《计算机原理》课件

《计算机原理》课程介绍欢迎来到《计算机原理》课程！by计算机的发展历程机械计算器早期计算机的雏形，例如莱布尼茨的计算器，利用齿轮和杠杆进行运算。电子计算机二战期间诞生的ENIAC，使用电子管作为核心组件，实现了更快的计算速度。晶体管时代晶体管的出现让计算机更小、更快、更可靠，推动了计算机的普及。集成电路时代集成电路技术的进步带来了微型计算机的诞生，让计算机进入千家万户。现代计算机以微处理器为核心，拥有高速运算能力，并不断向更智能化、网络化发展。计算机的基本组成运算器运算器是计算机的核心部件，负责进行各种算术运算和逻辑运算。它包括算术逻辑单元(ALU)和寄存器组，ALU执行算术和逻辑操作，寄存器用来存储数据和运算结果。控制器控制器是计算机的指挥中心，负责协调计算机各部件的工作，控制程序的执行，包括指令的获取、解码、执行和数据传送等。控制器可以被看作是计算机的“大脑”。存储器存储器是计算机用来存储数据的部件，分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)。主存储器是直接与CPU交换数据的存储器，速度快，容量小；辅助存储器用来存放数据和程序，容量大，速度慢。输入输出设备输入输出设备是计算机与外界进行信息交换的桥梁。输入设备将信息输入到计算机，例如键盘、鼠标；输出设备将计算机处理结果输出到外部，例如显示器、打印机。数字系统与二进制1十进制我们日常使用的数字系统，以10为基数，使用0-9十个数字。2二进制计算机内部使用的数字系统，以2为基数，使用0和1两个数字。3进制转换十进制和二进制之间可以相互转换，方便我们理解计算机内部的运作方式。逻辑门电路逻辑门电路是构成数字电路的基本单元。常见的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门等。逻辑门电路通过对输入信号进行逻辑运算，产生相应的输出信号。布尔代数与逻辑运算基本运算布尔代数包含三种基本运算：与（AND）、或（OR）和非（NOT）。逻辑运算逻辑运算用于处理逻辑值，即真（1）和假（0）。电路设计布尔代数和逻辑运算在计算机电路设计中起着至关重要的作用，用于实现各种逻辑功能。组合逻辑电路1基本概念组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入2基本单元逻辑门电路是组合逻辑电路的基本单元3常用类型加法器、译码器、编码器等4设计方法布尔代数和卡诺图等方法时序逻辑电路1时序逻辑电路状态变化受时间控制。2反馈输出信号反馈到输入端，形成闭环。3存储信息能够保存先前状态，用于控制未来行为。4时钟信号用于同步电路的运行，保证电路操作的协调性。寄存器与移位寄存器寄存器寄存器是CPU内部用来存储数据的单元，用来存储操作数、运算结果、地址等信息。移位寄存器移位寄存器是一种存储器，它可以按位对数据进行移动操作，用于实现各种数据处理和控制功能。计数器计数器是一种时序逻辑电路，用于对脉冲信号进行计数，并输出计数结果。计数器通常以二进制形式进行计数，计数结果由多个触发器组成，每个触发器表示一个二进制位。计数器通常由时钟信号驱动，每个时钟脉冲都会使计数器进行一次计数。存储器数据存储存储器是计算机系统中用来保存数据和程序的部件，是计算机的核心部件之一。随机存取存储器中的每个存储单元都可以被随机访问，即访问任何一个存储单元的时间都一样。存储容量存储器容量是指存储器能够存储的最大数据量，通常以字节（Byte）为单位。存储速度存储速度是指存储器读取或写入数据的时间，通常以纳秒（ns）为单位。存储器层次结构1缓存速度最快，容量最小，用于存放经常访问的数据2主存速度较快，容量中等，用于存放当前正在执行的程序和数据3辅存速度最慢，容量最大，用于存放长期保存的数据存储器编址1逻辑地址CPU使用的地址，与物理地址不同。2物理地址存储器控制器使用的地址，对应实际物理内存位置。3地址转换逻辑地址转换为物理地址，由内存管理单元（MMU）完成。CPU的工作过程1指令获取从内存中获取下一条指令2指令译码将指令解码成CPU可执行的机器码3指令执行根据指令的类型执行相应的操作4结果写回将执行结果写入内存或寄存器指令系统指令是计算机执行的最小操作单元。指令系统是计算机硬件能够理解和执行的指令集合。指令系统的种类和指令格式影响计算机的性能和功能。指令执行过程取指从内存中取出要执行的指令.译码将指令翻译成CPU能够理解的机器语言.执行根据指令的类型执行相应的操作.写回将执行结果写入到内存或寄存器中.中断机制异步事件中断是一种异步事件，可以改变CPU的正常执行流程。中断处理程序当发生中断时，CPU会暂停当前程序的执行，并跳转到相应的处理程序。中断向量表中断向量表存储了各个中断源对应的处理程序的地址。输入输出系统输入设备键盘、鼠标、扫描仪等用于将数据或指令输入到计算机系统。输出设备显示器、打印机、音响等用于将计算机系统处理的结果输出。I/O接口连接输入输出设备和主机的桥梁，负责数据传输和控制。并行处理提高性能通过将任务分解为多个子任务，并同时执行这些子任务，可以显著提高处理速度。多任务处理可以同时处理多个任务，提高系统效率，更好地利用资源。分布式计算将任务分配到多个计算机系统上执行，可以处理更大规模的计算问题。操作系统概述操作系统是一个管理计算机硬件和软件资源的程序，为用户提供一个友好的工作环境。1管理硬件资源包括内存、CPU、磁盘、网络等。2管理软件资源包括应用程序、驱动程序、库文件等。3提供用户接口方便用户使用计算机系统。操作系统的功能与服务1管理资源操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括CPU、内存、磁盘、网络等，以确保资源的有效利用。2提供用户界面操作系统为用户提供友好的界面，方便用户操作计算机，例如图形界面、命令行界面等。3支持程序运行操作系统负责加载、执行和管理用户程序，为程序提供运行环境和必要的服务。进程管理进程概念进程是一个正在执行的程序的实例，它包含了程序代码、数据和系统资源。进程状态进程可以处于不同的状态，包括运行、就绪、阻塞和终止。进程控制操作系统提供了一系列进程控制操作，包括创建、终止、挂起和恢复进程。存储管理内存分配为程序分配内存空间，确保程序能够顺利运行。内存保护防止程序访问其他程序的内存区域，确保系统安全。内存共享允许多个程序共享内存空间，提高资源利用率。虚拟内存将磁盘空间作为内存扩展，解决内存不足的问题。文件管理文件存储和组织文件管理系统负责存储和组织计算机上的文件，使文件易于访问和管理。目录结构文件通常被组织成树形结构的目录，方便用户查找和管理文件。文件共享和访问控制文件管理系统允许用户共享文件，并设置访问权限以保护敏感信息。设备管理设备分配管理系统资源，包括CPU、内存、磁盘、网络接口等，并根据需要分配给不同的用户或进程。设备保护保护设备免受非法访问或损坏，例如防止恶意软件攻击或硬件故障。设备优化优化设备性能，例如通过调整内存分配策略、磁盘调度算法等来提高系统效率。网络基础网络基础是计算机原理的重要组成部分，它为计算机之间的通信提供了基础架构。理解网络基础知识有助于我们了解数据在网络中的传输方式以及网络技术的应用。网络拓扑结构常见的网络拓扑结构包括总线型、星型、环型和树型。网络协议网络协议是规定数据传输格式和规则的标准，例如TCP/IP协议。网络协议体系结构应用层提供用户服务，如HTTP、FTP、DNS。传输层负责数据传输，如TCP、UDP。网络层负责数据路由，如IP。数据链路层负责数据帧的传输，如Ethernet。网络操作系统1管理网络资源负责网络设备、用户和资源的管理，提供安全和可靠的网络环境。2提供网络服务例如文件共享、打印服务、电子邮件服务等，方便用户访问和使用网络资源。3支持网络协议例如TCP/IP协议，实现网络设备之间的数据传输和通信。云计算概述云计算是一种基于互联网的计算方式，将计算资源（如服务器、存储、网络等）作为服务提供给用户，用户按需付费，无需购买和维护硬件设施。按需使用用户可以根据需要随时获取和释放计算资源。弹性伸缩云计算平台可以根据用户的需求动态调整资源规模。成本节约用户无需购买和维护硬件设施，可以降低运营成本。大数据概述大数据是指规模巨大、类型多样、处理速度快的数据集合。它为我们提供了前所未有的洞察力和分析能力，改变了各个行业的运作方式。1海量数据大数据通常以TB、PB甚至ZB为单位进行衡量。2多样性大数据包含结构化、