大学计算机基础ppt课件(第一讲).ppt

大学计算机基础,计算机的基本结构,1 计算机的逻辑（功能）结构,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使用计算机。 认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理，有利于在此基础上更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。 硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。,计算机硬件系统的基本结构。,现代电子计算机的奠基人：,英国科学家艾兰图灵（Alan Mathison Turing）图灵机（Turing Machine ，TM）：1936年提出了现代通用数字计算机的数学模型。这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作 图灵测试（Turing Test）：1950年，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。它奠定了人工智能的理论基础。,美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Von Neumann）,在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以归纳为如下几点：（1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。（2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。（3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。,冯诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。,冯诺依曼计算机结构示意图,(a),(b),现代数字电子计算机系统的基本逻辑结构,运算器又称算术逻辑部件（ALUArithmetical Logic Unit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。 算术运算：指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等； 逻辑运算：泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑加等。 运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器每次执行什么操作、该操作需要什么数据、如何找到这些数据等是由当前指令来确定的。,1）运算器,2）控制器,控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作 ，保证计算机能自动、连续地工作。中央处理器即CPU（Control Processing Unit ）：控制器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。,寄存器的种类很多，主要的有：（1）通用寄存器 也称为数据寄存器（Data Register，DR），向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。（2）累加器（Accumulator，A） 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。（3）程序计数器（Program Counter，PC） 存放将要执行的指令的地址。（4）指令寄存器（Instructor Register，IR） 存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。（5）地址寄存器（Addresss Register，AR）是一个特殊寄存器，用于存放根据当前指令的要求，需要读取数据或写入数据的内存储器的地址。（6）标志寄存器（Flag Register，FR）是一个特殊寄存器，也称为状态寄存器或状态字（State Word，SW），用于存放当前指令执行结果的状态。,a）内部视图 b）外部视图,CPU基本逻辑结构,存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。,3）存储器,内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。内存储器一般采用半导体材料制造。 外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。比较：外存储器存储容量大，价格便宜，但需要机械设备的驱动，速度较慢。相对外存而言，内存容量小，价格较贵，但由于内存采用磁性材料或电子器件，因此速度较快。,将信息存入存储器谓之“写入”（Write）；从存储器取出信息称为“读出”（Read）。,存储器的操作有写入操作和读出操作两种：,为了便于对存储器中存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。 存储单元的地址和该存储单元中所存放的内容是两个不同的概念。,位、字节 、字等,（1） 位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进制信息的最小单位。,（2） 字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，它们从左到右排列为：b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0其中b7 是最高位，b0是最低位。字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节编排。,（3) 字(Word)：又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。字长一般是字节的整数倍。,计算机内存中，存储单元的地址以二进制数表示，称为地址码。地址码的宽度（二进制数的位数）表明了存储单元的数目，即存储器的容量（指它能存放的二进制位或字节数），常用的计量单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB（千兆字节，G为230）和TB(T为240)等。 存储器有一个公共特性就是“取不尽、挤得掉”，也就是说，存储器读出信息时，原来内容保持不变；向存储器写入信息时，则原来保存的内容被新内容所代替。 因为一台计算机的主存储器是由独立的、可编址的存储单元组成的，所以存储单元可以按要求独立地存取。也就是说，计算机内存中的存储单元可以按随机的顺序存取，所以，随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）的概念就因此而来,4）输入设备 输入设备就是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。5）输出设备 输出设备是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,就是计算机各部件之间传送信息的公共通道，使构成计算机的各功能部件成为一个可工作的系统。,总线与各功能部件的连接。,6）总线（BUS）,总线（BUS）,用于CPU直接与内存以及I/O接口相连的总线，一般称为系统总线。根据总线各个部分承担的任务和发挥的功能不同，系统总线一般分为数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）三种。总线的规范化：机械结构规范 ，功能规范 ，电气规范,2 现代微型计算机的组成,逻辑结构硬件逻辑结构软件逻辑结构 物理结构硬件物理结构 软件物理结构,硬件逻辑结构,建立了现代多级结构的存储器子系统,程序运行的局部性原理主要体现在如下三个方面：时间局部性。在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；空间局部性。最近被访问过的程序和数据，往往集中在一小片存储区域中；指令执行顺序局部性。指令顺序执行比转移执行的可能性要大。,硬件逻辑结构,通过并行策略提高运算的速度CPU本身的性能直接决定了整个计算机系统的性能，通过并行处理策略提高CPU的处理速度。 并行策略的运用体现在CPU对外部访问的部分（称为总线接口单元）与执行部分（称为执行单元）的平行处理；通过增加高速缓存实现执行部分与缓存、缓存与对外访问部分的两级平行处理；多个执行部分的平行处理；以及双内核的平行处理等。,硬件逻辑结构,建立统一的输入/输出控制结构,I/O接口的主要功能： 实现计算机主机系统总线信号与各种外部设备的信号之间在逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换； 实现数据的缓冲和协调并匹配两者的信号传输与处理速度，以补偿各种设备相对于CPU的速度差异； 实现数据格式转换； 提供控制和定时逻辑，以接受从主机端的系统总线来的控制和定时信号，并协调与外设之间动作的先后关系，控制数据传输过程； 监视外部设备的工作状态并将状态信息保存起来，以便进行错误或状态检测。,硬件逻辑结构,建立多总线的系统体系结构,软件逻辑结构,软件基本分类,软件逻辑结构,操作系统提供三个基本功能：有效地管理系统的软硬件资源；合理地组织各种程序的运行，即防止硬件被失控的应用程序滥用；为用户提供良好的使用接口，即在控制复杂而又通常广泛不同的低级硬件设备方面，为应用程序提供简单一致的使用方法。操作系统通过进程（Process）、虚拟存储器（Virtual Memory）和文件（File）三个抽象概念实现相应的功能。,软件逻辑结构,操作系统的具体实现一般分为：外壳（Shell）：实现具体的用户操作界面，它相当于一个操作命令解释器，将从用户处得到的操作要求，转换成对内核功能的一系列调用，从而完成相应的操作。同时，它也将计算机系统的状态通过操作界面呈现给用户，以便指导用户进一步操作。内核（Kernel）：是一系列用于管理系统资源的功能模块的集合。,a）用户、外壳和内核的关系,b）两种使用操作系统功能的方法,软件逻辑结构,操作系统采用文件（File）和目录（Directory，也称为文件夹Folder）两个抽象概念统一描述资源及其分类组织。文件：指外存储器上一组相关信息的集合，一般对应于各种类型的软件资源。目录：是描述一组相关文件的组织实体，相当于一个存放文件的容器。目录本身也可以看成是一种特殊的文件，可以将其作为另一个目录中的一种资源。,硬件物理结构,硬件物理结构,（1）系统主板系统主板也称为主机板、主板（Mainboard）或母板（Motherboard），它是微型计算机系统中最大的一块集成电路板。主板集成了中央处理器、内存储器、总线等基本的、扩展性需求不强、相对稳定的一些组成部分。,a） CPU部分,b）内存部分,c）总线部分,d）AGP总线部分,硬件物理结构,(2) CPU,1971年，Intel 公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起，用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片微处理器（MPU Micro Processing Unit）Intel 4004。它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，随后，许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位微处理器。目前，常用的CPU芯片主要有Intel公司生产的奔腾（Pentium）处理器和赛扬处理器，以及AMD公司生产的Athlon处理器和Sempron处理器。,衡量CPU性能的主要技术指标有：,（1）CPU字长 指CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。该指标反映CPU内部运算处理的速度和效率。（2）运算速度 用每秒钟能够执行多少条指令来表示。通常用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并以MIPS（Million Instructions Per Second）作为计量单位；或用每秒浮点运算次数FLOPS（ Floating Point Operation Per Second）来表示。（3）工作频率 CPU的工作频率也称为CPU的主频，指CPU内核电路的实际运行频率，主频越高，其处理速度也越快。（4）CPU的生产工艺技术 通常用m来描述，精度越高表示其生产工艺越先进，在同样体积的硅材料上可以集成的元件也越多，主频也越高。,(3) 内存,内存一般使用半导体材料制造，存取速度较快，容量较小，成本较高；而外存通常以磁性材料和其他材料制造，容量较大，速度较慢，成本较低。,暂存中间结果,Cache,通常指内存,与CPU的通信需要经过专门的接口,内存按其功能特征可以分为：,1. 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 可以被随机访问，大多采用MOS型半导体集成电路芯片制成。当关机或断电时，保存在存储器中的信息将随之丢失。又分为：（1）静态随机存取存储器（SRAM）：它的体积较大，功耗大，制造成本较高，价格较贵；但是存取速度快，能与CPU芯片的工作保持同步，适合用作高速缓冲存储器。 （2）动态随机存取存储器（DRAM）：集成度高，功耗低，作成本较低，被广泛采用作为主存。,2. 只读存储器（Read Only Memory，ROM）两类。只读存储器是一种只取不存的存储器。一般由计算机制造厂家将信息写入ROM中，用户是无法修改的。即使停电，ROM中的信息也不会丢失，是非易失性存储器。 ROM的用途很广，如在主存中用来存放监控程序、启动程序、磁盘引导程序等；在I/O设备中用来存放字符发生器、字库等。,（4）高速缓冲存储器（Cache）,Cache设立的依据是程序访问的局部性原理，即在一个较短时间间隔内，CPU执行的指令和处理的数据往往集中存放在存储器的局部范围内，对该局部范围的存储器地址访问频繁，而此范围外的地址访问较少。如果把在一定地址范围内被频繁访问的指令和数据从内存复制到Cache中，当CPU要访问内存中的数据时，先在Cache中进行查找，若Cache中有CPU所需的数据（称为“命中”），CPU就直接从Cache中读取；否则再从内存中读取，并将与该数据相关的一部分内容复制到Cache中。这样在一个时间间隔内，CPU将不会或很少去访问速度较慢的内存，可以加快程序的运行。 高速缓存一般用静态随机访问存储器（SRAM）实现。,（5）外存储器,外存储器也称为辅助存储器，简称外存。外存储器也可以看成是一种特殊的输入/输出设备，它必须通过I/O接口连接到系统中。常用的外存储器有磁盘、光盘、U盘和磁带等。,(6) 总线与接口,计算机的各个功能部件是通过总线实现相互通信的，总线的主要特征是共享传输介质。 接口是外部设备与计算机连接的端口。,1. 总线分为三种：（1）数据总线DB（Data Bus） 用来传送数据，其位数一般与微处理器字长相同。数据总线具有双向功能。通过它可以实现CPU、存储器和输入输出接口之间的数据交换。 （2）地址总线AB（Address Bus）用来传送地址信息。它是单向传送的，用来把地址信息从CPU单向地传送到存储器或IO接口，指出相应的存储单元或IO设备。16位AB能直接寻址的存储空间为216，存储地址编址范围为0000HFFFFH。,（3）控制总线CB（Control Bus）用来传输控制信号。这些控制信号控制着计算机按一定的节拍，有规律地自动工作。控制总线的多少因不同性能的CPU而异。,目前微型计算机上常见的总线结构有：, ISA（Industry Standara Architecture）总线ISA是工业标准结构总线，数据传送宽度是16位，工作频率为8MHz，数据传输速率最高为8MB/s，寻址空间为1MB。它在80286至80486时代广泛应用，现在的机器中也还保留有ISA总线插槽。, PCI（Peripheral Component Interconnect）总线外部设备互联总线PCI，也称局部总线，它在CPU与外部设备之间提供了一条独立的数据通道，使每种设备都能直接与CPU联系，各种设备都能同时工作。数据传送宽度是32/64位，, AGP（Accelerated Graphics Port）总线AGP总线是为了适应图象和视频传输的需要而推出的总线，又称加速图形端口总线。总线宽度为32位。,(7) I/O接口与扩展卡,接口一般有两种实现形式。一种是直接集成在系统主板中，比如：串行接口、并行接口、键盘/鼠标接口、USB接口等（一体化主板或称集成主板中，还包括多媒体设备接口和通信设备接口），它们通过相应的插座实现。如图a所示。这些接口一般都是一些处理逻辑相对简单的接口。另一种是通过扩展板卡（也称为适配器）实现，比如：显示卡、解压卡、调制解调器卡、传真卡等。如图b所示。这些接口的处理逻辑比较复杂，需要专门的控制电路。有的扩展卡还带有缓存和微处理器，以便提高处理的效率。扩展板卡通过插入系统主板上的总线扩展槽中，实现与计算机主机系统的连接。,a）简单接口,b）复杂接口,I/O接口,本质上是定义计算机主机系统与外部设备进行信息交换的一组电气连接和信号交换标准。串行接口与并行接口串行接口最普遍的用途是连接鼠标和调制解调器（MODEM），并行接口常用于连接打印机。,串行接口,I/O接口,磁盘接口: 使用最广泛的硬盘接口标准是IDE和SCSI。IDE（Intelligent Disk Equipment，智能磁盘设备）的特点是把控制器集成到硬盘驱动器内，制造成本较低，但它只可以连接两个容量不超过528MB的硬盘驱动器，最大数据传输率只有3Mb/s。EIDE（Enhanced IDE）是为取代而开发的接口标准，它直接将接口集成在主板上，不再需要单独的适配卡。它允许一个系统连接4个EIDE设备，每个硬盘支持的容量可达8.4GB，数据传输率可达1218Mb/s。SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）是一个多任务接口，具有总线仲裁功能。SCSI总线上的适配器和控制器可以并行工作，同步的数据传输率达到20Mb/s。SCSI接口可以连接各种外部设备，如光盘、扫描仪、打印机等。,I/O接口,USB接口USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种新型的输入输出总线接口，可以同时连接多个外部设备，不受计算机端口数量和总线插槽个数的限制。它提供机箱外的热插拔（即插即用）连接，用户使用时不需打开机箱和关闭电源。,a）A型标准,b）A型插头与插座,c）B型标准,d）B型插头与插座,(8) 常用输入与输出设备,3 计算机的工作原理,冯诺依曼机工作原理：存储程序和程序控制 存储程序 指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制 指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。,计算机是依靠硬件和软件的配合进行工作的，计算机工作过程就是指令、程序的执行过程。,3.1指令和指令系统,1）指令 能够被计算机识别并执行的命令称为指令，指令规定了计算机能完成的某一种操作。 指令由二进制代码组成，可像数据一样存放在计算机的存储器中。一条指令一般包含操作码和操作数两部分。,操作码指明该指令要完成的操作，例如，加法、减法、乘法、除法、取数、存数等。操作数表示操作对象的内容或所在的存储单元地址。操作数的个数可以是1个、多个或0个（例如停机指令不需要操作数的信息）。,2）指令系统,指令系统：指一台计算机所能执行的全部指令的集合，或称该计算机的机器语言指令系统。按其功能都可将指令系统分为以下几种类型：,（1）数据传送指令 实现数据在内存与CPU之间的传送。（2）数据处理指令 实现对数据进行算术运算和逻辑运算。（3）程序控制指令 实现改变程序执行顺序的功能。（4）输入输出指令 实现CPU与外部设备之间的数据交换。（5）其他指令 实现对计算机硬件的管理。,3）（汇编语言）程序,为解决某一个问题而设计的指令序列称为程序。 当人们需要用计算机来解决某个问题时，首先要将问题分解为若干个基本操作，并把每一种基本操作转换成相应的指令，按一定的顺序进行编排。当计算机执行这一指令序列时，就完成了预定的任务。 一台计算机的指令种类是有限的，但是通过人们的精心设计，可以编写出完成各种不同类型问题的程序。,3.2 指令的执行过程,计算机执行一条指令的过程可以分为几个基本的步骤：（1）取指令 根据程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送到指令寄存器中。（2）分析指令 对指令寄存器中的指令进行分析，由译码器对指令中的操作码部分进行译码，得知该条指令要完成什么样的操作，并转换成相应的控制电位信号；由操作数部分得到操作数。（3）执行指令 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信号，执行该指令所要求的操作。（4）取下一条指令，一条指令执行完成后，将下一条要执行的指令地址送入程序计数器。这有两种情况，若按指令的顺序执行，则将程序计数器加1；若发生转移，则将转移地址码送入程序计数器。,图4.23 程序执行过程,以 8086 CPU中的一条加法指令 ADD AX,NUM 为例来分析其执行过程,设该指令存放在地址为0200H 的存储单元中。指令中各部分的含义是：ADD 加法的操作码。AX 一个通用的寄存器，也称为累加器。AX 既提供操作对象，也用来存放运算结果。NUM 一个变量或变量的地址，该变量的值是加法运算的另一个操作对象。所以，该指令执行的操作可以表示成：AX (AX)+(NUM),第1步，根据程序计数器PC中的地址0200H从内存储器中取出指令，并送入指令寄存器,第2步，对指令寄存器中的指令进行分析，由译码器译码得知该指令需做加法操作，其中一个操作数在累加器AX中（假设为12），另一个操作数的地址为NUM。,第3步，由地址NUM从内存储器中取出操作数23，送往运算器。,第4步，累加器AX中的操作数12送往运算器,进行加法运算。第5步，加法运算的结果35，送入累加器中。,第6步，程序计数器PC的值调整为下一条要执行的指令地址。,如果取指令、分析指令和执行指令这三个步骤由不同的功能部件来完成，而且使三个功能部件并行工作，计算机执行程序的速度将大大提高。,当第1条指令被取出进入指令分析部件时，取指令部件可从内存储器中取出第2条指令；而当第1条指令进入指令执行部件时，分析指令部件将对第2条指令进行分析，取指令部件又将取出第3条指令。,