《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課件-計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第二章

第二章計(jì)算機(jī)的組成與工作原理2.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)2.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)2.1.1馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本特征2.1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本部件2.1.3馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理2.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)2.1.1馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本特征（1）計(jì)算機(jī)包含具備運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個(gè)基本部分。（2）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入和輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運(yùn)算器。（3）存儲(chǔ)器是按地址訪問的線性編址的唯一結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。（4）采用存儲(chǔ)程序方式，程序和數(shù)據(jù)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，兩者沒有區(qū)別，指令同數(shù)據(jù)一樣可以送到運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算。這個(gè)觀念上的轉(zhuǎn)變是計(jì)算機(jī)史上的一場(chǎng)革命，它反映的正是計(jì)算的本質(zhì)，即符號(hào)串的變化。

（5）指令由操作碼和地址組成。操作碼指明指令的操作類型和應(yīng)完成的功能，地址碼指明操作數(shù)的存放地址。（6）通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號(hào)控制計(jì)算機(jī)的操作。指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存放，由指令計(jì)數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址。（7）采用二進(jìn)制數(shù)表示程序和數(shù)據(jù)。2.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)2.1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本部件各部件的主要功能如下：（1）運(yùn)算器（ArithmeticlogicUnit，ALU）的主要功能是進(jìn)行算術(shù)及邏輯運(yùn)算，是計(jì)算機(jī)的核心部件，運(yùn)算器每次能處理的最大的二進(jìn)制數(shù)長(zhǎng)度稱為該計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)（一般為8的整倍數(shù)）；（2）控制器（Controller）是計(jì)算機(jī)的“神經(jīng)中樞”，用于分析指令，根據(jù)指令要求產(chǎn)生各種協(xié)調(diào)各部件工作的控制信號(hào)；（3）存儲(chǔ)器（Memory）用來存放控制計(jì)算機(jī)工作過程的指令序列（程序）和數(shù)據(jù)（包括計(jì)算過程中的中間結(jié)果和最終結(jié)果）；（4）輸入設(shè)備（InputEquipment）用來輸入程序和數(shù)據(jù)；（5）輸出設(shè)備（OutputEquipment）用來輸出計(jì)算結(jié)果，即將其顯示或打印出來。2.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)2.1.3馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的基本工作原理就是計(jì)算機(jī)取出指令、分析指令、執(zhí)行指令，再取下一條指令，依次周而復(fù)始地執(zhí)行指令序列的過程。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.1CPU2.2.2存儲(chǔ)器2.2.3輸入設(shè)備2.2.4輸出設(shè)備2.2.5主板2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.1CPUCPU（CentralProcessingUnit，中央處理器）通常也稱為微處理器其基本結(jié)構(gòu)有：①

運(yùn)算器：是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的核心部件。其主要功能是對(duì)二進(jìn)制編碼進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所以也稱為算術(shù)邏輯運(yùn)算單元。參加運(yùn)算的數(shù)（稱為操作數(shù)）由控制器控制，從存儲(chǔ)器內(nèi)取到運(yùn)算器中。②

控制器：是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制指揮中心。其主要負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中取出指令，并對(duì)指令進(jìn)行譯碼，再根據(jù)指令的要求，按時(shí)間的先后順序，負(fù)責(zé)向其他各部件發(fā)出控制信號(hào)，保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作，一步一步地完成各種操作?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫鳌⒆g碼器、程序計(jì)數(shù)器、操作控制器等組成。③

寄存器：寄存器作為臨時(shí)空間來存儲(chǔ)CPU所操作的數(shù)據(jù)，保存算術(shù)邏輯單元的輸入與輸出數(shù)據(jù)?？刂茊卧?fù)責(zé)將主存中的數(shù)據(jù)移到寄存器中，然后通知算術(shù)邏輯單元這些數(shù)據(jù)所在的位置。一個(gè)CPU可有幾個(gè)乃至幾十個(gè)內(nèi)部寄存器，包括用來暫存操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果以提高運(yùn)算速度的數(shù)據(jù)寄存器；支持控制器工作的地址寄存器、狀態(tài)標(biāo)志寄存器等。④

高速緩沖存儲(chǔ)器：在新型的微處理器中普遍集成了超高速緩沖存儲(chǔ)器，其工作速度和運(yùn)算器的工作速度相一致，是提高CPU處理能力的重要技術(shù)措施之一。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是存放程序和數(shù)據(jù)的裝置，存儲(chǔ)器的容量越大越好，工作速度越快越好，但二者和價(jià)格是互相矛盾的。為了協(xié)調(diào)這種矛盾，目前的微機(jī)系統(tǒng)均采用了分層次的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(圖2.5)，一般將存儲(chǔ)器分為內(nèi)存和外存。現(xiàn)在一些微機(jī)系統(tǒng)又將內(nèi)存中的高速緩沖存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)為CPU芯片內(nèi)部的高速緩沖存儲(chǔ)器和CPU芯片外部的高速緩沖存儲(chǔ)器兩級(jí)，以滿足高速和容量的需要。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器1．內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱內(nèi)存，是直接與CPU相聯(lián)系的存儲(chǔ)設(shè)備，是微型計(jì)算機(jī)工作的基礎(chǔ)。主要存放將要運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。微機(jī)的內(nèi)存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（見圖2.6），其體積小，功耗低，工作可靠，擴(kuò)充靈活。CPU工作需要的數(shù)據(jù)事先都存放在內(nèi)存儲(chǔ)器中，根據(jù)需要不斷地從中取用。從使用功能上分，內(nèi)存儲(chǔ)器有只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory，ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）三類。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器1．內(nèi)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM是一種既能讀出也能寫入的存儲(chǔ)器，適合于存放經(jīng)常變化的用戶程序和數(shù)據(jù)。RAM只能在電源電壓正常時(shí)工作，一旦電源斷電，里面的信息將全部丟失。只讀存儲(chǔ)器ROM是一種只能讀出而不能寫入的存儲(chǔ)器，用來存放固定不變的程序和常數(shù)，如監(jiān)控程序，操作系統(tǒng)中的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）等。ROM必須在電源電壓正常時(shí)才能工作，但斷電后信息不會(huì)丟失。高速緩沖存儲(chǔ)器Cache是在CPU與內(nèi)存之間設(shè)置一級(jí)緩存L1或二級(jí)緩存L2的高速小容量存儲(chǔ)器，集成在主板上。計(jì)算機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)先將數(shù)據(jù)通過外部設(shè)備讀入RAM中，再由RAM讀入Cache中，CPU則直接從Cache中取數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。由于CPU處理數(shù)據(jù)的速度比RAM的快，為解決兩者間數(shù)據(jù)處理的速度不匹配而專門設(shè)置了高速緩沖存儲(chǔ)器。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱外存，作為內(nèi)存的后援設(shè)備，存放暫時(shí)不執(zhí)行而將來要執(zhí)行的程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，斷電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不丟失。但因其速度低，CPU必須要先將其信息調(diào)入內(nèi)存，再通過內(nèi)存使用其資源。常用的外存有磁盤、光盤、磁帶等。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器（1）軟盤磁盤有軟盤和硬盤兩種。軟盤內(nèi)部是一種表面涂覆一層均勻磁性材料的軟質(zhì)圓形盤片，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是按一系列同心圓(磁道)記錄在其表面上的。其存儲(chǔ)容量=盤面數(shù)×每面磁道數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)。軟盤的使用要有軟盤驅(qū)動(dòng)器的配合。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器（2）硬盤

為了在磁盤上快速地存取信息，在磁盤使用前要先進(jìn)行初級(jí)格式化操作

由于軟盤容量較小，如果要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。硬盤就是這樣一種大容量的外部存儲(chǔ)設(shè)備。

硬盤是計(jì)算機(jī)中利用磁記錄技術(shù)在涂有磁記錄介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)圓盤上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的輔助存儲(chǔ)器。操作系統(tǒng)、各種應(yīng)用軟件和大量數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在硬盤上。硬盤是磁存儲(chǔ)器，不會(huì)因?yàn)殛P(guān)機(jī)或停電丟失數(shù)據(jù)。它具有容量大、數(shù)據(jù)存取速度快、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存等特點(diǎn)，是各種計(jì)算機(jī)安裝程序、保存數(shù)據(jù)的最重要存儲(chǔ)設(shè)備。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器（3）光盤光盤是以激光束記錄數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體，是一種新型的大容量輔助存儲(chǔ)器，需要有光盤驅(qū)動(dòng)器配合使用。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器（3）光盤

與軟盤和硬盤一樣，光盤也能以二進(jìn)制數(shù)據(jù)（由“0”和“1”組成的數(shù)據(jù)模式）的形式存儲(chǔ)文件和音樂信息。要在光盤上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，首先必須借助計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，然后用激光按數(shù)據(jù)模式灼刻在扁平的、具有反射能力的盤片上。激光在盤片上刻出的小坑代表“1”，空白處代表“0”。圖2.13為光盤的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

按讀/寫方式來分，光盤存儲(chǔ)器大致可分為以下4種類型：①CD?ROM（CDRead?OnlyMemory，

只讀光盤）②CD?R（CD?Recordable，一次性可寫入光盤）③CD?RW（CD?ReWritable，可擦寫的光盤）④DVD（DigitalVideoDisc，數(shù)字視頻光盤）2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.2存儲(chǔ)器2．外存儲(chǔ)器（4）U盤及其它閃存卡U盤是通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，是一種基于閃存技術(shù)的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，用FlashEPROM芯片來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。另外，廣泛應(yīng)用于MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、手機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理的各種閃存卡也都是基于閃存技術(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備。

2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.3輸入設(shè)備輸入/輸出（I/O）設(shè)備又稱外部設(shè)備或外圍設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。輸入設(shè)備用來將數(shù)據(jù)、程序、控制命令等轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信息，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光學(xué)字符識(shí)別裝置、智能書寫終端設(shè)備等。其中鍵盤和鼠標(biāo)是目前用得最多的輸入設(shè)備。1．鍵盤2．鼠標(biāo)2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.4輸出設(shè)備1．顯示器計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)由顯示器與顯示控制適配器兩部分組成。顯示器是微機(jī)中重要的輸出設(shè)備，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以直接觀察到的字符、圖形或圖像。用戶通過它可以很方便地查看送入計(jì)算機(jī)的程序、數(shù)據(jù)、圖形等信息及經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后的中間結(jié)果和最后結(jié)果。顯示控制適配器又稱為顯示接口卡（簡(jiǎn)稱顯卡，或叫圖形加速卡，圖2.16所示），插在主板的擴(kuò)展槽上，是主機(jī)與顯示器之間的接口，其基本作用是控制計(jì)算機(jī)的圖形輸出。2．打印機(jī)打印機(jī)作為重要的計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備，也經(jīng)歷了數(shù)次更新，其種類繁多。根據(jù)工作原理分類，有針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)3種。輸出設(shè)備將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果顯示或打印輸出。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等。其中顯示器和打印機(jī)是目前用得最多的輸出設(shè)備。2.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)2.2.5主板

主板（MainBoard），又稱為主機(jī)板、母板或系統(tǒng)板，是安裝在機(jī)箱內(nèi)最大的一塊方形電路板，上面安裝有微機(jī)的主要電路系統(tǒng)。主板的類型和檔次決定著整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的類型和檔次，主板的性能影響著整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的性能。臺(tái)式機(jī)主板的外觀和主要插口及接口如圖所示：2.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。1、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是為使用者能方便地使用、維護(hù)、管理計(jì)算機(jī)而編制的程序的集合，它與計(jì)算機(jī)硬件相配套，也稱之為軟設(shè)備。系統(tǒng)軟件主要包括對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理的操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）軟件、對(duì)各種匯編語言和高級(jí)語言程序進(jìn)行編譯的語言處理（LanguageProcessor，LP）軟件和對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)的系統(tǒng)服務(wù)程序（SystemSupportProgram）或工具軟件