大学计算机基础计算机的系统组成及工作原理课件.ppt

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1、计算机基础,计算机系统的组成及工作原理,基本内容,1.1 计算机系统的组成,1.2 微型机的硬件系统,1.3 计算机的软件系统,1.1 计算机系统的组成,硬件,软件,输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪、触摸屏、光笔等输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等存储器 外存软盘、硬盘、光盘、磁带等 内存RAM，ROM，Cache等运算器控制器,操作系统：MS-DOS，Windows等系统软件 语言处理系统：C，BASIC，Java等 数据库管理系统：Access等 各种字处理软件：Word,WPS等 应用软件 电子表格软件：Excel等 用户开发的各类软件：档案管理等,CPU,主机,外设,计算机系统是由

2、硬件系统和软件系统组成,硬件：计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体。,主机、显示器、键盘、鼠标、板卡等,这些我们能看见的东西都是硬件,1.1.1 计算机硬件基本结构 与工作原理,计算机硬件系统组成,计算机发展史,计算机体系结构,美籍匈牙利科学家John von Neumann冯诺伊曼,1949 EDSAC,数据指令用二进制硬件由五部分组成存储程序,ENIAC(1946),掌上电脑,至今，计算机的体系结构发生了很大的演变，但基本结构都是建立在冯诺依曼型计算机基础上。,这种体系结构的计算机硬件系统由五大部分组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。,诺依曼型计算机的基本结构图

3、,1.1.2 计算机硬件基本结构 与工作原理,从存储器中取被乘数25、乘数3,在运算器中得乘积75,存放乘积75,从存储器中取被减数86、减数75,在运算器中得结果11,存放最后结果,从键盘输入，到存储器中,输出最后结果,计算机的基本工作过程,运算过程中控制器和运算器的作用,控制器,存储器,寄存器,运算器,运算器工作过程,控制器,加法器9,RAM,寄存器2,寄存器7,结果,运算器是如何得到数据呢？它怎么知道要操作的是逻辑运算还是算术运算呢？,控制器工作过程,RAM,控制器,指令指针M1,指令寄存器 两数相加,控制器,控制器是计算机的神经中枢。控制器产生各种控制信号，控制计算机各部件协调工作，以

4、指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序。,计算机硬件基本结构,计算机硬件基本结构,运算器,运算器又称算术逻辑单元ALU，是进行算术运算和逻辑运算的部件。,输入设备,存储器,中央处理器（CPU:Central Processing Unit）,存储器,计算机的工作原理,例：一道数学题：（2+5）3=?想一想计算机是如何计算并且得出结果的？思考：计算机哪些硬件参与了工作？,计算机基本工作原理：（1）先把数据与程序储存在存储器中，（2）然后通过控制器控制指定数据的读取和控制运算器进行运算，（3）再把结果送回存储器。（4）通过输入、输出设备将数据或程序对存储器的信息输入和输出、显示出来。,一、概述,1、

5、计算机 数据流 控制流,输入设备,输出设备,控制器,运算器,存储器,冯 喏依曼思想：计算机应由五大模块组成；程序与数据一样存放在内存；指令在存储器中按执行顺序存放；机器以运算器为中心。,它的功能是算术运算和逻辑运算,它的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊的工作,存储器分为内存储器和外存储器两种，内存用于存放要执行的程序和数据。,用来接收用户输入的数据和程序，并将它们转换为二进制编码存放到内存中,用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式,计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。图中列出了一个计算机系统的基本硬件结构。图

6、中，实线代表数据流，虚线代表指令流，计算机各部件之间的联系就是通过这两股信息流动来实现的。,1.2 微型机的硬件系统,计算机系统基本硬件结构图,数据,指令,演示,中央处理器简称为CPU（Central Processing Unit），它是计算机系统的核心，中央处理器包括运算器(Arithmetic and Logic Unit)和控制器(Control Unit)两个部件。计算机所发生的全部动作都受CPU的控制。其中，运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算，是对信息加工和处理的部件，由进行运算的运算器件以及用来暂时寄存数据的寄存器、累加器等组成。,1.2.1中央处理器,运算器ALU,控制器 C

7、U,中央处理器是计算机的心脏，CPU品质的高低直接决定了计算机系统的档次。CPU能够处理的数据位数是它的一个最重要的品质标志。,存储器是计算机的记忆和存储部件，用来存放信息。对存储器而言，容量越大，存取速度则越快。计算机中的操作，大量的是与存储器交换信息，存储器的工作速度相对于CPU的运算速度要低得多，因此存储器的工作速度是制约计算机运算速度的主要因素之一。,1.2.2存储器（memory）,内存又称为主存，它和CPU一起构成了计算机的主机部分。内存由于技术及价格上的原因，容量有限，不可能容纳所有的系统软件及各种用户程序，因此，计算机系统都要配置外存储器。按功能可分为两种类型，一种是随机存储器

8、（RAM），另一种是只读存储器（ROM）。,1.2.3 内存储器,1）随机存取存储器(RAM)随机存取存储器简称随机存储器或RAM(Random Access Memory)。计算机工作时其中的数据可以随机读出或写入。关机或停电时，其中的数据丢失。根据RAM电路的工作原理，又可分为静态存储器 SRAM(Static RAM)和动态存储器DRAM(Dynamic RAM)。,2）只读存储器(ROM)只读存储器简称为ROM(Read Only Memory)。包括ROM、PROM、EPROM和E2PROM。计算机中一些固定不变的程序或数据常采用ROM存储。,EDO内存条及插槽,SDRAM内存条,S

9、DRAM内存插槽,DDR 内存条,RDRAM内存（上）、ECC内存（下）,总线是连接微型计算机系统中各个部件的一组公共信号线，是计算机中传送数据、信息的公共通道。微机系统总线由数据总线（DB：Data Bus）地址总线（AB：Address Bus）控制总线（CB：Control Bus）三部分组成。,1.2.4微型计算机总线,数据总线DB：用于微处理器、存储器和输入/输出设备之间传送数据。地址总线AB：用于传送存储器单元地址或输入/输出接口地址信息。控制总线CB：用于传送控制器的各种控制信号。包括命令和信号交换联络线及总线访问控制线等。,按与主机的关系来分,内存储器（内存、主存）,内存按读写

10、功能又分为：,随机存储器（RAM:Random Access Memory）只读存储器（ROM:Read Only Memory）,外存储器（外存、辅助存储器）,存储器分类,内存储器（主存）的作用,设在计算机主机中，存放当前运行的程序和数据，直接与CPU交换信息。,随机存储器（RAM）,RAM：既能读出也能写入，存放用户程序和数据，只能在电源电压正常时才能工作，其中的 信息可以随时改写，断电后，里面的信息 会丢失。,ROM：是只能读出而不能写入的存储器，通常存 放固定不变不需修改的程序。比如计算机 启动的引导程序、启动后的检测程序、系 统的基本输入/输出程序等重要信息。断电 后，其中的信息不丢

11、失。,只读存储器（ROM）,位、字节和字符,字节(Byte):相邻的8位（bit）二进制数 1 Byte=8 bit(千字节)：1KB=210B=1024Bytes1000B(兆字节)：1MB=210KB=1024KB=220B(千兆字节)：1GB=210MB=1024MB=230B,位、字节和字符,256兆内存的存储容量为：256MB=256*210KB=16*1024*1024Byte=268435456Byte 约256000000Byte 内存的读写速度：纳秒级（1s103ms106um109nm）十亿分之一秒,内存的容量与速度,外存储器（辅助存储器）,设在计算机主机外部，存放当前暂时

12、不用的信息，等需要时才调入内存。,外存储器,磁盘存储原理,软盘,目前主要使用3.5英寸软盘，简称3寸盘,软盘写保护,软盘组织结构,软盘容量计算,磁道0，扇区1,容量计算：,512Byte*扇区数*磁道数*盘面数,3.5软盘容量=512*18*80*2=1474560byte/1024=1440KB约为1.44MB,软盘使用注意,软盘驱动器,硬盘,1973年，IBM推出第一台采用“温彻斯特(Winchester)”技术的硬盘：密封、固定、高速旋转镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。磁头悬浮在高速旋转盘片上方(0.01m），不与盘片接触。,硬盘驱动器,目前，15张盘片，一个盘片称为一个单碟,硬盘的组织结

13、构,硬盘组织结构,磁道（3003000条）、扇区（通常63个）、柱面（相同编号的磁道）、磁头,硬盘容量,磁头数柱面数（磁道数）每磁道扇区数扇区容量,目前，20GB80GB,IDE接口,硬盘接口标准：,IDE(也称ATA)ATA-1、ATA-2、ATA-3、ATA-4(Ultra ATA)SCSI SCSI接口的硬盘较贵，传输速度更快，CPU占用率低，需购买SCSI卡，适用于服务器。,硬盘主要性能指标,（1）容量（单位 GB）（2）转速 硬盘内电机主轴的转动速度（每分钟盘片旋转次数），目前ATA（IDE）硬盘的主轴转速一般为 54007200rpm，主流硬盘的转速为 7200RPM。至于SCSI

14、硬盘的主轴转速一般可达720010,000RPM。,硬盘主要性能指标,（3）平均等待时间 数据所在扇区转到磁头下的平均时间，约3ms6ms（4）平均寻道时间 把磁头移动到数据所在磁道（柱面）所需要的平均时间，约5ms10ms。（5）平均访问时间 硬盘找到数据所在扇区所需要的平均时间。（3）（4）注意：不少广告中用平均寻道时间代替此项,（5）数据传输速率 外部传输速率:也称接口传输速率，主机向硬盘缓冲读写数据的速度；内部传输速率：硬盘在盘片上读写数据的速度，是评价硬盘整体性能的决定性因素。,硬盘主要性能指标,移动存储器,闪存盘（8MB2GB）,移动硬盘(10GB60GB),光盘组织结构,CD-R

15、OM,光盘盘片和光盘驱动器,光盘盘片,容量650MB,光盘盘片,数据传输速率：以第一代CD-ROM的传送速率（每秒150KB）为单位，如：52x（52倍速）,光驱性能指标：,光盘,分类 只读光盘：CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)只写一次光盘：CD-R(CD-Recordable)可改写型光盘：CD-RW(CD-Rewritable),只写一次,可擦写,光盘,DVDDigital Versatile Disk,单面单层：4.7G（7张CD-ROM）单面双层：8.5G双面单层：9.4G双面双层：17G,DVD定义了四种格式：,磁带(访问速度以s计算),顺序

16、存储的介质：通常作为后备存储设备，用于资料、文件的备份。,HP SureStore DAT8eU8GB*外置式DDS-2磁带机,磁带,返回,内存的存取速度,外存的存取速度,外存特点：比内存慢、容量大、价格低内存的特点：存取速度快、容量小、价格高,内外存存取速度比较,外存可以长久地存储信息，“永久性存储设备”,输入设备和输出设备,是人和计算机交往的桥梁，我们通常把它们合在一起称为：输入/输出设备或I/O（Input/Output）设备。,把I/O设备和外存统称为计算机的外部设备（简称外设）。,存储器,输入（Input）设备,输入设备,作用：把信息转变成计算机能接收的电信号送入计算机 输入内容：数

17、字和文字、位置和命令、图形、声音、视频、温度、压力,信息,电信号,常用的输入设备,键盘、写字板、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机、麦克风、MIDI乐器、摄像机、传感器,扫描仪,键盘(101,104，107键盘),人体工学键盘,常用的输入设备,鼠标,机械鼠标：,常用的输入设备,收集外部光的变化，通过光的变化判断鼠标的移动方向,常用的输入设备,鼠标,光电鼠标：,笔输入设备（手写笔）,需要专门的手写汉字识别软件支持,工作原理：电磁感应式、电容式触控板（手指、笔）,基板,手写笔,压力感应笔（签名识别、绘画）,手写笔,SONY DSC-P71 数码相机 320万像素16兆存储卡,SONY DSC-F717

18、 500万像素 32兆 6990,数码相机,条形码阅读器,磁卡读入机，IC卡.,其他输入设备,输出（Output）设备,存储器,作用：把计算机处理好的结果，转变成人所要求的并且可识别的形式(文本、声音、动画、图像)表达出来。,输出设备,常用输出设备,计算机显示系统通常由两部分组成：监视器（Monitor）CRT（阴极射线管）LCD（Liquid Crystal Display）显示控制器（显示卡、图形卡、视频卡）有的集成在主板上,显示器,常用的输出设备,显示器、打印机、绘图仪、音箱,LCD,显示器,球面、平面直角、纯平显示器,显示器（监视器）主要性能参数,1）显示屏尺寸（对角线英寸数）,1英寸

19、2.54cm,一般可视尺寸小于标识尺寸,可视尺寸15.7英寸,整屏可显示像素的多少 640480；800 600；1024 768；1280 960；1800 1440；,3）刷新速率,所显示的图像每秒钟更新的次数。刷新频率越高，图像稳定性越好。85Hz以上。,4）像素的颜色数目,一个像素可以显示多少种颜色，由表示这个像素的二进位位数决定。（真彩色24位）,显示器（监视器）主要性能参数,2）显示器的分辨率,打印机,按印字方法可以分为：击打式和非击打式常用：针式打印机、喷墨打印机、激光打印机,优点：可以打印穿孔纸、多层纸、成本低缺点：速度慢、打印效果普通、噪声大,针式打印机,喷墨打印机（非击打式

20、）,优点：价格便宜、噪音较小、图形质量高缺点：墨水成本高、消耗快、打印速度较慢,激光打印机（非击打式）,优点：分辨率高、打印效果精美细致、趋于智能化缺点：价格高,基本字长：字长是指计算机能处理的二进制数据的位数，直接涉及到计算机的功能、用途和应用范围、领域。基本字长越长，计算精度越高。一般微机字长有8位、16位，高档微机为32位、64位。其它机型多为32位、64位。根据字长，计算机有16位机、32位机等。运算速度：描述计算机CPU工作快慢的性能指标，通常运算速度用每秒钟能执行多少条指令来表示，单位一般用MIPS（百万条指令秒）。目前，高档微机的运算速度可达几百万次秒，巨型机可达几百万亿次秒。,

21、计算机的基本性能指标,主存容量：描述计算机存储各种信息的能力,以字节作为度量单位。外围设备的配置：允许外设种类、最大数量的I/O处理能力等。系统总线的传输速率 系统总线的传输速率直接影响到计算机输入输出的性能，它以MB/s为单位。,计算机的基本性能指标,软件的配置情况：功能强的操作系统、丰富的语言支持、及所需的应用软件等。可靠性、可维护性：如诊断程序、杀毒程序等，使得便于维护计算机软硬资源。,计算机的基本性能指标,1.软件,1.3 计算机的软件系统,是指使计算机运行所需的各种程序、数据及其有关文档的集合。程序+数据+文档 功能：用户与计算机硬件的桥梁。,2.软件的分类,操作系统与其他系统软件,

22、各种应用软件,用户,计算机硬件(裸机),软件系统,2.软件的分类,支持程序人员（计算机用户）能方便地使用和管理计算机的软件。功能 为整个计算机系统进行调度、管理、监视和服务，为用户使用计算机提供方便。如：操作系统、汇编程序、高级语言编译程序、故障诊断程序、数据库管理程序、控制程序等。,-系统软件,2.软件的分类,-应用软件,用于解决各种具体应用问题的专门软件,包括通用应用软件和定制应用软件。如：工资管理程序、图书检索程序、人口普查程序、文字处理软件、AutoCAD、表格软件等。,软件系统的分类,裸机,操作,系统,应用软件,用户,语言处理程序,DBMS,Tools,网络与通信软件,应用软件,层次

23、构成,3.系统软件,操作系统计算机语言及语言处理程序数据库系统实用程序,支撑软件,是直接运行在裸机上的最基本的系统软件；是在所有的计算机上都必须配置的系统软件。只有在操作系统的支撑下，整个计算机系统才能正常运行。,1）操作系统(Operating System),管理系统中的各种资源,I)重要作用,为用户提供各种服务界面,对各个任务使用资源的请求作出仲裁，承担系统资源管理的任务，在各个程序之间调度分配，避免冲突，保证用户程序正常有序运行。,处理器管理（任务管理）存储管理 文件管理 设备管理,II)操作系统类型,1、批处理系统2、分时系统-时间片轮法3、实时系统 实时控制系统 实时信息处理系统4

24、、单用户操作系统5、网络操作系统6、分布式操作系统,2)WINDOWS 操作系统 Windows 9X（图形界面、单用户多任务）:,1)MS-DOS（字符用户界面、单用户单任务）,1990年,III)常用操作系统,3)UNIX操作系统（多用户/分时/网络操作系统）,Windows NT(New Technology)(网络操作系统)Windows 2000(Win NT5.0)Professional/Server/Advanced ServerWindows XP、Windows NETWindows CE,1970年第一版问世，国际上使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一。,4)其他：Li

25、nux（开放性/多用户分时/网络）、OS/2,III)常用操作系统,I）计算机语言 三个发展阶段：机器语言 汇编语言 高级语言,2）计算机语言及语言处理程序,1)机器语言：第一代语言，由 0、1 代码组成，机器能直接执行的语言2)汇编语言：第二代语言，也称符号语言，便于识别记忆，用助记符表示一条机器指令。（例：0000010000001010 ADD AL,10-AL的内容加10，和值放在AL中）3)高级语言:第三代语言，算法语言，与人们日常熟悉的自然语言和数学语言更接近。,0000010000001010,ADD AL,10,I=I+10,I）计算机语言,FORTRAN语言 FORmula

26、TRANslation(公式翻译)应用于大型科学与工程计算 Pascal语言 开发于1971年，用于帮助学生学习编程语言C、C+(对C语言的扩充)Basic语言：QBasic、TurboBasic、VisualBasic Java(用于网络环境下开发)1995年Sun公司,常见高级语言,源程序,语言处理程序（翻译程序）,机器语言程序,语言处理程序（翻译程序）是指一个把源程序翻译（编译、解释）成机器语言程序的程序源程序 用汇编语言或高级语言编写的有待翻译的程序目标程序 也称为结果程序，是源程序经过翻译程序加工以后所生成的程序,II）语言处理程序,1)汇编程序(assembler)：把汇编语言编写

27、的源程序翻译成机器语言目标程序的翻译程序。2)解释程序(interpreter)：按源程序中指令（或语句）的执行顺序，逐条翻译并立即执行相应功能的处理程序。“口译”,解释程序,高级语言源程序,执行结果,逐句解释并执行,用于交互方式工作、调试状态下、运行时间与解释时间相差不大的情况,语言处理程序分类,3)编译程序(compiler)：从高级语言到机器语言或汇编语言的翻译程序。“笔译”,可以一次性产生可在具体计算机上执行的高效运行的目标程序，并保存在磁盘上，以备多次执行。,语言处理程序分类,语言处理系统,3)数据库系统,数据库：是以一定的方式组织起来的数据的集合,以统一管理和共享数据为主要特征,用

28、于数据的管理。数据库系统主要是由数据库（DB）、应用程序、数据库管理系统（DBMS）、数据库管理员（DBA）组成。数据库系统示意图如下：,数据库系统示意图,DBMS是数据库管理系统，是数据库系统的核心DBMS的三种数据模型：层次型、网状型、关系型,常用的关系型数据库管理系统有：Foxpro、Access、SQL Server、DB2、SYBASE、ORACLE等,DBMS,4)实用程序,完成某些与系统资源及文件管理相关的程序,文字处理电子表格图形图象处理软件网络通信软件简报软件,通用应用软件,定制应用软件 完全按照用户的特定需求专门开发,4.应用软件,高,低,软件的分层示意图,1.2.5 计算机软件的发展过程,计算机软硬件之间的层次关系：,裸机,操作系统,语言处理系统,数据库管理系统,应用程序,用户,