体系结构2.1.1冯·诺依曼计算机的基本特征（1）计算机包含具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分。（2）机器以运算器为中心，输入和输出设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。（3）存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。（4）采用存储程序方式，程序和数据在同一个存储器中，两者没有区别，指令同数据一样可以送到运算器进行运算。这个观念上的转变是计算机史上的一场革命，它反映的正是计算的本质，即符号串的变化。

（5）指令由操作码和地址组成。操作码指明指令的操作类型和应完成的功能，地址码指明操作数的存放地址。（6）通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。（7）采用二进制数表示程序和数据。2.1冯·诺依曼体系结构2.1.2冯·诺依曼计算机的基本部件各部件的主要功能如下：（1）运算器（ArithmeticlogicUnit，ALU）的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件，运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）；（2）控制器（Controller）是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号；（3）存储器（Memory）用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果）；（4）输入设备（InputEquipment）用来输入程序和数据；（5）输出设备（OutputEquipment）用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。2.1冯·诺依曼体系结构2.1.3冯·诺依曼计算机的工作原理计算机的基本工作原理就是计算机取出指令、分析指令、执行指令，再取下一条指令，依次周而复始地执行指令序列的过程。2.2计算机硬件系统2.2.1CPU2.2.2存储器2.2.3输入设备2.2.4输出设备2.2.5主板2.2计算机硬件系统2.2.1CPUCPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）通常也称为微处理器其基本结构有：①

运算器：是计算机对数据进行加工处理的核心部件。其主要功能是对二进制编码进行算术运算和逻辑运算，所以也称为算术逻辑运算单元。参加运算的数（称为操作数）由控制器控制，从存储器内取到运算器中。②

控制器：是整个计算机系统的控制指挥中心。其主要负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，再根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。③

寄存器：寄存器作为临时空间来存储CPU所操作的数据，保存算术逻辑单元的输入与输出数据。控制单元负责将主存中的数据移到寄存器中，然后通知算术逻辑单元这些数据所在的位置。一个CPU可有几个乃至几十个内部寄存器，包括用来暂存操作数或运算结果以提高运算速度的数据寄存器；支持控制器工作的地址寄存器、状态标志寄存器等。④

高速缓冲存储器：在新型的微处理器中普遍集成了超高速缓冲存储器，其工作速度和运算器的工作速度相一致，是提高CPU处理能力的重要技术措施之一。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器存储器是存放程序和数据的装置，存储器的容量越大越好，工作速度越快越好，但二者和价格是互相矛盾的。为了协调这种矛盾，目前的微机系统均采用了分层次的存储器结构(图2.5)，一般将存储器分为内存和外存。现在一些微机系统又将内存中的高速缓冲存储器设计为CPU芯片内部的高速缓冲存储器和CPU芯片外部的高速缓冲存储器两级，以满足高速和容量的需要。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器1．内存储器内存储器简称内存，是直接与CPU相联系的存储设备，是微型计算机工作的基础。主要存放将要运行的程序和数据。微机的内存采用半导体存储器（见图2.6），其体积小，功耗低，工作可靠，扩充灵活。CPU工作需要的数据事先都存放在内存储器中，根据需要不断地从中取用。从使用功能上分，内存储器有只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）、随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）和高速缓冲存储器（Cache）三类。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器1．内存储器随机存储器RAM是一种既能读出也能写入的存储器，适合于存放经常变化的用户程序和数据。RAM只能在电源电压正常时工作，一旦电源断电，里面的信息将全部丢失。只读存储器ROM是一种只能读出而不能写入的存储器，用来存放固定不变的程序和常数，如监控程序，操作系统中的BIOS（基本输入输出系统）等。ROM必须在电源电压正常时才能工作，但断电后信息不会丢失。高速缓冲存储器Cache是在CPU与内存之间设置一级缓存L1或二级缓存L2的高速小容量存储器，集成在主板上。计算机工作时，系统先将数据通过外部设备读入RAM中，再由RAM读入Cache中，CPU则直接从Cache中取数据进行操作。由于CPU处理数据的速度比RAM的快，为解决两者间数据处理的速度不匹配而专门设置了高速缓冲存储器。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器外存储器简称外存，作为内存的后援设备，存放暂时不执行而将来要执行的程序和相应的数据，断电后存储的数据不丢失。但因其速度低，CPU必须要先将其信息调入内存，再通过内存使用其资源。常用的外存有磁盘、光盘、磁带等。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器（1）软盘磁盘有软盘和硬盘两种。软盘内部是一种表面涂覆一层均匀磁性材料的软质圆形盘片，存储的数据是按一系列同心圆(磁道)记录在其表面上的。其存储容量=盘面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数。软盘的使用要有软盘驱动器的配合。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器（2）硬盘

为了在磁盘上快速地存取信息，在磁盘使用前要先进行初级格式化操作

由于软盘容量较小，如果要存储大量的数据，需要大容量的存储设备。硬盘就是这样一种大容量的外部存储设备。

硬盘是计算机中利用磁记录技术在涂有磁记录介质的旋转圆盘上进行数据存储的辅助存储器。操作系统、各种应用软件和大量数据都存储在硬盘上。硬盘是磁存储器，不会因为关机或停电丢失数据。它具有容量大、数据存取速度快、存储数据可长期保存等特点，是各种计算机安装程序、保存数据的最重要存储设备。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器（3）光盘光盘是以激光束记录数据和读取数据的数据存储媒体，是一种新型的大容量辅助存储器，需要有光盘驱动器配合使用。2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器（3）光盘

与软盘和硬盘一样，光盘也能以二进制数据（由“0”和“1”组成的数据模式）的形式存储文件和音乐信息。要在光盘上存储数据，首先必须借助计算机将数据转换成二进制，然后用激光按数据模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盘片上。激光在盘片上刻出的小坑代表“1”，空白处代表“0”。图2.13为光盘的微观结构示意图。

按读/写方式来分，光盘存储器大致可分为以下4种类型：①CD−ROM（CDRead−OnlyMemory，

只读光盘）②CD−R（CD−Recordable，一次性可写入光盘）③CD−RW（CD−ReWritable，可擦写的光盘）④DVD（DigitalVideoDisc，数字视频光盘）2.2计算机硬件系统2.2.2存储器2．外存储器（4）U盘及其它闪存卡U盘是通过USB接口与计算机相连，是一种基于闪存技术的移动存储设备，用FlashEPROM芯片来存储数据。另外，广泛应用于MP3、MP4、数码相机、数码摄像机、手机和个人数字助理的各种闪存卡也都是基于闪存技术的存储设备。

2.2计算机硬件系统2.2.3输入设备输入/输出（I/O）设备又称外部设备或外围设备，简称外设。输入设备用来将数据、程序、控制命令等转换成二进制信息，存入计算机内存。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光学字符识别装置、智能书写终端设备等。其中键盘和鼠标是目前用得最多的输入设备。1．键盘2．鼠标2.2计算机硬件系统2.2.4输出设备1．显示器计算机的显示系统由显示器与显示控制适配器两部分组成。显示器是微机中重要的输出设备，其作用是将电信号转换成可以直接观察到的字符、图形或图像。用户通过它可以很方便地查看送入计算机的程序、数据、图形等信息及经过计算机处理后的中间结果和最后结果。显示控制适配器又称为显示接口卡（简称显卡，或叫图形加速卡，图2.16所示），插在主板的扩展槽上，是主机与显示器之间的接口，其基本作用是控制计算机的图形输出。2．打印机打印机作为重要的计算机输出设备，也经历了数次更新，其种类繁多。根据工作原理分类，有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机3种。输出设备将经计算机处理后的结果显示或打印输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图机等。其中显示器和打印机是目前用得最多的输出设备。2.2计算机硬件系统2.2.5主板

主板（MainBoard），又称为主机板、母板或系统板，是安装在机箱内最大的一块方形电路板，上面安装有微机的主要电路系统。主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。台式机主板的外观和主要插口及接口如图所示：2.3计算机软件系统

软件可分为系统软件和应用软件两大部分。1、系统软件系统软件是为使用者能方便地使用、维护、管理计算机而编制的程序的集合，它与计算机硬件相配套，也称之为软设备。系统软件主要包括对计算机系统资源进行管理的操作系统（OperatingSystem，OS）软件、对各种汇编语言和高级语言程序进行编译的语言处理（LanguageProcessor，LP）软件和对计算机进行日常维护的系统服务程序（SystemSupportProgram）或工具软件