第2章计算机基础知识(计算机组成原理).ppt
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1、第二章 计算机基础知识,2.1 计算机系统组成及工作原理2.2 计算机硬件基本组成2.3 计算机软件组成2.4 计算机运算及编码基础,2.1 计算机系统组成及工作原理,2.1.1 计算机系统组成2.1.2 计算机工作过程2.1.3 微型计算机主要性能指标,2.1.1 计算机系统组成,一个完整的计算机系统,包括两大部分,即硬件系统和软件系统。硬件系统是指构成计算机的物理设备,即由机械、光、电、磁等器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。如CPU、存储器、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、主机板、各种卡及整机中的主机、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器等等,整机硬件也称“硬设备
2、”。软件系统则是指管理计算机软件和硬件资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等,软件系统就是程序系统,也称为“软设备”。,2.1.1 计算机系统组成,计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行一个具体任务。硬件是计算机系统的物质基础,而软件又是硬件功能的扩充和完善。任何软件都是建立在硬件基础上的,任何软件也离不开硬件的支持。如果没有软件的支持,硬件的功能就不能得到充分的发挥。,2.1.1 计算机系统组成,冯诺依曼(Von Neumann)体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯 诺伊曼提出计算机的体系结构发生了许多变化,但Von Neumann提出的二进制、程序存储和程序控制,依然是普遍遵循的
3、原则。,2.1.1 计算机系统组成,1.采用二进制表示数据和指令;2.采用存储程序即把程序和原始数据预先存入计算机主存中,使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行,从而自动完成预定的任务;3.计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。,2.1.1 计算机系统组成,冯.诺依曼计算机结构框图(以运算器为中心),输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器,程序,数据,结果,数据,结果,地址,指令,控制信号,数据线,地址线,控制线,2.1.1 计算机系统组成,1.运算器功能:在控制器控制下,进行算术运算和逻辑运算。运算器的技术性能高低直接影响着计算
4、机的运算速度和整机性能。2.控制器功能:对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作,产生并发送各部件所需要的控制信号,从而使整个计算机自动、协调地工作。控制器产生控制信号都是基于程序指令的。控制器是计算机的控制指挥部件,也是整个计算机的控制中心。,2.1.1 计算机系统组成,3.存储器 功能:存放指令和数据。分为主存储器(主存)和辅助存储器(外存)主存:采用半导体集成电路制成,可分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)外存:大多采用磁性和光学材料制成,如磁盘、光盘、U盘等。,2.1.1 计算机系统组成,4.输入设备输入设备是给计算机输入信息的设备。如键盘、鼠标、摄像头等。功能:将外界的信息
5、转换为计算机能识别的二进制代码。5.输出设备功能:将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式(文字、图片、声音等)。常用输出设备包括显示器、打印机、音响设备等。,2.1.2 计算机工作原理,现代计算机均遵照冯诺依曼体系结构,计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备以及将它们连结为有机整体的总线构成,2.1.2 计算机工作原理,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,CPU,控制指令,控制指令,取数据,存数据,现代计算机结构框图(以存储器为中心),2.1.2 计算机工作原理,实质:执行程序过程.执行程序的过程:逐条执行指令的过程.指令执行过程取指令:CPU从存储器某
6、个地址取出要执行的指令。译码:对取出的指令代码进行译码分析,确定什么类形指令。执行指令:根据译码结果,控制单元向各个部件发送为执行该指令所需要的一切控制信号,以正确执行该指令。,2.1.1 计算机系统组成,计算机在执行程序过程中,有2种信息在流动。一种是计算机指令,它从存储器流入控制器,并变成整个计算机系统的控制信号。另一种是数据,从输入设备流入存储器,再流入执行部件如运算器,运算结果流入存储器或输出设备。前一种信息为“指令流”,后一种信息为“数据流”,2.1.2 计算机工作原理,例:设有一台计算机,其字长为32位,通用寄存器有16个(需要4位二进制寻址),指令操作码为8位,存储单元地址为20
7、位,其部分指令如下表。,2.1.2 计算机工作原理,(1)程序流程图 yax2bxc(axb)xc 根据变换后的算法,用方框图描绘出计算的步骤:(2)存储单元分配 原始数据(a,b,c,x):主存地址:00407H0040AH 计算结果:保存在0040BH单元。(3)编制程序 设程序的首地址:00400H单元,编制的程序见下表,2.1.2 计算机工作原理,2.1.2 计算机工作原理,(4)运行程序在引导程序的控制下,通过输入设备将其输入到存储器的指定存储区。程序输入后,引导程序将强迫程序计数器PC内容为程序的首令地址(简单的机器,也可以通过控制台将程序首地址装入PC,再启动机器运行)。在本例中
8、,PC被置为00400H,之后计算机开始了指令执行的工作过程。,2.1.2 计算机工作原理,(4)运行程序计算机开始了指令执行的工作过程。首先从00400H单元取指令01100407H到IR,PC加1变为00401H,IR的内容经译码识别出是取数指令,在执行指令阶段,将00407H单元的数a读到R1寄存器;接着控制器又进入取指令阶段,从00401H单元中取出指令410040AH到IR,PC内容加1变为00402H,IR中的指令经译码识别出是乘法指令,于是在执行指令阶段,从0040AH单元取出被乘数x,它与R1中的乘数a都送入ALU中进行乘法运算,乘积存入R1;接着又从00402H单元取出新的指
9、令并执行之。如此逐条执行程序中的每条指令,直到从00406H单元中取出指令FFH,执行停机指令,使控制单元不再循环发出节拍信号,机器也停止了指令执行过程。,2.1.3 计算机主要性能指标,1、机器字长字长以二进制为单位,是计算机微处理器一次能同时处理的数据的二进制位数,它直接关系到计算机的计算精度、功能和速度。2、运算速度计算机的运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数,是平均运算速度。用MIPS(百万次/秒)来描述。时钟频率是决定运算速度的重要指标:是指微处理器在单位时间(秒)内发出的脉冲数。时钟频率越高,其运算速度就越快。一般时钟频率用兆赫(MHz)为单位。如Pentium III 800的主
10、频为800MHz。,2.1.3 计算机主要性能指标,3、存储容量内存反映了内存储器存储数据的能力。存储容量越大,其处理数据的范围就越广,并且运算速度一般也越快。内存的容量可以根据需要在原来的基础上进行扩充。通常,微机的档次越高,其扩充的内存容量也越大。目前微型机的内存容量可达512M。除内存外,外存(如硬盘、U盘)存储容量很大。存储容量=存储单元个数存储字长单位:字节1字节(B)=8位 度量:1K=210,1M=220,1G=230,2.1.3 计算机主要性能指标,4、可靠性和可维护性可靠性以平均无故障的时间表示。可维护性以平局修复时间表示。5、兼容性、性价比、网络功能6、外设配置、软件配置,
11、2.2 计算机硬件基本组成,2.2.1 中央处理器CPU2.2.2 存储器2.2.3 输入/输出设备2.2.4 总线与接口的基本概念,2.2.1 中央处理器CPU,CPU(Central Processing Unit):是运算器控制器的统称,通常集成(封装)在一块芯片上。它是整个计算机的核心部分。功能:负责读取并解释、执行指令。,2.2.1 中央处理器CPU,运算器:执行算术运算和逻辑运算算术逻辑单元(ALU):算术运算:加、减、乘、除逻辑运算:比较、与、或、非、移位累加器:一种通用寄存器,暂时存放操作数和运算结果【操作数:一条指令包含操作码和地址码,操作 码指定计算机进行何种操作,地址码指
12、定进行 操作的数据的保存的地址。】通用寄存器组:暂存操作数或数据地址【联系:累加器属于通用寄存器,运算更快】状态寄存器:存放ALU在工作中产生的状态信息。如有 无进位,有无溢出,结果正负、是否零等。,2.2.1 中央处理器CPU,控制器功能:根据程序中每条指令的操作发出相应的控制信号,对计算机系统的其他各部分进行协调与控制,并对输入和输出设备的运行进行监控。指令寄存器(IR):保存当前正在执行的指令,在指令执行过程中它决定指令的操作性质及参与操作的操作数地址。指令计数器(程序计数器,PC):给出程序中下一条指令(要求计算机进行基本操作的命令)在存储器中的单元地址。译码器:对指令进行分析,确定指
13、令类型、指令所要完成的操作,并确定指令操作对象(操作数地址和操作结果的存放地址)。,2.2.1 中央处理器CPU,寄存器:寄存器是CPU中内部少量的存储单元功能:进行CPU内部数据的缓冲或记录当前的系统状态和信息。特点:存储速度快,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标1.运行速度:常用单位时间内执行多少条指令来表示:MIPs决定CPU速度的第一个要素是数据总线宽度,它是用位(8、16、32或64)来衡量的。总线宽度决定了计算机可同时处理的位数,这一数目也就是计算机中“字”的长度。如16位计算机中“字”长16位。时钟频率指的是1秒钟内系统时钟脉冲的次数,时钟周期越短,主频越高,运算速度
14、就越快;,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标2、地址总线计算机内存组织中包含若干个存储单元,每个存储单元有一个唯一的编码,称为地址。地址不变,只是存储在那里的数据可以改变。因此,CPU到存储器的连线除了数据总线之外,还包括地址总线,CPU通过地址总线向内存发送地址信息,找到指定的存储单元,通过数据总线读写存储单元中的数据。而CPU地址总线的宽度决定了存储单元的最大数目,如20根地址线的内存最多有220=1MB个单元。,2.2.1 中央处理器CPU,CPU的性能指标3.兼容性:特定CPU的机器语言必须使用该CPU的指令集(告诉CPU如何操作的具体指令集合)。由于各处理器都有特定的指令
15、集,为某种计算机设计的程序在另一种计算机上可能无法运行。可在给定计算机上运行的程序即与该计算机的处理器兼容。微处理器制造商在推出新型号产品时,必须仔细考虑兼容性问题。特别地,制造商必须决定是否使新的芯片与以前的型号向下兼容。具有向下兼容性的芯片能够运行早期芯片上的程序。,2.2.2 存储器(Memory),存储器:功能:存放指令和数据。必须将程序和数据预先存放在存储器中。概念:存储单元:存储二进制信息的部件,每个单元可以存放一个字或字节的信息,存储器就是存储单元的集合。单元地址:存储单元的编号,是区分存储器中不同存储单元的唯一标志。操作:存储器读操作:从存储器取出数据,又称为读出。存储器写操作
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