计算机原理基础知识

计算机原理基础知识演讲人：日期：目录计算机原理概述计算机系统的基本组成计算机中的数据表示与运算指令系统与程序执行计算机的存储系统计算机的输入输出系统01计算机原理概述计算机原理的定义计算机原理是计算机科学的基础，涵盖了计算机系统的组成、工作原理和基本操作。计算机原理的重要性了解计算机原理有助于深入理解计算机的运行机制，为后续学习和应用计算机技术奠定坚实基础。计算机原理的定义与重要性冯·诺依曼提出了计算机的基本工作原理，即“存储程序”的概念，这一理念奠定了现代计算机的基础。冯·诺依曼的贡献计算机原理起源于冯·诺依曼与莫尔小组在1943年至1946年间的研究工作，他们提出了计算机应由输入设备、存储器、控制器、运算器和输出设备等五大部件组成的构想。计算机原理的起源冯·诺依曼与计算机原理的起源早期计算机的发展早期的计算机体积庞大，运算速度较慢，主要用于科学计算和军事领域。随着科技的不断进步，计算机逐渐缩小体积，提高性能，进入民用领域。现代计算机的发展计算机原理的发展历程现代计算机已经发展成为高度集成化、智能化的设备，广泛应用于各个领域，如科学计算、信息管理、图形处理等。同时，计算机原理也在不断更新和完善，以适应时代的需求。010202计算机系统的基本组成输入输出设备的功能和特点输入设备用于将数据或信息输入计算机，输出设备则用于将计算机处理后的数据或信息输出给用户。输入设备键盘、鼠标、扫描仪、手写板、触摸屏等。输出设备显示器、打印机、绘图仪、音响等。输入设备与输出设备由运算器和控制器组成，是计算机的“大脑”。中央处理器包括RAM和ROM，RAM用于暂时存储正在运行的程序和数据，ROM则用于永久存储数据和程序。内存储器中央处理器通过读取内存储器中的指令来执行程序，并将结果存储回内存储器。中央处理器和内存储器的关系中央处理器与内存储器外存储器与辅助存储器外存储器包括硬盘、软盘、光盘、U盘等。辅助存储器如磁带、磁盘阵列等。外存储器与辅助存储器的特点外存储器通常存储容量较大，但读写速度相对较慢；辅助存储器则用于备份和长期存储数据。03计算机中的数据表示与运算数制与编码的基本概念数制表示数值的方法，也称为“计数制”。包括基数和位权两个基本要素。编码布尔运算信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程，用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编成数码。数字符号化的逻辑推演法，包括联合、相交、相减等运算。存储单位计算机中数据的最小存储单位是位(bit)，最基本的存储单位是字节(byte)。原码、反码和补码原码是将数字按照正负进行编码的方式；反码是将原码按位取反；补码是反码加1，用于解决计算机中正负数的表示问题。数据的表示方法在计算机中，数据可以采用原码、反码、补码、移码等多种方式进行表示。数据的存储单位与表示方法包括加法、减法、乘法和除法四种基本运算，是计算机中最基本的运算。算术运算布尔运算中的联合、相交、相减等运算，主要用于逻辑判断和图形处理等领域。逻辑运算在进行复杂的算术和逻辑运算时，需要遵循一定的运算优先级规则，如先乘除后加减等。运算优先级算术运算与逻辑运算01020304指令系统与程序执行指令系统定义根据使用场景和功能，指令系统可分为数据传送指令、算术逻辑指令、移位指令、控制指令等。指令系统分类指令格式指令由操作码和操作数地址码两部分组成，操作码指明指令的操作类型，地址码指明操作数的存储位置。指令系统是计算机硬件和软件之间的接口，由一系列指令组成，用于控制计算机的操作。指令系统的基本概念与分类指令的执行过程与周期指令的执行过程指令的执行过程包括取指令、分析指令、执行指令和存储结果四个步骤。指令周期指令周期是指从取出一条指令并执行该指令所需的时间，通常由若干个机器周期组成。机器周期机器周期是指完成一种基本操作所需的时间，如取指周期、间址周期、执行周期等。时钟周期时钟周期是计算机中最基本的时间单位，一个机器周期由若干个时钟周期组成。程序计数器与指令寄存器的作用程序计数器（PC）程序计数器是一个特殊的寄存器，用于存储下一条要执行的指令的地址，具有自动加1的功能。指令寄存器（IR）指令寄存器用于存储当前正在执行的指令，当执行指令时，控制器将指令从存储器中取出并存入指令寄存器中。指令译码器指令译码器是控制器的核心部件之一，用于对指令进行译码，产生相应的控制信号，控制计算机的各个部件协调工作。程序计数器与指令寄存器的协同工作程序计数器与指令寄存器协同工作，实现了计算机的程序控制。程序计数器存储下一条指令的地址，指令寄存器存储当前指令，译码器对指令进行译码后，控制器根据译码结果控制各个部件执行相应的操作。程序计数器与指令寄存器的作用05计算机的存储系统内存储器的分类与组织方式可读可写，速度快，但断电后数据会丢失。随机存储器（RAM）只能读取，不能写入，数据不会丢失，用于存储固定信息。根据内容而非地址进行存取，常用于实现联想存储器等高级功能。只读存储器（ROM）位于CPU和主存之间，用于存放当前最需要的程序和数据，以提高访问速度。高速缓冲存储器（Cache）01020403关联存储器外存储器的种类与特点磁表面存储器如硬盘、软盘等，存储密度高，成本较低，但存取速度相对较慢。光存储器如CD、DVD等，存储密度高，容量大，但写操作一次成型，无法修改。半导体存储器如U盘、闪存卡等，存取速度快，体积小，但价格相对较高。磁光存储器结合了磁存储和光存储的优点，具有高速度、高密度、可擦写等特点。将部分硬盘空间作为内存使用，以扩展内存容量，通过操作系统的内存管理实现内存与硬盘之间的数据交换。将频繁访问的数据存放在高速缓存中，以减少对低速存储器的访问，从而提高系统性能。通过软件将多个物理存储设备整合为一个逻辑存储设备，实现存储的集中管理和动态分配。在CPU和主存之间设置多级缓存，以进一步提高访问速度和命中率。虚拟存储技术与缓存技术虚拟内存缓存技术虚拟存储多级缓存06计算机的输入输出系统输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等，用于将数据、图像等转化为计算机可识别的形式。输出设备包括显示器、打印机、音响等，用于将计算机处理的结果转化为人们可识别的形式。磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，用于存储大量数据和程序。输入输出设备的种类与特点通过程序指令控制输入输出的操作，具有灵活性高、控制精度高等特点。程序控制输入输出方式当输入输出操作完成时，通过中断信号通知CPU进行处理，可以提高计算机的效率。中断控制输入输出方式在外围设备和主存储器之间直接建立数据通道，不经过CPU进行数据交换，提高数据传输速度。直接存储器存取（DMA）方式输入输