《大學計算機》第1章 計算機概論

第1章計算機系統(tǒng)

1.1學習內(nèi)容計算機系統(tǒng)1.2微機系統(tǒng)1.1計算機系統(tǒng)一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。二者相輔相成，缺一不可。軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)341計算機硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備存儲器運算器控制器輸出設(shè)備運算器（ALU）又稱算術(shù)邏輯部件，是計算機用來進行數(shù)據(jù)運算的部件?？刂破鳎–ontroller）是計算機的指揮中心，控制其他部件完成指令要求的操作。運算器和控制器制作在一個芯片上，稱為中央處理器（CPU）存儲器（Memory）是用來存放程序或數(shù)據(jù)的部件。內(nèi)存儲器外存儲器內(nèi)存儲器又稱主存儲器，簡稱內(nèi)存或主存。按其功能和存儲信息的原理又可分為隨機存儲器和只讀存儲器。外存儲器（AuxiliaryMemory）又稱輔助存儲器，簡稱外存或輔存。輸入設(shè)備是用來輸入程序和數(shù)據(jù)的部件。常見的有：鍵盤、鼠標、掃描儀、麥克風及攝像頭等。輸出設(shè)備是用來輸出部件。常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機、音箱、耳機以及投影儀等。主機外部設(shè)備硬件系統(tǒng)53計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件計算機軟件是為運行、管理和維護計算機而編制的各種程序、數(shù)據(jù)和文檔的總稱。系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序診斷程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)辦公軟件音視頻軟件其他軟件系統(tǒng)軟件是控制計算機系統(tǒng)并協(xié)調(diào)管理軟硬件資源的程序，是支持應用軟件的平臺。操作系統(tǒng)是控制和管理計算機硬件和軟件資源，直接運行在裸機上的最基本的系統(tǒng)軟件。語言處理程序一般是由匯編程序、編譯程序、解釋程序和相應的操作程序等組成。數(shù)據(jù)庫是計算機軟件系統(tǒng)的一個重要組成部分，是人們有效地進行數(shù)據(jù)存儲、共享和處理的工具。診斷程序是專門用于計算機硬件性能測試和系統(tǒng)故障診斷維護的系統(tǒng)程序，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。應用軟件是利用計算機的軟、硬件資源為某一方面的應用目的而開發(fā)的軟件。常見的辦公軟件有MicrosoftOffice、金山WPS等常見的音視頻軟件有WindowsMediaPlayer、RealPlayer、酷狗音樂等即時通訊、網(wǎng)頁瀏覽器、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造及計算機輔助教學等。軟件程序數(shù)據(jù)文檔=++8基本概念指令：是能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，它規(guī)定計算機能完成的某一基本操作。指令操作碼操作數(shù)（地址碼）操作碼就是要告訴計算機要進行什么操作，如加、減、乘、除等。操作數(shù)指明參與操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)存放的位置。指令與程序

不同型號的CPU都有自己的一些能執(zhí)行各種不同指令的集合，包含該類計算機能完成的各種類型的基本操作，叫做指令系統(tǒng)。指令種類的多少、內(nèi)容格式均有所不同，一臺機器指令系統(tǒng)的完善和齊全程度能反映這臺機器功能的水平和強弱。指令系統(tǒng)

地址地址：整個內(nèi)存被分成若干個存儲單元，每個單元都給出了一個唯一的編號來標識，即地址?！瓋?nèi)存單元0X3D48245A0X3D48245B內(nèi)存地址0X3D48245C0X3D48245D0X3D48245E0X3D48245F0X3D482459程序：是為實現(xiàn)特定目標或解決特定問題而用計算機語言編寫的指令序列。程序

編程：從其指令系統(tǒng)中選取實現(xiàn)上述基本操作的指令，并表示成機器能夠執(zhí)行的二進制編碼形式。

不同種類計算機的指令系統(tǒng)不同，所以，執(zhí)行同一操作的指令也不一定相同。

所以使用某種機器指令系統(tǒng)編寫的程序一般不能在其它機器指令系統(tǒng)中運行。

例如，加法運算在下面三種微機處理器中的指令分別是：8086微處理器的指令為00000011000100;Z80微處理器的指令為:11000110;6502微處理器的指令為:01101101。算機工作原理計7計算機工作的核心思想是存儲程序和程序控制。11馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼是美籍匈牙利數(shù)學家，

1946提出了關(guān)于計算機組成和工作方式的基本設(shè)想，被公認為現(xiàn)代電子計算機之父。1計算機硬件系統(tǒng)由五大部件構(gòu)成2計算機內(nèi)部應采用二進制表示程序和數(shù)據(jù)3存儲程序和程序控制馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)

程序執(zhí)行過程1.通過輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)2.控制器向輸入設(shè)備發(fā)出命令將數(shù)據(jù)存入存儲器3.控制器向存儲器發(fā)出取指命令4.程序指令逐條送入控制器，控制器對其中的指令進行譯碼5.控制器向存儲器發(fā)出取數(shù)命令，將數(shù)據(jù)送入運算器6.控制器向運算器發(fā)出運算命令，運算器執(zhí)行運算，計算出結(jié)果7.運算器把運算結(jié)果存入存儲器8.控制器向存儲器發(fā)出取數(shù)命令，將數(shù)據(jù)輸向輸出設(shè)備9.控制器向輸出設(shè)備發(fā)出輸出命令輸出計算結(jié)果命令數(shù)據(jù)2、程序設(shè)計語言

?程序設(shè)計語言是指用來編制和設(shè)計程序所使用的計算機語言，是人和計算機之間交換信息所用的一種工具。

程序設(shè)計語言分為

低級語言（面向機器的語言）和高級語言（面向問題或面向?qū)ο蟮恼Z言），而低級語言

通常有機器語言和匯編語言兩種，高級語言有多種類型。⑴低級語言機器語言是計算機能夠直接接受和識別的一種計算機程序設(shè)計語言，它用一組二進制代碼（機器指令)來指揮計算機進行工作。用機器指令編寫的程序叫機器語言程序或目標程序。由于計算機能夠直接執(zhí)行語言，所以計算機執(zhí)行機器語言程序的速度快。①機器語言通常把一種微處理器所能識別和執(zhí)行的全部指令的集合稱為指令系統(tǒng)或指令集。不同型號的微處理器有不同的指令系統(tǒng)。由于微型計算機微處理器的型號很多，不同型號的微處理器，執(zhí)行同一操作的機器指令各不相同。機器語言是直接面向具體的機器結(jié)構(gòu)，因此，機器語言的通用性較差。②匯編語言用機器語言編寫的程序，每條指令都是由0或1組成的的二進制代碼，編寫程序困難，出錯率高。為了簡化這種過程，給機器語言指令賦予一個具有相應意義的英文縮寫字母組成的助記符，叫匯編指令。記憶和使用這些匯編指令要比記憶機器語言指令容易得多、方便得多。用匯編指令編寫的程序就叫匯編語言程序或匯編語言源程序。如用ADD表示加法（add)，用SUB表示減法（substract)等等。匯編語言的通用性較機器語言有所增強。匯編語言雖然具有一定的通用性，用匯編語言編寫程序也比用機器語言編寫程序更為簡化。但是，匯編語言仍然不能脫離具體的機器結(jié)構(gòu)，不同型號的微處理器執(zhí)行同一操作的匯編指令不完全相同。計算機不能直接執(zhí)行匯編語言，必須把匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成機器語言程序(目標程序)才能被計算機執(zhí)行。匯編語言源程序機器語言程序匯編⑵高級語言高級語言是在低級語言的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展起來的一種通用性很強、使用簡便的計算機程序設(shè)計語言。它用英文單詞作為語言中的指令(稱為程序語句)，記憶和使用這些指令較為方便，根據(jù)這些指令所要求的格式編寫程序，可以大大提高編程速度。高級語言是一種較為理想的開發(fā)應用軟件。用高級語言編寫的程序叫高級語言程序或高級語言源程序。高級語言源程序機器語言程序編譯程序/解釋程序

應用范圍較廣的高級語言有BASIC語言、COBOL語言、FORTRAN語言、PASCAL語言和C語言等。BASIC語言最適合初學者的編程語言，有較強的數(shù)值計算、字符處理、圖形聲音處理功能，編程過程比較簡單。BASIC語言是開發(fā)中小型程序的優(yōu)選語言。COBOL語言稱為通用面向商業(yè)語言，是一種主要用于商業(yè)數(shù)據(jù)處理的高級程序設(shè)計語言，適合于編寫商務管理程序。FORTRAN語言稱為科學計算語言，數(shù)值處理、計算能力最強，常用于科學計算領(lǐng)域。PASCAL語言稱為教學語言，具有嚴謹?shù)恼Z法結(jié)構(gòu)和較強的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能力，支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。C語言稱為編程語言，具有PASCAL語言的特點，能直接參與計算機硬、軟件的基本接口，編程效率高，運行速度快，向上可作為高級語言使用，向下可類似匯編語言用于系統(tǒng)編程，因此，使用C語言的用戶越來越多。

上一頁下一頁⑶源程序以及源程序的編譯與解釋的概念

由于計算機只能直接執(zhí)行機器語言，不能直接執(zhí)行高級語言，故計算機在執(zhí)行高級語言時，還必須進行加工處理。其加工處理方法有解釋方法和編譯方法。編譯程序/解釋程序目標程序源程序上一頁下一頁

解釋方法：逐條讀出、解釋并執(zhí)行程序語句。每讀出一條程序語句，首先由專門的解釋程序把它轉(zhuǎn)換為機器語言指令，然后再執(zhí)行轉(zhuǎn)換得到的機器指令。這種方法的執(zhí)行速度較慢，但便于修改程序中的錯誤，很適合于初學者使用。BASIC語言采用的就是這種方法。

編譯方法：通過專門的編譯程序把編寫好的高級語言程序轉(zhuǎn)換為機器語言程序(目標程序)，由計算機直接執(zhí)行機器語言的目標程序。這種方法與上述方法相比，執(zhí)行速度快，但是修改程序中的錯誤時較為繁瑣。FORTRAN語言、PASCAL語言和C語言等采用的都是這種方法。

※雖然各種語言都有各自的特點和主要應用環(huán)境，但要完成某一種特定的功能，用不同的語言都可以實現(xiàn)，差別僅在于程序設(shè)計的難易程度。因此在不同應用場合中，應該有針對性地選用一種程序設(shè)計語言，以發(fā)揮其特長。下圖表示了匯編及編譯過程。匯編語言源程序機器語言目標程序匯編（匯編）高級語言源程序機器語言目標程序編譯程序/解釋程序（編譯/解釋）匯編及編譯過程計算機硬件系統(tǒng)組成：存儲器數(shù)據(jù)流控制流運算器外存儲器輸出設(shè)備內(nèi)存儲器輸入設(shè)備控制器2.微型計算機——硬件系統(tǒng)的組成運算器寄存器控制器數(shù)據(jù)路徑控制路徑CPU內(nèi)部總線中央處理器結(jié)構(gòu)主要功能：控制計算機的操作和處理數(shù)據(jù)。組成：由控制器、運算器、寄存器、及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的CPU總線組成。中央處理器（CPU）2.微型計算機——主機系統(tǒng)即CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPUClockSpeed）。其相應的單位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。什么是主板主板的主要功能主板主要部件主板是維系CPU與外部設(shè)備之間協(xié)同工作的重要部件，是支撐并連接主機內(nèi)其它部件的一個平臺，也是微機系統(tǒng)中最大的一塊電路板。提供安裝CPU、內(nèi)存和各種功能卡的插座；為各種常用外部設(shè)備提供通用接口。

芯片組擴展槽輸入/輸出接口（I/O接口）基本輸入輸出BIOS和CMOS主板2.微型計算機——主機系統(tǒng)外設(shè)接口CPU插座內(nèi)存插槽芯片組(北橋)總線擴展槽硬盤接口芯片組(南橋)典型主板示例2.微型計算機——主機系統(tǒng)鍵盤鼠標USB并行口串行口網(wǎng)絡接口1394接口音頻接口典型主板接口示例2.微型計算機——主機系統(tǒng)總線（bus）：是一組連接各個部件的公共通信線路，即兩個或多個設(shè)備之間進行通信的路徑，是一種可被共享的傳輸媒介?？偩€分類：數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）控制總線（CB）總線2.微型計算機——主機系統(tǒng)

為便于不同廠家生產(chǎn)的材料能靈活構(gòu)成系統(tǒng)形成了總線標準。正式公布的標準：由IEEE(電氣電子工程師學會)或CCITT(國際電報電話咨詢委員會)等國際組織正式確定和承認，有嚴格定義。實際的工業(yè)標準：由某一廠家提出，而又得到其他廠家廣泛使用，這種標準可能還沒有經(jīng)過正式、嚴格的定義，經(jīng)過一段時間后而被確定為正式標準。流行的總線和接口標準總線性能的改善對提高計算機的總體性能有極大地影響?，F(xiàn)常見有PCI、PCI-E、AGP、USB、IEEE1394等?？偩€標準2.微型計算機——主機系統(tǒng)存儲器（Memory）

存儲器，是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中的全部信息，包括輸入的數(shù)據(jù)、運行的程序、運算的中間結(jié)果和最終結(jié)果都保存在存儲器中。存儲器的特性：（1）存儲器是計算機中信息存儲的核心。程序存儲功能由存儲器來承擔；（2）內(nèi)存是CPU與外界進行數(shù)據(jù)交換的窗口，CPU所執(zhí)行的程序和所涉及的數(shù)據(jù)都由內(nèi)存直接提供。CPU可以對內(nèi)存進行直接讀操作和寫操作；（3）外存可以保存大量的程序和數(shù)據(jù)。

2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

主存儲器主存儲器指的是計算機中存儲正處在運行中的程序和數(shù)據(jù)(或一部分)的部件，通過地址、數(shù)據(jù)、控制三類總線與CPU等其他部件連通。組成：（1）隨機存取存儲器（Random-AccessMemory，簡稱RAM）（2）只讀存儲器（Read-OnlyMemory，簡稱ROM）2.微型計算機——存儲系統(tǒng)（1）隨機存取存儲器——RAM

RAM元件可以分為靜態(tài)（SRAM）和動態(tài)（DRAM）兩種。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)SRAM讀寫速度高而成本也高，DRAM比SRAM集成度高、功耗低，從而成本也低，適于作大容量存儲器。所以主內(nèi)存通常采用DRAM，而高速緩沖存儲器（Cache）則使用SRAM。（2）只讀存儲器（Read-OnlyMemory，簡稱ROM）

是一種在機器運行過程中只能讀出、不能寫入信息的存儲器，在沒有電源供電的情況下，其存儲的信息也能長期保存。

主要用于存儲器經(jīng)常要用的一些固定信息。ROM在計算機中主要用來保存出廠的一些固定設(shè)置和系統(tǒng)硬件引導程序，即通常所謂BIOS，ROM技術(shù)也用于一些固件產(chǎn)品中。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

根據(jù)物理特性可將ROM分為如下幾類：

MROM——采用二次光刻掩膜工藝一次制成，制成后內(nèi)容不可改變

PROM——可以根據(jù)需要寫入數(shù)據(jù)的器件，一旦寫入數(shù)據(jù)就固定下來，不能再改變。

EPROM——一種可改寫的ROM，可以對其內(nèi)容進行多次改寫，所以叫可擦除可編程ROM

高速緩沖存儲器（Cache）Cache概念：①CPU與主存儲器之間的一種高速緩沖裝置②Cache-主存層次結(jié)構(gòu)：由硬件變換地址和控制調(diào)度。Cache的特點：①位于CPU與主存之間，是存儲器層次結(jié)構(gòu)中級別最高的一級；②容量比主存小，目前一般有數(shù)KB到數(shù)MB；③速度比主存快5－10倍,通常由存儲速度高的雙極型三極管或SRAM組成；④其容量是主存的部分副本；⑤其用途可用來存放指令，也可用來存放數(shù)據(jù)；⑥快存的功能全部由硬件實現(xiàn)，并對程序員透明。Cache的基本組成Cache存儲器Cache控制器2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

高速緩沖存儲器（Cache）：Cache的工作原理：

1、Cache以塊為單位進行操作

2、當CPU發(fā)出訪內(nèi)操作請求后，首先由Cache控制器判斷當前請求的字是否在Cache中，若在，叫命中，否則，不命中

3、

若命中：若是“讀”請求，則直接對Cache讀，與主存無關(guān)若是“寫”請求：Cache單元與主存單元同時寫（Writethrough寫）只更新Cache單元并加標記，移出時修改主存（寫回Copyback）只寫入主存，并在Cache中加標記，下次從MM讀出，保證正確。

4、未命中時：若是“讀”請求，則從主存讀出所需字送CPU，且把含該字的一塊送Cache，稱“裝入通過”，若Cache已滿，置換算法；若是“寫”請求，直接寫入主存。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

輔助存儲器輔助存儲器是主存儲器的后援存儲設(shè)備，用以存放當前暫時不用的程序或數(shù)據(jù)。對輔助存儲器的基本要求是：1、存儲密度高，記錄容量大，每位價格低；2、記錄介質(zhì)可以重復使用；3、記錄信息可長時間保存而不致丟失；4、非破壞性讀出，讀出時不需再生信息；5、存取速度較低，機械結(jié)構(gòu)復雜，對工作環(huán)境要求較嚴。輔助存儲器的主要形式：①磁盤存儲器；②光盤存儲器；③磁帶存儲器；④光磁盤存儲器；⑤閃存（Flash）；2.微型計算機——存儲系統(tǒng)一些典型的輔助存儲器

光盤軟盤閃存硬盤2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

磁盤存儲器磁盤存儲器原理：采用磁記錄方式進行信息記錄，磁記錄方式是一種編碼方法，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成磁化單元進行存儲。磁盤存儲器的基本特點是：1、存儲密度高，記錄容量大，每位價格低；2、記錄介質(zhì)可以重復使用；3、記錄信息可長時間保存而不致丟失；4、非破壞性讀出，讀出時不需再生信息；5、存取速度較低，機械結(jié)構(gòu)復雜，對工作環(huán)境要求較嚴。磁盤存儲器的主要形式：1、軟磁盤；2、硬磁盤；2.微型計算機——存儲系統(tǒng)一些典型的磁盤存儲器

硬磁盤磁盤陣列2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

光盤存儲器

光盤（OpticalDisk）是利用光學原理讀寫信息的存儲器。光盤存儲器的基本特點是：1、存儲密度高，記錄容量大；2、存取速度快；3、介質(zhì)壽命長；4、記錄的信息不易受干擾；5、能夠進行非接觸讀寫和高速隨機存取。

2.微型計算機——存儲系統(tǒng)光盤存儲器主要形式：只讀式光盤只讀式光盤（ReadOnly）：盤片由廠家預先寫入數(shù)據(jù)或程序，出廠后用戶只能讀取，不能寫入和修改。只寫一次光盤只寫一次光盤（WriteOnceOnly）：可以由用戶寫入信息，不過只能寫一次，寫入后不能修改，可以多次讀出，相當于PROM。在盤片上留有空白區(qū)，可以把要修改和重寫的的數(shù)據(jù)追記在空白區(qū)內(nèi)?？砷邔懯焦獗P可檫寫式光盤（Rewriteable）：利用磁光效應存取信息，采用特殊的磁性薄膜作記錄介質(zhì)，用激光束來記錄、再現(xiàn)和刪除信息，又稱為磁光盤，類似于磁盤，可以重復讀寫。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

閃存

閃存（FlashMemory）是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息）的電子器件存儲器。其數(shù)據(jù)刪除不是以單個的字節(jié)為單位而是以一定大小的區(qū)塊為單位，區(qū)塊大小一般為256KB到20MB不等。閃存是電子可擦除只讀存儲器（EEPROM）的發(fā)展，與EEPROM不同的是，閃存在進行刪除或重寫操作時不需要整個芯片擦寫，這樣閃存比EEPROM更新速度快。

閃存的基本特點是：1、存儲密度高，記錄容量一般；2、存取速度快于光盤和磁盤；3、介質(zhì)壽命長；4、抗震動、體積小、功耗低

；5、單位存儲單元成本高，價格昂貴。

2.微型計算機——存儲系統(tǒng)一些典型的閃存產(chǎn)品

SD卡SM卡CF卡記憶棒XD卡2.微型計算機——存儲系統(tǒng)

多級存儲系統(tǒng)選用生產(chǎn)與運行成本不同的、存儲容量不同的、讀寫速度不同的多種存儲介質(zhì)，組成一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)，稱為多級存儲系統(tǒng)。多級存儲體系是當前解決存儲器性能與需求矛盾的最理想的技術(shù)途徑。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)寄存器組外存儲器（硬盤、光盤、U盤等）Cache（靜態(tài)隨機存儲器SRAM）CPU內(nèi)部容量越來越大，價格越來越便宜，速度越來越慢訪問速度越來越快內(nèi)存儲器（動態(tài)隨機存儲器DRAM）存儲系統(tǒng)中各存儲器的層次關(guān)系2.微型計算機——存儲系統(tǒng)多級存儲系統(tǒng)的特性：

（1）在存儲器體系結(jié)構(gòu)中，各層之間的信息調(diào)度由輔助硬件或軟件直接完成；（2）存儲體系結(jié)構(gòu)能發(fā)揮整個存儲系統(tǒng)的最大效能，有最佳的性能價格比；（3）工作原理：CPU首先訪問Cache，如果Cache中沒有，則存儲系統(tǒng)通過輔助硬件，到主存儲器中去找；如果主存沒有CPU要訪問的內(nèi)容，則存儲系統(tǒng)通過輔助硬件或軟件，到輔存中去找。然后把找到的數(shù)據(jù)逐級上調(diào)。

2.微型計算機——存儲系統(tǒng)多級存儲系統(tǒng)的優(yōu)勢：

（1）能夠合理解決速度與成本的矛盾，以得到較高的性能價格比；（2）使用磁盤、磁帶等作為外存，不僅價格便宜，可以把存儲容量做得很大，而且在斷電時它所存放的信息也不丟失，可以長久保存，且復制、攜帶都很方便。2.微型計算機——存儲系統(tǒng)答案：A計算機是如何識別外部設(shè)備、實現(xiàn)信息交換和傳送呢？端口地址中斷輸入輸出設(shè)備使用端口和計算機連接。為了區(qū)分，要對端口進行唯一編碼，稱為端口地址。計算機在執(zhí)行正常程序的過程中，由于外部或內(nèi)部的種種原因，將會出現(xiàn)一些異常的情況和特殊要求。這就需要計算機暫時中斷正在執(zhí)行的程序，去轉(zhuǎn)去執(zhí)行預先編好的中斷服務程序，等處理完畢后再返回執(zhí)行原來的程序，這個過程稱為中斷。輸入輸出系統(tǒng)2.微型計算機——輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備與主機系