計算機組成與基本工作原理

計算機系統(tǒng)組成與基本工作原理

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)JohnvonNeumann馮諾依曼1949EDSAC一、計算機工作原理馮·諾依曼計算機——存儲程序工作原理計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。程序和指令指令是一組計算機能識別并能執(zhí)行的各種基本操作命令。所有的指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。程序是為完成某項工作而用某種計算機語言編寫的一組指令的集合。機器指令格式操作碼操作數(shù)機器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）PC+1計算機執(zhí)行指令的過程：將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存調(diào)入CPU，由CPU對該條指令進行分析譯碼，判斷該指令所要完成的操作，然后向相應(yīng)部件發(fā)出完成操作的控制信號，從而完成該指令的功能。程序的執(zhí)行過程：

CPU從內(nèi)存中讀取一條指令到CPU內(nèi)執(zhí)行，該指令執(zhí)行完，再從內(nèi)存讀取下一條指令到CPU內(nèi)執(zhí)行。CPU不斷地讀取指令、執(zhí)行指令，直至執(zhí)行完所有的指令。整個過程由計算機協(xié)同操作完成。計算機工作原理二、計算機硬件系統(tǒng)一臺計算機應(yīng)由五個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。這五大部分通過系統(tǒng)總線完成指令所傳達的操作。計算機硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)微型計算機的硬件組成主機是包含電源、存儲設(shè)備和電路板的機箱，其中電路板上有計算機的主處理器和內(nèi)存。顯示器是計算機的主要輸出設(shè)備，它將來自計算機顯卡的電信號轉(zhuǎn)換為屏幕上的彩色亮點，從而形成圖像。硬盤驅(qū)動器一般安裝在系統(tǒng)單元內(nèi)，當其工作時，機箱上的指示燈會亮。軟盤驅(qū)動器將數(shù)據(jù)寫到軟盤上，當其工作時，其指示燈就亮，警告用戶此時不要取出軟盤。CD-ROM和DVD驅(qū)動器采用激光技術(shù)從光盤上讀取數(shù)據(jù)。鼠標是一種輸入指示設(shè)備，幫助用戶操作對象并選擇菜單項。鍵盤作為多數(shù)計算機的主要輸入設(shè)備。聲卡位于系統(tǒng)單元內(nèi)，提供到揚聲器、麥克風(fēng)和耳機的連接。1、主機主機是計算機系統(tǒng)的核心，主要由中央處理器（CPU）、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備接口（I/O接口）、總線和擴展槽等構(gòu)成，通常被封裝在主機箱內(nèi)。主機機箱外觀圖（1）主板主板(MotherBoard,mainBoard,SystemBoard)是微型計算機中最大的一塊集成電路板，是其它部件和外部設(shè)備的連接載體。（2）中央處理器中央處理器CPU（CentralProcessingUnit）又稱中央處理單元。CPU由控制器和運算器組成，通常集中在一塊芯片上，是計算機系統(tǒng)的核心設(shè)備。計算機以CPU為中心，輸入和輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸和處理都通過CPU來控制執(zhí)行。

中央處理器組成之

控制器控制器是對輸入的指令進行分析，并統(tǒng)一控制計算機的各個部件完成一定的任務(wù)的部件。它一般由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。運算器運算器又稱算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）。運算器的主要任務(wù)是執(zhí)行各種算術(shù)運算和邏輯運算。計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的，根據(jù)指令所規(guī)定的尋址方式，運算器從存儲器或寄存器中取得操作數(shù)，進行計算后，送回到指令所指定的寄存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個寄存器，加法器用于運算，寄存器用于存儲參加運算的各種數(shù)據(jù)以及運算后的結(jié)果。

中央處理器CPUCPU是計算機的心臟，用來實現(xiàn)程序控制功能（自動從內(nèi)存中讀入指令和自動執(zhí)行指令）。CPU結(jié)構(gòu)示意圖地址總線標志寄存器指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC數(shù)據(jù)總線控制總線ALU存儲器是一種具有保存和存取信息（程序、數(shù)據(jù)）的設(shè)備/器件，是計算機系統(tǒng)不可或缺的資源。現(xiàn)代微型計算機的存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

高速緩存--主存--外存為什么采用這種結(jié)構(gòu)？指令執(zhí)行速度依賴于內(nèi)存讀寫速度高速CPU需配置高速內(nèi)存大軟件需配置大容量內(nèi)存

高速度低成本大容量（3）存儲器與存儲系統(tǒng)矛盾CPU高速緩存M1M2...Mn外存2外存1...外存n主存外存寄存器SRAMDRAM硬盤、光盤、U盤等

信息的存儲單位位（Bit）：度量數(shù)據(jù)的最小單位字節(jié)（Byte）：最常用的基本單位K字節(jié) 1K=1024byteM（兆）字節(jié) 1M=1024KG（吉）字節(jié) 1G=1024M

T（太）字節(jié) 1T=1024Gb7b6b5b4b3b2b1b010010101=27+24+22+20=149

認識計算機內(nèi)存與處理器直接相連的存放數(shù)據(jù)的器件稱為內(nèi)存，不直接與處理器相連的介質(zhì)如磁盤稱為外存。隨機存取存儲器RAM存放操作系統(tǒng)指令、軟件指令、處理數(shù)據(jù)，分為DRAM和SRAM。特點：可以讀寫，存取任一單元所需的時間相同，通電時存儲器內(nèi)的內(nèi)容可以保持，斷電后，存儲的內(nèi)容立即消失。虛擬內(nèi)存計算機使用磁盤空間來模擬內(nèi)存的能力只讀存儲器ROM存放系統(tǒng)初始化程序、操作系統(tǒng)引入程序、多種硬件驅(qū)動程序等。特點：只能讀出原有的內(nèi)容，不能由用戶再寫入新內(nèi)容。原來存儲的內(nèi)容是由廠家一次性寫入的，并永久保存下來。CMOS存儲器存放計算機的配置信息，如日期和時間、硬盤容量、RAM容量等。

認識計算機外存CD-ROM光驅(qū)數(shù)據(jù)傳輸速率（Sustaineddatatransferrate）是CD-ROM光驅(qū)最基本的性能指標，它是指CD-ROM光驅(qū)在1秒的時間內(nèi)所能讀取的最大數(shù)據(jù)量。平均訪問時間（Averageaccesstime）又稱“平均尋道時間”是指CD-ROM光驅(qū)的激光頭從原來的位置移動到一個新指定的目標（光盤的數(shù)據(jù)扇區(qū)）位置并開始讀取該扇區(qū)上的數(shù)據(jù)這個過程中所花費的時間。CPU占用時間（CPUloading）指CD-ROM光驅(qū)在維持一定的轉(zhuǎn)速和數(shù)據(jù)傳輸速率時所占用CPU的時間。DVD-ROMDVD-ROM是CD-ROM的后繼產(chǎn)品，DVD-ROM盤片的尺寸與CD-ROM盤片完全一致。但不同的是DVD盤光道之間的間距由原來的1.6um縮小至0.74um，而記錄信息的最小凹凸坑長度由原來的0.83um縮小到0.4um。這直接導(dǎo)致了單面單層的DVD盤的存儲容量可提高至4.7GB，是CD-ROM的7倍，而且DVD驅(qū)動器具有向下的兼容性，即也可以讀取CD-ROM的光盤。

U盤Flash存儲設(shè)備是一種非易失性半導(dǎo)體移動存儲器。它通過USB接口與計算機交換數(shù)據(jù)，通常被稱為“優(yōu)盤”，又稱為“閃存盤”。優(yōu)盤具有即插即用的特點。用戶只需將它插入USB接口，計算機就可以實現(xiàn)自動檢測，在讀寫數(shù)據(jù)方面非常方便。由于優(yōu)盤具有存儲容量大、抗震、價格便宜、便于攜帶等諸多優(yōu)點，故而已經(jīng)取代軟盤成為最常用的移動存儲設(shè)備。目前優(yōu)盤的存儲容量已經(jīng)達到4GB以上，一般都可重復(fù)擦寫百萬次以上。輸入設(shè)備輸入設(shè)備是用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們變?yōu)橛嬎銠C能識別的二進制數(shù)存放到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設(shè)備輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機等。微機顯示系統(tǒng)由顯示器和顯示控制適配卡（Adapter，簡稱顯示適配卡或顯示卡）組成。顯示器顯示器又稱監(jiān)視器（Monitor），是微機系統(tǒng)的標準輸出設(shè)備，它能快速地將計算機輸入的原始信息和運算結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成人能直接觀察和閱讀的光信號，輸出信息可以是字符、漢字、圖形或圖像。按所使用的器件，顯示器可分為以陰極射線管為核心的CRT顯示器與平板顯示器。顯示器的主要技術(shù)指標：像素、點距和分辨率、掃描方式。顯示卡顯示適配器簡稱顯示卡。一般插在主板的擴展槽內(nèi)，通過總線與CPU相連。當CPU有運算結(jié)果或圖形要顯示的時，將信號送顯示卡，由顯示卡的圖形處理芯片把它們翻譯成顯示器能夠識別的數(shù)據(jù)格式，并通過顯示卡后面的一根15芯VGA接口和顯示電纜傳給顯示器。顯示器屏幕表現(xiàn)的分辨率和色彩總數(shù)與顯示卡有關(guān)。顯示卡必須有顯示存儲器（VRAM），顯存越大，所能顯示的色彩越豐富，分辨率就越高。例如：8bit可顯示256色；24bit可顯示l6.7兆顏色。顯卡顏色設(shè)置：16色、256色、增強色（16位）、真彩色（24位）和最高（32位）。打印機打印機是常用的輸出設(shè)備，一般有三種：針式（點陣）打印機、噴墨打印機、激光打印機。從價格性能比來看，市場中噴墨打印機使用比較普及。分辨率:DPI（DotPerInch每英寸可打印的點數(shù)）是衡量打印質(zhì)量的一個重要標準，也是一個最為基本的判斷打印機分辨率的指標。300DPI是人眼能否辨別輸出文本圖像鋸齒邊緣的臨界點。

總線總線是微機中各功能部件之間通信的信息通路，主要由地址、數(shù)據(jù)和控制三大總線組成，每種總線都由若干根信號線（總線寬度）構(gòu)成。存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU三大總線計算機工作原理

接口微型機通過I/O（輸入和輸出）與外部交換信息，完成實際工作任務(wù)。與CPU相比，I/O設(shè)備的工作速度較低，處理的信息從數(shù)據(jù)格式到邏輯時序一般不可能直接兼容。鑒于此，微型計算機與I/O設(shè)備間的連接與信息交換不能直接進行，而必須設(shè)計一個“接口電路”作為兩者之間的橋梁。這種I/O接口電路又叫“I/O適配器”(I/OAdapter)。

微機結(jié)構(gòu)示意圖微機的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成；輸入/輸出設(shè)備通過I/O接口與系統(tǒng)相連；各部件通過總線連接。存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU

計算機的工作原理計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”CPU總線內(nèi)存標志寄存器地址總線

AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線

DB控制總線

CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、、、指令寄存器數(shù)據(jù)暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器PC軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動實用工具編譯系統(tǒng)文字處理電子表格演示軟件圖形軟件視頻軟件…………上網(wǎng)軟件學(xué)習(xí)課件娛樂軟件商務(wù)軟件系統(tǒng)軟件協(xié)助計算機執(zhí)行基本任務(wù)。應(yīng)用軟件協(xié)助人們完成某項任務(wù)。計算機軟件概述三、計算機軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)最基本的系統(tǒng)軟件，其它的所有軟件都是建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。實用工具用來提供一種讓計算機用戶控制分配和使用計算機資源的方法，以增強操作系統(tǒng)的功能。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序告訴計算機中的操作系統(tǒng)如何使用某一硬件。即插即用一項用于自動處理PC機硬件設(shè)備安裝的工業(yè)標準。編譯器編譯器是程序員將高級語言編寫的指令翻譯成可以在計算機上執(zhí)行的代碼的軟件開發(fā)工具，它的特點是目標語言比源語言低級。計算機軟件概述

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理計算機硬件資源并且管理其上的信息資源（程序和數(shù)據(jù)），此外還要支持計算機上各種硬軟件之間的運行和相互通信。。LinuxMacOSUNIX管家婆

管理硬件資源

協(xié)調(diào)后臺工作服務(wù)生

提供用戶與計算

機的交互接口WindowsOS/2計算機軟件概述語言處理系統(tǒng)計算機的控制裝置能夠直接識別的指令是用機器語言編寫的。實際上，絕大多數(shù)用戶都使用某種程序設(shè)計語言，如VisualBASIC、Ｃ++、Delphi等來編寫程序。但是用這些語言編寫的程序CPU是不認識的，必須要經(jīng)過翻譯變成機器指令后才能被計算機執(zhí)行。而負責(zé)這種翻譯的程序稱為編譯程序（編譯系統(tǒng)）或解釋程序。為了在計算機上執(zhí)行由某種程序設(shè)計語言編寫的程序，就必須配置有該種語言的語言處理系統(tǒng)。計算機語言一般分為3類：機器語言、匯編語言和高級語言。計算機語言機器語言電子計算機所使用的是由“0”和“1”組成的二進制數(shù)，二進制是計算機的語言的基礎(chǔ)。機器語言修改麻煩，可移植性差、但運算效率高。匯編語言語言為了減輕使用機器語言編程的痛苦，人們進行了一種有益的改進：用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定的指令的二進制串，比如，用“ADD”代表加法，“MOV”代表數(shù)據(jù)傳遞等等，這種程序設(shè)計語言就稱為匯編語言。匯編語言容易讀懂、方便糾錯及維護、移植性不好、但效率仍十分高。高級語言接近于數(shù)學(xué)語言或人的自然語言，同時又不依賴于計算機硬件，編出的程序能在所有機器上通用。使用較普遍的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、BASIC、LISP、SNOBOL、PL/1、Pascal、C、PROLOG、Ada、C++、VC、VB、Delphi、JAVA等。連接程序源程序連接成可執(zhí)行程序的過程診斷程序診斷程序是專門用于計算機硬件性能測試和系統(tǒng)故障的診斷維護的系統(tǒng)程序。如能對CPU、驅(qū)動器、接口、內(nèi)存等設(shè)備的性能和故障進行檢測。常用的診斷軟件有QAPLUS、WINBENCH、MSD等。編譯或解釋鏈接編輯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是當前計算機應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。計算機的效率主要是指數(shù)據(jù)處理的效率。有組織地、動態(tài)地存儲大量的數(shù)據(jù)信息，而且又要使用戶能方便、高效地使用這些數(shù)據(jù)信息，是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能。應(yīng)用較多的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Oracle、Informix、Sybase、SQLServer、DB2、Access等。

用戶不必了解它的文件的存儲細節(jié)，可以抽象地、邏輯地使用數(shù)據(jù)，其一切繁瑣的存儲細節(jié)由一個軟件系統(tǒng)來完成，這個軟件系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS（DatabaseManagementSystems）組織數(shù)據(jù)的方式稱為數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)模型一般有三種：層次型（采用樹型結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）、網(wǎng)狀型（采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）、關(guān)系型（采用二維關(guān)系表格形式組織數(shù)據(jù)）。應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是計算機系統(tǒng)支持下的所有面對實際問題和具體用戶群的應(yīng)用程序的總合。如科學(xué)計算、工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理、過程控制