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1、计算机系统的组成计算机系统的组成第1页，此课件共53页哦硬件是软件工作的基础，离开硬件，软件无法工作。软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互渗透，相互促进，硬件是基础，软件是灵魂。硬件和软件的关系第2页，此课件共53页哦2.1.1硬件系统输入设备存储器输出设备运算器控制器数据流控制流冯诺依曼结构电子计算机的基本结构第3页，此课件共53页哦冯诺伊曼（Neumann，John von)，是20世纪最杰出的数学家之一，于1945年提出了“程序内存式”计算机的设计思想。这一卓越的思想为电子计算机的逻辑结构设计奠定了基础，已成为计算机设计的基本原则。由于他在计算机逻辑结构设计上的伟大贡献，他被誉为“计算机
2、之父”。诺伊曼于1903年出生于匈牙利的布达佩斯。他是一个数字神童，11岁时已显示出数学天赋。12岁的诺伊曼就对集合论，泛函分析等深奥的数学领域了如指掌。青年时期，诺伊曼从著名数学家希尔伯特，从此，他更是如鱼得水，在数学在海洋中畅游。在获得数字博士之后，他成为美国普林斯顿大学的第一批终身教授，那时，他还不到30岁。第4页，此课件共53页哦设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。诺伊曼提出了程序存储的思想：把运算程序存在机器的存储器中，程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行
3、计算，这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现，标志着电子计算机的成熟，已成为电子计算机设计的基本原则。第5页，此课件共53页哦计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。设备五部分组成。运算器和控制器合在一起称为中央处理器运算器和控制器合在一起称为中央处理器(Central(Central Processing UnitProcessing Unit，CPU)CPU)。第6页，此课件共53页哦 3.计算机的基本部件 运算器(Arithmetic Logic Unit-A
4、LU)它是用来对数据进行算术运算或逻辑运算的部件。通常由算术逻辑运算部件、累加器及通用寄存器组成。主要功能是完成各种算术运算，如加、减、乘、除、逻辑判断、逻辑比较等。即在控制器的操纵下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算，其结果暂存内部寄存器或送到内存。第7页，此课件共53页哦控制器(Controller)它相当于计算机的指挥中心，控制器的功能是使计算机能够自动执行程序，并控制各部件协调工作。即程序执行时，控制器按顺序先从存储器取出一条指令，并对指令进行分析，然后向有关部件发出控制命令，指挥他们完成各种操作。第8页，此课件共53页哦 存储器(Memory)它是用来存放大量程序或数
5、据的部件。包括数据、程序、指令、运算的中间数据及最后结果都存放在存储器中。输入设备(Input Device)输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式存放的存储器中。有哪些输入设备？第9页，此课件共53页哦 常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、触摸屏、光笔、磁盘机等。输出设备(Output Device)输出设备是用来将处理结果转变为人们或现场所能接受的形式。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、磁盘机等。4.名词术语 中央处理器(CPU)=运算器+控制器 主机=CPU+内部存储器 外部设备=输入设备+输出设备第10页，此课件共53页哦 计算机系统=
6、硬件系统+软件系统 硬件系统=各功能部件的集合 软件系统=各种程序和有关资料的集合运算器服务程序计算机系统软件系统软件应用软件控制器硬件主机外部设备外存储器中央处理器内存储器输入设备输出设备操作系统程序设计语言处理程序数据库管理系统第11页，此课件共53页哦系统总线微机的微机的CPUCPU由大规模集成电路实现，并集成在小硅片上，称为微处理器由大规模集成电路实现，并集成在小硅片上，称为微处理器(Micro-processor)(Micro-processor)。微型计算机内部连接方式采用总线结构，即各个部分通过一组公共的信号线联系，这组信号称为系统总线。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息
7、、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）地址总线AB（Address Bus）控制总线CB（Control Bus）第12页，此课件共53页哦数据总线DB用于传送数据和指令代码。数据总线是双向的，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或IO接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。第13页，此课件共53页哦地址总线AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或IO端口，所以地址总线总是单向
8、的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为21664KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2201MB。第14页，此课件共53页哦控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和IO接口电路的，如读写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。第15页，此课件共53页哦微型计算机系统主要技术
9、指标微型计算机系统主要技术指标字长字长表示CPU在一次操作中能处理的最大二进位数。字长越长，CPU可同时处理的数据位数就越多，功能就越强。时钟频率（主频）主频是指CPU的时钟频率，即CPU的工作频率。主频越高，单位时间内处理的指令越多，CPU的速度越快。指令执行速度MIPS（百万条指令/s）。第16页，此课件共53页哦3.2.3微处理器微处理器1.控制单元协调和控制中央处理器单元中的所有操作。微处理器具有控制单元和算术逻辑单元两个基本部件。运算器和控制器合在一起称为中央处理器运算器和控制器合在一起称为中央处理器(Central Processing Unit(Central Processin
10、g Unit，CPU)CPU)。微机的。微机的CPUCPU由大规模集成电路实现，并集成在小硅片上，称为微处理器由大规模集成电路实现，并集成在小硅片上，称为微处理器(Micro-processor)(Micro-processor)。第17页，此课件共53页哦2.寄存器寄存器是中央处理器内的组成部分，可用来暂存指令、数据和位址。专用寄存器：指令寄存器、地址寄存器；通用寄存器：在多种状态下使用。寄存器的功能十分重要，CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处理。用途：1.可将寄存器内的数据执行算术及逻辑运算；2.存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置，即寻址；3
11、.可以用来读写数据到电脑的周边设备。第18页，此课件共53页哦3.算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit-ALU)4.微处理器芯片运算器的运算包括算术运算和逻辑运算。运算器的运算包括算术运算和逻辑运算。算术运算指加、减、乘、除等算术操作；逻辑运算指逻辑乘（与）、算术运算指加、减、乘、除等算术操作；逻辑运算指逻辑乘（与）、逻辑加（或）等逻辑操作。逻辑加（或）等逻辑操作。指令和程序的概念指令和程序的概念 指令是计算机硬件可执行的、完成一个基本操作所发出的命令。指令是计算机硬件可执行的、完成一个基本操作所发出的命令。一台计算机的基本指令的集合称为该计算机的指令集。一台计算机的基本指
12、令的集合称为该计算机的指令集。程序是指用户根据某一问题的解决步骤，选用一条条指令进行有序程序是指用户根据某一问题的解决步骤，选用一条条指令进行有序排列的集合。排列的集合。第19页，此课件共53页哦一条指令由两部分组成：一条指令由两部分组成：指出应该执行什么操作；指出应该执行什么操作；指出操作作用的对象是谁。指出操作作用的对象是谁。一条指令是用一串二进制代码表示，它可分成两部分：一条指令是用一串二进制代码表示，它可分成两部分：操作码操作码 操作数操作数例如：学习例如：学习 同学们，计算机课程同学们，计算机课程CISC 复杂指令集计算机RISC 简化指令集计算机第20页，此课件共53页哦指令的执行
13、过程 计算机执行指令可分为两个阶段：一是将要执行的指令从内存取到CPU中；二是CPU对该指令进行分析译码，再向各部件发出完成该操作的控制信号。例如：要求计算简单算题5+4=?第21页，此课件共53页哦第22页，此课件共53页哦用二进制表示的计算程序用二进制表示的计算程序存储单元地址存储单元地址 存储单元内容存储单元内容00010001001000100011001101000100010101010110011001110111100010005 54 4计算结果计算结果取数指令取数指令加法指令加法指令存数指令存数指令打印输出指令打印输出指令存存储储器器布布局局第23页，此课件共53页哦四、信
14、息存储单位 1.位(bit)位是计算机存储信息的最小单位，表示一位二进制数据。2.字节(Byte,比特)字节是信息处理的基本单位，一个字节由八位二进制数组成，即1Byte=8bit。计算机存储器容量大小是以字节数来度量的，常用的单位有KB、MB或GB。第24页，此课件共53页哦 1KB=210=1024B 1MB=210210=10241024=1048576B 1GB=210210210=102410241024 =1073741824B 3.字(Word)字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节组成，字长越长，性能越强。常用的字长有8位、16位、3
15、2位、64位。第25页，此课件共53页哦1一张144MB的软磁盘，可存放多少字节的信息？1.44MB1.4410241024B1500000B 第26页，此课件共53页哦存储器1.存储器的分类存储器内部存储器（内存或主存）外部存储器（外存）内存主要用来存放计算机工作中正在运行的程序、数据等；外存则用来存放那些暂时不处理的信息ROM只读存储器RAM随机存储器第27页，此课件共53页哦内部存储器的分类ROM（READ Only Memory 只读存储器）主要用于存放系统程序，程序由厂家确定，断电后不会丢失，但用户只能对ROM进行读操作，不能进行写操作，非易失的存储媒体。RAM（Random Acc
16、ess Memory 随机读写存储器）允许用户随时对其进行读写操作，但当计算机发生断电时，存储在RAM中的全部信息会立即丢失，易失性。第28页，此课件共53页哦DRAM（DynamicRAM，动态随机存储器）一只单一的CMOS晶体管组成，通过存储电容器驱动。须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失；耗电量高。通常都用作计算机内的主存储器。SRAM（StaticRAM，静态随机存储器）静态，指的是内存里面的数据可以长驻其中而不需要随时进行存取。采用金属氧化物半导体技术，因为没有电容器，因此无须不断充电即可正常运作，因此它可以比一般的动态随机处理内存处理速度更快更稳定，往往用来做高速缓存。随机读写存
17、储器的分类第29页，此课件共53页哦L1高速缓存（cache）即一级高速缓存，一种具有很高速度的特殊内部存储器。主要目的在于提高计算机运行的速度。缓存技术就是采用速度较快但容量较小的存储器来提高速度较慢但容量较大的存储器的速度。使用缓存时，必须先查看缓存中是否有需要的项目。如果有，则称之为缓存命中。如果没有，则称之为缓存失误，这时计算机就必须等待往返一次读取庞大而又缓慢的存储器。最大的缓存也远远小于庞大的存储区。可以存在多级缓存。第30页，此课件共53页哦1.PROM（ProgrammableROM，可编程只读存储器）是一种可以用刻录机将资料写入的ROM内存，但只能写入一次，所以也被称为“一次
18、可编程只读存储器”(OneTimeProgarmmingROM，OTP-ROM)。只读存储器的分类第31页，此课件共53页哦2.EPROM（ErasableProgrammable，可擦可编程只读存储器）是一种具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程的ROM内存。3.EEPROM（ElectricallyErasableProgrammable，电可擦可编程只读存储器）功能与使用方式与EPROM一样，不同之处是清除数据的方式，它是以约20V的电压来进行清除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。第32页，此课件共53页哦互补金属氧化物半导体CMOS，全称Complementary Metal Oxi
19、de Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。它一般用来存储计算机系统每次开机时所需的重要信息，如计算机主存容量、键盘类型，鼠标、监视器以及磁盘驱动器的有关信息等与RAM比：关机存储信息不会丢失；与ROM比：存储内容随计算机系统配置的改变或用户的设置而发生变化。第33页，此课件共53页哦磁阻随机存取存储器（magnetic RAM，MRAM），非挥发性磁性随机存储器。非挥发性；随机存取，从内存任何部位读写信息；存储的数据具有永久性第34页，此课件共53页哦外存储器软磁盘 U盘 硬盘移动硬盘 光盘 第35页，此课件共53页哦硬盘移动硬盘作为计
20、算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB第36页，此课件共53页哦光盘的分类CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)称为只读式光盘，这是最常见、使用最广泛的一种光盘，主要是用来保存数字化资料，例如各种游戏、软件等。它具有容量大，价格十分低廉的优点。CD-R：CompactDisk-WriteOnce,ReadMany只能写一次，可以多次读出，但不能重写或修改。CD-RW,英文全称为：CompactDisk-ReWritable。为一种可以重复写入的光盘第37页，此课件共53页哦DVD的存储
21、方式主要有两种，即单面存储和双面存储，而且每一面还可以存储两层资料，其主要的存储方式有：单面单层(DVD-5)的存储容量为4.7GB、单面双层(DVD-9)的存储容量为8.5GB、双面单层(DVD-10)的存储容量为9.4GB、双面双层(DVD-18)的存储容量为17GB四种物理结构。DVD（DigitalVideoDisc即数字视频光盘）DVD-ROM只读光盘DVD-R一次性写入光盘DVD-RAMDVD-随机存取存储器 DVD-RW可重复写光盘第38页，此课件共53页哦光盘存储器的优点存储容量大；可靠性高；存取速度快。第39页，此课件共53页哦闪存和U盘闪存（Flash Memory）非易失
22、性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）电子可擦除只读存储器（EEPROM）闪存分类1）CompactFlash CF卡2)SmartMedia SM卡 3)Memory Stick 记忆棒4)U盘 第40页，此课件共53页哦存储器的层次结构存储器的层次结构第41页，此课件共53页哦内存与外存的区别 处理速度：内存快 外存慢存储容量：内存小 外存大 断电后：内存RAM中的信息丢失 外存中的信息不丢失 第42页，此课件共53页哦四、输入设备 输入是指将要进行处理的数据送入计算机的过程。输入设备是把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到内存中的设备。输入设备有以下几类：字符输入类：键盘
23、指点输入类：鼠标器、光笔、触摸屏 扫描输入类：扫描仪、条形码 语音输入类：IBM ViaVoice第43页，此课件共53页哦键盘输入键盘输入直接输入直接输入定点设备输入定点设备输入扫描设备输入扫描设备输入语音输入设备语音输入设备第44页，此课件共53页哦 1.键盘 Keyboard 键盘通过一根螺旋形电缆与主机相连，键盘内有一个单片机，它负责控制整个键盘的工作。当按下某个键时，单片机根据其位置，将该键的二进制代码送给计算机的主机，并将按键字符显示在显示器上。键盘的物理结构有三种形式：机械式键盘、薄膜式键盘和电容式键盘。键盘上键位的排列有一定规律，按其用途可分为四个区域。即打字机键区、功能键区、
24、全屏幕操作键区和小键盘区。第45页，此课件共53页哦键盘字母排列的由来键盘字母排列的由来键盘字母排列顺是按照字母使用频率的高低来排序的。有心的读者也许会感到奇怪：为什么要把26个字母作这种无规则的排列呢？既难记忆又难熟练。据说其原因是这样的：在19世纪70年代，肖尔斯公司是当时最大的专门生产打字机的厂家。由于当时机械工艺不够完善，使得字键在击打之后的弹回速度较慢，一旦打字员击键速度太快，就容易发生两个字键绞在一起的现象，必须用手很小心地把它们分开，从而严重影响了 打字速度。为此，公司时常收到客户的投诉。为了解决这个问题，设计师和工程师伤透了脑筋。后来，有 一位聪明的工程师提议：打字机绞键的原因
25、，一方面是字键弹回速度慢，另一方面也是打字员速度太快了。既然我们无法提高弹回速度，为什么不想办法降低打字速度呢？这无疑是一条新思路。降低打字员的速度有许多方法，最简单的方法就是打乱26个字母的排列顺序，把较常用的字母摆在笨拙的手指下，比如，字母O、S、A是使用频率很高的，却放在最笨拙的右手无名指、左手无名指和左手小指来击打。使用频率较低的V、J、U等字母却由最灵活的食指负责。结果，这种QWERTY式组合的键盘诞生了，并且逐渐定型。后来，由于材料工艺的发展，字键弹回速度远大于打字员击键速度，但键盘字母顺序却无法改动。至今出现过许多种更合理的字母顺序设计方案，但都无法推广，可知社会的习惯势力是多么
26、强大。第46页，此课件共53页哦 2.鼠标器 鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标器来完成。常用的鼠标器有以下两种：机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置来定位坐标点。鼠标器有两个键(左,右)或三个键(左,中,右),通常使用左边，根据不同的软件系统，右键的功能也不一样。第47页，此课件共53页哦扫描仪触摸屏第48页，此课件共53页哦五、输出设备 输出是指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。输出设备是把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。输出设备可分为四大类：显示器：字符方式,
27、图形方式 打印机：击打式,非击打式 绘图仪：平板式,滚筒式 语音输出系统：语音输出,音乐音响输出第49页，此课件共53页哦 1.显示器 显示器是用于显示输入的程序或数据以及程序的运行结果等。显示器的类型可分为：阴极射线显示器件(CRT):台式微机 液晶显示器件(LCD):便携式微机 发光二极管显示器件(LED):单板机 CRT显示器的尺寸用最大对角线表示，一般使用12、14英寸，15、17、20英寸为大屏幕显示器，用于图形处理。CRT显示器的工作原理与电视机的工作原理相同。第50页，此课件共53页哦 显示器的主要参数：分辨率：显示器分辨率是用图象元素(简称象素)来度量，它是指屏幕上水平方向象素
28、的数目乘上垂直方向象素的数目。例如：标准VGA的分辨率是1024*768。点距：点距是指某一荧光材料点与其上 下左右同一颜色的荧光点的最近距离。点距越小，图象越清晰。比如：0.26,0.28mm。扫描方式:它分为隔行扫描和逐行扫描。刷新频率：屏幕上的图像每秒钟出现的次数，它的单位是赫兹（Hz）。刷新频率越高，屏幕上图像闪烁感就越小，稳定性也就越高。第51页，此课件共53页哦 2.打印机 打印机是用于打印输出计算机的处理结果,产生计算机输出的硬拷贝,以便在计算机之外也可使用计算机的处理结果。打印机的类型可分为：热学打印机打印机接触式打印机非接触式打印机激光打印机喷墨打印机点阵打印机行式打印机菊花轮打印机第52页，此课件共53页哦第53页，此课件共53页哦